光發射機電路仿真

鄭勉，鄭光明，孫曉玲，李偉勤，陳濤

（西南石油大學電子信息工程學院，四川成都610500）

光發射機作為光纖通信系統重要組成部分之一，研究其構成、特點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射機電路進行仿真的方法，該仿真方法可獲得關鍵元件的實驗數據資料，為光發射機電路設計提供指導和參考優化值。

圖1 系光發射機組成框圖Fig.1 Black diagram of Optical transmitter

1 光發射機及其各模塊電路

光發射機是在發射端將電信號轉換成適合于在光纖中傳輸的光信號。光源是光發射機的主要器件，但僅有光源是不能構成發射機的，光發射機還包括輸入接口、激光二極管（LD）驅動電路、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脈沖信號進行整形，變換成NRZ/RZ碼后通過驅動電路調制光源（直接調制）或送到光調制器調制光源，輸出連續光波（外調制）。驅動電路給光源一個預偏置電流。為穩定輸出的平均光功率和工作溫度，通常設置一個自動功率控制及自動溫度控制電路。光發射機中的報警電路是對光源壽命及工作狀態進行監測與報警。LD的溫控電路用于穩定平均功率和工作溫度。

1.1 LD驅動電路

驅動電路將電信號轉化成光信號，將要傳輸的電信號調制到光源的輸出。LED的驅動電路比較簡單，而在較高速率下采用LD驅動電路可能變得相當復雜。無論是LED還是LD，一般都需要在一定的注入電流下進行調制[2]，因此驅動電路應該能對光源同時提供偏置電流和隨信號變化的調制電流。

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

圖2 LD驅動電路原理圖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構成一個恒流源，向LD提供調制電流，晶體管VBG1和VBG2構成對LD調制電流的開關電路，VBG2的基極加有固定的參考電壓VBB，當輸入為“0”碼時，VBG1的基極電位比VBB低，因此VBG1截止而VBG2導通，是恒流源通過VBG2流過LD而發射出光脈沖；反之，當輸入信號為“1”碼時，VBG1的基極電位比VBB高，因此VBG1導通而VBG2截止，不發出光脈沖，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

為了穩定激光器的輸出功率，需要在發射機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。可能引起激光輸出功率變化的因素是芯片溫度變化和激光器老化效應。

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行比較后，送到集成運算放大器的反向輸入端，另一方面再生信號電壓通過調節R2后送到集成運算放大器的同相輸入端，集成運算放大器和晶體管VQ1組成可自動調節的恒流源向LD提供直流偏置，偏流的大小可由直流參考電壓的調整而進行預置。該APC電路可以保證在輸入信號為“1”碼時，激光器發出強度恒定的“1”碼；而當輸入信號為“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

導體激光器的輸出特性受溫度影響很大，當溫度發生變化（包括環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]和光譜特性都要發生變化，因此在光發射機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，在實用的半導體激光器封裝中，都帶有一個半導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電路實現對激光器工作溫度的穩定。

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構成感溫電橋，該電橋對角兩端連接到運算放大器A的差動輸入端，運算放大器A的輸出端連接到半導體三極管VQ1的輸入端，VQ1的發射級連接有致冷器。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體制成的，當其通以直流電流時，則一端吸收致冷（稱為冷端），另一端放熱（稱為熱端）。半導體致冷器的致冷量大小與其通過的直流電流成正比關系。熱敏電阻Rt測量LD管芯的溫度。圖4中選用負溫度系數的熱敏電阻，即熱敏電阻Rt的阻值大小與所測量的溫度成反比。熱敏電阻的阻值計算公式為：

式中，R25為25℃的電阻值，α溫度系數。

感溫電橋的平衡條件是：R1Rt=R2R3，此時Va=Vb。即在平衡條件下，感溫電橋對角兩端電位相等。ATC電路在使用前，要先確定標準工作狀態，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Va=Vb時，運算放大器A無差動信號輸入，因而運算放大器A無輸出電壓，以致VQ1無足夠射極電流Ie，所以25℃狀態下致冷器不致冷。

標準工作狀態確定后，實際使用時的控制過程是：當LD管芯溫度超過25℃時，則熱沉溫度也隨之上升超過25℃，導致電阻Rt減少，使電位Vb下降，以致運算放大器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。因為激光器的設計與制造工藝已經非常成熟，而閾值電流可以降到幾mA甚至更低。因此熱源很小，再加上器件結構有利溫度穩定，所以不用致冷。即使環境溫度有變化，激光器也能有良好的工作狀態。省去溫控電路既可降低成本又可提高工作的可靠性，因而是未來發展方向。

1.4 慢啟動與限流保護電路

完整的光發射機除了上述基本電路外，還應包括告警電路與保護電路。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。當信號中斷、激光器失效或電路出現故障而造成光信號中斷時，發射機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，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，一般認為偏置電流Ib從最初的閾值Ith附近增大到約1.5Ith時，應該發出壽命告警，警告使用者，激光器已接近其使用壽命，應該更換新的激光器。如果激光器的溫度超過正常工作溫度±5℃，發射機應能給出溫差過大警告，并關掉激光器的偏置電流以免激光器損壞，待檢查故障，發射機正常后再重新手動開機。對于激光器的偏置電路，還應該具有慢啟動功能和限流保護措施，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給出實現這兩種功能的電路。

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，經過一定的時間延遲后，電路才達到穩定狀態，對激光器提供設定的偏置電流。晶體管VBG2起到對偏置電流的限制作用，當Ib較大時，電阻R2上的壓降使得VBG2導通從而對Ib進行限制。

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

2 光發射機各組成電路仿真

2.1 LD驅動電路

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找一個與LD器件內阻等效的電阻來代替。圖6中的LD器件的閾值電流為90 mA，預偏置電流Ib=80 mA（由預偏置電路供給）。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，以達到開關電路的效果。

圖6 LD驅動電路仿真電路圖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半導體激光器發出激光脈沖。反之，當電脈沖信號為“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導通，VQ2截止，調制電流經VQ1流向地。流過LD半導體激光器的電流只有偏置電流低于閾值電流，因而LD不發出激光脈沖。

2.2 自動功率控制（APC）電路

分析APC電路原理圖得知，直流參考是通過調節R1控制預偏置電流Vb。而調節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行分析）。

當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的取值計算過程如下：運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算出VQ1的基極電流和基極電壓，進而得出運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的變化值計算出VQ1的基極電壓和基極電流。進而確定運算放大器的輸出電壓Uo。又由于信號是施加在運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）電路仿真與參數計算

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。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。這就無法驅動VQ1，使其導通，致冷器不起任何作用。所以圖9中所給出的是當LD的溫度升高之后的仿真現象。當LD溫度發生變化時，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半導體激光器的溫度下降到正常水平，達到保護LD的作用。

2.4 慢啟動與限流保護電路

由于慢啟動和限流保護電路是相當于APC電路的后續部分，因而原理圖中的運算放大器就直接用電源和電阻等效仿真。其中關鍵的器件是VQ1，由于VQ1要通過R2電阻上的壓降來進行導通，所以R2的取值相當重要。在圖10中R1用滑動變阻器動態獲得VQ1所需的基極驅動電壓。最終采用的是當R1的阻值取10 kΩ時所得的基極電壓-3.18 V來驅動VQ1，使其導通。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導通后，R2通過流經的發射極電流獲得小于1 V的壓降。VQ2則通過R2上的壓降使其導通，從而使得流過R1的電流分別流向VQ1和VQ2兩部分，實現分流。這就使得VQ2集電極的電流為81.9 mA，達到降低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，于是可以計算出R2的阻值為7.5 Ω。

圖10 無VQ1時的慢啟動和限流保護仿真圖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仿真圖Fig.11 Laser slow starter and current limiting protection simulation diagram withVQ1

3 結束語

通過在Multisim 9中分別對LD驅動電路、APC電路、ATC電路及慢啟動與限流保護電路進行仿真，獲得了光發射機各組成電路中的關鍵元器件參數。各組成電路中關鍵元器件的具體參數如下：1）LD驅動電路中的關鍵元器件為：LD半導體激光器，其閾值電流為80 mA;2）APC電路中的關鍵元器件為：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）慢啟動與限流保護電路中的關鍵元器件為：三極管VQ1和R2，其中R2的取值為7.5 Ω。

本文研究了光發射機電路中的射頻耦合驅動、自動功率控制、自動溫度控制以及慢啟動與限流保護等模塊電路，給出了各電路中關鍵元器件的實驗數據參數資料，為實際光發射機電路設計提供指導和參考優化值。

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