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;

lс=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 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. 4.2).

При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо  0.45Еп. 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.