光调制器原理及设计

光调制器原理及设计姓名：张歆怡学号：20111101209班级：物理1102一、光调制器的原理光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。其中电光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器，也是目前应用最为广泛的调制器。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。光调制的目的是对所需的信号或被传输的信息进行包括“去背景信号、去噪声、抗干扰”在内的形式变换，从而使之便于处理、传输和检测。根据将信息加载到光波上的位置，可将调制类型分为两大类：一类是用电信号去调制光源的驱动电源；另一类是直接对广播进行调制。前者主要用于光通讯，后者主要用于光传感。简称为：内调制和外调制。根据调制方式，调制类型又有：1强度调制；2相位调制；3偏振调制；4频率和波长调制。1.1强度调制光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。1.2相位调制利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。由于光探测器一般都不能感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的检测，因此，光相位调制应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。1.3偏振调制利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为I=I0cos2α其中：I0表示两偏振器主平面一致时所通过的光强；α表示两偏振器主平面间的夹角。1.4频率和波长调制利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。二、光调制器的设计根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。2.1.1主电路基本电路图主电路基本电路图如图3.1所示图3.1主电路基本电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流io按指数曲线上升。2.1.2主电路电流电压分析直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压0u=E，负载电流0i按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.2所示图3.2主电路电压电流波形图当t=t1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管Vd续流，负载电压0u近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为U0＝t1E/T=t1E/（t1+t2）αEton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比α，则U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路[7]。2.2控制电路模块设计控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。2.2.1斩波电路控制方式：斩波电路有三种控制方式：a.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；b.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；c.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型[8]。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制[9]。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。2.2.2SG3525原理及功能控制电路是以SG3525为核心构成,SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的，它集成了PWM控制电路,采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号).然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求[10]。其内部电路结构下图所示。SG3525内部结构图2.2.3SG3525内部结构简介a.基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。b.振荡器3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率fs要低一些。c.误差放大器误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。d.闭锁控制端10利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。e.PWM锁存器比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。f.增设欠压锁定电路电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。g.输出级由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）[11]。2.2.4SG3525芯片引脚SG3525是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等，其引脚图如图3.4所示图3.4SG3525芯片引脚图SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器，一只断路脚同时控制软起动电路和输出级[12]。只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。三、结语在写这一次论文的过程中，通过查找资料，自己总结、学习，对光调制器有了更多的一些认识和看法，对今后的学习生活和工作，都有一些启示，让知识不仅仅是知识，更多的能够在生活中运用，让死的知识活起来。