|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Выбор лазерного диода и фотодиода
Лазерный диод Полупроводниковые лазерные диоды(ЛД) – генераторы излучения, когерентного в пространстве и во времени, т.е. излучение ЛД монохроматично и сосредоточено в узком пучке. Полупроводниковые ЛД имеют очень малые размеры около 0, 1 мм в длину. В лазере с p-n переходом излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо смещенный диод. В результате легко осуществлять модуляцию интенсивности излучения путем изменения силы тока накачки пропорционально модулирующему сигналу. Модуляция ЛД-ов может производиться на очень высоких частотах, т.к. они характеризуютсяочень малым временем стимулированного излучения. Лазерные диоды имеют две главных конструктивных особенности: 1. ЛД имеет встроенный оптический резонатор (Рис. 2.15)
Рис. 2.15 Схема оптического резонатора 2. Работает при больших токах накачки, что позволяет при превышении порогового значения получить режим индуцированного излучения (Рис.2.16). Такое излучение характеризуется высокой когерентностью.
Рис. 2.16 График режима индуцированного излучения Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения применим только лазерный диод. Фотоприёмный диод В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда, для чего используется конструкция с p-n переходом, p-i-n фотодиоды (Рис.2.17).
Рис. 2.17p-i-n фотодиод Таким образом, в p-i-n фотодиоде между сильно легированными слоями р+ и n+ типа расположен обедненный свободными носителями i-слой (слаболегированный полупроводник n-типа, i - intrinsic - собственный). На фотодиодподается обратное смещение. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальный градиент электрического поля создается в i-слое. Так как нет свободных носителей, то нет тока и i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего света на i-слой, в нем образуются электронно-дырочные пары, которые под действием электрического полядвижутсяиобразуютэлектрический ток. [13] Исходя и из данных приведенных в таблице 2.1 наименьшее затухание обеспечивает, длинна волны 1550 нм, однако, стоимость такого лазерного диода существенно выше, чем с длинной волны 1310 нм, в свою очередь уровень затухания отличается на 0, 1 дБ/км. Таким образом, использование лазерного диода с длинной волны 1310 нм (Рис.2.18) экономически более эффективно, при незначительном увеличении уровня затухания.Для выбранноголазерного диода подбирается соответствующий по характеристикам p-i-n фотодиод (Рис.2.19).
Рис. 2.18Лазерный диод 1310 нм со штепсельной розетойтипа ST
Рис. 2.19 p-i-n фотодиод со штепсельной розеткой типа ST Характеристики лазерного диода и p-i-n фотодиода представлены в таблицах 2.2, 2.3 и таблицах 2.4, 2.5 соответственно. Таблица 2.2 Предельно допустимые параметры лазерного диода
Таблица 2.3 Оптические и электрические характеристики лазерного диода
Таблица 2.4 Предельно допустимые параметры фотодиода
Таблица 2.5 Оптические и электрические характеристики лазерного диода
Разработка передатчика В качестве прототипа использована система, описанная в журнале ElectricPowerSystemsResearch[10]. Представленный в данной статье передатчик реализован на основе балансного усилителя выполненного по схеме простого токового зеркала (Рис.2.20).
Рис. 2.20Схема простого токового зеркала Токовое зеркало представляет собой идеальный источник постоянного тока, элемент электрической схемы, который обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от падения напряжения на нагрузке или от сопротивления нагрузки. Источник постоянного тока может быть управляемым, в этом случае ток источника является функцией другого напряжения или тока в системе и не зависит от напряжения на нагрузке, подаваемого с рассматриваемого источника постоянного тока. Простое токовое зеркало обладает следующим недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистораQ2напряжение базыслегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией (Рис.2.21). Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы.
Рис. 2.21 График зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером Для решения данной проблемы была использованная схема токового зеркала Уилсона (Рис.2.22), которая обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Рис. 2.22Схема токового зеркала Уилсона Транзисторы VТ1 и VТ2 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору VТ3 потенциал коллектора транзистора VТ1 фиксирован и на удвоенное значение падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе VТ1, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором VТ2. Транзистор VТ3 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора VТ1. В результате в токозадающих транзисторах VТ1 и VТ2 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор VТ3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным [14]. Исходя из параметров выбранного лазерного диода (таблица 2.3) с применением схемы токового зеркала Уилсона, разработана электрическая принципиальная схема передатчика (Рис.2.23).
Рис. 2.23Электрическая принципиальная схема передатчика Элемент схемы U1 является стабилизатором напряжения с выходным параметром 5 В и обеспечивает стабильное напряжение питания схемы, даже при условии постепенного снижения напряжения источника питания при разрядке. Так как U1 является импульсным стабилизатором напряжения, конденсатор С1 используется для сглаживания пульсаций. Конденсатор С2 обеспечивает разделение цепей постоянного тока передатчика ВОИТ и переменных цепей источника сигнала, а так же влияет на амплитуду входящего сигнала на низких частотах, для обеспечения нижней границы полосы пропускания 50 Гц был выбран электролитический конденсатор емкостью Рис. 2.24 График зависимости емкостного сопротивления XС2 от частоты Как видно из графика на частоте 50 Гц, значение емкостного сопротивления XС2=1, 516 Ом, что практически не оказывает влияния на амплитуду входного сигнала. Сопротивление R1, R2, R4 и транзисторы Q1, Q2, Q3 образуют токовое зеркало Уилсона. Частотные характеристики транзисторов Q1, Q2, Q3 оказывают влияние на верхнюю границу полосы пропускания, для обеспечения заданной частоты 1 МГц, был выбран высокочастотный транзистор BC547B с полосой пропускания сигнала до 300 МГц. Так как рабочее напряжение лазерного диода 1, 1 В (таблица 2.3), а рабочая областьUR располагается на небольшом линейном участке вольтамперной характеристики (Рис. 2.25), то амплитудное значение входного сигнала может изменяться в диапазоне ±0, 2 В для передачи гармонических сигналов. При необходимости передачи импульсного сигнала в однополярном режиме схема приемника может быть доработана и диапазон входного напряжения будет равен от 0 до +0, 4 В.
Рис. 2.25 Вольтамперная характеристика лазерного диода В результате расчета параметров схемы передатчика было определено его входное сопротивление равное 5 кОм и порог чувствительности входного сигнала равный 0, 01 В. Технические характеристики передатчика волоконно-оптического измерительного тракта: Входной диапазон (амплитудное значение) –±0, 2 В; Рабочая длинна волны 1310 нм; Полоса пропускания от 50 Гц до 1 МГц; Потребляемая мощность – 3 мВт; Источник питания – постоянный 9 В; Входное сопротивление – 5 кОм; Чувствительность – 0, 01 В. Разработка приёмника Приёмник ВОИТ реализован на основе схемы эмиттерного повторителя (Рис.2.26).
Рис. 2.26 Схема эмиттерного повторителя на основе npn-транзистора Эмиттерный повторитель назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база-эмиттер): В данной схеме входной импеданс значительно больше, чем выходной. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним импедансом источник может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала. Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиление по напряжению [14] Исходя из параметров выбранного фотодиода (таблица 2.4) с применением схемы эмиттерного повторителя, разработана электрическая принципиальная схема передатчика (Рис.2.27).
Рис. 2.27Электрическая принципиальная схема приемника Элемент схемы U1 является стабилизатором напряжения с выходным параметром 15 В и обеспечивает стабильное напряжение питания схемы, даже при условии постепенного снижения напряжения источника питания при разрядке и создает необходимый градиент напряжения для работы фотодиода. Сопротивление R1 задает рабочие параметры фотодиода в соответствии с таблицей 2.5. Транзистор Q4 и резистор R2 реализуют схему эмиттерного повторителя, где транзистор Q4 выбран аналогично транзисторам, расположенным в передатчики с целью обеспечения работы системы во всем необходимом диапазоне частот, а резистор R2 отвечает за коэффициент усиления приемника. Емкость С1 и С2 обеспечивают разделение цепей приемника и регистрирующей аппаратуры, при этом емкость С2 необходима для шунтирования внутренней индуктивности электролитического конденсатора С1, чтобы обеспечить высоко линейную полосу пропускания приемника на высоких частотах. Технические характеристики приемника волоконно-оптического измерительного тракта: Выходной диапазон (амплитудное значение) – ±2 В; Рабочая длинна волны 1310 нм; Полоса пропускания от 50 Гц до 1 МГц; Потребляемая мощность – 5 мВт; Источник питания – постоянный 19 В; |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 974; Нарушение авторского права страницы
