Tài liệu Soạn giáo trình môn Kỹ Thuật Truyền Thanh, chương 26 ppt

20 439 0
Tài liệu Soạn giáo trình môn Kỹ Thuật Truyền Thanh, chương 26 ppt

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Chương 26: TIA LASER,CỤM QUANG HỌC VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI RF 1. Tia Laser :(Laser bán dẫn). Tên gọi Laser là do thuật ngữ tiếng Anh “Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation” : Khuếch ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Như vậy Laser là sự phát đi những bức xạ điện từ được kích thích, những bức xạ này trong vật liệu của dụng cụ do sự phát xạ các bức xạ cưỡng bức. Nguyên lý làm việc của laser bán dẫn dựa trên cơ sở 3 quá trình vật lý sau: hấp thụ,bức xạ tự nhiên và bức xạ cưỡng bức như hình 9-6. Hình 9-6: Sự quá độ của nguyên tử từ trạng thái đầu (I) sang trạng thái cuối (II) trong các quá trình : (a) Hấp thụ (b) Bức xạ tự nhiên (c) Bức xạ cưỡng bức Giả sử rằng có 2 trạng thái năng lượng là trạng thái đầu (E 1 ) và trạng thái cuối (E 2 ). Gọi trạng thái đầu là trạng thái cơ sở và trạng thái thứ hai là trạng thái kích thích. Như vậy, sự chuyển trạng thái của nguyên tử giữa 2 trạng thái này theo đònh luật Planck nhất đònh phải xảy ra hiện tượng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng với nâng lượng : h.  12 = E 1 - E 2 Trong đó : h là hằng số Planck.  12 là tần số ánh sáng bức xạ. E2 E1 E2 E1 E2 E1 II I h  12 h  12 h  12 (a) (b) (c) h  12 h  12 Ở nhiệt độ bình thường hầu hết các nguyên tử nằm ở vò trí cơ sở (E 1 ). Khi hấp thụ photon, những nguyên tử này sẽ biến đổi trạng thái. Nguyên tử được hấp thụ một năng lượng là h.  12 và nhảy lên mức kích thích có năng lượng là E 2 . Trạng thái kích thích này là một trạng thái không ổn đònh, sau thời gian kích thích ngắn, nếu nguyên tử không nhận được sự kích thích từ bên ngoài nào khác chúng sẽ nhảy ngay về trạng thái ban đầu E 1 và giải phóng một năng lượng h. 12 . Quá trình này gọi là quá trình bức xạ tự nhiên. Nếu như photon có năng lượng h  12 tác dụng vào những nguyên tử đã nằm ở vò trí kích thích E 2 làm nó trở lại trạng thái cơ sở E 1 và phát ra năng lượng bằng h  12 . Đó là hiện tượng bức xạ cưỡng bức. Sự bức xạ cưỡng bức là nguyên lý cơ bản của hoạt động của Laser bán dẫn. Khi trong bán dẫn số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái cơ bản có thể nói bán dẫn ở trạng thái kích thích. Nếu bán dẫn ở trạng thái kích thích thì trong nó có nhiều photon kích thích mang năng lượng h  12 , do đó có hiện tượng bức xạ cưỡng bức như hình 9-6c. Vì những lý do trên đây, số lượng photon phát ra từ những bán dẫn bò kích thích lớn hơn nhiều các bán dẫn hấp thụ. Hiện tượng này gọi là khuếch đại lượng tử và đó cũng là nguyên lý làm việc cơ bản của Laser bán dẫn. Hiện tượng bán dẫn bò kích thích được giải thích bằng giản đồ năng lượng trên hình 9-7. Hình 9-7: Sự phụ thuộc của nồng độ trạng thái vào năng lượng trong bán dẫn thuần. Trong trường hợp bán dẫn ở trạng thái cân bằng T = 0K, tất cả các mức năng lượng trong vùng dẫn đều bỏ trống và các mức năng lượng E E E N(E) N(E) N(E) E FN E FN E FP E FP T>0K T=0K T=0K Ec Etr Eg trong vùng hóa trò bò chiếm đầy. Khi bán dẫn ở trạng thái kích thích,nhiệt độ ở 0K, trong vùng hóa trò các mức năng lượng kể từ mức chuẩn Fecmi E FP trở lên bỏ trống còn trong vùng dẫn các mức năng lượng kể từ mức chuẩn Fecmi E Fn trở xuống đều bò chiếm đầy. Trong những trường hợp như vậy các photon có mức năng lượng thỏa điều kiện :  Eg < h <(E Fn - E Fp ) Trong trường hợp bán dẫn bò kích thích, nhưng nhiệt độ T>0K thì mật độ trạng thái lỗ trống trong vùng hóa trò và mật độ trạng thái bò chiếm đầy trong vùng dẫn mở rộng ra. Hình 9-8: Mô hình vùng năng lượng chuyển tiếp PN Laser (a) Khi chưa phân cực (b) Khi phân cực thuận U   Egq (vùng gạch chéo chỉ mức năng lượng bò chiếm đầy) Những chuyển tiếp PN dùng làm Laser bán dẫn thường được pha tạp nhiều tới mức Fecmi nằm sâu trong đáy vùng dẫn phía bán dẫn N và sâu vào đỉnh vùng hóa trò phía bán dẫn P như hình 9-8. Khi phun các hạt dẫn vào miền N và P của chuyển tiếp này sẽ xảy ra hiện tượng tái hợp. Quá trình tái hợp này gây ra sự phát xạ lượng tử một cách ngẫu nhiên cả về thời gian lẫn không gian. Năng lượng của chúng phân bổ trong một khoảng rộng và phụ thuộc vào mức phun hạt dẫn. Trong số những photon bức xạ từ miền hiệu dụng của chuyển tiếp PN có những photon đi theo hướng song song với mặt phẳng của chuyển tiếp PN, cho nên nó lưu lại trong vùng bán dẫn bò kích thích của chuyển tiếp PN tương đối dài. Những photon này kích thích điện tử và có thể gây ra sự bức xạ cưỡng bức. Cường độ bức xạ này tăng lên khi mức độ phun hạt dẫn tăng lên. Điều kiện để có sự khuếch đại bức xạ là : P Ec Ev N qU E FP E FN E F (a) (b) Miền chiếm đảo E Fn - E Fp > h = E 1 - E 2 Trong đó : E 1 và E 2 là 2 chức năng lượng tử di chuyển khi bức xạ. Sự bức xạ cưỡng bức xảy ra mãnh liệt nhất ứng với các photon có tần số được khuếch đại cực đại. Bởi vậy, sự bức xạ ở tần số này chiếm ưu thế khi tăng mức độ phun hạt dẫn vào chuyển tiếp PN. Đặc tuyến bức xạ của Laser có dạng như hình 9-9. Hình 9-9: Đặc tính bức xạ của Laser bán dẫn GaAs. (a) Dòng nhỏ. (b),(c) Dòng lớn. Để có được hiện tượng Laser, ngoài sự bức xạ cưỡng bức ra cần có hệ thống khuếch đại bức xạ cộng hưởng có phản hồi dương. Trong thực tế Laser bán dẫn thường dùng chuyển tiếp PN có dạng dao động cộng hưởng Fabry - Perot. Chuyển tiếp PN có dạng khối chữ nhật. Hai mặt bên vuông góc với chuyển tiếp PN là 2 mặt phẳng gương, hai mặt phẳng bên còn gọi là hai mặt mờ. Bộ dao động cộng hưởng này không những có khả năng thực hiện điều kiện phản hồi dương, phản xạ một phần tia bức xạ từ mặt gương ở vò trí đối diện mà còn cho bức xạ theo một hướng nhất đònh. Dòng điện chảy qua chuyển tiếp PN làm cho số photon phát xạ đủ lớn kích thích dao động trong bộ cộng hưởng gọi là dòng ngưỡng. Mật độ dòng cung cấp cho Laser rất lớn, cho nên một vấn đề hết sức quan trọng là là dẫn nhiệt khỏi chuyển tiếp PN để đảm bảo cho chuyển tiếp PN không bò phá hủy khi Laser làm việc. Vấn đề tản nhiệt là vấn đề rất quan trọng trong cấu trúc của Laser bán dẫn. 2. Cụm quang học: c b a T=77K GaAs  (  m) Cường độ bức xạ a. Cấu tạo thực tế của cụm quang học: Các thuật ngữ dùng trên hình 9-10: Focus coil : Cuộn hội tụ. Tracking coil : Cuộn tracking. Objective len : Vật kín. Permanent magnet : Nam châm vónh cửu. Beam splitter : Bộ tách tia. Cylindrical len : Thấu kính hình trụ. Photo detector : Bộ nhận diện quang. Hình 9-10 : Cấu tạo thực tế của cụm quang học b. Đường đi chùm tia sáng trong cụm quang học: Chùm tia Laser với bước sóng  = 780nm được tạo ra từ Diode Laser, được giữ ổn đònh cường độ sáng nhờ mạch APC, có 3 dạng mạch APC (Automatic Power Control) : Dạng mạch APC nằm dưới mạch in chỉ nối lên cụm quang học với Diode Laser và Monitor Diode. Dạng APC nằm trên cụm Packup (quang học ) và trong các máy CD đời mới toàn bộ mạch APC nằm chung cụm Packup chỉ sử dụng công nghệ SMT (công nghệ dán bề mặt). Chùm tia Laser qua lưới tán xạ, sau đó phân thành 3 tia với một tia chính để đọc tín hiệu và nhận dạng độ hội tụ. Hai tia phụ dùng để xác đònh vò trí đường track tạo tín hiệu chỉnh tracking. Ba tia Laser được đi qua một bán lăng kính hoặc lăng kính tách tia (phân tia ). Sau đó 3 tia đi qua hệ thống thấu kính và đến thấu kính hội tụ, thấu kính này dòch chuyển theo phương thẳng đứng để điều chỉnh độ hội tụ của tia Laser ở mặt dưới của đóa thông qua cuộn hội tụ. Sau khi rọi vào các track ở mặt dưới của đóa, nó nhận dạng lỗ pit và phần không lỗ (plat) tượng trưng cho các giá trò nhò phân (0/1) mã hóa âm thanh. Ba tia phản hồi đi ngược lăng kính và đổi phương 90 0 qua hệ thống thấu kính và hội tụ trên dải Photo Diode. Trong kiểu ba tia, ta sử dụng 6 diode. 4 diode cho việc đọc tín hiệu thông tin và điều chỉnh hội tụ, 2 diode cho việc điều chỉnh tracking. L Đóa T.A.C TER T.A.C Tia Laser Hình 9-11 : Đường đi chùm tia sáng trong cụm quang học T.A.C : Tracking Attentation Coil: Cuộn Tracking. TER : Tracking Error : Lỗi Tracking Trong chùm tia rọi lên mặt đóa, tia chính thì rọi vào tracking đang đọc, hai tia phụ rọi vào khoảng trống giữa các track. Tia chính đi qua lăng kính rọi vào 4 Photo Diode nằm ở giữa tạo tín hiệu cung cấp cho : Tín hiệu âm thanh dưới dạng số mã hóa để đưa đến mạch giải mã tái tạo lại âm thanh. Đường thư hai đi đến mạch Auto Focus ( Tự động điều chỉnh độ hội tụ ) tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng sao cho chùm tia được hội tụ trên mặt đóa. Hai tia phụ qua bán lăng kính rồi tới Photo Diode TRA và TRC tạo ra 2 tín hiệu cấp cho mạch so sánh và mạch tạo điện áp sai lệch tracking TER. Sau đó TER được cấp cho mạch thúc (driver) tạo dòng chạy trong cuộn tracking (TAC) làm dich chuyển vật kính theo chiều ngang. c. Diode Laser và Diode tách quang: - Sơ đồ và hiệu: Khối Laser Packup bao gồm 4 cảm biến A,B,C,D dùng để cấp cho khối RF-Amp. Hai cảm biến E và F dùng để nhận diện Tracking. Diode giám sát MD có nhiệm vụ nhận diện cường độ tia Laser cung cấp cho khối APC (Automatic Power Control) Tự động điều chỉnh cường độ tia sáng, mạch APC căn cứ vào tín hiệu từ MD đưa tới mà mạch APC đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp. L E BA D C F LD MD Cuộn hội tụ Cuộn Tracking Đến mạch RF_Amp Đến mạch lái Focus Đến mạch lái Tracking Đến mạch APC L Hình 9-12 : Sơ đồ hiêu khối Laser Packup. - Mạch APC : Automatic Power Control: (Tự động điều chỉnh công suất) Diode Laser sử dụng trong máy CD là loại Diode bán dẫn có công suất bức xạ khoảng 3nW, để tạo ra chùm tia Laser có cộng suất vừa đủ và ổn đònh. Người ta sử dụng mạch APC điều khiển Diode Laser. Mạch APC có nhiệm vụ giữ dòng điện qua Diode Laser là không đổi. Mạch có thể sử dụng transistor rời hoặc IC. Hình 9-13 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch APC sử dụng transistor. Hiình 9-13 : Mạch APC dùng transistor. Chức năng của các bộ phận: Q 4 : Cấp dòng cho Diode Laser. P LDON                    R3 R2 R4 R7 R8 C2 C3 Q2 - 5V R6 R9 Q1 Q3 Q4 R6 R5 C1 LD MD LDON : Lệnh mở nguồn cung cấp cho Diode Laser, lệnh này từ khối vi xử lý tới. Khi đường tín hiệu này ở mức cao Diode Laser không được cấp dòng và ngược lại khi đường lệnh này xuống mức thấp Diode Laser sẽ hoạt động. MD : Monitor Diode : (Diode giám sát) có nhiêm vụ nhận tín hiệu ánh sáng từ Diode Laser để thay đổi cường độ dòng điện qua khối Laser Diode. LD : Laser Diode : Cấp nguồn ánh sáng cho cụm quang học, ánh sáng này phải được hội tụ lên bề mặt của đóa. Hoạt động của mạch như sau: Khi chân LDON ở mức thấp (0V), Q 3 dẫn, dòng phân cực từ mass qua Q 3 . R 6 và R 4 phân cực cho Q 1 và Q 2 . Khi Q 3 dẫn làm cho Q 2 dẫn theo, dòng qua R 5 tăng. V E của Q 1 tăng làm làm cho Q 1 dẫn, dòng qua R4 tăng, dẫn đến điện áp tại cực B của Q 4 tăng, Q 4 dẫn cấp dòng cho Diode Laser. Nguyên lý ổn dòng qua Diode Laser: Khi ánh sáng từ Diode Laser phát ra quá mạnh làm cho Diode giám sát MD dẫn mạnh, điện áp V B của Q 1 tăng (ít âm hơn), Q 1 dẫn yếu, điện áp rơi trên 2 đầu R 4 thấp, Q 1 tiếp tục dẫn yếu làm cho dòng qua Diode Laser giảm xuống. Khi ánh sáng từ diode laser phát ra yếu, Diode giám sát MD dẫn yếu làm cho transistor Q 1 dẫn mạnh, dòng qua Diode Laser sẽ tăng lên. Như vậy dòng điện qua Diode Laser luôn được ổn đònh. Hiện nay, mạch APC còn được bố trí trên cụm quang học hoặc ở board mạch bên ngoài. Mạch này có thể đóng trong một IC cùng với các chức năng khác nhau hoặc được bố trí trên một IC riêng biệt. Hình 9-14 trình bày cấu trúc tổng quát của mạch APC. Cuộn hội tụ Cuộn Tracking E Hình 9-14 : Cấu trúc tổng quát của mạch APC. d. Mạch bảo vệ mắt khi khay ở ngoài. Khi khay chứa ổ đóa ở bên ngoài (open), để bảo vệ mắt không bò làm hỏng do tia Laser gây ra, người ta sử dụng mạch ngắt nguồn cung cấp cho Diode Laser, quá trình này thực hiện như sau: Khi đóa chưa được nạp vào (vò trí open), khóa điện sẽ báo tình trạng của khay (Tray SW) đưa một mức logic vào vi xử lý. Vi xử lý căn cứ vào mức logic này mà điều khiển SW cấp nguồn cho cho Diode Laser ở vi trí “off”. Khi đóa được nạp hẳn vào trong máy, khóa báo tình trạng của khay (Tray SW) đổi trạng thái, đưa một mức logic ngược lại với trường hợp khay ở ngoài vào vi xử lý, vi xử lý ra lệnh cấp nguồn cho Diode Laser. Hình 9-15 trình bày sơ đồ khối của mạch bảo vệ mắt khi khay ở bên ngoài. [...]... (Monitor Diode ) dẫn mạnh, áp tại ngõ ra bớt âm hơn (V- ít âm hơn ), làm cho điện áp ngõ ra Vout tăng lên, Q dẫn yếu lại, làm giảm dòng qua Diode Laser 3 Khối RF-Amp: 3.1 Sơ đồ khối tổng quát : Hình 9-17 trình bày sơ đố khối tổng quát của mạch RF-Amp Tách quang B+D A Mạch chuyển đổi I/V Chỉnh hội tụ B Action D Sửa dạng sóng Ngõ ra EFM C A+C Mạch chuyển đổi I/V Sửa hình học Hình 9-17 : Sơ đồ khối mạch RF-Amp... Photo Diode được tạo ra nhờ mạch chuyển đổi I/V thành một tín hiệu đơn Tín hiệu này là một chuỗi các dạng sóng từ 3T đến 11T và được gọi là biểu đồ mắt Mạch cộng người ta thường sử dụng là mạch khuếch đại thuật toán Op-amp như trên hình 9-18 Điện áp ngõ ra được xác đònh theo biểu thức sau: V0  Va Va Vb V Rf Rf Rf  Vb  Vc + Ra Rb Rc Ra Rb Rc Rf + - V0 Hình 9-18 : Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cộng Sửa... Việc đònh dạng tín hiệu CD được thiết kế sao cho có phần lỗ và phần không lỗ có độ dài như nhau (thời gian mức 0 bằng thời gian mức 1) Chu kỳ nhiệm vụ lý tưởng của RF là 50% Tuy nhiên, trong thực tế quá trình tạo ra tín hiệu CD chiều dài lỗ bò phân tán khoảng 20% Do đó, mạch sửa hình học phải thực hiện hiệu chỉnh sao cho chu kỳ nhiệm vụ là không đổi và khoảng 50 % bất chấp sự phân tán 3.2 Phân tích một... được lấy ra nhờ mạch khuếch đại Trong đó tín hiệu RF được lấy ra tại chân (18), tín hiệu FE lấy tại chân (13), tín hiệu TE lấy tại chân (12) của Ic M52103FP 3.2.2 Mạch RF-Amp dùng IC CXA081M Hình 9-21 trình bày sơ đồ khối của IC CXA1081M Hình 9-21 : Sơ đồ mạch RF -Amp sử dụng IC CXA1081M Hình 9-22 : Sơ đồ mạch APC và RF-Amp sử dụng IC CX1081M Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch: Mạch APC: Mạch... sáng Laser Mạch RF-Amp: 58K  75   + A C  - RFO 66 OP-AMP1 B D OP-AMP3 R1 + 58K R3  74  - Photo Detector R2  + OP-AMP2  67 RF Hình 9-24 : Sơ đồ nguyên lý mạch RF-Amp bên trong IC KA9220 Hình 9-24 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại RF trong IC KA9220, từ hình vẽ ta thấy: Op-amp1 và Op-amp 2 : Là bộ chuyển đổi I/V Op-amp 3 : Mạch cộng điện áp Ngõ ra RF là chân (66) Tacó : V1 = -58K.IPD1 . Chương 26: TIA LASER,CỤM QUANG HỌC VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI RF 1. Tia Laser :(Laser bán dẫn). Tên gọi Laser là do thuật ngữ tiếng Anh “Light. bức xạ này trong vật liệu của dụng cụ do sự phát xạ các bức xạ cưỡng bức. Nguyên lý làm việc của laser bán dẫn dựa trên cơ sở 3 quá trình vật lý sau: hấp

Ngày đăng: 21/01/2014, 21:20

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan