Лист
Составление и расчёт принципиальной схемы
Общие соображения по расчёту принципиальной схемы устройства
Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства ВОСП 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.
Для правильного выбора оптического излучателя в первую очередь следует задаться верным значением мощности излучения. Для этого необходимо определить требуемую оптическую мощность на выходе оптического передающего устройства. 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 (Рисунок 3.1). 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 Лист
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 (рисунок 3.1). Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.
Рисунок 3.1 – Упрощенная схема оптического передающего устройства
Оптический выход
ОР
Rф1
Rфд
R5
R1
R2
R4
R3
С
Rб”
Rб’
V3
Сэ
Rэ”
V1
+Еп
Rэ’
V2
Вход
Сф1
К175ДА1
СУС
МОД
АРУ
Сф

Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод V3, подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рисунок 3.1).
Лист
Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя
EMBED Equation.3
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. Приёмное устройство системы «Соната 2» обеспечивает уровень приёма 10?²мквт (-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 - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов;
?усслк=1 ДБ - то же, в устройстве УССЛК;
?рс=1 ДБ, ?нс=0.5 ДБ - то же, в разъемных и неразъемных соединителях;
EMBED Equation.3
lс=1 км - строительная длина оптического кабеля.
EMBED Equation.3
Тогда минимальный уровень мощности:
EMBED Equation.3
Или:
,где Pпр=-50 ДБ – уровень оптического сигнала на приёме.
Лист
То есть мощность излучения на выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт. Кроме того, источник излучения 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.
Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схеме прямого модулятора
При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:
Постоянный ток коллектора не менее 120 мА;
Частота среза не менее 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 [1]:
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;
Лист
Напряжение насыщения база – эмиттер Uбэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 1.2 В;
Ёмкость 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 Iэ?10мА: 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. 3.2). При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо ? 0.45?Uкmax. С 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 Iкм=120 мА, тогда Uкэм=1.7 В и Iбм=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора (рисунок 3.3) определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и Амплитудное значение Uбм=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;
Лист
напряжение покоя базы: Uбо=0.71 В;
Амплитуда тока базы: Iбм=0.47 мА;
Амплитуда напряжения на коллекторе: Uкэм=1.7 В;
Амплитуда тока коллектора: Iкм=120 мА;
Амплитуда напряжения на базе: Uбм=0.74 В.
Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рисунок 3.4). Здесь Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.
Рисунок 3.4 – Принципиальная схема оптического модулятора
Сэ
0.2мк
Rб’
5.6к
Сф
0.02 мк
+12В
Вход
V1
ИЛПН-203
V2
КТ660Б
Rб”
1.8к

47
Ср
10
24

30

EMBED Equation.3
Падение напряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:
, где Еп – напряжение питания модулятора.
Зададимся стандартным напряжением питания Еп=12 В, тогда:
EMBED Equation.3
Лист
Сопротивление Rэ рассчитывается по формуле:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Ток делителя Iд должен не менее, чем в шесть раз превосходить ток покоя базы Iбо:
Соотношение между напряжением на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой стабилизациирежима лучше взять URэ ? Uф.
EMBED Equation.3
Пусть:
EMBED Equation.3
Тогда сопротивление фильтра определяется следующим образом:
EMBED Equation.3
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’’:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Аналогично найдём сопротивление Rб’:
EMBED Equation.3
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.
Лист
EMBED Equation.3
Осюда:
Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:
EMBED Equation.3
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 рисунке 3.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.
EMBED Equation.3
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 EMBED Equation.3
Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления транзистора Rвхэ.
EMBED Equation.3
Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:
EMBED Equation.3
Сопротивление делителя:
Лист
EMBED Equation.3
Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:
EMBED Equation.3
Таким образом, сопротивление R5:
EMBED Equation.3
Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:
Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ?UR5) к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии ТТЛ с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит ?Uвх=5-0.7=4.3 В.
EMBED Equation.3
Тогда коэффициент усиления схемы сотавит:
Обычно номиналы резисторов R1, R3 и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый из них должен превышать сопротивление R5 не менее чем в 20 раз.
EMBED Equation.3
Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:
EMBED Equation.3
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 Лист
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.
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.3.1):
Фотодиод для преобразования оптического излучения, поступающего с выхода лазерного излучателя, в электрический ток.
Детектор автоматической регулировки уровня и усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной микросхеме.
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 соответствии с приведёнными требованиями в схеме АРУ предполагается использование p-i-n фотодиода, поскольку данный тип фотодиодов обладает наивысшей температурной стабильностью, невысокой стоимостью и требует низкого напряжения питания. Поскольку фотодиод отечественного производства ФД-227 обладает относительно невысокими качественными показателями, следовательно, имеет меньшую стоимость, то имеет смысл для построения устройства АРУ использовать именно данный фотодиод.
Лист
EMBED Equation.3
Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ. Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод:
,где Рпер = 2,43 Дб – средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;
?уорс = 2 Дб – затухание оптического разветвителя.
EMBED Equation.3
Тогда фототок, протекающий в цепи ФД под действием Рфд:
,где S = 0.3 А/Вт – монохроматическая токовая чувствительность используемого фотодиода.
EMBED Equation.3
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.
EMBED Equation.3
Значение напряжения на выходе микросхемы:
Лист
EMBED Equation.3
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 EMBED Equation.3 - среднее значение статического коэффициента передачи транзистора.
Тогда сопротивление в цепи эмиттера:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Следовательно:
EMBED Equation.3
Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра URф1 = 1.2 В, тогда значение напряжения АРУ Uару на сопротивлении Rэ’’:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУ необходимо уменьшить величину сопротивления Rэ’’:
Тогда:
EMBED Equation.3
Сопротивление фильтра Rф1 равно:
Лист
Расчёт ёмкостей в схеме оптического передающего устройства
Расчёт эмиттерной ёмкости
Ёмкость эмиттера Сэ определяется значением сквозной крутизны эмиттерного тока и периодом повторения импульсов в информационном сигнале. Поскольку скорость передачи проектируемого устройства 8.5Мбит/с, то частота HDB сигнала на входе преобразователя кода FHDB=8.5МГц. Поскольку в линейном коде СМI длительность импульсов в два раза короче, чем в HDB сигнале, то частота модулирующего сигнала FCMI=8.5?2=17 МГц.
Отсюда период следования импульсов: EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3
Тогда ёмкость эмиттера:
Расчёт разделительной ёмкости
Разделительная ёмкость Ср должна вносить минимальные искажения во фронт импульсов. Для этого постоянная времени цепи должна удовлетворять условию [2]: EMBED Equation.3
,где ?и = T = 59 нс – длительность импульса (для сигнала CMI равна периоду сигнала).
EMBED Equation.3
Тогда значение разделительной ёмкости:
,где Rн – сопротивление нагрузки согласующего усилителя (входное сопротивление прямого модулятора).
EMBED Equation.3
Rвыхсус – выходное сопротивление согласующего усилителя:
Лист
,где Rвыхоу = 300 Ом – выходное сопротивление операционного усилителя.
Расчёт ёмкостей фильтров
EMBED Equation.3
Ёмкость фильтра в цепи модулятора Сф определим по формуле:
,где ?ф = 10% - подъём плоской вершины импульса.
EMBED Equation.3
Значение ёмкости фильтра в цепи АРУ найдем по следующей формуле:
,где Fн = FCMI/10000 = 850 Гц – частота среза фильтра.
Выводы
Далее номиналы резисторов и конденсаторов схемы определяются в соответствии с существующими стандартными номиналами, выпускаемыми промышленностью.
Таким образом, в схеме модулятора имеем следующие номиналы резисторов:
Rб’ = 5.6 КОм;
Rб” = 1.8 КОм;
Rэ’ = 33 Ом;
Rэ’’ = 10 Ом;
Rк = 33 Ом;
Rф = 22 Ом.
В схеме согласующего усилителя:
R1 = R3 = R4 = 180 Ком;
R2 = 120 Ом;
R5 = 10 Ом.
В схеме устройства АРУ:
Лист
Rфд = 220 Ом;
Rф1 = 22 Ом;
Номиналы конденсаторов:
Сэ = 0.068 мкФ;
Ср = 10 пФ;
Сф = 0.022 мкФ;
Сф1 = 100 мкФ.
Окончательный вариант принципиальной схемы оптического передающего устройства приведён на рисунке 3.5.
В схеме применён полупроводниковый лазер ИЛПН-203, работающий на длине волны 0.85 мкм и имеющий выходную оптическую мощность излучения 3.5 мВт. В схеме прямого модулятора применён кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б, предназначенный для применения в переключающих и импульсных устройствах. Для согласования выхода преобразователя кода и входа модулятора введён согласующий усилитель на быстродействующем операционном усилителе КР140УД11. Для стабилизации средней мощности лазерного излучения введено устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала, включающее в себя p-i-n фотодиод ФД-227 и интегральную схему К175ДА1, используемую в качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока.
Разработанное передающее устройство рассчитано на работу в составе цифровых многоканальных систем передачи, работающих со скоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы на соединительных линиях ГТС.