ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕДАТЧИК
OPTICAL TRANSMITTER

Изобретение относится к аналоговой оптической связи и может быть использовано для передачи аналоговых сигналов в условиях помех от работы мощных импульсных электрофизических установок, а также для передачи аналоговых сигналов на дальние расстояния (несколько километров).
Для указанных задач применяются волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) с амплитудной модуляцией.
Сигнал напряжения преобразуется передающим оптическим модулем (ПОМ) в световой сигнал с амплитудной модуляцией интенсивности, который передастся по оптическому волокну и затем преобразуется приемным оптическим модулем (ПРОМ) в пропорциональный выходной сигнал напряжения.
Основной вклад в нелинейность ВОСП с амплитудной модуляцией вносят ПОМ. Входящие в состав ПРОМ фотоприемники, преобразующие световой сигнал в пропорциональное выходное напряжение практически не вносят нелинейных искажений в передачу сигнала, так как обычно используют фотодиоды, характеристики которых линейны в широком диапазоне фототоков.
Амплитудная модуляция в волоконно-оптических каналах осуществляется изменением тока излучателя. Полупроводниковые излучатели, в качестве которых могут использоваться как светодиоды, так и суперлюминесцентные и лазерные диоды, обладают существенно нелинейной зависимостью излучаемой мощности от тока через диод.
Из уровня техники известен оптический передатчик, использующий компенсацию нелинейности полупроводникового излучателя при помощи предыскажения (патент US 5373384, опубликован 13.12.1994).
Входной сигнал напряжения поступает к полупроводниковому излучателю через схему формирования предыскажения, служащую для улучшения линейности отклика излучателя. Схема формирования предыскажения содержит П-образный аттенюатор, состоящий из резисторов и нелинейного компенсирующего элемента, представленного Шоттки-диодом, соединенным параллельно с одним из резисторов аттенюатора.
Недостатком этого оптического передатчика является невозможность передачи постоянной составляющей сигнала из-за использования разделительного конденсатора между схемой формирования предыскажения и излучателем. Другим недостатком данной схемы является нелинейный характер входного сопротивления схемы формирования предыскажения, требующий использования дополнительной буферной схемы на входе.
Наиболее близким устройством является оптический передатчик (авторское свидетельство SU 1835608, опубликовано 23.08.93).
Данный оптический передатчик содержит полупроводниковый излучатель и схему линеаризации, использующую усилитель с дифференциальным входом и буферным каскадом, охваченный обратной связью (ОС) по току излучателя с целью повышения линейности модуляционной характеристики (зависимости оптической мощности передатчика от подаваемого на его вход напряжения).
Неинвертирующий вход усилителя является входом передатчика, инвертирующий вход усилителя соединен с катодом полупроводникового излучателя через цепь обратной связи, выполненной по схеме делителя напряжения, причем верхнее плечо делителя образовано резистором и подключено к катоду излучателя, нижнее плечо делителя, образованное входным сопротивлением инвертирующего входа усилителя, подключено к общей шине, выход усилителя через буферный каскад соединен с анодом полупроводникового излучателя.
Данный оптический передатчик имеет ограниченные возможности для линеаризации модуляционной характеристики: в нем используется только линейная ОС по току, которая обеспечивает линейную зависимость исключительно тока излучателя от входного сигнала напряжения. Однако мощность излучения различных типов излучателей может нелинейно зависеть от тока через излучатели, поэтому задача повышения линейности характеристики передатчика здесь решается в недостаточной степени. При этом ограничивается диапазон с линейной зависимостью мощности передатчика от входного напряжения.
В предлагаемом изобретении решалась задача создания передатчика с расширенным линейным динамическим диапазоном и возможностью использования любого типа излучателя (светодиод, суперлюминесцентный диод, лазерный диод).
Техническим результатом заявляемого устройства является расширение линейного динамического диапазона оптического передатчика и, соответственно, улучшение достоверности передачи устройством формы аналогового сигнала.
Технический результат достигается тем, что в оптическом передатчике, содержащем полупроводниковый излучатель, усилитель с дифференциальным входом, неинвертирующий вход которого является входом передатчика, инвертирующий вход усилителя соединен с одним из выводов полупроводникового излучателя через цепь обратной связи, выполненную по схеме делителя напряжения, причем верхнее плечо делителя подключено к одному из выводов излучателя, нижнее плечо делителя подключено к обшей шине, выход делителя подключен к инвертирующему входу усилителя, выход усилителя через буферный каскад соединен с одним из выводов полупроводникового излучателя, новым является то, что, по меньшей мере, одно из плеч делителя имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, компенсирующую нелинейность зависимости выходной мощности от тока полупроводникового излучателя.
Для достижения технического результата плечи состоят из одной или нескольких ветвей, содержащих, по меньшей мере, один нелинейный элемент.
Для достижения технического результата, по меньшей мере, в одну из ветвей включен источник напряжения и/или резистор.
Для достижения технического результата, в качестве нелинейного элемента выбран полупроводниковый диод.
Цепь ОС передатчика выполнена в виде делителя напряжения, причем верхнее плечо делителя подключается к одному из выводов излучателя, а выход делителя подключается к инвертирующему входу усилителя. Выбор определенного вывода излучателя в качестве точки подключения цепи ОС определяется характером нелинейной зависимости мощности от тока используемого излучателя, при этом выбирается ОС либо по току излучателя, либо по напряжению на нем. Такая структура при условии применения нелинейных элементов в цепи ОС позволяет формировать различного вида зависимости тока излучателя от напряжения на входе передатчика (как с убывающим, так и возрастающим наклоном на разных участках). Диоды, источники напряжения и резисторы в ветвях цепей ОС позволяют создавать характерные точки перегиба характеристик и изменять наклон характеристик. В результате обеспечивается технический результат, не достижимый в прототипе, так как в последнем используется только линейная ОС. Важно отметить, что в данной структуре неинвертирующий вход усилителя используется в качестве входа передатчика, что позволяет обеспечить высокое входное сопротивление передатчика.
На Фиг. 1 и Фит. 2 изображены структурные схемы оптических передатчиков с подключением делителя ОС к разным выводам излучателя, где:
1 - неинвертирующий вход усилителя;
2 - усилитель с дифференциальным входом;
3 - буферный каскад;
4 - верхнее плечо делителя ОС по напряжению;
5 - полупроводниковый излучатель;
6 - нижнее плечо делителя ОС;
7 - верхнее плечо делителя ОС по току;
8 - оптический кабель;
9 - резистор задания начального смещения излучателя;
10 - резистор-ограничитель (датчик) тока излучателя.
На Фиг. 3 изображена структурная схема одного из плеч делителя. Плечо состоит из i параллельных ветвей, причем каждая ветвь может состоять из последовательно соединенных: диодной цепочки VDAn, содержащей j последовательно включенных диодов, резистора Rn и источника напряжения Un (i, j и n - натуральные числа). Для каждой ветви выбирается: наличие и полярность диодной цепочки, количество в цепочке диодов, наличие резистора Rn, наличие и полярность включения VDAn.
На Фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема передатчика на основе светодиодного излучателя.
см
Заявляемый оптический передатчик содержит полупроводниковый излучатель 5, усилитель 2 с дифференциальным входом, неинвертирующий вход 1 которого является входом передатчика. Выход усилителя 2 через буферный каскад 3 соединен с одним из выводов полупроводникового излучателя 5. Другой вывод излучателя 5 замыкается на общую шину через резистор-ограничитель 10. Верхнее плечо делителя ОС 4 или 7 включено между инвертирующим входом усилителя 2 и одним из выводов излучателя 5. Между инвертирующим входом усилителя 2 и общей шиной включено нижнее плечо делителя ОС 6. Резистор 9 и U задают начальное смещение излучателя. Излучатель 5 находится в оптическом контакте с оптическим кабелем 8.
Делитель напряжения в цепи ОС содержит нелинейный элемент.
Передатчик работает следующим образом. На неинвертирующий вход 1 подается сигнал напряжения. Разность напряжений на входах дифференциального усилителя 2 усиливается и через буферный каскад 3 подается на излучатель 5. Ток, протекающий через излучатель и резистор 10, вырабатывает на последнем напряжение, пропорциональное току через излучатель. Напряжение ОС снимается либо с выхода буферного каскада 3, либо с резистора 10, выполняющего роль датчика тока. Сигнал ОС поступает на инвертирующий вход усилителя 2: при ОС по напряжению на излучателе - через плечо ОС 4, а при ОС по току - через плечо ОС 7. Нижнее плечо делителя ОС 6 оказывает влияние на степень и характер воздействия упомянутых выше ОС. По меньшей мере, одно из плеч делителя имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, которая формируется при помощи схемы, приведенной на Фиг. 3. Нелинейные элементы в ОС обеспечивают необходимую коррекцию тока излучателя для достижения линейной зависимости оптической мощности излучателя в зависимости от входного напряжения передатчика. Например, для линеаризации характеристики суперлюминесцентного диода может потребоваться плечо ОС 7 с нелинейной вольт-амперной характеристикой, для светодиода - плечо ОС 6 с нелинейной вольт-амперной характеристикой, для лазера - возможно использование источников напряжения в плечах делителя. Для коррекции амплитудно-частотной характеристики передатчика в качестве линейных элементов в цепи ОС могут использоваться конденсаторы и катушки индуктивности.
В целях подтверждения осуществимости заявляемого устройства и достижения технического результата был изготовлен и испытан в лабораторных условиях макет передатчика. В схеме использован светодиодный излучатель HFBR1312T (BL1), работающий на 62,5 мкм оптический кабель. В качестве усилителя с дифференциальным входом выбран быстродействующий операционный усилитель AD8001AR (DA1). Буферный повторительный каскад выполнен на сверхвысокочастотном транзисторе КТ643А2 (VT1). Цепь ОС соединяет выход буферного каскада (эмиттер VT1) с инвертирующим входом DA1. Цепь ОС представляет собой делитель напряжения с верхним плечом делителя, состоящим из одной ветви с резистором R4. Между инвертирующим входом DA1 и общей шиной включено нижнее плечо, состоящее из последовательно включенных полупроводникового диода КД514А (VD1) и резистора R5, Резистор R3 обеспечивает начальное смещение излучателя. Во время работы передатчика, при достижении на инвертирующем входе напряжения, открывающего диод VD1. сопротивление нижнего плеча уменьшается, при этом коэффициент усиления в усилителе возрастает, компенсируя падение мощности BL1 на соответствующем участке характеристики. Таким образом, достигается линейность зависимости мощности передатчика от входного напряжения. Спад амплитудно-частотной характеристики передатчика компенсируется при помощи конденсатора С1 в нижнем плече ОС.
Передатчик по данной схеме использовался в помехоустойчивой быстродействующей (с полосой от 0 до 100 МГц) волоконно-оптической системе передачи аналоговых сигналов на мощных физических установках. Получена не достижимая в прототипе линейность оптической мощности излучателя в зависимости от входного напряжения передатчика лучше 2% во всем диапазоне рабочих мощностей.