ZHCACY7 august 2023 LMH32401 , LMH32404 , LMH34400 , LMH6629 , OPA2673 , OPA2675 , OPA855 , OPA856 , OPA858 , OPA859 , THS6222
LiFi 是一种基于无线通信方法的新兴技术：使用可见光传输数据。自 2011 年 LiFi 首次亮相以来，LiFi（也以光保真闻名）成为实现双向高数据速率传输的主要光通信技术。LiFi 通常通过主要设计用于照亮空间的现有灯具或发光源实现。其高级概念是利用 LED 灯泡发出的可见光，以人类视觉无法感知的频率调制可见光，从而实现数据通信。由于提供的电源已经使光源闪烁 的速度超过人的肉眼可以看到的速度，因此思路就是特意使光源闪烁 来发送数据。用设定的调制方案替换与电源相关的频率可将（潜在的）任何标准光源变为数据传输节点。将灯具改装成高密度数据收发器的想法已经吸引了多个行业（包括工业、医疗、航天、国防和通信）的关注。一些制造商正在考虑将系统微型化，以便在个人电子设备上运行。无论尺寸或最终应用如何，所需的信号链元件都是一致的。
电子硬件可分为两种不同的功能：发送器和接收器电路。图 1 展示了 LiFi 实现方案中信号链的基本组成部分。
RX 路径
TI 提供了许多已用于各种 TX/RX 应用的高速放大器，专为 LiFi 的发送和接收信号链而设计。
LiFI 接收路径的关键元件包括光电二极管、跨阻放大器 (TIA)、全差分放大器 (FDA)（可选）和 ADC。各种实现或调制方案可能需要在 RX/TX 路径上使用特定滤波器。
与光探测和测距 (LiDAR) 电路类似，LiFi RX 电路也受益于 TI OPA85x 系列运算放大器的广泛适用性和功能。OPA855 和 OPA858 等跨阻放大器是高增益带宽积 (GBP) 器件，能够从光电二极管接收小信号并向 FDA 或模数转换器 (ADC) 提供放大信号。表 1 比较了 TI 专为跨阻应用设计的高速运算放大器，这种放大器提供各种输入类型、带宽和噪声，以适合各种应用。如果设计非常注重尺寸和集成，则表 2 中列出了 TI 的高速集成 TIA，它们提供了具有附加功能的单芯片解决方案，但缺点是配置较少。
图 1 LiFi 信号链方框图在设计具有跨阻放大器的电路时，需要注意一些重要参数：输入电容、跨阻增益（由 RF 设定）和 GBP。由两部分组成的 E2E™ 设计支持博客详细介绍了跨阻电路设计的方法和解释。第二部分包括 TIA 计算器工具，用于处理与各种 TIA 参数相关的数字，包括它们如何相互影响。如需深入分析，请参阅高速放大器跨阻注意事项 应用手册。
除了 TIA，通常还需要在 TIA 之后使用一个全差分放大器，将单端信号转换为差分信号，以驱动差分输入 ADC。一个示例是光电二极管连接到 OPA859 跨阻放大器，后跟 THS4541 全差分放大器，用以创建驱动差分 ADC 的完整模拟前端。有关德州仪器 (TI) 的模数转换器产品和解决方案的详细信息，请访问 ADC 产品页面。通过在接收路径上放置 TIA，利用 TI 在汽车激光雷达领域的经验可提供经验证的 TIA 系列，在 RX 信号链中与光电二极管结合使用。
| 器件型号 | OPA855 | OPA856 | OPA858 | OPA859 | LMH6629 |
|---|---|---|---|---|---|
| 输入类型 | 双极 | 双极 | FET | FET | 双极 |
| VCC 最小值 (V) | 3.3 | 3.3 | 3.3 | 3.3 | 2.7 |
| VCC 最大值 (V) | 5.25 | 5.25 | 5.25 | 5.25 | 5.5 |
| Iq 25C 最大值 (mA) | 19.5 | 19.5 | 24 | 24 | 16.7 |
| GBW/BW (MHz) | 8000 | 1200 | 5500 | 900 | 4000 |
| 大信号带宽 (MHz) | 850 | 110 | 600 | 400 | 390 |
| 最小稳定增益 (V/V) | 7 | 1 | 7 | 1 | 4 |
| 转换速率 (V/us) | 2750 | 350 | 2000 | 1150 | 1600 |
| 噪声电压 (nV/√Hz) | 0.98 | 0.9 | 2.5 | 3.3 | 0.69 |
| 关断/断电 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 偏置电流（典型值）(uA) | -12 | -15 | +/- 0.4 | +/- 0.5 | -15 |
| Vos（最大值）(mV) | +/-0.2 | +/-0.2 | +/- 0.8 | +/- 0.9 | 4.1 |
| 偏移电压漂移 (uV/C) | 0.5 | 0.7 | +/- 2 | -2 | +/- 150 |
| 封装选项 | WSON (DSG) | 8 (2mm × 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (DSG) | 8 (2mm x 2mm) |
WSON (NGQ) | 8 (3mm x 3mm) SOT-23 (DBV) | 5 (2.9mm x 2.8mm)[FJ1] |
| 器件型号 | LMH32401 | LMH32404 | LMH34400 |
|---|---|---|---|
| 总增益 | 2/20kΩ | 20kΩ | 40kΩ |
| TIA 增益级 | 1/10kΩ | 10kΩ | 12.2kΩ |
| 每通道 Iq (mA) | 30 | 28 | 20 |
| GBW/BW (MHz) | 450/275 | 350 | 240 |
| 输入 (pA/√Hz) | 9.2/2.1 | 2.3 | 2.4 |
| 线性输入电流范围 (uA) | 0 至 700/0 至 72 | 0 至 72 | 0 至 ~30 |
| 集成电流钳位 | 100mA 10mA 时的恢复时间为 4ns |
100mA 10mA 时的恢复时间为 12ns |
100mA 10mA 时的恢复时间为 18ns |
| 关断电流 (mA) | 3.3 | 0.6 | 1.5 |
| 环境光消除 (mA) | 3 | 2.5 | 3 |
| 支持输出多路复用 | 是 | 是 | 是 |
| 通道计数 | 单通道 | 四通道 | 单通道 |
| 封装选项 | VQFN (RGT) | 16 (3mm x 3mm) | VQFN (RGT) | 28 (5mm x 4mm) | SOT-5X3 (DRL) | 6 (1.6mm x 1.6mm) |
TX 路径
LiFI 发射路径的关键元件包括数模转换器 (DAC)、调制电路、直流偏置（可选/选择如何实现）、激光/LED 驱动器和激光二极管/光源。与 RX 一样，TX 信号链可能也需要滤波器或附加元件才能运行。
激光和 LED 驱动器是需要进行高带宽操作和调制、具有高输出电流能力并可以驱动 LED 和激光二极管负载的元件。TI 的电流反馈放大器 (CFA) 和差分驱动器 IC 可驱动 LiFi 发射路径中的光源。OPA2675 双通道 CFA 是宽带高输出电流 IC；该器件的输出电流为 ±100 0mA。由差分输出放大器驱动的 LED 的使用情况在 VLC/LiFi 的 G.9991 ITU 标准附录 I 中有记录。LED 驱动器的选择取决于通道数、调制 LED 所需的输出驱动以及调制方案。事实证明，LiFi 的发射电路与使用曼彻斯特编码等方法调制 LED 开/关的目录放大器和晶体管一样简单。虽然这种比特率较低的方法对小数据吞吐量情况有效，但是正交频分多路复用 (OFDM) 信令的现行方法实现了高得多的数据吞吐量。根据模拟前端 (AFE) 元件和调制方案，LiFi 的 OFDM 信令可在数据吞吐量方面达到与 WiFi 相当的水平。LiFi 的发射路径通常需要考量效率和光源，例如 LED 和激光二极管的调制与功耗和电流要求。与专用 LED 驱动器或激光驱动器 IC 不同，TI 的 CFA 和线路驱动器产品系列已用于 PLC、DSL、WiFi 和 LiFi 之间共享的调制技术。有许多 TI 资源介绍了如何在有线通信系统中使用 CFA 和线路驱动器器件，在有线通信系统设计中用于验证电路性能的性能指标包括：多频功率比 (MTPR) 和带外抑制 (OOBS)。虽然通常分别与 DSL 和 PLC 相关，但 LiFi 的 MAC 和 PHY 层与有线 PHY 系统的相似之处为在 LiFi TX 中采用 TI CFA 创造了机会。对于 LiFI 设计，误码率 (BER) 和误差矢量幅度 (EVM) 已为更广泛的无线通信领域所熟知。MTPR 和 OOBS 指标通常仅用于有线系统。鉴于这种区别，本文对这些有线指标暂不予考虑，但由于 LiFi 系统的介质（空气）近似于光纤布线，因此可以在适用时考虑有线指标。TI 放大器最初用于 DSL 和 PLC，其数据表展示了其在最初有线应用中的相关性能。在 LiFi 中采用高速放大器可能需要知识渊博的 TI 工程师来协助进行设计：TI 的 E2E™ 设计支持论坛提供产品系列和特定于 IC 的资源以及论坛帖子，与调查工程师的知识水平相当。TI 在模拟和数字方面拥有专业的知识，尤其是有线和无线性能指标，可帮助您解决在采用 TI CFA 和差动驱动器产品时遇到的问题。
通过使用有线通信指标 MTPR 和 OOBS 来表征 OPA2675 等 TI CFA，为测试 LiFi TX 应用中 TI 高速放大器的功能提供了一种可靠且可实现的方法。虽然仿真和计算允许测试 BER 和 EVM 的调制方案，但这些指标在考察 LiFi AFE 的模拟器件时用处不大。对 IC 进行评估无需在分析 IC 性能之前全面开发 LiFi 设置。使用 MTPR 和 OOBS 对用于 LiFi 的模拟放大器进行鉴定，对设计工程师来说受益无穷。
| 器件型号 | OPA2675 | THS6222 |
|---|---|---|
| 类型 | 线路驱动器 | 线路驱动器 |
| 通道数量 | 2 | 1 |
| VCC 最小值 (V) | 4.5 | 8 |
| VCC 最大值 (V) | 13 | 32 |
| Iq 25C 最大值 (mA) | 16.5 | 19.5 |
| GBW/BW (MHz) | 730 | 250 |
| 大信号带宽 (MHz) | 230 | 190 |
| 转换速率 (V/us) | 3,000 | 5,500 |
| 输出拉电流（典型值）(mA) | 1000 | 338 |
| 噪声电压 (nV/√Hz) | 2.4 | 2.5 |
| 关断 | 是 | 是 |
| 偏置电流（典型值）(uA) | 25 | 1 |
| Vos（最大值）(mV) | 5 | 12 |
| 偏移电压漂移 (uV/C) | 3 | 40 |
| 封装选项 | VQFN | 16 (3mm x 3mm) | VQFN | 16 (3mm x 3mm) |
随着 LiFi 不断成熟并逐步成为面向消费者和行业的产品，在设计和测试时可考虑使用德州仪器 (TI) 的高速放大器。许多 TI 器件采用不同的封装和通道数量；有些器件已采用裸片封装，可直接将引线键合到光电二极管。TI 的产品系列和产品支持可为如何在下一个高安全性通信系统、工业控制系统或射频干扰敏感型环境中采用 LiFi 提供指导和协助。