1、学学 院：院：电子与控制工程学院电子与控制工程学院学学 号：号：2012132029姓姓 名：名：尹其畅尹其畅光纤通信自动功率控制光发射机光发射机 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I
2、th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 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。光纤通信自动功率控制数字发射机的方框图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。
3、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 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共发射级驱动电路 R1 C1 Uin Uc v LED(a)共发射极驱动电路 R2 R3R1为基极电阻 Uin与R1为基极提供合适的静态电流Ib。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，光发射机自动功率控制共发
4、射级驱动电路的原理共发射级驱动电路的原理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。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。R1 C1 Uin Uc v LED(a)共发射极驱动电路 R2 R3光发射机自动功率控制共发射级驱动电路的特点共发射级驱动电路的特点数字信号“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。R1 C1 Uin Uc v LED(a)共发射极驱动电路 R2 R3光发射机自动功率控制射级耦合驱动电路
5、电流源I0 v1 LD-Ue Uin(b)射极耦合LD驱动电路IbUbLD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光发射机自动功率控制射级耦合驱动电路的原理射级耦合驱动电路的原理电流源为由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。(b)射极耦合LD驱动电路电流源I0 v1 LDIb-Ue UinUb光发射机自动功率控制射级耦合驱动电路的
6、原理 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主要功能：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d。自动功率控制（APC）光发射机自动功率控制(b)射
7、极耦合LD驱动电路电流源I0 v1 LDIb-Ue UinUbV12N3392V22N3392LDR615kR515k-U1UinIbR41kR31kR15kR25k-U2C10.1ufC20.1uf123U1:A4041光发射机自动功率控制主要功能：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d。自动功率控制（APC）光发射机自动功率控制APC的调节方式一 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
8、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d的变化，一般d 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比较放大器A2可调直流参考电压设计框图比较放大器A3电流源PIN检测调制LD发光数字信号A1放大器光发射机自动功率控制比较放大器A2可调直流参考电压设计框图比较放大器A3电流源PIN检测调制LD发光数字信号A1放大器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
9、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光电二极管光发射机自动功率控制比较放大器A2设计框图比较放大器A3电流源PIN检测调制LD发光数字信号A1放大器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。光发射机自动功率控制自动功率控制电路图+-A1A2A3PDLDV1V2-U直流参考信号参考-U光发射机
10、自动功率控制32674A1AD8001A32674A3AD8001A32674A2AD8001AR9100kR10100kR820kR1315kR12100kR1150kR15100kR14100kR1650kC1330nQ32N3392Q12N3392Q22N3392PIND1R7100kL118uR515kR615kD1DIODED2DIODER19100kUEEUEEC25uFC30.01uFC40.01uFRV1200KUinR4100R3100R150kR250k-U2C10.1ufC20.1uf01U2PLD 12 e-U112U1:A74LS14反向积分混合滤波升压Demodul
11、atorIRL1IRLINK光发射机自动功率控制32674A1AD8001A32674A3AD8001A32674A2AD8001AR920kR1010kR85kR1315kR125kR115kR1530kR14100kR1610kC3330nV32N3392V12N3392V22N3392PIND1R7100kL118uR515kR615D1DIODED2DIODER19100k-UEEUEEC45uFC50.01uFC60.01uFRV120KUinR41kR31kR15kR25k-U2C10.1ufC20.1uf-U1123U1:A4041123U2:A4041偏置电流Ib调制电流Im直
12、流偏移电流Ib和调制电流Im共同作用使LD发光光发射机自动功率控制32674A1AD8001A32674A3AD8001A32674A2AD8001AR920kR1010kR85kR1315kR125kR115kR1530kR14100kR1610kC3330nV32N3392V12N3392V22N3392PIND1R7100kL118uR515kR615D1DIODED2DIODER19100k-UEEUEEC45uFC50.01uFC60.01uFRV120KUinR41kR31kR15kR25k-U2C10.1ufC20.1uf-U1123U1:A4041123U2:A4041PIN检
13、测电流下降电流并联负反馈光发射机自动功率控制32674A1AD8001A32674A3AD8001A32674A2R920kR1010kR85kR1315kR125kR115kR1530kR14100kR1610kC3330nV32N3392V1V2PIND1R7100kL118uR515kR615D1DIODED2DIODER19100k-UEEUEEC45uFC50.01uFC60.01uFRV120KUinR41kR31kR15kR25k-U2C10.1ufC20.1uf-U1123U1:A4041123U2:A4041长连“0”或无信号“0”“1”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
