自动功率控制 尹其畅

光发射机——自动功率控制
驱动LD光源器件 必须是直流偏移 电流Ib和调制电流 旁路电容 共发射级驱动电路的具体 Im共同的结果。 减噪 交流通路
R6 C1
•Ib
0.1uf 2N3392 5k 2N3392 15k
调制电 流Im
LD
Ib
PLD输入缓 冲器
V1 R1
V2
U1:A
Uin 3
2 1 5k
4041
一 是自动跟踪Ith的变化，是LD处于最佳偏置 状态. Ith是半导体激光器的阀值电流。 Ith=I0 eT/T0 I0 为常数 T0是特征温度。 二是控制调制脉冲电流幅度Im ，跟踪ŋd 的变化，一般ŋd 的变化不是非常大，所以最简单 的办法是通过检测直流光功率来控制偏置电流。
光发射机——自动功率控制
R6
• LD • v1 •Ib •Ub
Uin 3 1 4041
C1
0.1uf 2N3392 5k
15k
LD
Ib 2N3392
• Uin
V1 R1
V2
U1:A
2 5k
•电流源
•I0
R2 C2
0.1uf
R3
1k
R4
1k
R5
15k
• -Ue •(b)射极耦合LD驱动电路
-U2
-U1
光发射机——自动功率控制
设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
LD 发光
PIN 检测
A1放 大器
比较放大器 A3
电流源
数字信号
调制 比较放大器A2
可调直流参考电压
光发射机——自动功率控制
设计框图
LD 发光
PIN 检测
A1放 大器
比较放大器 A3
电流源
数字信号
调制 比较放大器A2
可调直流参考电压
光发射机——自动功率控制
PIN光电检测器
原理：PIN是为提高光电转换效率而在PN结 内部设置一层掺杂浓度很低的本征半导体 （I层）以扩大耗尽层宽度的光电二极管。 光电检测器是外加反向偏压的PN结，把接 收到的光功率转换成信号电流，有PIN光电 二极管和雪崩二极管APD 本电路用的是PIN光电二极管
R3为集电极电阻 Uc 与R3为集电极提供合 适的静态电压Uce， 且还将集电极变化 的电流Ic转化为集电 极电压。 R2为发射级电 阻 提高输入电阻
NPN型三极管，
• R2
•(a)共发射极驱动电路
光发射机——自动功率控制
共发射级驱动电路的原理
• Uc
• LED • C1 • v • R1 • R2 • R3
光发射机——自动功率控制
自动功率控制电路图
•LD
•P D •V2 •信号参考
••A1 •+ ••A3 •+
•V1
•-U •直流参考 •-U
•-
•A2 •+
IRL1光发射机——自动功率控制
Demodulator
2N3392
2N3392
反向
C1
0.1uf
R6
15k
R8 Q2 D1 L1
18u 20k
光发射机——自动功率控制
射级耦合驱动电路的特点
V1和V2处于轮流的截止和非饱和导通状态 ，有利于提高调制速率， 当三极管截止频率fr>4.5G/Hz时，调制速率 可达300Mb/S. 缺点：动态范围小，功耗较大， 由于温度的变化和工作时间加长，LD所输 出的光功率会发生变化的。为了保证输出 光功率的稳定，必须改进电路的设计。
光发射机——自动功率控制
射级耦合驱动电路的原理
• LD • v1 •Ib •Ub
• Uin
•电流源
•I0
• -Ue •(b)射极耦合LD驱动电路
电流源为由V1和V2组 成的差分开关电路，它 提供了恒定的偏置电流 Ib， V1的基极输入的数字 信号Uin。 V2的基极是直流参考 电压Ub。
光发射机——自动功率控制
学 学 姓
院： 号： 名：
电子与控制工程学院 2012132029 尹其畅
光纤通信——自动功率控制
光发射机
• 数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基 带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注 入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字 电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直 接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性 参数有功率、幅度、频率和相位。目前技术上 成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是 直接光强(功率)调制
这种简单的驱动电路主要用 于以发光二极管LED作为光 源的光发射机。
• Uin
•(a)共发射极驱动电路
数字信号为“0”码 三极管截止，灯灭。 数字信号为“1”码 三极管导通，灯亮。 。
光发射机——自动功率控制
共发射级驱动电路的特点
• Uc
• LED • C1 • v • R1 • R2 • R3
C4
5uF
4
U2:A
3
R19
2 1 100k 10k
R16
2 3
A2
6
2
A3
6
D1
DIODE
V3 R12
5k 2N3392
4
R14
100k
3
4041
7
C6
UEE 0.01uF
RV1
20K
C5
0.01uF
D2
DIODE
7
AD8001A
R11
5k
电流并联负反馈
--UEE
光发射机——自动功率控制 使LD不发激光而发荧光，这样就保护了 LD不至于因为温度过高的直流光而受到 损害，这对延长LD的工作寿命很有益 长连“0” C1
• Uin
•Ub
LD是激光器，只有在工 作电流超过阀值电流的情 况下才会输出激光（相干 光）， 半导体激光器是一阀值器 件 当注入电流较小时，激 光器发射普通的荧光， 随着注入的电流量的增 加，激光器发射较强的荧 光 当电流大于阀值电流时， 才能产生功率较强的激光
•电流源
•I0
• -Ue •(b)射极耦合LD驱动电路
R15
30k
15k
C4
5uF
4
U2:A
3
R19
2 1 100k 10k
R16
2 3
A2
6
2
A3
6
D1
DIODE
V3 R12
5k 2N3392
4
R14
100k
3
4041
7
C6
UEE 0.01uF
RV1
20K
C5
0.01uF
D2
DIODE
7
AD8001A
R11
5k
“1”
--UEE
光发射机——自动功率控制
设计框图
LD 发光
PIN 检测
A1放 大器
比较放大器 A3
电流源
数字信号
调制 比较放大器A2
可调直流参考电压
光发射机——自动功率控制
自动功率控制电路原理
从LD的背向输出光功率，经PD检测器检测 、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相 输入端，同时，输入信号参考电压和直流参 考电压经A2比较放大后送到A3的同相端，A3 和V3组成的直流恒流源调节LD的偏置电流Ib ，使LD输出光功率稳定。
• Uin
数字信号“0”码和“1”码 对应于V的截止和饱和状 态，电流的大小根据对输 出光信号幅度的要求确定 。 这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统， 更高速率系统应采用差分 电流开关电路。
•(a)共发射极驱动电路
光发射机——自动功率控制
射级耦合驱动电路
• LD • v1 •Ib
射级耦合驱动电路的原理
• LD • v1 •Ib •Ub
• Uin
•电流源 •I0 • -Ue
•Im
•(b)射极耦合LD驱动电路
数字信号Uin为“0”码 时 V1基极>V2基极， V1导通，V2截止，则 LD不发光。 数字信号Uin为“1”码 时 V1基极<V2基极， V1截止，V2导通，则 LD发光。
2N3392 2N3392
或无信号
U1:A
Uin 3 1 4041
R6
15
R8 V2 D1 L1 PIN C3
330n 2 3 5k
R9
20k
0.1uf
V1
5k
4
2 5k
R1
A1
6 10k
18u
R10
R2 C2
0.1uf
7
AD8001A
R3
1k
R4
1k
R5
15k
R7 R13
100k
“0”
-U2
-U1
光纤通信——自动功率控制
根据激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光 强数字调制原理，对LD施加了偏置电流Ib 。由图1可见，当激光器的驱动电流大于阈 值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基 本上是线性关系，输出光功率和输入电流 成正比，所以输出光信号反映输入电信号 。
光纤通信——自动功率控制
15 0.1uf
2N3392
2N3392
调制电流Im
R8
偏置电流Ib
R9
20k
V1
5k
V2 D1 L1 PIN
5k
U1:A
Uin 3
C3
330n
4
2 3
2 1 5k
R1
A1
6 10k
18u
R10
4041
R2 C2
0.1uf
7
AD8001A
R3
1k
R4
1k
R5
15k
R7 R13
100k
-U2
-U1
R15
R2 C2
0.1uf
偏置 电流Ib
R3
1k
R4
1k
R5
15k
每个缓冲器产生该输入 变量的原变量和反变量
-U2
-U1
光发射机——自动功率控制
Uin
1 0
Uin
0 1
V1
导通 截止
V2
截止 导通
LD
无激光 有激光
图中，半导体三极管V1、V2通过射极电阻Re耦合形 成电流开关。V1、V2轮流工作在导通-截止的开关状 态。当Uin为“0”码时，则V1导通、V2截止，LD上只 有电流IB流过，故LD不发出激光；当Vin为“1”码时， 则V1截止、V2导通，LD上有电流IM+IB流过，故LD 发出激光。射极耦合电流开关驱动电路适用于中速率 和高速率光纤通信系统。
光纤通信——自动功率控制
数字发射机的方框图
光端机输出的数字 信号是适合光缆传 输的双极性码，而 光源不能发射负脉 冲，所以要变换为 适合于光纤传输的 单极性码。
•光源的驱动电路
光源的模拟驱动电路 光源的数字驱动电路 （1）LED的数字驱动 电路 （2）LD的数字驱动电 路
•
调制电路和自动功率控制
自动功率控制（APC）
主要功能：
自动补偿LD由于环境温度变化和老 化效应而引起的输出光功率的变化， 保持其输出光功率不变。 自动控制光发送机的输入信号码流中 长连“0”序列或无信号输入时使LD 不发光。 控制另一个重要的参数：LD的微分 量子效率ŋd。
光发射机——自动功率控制
APC的调节方式
数字信号调制电路应采用电流开关 电路，最常见的是差分电流开关电 路。
共发射极驱动电路 射极耦合驱动电路 自动功率控制电路
光发射机——自动功率控制
共发射级驱动电路
R1为基极电阻 Uin与R1为基极 提供合适的静 态电流Ib。
• Uin • R1 • Uc • LED • C1 • v • R3
2 3
A2
6
2
A3
6
4
D1
R14
100k
R12
Q3
2N3392
3 DIODE 100k
7
C4
UEE 0.01uF
RV1
200K
C3
0.01uF
D2
DIODE
7
AD8001A
R11
50k
滤波 混合 积分
升压
UEE
光发射机——自动功率控制 直流偏移电流Ib和 调制电流Im共同 C1 R6 作用使LD发光
30k
15k
C4
5uF
4
U2:A
3
R19
2 1 100k 10k
R16
2 3
A2
6
2
A3
6
D1
DIODE
V3 R12
5k 2N3392
4
R14
100k
3
4041
7
C6
UEE 0.01uF
RV1
20K
C5
0.01uF
D2
DIODE
7
AD8001A
R11
5k
--UEE
光发射机——自动功率控制
C1
0.1uf
光发射机——自动功率控制
自动功率控制（APC）
主要功能：
自动补偿LD由于环境温度变化和老 化效应而引起的输出光功率的变化， 保持其输出光功率不变。 自动控制光发送机的输入信号码流中 长连“0”序列或无信号输入时使LD 不发光。 控制另一个重要的参数：LD的微分 量子效率ŋd。
光发射机——自动功率控制
图 1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理
光纤通信——自动功率控制
光发射机的组成
• 数字光发射机的方框图如图2所示，主要 有光源和电路两部分。光源是实现电/光 转换的关键器件，在很大程度上决定着 光发射机的性能。电路的设计应以光源 为依据，使输出光信号准确反映输入电 信号。
2N3392
PIN检测电 流下降
R8
2N3392
R6
15
R9
20k
V1
5k
V2 D1 L1 PIN
5k
U1:A
Uin 3
C3
330n
4
2 3
2 1 5k
R1
A1
6 10k
18u
R10
4041
R2 C2
0.1uf
7
AD8001A
R3
1k
R4
1k
R5
15k
R7 R13
100k
-U2
-U1
R15
30k
15k
R9
100k
C1
330n
4
2 3
IRLINK
U2
Uin 0 1 PLD
Q1
50k
PIN
R1
50k
A1
6 100k
R10
R2 C2
0.1uf
7
AD8001A
R3
100
R4
100
R5
15k
R7 R13
100k
-U2
-U1
R15
100k
15k
C2
5uF
U1:A
1 74LS14 2
4
R19
50k 100k
R16