Выбор и обоснование структурной

3. Выбор и обоснование структурной

схемы передатчика

3.1. Методы построения структурных схем одно-волоконных оптических систем передачи

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 МбитсБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Ниже рассмотрены несколько методов и схем построения одно-волоконных оптических систем передачи различных типов и различного назначения.

3.1.1. Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов разветвления оптических сигналов.

Данная группа схем включает в себя одноволоконные оптические системы передачи с оптическими разветвителями, с оптическими циркуля-торами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 3.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные

искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

Устройства объединения и разветвления оптических сигналов, в зависимости от типа одноволоконной оптической системы передачи, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной оптической системы передачи можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

Максимальная длина регенерационного участка волоконнооптической системы передачи данного типа определяется соотношением:

где Эми – энергетический потенциал одноволоконной оптической системы передачи , ДБ;

aов – затухание сигнала на одном километре оптического волокна, ДБ/км;

aуорс - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов, ДБ;

aусслк – то же, в УССЛК, ДБ;

aрс, aнс – то же, в разъемных и неразъемных соединителях, ДБ;

l с – строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

где Эми’ – энергетический потенциал, ДБ, волоконнооптическая система передачи при отсутствии шума обратного рассеяния излучения в оптическом волокне;

Ршор/Рш – доля шума обратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

Рассчитаем длину регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи первого типа при следующих исходных данных: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, aов=1 ДБ, aнс=aусслк=0.1 ДБ, aрс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формуле (2.1), при использовании оптических разветвителей с aуорс=4ДБ:

3.1.2 Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени.

Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной оптической системы передачи сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо устройства объединения и разветвления оптических сигналов использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 3.2).

Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов – оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором – по цепи управления направлением оптической волны накачки оптического усилителя.

Максимальная длина регенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

,где aуоп – затухание сигнала в УОП, ДБ;

Эми” – энергетический потенциал одноволоконнооптической системы передачи , определяемый соотношениями:

Эми”=Эми’ при использовании оптических переключателей (Эми’–

энергетический потенциал обычной волоконнооптической системы

передачи с учётом специального кодирования).

1) Эми”=Эми’-10lg(1+Ршоу/РШ) при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Ршор и Рш – мощности эквивалентного шума на входе оптического приемника и шума оптического усилителя на его выходе, ДБ.

Затухание сигнала в устройстве оптического переключения определяется соотношениями:

1) aуоп=aп при использовании оптического переключателя, где aп – затухание сигнала в оптическом переключателе;

 aуоп=aор-Коу при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Коу – коэффициент усиления ОУ, ДБ.

Длина регенерационного участка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использовании оптических переключателей (aуоп=3.5ДБ), согласно формуле (2.3), составляет:

На стоимость одноволоконнооптической системы передачи второй группы существенно влияет выбор типа устройства оптического переключения, особенно в случае использования оптических усилителей. Надежность волоконнооптической системы передачи этой группы, в отличие от рассмотренной выше, существенно зависит от надежности устройства оптического переключения в случае применения оптического усилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковые лазеры.

3.1.3.  Волоконнооптическая система передачи, на основе использования различных видов модуляции.

Третья группа схем одноволоконных оптических систем передачи основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов. И соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 3.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики – когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной оптической системы передачи третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

На рисунке 3.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от волокон-нооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной оптической системы передачи (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи третьей группы определяется выражением:

где:

n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных волоконнооптической системы передачи с амплитудной и частотной модуляцией и волоконнооптической системы передачи с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных оптических систем передачи первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях – различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 ДБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) составляет:

Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в волоконнооптических системах передачи третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных оптических системах передачи с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.

3.1.4.  Волоконнооптическая система передачи с одним источником излучения.

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных оптических систем передачи по схеме на рис.3.5 В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в модулятор отраженного излучения, а меньшая – в оптический приёмник. В оптическом передатчике принятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом. И через устройство объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС) поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

Такие волоконнооптические системы передачи могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконнооптической системы передачи значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Где aор1, aмои – соответственно затухание сигнала в оптическом разветвителе на выходе 1 и в модулятор отраженного излучения, ДБ.

Длина l4 для aор1=1 ДБ, aмои=3 ДБ и приведенных в пункте 2.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

Показатели надежности одноволоконной оптической системы в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях эксплуатации.
3.2.Окончательный выбор структурной схемы передатчика. 3.2.1. Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта.

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители.

Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации – системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях городской телефонной сети, для него характерны следующие критерии оптимальности:

- Стоимость и простота реализации;

- Длина регенерационного участка не менее 8 км;

- Относительно низкая скорость передачи (8.5 Мбитс).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконнооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 3.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерацион-ного участка до 18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

3.2.2. Структурная схема оптического передатчика.

Структурная схема оптического передатчика представлена на рис.3.6. Сигнал в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).

В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.

4. Расчёт электрической принципиальной схемы 4.1 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.

4.2 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;

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

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

сигналов;

aусслк=1 ДБ - затухание сигнала в устройстве УССЛК;

aрс=1 ДБ, aнс=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: l=0.85 мкм;

ширина спектра излучения: D=3 нм;

частота модуляции: Fмод=250 МГц;

ток накачки: Iн=120 мА;

пороговый ток: Iпор=40 мА.

4.3 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:

4.4.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.

4.5 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;

aуорс = 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: