光發(fā)射機(jī)電路仿真

鄭勉，鄭光明，孫曉玲，李偉勤，陳濤

（西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都610500）

光發(fā)射機(jī)作為光纖通信系統(tǒng)重要組成部分之一，研究其構(gòu)成、特點(diǎn)和性能具有重要作用。這里提出一種采用Multisim 9電路仿真軟件對光發(fā)射機(jī)電路進(jìn)行仿真的方法，該仿真方法可獲得關(guān)鍵元件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，為光發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考優(yōu)化值。

圖1 系光發(fā)射機(jī)組成框圖Fig.1 Black diagram of Optical transmitter

1 光發(fā)射機(jī)及其各模塊電路

光發(fā)射機(jī)是在發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)換成適合于在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?。光源是光發(fā)射機(jī)的主要器件，但僅有光源是不能構(gòu)成發(fā)射機(jī)的，光發(fā)射機(jī)還包括輸入接口、激光二極管（LD）驅(qū)動電路、自動功率控制（APC）電路、自動溫度控制（ATC）電路、慢啟動與限流保護(hù)電路、光源與光纖的耦合等[1]，其組成框圖如圖1所示。

輸入電路將輸入的PCM脈沖信號進(jìn)行整形，變換成NRZ/RZ碼后通過驅(qū)動電路調(diào)制光源（直接調(diào)制）或送到光調(diào)制器調(diào)制光源，輸出連續(xù)光波（外調(diào)制）。驅(qū)動電路給光源一個預(yù)偏置電流。為穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度，通常設(shè)置一個自動功率控制及自動溫度控制電路。光發(fā)射機(jī)中的報(bào)警電路是對光源壽命及工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警。LD的溫控電路用于穩(wěn)定平均功率和工作溫度。

1.1 LD驅(qū)動電路

驅(qū)動電路將電信號轉(zhuǎn)化成光信號，將要傳輸?shù)碾娦盘栒{(diào)制到光源的輸出。LED的驅(qū)動電路比較簡單，而在較高速率下采用LD驅(qū)動電路可能變得相當(dāng)復(fù)雜。無論是LED還是LD，一般都需要在一定的注入電流下進(jìn)行調(diào)制[2]，因此驅(qū)動電路應(yīng)該能對光源同時提供偏置電流和隨信號變化的調(diào)制電流。

常用的LD驅(qū)動電路可分為單管集電極和射級耦合2種驅(qū)動電路[3]。這里采用一種簡單的，但可實(shí)際應(yīng)用的射級耦合LD驅(qū)動電路，如圖2所示。

圖2 LD驅(qū)動電路原理圖Fig.2 LD driving circuit schematic diagram

圖2中，通過偏置電路，使LD的偏置電流在其閾值附近，晶體管VBG3構(gòu)成一個恒流源，向LD提供調(diào)制電流，晶體管VBG1和VBG2構(gòu)成對LD調(diào)制電流的開關(guān)電路，VBG2的基極加有固定的參考電壓VBB，當(dāng)輸入為“0”碼時，VBG1的基極電位比VBB低，因此VBG1截止而VBG2導(dǎo)通，是恒流源通過VBG2流過LD而發(fā)射出光脈沖；反之，當(dāng)輸入信號為“1”碼時，VBG1的基極電位比VBB高，因此VBG1導(dǎo)通而VBG2截止，不發(fā)出光脈沖，如果在信號輸入VBG1之前加一個反相器，則可以在LD上得到與電信號脈沖一致的光脈沖輸出[4]。

1.2 自動功率控制（APC）電路

為了穩(wěn)定激光器的輸出功率，需要在發(fā)射機(jī)中具有自動功率控制（APC）電路，APC電路一般利用與LD封裝在一起的PIN二極管檢測LD后向輸出的光信號，根據(jù)PIN輸出的大小而自動改變對LD的偏置電流，使其輸出功率保持恒定?？赡芤鸺す廨敵龉β首兓囊蛩厥切酒瑴囟茸兓图す馄骼匣?yīng)。

圖3給出APC電路原理圖，PIN二極管檢測到的信號與直流參考電壓進(jìn)行比較后，送到集成運(yùn)算放大器的反向輸入端，另一方面再生信號電壓通過調(diào)節(jié)R2后送到集成運(yùn)算放大器的同相輸入端，集成運(yùn)算放大器和晶體管VQ1組成可自動調(diào)節(jié)的恒流源向LD提供直流偏置，偏流的大小可由直流參考電壓的調(diào)整而進(jìn)行預(yù)置。該APC電路可以保證在輸入信號為“1”碼時，激光器發(fā)出強(qiáng)度恒定的“1”碼；而當(dāng)輸入信號為“0”碼時，激光器工作在閾值附近。

圖3 APC電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of APC circuit

1.3 自動溫度控制（ATC）電路

導(dǎo)體激光器的輸出特性受溫度影響很大，當(dāng)溫度發(fā)生變化（包括環(huán)境溫度變化和注入電流引起的溫度變化）時，LD的P-I特性[5-7]和光譜特性都要發(fā)生變化，因此在光發(fā)射機(jī)中需要有自動溫度控制電路，以保證激光器在恒定溫度下工作。一般說來，在實(shí)用的半導(dǎo)體激光器封裝中，都帶有一個半導(dǎo)體致冷器和一只能夠檢測激光器芯片溫度變化的熱敏電阻，可采用圖4的ATC電路實(shí)現(xiàn)對激光器工作溫度的穩(wěn)定。

圖4 ATC電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of ATC circuit

激光器的熱沉與致冷器的冷面靠在一起，圖3中R1、R2、R3與激光器的熱敏電阻Rt構(gòu)成感溫電橋，該電橋?qū)莾啥诉B接到運(yùn)算放大器A的差動輸入端，運(yùn)算放大器A的輸出端連接到半導(dǎo)體三極管VQ1的輸入端，VQ1的發(fā)射級連接有致冷器。致冷器與LD、PIN和熱敏電阻緊密放置在一起。

致冷器用來降低LD管芯的溫度。致冷器是由特殊半導(dǎo)體制成的，當(dāng)其通以直流電流時，則一端吸收致冷（稱為冷端），另一端放熱（稱為熱端）。半導(dǎo)體致冷器的致冷量大小與其通過的直流電流成正比關(guān)系。熱敏電阻Rt測量LD管芯的溫度。圖4中選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，即熱敏電阻Rt的阻值大小與所測量的溫度成反比。熱敏電阻的阻值計(jì)算公式為：

式中，R25為25℃的電阻值，α溫度系數(shù)。

感溫電橋的平衡條件是：R1Rt=R2R3，此時Va=Vb。即在平衡條件下，感溫電橋?qū)莾啥穗娢幌嗟?。ATC電路在使用前，要先確定標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，其方法是：1）首先確定管芯工作溫度，通常取為25℃；2）查知該溫度下熱敏電阻的阻值大小Rt；3）選取R1=R2，R3=Rt。當(dāng)Va=Vb時，運(yùn)算放大器A無差動信號輸入，因而運(yùn)算放大器A無輸出電壓，以致VQ1無足夠射極電流Ie，所以25℃狀態(tài)下致冷器不致冷。

標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)確定后，實(shí)際使用時的控制過程是：當(dāng)LD管芯溫度超過25℃時，則熱沉溫度也隨之上升超過25℃，導(dǎo)致電阻Rt減少，使電位Vb下降，以致運(yùn)算放大器A的差動信號增大，使其輸出電壓升高，以致VQ1基極電流升高，從而射極電流增大，致冷器獲得足夠的致冷電流能夠致冷，使熱沉溫度降低，LD管芯溫度隨之下降。

需指出的是：帶致冷器的激光器組件將會被無致冷的組件所代替。因?yàn)榧す馄鞯脑O(shè)計(jì)與制造工藝已經(jīng)非常成熟，而閾值電流可以降到幾mA甚至更低。因此熱源很小，再加上器件結(jié)構(gòu)有利溫度穩(wěn)定，所以不用致冷。即使環(huán)境溫度有變化，激光器也能有良好的工作狀態(tài)。省去溫控電路既可降低成本又可提高工作的可靠性，因而是未來發(fā)展方向。

1.4 慢啟動與限流保護(hù)電路

完整的光發(fā)射機(jī)除了上述基本電路外，還應(yīng)包括告警電路與保護(hù)電路。告警電路一般還包括無光告警、壽命告警和激光器溫差告警。當(dāng)信號中斷、激光器失效或電路出現(xiàn)故障而造成光信號中斷時，發(fā)射機(jī)的無光告警指示燈亮，同時送出告警信號。壽命告警由APC電路中偏置電流的增大來體現(xiàn)，隨著激光器的老化，其閾值電流會升高，P-I曲線的斜率也會下降，這樣在一定的調(diào)制電流下，為獲得相同的輸出功率，必須增大偏置電流，一般認(rèn)為偏置電流Ib從最初的閾值Ith附近增大到約1.5Ith時，應(yīng)該發(fā)出壽命告警，警告使用者，激光器已接近其使用壽命，應(yīng)該更換新的激光器。如果激光器的溫度超過正常工作溫度±5℃，發(fā)射機(jī)應(yīng)能給出溫差過大警告，并關(guān)掉激光器的偏置電流以免激光器損壞，待檢查故障，發(fā)射機(jī)正常后再重新手動開機(jī)。對于激光器的偏置電路，還應(yīng)該具有慢啟動功能和限流保護(hù)措施，慢啟動電路可以避免突然對激光器加電而引起的沖擊損壞，限流保護(hù)電路可以避免對激光器的偏置電流過大而引起的損壞。圖5給出實(shí)現(xiàn)這兩種功能的電路。

圖5中的R2和C1組成一個低通濾波器，在接通電源后，偏流緩慢啟動，經(jīng)過一定的時間延遲后，電路才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對激光器提供設(shè)定的偏置電流。晶體管VBG2起到對偏置電流的限制作用，當(dāng)Ib較大時，電阻R2上的壓降使得VBG2導(dǎo)通從而對Ib進(jìn)行限制。

圖5 慢啟動與限流保護(hù)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of laser slow starter and current limiting protection circuit

2 光發(fā)射機(jī)各組成電路仿真

2.1 LD驅(qū)動電路

由于Multisim 9電路仿真軟件中沒有LD器件，因而在建立仿真電路模型時應(yīng)找一個與LD器件內(nèi)阻等效的電阻來代替。圖6中的LD器件的閾值電流為90 mA，預(yù)偏置電流Ib=80 mA（由預(yù)偏置電路供給）。VBG3，R1和R2所組成的恒流源在仿真中直接用電流為20 mA的電流源代替。建立的仿真電路如圖6所示。

輸入端施加一個方波信號脈沖。該脈沖信號為“0”碼時的電壓為-1.8 V，“1”碼時的電壓為-0.8 V。Vbb的取值則在電信號脈沖電平之間，以達(dá)到開關(guān)電路的效果。

圖6 LD驅(qū)動電路仿真電路圖Fig.6 Simulation diagram of LD driving circuit

由仿真電路圖6可以看出當(dāng)電脈沖信號為“0”碼（即-1.8 V）時，三極管VQ1基極的電壓-1.8 V低于VQ2的基極電壓-1.3 V，于是VQ1截止，VQ2導(dǎo)通，由探測筆顯示的電壓可看出流過LD激光器的電流是90 mA，超過了LD的閾值電流，于是LD半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光脈沖。反之，當(dāng)電脈沖信號為“1”碼（即-0.8 V）時，三極管VQ1基極的電壓-0.8 V高于VQ2的基極電壓-1.3 V，于是VQ1導(dǎo)通，VQ2截止，調(diào)制電流經(jīng)VQ1流向地。流過LD半導(dǎo)體激光器的電流只有偏置電流低于閾值電流，因而LD不發(fā)出激光脈沖。

2.2 自動功率控制（APC）電路

分析APC電路原理圖得知，直流參考是通過調(diào)節(jié)R1控制預(yù)偏置電流Vb。而調(diào)節(jié)R2就可以使得Ib保持恒定。因而在分析自動功率控制電路的時，采用分別分析方法（即分別建立仿真模型進(jìn)行分析）。

當(dāng)考慮只有直流參考時，所建立的仿真電路如圖7所示。為使得最后VQ1輸出的集電極電流為80 mA，電阻R1、R2、R3的取值計(jì)算過程如下：運(yùn)算放大器的輸出電壓UO=（1+R3/R2）Ui。利用三極管VQ1的集電極電流可以計(jì)算出VQ1的基極電流和基極電壓，進(jìn)而得出運(yùn)算放大器的輸出電壓UO的大小。于是可以確定出R3/R2=3。

圖7 只有直流參考時的APC電路的仿真電路圖Fig.7 Simulation diagram of APC circuit only considered the direct current

當(dāng)考慮只有再生信號的時候，所建立的仿真電路如圖8所示。其中輸入的再生信號偏置電流Ib的變化范圍為5～10mA，在仿真中假想的是Ib變化值為8 mA，同樣可以通過Ib的變化值計(jì)算出VQ1的基極電壓和基極電流。進(jìn)而確定運(yùn)算放大器的輸出電壓Uo。又由于信號是施加在運(yùn)放的反向輸入端得出

圖8 只有再生信號時的APC電路的仿真電路圖Fig.8 Simulation circuit diagram of APC circuit diagram only considered the regeneration signal.

2.3 自動溫度控制（ATC）電路仿真與參數(shù)計(jì)算

由于Multisim 9中沒有熱敏電阻和致冷器，仿真中分別采用1個滑動變阻器和1個電阻來代替，所建立的ATC仿真電路圖如圖9所示。

圖9 ATC電路的仿真電路圖Fig.9 Simulation diagram of ATC circuit

圖9中采用20 kΩ的滑動變阻器。由于致冷器的致冷電流大，電壓低，電流將近1 A，內(nèi)阻為1 Ω左右。由于在正常情況下Rt取值為10 kΩ，此時感溫電橋處于平衡狀態(tài)。流入V1差分放大器的差分輸入電壓為0 V，因而，V1差分放大器的輸出電壓也為0。這就無法驅(qū)動VQ1，使其導(dǎo)通，致冷器不起任何作用。所以圖9中所給出的是當(dāng)LD的溫度升高之后的仿真現(xiàn)象。當(dāng)LD溫度發(fā)生變化時，Rt的阻值就會隨著LD的變化而變化。于是感溫電橋的平衡狀態(tài)被打破，V1放大器反相輸入端的電壓低于正相輸入端。圖9中經(jīng)探測筆所測出V1差分放大器輸出端的電壓為2.5 V，于是使得三極管VQ1導(dǎo)通，流過致冷器的電流為1.01 A滿足條件，致冷器開始工作。在致冷器的作用下，使得LD半導(dǎo)體激光器的溫度下降到正常水平，達(dá)到保護(hù)LD的作用。

2.4 慢啟動與限流保護(hù)電路

由于慢啟動和限流保護(hù)電路是相當(dāng)于APC電路的后續(xù)部分，因而原理圖中的運(yùn)算放大器就直接用電源和電阻等效仿真。其中關(guān)鍵的器件是VQ1，由于VQ1要通過R2電阻上的壓降來進(jìn)行導(dǎo)通，所以R2的取值相當(dāng)重要。在圖10中R1用滑動變阻器動態(tài)獲得VQ1所需的基極驅(qū)動電壓。最終采用的是當(dāng)R1的阻值取10 kΩ時所得的基極電壓-3.18 V來驅(qū)動VQ1，使其導(dǎo)通。在圖11中所得到的R1VQ1基極電壓為-3.32 V。由圖13中所示VQ1集電極的電流為94.4 mA，超過閾值電流，有些偏大。VQ1導(dǎo)通后，R2通過流經(jīng)的發(fā)射極電流獲得小于1 V的壓降。VQ2則通過R2上的壓降使其導(dǎo)通，從而使得流過R1的電流分別流向VQ1和VQ2兩部分，實(shí)現(xiàn)分流。這就使得VQ2集電極的電流為81.9 mA，達(dá)到降低LD偏置電流Ib的目的，從而避免激光器由于偏置電流過大而降低其使用壽命。VQ2的VBE電壓值為0.617 V，流過R2的偏置電流為80 mA，于是可以計(jì)算出R2的阻值為7.5 Ω。

圖10 無VQ1時的慢啟動和限流保護(hù)仿真圖Fig.10 Laser slow starter and current limiting protection simulation diagram withoutVQ1

圖11 有VQ1時的慢啟動和限流保護(hù)仿真圖Fig.11 Laser slow starter and current limiting protection simulation diagram withVQ1

3 結(jié)束語

通過在Multisim 9中分別對LD驅(qū)動電路、APC電路、ATC電路及慢啟動與限流保護(hù)電路進(jìn)行仿真，獲得了光發(fā)射機(jī)各組成電路中的關(guān)鍵元器件參數(shù)。各組成電路中關(guān)鍵元器件的具體參數(shù)如下：1）LD驅(qū)動電路中的關(guān)鍵元器件為：LD半導(dǎo)體激光器，其閾值電流為80 mA;2）APC電路中的關(guān)鍵元器件為：R1和R2，R1和R2的取值分別為3 kΩ和4 kΩ左右;3）ATC電路中的關(guān)鍵元器件為：熱敏電阻Rt及致冷器Rc，其中熱敏電阻在25℃時的取值為10 kΩ，致冷器Rc的取值為1 Ω;4）慢啟動與限流保護(hù)電路中的關(guān)鍵元器件為：三極管VQ1和R2，其中R2的取值為7.5 Ω。

本文研究了光發(fā)射機(jī)電路中的射頻耦合驅(qū)動、自動功率控制、自動溫度控制以及慢啟動與限流保護(hù)等模塊電路，給出了各電路中關(guān)鍵元器件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)資料，為實(shí)際光發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考優(yōu)化值。

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