PLR137-Serie Faseroptischer Empfänger Datenblatt - Photolink-Schnittstelle - 2,4-5,5V - 16Mbps - 650nm Rotlicht - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PLR137-Serie repräsentiert ein hochleistungsfähiges faseroptisches Empfängermodul, das für die digitale optische Datenübertragung konzipiert ist. Es wurde entwickelt, um optische Signale in elektrische, TTL-kompatible Ausgangssignale umzuwandeln und so eine zuverlässige Datenkommunikation über Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) zu ermöglichen. Das Herzstück des Bauteils ist ein proprietärer CMOS-Photodetektor-Integrierter Schaltkreis (PDIC), der hohe Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch ermöglicht. Dieses Produkt ist für den Einsatz mit Rotlichtquellen optimiert, typischerweise bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm, und eignet sich daher für eine Reihe von Consumer- und Industrieanwendungen mit digitalen Schnittstellen, bei denen Störfestigkeit und längere Batterielaufzeit entscheidend sind.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die PLR137-Serie bietet mehrere entscheidende Vorteile, die sie auf dem Markt gut positionieren. Ihre hohe Photodetektor-Empfindlichkeit, optimiert für Rotlicht, ermöglicht längere Übertragungsstrecken oder den Einsatz von Sendern mit geringerer Leistung. Die integrierte Schwellwertsteuerungsschaltung verbessert die Störabstandsmarge erheblich und erhöht so die Signalintegrität in elektrisch verrauschten Umgebungen. Darüber hinaus ist ihr geringer Stromverbrauch ein entscheidender Faktor für tragbare und batteriebetriebene Geräte. Zu den Hauptzielmärkten gehören digitale Audioschnittstellen (wie Dolby AC-3), industrielle Datenlinks und alle Anwendungen, die einen robusten, optischen Kommunikationslink für kurze bis mittlere Reichweiten erfordern, der immun gegen elektromagnetische Störungen ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt angegebenen wichtigsten technischen Parameter. Das Verständnis dieser Parameter ist für ein korrektes Schaltungsdesign und die Systemintegration von entscheidender Bedeutung.

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Die Versorgungsspannung (Vcc) darf niemals 5,5 V überschreiten oder unter -0,5 V fallen. Die Spannung am Ausgangspin sollte nicht über Vcc + 0,3 V gezwungen werden. Das Bauteil kann bei Temperaturen von -40 °C bis 85 °C gelagert werden, arbeitet jedoch in einem engeren Bereich von -20 °C bis 70 °C. Ein kritischer Parameter für die Montage ist die Löttemperatur, die mit 260 °C für maximal 10 Sekunden spezifiziert ist, was typisch für bleifreie Reflow-Prozesse ist. Der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) beträgt 2000 V (Human Body Model) und 100 V (Machine Model), was auf die Notwendigkeit standardmäßiger Handhabungsvorsichtsmaßnahmen hinweist.

2.2 Empfohlene Betriebsbedingungen

Für einen zuverlässigen Betrieb sollte das Bauteil innerhalb des empfohlenen Versorgungsspannungsbereichs von 2,4 V bis 5,5 V betrieben werden, wobei ein typischer Wert bei 3,0 V liegt. Ein Betrieb außerhalb dieses Bereichs kann zu einer verschlechterten Leistung oder zum Nichterreichen anderer spezifizierter Eigenschaften führen.

2.3 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter, gemessen bei 25 °C, Vcc=3 V und einer Lastkapazität von 5 pF, definieren die Leistung des Empfängers.

• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λp):650 nm. Der Empfänger ist für Rotlicht dieser Wellenlänge am empfindlichsten.
• Übertragungsentfernung (d):0,2 bis 5 Meter. Dieser Bereich ist typisch für Standard-Kunststoff-Lichtwellenleiter.
• Empfängerleistung (Pc):Die minimal erforderliche optische Leistung (Empfindlichkeit) beträgt -27 dBm (Minimum) bei 16 Mbps. Die maximal zulässige Eingangsleistung vor möglicher Beschädigung oder Verzerrung beträgt -14 dBm. Die Differenz zwischen diesen Werten ist der Dynamikbereich.
• Stromaufnahme (Icc):Typischerweise 4 mA, maximal 12 mA. Dieser geringe Strom ist entscheidend für die Batterielaufzeit.
• Ausgangsspannungspegel:Der TTL-kompatible Ausgang liefert einen High-Pegel (VOH) von typisch 2,5 V (min. 2,1 V) und einen Low-Pegel (VOL) von typisch 0,2 V (max. 0,4 V).
• Zeitparameter:Anstiegs- und Abfallzeiten (tr, tf) betragen typisch 10 ns (max. 20 ns). Die Laufzeiten (tPLH, tPHL) betragen bis zu 120 ns. Die Pulsbreitenverzerrung (Δtw) liegt innerhalb von ±25 ns, und das Jitter (Δtj) liegt je nach Eingangsleistung zwischen 1 und 20 ns.
• Übertragungsrate (T):Unterstützt Non-Return-to-Zero (NRZ)-Signale von 0,1 Mbps bis zu 16 Mbps.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält typische Leistungskurven, die Einblicke in das Verhalten unter verschiedenen Bedingungen geben.

3.1 Versorgungsspannung vs. Minimale Empfängerleistung

Abbildung 4 zeigt, wie sich die minimale Empfängerleistung (Empfindlichkeit) mit der Betriebsspannung ändert. Im Allgemeinen kann sich die Empfindlichkeit bei höheren Spannungen innerhalb des Betriebsbereichs leicht verbessern. Diese Kurve ist für Entwickler entscheidend, um eine ausreichende Link-Marge zu bestätigen, wenn mit anderen Spannungen als der typischen 3,3 V gearbeitet wird.

3.2 Übertragungsrate vs. Minimale Empfängerleistung

Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen Datenrate und erforderlicher optischer Eingangsleistung. Mit steigender Datenrate benötigt der Empfänger typischerweise mehr optische Leistung (weniger negative dBm), um eine niedrige Bitfehlerrate aufrechtzuerhalten. Diese Kurve ist entscheidend, um die maximal erreichbare Entfernung bei einer gewünschten Datenrate zu bestimmen oder eine geeignete Senderleistung auszuwählen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Pinbelegung

Das Bauteil ist in einem Standard-3-Pin-Gehäuse erhältlich. Die Pin-Funktionen sind: Pin 1: Vout (Ausgang), Pin 2: GND (Masse), Pin 3: Vcc (Versorgungsspannung). Die kritische mechanische Abmessung ist die Pinlänge (A1), die je nach Bauteilvariante (z.B. PLR137, PLR137/S, PLR137/S9 usw.) variiert und von 8,00 mm bis 16,00 mm reicht. Alle Abmessungen haben eine allgemeine Toleranz von ±0,10 mm. Die spezifische Variante muss basierend auf den mechanischen Anforderungen des Host-Steckers oder der PCB-Montage ausgewählt werden.

5. Anwendungs- und Designrichtlinien

5.1 Typische Anwendungsschaltung

Das Datenblatt bietet zwei allgemeine Anwendungsschaltungen für 3V- und 5V-Betrieb. Beide Schaltungen benötigen externe Entkopplungs- und Filterkomponenten. Ein 0,1µF-Kondensator (C1) muss möglichst nah an den Vcc- und GND-Pins platziert werden (innerhalb von 7 mm für eine gute Kopplung), um hochfrequentes Rauschen zu entkoppeln. Ein optionaler 30pF-Kondensator (C2) parallel zum Ausgang kann helfen, Überschwinger zu reduzieren. Eine 47µH-Spule (L2) in Reihe mit der Stromversorgung kann für zusätzliche Rauschfilterung verwendet werden. Die Wahl zwischen der 3V- und 5V-Schaltung hängt von der verfügbaren Systemspannung und dem gewünschten Ausgangsspannungshub ab.

5.2 Messmethoden

Das Dokument beschreibt Standardmethoden zur Charakterisierung des Bauteils. Abbildung 1 erläutert detailliert, wie die maximale und minimale Eingangsleistung unter Verwendung einer Steuerschaltung, eines Senders, eines Standard-POF-Kabels und eines optischen Leistungsmessers gemessen wird. Abbildung 2 zeigt den Aufbau zur Messung des Versorgungsstroms. Abbildung 3 veranschaulicht die Testschaltung und die Definitionen für Ausgangsspannung, Pulszeitparameter (Anstiegs-/Abfallzeit, Laufzeit) und Jitter.

6. Verpackung und Bestellinformationen

6.1 Etikettenerklärung und Verpackung

Das Produktetikett enthält mehrere Codes: CPN (Kunden-Produktnummer), P/N (Produktnummer), QTY (Packungsmenge), LOT No (Losnummer) und Referenzcodes für verschiedene Ränge (für diesen digitalen Empfänger typischerweise nicht verwendet). Die Standardverpackungsoptionen sind 500 Stück pro Beutel oder 2000 Stück pro Beutel, mit 4 Beuteln pro Karton.

7. Konformitäts- und Zuverlässigkeitshinweise

Das Produkt ist so konzipiert, dass es wichtigen Umweltvorschriften entspricht. Es wird angegeben, dass es sich um RoHS-konforme Versionen (Beschränkung gefährlicher Stoffe) handelt, den EU-REACH-Verordnungen entspricht und halogenfrei ist (Brom <900 ppm, Chlor <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm). Diese Konformitäten sind wichtig, um globale Umweltstandards in elektronischen Produkten zu erfüllen.

8. Designüberlegungen und FAQs

8.1 Wichtige Designüberlegungen

• Link-Budget:Berechnen Sie stets das Link-Budget, indem Sie die Ausgangsleistung Ihres Senders (in die Faser eingekoppelt) mit der Empfindlichkeit des Empfängers bei Ihrer Betriebsdatenrate und -spannung vergleichen. Berücksichtigen Sie Steckerverluste und eine Marge für Alterung.
• Stromversorgungsentkopplung:Der 0,1µF-Kondensator muss so nah wie möglich an den Empfänger-Pins platziert werden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und Rauschen zu minimieren.
• Faserausrichtung:Eine korrekte mechanische Ausrichtung zwischen der Faser und dem Photodetektor des Empfängers ist entscheidend, um die eingekoppelte optische Leistung zu maximieren.
• Signalintegrität:Für Hochgeschwindigkeitsbetrieb nahe 16 Mbps sollten die Auswirkungen von Jitter und Pulsbreitenverzerrung auf die Zeitmargen Ihres Systems berücksichtigt werden.

8.2 Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diesen Empfänger mit einer 850nm-Infrarotlichtquelle verwenden?

A: Nein. Der Empfänger ist für eine Spitzenempfindlichkeitswellenlänge von 650 nm (Rotlicht) optimiert. Seine Empfindlichkeit bei 850 nm wird deutlich geringer sein, was den Link möglicherweise funktionsunfähig macht.

F: Was ist die maximal unterstützte Datenrate?

A: Die garantierte maximale Datenrate für NRZ-Signalisierung beträgt unter den spezifizierten Bedingungen 16 Mbps. Ein Betrieb über diese Rate hinaus ist nicht spezifiziert.

F: Wie wähle ich die richtige Bauteilvariante (z.B. PLR137/S vs. PLR137/S9)?

A: Die Auswahl basiert ausschließlich auf der erforderlichen Pinlänge (A1-Abmessung) für Ihr spezifisches mechanisches Gehäuse oder Ihren spezifischen Stecker. Konsultieren Sie die Geräteauswahltabelle im Abschnitt Gehäuseabmessungen.

F: Wird ein externer Verstärker benötigt?

A: Nein. Das Bauteil integriert einen empfindlichen Photodetektor und einen schwellwertgesteuerten Verstärker auf einem einzigen CMOS-PDIC und liefert einen direkten TTL-Pegel-Ausgang.

9. Funktionsprinzip

Der PLR137 arbeitet nach dem Prinzip des inneren photoelektrischen Effekts. Eintreffende Lichtphotonen, typischerweise bei 650 nm, treffen auf den integrierten Photodetektor innerhalb des CMOS-PDIC. Dies erzeugt Elektron-Loch-Paare, was zu einem kleinen Fotostrom führt, der proportional zur optischen Leistung ist. Dieser Strom wird dann durch die integrierte Schaltung verstärkt und verarbeitet. Ein Hauptmerkmal ist die eingebaute Schwellwertsteuerungsschaltung, die einen Entscheidungspegel festlegt, um zwischen logischen '0'- und '1'-Zuständen zu unterscheiden und so die Immunität gegen Rauschen und Schwankungen der mittleren optischen Leistung zu verbessern. Das endgültige Ausgangssignal ist ein regeneriertes, TTL-kompatibles Digitalsignal.

10. Anwendungsszenarien und Anwendungsbeispiele

Digitale Audioschnittstelle:Eine Hauptanwendung liegt in Dolby AC-3 digitalen Audioschnittstellen, wo sie eine elektrisch isolierte, hochwertige Verbindung zwischen Komponenten wie DVD-Playern und Audio-Empfängern bietet und Brummschleifen eliminiert.

Industrieller Datenlink:In der Fabrikautomation kann der Empfänger in Sensornetzwerken oder Steuerungsverbindungen eingesetzt werden, wo hohe elektromagnetische Störungen (EMI) von Motoren und Antrieben elektrische Kabel beeinträchtigen würden.

Medizinische Geräte:Für nicht-kritische Datenüberwachung innerhalb medizinischer Geräte kann die optische Isolation die Patientensicherheit erhöhen, indem galvanische Verbindungen unterbrochen werden.

Unterhaltungselektronik:Möglicher Einsatz in High-End-Spielkonsolen oder VR-Systemen für eine latenzarme, störungsfreie Datenübertragung zwischen Modulen.