Передающее устройство одноволоконной оптической сети (4.Raschet (22 str))

Посмотреть архив целиком

4. Расчёт электрической принципиальной схемы


    1. Общие соображения по расчёту принципиальной схемы устройства


Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства волоконной оптической системы передачи является выбор типа и марки оптического излучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикам требований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

-мощность излучения;

-длина волны излучения;

-ширина спектра излучения;

-частота модуляции;

-ток накачки;

-пороговый ток.

Принципиальная схема будет составляться исходя из рассмотренных пунктов «2.6.1.Виды модуляции» и «3.Выбор и обоснование структурной схемы». Как уже говорилось, наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи является схема с модуляцией по интенсивности с применением оптических разветвителей (см. рис 3.1.).

В нашем случае проектирование схемы волоконнооптической системы передачи включает в себя составление следующих узлов:

-входной согласующий усилитель;

-выходной каскад(схема прямого модулятора);

-устройство автоматической регулировки уровня (АРУ) оптического сигнала на выходе;

-система термостабилизации;

-источник питания разрабатываемой волоконнооптической системы передачи;

Упрощённая схема оптического передающего устройства представлена на рис. 4.1.

Согласующий усилитель (СУ) предназначен для усиления сигнала, поступающего с преобразователя кода (с уровнями логического нуля и единицы 0.7 и 5В), до уровня необходимого для модуляции оптической несущей.

Модулятор (МОД) предназначен для изменения параметров оптической несущей в зависимости от изменений входного сигнала. В нашем случае выбрана классическая схема прямой модуляции в которой модулирующий сигнал управляет мощностью оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала .

Схема термостабилизации (СТС) предназначена для обеспечения постоянства выходной мощности излучателя.
































Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения стабилизации средней мощности лазерного излучения.

Оптический излучатель выбирается исходя из данных в техническом задании (ТЗ). Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора V2 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора. Транзистор вбирают исходя из характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчёт элементов схемы модулятора.

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение – ток. Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.

Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод VD3, подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рис. 4.1).

Пятый этап - разработка схемы термостабилизации и источника питания для одноволоконного оптического передатчика.




    1. Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя


Значение разности мощности на выходе оптического излучателя и на входе оптического приёмника должно превышать максимальное затухание, вносимое станционными и линейными сооружениями на участке передатчик – приёмник. Существующие в настоящее время приёмные оптические модули обеспечивают достаточно низкий уровень приёма. Приёмные устройства некоторых систем обеспечивают уровень приёма 0.01мквт (-50ДБ), в дальнейшем, для расчётов, будем использовать это значение как типовое.

Для проектируемой одноволоконной системы связи затухание участка составит:

,

где l=8 км - длина участка;

ов=5 ДБ/км - затухание сигнала на одном километре оптического волокна;

уорс=2 ДБ - затухание сигнала в устройстве объединения и разветвления

сигналов;

усслк=1 ДБ - затухание сигнала в устройстве УССЛК;

рс=1 ДБ, нс=0.5 ДБ - затухание сигнала в разъемных и неразъемных

соединителях;

=1 км - строительная длина оптического кабеля.


Тогда минимальный уровень мощности:


Или:

где Pпр=-50 ДБ – уровень оптического сигнала на приёме.

То есть мощность излучения на выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт, что и требуется в техническом задании. Коме того, источник излучения по ТЗ должен работать на длине волны 0.85 мкм и обеспечивать частоту модуляции не менее 8.5 МГц. Полупроводниковый лазер ИЛПН-203 наилучшим образом отвечает приведённым требованиям и имеет следующие характеристики:

мощность излучения: Риз=3.5 мВт;

длина волны излучения: =0.85 мкм;

ширина спектра излучения: =3 нм;

частота модуляции: Fмод=250 МГц;

ток накачки: Iн=120 мА;

пороговый ток: Iпор=40 мА.


    1. Расчёт выходного каскада


При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

-постоянный ток коллектора не менее 120 мА;

-предельная частота усиления более 8.5 МГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры:

-статический коэффициент передачи h21э тока в схеме ОЭ при Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

-напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

-напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас’ при Iк=10 мА, Iб=1 мА, не более: 0.035 В;

-напряжение насыщения база – эмиттер Uбэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

-емкость коллекторного перехода Ск при Uкб=10 В, не более: 10 пФ;

-обратный ток коллектора Uкобр при Uкб=10 В, не более: 1 мкА;

-обратный ток эмиттера Uэобр при Uбэ=4 В, не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор– база Uкбmax: 30 В;

-постоянное напряжение коллектор– эмиттер Uкэmax при Rбэ<1 кОм: 30 В;

-постоянное напряжение коллектор–эмиттер Uкэmax при Iэ10мА: 25 В

-постоянное напряжение база–эмиттер Uбэmax: 5 В;

-постоянный ток коллектора Iкmax: 800 мА;

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pmax: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы (рис. 4.2).


























При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо 0.45Еп. Пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В. Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит Iкmax=120 мА, тогда Uкэmax=1.7 В и Iбmax=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора (рис.4.3) определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и амплитудное значение Uбmax=0.74 В.





























Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

-напряжение покоя коллектора: Uкэо=6 В;

-ток покоя коллектора: Iко=40 мА;

-ток покоя базы: Iбо=0.135 мА;

-напряжение покоя базы: Uбо=0.71 В;

-амплитуда тока базы: Iбmax=0.47 мА;

-амплитуда напряжения на коллекторе: Uкэmax=1.7 В;

-амплитуда тока коллектора: Iкmax=120 мА;

-амплитуда напряжения на базе: Uбmax=0.74 В.

Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рис. 4.4). Здесь транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

Падение напряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:

,

где Еп – напряжение питания модулятора.

Зададимся напряжением питания Еп=15 В, тогда:

Сопротивление Rэ рассчитывается по формуле:






















Ток делителя Iд должен не менее, чем в 5…10 раз превосходить ток покоя базы Iбо:

Соотношение между напряжением на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой стабилизации режима лучше взять URэ >Uф.

Пусть: , тогда сопротивление фильтра определяется следующим образом:

Падение напряжения на сопротивлении делителя Rб’’ равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:




Тогда сопротивление делителя Rб’’:


Аналогично найдём сопротивление Rб’:


Для схемы с эмиттерной стабилизацией напряжение питания распределяется между тремя резисторами выходной цепи (Rэ, Rк, Rф), лазерным излучателем и транзистором:


где Uд = 2 В – падение напряжения на полупроводниковом лазере;

URф – падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.


Отсюда:


Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:


    1. Расчет согласующего усилителя


Здесь в качестве усилительного элемента предполагается использовать быстродействующий операционный усилитель, включенный по схеме преобразователя напряжение – ток (известной так же в качестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующего усилителя представлена на рис.4.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.

Значение сопротивления R5, определяется исходя из следующего условия:

,

где Rн – сопротивление нагрузки усилителя.

Сопротивлением нагрузки усилителя является входное сопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивлений делителя Rд (из двух параллельно соединённых сопротивлений в цепи базы Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления транзистора Rвхэ.

Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:


Сопротивление делителя:


Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:


Таким образом, сопротивление R5:


Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:



Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ΔUR5) к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии КМДП с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит ΔUвх=5-0.7=4.3 В.

Тогда коэффициент усиления схемы составит:

Обычно номиналы резисторов R1, R3 и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый из них должен превышать сопротивление R5 не менее чем в 20 раз.

Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:

Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы и определяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующих операционных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладает операционный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-n переходом, имеет скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс и частоту единичного усиления 15 МГц. Кроме того, за счёт оригинальной схемы ОУ отличается высокой стабильностью параметров во всём диапазоне питающих напряжений от ±5 до ±16 В.

Быстродействующие усилители менее устойчивы по сравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеме необходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. В нашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции, предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.



    1. Расчет устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала


Устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства должно обеспечивать стабилизацию средней мощности лазерного излучения. Устройство АРУ включает в себя следующие основные элементы (функциональная группа АРУ на рис.4.1):

фотодатчик, детектор автоматической регулировки уровня и усилитель постоянного тока.

Следует обратить внимание на то, что чувствительность фотодиода в данном случае роли не играет, по этому при выборе типа фотодиода будем руководствоваться такими параметрами как надёжность и низкая стоимость.

В нашем случае, при использовании полупроводникового лазера ИЛПН-203, производитель этого лазера предусмотрел, что при применении полупроводниковых лазеров в различных устройствах, разработчики будут использовать метод стабилизации излучения основанный на обратной связи. И по этому конструкция полупроводникового лазера ИЛПН-203 уже содержит фотодатчик с оптическим ответвителем.

Т.е. схема полупроводникового лазера ИЛПН-203 имеет следующий вид:





Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ. Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод VD1.2:


,

где Рпер = 2,43 Дб – средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;

уорс = 2 Дб – затухание оптического разветвителя.

Тогда фототок, протекающий в цепи VD1.2 под действием Рфд:

,

где S = 0.3 А/Вт – монохроматическая токовая чувствительность используемого фотодиода.

Среднее значение напряжения на входе микросхемы равно среднему значению падения напряжения на сопротивлении Rфд в цепи фотодиода:

,

где Rару = 200 Ом.

В качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока предполагается использование интегральной схемы К175ДА1. Её основные характеристики:

-напряжение питания: Uп = 6 В;

-коэффициент передачи АРУ: Кару = 20

-верхняя граничная частота: Fв = 65 МГц.

Значение напряжения на выходе микросхемы:


Далее рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера Rэ’’, служащее для введения напряжения обратной связи, поступающего с устройства АРУ. Для этого зададимся глубиной обратной связи 10 Дб (Fос = 3), и определим сквозную крутизну эмиттерного тока Sэ:

,


где - среднее значение статического коэффициента передачи транзистора.

Тогда сопротивление в цепи эмиттера:


Следовательно:



Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра URф1 = 1.2 В, тогда значение напряжения АРУ Uару на сопротивлении Rэ’’:



Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУ необходимо уменьшить величину сопротивления Rэ’’:


Тогда:


Сопротивление фильтра Rф1 равно:




    1. Расчёт схемы термостабилизации


При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного излучателя необходимо ввести систему термостабилизации, цель которой, обеспечивать стабилизацию рабочей точки излучателя при отклонениях температуры.












На рис. 4.5 представлена принципиальная схема термостабилизации одноволоконного оптического передатчика. Эта схема построена из следующих составных частей:

-генератор стабильного тока(ГСТ);

-температурный датчик(диод);

-усилитель;

В генераторе стабильного тока ток через транзистор VT2, при равенстве сопротивлений R1 и R2, одинаков с током через VT1 и не зависит от сопротивления нагрузки коллекторной цепи VT2.

В правую ветвь включен диод VD у которого ВАХ при различных показаниях температуры имеет следующий вид (рис.4.6):
















Так как ток проходящий через VD имеет постоянное значение и не зависит от температуры то при изменении температуры VD с t1 до t2 - изменяется напряжение на нём. Это обстоятельство и даёт нам возможность управлять выходным напряжением усилителя.

Рассчитаем основные элементы схемы:

Пусть ток ІR1=1мА и сопротивления R1 и R2 равны по 1кОм.

Тогда

Падение напряжения Uбэ составит 0.6В.

Найдём значение сопротивления R3:

VT1 и VT2 выберем из справочника КТ337А. VD выбираем КД102A.

В качестве усилителя возьмём операционный усилитель К544УД1 включенный по классической схеме. Питание ОУ двух полярное 15В.



Диаппазон изменения Uвыхоу должен составлять не менее 0,15 В при изменении температуры от 10С до 40С. При этом изменение UVD составляет 18мВ (0,6мВ/К по справочным характеристикам). Тогда коэффициент усиления по напряжению должен составлять:

Принимаем значение R6=10кОм, тогда:

Таким образом напряжение на выходе ОУ будет прямо пропорционально зависеть от падения напряжения на VD, которое в свою очередь имеет зависимость от температуры термодатчика.