Разработка фотоприемного устройства волоконно. Реферат. Пояснительная записка дипломного проекта на тему "Разработка фотоприемного устройства воспи диапазона дцв."

• Название: Реферат. Пояснительная записка дипломного проекта на тему "Разработка фотоприемного устройства воспи диапазона дцв."
• Анкор: Разработка фотоприемного устройства волоконно
• Дата: 15.09.2022
• Размер: 199.5 Kb.
• Имя файла: Разработка фотоприемного устройства волоконно.doc
• Тип: Реферат; #678656
• страница: 4 из 5

R21 = Rвых = 50(Ом)

4.2 Расчет предварительного усилителя (ПУ).

ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ – минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазоны. Как уже рассматривалось ранее, для удовлетворения этих требований входной каскад выполнен по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.
Второй и третий каскады для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняются по каскодной схеме. Весь ПУ охвачен общей ООС, что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.
Проведем расчет каскадов усиления по постоянному току. Расчет К – цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов микросборки и входного каскада, а также расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность, при этом мощности потребляемые от источника питания и сигнала должны быть минимальными.
Как уже было оговорено, входным выбирается маломощный транзистор СВЧ диапазона с fm > (4?5)ГГц. Например: 2Т 3114 В-В.
Он, а также транзисторы, входящие в состав СВЧ микросборки
М45121-2 имеют следующие основные параметры:
Рк доп = 100 мВт
Iк доп = 20 мА
Uк доп = 15 В
?к = 1,5 нс
fг = 5 ГГц
h21 = 40 – 330
Ск = 0,6 пФ
Из ранее рассмотренных соображений относительно широкополосности и собственных шумов ФПУ ток коллектора I каскада равен 2 мА. Ко II и III каскадам менее жестки шумовые требования и с целью улучшения частотных свойств, ток коллектора выбран в пределах 5 мА. Для расчета шумов величина сопротивления нагрузки фотодиода по переменному току Rг в данной схеме рассчитывается как:
Rг = R2 || R4 || R1 = 1кОм

При Rг = 1кОм шумы Rг и тока базы транзистора соизмеримы, если Iб = 20мкА

[9]

При приравнивании:

получим:
при RГ = 1кОм
Iб = 20мкА

Находим и наносим на схему (рис.3.2) значение напряжения на всех узлах схемы относительно общего (заземленного) полюса источника питания. При этом следует учесть, что величина нагрузочных резисторов II – го и III – го каскадов (R7 и R15) должны быть не более 75Ом. Иначе ухудшатся частотные свойства усилителя. Исходя из этого, при коллекторных токах 5мА, на этих резисторах будет падение напряжения около 0,5В.
Коэффициент передачи цепи обратной связи по постоянному току вычисляется по следующей формуле:

, где

Rвх(VT4) – входное сопротивление каскада с ОК.

Rвх = h11+Rэ(1+h21)

Так как Rвх » R1 и им можно пренебречь, тогда

Напряжение на базе VT1:

Uб0,1 = Uк2 · В
Uб0,1 = 11,5 · 0,37 = 4,2(В), где
Uб0,1 = Uбэ,1 + Uбэ,3 + Uэ,3

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов значения напряжения база – эмиттер можно принять равным (0,6?0,7)В.

Выбираем: Uбэ,1 = 0,6 В
Uбэ1,3 = 0,7 В

Тогда Uэ,3 = 4,2-1,3 = 2,9(В)
Напряжение на эмиттере первого транзистора находим следующим образом:

Uэ,1 = ?б0,1 - ?бэ,1
Uэ,1 = 4,2-0,6 = 3,6(В)

Для широкополосного усилителя выбираем Uэ,2 = 4В
Следовательно:

Uэ3 = Uк,2 = Uкэ,2 - Uэ,3
Uкэ,3 = 11,5 - 4 - 2,9 = 4,6(В)

Напряжение на базе второго транзистора

Uб0,2 = Uк,3 + Uбэ,2 = (Uэ,3 + Uкэ,3) + Uбэ,2
Uб0,2 = (2,9 + 4,6) + 0,7 = 8,2(В)

Так как каскады II и III однотипны то постоянные напряжения транзисторов T4 и T5 соответствуют постоянным напряжениям транзисторов T2, T3 ИМС.
Зная все напряжения в схеме и токи каскадов сопротивление резисторов схемы:


по номиналу принимаем R9 = R16 = 510(Ом)

Для достаточной стабильности режима транзисторов Т2, Т4, Т5 ток, протекающий через делитель напряжения в цепи базы Iд берем равным 1мА.
Сопротивление делителя в цепи базы VT1 должны с одной стороны удовлетворять условию Rг = R2 || R4 || R1 = 1кОм, а с другой стороны, обеспечивать необходимое напряжение смещения (4,2В).
Величина R2, исходя из смещения на T3 и тока коллектора, VT1 выбрана 1,8 кОм, следовательно:


(R1||R4 = x)
x · 1,8 = x + 1,8;
0,8x = 1,8;
x = 2,25;

Решив систему уравнений, найдем необходимые величины резисторов R1 и R4:

Выберем: R1 = 3,6 кОм и R4 = 6,2 кОм
Сопротивления резисторов делителя напряжения в цепи базы Т2, Т6 рассчитываются по следующим формулам:

Эти резисторы выберем равными 7,5 (кОм)

Примем номиналы этих резисторов равными 3,9 кОм.
Для расчета базового делителя транзистора Т5 используется аналогичная методика. Ток делителя выберем равным 1мА, что соответствует номиналам резисторов:


Ближайшими к этим будут номиналы: 8,2(кОм) и 3,6(кОм), соответствующие резисторам R11 и R12.
Местную ОС в цепи эмиттера Т3 создает цепочка R10;C5, а также R17;C7 в III - ем каскаде ФПУ.
Необходимое значение ОС: F = 1 + S · Rэос
Коэффициент усиления усилителя без ОС (К) должен быть достаточным для обеспечения заданного значения К, при требуемой величине F:

По номиналу RЭОС(R10) = 22(Ом), тогда требуется глубина местной обратной связи равной:

F = 1 + 0,2 · 2,2 = 5,5

Цепь Г – образных RC фильтров в цепи питания используется из условия выполнения двух требований:

* Минимальные потери напряжения источника питания;
* Обеспечение устранения самовозбуждения из-за паразитной обратной связи между каскадами на сопротивлении питающих проводов и внутренним сопротивлением источника питания;

4.3 Расчет частотных характеристик цепи усилителя.

Определим граничную частоту усиления ФПУ. Коэффициент усиления К цепи, как функцию передачи информации линейной цепи, представить в операторной форме [9]:

где U2(p) – напряжение на выходе фотоприемного устройства
U1(p) – напряжение на нагрузке ФД т.е. на комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.
К(р) – общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ, кроме выходного.
Jф – фотопоток сигнала
Zвх,F – входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первых 2 каскада:
В нашем случае К(р) = К1(р) · К2(р) и К(р) = К1 · К2 = К2, так как
К1 = 1 и усиление этих каскадов можно считать в нашем частотном диапазоне постоянным.
Тогда при использовании формулы Блеймана, найдем Zвх,F:

[7]
Fкз = 1; Fxx = 1 + к?(р), где

В результате получим:

1+ B0 · K = F0 – глубина местной гальванической обратной связи.
В0 – коэффициент передачи по петле обратной связи.
Частота верхнего среза для входных каскадов ФПУ (первого и второго) при действии ООС равна:

Определим напряжение шумов на выходе ФПУ:


I = IRГ + Iб + Iд0 = 50мкА + 20мкА + 180мкА = 0,25мА

Чтобы пренебречь шумами измерительного приемника, которые в полосе частот 20 кГц составляет 0,5 мкВ, увеличим напряжение шумов на выходе ФПУ в 3 раза:

4.4. Оптимизация характеристик цепи ПУ
( при помощи программы моделирования электрических цепей Fastmean).

Программы моделирования электрических цепей (такие как OrCAD PSPICE, Micro-Cap, Electronics Workbench) во многих задачах обеспечивают удовлетворительный анализ переходного процесса. Однако в некоторых случаях расчет занимает очень много времени и точность может быть значительно ниже, чем необходимо, так как множество точек переходного процесса необходимо вычислить с помощью традиционной процедуры интегрирования.
В программе FASTMEAN используются новые решения матричных рекуррентных уравнений. Этот алгоритм совершенно отличается от обычно используемых в программах. Вместо отдельных точек функции переходного процесса вычисляются коэффициенты разложения в ряд Тейлора в матричной форме. Это позволяет найти значение функции для любого момента времени внутри заданного шага, который может быть больше (в сотни, тысячи раз и более), чем обычный шаг в широко используемых программах. В некоторых случаях, переходный процесс во всем временном интервале может быть рассчитан за один шаг.
Увеличение числа членов разложения в ряд Тейлора вместо увеличения числа маленьких шагов позволяет существенно уменьшить время расчета и, в то же время, увеличить его точность. Однако, максимальное число членов ряда Тейлора ограничено возможностями современного компьютера и составляет 70-80 членов. Вычисление большего числа членов может привести к большей ошибке, чем ожидается, или к совершенно неверному результату (при вычислении более 100 членов), но это происходит не по вине метода, а из-за ограниченности разрядной сетки компьютера и, следовательно, из-за ошибок округления.
Математические основы этих решений разработаны проф. Артымом А. Д. и проф. Филиным В. А. (Россия, г.Санкт-Петербург, Государственный Университет Телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, кафедра Теории Электрических Цепей). Впоследствии, проф. Артым, проф. Филин и их коллеги разработали совершенно новую программу и применили ее для

решения серьезных практических задач. Данная версия FASTMEAN предназначена для привлечения внимания специалистов и научных коллективов ВУЗов, интересующихся проблемами анализа сложных переходных процессов в цепях (также с переключениями), которые трудно рассчитать с большой точностью и скоростью традиционными методами.
На панели инструментов есть 3 группы элементов: Основные, Источники и Активные. Выберите одну из них, и появится окно с доступными элементами. Выберите нужный нажатием на соответствующую кнопку и поместите его на схему щелчком левой кнопки мыши. После того, как вы закончили добавлять элемент, нажмите правую кнопку мыши или соответствующую кнопку в окне.
Вы можете легко изменить параметры элемента, дважды щелкнув на нем мышью и введя необходимые значения в окне диалога. Вы можете вращать и отображать элемент: выделите его и нажмите нужную кнопку на панели инструментов. Используйте команды Вырезать(Ctrl+X), Копировать(Ctrl+C), Вставить(Ctrl+V) для работы с буфером обмена. Когда Вы выделяете элементы и нажимаете Вырезать или Копировать, программа помещает их в буфер обмена, используя свой формат, и как точечный рисунок, так что Вы можете использовать изображение схемы в других приложениях.
Вы можете соединить элементы проводами с помощью мыши, перетаскивая указатель от одного вывода к другому. Чтобы соединить более двух проводов вместе, используйте Соединитель (группа Основных элементов). Можно подтащить провод от вывода к другому проводу - программа автоматически соединит их, добавив Соединитель.
Чтобы изменить масштаб, используйте команды: Увеличить масштаб(Ctrl++) и Уменьшить масштаб(Ctrl+-).
После того, как Вы создали схему, ее можно сохранить, используя команды меню Файл.
Группы элементов: Основные, Источники и Активные элементы (линейные модели).
Основная группа включает :
Резистор. Параметры: сопротивление(R) в омах
Индуктивность. Параметры: индуктивность(L) в Гн; начальные условия(НУ) в А.

Конденсатор. Параметры: емкость(C) в Ф; начальные условия(НУ) в В
Унистор. Параметры: крутизна(S) в См
Идеальный трансформатор. Параметры: коэффициент трансформации(n)
Соединитель. Для соединения более двух проводов вместе.
"Земля". Для обозначения нулевого узла. Вы должны присоединить "Землю" к схеме, чтобы выполнить анализ.

Группа источников включает :

Источник напряжения. Параметры:
Тип источника - постоянный, гармонический или меандр
В зависимости от типа источника доступны различные параметры.
Для постоянного: напряжение(U0) в В
Для гармонического: амплитуда(U0) в В; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору)
Для меандра: частота(f) в Гц; длительность в %; напряжение(U0) в В; смещение в В
Источник тока. Параметры:

Тип источника - постоянный или гармонический
В зависимости от типа источника доступны различные параметры.
Для постоянного: ток(I0) в А
Для гармонического: амплитуда(I0) в А; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору)
Источник тока управляемый напряжением (ИТУН). Параметры: проводимость(g) в См
Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН). Параметры: коэффициент управления(k) в В/В

Источник тока управляемый током (ИТУТ). Параметры: коэффициент управления(h) в А/А
Источник напряжения управляемый током (ИНУТ). Параметры: сопротивление(r) в омах
Гиратор. Параметры: крутизна(Sg) в См

Группа активных элементов включает :
Лампа. Параметры: крутизна(S) в См; внутреннее сопротивление(Ri) в омах.
Биполярный транзистор n-p-n типа. Параметры: коэффициент передачи тока(alpha); омическое сопротивление эмиттера(Re); омическое сопротивление коллектора(Rc); омическое сопротивление базы(Rb);
Идеальный операционный усилитель(ОУ). Параметры: коэффициент усиления(k) в В/В
Для всех элементов, кроме резистора, за положительное направление отсчета тока принимается направление от узла с большим номером к узлу с меньшим номером.
Для всех элементов за положительное направление отсчета напряжения принимается направление от узла с меньшим номером к узлу с большим номером.
Замечание. Принимается, что нулевой узел имеет наибольший номер.
Программа показывает сообщение об ошибке в следующих случаях:
"Схема физически некорректна", если Ваша схема некорректна (например, 2 источника тока, 2 индуктивности или индуктивность и источник тока, соединенные последовательно).
"Ошибка: Источник напряжения соединен параллельно с конденсатором";
"Ошибка: 2 источника напряжения соединены параллельно";
"Ошибка: 2 конденсатора соединены параллельно", если соединить параллельно 2 источника напряжения, 2 конденсатора или конденсатор и источник напряжения.
"… : элемент закорочен", если элемент закорочен. Так как он не влияет на токи или напряжения в цепи, его следует убрать.
"… : элемент не соединен", если элемент разомкнут. Вы можете избежать этого сообщения, присоединив выводы элемента к Соединителям, но только в том случае, если это будет физически корректно (так можно сделать с резистором, но нельзя с индуктивностью).
"Добавьте землю к Вашей схеме.", если в схеме нет земли. Вы должны присоединить землю к схеме, чтобы выполнить анализ.
Эквивалентная схема приведена на рис. 4.4.

5. Конструктивная разработка фотоприемного устройства.

Разработка конструкции ФПУ проводится с целью получения требуемых технических характеристик устройства самым целесообразным способом с точки зрения техники и экономики.
В результате выбрана следующая конструкция: устройство размещается во фрезерованном латунном корпусе размерами
70?55?30 мм, что обеспечивает прочность конструкции, надежную экранировку от помех и наводок, играет роль теплоотвода.
На современном этапе развития РЭА монтируют на печатных платах, что дает возможность механизировать и автоматизировать процесс сборки РЭА, повышает ее надежность, облегчает ремонт, обеспечивает повторяемость монтажа от образца к образцу.
Электрическая схема размещается на плате, которая изготавливается из листового электроизоляционного материала с наклеенной с одной стороны медной фольгой.
Процесс выделения токоведущих проводников осуществляется путем травления в специальных растворах. Необходимая топология печатной платы задается рисунком лакового слоя, наносимого на фольгу и предохраняющая отдельные ее участки (будущие токоведущие дорожки) от соприкосновения с реагентом.
Схема выполняется по гибридно-пленочной технологии.
Сопротивления напыляются, а полупроводниковые приборы и емкости выполняются навесными. Для изоляционного основания выберем стеклотекстолит, как достаточно прочный в механическом плане и имеющий низкую проводимость в электрическом плане материал.
Толщина платы 2,5 мм, что достаточно для получения механической жесткости готовой печатной платы и ее размеров. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода радио детали, что обеспечивает возможность свободной установки радио элементов. Отверстия на плате располагаются таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не менее толщины платы. Иначе эта перемычка не будет иметь

достаточной механической прочности. Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы высокочастотных транзисторов, необходимо делать прямоугольными.
Разводка печатных проводников делается таким образом, чтобы они имели минимальную длину. При разработки усилителя, работающего на частотах выше 100 МГц необходимо предусматривать максимальное удаление друг от друга входных и выходных радиоэлементов. Такая технология изготовления позволяет снизить трудоемкость сборки усилителя, повысить срок службы.
Фотодиод и высокочастотные контакты находятся в уплотнительных отверстиях в стенках корпуса.
Готовая печатная плата устанавливается в корпусе, который наглухо закрывается жестяной крышкой. Стык пропаивается, что обеспечивает надежную защиту от наводок и помех. На этом корпусе также установлен проходной конденсатор, обеспечивающий ввод в конструкцию питающего напряжения.
Топология блока приведена в приложении 3, где тонкими линиями изображены перемычки, выполненные золотой проволокой.

6. Обеспечение безопасности жизнедеятельности.

6.1 Анализ характеристик объекта проектирования,трудовой
деятельности человека, производственной среды.

Фотоприемное устройство является модулем приемной части волоконно-оптической системы передачи. Надежность и безопасность работы этого устройства очень важна. ФПУ устанавливается в стойку оконечного оборудования, или в подземном, в качестве ретрансляторов.
Нормальное функционирование ФПУ обеспечивается в диапазоне температур от -30?С до +30?С, относительной влажности от 20% до 99%,атмосферным давлением от 400 до 900 мм.рт.ст. Питающие напряжения равно +12В. Электропитание ФПУ осуществляется на оконечной станции от стабилизированного источника постоянного напряжения, подключенного к трехфазной, четырехпроходной с заземленной нейтрально 380/220 В, 50Гц Конструктивно, устройство размещается в фрезерованном латунном корпусе 70х55х30мм,что обеспечивает прочность конструкции. Масса устройства около 300г.