Tớnh năng điều khiển của LED là điều khiển điện ỏp qua điụt và điều khiển điụt thụng hay khụng. LED bật khi phõn cực thuận lớn hơn điện ỏp và điot bắt đầu truyền ỏnh sỏng. Mạch điều khiển phải được thiết kế để tạo ra điện ỏp đủ lớn để điụt sẽ đạt cường độ mong muốn. Khi mạch điều khiển chuyển LED sang trạng thỏi tắt thỡ điện ỏp nờn điều chỉnh điot làm việc chớnh xỏc vỡ phải mất một khoảng thời gian để thụng điụt một lần.
Mạch điều khiển shunt đặt cỏc LED song song với đầu ra mạch điều chế. Mạch phải được thiết kế khộo lộo vỡ cỏc mạch điều khiển LED cũ cú điụt ghộp thành chuỗi và thời gian bật, tắt của tớn hiệu sẽ nhanh hơn nhiều. Đầu ra của mạch điều chế bao gồm cỏc transistor chuyển đổi tốc độ cao. Cỏc hạt mang nối với nhau trong chuyển tiếp của điụt sẽ được quột nhanh chúng qua kết nối shunt đến cỏc điện trở. Thực tế điot sẽ bật nếu điện trở ngừng dẫn điện và ngược lại. Mạch điều khiển shunt được đi kốm cựng với mạch AC coupling bao gồm điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Mạch được sử dụng để tăng độ bảo toàn tớn hiệu, giảm sự chập chờn, và giảm tỉ lệ tắt.
Sơ đồ nguyờn lý của mạch phỏt sử dụng MAX3967A như sau: (xem trang sau)
Mạch gồm cỏc khối như sau:
i. Khối nguồn
Tương tự như nguồn thiết kế mạch dựng MC2042, nguồn của mạch dựng MAX3967A cũng là nguồn 5V cấp cho IC điều khiển LED, LED và cỏc linh kiện được ổn ỏp từ nguồn cấp Acquy 7.2V hoặc Adapter 9V. Cỏc tụ và cuộn dõy đi kốm theo cú tỏc dụng chống nhiễu cho nguồn cấp.
ii. Khối điều khiển LED
Thành phần quan trọng nhất là IC điều khiển LED MAX3967A.
Giới thiệu chung
MAX3967A là driver LED cú thể lập trỡnh dựng cho bộ phỏt quang hoạt động ở tốc độ lờn đến 270 Mbps. Module chứa mạch điều khiển dũng tốc độ cao sẽ điều chỉnh cho điện ỏp LED phõn cực trước. Mạch chấp nhận đầu vào dữ liệu chuẩn PECL, và hoạt động với nguồn đơn từ 2.97 V đến 5 V.
Maxim thiết kế IC driver LED tốc độ cao 155 Mbps và thời gian tắt chậm hơn thời gian lờn. Điều này phụ thuộc vào sự thay đổi điện trở động trong điụt điều khiển dũng. Đồ thị mắt cho MAX3967A biểu thị tớn hiệu khỏ tốt với suy giảm nhỏ nhất, nhưng nếu tăng tốc độ thỡ gắn liền với cỏc vấn đề điện trở động.
Cỏc thụng số kỹ thuật của MAX3967A
- Nguồn cấp là nguồn đơn từ + 2.95 V đến + 5.5 V. - Gồm 24 chõn (thuộc loại linh kiện dỏn).
- IC cung cấp dũng điều chế 100mA.
Hỡnh 4 -7 Hỡnh minh họa MAX3967A [25] Sơđồ khối bờn trong của MAX3967A[25]
Đầu tiờn là khối tạo và điều chế dũng, cung cấp điều khiển biờn độ dũng điều chế. Biờn độ này được xỏc định bởi điện ỏp ở chõn MODFET và điện trở ngoài R của MODFET. Hơn nữa khụng kết nối tụ ký sinh ở chõn MODFET vỡ tụ ở chõn này
làm tăng nhiễu đầu ra tần số cao. Chõn MON cung cấp giao diện điều chế quang, dũng điện từ chõn MON bằng 1/96 lần dũng điều chế. Nếu sử dụng, chõn này nờn nối với VEE qua một điện trở sao cho điện ỏp qua MON khụng quỏ 1.1 V.
Thứ hai là bộ tạo dũng trước phõn cực. Điện ỏp trước phõn cực cú thể được ỏp dụng để cải thiện tốc độ thay đổi của LED. Bộ tạo dũng này tạo dũng điện chảy qua điện trở 78Ω ở tầng đầu ra, tạo điện ỏp trước phõn cực. Điện ỏp này cú thể điều chỉnh được bằng cỏch lựa chọn nối cỏc chõn PB1, PB2, PB3 đến VEE.
Thứ 3 là khối điều khiển điện ỏp ra làm cho dũng điều chế thay đổi và khuếch đại bởi tầng đầu ra. MAX3967A cú mạch bự bờn trong gồm 35 Ω và 12 pF. Mạch bự này cú thể thờm cỏc linh kiện ở giữa VCCOUT và OUT+Diodevà điện trở 5 V nối tiếp với đầu ra õm OUT- để giả làm tải LED ở OUT+.
Dũng đỉnh do điện trở tiền phõn cực cung cấp để cải thiện tốc độ thay đổi của LED, được tớnh theo cụng thức sau:
Ω − = 78 PREBIAS LED peak V V I Cỏch xỏc định cỏc linh kiện Chọn R1, R2 như hỡnh vẽ sau + R1 = R2 = 68 Ω + R3 = R4 = 180 với Vcc = 5 V + Tớnh điện trở ở chõn MON Từ đú: I Iđ c 1.1mA 96 100 96 1 / 7 = = ≈ Hỡnh 4 - 9 Cỏch mắc đầu vào MAX3967A
Ω = = − K R 1 10 . 1 , 1 1 , 1 3 7 + Tớnh Ipeak Với : VPREBIAS =0.4V V VLED =1.5 (ở nhiệt độ 250 C) Suy ra: 0.014 78 4 . 0 5 . 1 − = = peak I
Từ đú ta sẽ tớnh được biờn độ tớn hiệu đầu ra của dũng điện đi vào LED. Mạch in sau khi vẽ bằng phần mềm Proteus:
Hỡnh 4 - 11 Mạch in mặt dưới
Mạch thật sẽ cú hỡnh dạng như sau:
4.3.2.2. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MC 2042
Mạch gồm ba khối như sơ đồ nguyờn lý sau :
i. Khối nguồn 5V
Nguồn 5V cấp cho IC điều khiển LED, LED và cỏc linh kiện được ổn ỏp từ nguồn cấp Acquy 7.2V hoặc Adapter 9V. Cỏc tụ và cuộn dõy đi kốm theo cú tỏc dụng chống nhiễu cho nguồn cấp.
Hỡnh 4 - 14 Mạch nguồn 5 V
ii. Khối điều khiển LED (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
MC2042 là IC loại CMOS được thiết kế cho cỏc mạch điều khiển trong hệ thống sợi quang giỏ thấp, phụ thuộc vào LED sử dụng, tốc độ dữ liệu cú thể đạt được trờn 300 Mbps và cú cỏc đặc điểm sau:
- Gồm 16 chõn (loại chõn QSOP16).
- Hỗ trợ hầu hết cỏc loại LED (từ 600 đến 1300 nm) - Hoạt động ở điện ỏp đơn + 5V đến +3.3V.
Hỡnh 4 - 16 Cỏc khối bờn trong MC2042[23]
Bờn trong MC2042 gồm cú bốn khối chớnh.
Đầu tiờn là khối tạo điện ỏp VREF khụng sử dụng, chõn đầu ra VREF khụng dựng đến vỡ chỉ cho phộp dữ liệu là đơn (bất đối xứng) vào MC2042 nờn chỉ tương thớch với tốc độ thấp và phự hợp với chuẩn cụng nghiệp FO.
Khối thứ hai là khối tạo xung dữ liệu đầu vào. Dữ liệu vi phõn trờn cỏc chõn đầu vào PECL ( Positive ECL) được tạo bởi điện ỏp vi phõn trờn cỏc chõn PWA (Pulse Width Adjust- điều chỉnh độ rộng xung). Độ rộng xung đầu vào cú thể điều chỉnh dựa trờn ứng dụng đến chuyển mạch LED. Điện ỏp vi phõn tạo ra xung đầu vào dao động ở khoảng từ 500 ps đến -500 ps dựa theo cụng thức :
Với:
• k = 500 ± 100 và VPWA =VPWA+ +VPWA−
• VPWA+ =VPWA− =0,6.VDD
• Trở khỏng vào là 3.6 kΩ.
Sự điều chỉnh cú thể được thực hiện bằng cỏch giảm điện trở ở chõn PWA+ hoặc PWA -.
Khối thứ ba là khối chuyển dũng và điều khiển ngưỡng. Dữ liệu vi phõn PECL trờn cỏc chõn dữ liệu đầu vào điều khiển dũng LED. Dũng LED chảy hoặc qua LED hoặc qua tải ảo để tối thiểu nhiễu của Vdd. Để giảm thời gian tắt của LED thỡ LED ngay lập tức ngắn mạch qua Vdd2 trước khi dũng nối với tải ảo. Để cải thiện thời gian LED bật thỡ cần phải điều khiển ngưỡng. Hai linh kiện ngoài (R4, C1) dựng để thực hiện chức năng này. Khi đốn LED bật, điện ỏp ở đỉnh (PEAK) bị hạ thấp rất nhanh. Điện ỏp này đi qua R4, C1 và tạo ra một dũng điện ngắn cú hướng ngược lại với LED. Dũng điện này và sự suy giảm (decay) của RC được tớnh theo cụng thức sau:
• Peak current (Amps): 4/(R4 + 5)
• Decay (seconds): C1(R4 + 5)
Cỏc cụng thức trờn giả thiết cho LED lý tưởng với điện trở là 0 Ω. Thực tế giỏ trị điển hỡnh sẽ là R4 = 50, C1 = 20 pF.
Cuối cựng là khối nhận dũng cú thể lõp trỡnh lập trỡnh, dựng để thiết lập dũng LED điều khiển cà điều chỉnh nhiệt độ. Trong MC2042, khụng cú chõn nào cú thể ngắt dũng điều khiển LED nhưng cú thể thực hiện được việc này bằng cỏch ngắt dũng bờn ngoài chõn RTSET. Dũng LED xấp xỉ bằng 100 lần dũng ngoài chõn RTSET, do đú nếu dũng ngoài chõn RTSET bằng 0 thỡ dũng điều khiển LED cũng bằng 0. Hai điện trở R1, R2 thiết lập dũng điều khiển LED và bự nhiệt. Dũng chảy ra từ RTSET xỏc định dũng điều khiển LED, R1 thiết lập dũng điều khiển LED cũn R2 điều khiển nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện ỏp trờn điot giảm, dũng chảy quan R2 tăng và dũng điều khiển LED cũng tăng. Nếu MC2042 khụng cú chức năng bự nhiệt cho LED thỡ cú thể sử dụng diot ngoài để thực hiện chức năng này.
Cỏc thụng số quan trọng :
Bảng 4.3 Cỏc thụng số kỹ thuật của MC 2042 [23]
Cỏch tớnh cỏc linh kiện
Với nhiệt độ phũng là 250 C ta cú thể tớnh được:
• Dũng điều khiển LED ở TA = 250C là : 70 mA
• Điện ỏp thuận của LED là 1.5 V
Hỡnh 4 - 17 Biểu đồ dũng điều khiển LED theo nhiệt độ[4]
• R1 (giữa RTSET và GND) = 14.48 kΩ
• Tải ảo của RLED = 21 Ω
• ISET1=116àA
• ISET2 =235àA
• vSET1 =1.7V
• vSET2 =1.2V (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Idrive= 76.5mA nếu VCC= 5V
Bảng 4. 4 Cỏc giỏ trị linh kiện trong mạch[23]
DRIVER MC2042 R1 1 R2 unused R3 50 R4 50 R5 opt. R6 opt. R7 opt. R8 opt. R9 opt. R10 opt. R11 1K R12 22 R13 50 VR1 50K VR2 50K VR3 10K VR4 50K C1 100nF C2 100nF C3 10nF C4 10nF C5 10nF C6 20pF C7 22pF C8 10nF
C9 10nF C10 10nF C11 10nF C12 10nF C13 10nF L1 47uH L2 47uH
Sử dụng chương trỡnh mụ phỏng và thiết kế mạch Proteus ta cú mạch in hai lớp như sau:
Hỡnh dạng mạch thực tế như sau:
Hỡnh 4 - 20 Hỡnh minh họa mạch thực tế
4.4. Thiết kế hệ thống quang học
Sử dụng mắt Webcam (loại Lebeca Panwest) để làm thấu kớnh thu phỏt tớn hiệu quang.
Lựa chọn thấu kớnh và lắp đặt trong khụng gian cũng là một vấn đề khỏ phức tạp. Do gúc mở chựm sỏng càng rộng, thỡ thấu kớnh đặt để truyền dữ liệu càng ớt chớnh xỏc. Đồng thời, tớn hiệu quang nhận được khỏ yếu do chựm tia sỏng yếu nếu cụng suất quang bị trải trờn một diện tớch rộng. Vậy khả năng đặt thấu kớnh ở vị trớ trong gúc mở chỉ từ điểm cụ thể và gửi dữ liệu xa nhất cú thể là một bài toỏn cụ thể cần tớnh toỏn.
Thấu kớnh là dạng phẳng lồi cú tiờu cự khoảng 3.5 mm. LED và PIN được đặt ở tiờu điểm của mỗi thấu kớnh để chỳng cú thể kết hợp nguồn sỏng thành tia chuẩn trực. Mụ hỡnh phỏt xạ của LED cú thể gần như được giới hạn trong hỡnh nún gúc ở đỉnh là φ và phần ỏnh sỏng trong nún gúc đỉnh là θ được kết hợp trong hệ thấu kớnh. Cỏc chựm tia song song đi từ thấu kớnh 1 sang thấu kớnh 2 khụng phõn kỳ, do vậy tổn thất về cụng suất truyền qua hệ quang ở khoảng cỏch R trong khụng gian tự do là rất thấp. PIN được đặt ở tiờu điểm của thấu kớnh thứ 2, do đú sẽ nhận được hầu hiết cụng suất quang từ thấu kớnh 1 và từ đú chuyển đổi thành tớn hiệu điện hiệu quả hơn. Độ rộng chựm tia cú thể được điều chỉnh thành chựm phõn kỳ
bởi việc rỳt ngắn tiờu cự f1 nếu gúc chiếu sỏng rộng hơn trong trường hợp cụng suất nguồn cho phộp.
Hỡnh 4 - 21 Biểu diễn hỡnh học để thiết lập ỏnh sỏng truyền đến PIN
Trong đú h là bỏn kớnh vết trũn do LED tạo ra khi chiếu đến module thu. Bằng cỏch đo đạc trực tiếp đường kớnh của vết cú thể tớnh được bỏn kớnh h và gúc
0 11 = φ độ đó biết ta cú thể tớnh được d: d h tagφ=
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ MODULE THU QUANG CHO
HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG KHẢ KIẾN
Trong chương này trỡnh bày sơ đồ khối của hệ thồng thu, chức năng cỏc khối trong hệ thống và sử dụng chương trỡnh mụ phỏng và thiết kế mạch Proteus.
5.1. Thiết kế modul thu quang
Một modul thu quang điển hỡnh bao gồm nhiều tầng khỏc nhau nhưng đồ ỏn chỉ xột đến cỏc thành phần đầu vào gồm photodetector và khối tiền khuếch đại (khối đầu tiờn ngay sau photodetector trong hỡnh vẽ sau)
\
TIA (Transimpedance Amplifier): Khuếch đại chuyển trở khỏng. LA (Limiting Amplifier): Khuếch đại đạt ngưỡng.
CDR (Clock and Data Recorery): Khụi phục tớn hiệu. 5.1.1. Photodetector
Cú nhiều loại photodetector. Chức năng của photodetector là chuyển đổi tớn hiệu quang nhận được thành tớn hiệu điện, tớn hiệu này sau đú được khuếch đại trước khi xử lý. Do đú khi đề cập đến sự suy giảm tớn hiệu theo đường truyền, hiệu suất hệ thống được xỏc định tại photodector.
Photodetector đúng vai trũ quan trọng, phải đỏp ứng những yờu cầu chớnh xỏc về hiệu suất và sự tương thớch. Cỏc tiờu chuẩn dưới đõy xỏc định những yờu cầu quan trọng về sự tương thớch và hiệu suất cho photodetector.
Những yờu cầu để chọn photodetector :
a Độ nhạy cao với bước súng sử dụng.
b Độ chớnh xỏc cao – để tỏi tạo lại dạng tớn hiệu nhận được một cỏch chớnh xỏc (Vớ dụ: đối với việc phỏt tớn hiệu tương tự , đỏp ứng của photodetector phải tuyến tớnh.)
c Đỏp ứng điện lớn đối với tớn hiệu quang thu được – Photodetector nờn tạo ra tớn hiệu điện lớn nhất với cụng suất quang thu được. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d Thời gian đỏp ứng ngắn (pn- msec, PIN/APD - nsec) e Nhiễu tối thiểu.
f Ổn định.
g Kớch thước nhỏ. h Điện ỏp phõn cực thấp. i Độ tin cậy cao.
j Giỏ thành thấp.
Tham số quan trọng nhất của photodetector là đỏp ứng quang, dũng tối (dark current), thời gian chuyển tiếp (transit time), đỏp ứng phổ, độ nhạy sỏng. Đỏp ứng quang là thước đo hiệu quả thu của photodetector. Nú là tỉ lệ của dũng điện đầu ra cua photodiode với cụng suất quang đầu vào và cú đơn vị A/W. Đỏp ứng quang là tương ứng với từng tần số hay bước súng. Dũng tối là dũng điện qua photodiode khi ở trong búng tối hoàn toàn. Dũng tối được gõy ra bởi cỏc hạt mang điện được tạo ra do nhiệt trong photodiode.Thời gian chuyển tiếp là thời gian để cỏc hạt mang điện do sự biến đổi quang đi qua vựng nghốo. Đỏp ứng phổ là giới hạn bước súng mà photodiode cú thể thu được. Núi chung, đỏp ứng phổ được biểu diễn là hàm của bước súng hay tần số. Về bản chất, độ nhạy quang là cụng suất quang tối thiểu mà photodetector cú thể thu được và vẫn cú thể tạo ra tớn hiệu điện đầu ra khả dụng. Độ nhạy quang tương ứng với bước súng quang, cú đơn vị dBm hay dBà.
Lựa chọn photodetector
Như bảng dưới đõy, cú nhiều hệ số để lựa chọn photodetector thớch hợp. Mặc dự photomultiplier rất nhạy và nhanh, nhưng kớch thước lớn và cụng suất thấp. Phototransistor và photoresistor hoạt động tốt như một chuyển mạch quang tớch cực, nhưng khụng đủ nhanh để truyền tin. Photodiode là lựa chọn thớch hợp, nú đỏp ứng đủ yờu cầu đối với hệ thống.
Bảng 5 – 1. so sỏnh cỏc photodetector [22]
Mặc dự APD cú khả năng nhanh hơn và cú thuận lợi hơn do cú độ khuếch đại nội cao, nhưng p-n phodiode vẫn được lựa chọn. Bởi vỡ APD yờu cầu điện ỏp phõn cực cao hơn cũng như độ nhạy đối với nhiễu và độ phức tạp cao hơn đối với mạch điều chế.
Photodiode PIN OPF430 (Optek) được lựa chọn bởi vỡ cú thời gian lờn (rise time) 2ns với điện ỏp phõn cực ngược thấp (5V) và cú đỏp ứng quang tốt 0.55 A/W.
Hỡnh 5 -2 Đỏp ứng quang của OPF430