Разработка и расчет принципиальной схемы передающего оптического модуля ВОСП

Передающий оптический модуль выполняет преобразование электрических сигналов в оптические, а также стабилизацию характеристик оптического излучения. На основании анализа существующих решений этих задач была выбрана схема стабилизации тока смещения вблизи порога. Такая схема имеет импульсный модулятор, устройство вычитания, регулируемый генератор тока и два интегратора средней мощности: интегратор средней оптической мощности и интегратор средней мощности входного электрического сигнала.

На основании структурной схемы (рисунок 2.1) разработана принципиальная схема, представленная на рисунке 3.1. В качестве импульсного модулятора используется ключ на транзисторе VT 1. Интеграторы и схема вычитания выполнены на дифференциальных усилителях DA 2, DA 3, DA 1. Регулятор тока смещения выполнен на транзисторе VT 2. Индуктивность L выполняет роль развязывающего устройства высокочастотной и низкочастотной частей схемы.

По техническому заданию проектируемый передатчик должен иметь уровень выходной оптической мощности 3 дБм, что соответствует величине Р _ср = 2 мВт.

Определим импульсную мощность оптического сигнала исходя из заданного значения средней мощности. Учитывая особенности используемого в системе кода CMI, импульсная мощность сигнала будет определяться выражением:

Р _u = 2 ∙ P _c (3.1)

Р _u = 2 ∙ 2∙ 10^-3 = 4 мВт

Исходя из характеристик полупроводникового лазера определяем пороговый ток (I _п), крутизну или амплитуду тока накачки (I _max), ток фотодиода обратной связи (I _ф.ср), среднее и максимальное напряжение на лазерном диоде (U _ср и U _max).

Эти характеристики представлены на рисунке 3.2.

Выбираем I _п = 17 мА, I _max = 77 мА, I _ср = 33 мА, U _ср = 1, 5 В, U _max = 1, 7 В,

I _ф.ср = 170 мкА, I _max - максимальный ток лазера, I _ср – средний ток лазера.

Выбираем ток смещения I _см = I _п = 17 мА.

Для управления мощностью излучения полупроводникового лазера в схеме предполагается использовать импульсный ключ, в функции которого входит размыкание и замыкание цепи источника излучения в зависимости от модулирующего сигнала.

Быстродействие ключа определяется временем перехода транзистора из одного статического состояния в другое.

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема ПОМ

Ключ должен формировать импульсы длительностью Т, зависящие от скорости передачи В и кода, используемого в системе. Учитывая требования технического задания, длительность импульсов, формируемых транзисторным ключом, определяется выражением:

(3.2)

Выбираем напряжение источника питания Е _к, причем необходимо соблюдать следующее условие: Е _к > U _max.

Рисунок 3.2 – Характеристики ПОМ

Значение напряжения источника питания выбираем из стандартного ряда напряжений: Е _к = 5 В.

При выборе транзистора должны выполняться следующие условия:

— для обеспечения надежности схемы необходимо выполнить условия:

U _кбо > 2 ∙ (E _к - U _max) (3.3)

U _кбо > 2∙ (5-1, 7) = 6, 6 В

P _доп > I _ср(Е _к- U _ср) (3.4)

P _доп > 33∙ 10^-3∙ (5-1, 3) = 164, 5 мВт

— для обеспечения длительности фронта импульса параметры транзистора должны удовлетворять условию:

(3.5)

где f _α — граничная частота усиления тока базы в схеме с ОБ. Следовательно:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

где τ _ф – длительность фронта. Для ТТЛ-логики τ _ф = 5 нс.

Выбираем транзистор КТ384А, который удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям: f _гр = 1, 15 ГГц, Р _кмакс = 200 мВт, U _кбо = 30 В.

После того, как транзистор был выбран, рассчитаем ток базы I _бт при I _max:

(3.9)

где β - коэффициент усиления транзистора по току.

Найдем значение сопротивления базы R _б

(3.10)

где Е _г —напряжение генератора, зависящее от типа логики. Для ТТЛ-логики напряжение генератора принимается равным Е _г = 3 В.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R _б = 2, 4 кОм.

При проведении анализа переходных процессов, происходящих во время переключения в транзисторном ключе, был выявлен тот факт, что увеличение коэффициента насыщение уменьшает длительность включения и увеличивает длительность выключения транзисторного ключа. Очевидно, целесообразно увеличивать коэффициент насыщения только на время включения. Эта идея реализуется применением форсирующей (ускоряющей) емкости С_f в базовой цепи транзисторного ключа (рисунок 3.3).

Увеличение тока базы за счет форсирующей емкости приводит к уменьшению времени включения t_f.

Оптимальная величина форсирующей емкости может быть определена по формуле:

(3.11)

где

(3.12)

.

C _ф = 1, 56∙ 10^-9 / 2, 69∙ 10³ = 0, 58 пФ.

Рисунок 3.3 – Транзисторный ключ с форсирующей емкостью

Из ряда номинальных емкостей выбираем С _ф = 0, 59 пФ.

Дальше рассчитаем схему стабилизации средней мощности излучения.

Выберем транзистор VT 2. Так как полоса частот для данного транзистора не имеет значения, то основным условием, по которому он будет выбираться, является максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора.

Исходя из того, что P _кmax должно быть больше 164, 5 мВт выбираем транзистор КТ315А.

Выбираем постоянную времени в цепи обратной связи интеграторов на дифференциальных усилителях DA 2 и DA 3.

t = R ∙ C = 100 нс (3.13)

Выражая из формулы (5.13) R и задаваясь С = 100 пФ, получим:

R = t / C (3.14)

R = (100∙ 10^-9) / (100∙ 10^-12) = 1 кОм.

Определяем напряжение на входе операционного усилителя DA 1:

U ₀ = E _Г/2 (3.15)

U ₀ = 3/2 = 1, 5 В.

Рассчитываем сопротивление R _ф, полагая, что при наличии импульсов на входе передающего устройства U _o/ = U _o.

R _ф = E _Г / (2∙ I _ф.ср.) (3.16)

R _ф = 3/(2∙ 170∙ 10^-6) = 8, 82 кОм.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R _ф= 9, 1 кОм.

Определяем сопротивление R 3, которое выбирается исходя из необходимого тока смещения, для чего по характеристикам транзистора определяем необходимую разность потенциалов U _бэ, при которой течет ток I _см. Обеспечение такого смещения требует, чтобы на сопротивлении R _ф падало дополнительное напряжение U _бэ, поэтому можно получить:

(3.17)

R ₃ =

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R 3 = 11 кОм.

Коэффициент усиления для DA 1 будет равен К_ус = R 4/ R 5.

При расчете сопротивлений R 4 и R 5 выбираем К_ус =1. Следовательно, можно выбрать R 4 = R 5 = 1 кОм.

Индуктивность L выберем равной 100 мкГн.

Все резисторы выбираем мощностью 0, 25 Вт.

Конденсаторы выбираются на максимальное напряжение 25 В.