Расчет модулятора оптического передатчика цифровых сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Оптические световоды и их свойства

а). Оптические световоды

б) Основные параметры волоконных световодов

2. Диаграмма уровней ВОСП

а). Выбор типа оптического кабеля

б) Определение количества усилительных пунктов

в). Построение диаграммы уровней ВОСП

г). Определение усиления оптического усилителя линии связи

3. Выбор излучателя

4. Составление схемы выходного каскада

а). Выбор транзистора выходного каскада

б) Статические характеристики выбранного транзистора. Построение нагрузочных прямых

5. Расчет выходного каскада передатчика по постоянному и переменному току

а) Расчет стабилизации режима работы транзистора выходного каскада

б) Расчет коэффициентов усиления выходного каскада

в) Оценка нелинейных искажений и определение глубины общей ООС

6. Определение коэффициента усиления предварительного усилителя

7. Выбор типа усилительного элемента предварительного каскада усиления

8. Составление и расчет принципиальной схемы модулятора

9. Спецификация элементов

Заключение

Список литературы

Введение

Последние десятилетия характеризовались быстрым развитием и внедрением в технику связи волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). Это обусловлено рядом преимуществ этих систем связи перед другими. Отметим лишь некоторые из них:

- высокая достоверность передачи информации;

- малое затухание оптического сигнала, что позволяет увеличить длину регенерационного участка до 50-100 км;

- отсутствие воздействия электромагнитных излучений;

- малая масса оптического кабеля;

- высокая пропускная способность передачи;

- возможность постоянного усовершенствования системы связи по мере появления источников излучения, оптических волокон и фотоприемников с улучшенными характеристиками и др.

Особо следует отметить два основополагающих фактора:

- возможность наращивания скоростей передачи в уже проложенном оптическом кабеле;

- высокая экономическая эффективность ВОСП по сравнению с другими системами связи.

Для ближней связи применяются как аналоговые, так и цифровые ВОСП с рабочими длинами волн 0.85-0.9 мкм и относительно недорогими оптическими кабелями. В качестве источников излучения используют как лазеры, так и светодиоды. В системах связи с высокими скоростями передачи и, особенно в системах дальней связи используется излучение с длинами волн 1.3 и 1.5 мкм. Здесь затухание сигнала в кабеле удалось снизить до 0.2 дб/км и увеличить длину участка до 100 км и более. Это позволило существенно снизить затраты на линейный тракт систем передачи.

Для формирования группового сигнала применяют унифицированную каналообразующую аппаратуру различных ступеней иерархии. Структурная схема ВОСП применительно к цифровым системам передачи приведена на рис.1. Линейный тракт (между точками А и В) состоит из оконечных станций, промежуточных станций (регенераторов) и линии связи - оптического кабеля. Оконечные станции линейного тракта содержат передающее устройство Tx и приемное устройство Rx. Если они выполняются в виде единого модуля, то называют соответственно ПОМ и ПРОМ (передающий оптический модуль и приемный оптический модуль). Ради простоты на рис.1 не показаны некоторые устройства (преобразователи кода, цепи питания, служебной связи, телемеханики и др).

Рис.1 Структурная схема ВОСП применительно к цифровым системам передачи

MUX - мультиплексор; DMUX - демультиплексор; 1 - управляющая схема; 2- регенератор; 3 - устройство цифровой обработки и таймер; ЛД - лазерный диод; ФД - фотодиод; ОК - оптический кабель.

Сформированный групповой электрический сигнал поступает на передающее устройство Tx, где осуществляется модуляция оптической несущей (непосредственная или прямая модуляция, или внешняя). Через оптическое согласующее устройство сигнал поступает в оптический кабель (ОК). Световой поток, распространяющийся в оптическом волокне, затухает вследствие потерь в самом волокне, а также потерь в устройствах сращивания строительных длин и оконечных разъемных соединениях. Кроме того, дисперсия импульсных сигналов увеличивает шумы в канале передачи и вызывает кодовые ошибки на приеме. При этом снижается качество передаваемой информации. Для устранения этого недостатка и обеспечения передачи сигналов на большие расстояния в магистральных линиях через определенные расстояния устанавливаются линейные регенераторы, которые осуществляют компенсацию затухания светового сигнала и выполняют коррекцию искажений формы передаваемых импульсов. В оптическом приемнике осуществляется обратное преобразование. Заметим, что рассмотренная система передачи предназначена для организации связи в одном направлении по одному оптическому волокну. Для встречной передачи необходим еще один комплекс оконечных устройств и второе оптическое волокно. В обоих направлениях сигналы передаются на одной и той же оптической несущей, а оптические волокна объединяются в одном оптическом кабеле.

В качестве направляющей среды ВОСП используется оптическое волокно, определяющее во многом качественные и экономические показатели оптической линии связи. Кроме того, используются термины «световод», «оптическая среда распространения», «оптический волновод». На основе световодов с малым затуханием оптического сигнала создаются оптические кабели. Оптический кабель состоит из свободно уложенных или скрученных по определенной системе оптических световодов (оптических волокон), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие), защитные и демпфирующие элементы. Ниже рассмотрим основные свойства оптических световодов.

1. Оптические световоды и их свойства

a) Оптические световоды

В настоящее время промышленность выпускает большое число оптических кабелей. Кабели содержат различное число световодов, объединяемых в модули. Оптические кабели классифицируют по различным признакам. Например, по конструкции. Оптические кабели делятся на кабели наружной прокладки, внутренней прокладки и специальные кабели. Сам волоконный счетовод представляет собой тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, называемое сердцевиной, окруженное диэлектрической оболочкой (рис. 2).

Рис.2 Оптический волоконный световод

Показатель преломления материала сердцевины n1 = , а оболочки n2=, где Е и Е - относительные диэлектрические проницаемости материалов. Разность показателей преломления на границе «сердцевина - оболочка» составляет примерно 1%.

Передача оптической энергии по световоду обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Для излучения, входящего в световод под малыми углами, выполняется условие полного внутреннего отражения. В этом случае, при падении излучения на границу сердцевины с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь сердцевины. То же самое происходит и при всех последующих отражениях. В результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя из сердцевины. Максимальный угол отклонения от оси световода, при котором еще имеется полное внутреннее отражение внутри сердцевины называется числовой апертурой. Он связан с углом полного внутреннего отражения. Чем больше угол полного внутреннего отражения, тем меньше должна быть апертура световода.

Однако, объяснение распространения оптического излучения в волоконном световоде, основанное только на законах геометрической оптики, не учитывает свойств оптического излучения как электромагнитной волны. Учет волновых свойств излучения позволяет установить, что из всей суммы световых лучей в пределах апертурного угла для данного световода только ограниченное число лучей может образовать направляемые волны, которые называются волноводными модами. Эти волны характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы «сердечник-оболочка» они должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают.

Волноводные моды, распространяющиеся в сердцевине, называются модами сердцевины или направляющими модами. Часть лучей, покинувших сердцевину, начинает распространяться в оболочке за счет полного внутреннего отражения от соответствующих границ («сердцевина-оболочка», «оболочка-внешняя среда»). Они образуют так называемые моды оболочки. Другая часть уходит наружу, образуя моды излучения. Таким образом, по световоду возможна передача большого числа различных типов волн-мод. Очевидно, что для устранения перекрестных помех между оптическими световодами в оптическом кабеле их защитное покрытие должно быть выполнено из сильно поглощающего материала для мод излучения.

б) Основные параметры волоконных световодов

оптический световод усилитель модулятор

Важнейшими параметрами волоконных световодов являются: числовая апертура, коэффициент затухания (ослабления), дисперсия, частотные свойства.

Числовая апертура (NA) является параметром, характеризующим эффективность ввода оптического излучения в световод и передачу световода к сведоводу.

Числовая апертура определяет максимальный телесный угол конического пучка лучей с вершиной на оси волоконного световода, для которых выполняются условия волнового распределения света (рис. 3).

Рис.3 Числовая апертура волоконного световода

Где Q - телесный угол, равный половине входного луча конуса захвата лучей; n1, n2, n0 - показатели преломления сердцевины, оболочки и среды, откуда излучение падает на торец световода (для воздуха n0=1).

Чем больше апертура световода, тем выше эффективность ввода излучения в световод. Однако увеличение апертуры приводит к увеличению дисперсии и другим нежелательным явлениям. Для большинства многомодовых световодов NA=0.2-0.3, а одномодовых - NA?0.12.

Затухание. Ослабление оптического сигнала или затухание, характеризуется коэффициентом Ь и обусловлены потерями мощности. Определяется затухание по формуле:

Ь=ЬСОБ+ЬДОП

где ЬСОБ и ЬДОП - коэффициенты, которые учитывают собственные и дополнительные потери мощности в волоконном световоде.

Основными причинами собственных потерь мощности ЬСОБ в волоконном световоде является поглощение и рассеяние энергии. Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле примесей ионов металлов и ионов гидроксильной группы ОН. Основной вклад в рассеяние энергии дает рэлеевское рассеяние, возникающее за счет рассеяния флуктаций показателя преломления. Дополнительные потери мощности ЬДОП в волоконном световоде возникают за счет рассеяния из-за различных нарушений геометрии ВС в процессе изготовления и прокладки оптического кабеля.

Коэффициент затухания измеряется в обычных для линий связи единицах - дБ/км (децибел на километр). От величины затухания сигнала в волоконном световоде зависит максимальная дальность связи между двумя передатчиками. Затухание во многом зависит от длины волны оптического сигнала. Экспериментально установлено три, так называемых, окна прозрачности, в которых затухание заметно уменьшается. Для кварцевых световодов - это 0.85 мкм (Ь=2…3 дБ/км); 1.3 мкм (Ь=0.4…1.0 дБ/км) и 1.55 мкм (0.2…0.3 дБ/км). Эти длины волн, относящиеся к инфракрасному диапазону, рекомендованы для использования в оптоволоконных линиях связи (рис.4)

Дисперсия. Дисперсия - это искажение оптического сигнала при его передаче через световод. Дисперсия проявляется в измерении (расширении) длительности передаваемого оптического импульса при его распространении по волоконном световоде длиной 1 км, причем значения длительности сигналов берутся на уровне половинной амплитуды. Очевидно, что чем протяженнее световод, тем больше дисперсия.



Рис.4 Спеатральная зависимость затухания оптического волокна для трех окон прозрачности

Дисперсия обусловлена различием времени распространения большого числа мод в световоде (межмодавая дисперсия), а также некогерентностью источника излучения и конечной шириной его спектра (хроматическая дисперсия).

Частотные свойства одномодовых световодов принято оценивать коэффициентом хроматической дисперсии, который имеет размерность в пс/(нм*км). Частотные характеристики многомодовых световодов мало зависят от спектральных свойств источника излучения. Поэтому их удобно оценивать эквивалентом дисперсии, который получил название коэффициента широкополосности и имеет размерность МГц*км. При заданном коэффициенте широкополосности полоса пропускания ВС зависит от длины световода. Отметим, чем длинее световод, тем меньше его полоса пропускания, а, следовательно, меньше объем передаваемой информации.

В настоящее время используются световоды с оболочкой и сердцевиной, изготавливаемые из кварцевого стекла, а также более дешевые световоды, у которых оболочка и/или сердцевина изготовлена из полимера.

2. Диаграмма уровней ВОСП

а) Выбор типа оптического кабеля

Для проектирования ВОСП в первую очередь выберем оптический кабель. Выбор будем производить по следующим параметрам: окно прозрачности (в нашем случае второе) (наименьшее километрическое затухание для второго окна прозрачности составляет дБ/км), одномодовый оптический кабель.

Исходя из условия минимального затухания, выберем оптический кабель Sumimoto Pureband. Этот оптический кабель на основе одномодового волокна с диаметром сердцевины 0,4 мкм, оболочки - 125±0,5 мкм, покрытия - 250±15 мкм используется для передачи сигналов с длинами волн 1285-1625 нм. Затухание б = 0,45 дБ/км. Хроматическая дисперсия - 18 Выполнен на использовании одного оптического волокна.

б) Определение количества усилительных пунктов.

Число усилительных пунктов найдем по формуле:

Где L - длина секции ОУП-ОУП, lном - номинальная длина усилительного участка.

L = 365км ; lном = 70

Принимаем Nус = 5.

Имеется укороченный участок. Длину этого участка вычислим по формуле:Lук = L - lном*Nус = 365 - 70*5 = 365 - 350 = 15 км

в) Построение диаграммы уровней ВОСП

Мощность сигнала в оптическом кабеле, заданная в техническом задании равна мощности сигнала на выходе усилителя Pвых = -1 дБм.

Уровень сигнала на приеме после номинального участка:

Pвх = Pвых - б * lном = 1 - 0,41*70 = - 30,5 дБм

Где б - затухание оптического кабеля.

Уровень сигнала на приеме после укороченного участка:

Pвх.ус = Pвых - б * lук = 1 - 0,41*15 = - 5,75 дБм

г) Определение усиления оптического усилителя линии связи

Определим усиление оптических усилителей линии связи.

Мы считаем что первый участок является укороченным. Соответственно получим усиление первого оптического усилителя:

G1 = б * lук = 0,45*15 = 6,75 дБм

Все остальные участки являются номинальными. Соответственно получим усиление второго, третьего, четвертого, пятого и шестого оптического усилителя:

G2,3,4,5 = б * lук = 0,45 * 70 = 31,5 дБм

3. Выбор излучателя

Основными техническими показателями ПОМ являются:

- средняя мощность излучения, мВт;

- длина волны излучения, мкм или нм;

- ширина спектра излучения, нм;

- максимальная скорость передачи, Мбит/сек;

- интервал рабочих температур, С;

- срок службы и надежность работы;

- диаграмма направленности излучателя и др.

Большинство ПОМ работает при температуре 0 - 80 єС, но имеются модули, рассчитанные для работы при температуре -40 - +70 єС. Длина волны (пиковое значение) указывается обычно для температуры +25 єС. Отметим, что с увеличением температуры длина волны и нормированная мощность излучения (т.е. отнесенная к мощности при +25єС, принятой за 100%) на выходе модуля увеличивается. В таблице приведены основные технические показатели некоторых типов ПОМ, выпускаемых промышленностью.

Мощность сигнала в кабеле:

Выберем отечественный лазерный модуль (излучатель) исходя из наших данных:

Pсиг = 1,26 мВт, лраб = 1310 нм.

ПОМ - 03543:

-длина волны излучения - 1280 ч 1330 нм;

-мощность излучения - 1,5мВт;

-пороговый ток накачки - 20 мА;

-рабочий ток накачки при Рвых =1.0мВт - 31 мА;

-ток встроенного фотодиода при Рвых =1.0мВт - 380 мкА;

-сопротивление терморезистора - 19 кОм;

-максимальный ток микрохолодильника - 0,5 А;

-максимальная скорость передачи - 155 Мбит/с;

-температура стабилизации - 18 єС.

Схема включения лазерного диода - последовательная. Последовательная схема позволяет свести к минимуму ток источника питания и может быть использована для питания нескольких излучателей.

Рис. 6 Структурная схема ПОМ

4. Составление схемы выходного каскада

В настоящее время биполярные транзисторы по отдаваемой мощности, диапазонам рабочих частот и температур, линейности характеристик и усилению являются наиболее подходящими для ВКУ модуляторов, преобразователей и других устройств. Включение транзистора в ВКУ по схеме с общим эмиттером обеспечивает большее усиление, облегчает реализацию достаточно глубокой ООС, делает возможным для связи с предварительным усилителем использование более простых схем непосредственной или резистивно-емкостной связи. Однотактная схема ВКУ на биполярном транзисторе приведена на рис. 7. Сопротивления R'б и R"б включаются в цепь базы при наличии на входе разделительной ёмкости. При непосредственной связи с предоконечным каскадом эти сопротивления не нужны.

Рис.7 Однотактная схема ВКУ на биполярном транзисторе

а) Выбор транзистора выходного каскада

Выбор типа биполярного транзистора производится по амплитуде тока выходного каскада (тока накачки Iнак.макс ), предельной частоте транзистора в схеме с общим эмиттером fh21э мин и максимально допустимому на коллекторе показанию Uк. макс:

Здесь В [Мб/с] - заданная в техническом задании скорость передачи.

Исходя из наших условий:

Таблица предварительно отобранных транзисторов:

Тип транзистора	Pк макс, мВт	, Мгц	Uк.макс В	Iк.макс мА	Iкб.0 мкА	Tпер.мак єС	h21Эмин	h21Эмакс		Rтпс єС/Вт
КТ361В	150	6,25	40	50	1	120	40	160	4	150
КТ602А	850	7,5	100	75	10	150	20	80	4	150
КТ605А	400	40	250	100	20	150	10	40	4	300

Из транзисторов, отвечающих условиям выберем имеющие:

- меньший обратный ток коллекторного перехода Iкб0;

- малые тепловые сопротивления Rт.пк или Rт.пс и более высокую допустимую температуру перехода Тп.макс.доп;

- большие значения статических коэффициентов усиления h21э и меньший разброс этих параметров;

- наиболее лучшие выходные характеристики.

Таким образом, из приведенных в таблице характеристик выберем транзистор, который наилучшим образом удовлетворяет вышесказанным условиям - КТ361В.

б) Статические характеристики выбранного транзистора. Построение нагрузочных прямых

Режим работы транзистора определяется значениями постоянных токов коллектора, эмиттера, базы и постоянными напряжениями между этими электродами. Эти величины взаимосвязаны и могут быть определены, например, значениями постоянного тока коллектора iко и постоянного напряжения между коллектором и эмиттером Uко.

Рассчитываемый выходной каскад (ВК) работает в ключевом режиме. При выборе положения рабочей точки (р.т.), определяющими величинами являются амплитуда и полярность выходного импульса. При этом необходимо учитывать, что в коллекторной цепи транзистора включен ЛД, имеющий определенное значение Iпор и ток накачки Iнак.макс.

Рабочая область на поле выходных характеристик, ограничивается:

- гиперболой предельно-допустимой мощности рассеяния на коллекторе Pк.макс;

- предельно допустимым значением тока коллектора Iк.макс;

- предельно допустимой величиной напряжения на коллекторе Uк. макс;

- прямой, определяющей область излома характеристик коллекторного тока;

- характеристикой iб = 0.

Очевидно, что положение рабочей точки (Р.Т.) должно располагаться в области свободной от нелинейности и предельно-допустимых параметров тока и напряжения транзистора. Вначале определим положение р.т., т.е. координаты iко и Uко. На оси токов отложим величину порогового тока ЛД, который определяет постоянный ток коллектора в отсутствии сигнала: iко = Iпор; из этой точки проведем прямую параллельную оси напряжений. Примем Uко = 0.7Еп и отложим на оси напряжений Uк. Из этой точки проведем прямую параллельную оси токов до пересечения с ранее проведенной прямой из точки iко. Пересечение этих прямых определяет положение Р.Т.

Для построения нагрузочной прямой по постоянному току Rн= отложим на оси напряжений Uк = Еп и проведем прямую от точки Еп через р.т. до пересечения с осью токов, получим точку А.

Для построения нагрузочной прямой по переменному току Rн~ достаточно отложить о величину тока накачки ЛД Iнак.макс и провести прямую до пересечения с семейством статических выходных характеристик, получим точку В. Далее точку В и р.т. соединить прямой и продолжить ее до пересечений с осью напряжений (точка С) и осью токов (точка Вґ). Построенные нагрузочные прямые будут использованы в дальнейших расчетах(рис.8).

Положение р.т. определяет ток смещения (ток базы транзистора) iбо, а положение точки В определяет максимальный ток базы iб.макс. Эти значения токов базы переносим к отмечаем на семействе входных статических характеристик для Uк = 0. Заметим, что iбо определяет смещение на базе транзистора.

Таким образом, с помощью построенных нами нагрузочных прямых на выходных и входных характеристиках определим следующие параметры:

= 14 В

Iк0 = 20 мА

Uб0 = 0,66 В

Iб0 = 0,425 мА

Uк нас = 2 В

Umк = 12 В

Imк = 11 мА

Iк макс = 31 мА

Iб макс = 0,64 мА

Umб = 0,02 В

Imб = 0,215 мА

5. Расчет выходного каскада передатчика по постоянному и переменному току

Критерием правильности выбора транзистора является максимальное значение температуры р-n перехода:

которая не должна превышать максимально допустимого значения для данного транзистора Tп.макс.доп:

Tп.макс. > Tп.макс.доп (222,6 єС > 120 єС), значит в данном плане транзистор выбран правильно.

Для дальнейших расчетов понадобится выходное сопротивление транзистора в режиме насыщения:

а) Расчет стабилизации режима работы транзистора выходного каскада

Стабилизация режима работы выходного каскада обеспечивается отрицательной обратной связью по постоянному току (ООС ПТ). В схеме с эмиттерной стабилизацией ООС ПТ является последовательной и создается включением в эмиттерную цепь сопротивления Rэ.

Целью стабилизации режима работы является обеспечение одинаковых условий работы транзистора при известном разбросе параметров (в основном, статического коэффициента усиления по току h21Э) и изменений условий окружающей среды (главным образом, наиболее сильно влияющей на значение обратного тока коллекторного перехода Iкбo).

Для транзистора выходного каскада приращение коллекторного тока равно:

Uкo и iкo - напряжение и ток в рабочей точке.

оф - фактический коэффициент использования транзистора по напряжению.

Uд = 1.5 - 3В - падение напряжения на ЛД.

Uд = 2 В

Величину Rэ необходимо выбрать по номиналу и использовать выбранное значение в дальнейших расчетах.

Rэ = 200 Ом (значение выбрано из ряда Е24).

При отсутствии стабилизации изменения постоянного тока могут быть значительно больше допустимых значений. В условиях, когда выходной каскад отделен по постоянному току от предварительного каскада (включена емкость Ср), максимально возможное приращение коллекторного тока равно:

?iкo макс = iкo макс - iкo,

- средний статический коэффициент усиления по току.

Iкбo макс - максимальное значение обратного тока коллекторного перехода, определяется по формуле:

После этого перейдем к определению необходимой глубины местной ООС по постоянному току в выходном каскаде, позволяющей снизить изменения коллекторного тока до допустимой величины:

Сопротивления делителя в цепи базы Rґб и R"б вычисляются по формулам:

Ток делителя примем равным: iдел = (5 -10) iбo=10iбо=4,25 мА

Величину R'б необходимо выбрать по номиналу и использовать выбранное значение в дальнейших расчетах.

R'б = 3,3 кОм (значение выбрано из ряда Е24).

Величину R''б необходимо выбрать по номиналу и использовать выбранное значение в дальнейших расчетах.

R''б =1,2кОм (значение выбрано из ряда Е24).

Эквивалентное сопротивление в цепи базы:

Фактическая ООС ПТ, определяемая элементами схемы находится по формуле:

Условие Fпосл.ф>Fпосл. выполняется: >, значит наши расчеты верны.

б). Расчет коэффициентов усиления выходного каскада

Используя рис. 8 можно определить коэффициенты усиления выходного каскада по напряжению, току, вычислить входное сопротивление транзистора и самого каскада и др. В задачу выходного каскада входит поддержание излучаемой мощности Pизл ЛД.

Коэффициент усиления по напряжению равен:

Коэффициент усиления по току равен:

В расчетах также необходимо учесть разброс параметров выбранного типа транзистора:

- минимальный коэффициент усиления по напряжению.

- минимальный коэффициент усиления по току.

Входное сопротивление транзистора с учетом параметров будет:

- входное среднее сопротивление транзистора выходного каскада

- минимальное входное сопротивление транзистора.

- максимальное входное сопротивление транзистора.

в). Оценка нелинейных искажений и определение глубины общей ООС

При усилении импульсных сигналов, нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента нелинейности Kнел, представляющего относительное изменение крутизны выходного тока от ЭДС источника сигнала в интервале максимального входного сигнала. Особенности усиления импульсных сигналов таковы, что прямоугольные импульсы практически не искажаются входной цепью усилителя, однако входная цепь каскада все же искажает в определенной степени форму сигнала. В этом случае нет необходимости строить сквозную характеристику, можно воспользоваться входной статической характеристикой транзистора iб = f(Uб). Практически Kнел можно определить путем проведения касательных к точкам наибольшей и наименьшей крутизны. Тогда:

Kнел =(tgл - tgв)/tgл .

Рис.9 Определение коэффициента нелинейности

Для расчетов достаточно определить отрезки a и д соответствующие tgл и tgв. Измерив указанные отрезки, можно найти величину коэффициента нелинейности:

Это позволяет определить глубину общей ООС по переменному току:

где Кнелин доп. - заданный в техническом задании коэффициент нелинейности.

Теперь определим эти неизвестные нам величины по входной характеристике транзистора (рис. 8 входные характеристики транзистора).

а = 0,14 мА

д = 0,12 мА

Тогда

Кнелин доп.=11%

6. Определение коэффициента усиления предварительного усилителя.

При известных параметрах входной цепи выходного каскада, являющейся нагрузкой ПКУ, и ЭДС источника сигнала ПКУ, определяем необходимый коэффициент усиления по напряжению:

Здесь Uмб - амплитуда импульса на базе транзистора выходного каскада;

Fобщ - глубина общей ООС;

Кзап=1.1ч1.3 - коэффициент запаса, учитывающий разброс элементов схемы, неточность регулировок и потери части сигнала во входной цепи выходного каскада;

Uм.вх.ист = 0.1В - амплитуда импульса на входе ПКУ.

Примем Кзап = 1,2.

Тогда

Для предварительного каскада усиления возьмем интегральную микросхему (ИМС). Использование ИМС существенно сокращает общее число технологических соединений: паек, сварок, позволяет выполнить предварительный усилитель более компактным, надёжным, улучшить качественные показатели.

Из выпускаемых серийно ИМС наиболее подходящими для рассматриваемого усилителя являются операционные усилители (ОУ). В соответствии с техническим заданием и результатами расчёта выберем ОУ.

7. Выбор типа усилительного элемента предварительного каскада усиления

Выбранный ОУ должен обеспечить достаточное по величине усиление при минимально допустимых искажениях сигнала.

При выборе ОУ необходимо руководствоваться наиболее важными параметрами:

Sдб - коэффициент усиления по напряжению;

f1тип - частота единичного усиления (по скорости передачи В, заданной в техническом задании).

с, В/мкс - скорость нарастания выходного напряжения ОУ;

tуст - временем установления входного сигнала.;

При этом учитывается способ коррекции АЧХ: внутренняя коррекция - ВН или внешняя коррекция - ВШ. При выборе способа коррекции отдадим предпочтение внутренней коррекции.

Расчёт коэффициента усиления ОУ при приведённой ООС и любым типом коррекции, выполняется аналитически:

,

Где Vспад - скорость спада ЛАЧХ ОУ. Предполагаем, что используется однополостная ЛАЧХ ОУ.

Для отобранного ОУ должно выполняться условие:

SF>Sнеобх.

SF>Sпред.

Для этих ОУ должно выполняться и еще одно условие: скорость нарастания выходного напряжения должна быть равна или больше величины

с >2рfвUм.вых.;

где Uм.вых =Uм.б. выходного транзистора.

с > 2р*1,2*106*0,02

с > 0,151

Таким образом, следуя вышесказанному выбираем следующий тип ОУ:

OP-27

Его характеристики:

- Входной каскад - на БТ.

- Uпит = 7 ч 38 В.

- Sдб = 126 дБ.

- Кус.u = 106

- Uсм = 0,03 мВ.

- Iвх = 40 нА.

- Iпот. = 2,4 мА.

- Кос. сф = 120 дБ.

- f1 = 8 МГц.

- с = 2,5 В/мкс.

- tуст = 0,5 мкс.

- Коррекция АЧХ - внутренняя.

- Sпред. = 12 дБ.

- Vспад = 20 дБ/дек.

Коэффициент усиления ОУ при приведённой ООС:

fв = 1,2 МГц.

SF > Sнеобх. , т.к. дБ > дБ.

SF > Sпред. , т.к. дБ > 12 дБ.

с > 2рfвUм.вых. , т.к. 2,5 В/мкс. > 0,151 В/мкс.

Все наши условия выполняются, значит выбранный нами ОУ подходит для работы.

Теперь определим режим работы нашего ОУ.

ОУ используется более эффективно, если источник питания имеет среднюю точку, относительно которой напряжения должно иметь ±Еп/2. Величина напряжения питания Еп равна 16 В. Для развязки по цепям питания ОУ обычно включаются RС - фильтры или стабилитроны. Напряжение питания ОУ можно принять равной:

Значение потребляемого тока ОУ можно найти из выражения:

,

,

где Iм.б.макс - максимальное значение тока базы транзистора выходного каскада.

8. Составление и расчет принципиальной схемы модулятора

Составим принципиальную схему модулятора.

Возможная схема модулятора представлена на рис. 10. В качестве ПКУ используется ОУ. На принципиальной схеме показана в виде четырехполюсника цепь оптической ООС.

Передаваемый сигнал, представляющий последовательность прямоугольных импульсов, через Ср.вх и R1 поступает на инвертирующий вход ОУ (вывод 2). На этот же вход подается сигнал ООС с выхода ОУ через резистор R2. Таким образом сопротивления R1 и R2 являются элементами цепи ООС ОУ. Усиленный сигнал через Ср.сл поступает на базу транзистора ВК модулятора. К выводам 1 и 5 подключен переменный резистор R3 c помощью которого осуществляется балансировка ОУ. Сигнал ООС из четырехполюсника подается на вывод 3 ОУ через делитель Rд1 и Rд2. С помощью этого сигнала регулируется излучение ЛД, то есть поддерживается заданная мощность излучения неизменной величины.

ОУ питается обычно от двух одинаковых источников питания с напряжением Еп/2. Величина напряжения, подаваемого на ОУ, регулируется с помощью резисторов Rф, имеющих одинаковую величину. Сглаживание пульсаций питающего напряжения осуществляется емкостями Сф.

Рассчитаем следующие элементы предварительного каскада усиления (ПКУ): R1, R2, Rд1, Rд2, Rф, R3, емкости Ср.вх., Ср.сл., Сф и Сэ.

Величина резистора R1 рассчитывается из условия устойчивости работы ОУ:

,

Свх.ОУ =2-3 пФ = 3 пФ.

Величину R1 возьмем по номиналу из ряда Е24: R1 = 3,6 кОм.

Величина резистора R2 определяется из формулы коэффициента усиления ОУ:

,

где коэффициент усиления ОУ без учета общей глубины ООС и коэффициента запаса равен

Величина Кнеобх была найдена выше.

Тогда

R2=2,15*3.6 кОм = 7,74 кОм

Величину R2 возьмем по номиналу из ряда Е24: R2 = 8,2 кОм.

Сопротивление делителя Rд1 и Rд2, включенные в цепь общей ООС, выбираются из условия сохранения симметрии входного сопротивления ОУ по инвертирующему входу, то есть:

Rд1 = R2 = 8,2 кОм; Rд2 = R1 = 3,6 кОм.

Рис.10 Принципиальная схема модулятора

Сопротивление Rф и емкости Сф рассчитываются по формулам:

.

Выберем Rф из ряда Е24: Rф = 910 Ом

,

где fП = 100Гц - частота пульсации сети. Отметим, что Сф рассчитывается из условия сглаживания пульсаций.

Сф выберем согласно ряду Е24.Сф=180 мкФ

Величина Ср.сл определяется по формуле (при условии, что спад вершины импульса не превышает 10%):

,

где - длительность импульса; В - скорость передачи, заданная в техническом задании;

И Rвх.ВК - эквивалентное входное сопротивление выходного каскада

,

Rвх.э.мин - найдено выше.

Выберем Ср.сл согласно номиналу из ряда Е24: Ср.сл = 10 нФ.

Величина Ср.вх рассчитывается аналогично, но входное сопротивление ОУ необходимо принять равным R1:

.

Выберем Ср.вх согласно номиналу из ряда Е24: Ср.вх = 120 пФ.

Величина емкости СЭ в цепи эммитера ВК равна:

.

Выберем СЭ согласно номиналу из ряда Е24: СЭ = 2,2 нФ.

Сопротивление R3 является регулировочным в цепи балансировки ОУ; оно берется в пределах 1ч5кОм.

9. Спецификация элементов

Теперь проведем спецификацию элементов нашей общей схемы, предварительно рассчитав:

PRэ= i2э0 • Rэ = (20,425 • 10-3)2 •200 = 0,08344 Вт. Ближайшее стандартное значение 0,091 Вт. Окончательно Rэ =200 Ом ± 5% типа МЛТ-0,091 Вт. Так как на резисторе RЭ рассеивается самая большая мощность, следовательно возьмем все остальные резисторы схемы с таким же обозначением.

Ср.сл = 5,1 нФ. V = V= + V~ = Uбо + Umб = 0,66 + 0,02 =0,68 В. Vном = 0,7 В.Величина допуска ±5%.

Ср.вх = 82 пФ. V = 0,1В. Величина допуска ±5%.

СЭ = 1,2 нФ. V=7,3 В. Величина допуска ±5%.

Позиционное обозначение	Наименование	Номинальное значение	Кол -во	Примечания
Резисторы
R'б	резистор	МЛТ - 0,091 -3,3к ±10%	1	по стандарту
	резистор	МЛТ - 0,091 -1,2к ±10%	1	по стандарту
RЭ	резистор	МЛТ - 0,091 -200 ±10%	1	по стандарту
R1	резистор	МЛТ - 0,091 -3.6к ±10%	1	по стандарту
R2	резистор	МЛТ - 0,091 -8,2к ±10%	1	по стандарту
Rд1	резистор	МЛТ - 0,091 -8,2к ±10%	1	по стандарту
Rд2	резистор	МЛТ - 0,091 -3.6к ±10%	1	по стандарту
Rф	резистор	МЛТ - 0,091 -910 ±10%	2	по стандарту
R3	резистор	МЛТ - 0,091 -1кч5к ±10%	1	регулировочное сопротивление
Конденсаторы
Cр.вх	конденсатор	120 пФ ±10% -0,1	1	по стандарту
Ср.сл	конденсатор	10 нФ ±10% -0,7	1	по стандарту
СЭ	конденсатор	2,2 нФ ±10% -7,3	1	по стандарту
CФ	конденсатор	180 нФ ±10% -8,4	2	по стандарту
Транзисторы, ОУ
КТ361В	транзистор	p-n-p	1	по стандарту
OP-27	Операционный усилитель		1	по стандарту

Заключение

В данной курсовой работе был разработан модулятор оптического передатчика цифровых сигналов. Цифровые системы передач обладают высокой помехоустойчивостью, большой пропускной способностью, малыми габаритами и весом. Наш оптический модулятор состоит из предварительного каскада усиления на основе ОУ, выходного каскада усиления с использованием лазерного диода, четырехполюсника оптической отрицательной обратной связи. В качестве ОУ мы использовали ОУ OP-27. Выходной каскад реализован на биполярном транзисторе типа p-n-p КТ361В в схеме включения с общим эмиттером, чтобы получить максимально возможный коэффициент усиления. В качестве передающего оптического модулятора использовался ЛПН - 602 М.

Список литературы

1. Павлов В.Н., Нагин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств - М: Горячая линия - Телеком, 2001.

2. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. - М: Радио и связь, 1989.

3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под ред. Б.Л. Перельмана. - М: Радио и связь, 1981.

4. Волоконно-оптические системы передачи и кабели - М: Радио и связь, 1993, Справочник.

5. Конспект лекций по курсу «Основы схемотехники» Матвеев В.А..

Размещено на Allbest.ru

...