بخشی از مقاله
چکیده
در سالهاي اخیر، نیاز ضروري به انتقال داده با سرعت بالا در سیستمهاي مخابراتی، آغازگر یک رشد سریع و ژرف در پژوهشهاي انجام شده درزمینه طراحی تجهیزات مخابراتی بوده است .مخابرات نوري یکی از انواع روشهاي مخابرات داده می باشد که در آن ، نور به عنوان حامل سیگنال بکار میرود. این روش جایگزینی مناسبتر و بهتر براي مخابرات بوسیله ي جریان الکتریکی میباشد.
از این رو مخابرات نوري بدلیل داشتن مزایاي زیاد و متنوع نسبت به مخابرات با حاملهاي جریان الکتریکی ، بطور وسیع جایگزین مخابرات سیمی در دنیاي مدرن گردیده است. هدف سیستمهاي مخابرات نوري انتقال حجم گستردهاي از اطلاعات به مسافتهاي طولانی با توان مصرفی پایین، امنیت بالا و قیمت مناسب میباشد. به همین منظور از تقویتکنندههاي CMOS، برای طراحی مناسب استفاده میشود
در این مقاله ساختار یک تقویتکننده امپدانسی انتقالی گیرنده نوري براي یک سیستم مخابرات نوري با استفاده از ترانزیستور CMOS، با طول کانال 40 نانومتر طراحی و نتایج آن موردبحث و بررسی قرارگرفته است. براي طراحی مدار پیشنهادي ابتدا دو ساختار RGC و ICDF تقویت کننده امپدانسی در نظر گرفته شده است. در ساختار RGC براي اینکه پهناي باند را کنترل نماییم از تکنیک فیدبک منفی استفاده نمودیم.
تکنیک فیدبک منفی میتواند علاوه بر کنترل پهناي باند مقاومت ورودي تقویت کننده را کاهش دهد. در ساختار ICDF در نظر گرفته شده ترانزیستور PMOS پوش پول مورد استفاده در مدار در ناحیه اهمی بایاس شده است بنابراین در مدار پیشنهادي از نوع ICDF براي اینکه ترانزیستور مورد نظر در ناحیه اشباع بایاس شود به ترمینال گیت آن ولتاژ DC اعمال شده که با این کار ترانزیستور مورد نظر به اشباع رفته و به کمک تکنیک کسکود بهره مدار افزایش یافته است. نتایج بررسیها نشان می دهد که بهره تقویتکننده امپدانسی پیشنهادي به میزان 57.6dBΩ، پهناي باند 0.1GHz و توان مصرفی3.34mw میباشد. شبیهسازيهاي مداري با استفاده از نرمافزار HSPICEصورت گرفته است.
.1 مقدمه
سیستمهاي مخابرات نوري به خاطر وجود مزایایی ازجمله سرعت انتقال بالا و پهناي باند زیاد، براي ارسال دادههایی با حجم زیاد مورداستفاده میباشند. یک سیستم مخابرات نوري از فرستنده، فیبر نوري و گیرنده تشکیلشده که در شکل 1-1 بلوك آن نشان داده شده است.
شکل 1 بلوك دیاگرام سیستم مخابرات نوري [4]
.فرستنده نوري
از فرستنده ي نوري براي تبدیل سیگنال الکتریکی به سیگنال نوري استفاده می شود. که دو دسته هستند: دیودهاي منتشرکننده نور و دیودهاي لیزري. دیود نورگسیل یک دیود پیوندي است که ازفسفیدآرسنادگالیوم مرکب نیمه هادي ساخته شده است. دیودهاي لیزري که به عنوان فیبرنوري مورد استفاده قرارمی گیرند اشعه مادون قرمزباطول موج 850nm ازخود بیرون می دهند. سیگنالهاي مدوله شده کدپالس pcm از کد گذار، جریان مورد استفاده را به ورودي آن تامین می کند. سپسLED معادل همان مقدارجریان دریافتی، یک ردیف پالس مادون قرمزرا جهت ارسال درطول فیبراز خود تولیدمی کند. پخش طیفی طول موج درخروجی درحدود 30 الی40nm است.
.فیبر نوري
فیبر نوري یکی از محیطهاي انتقال داده با سرعت بالا است. فیبر نوري رشته اي از تارهاي شیشه اي بوده که ضخامت هر یک از تارها برابر تار موي انسان است و از آنها براي انتقال اطلاعات در مسافتهاي طولانی استفاده می شود. تارهاي فوق در کلاف هایی سازمان دهی و کابلهاي نوري را بوجود می آورند. از فیبر نوري به منظور ارسال سیگنالهاي نوري در مسافتهاي طولانی استفاده می شود. فیبر نوري در موارد مختلفی مانند شبکه هاي تلفن شهري و بین شهري، اینترنت و شبکههاي کامپیوتري استفاده می شود.
.مزایاي سیستم انتقال فیبر نوري
• پهناي باند بسیار زیاد
پهناي باند بسیار زیاد، در نتیجه ظرفیت انتقال بیشتر Band Width، فرکانس این سیستم در محدوده 1012 تا 1016 هرتز است و در مقایسه با سیستم کابلهاي فلزي قابلیت بسیار زیادي را ارائه می دهد فرکانس نور مورداستفاده در این سیستم ارتباطی معمولاً نزدیک به اشعه مادون قرمز و حدود 1014Hz یا 105GHz می باشد لازم به یادآوري است که سیستم ارتباط از طریق کابل کواکسیال داراي پهناي باند حدود 500MHz بوده و سیستم امواج میلیمتري رادیویی در حدود 700MHz پهناي باند دارد. بنابراین حجم اطلاعاتی که توسط کابل هاي فیبر نوري قابل انتقال است خیلی بیشتر از بهترین سیستم کابل هاي مسی می باشد. با توجه به اینکه در کابل هاي کواکسیال هنگامی که فرکانس از 100MHz بیشتر شود انتقال تنها در مسافت چند کیلومتر امکان پذیر است.
• تضعیف بسیار کم
تضعیف بسیار کم فیبرهاي نوري از امتیازات مهم آن بشمار می رود و این فیبرها را در مسافت زیاد بدون استفاده از ریپیتر می توان مورد استفاده قرار داد. تضعیفی در حدود 0.2dB/km در مورد فیبرهایی که هم اکنون بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرند وجود دارد تضعیف در طول موج هاي مختلف متفاوت است و بستگی به عوامل زیادي دارد که در طول موج هاي 1100-1600 نانومتر از کمترین تضعیف برخوردار است.
• وزن کم و قطر کوچک
مزیت دیگر، کوچک بودن قطر کابل که باعث کمتر اشغال نمودن کانال می گردد. قطر رشته هاي فیبر نوري در حدود قطر موي سر بوده و هنگامیکه تعدادي از این رشته ها بطور مجتمع در یک پوسته قرا گرفته و بعنوان کابل مورد استفاده قرار می گیرد باز هم قطر بسیار کمی را دارا خواهد بود. قطر فیبرها با توجه به نوع آنها متفاوت است. مثلاً براي فیبر تک مدي قطر هسته بین3-12 میکرومتر و قطر پوشش - غلاف - بین 5-125 میکرومتر می باشد و بطور کلی با توجه به قطر کم داراي وزن بسیار کمی نیز می باشد که طول زیادي از کابل روي یک قرقره بسته می شود و به سادگی حمل می گردد اگر یک مقایسه نسبی بین فیبر نوري و کابل مسی داشته باشیم. 40 کیلومتر فیبر نوري داراي وزنی معادل 1kg است در صورتیکه یک و نیم کیلومتر سیم مسی با قطر 32.0 میلی متر داراي وزن 1kg می باشد. همچنین در هواپیما که وزن کم اهمیت ویژه اي دارد از فیبر نوري می توان استفاده کرد. بطور مثال در هواپیماي جنگی میراژ 2000 حدود 16km فیبر نوري بکار رفته است.
• ایزولاسیون کامل الکتریکی
عدم تأثیر جریانات القائی الکتریکی بر روي موج برهاي نوري نیز یکی از خواص مهم فیبر نوري می باشد. میدان هاي ناشی از تشعشع کابل هاي برق تأثیري در این موج برها ندارند و می توان رشته هاي سیم مسی را هم در کابل نوري پیش بینی کرد و برق مورد نیاز تقویت کننده هاي بین راه را از این طریق تأمین کرد و یا می توان خطوط فیبر نوري را در روي دکل هاي برق فشار قوي نصب کرد.
• مصونیت در برابر تداخل و هم شنوایی
امواج الکترو مغناطیس و امواج با فرکانس رادیوئی اثري بر روي کابل هاي فیبر نوري ندارند بنابراین سیستم ارتباطات نوري در مقابل محیط آلوده به نویز مصون بوده علاوه بر این کابل هاي فیبر نوري که در مجاور هم هستند نیز بر روي یکدیگر اثرات القایی ندارند و بر خلاف کابل هاي مسی ، پدیده کراستاك در آنها بسیار ناچیز است و استفاده در کاربردهاي نظامی که مسئله تداخل با دیگر امواج الکترو مغناطیس اهمیت دارد. طبیعت عایق فیبر نوري امکان هر نوع تداخل را از بین می برد و در فیبر نوري نگرانی از اتصال به زمین براي موج بر وجود ندارد.
• امنیت سیگنال
نوري که از فیبرهاي نوري عبور می کند فاقد پدیده تشعشع بوده و بنابراین اطلاعات ارسالی از طریق سیستم ارتباطات فیبر نوري در مسیر انتقال قابل بهره برداري و استفاده هاي استراق سمع نمی باشد و براي مقاصد نظامی ایده آل می باشد.
• فراوانی و ارزان بودن موارد
یکی دیگر از مزایاي فیبر نوري این است که ماده اولیه آن شیشه سیلیکا است و آن را در همه جا می توان یافت. چرا که منبع اصلی سیلیکا ، سنگ و شن و ماسه است. در نتیجه قیمت کابل هاي فیبر نوري بسیار
ارزانتر از کابل هاي مسی تمام می شود.
• نگهداري آسان
با توجه به تضعیف کم این کابل ها نیاز کمتري به وجود ریپتر در طول مسیر می باشد. یعنی فاصله تکرار کننده ها نسبت به سیستم هاي کابل هاي مسی بیشتر است در نتیجه تعمیرات این کابل ها ساده تر و با هزینه و وقت کمتري انجام پذیر است و چون تعدا د مفصل ها نسبت به کابل مسی کمتر است و در هر مفصل مقداري تضعیف داریم در نتیجه خرابی کمتر و نصب نگهداري آسانتر می باشد، طول هر کابل فیبر نوري در حدود چندین کیلومتر می باشد.
• ظرافت و قابلیت انعطاف
ظرافت و قابلیت خمش این رشته هاي موئین ضمن بوجود آوردن تسهیلاتی در امر جابجایی و انبار نمودن و کابلکشی ، وجود روکش هاي محافظ را جهت این کابل ها شایسته اهمیت می سازد.
• ﻣﺼﻮﻧﯿﺖ در ﻣﻘﺎﺑﻞ عوامل جوي و رطوبت
فیبرهاي نوري در محیط هاي مرطوب و در درجه حرارت هاي 30- - - 70 درجه سانتیگراد بازدهی خود را از دست نمی دهند.
.گیرنده نوري
در حالت کلی در یک شبکه مخابرات نوري ﺳﯿﮕﻨﺎل ورودي از یک منبع اطلاعات وارد سیستم شده و پس از انجام عمل مدولاسیون، سیگنال در قالب اطلاعات دیجیتالی وارد مدار فرستنده شده و این سیگنالهاي دیجیتالی با روشن و خاموش کردن یک دیود لیزري و یا LED تبدیل به سیگنال هاي نوري شده و از طریق فیبر نوري به گیرنده ارسال می شوند. در یک سیستم گیرنده مخابرات نوري که در شکل 2 نشان داده شده است ابتدا فتودیود داده هاي نوري را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.
سیگنال الکترکی دریافتی در طبقه تقویت کننده امپدانسی انتقالی، تقویت می شود و سپ س به ولتاژ تبدیل می شود. اولین طبقه که همان تقویت کننده امپدانسی انتقالی است، یک نقش کلیدي را در سیستم گیرنده نوري بازي میکند و بدین سبب طراحی آن نیز به مراتب مشکل تر است، چرا که این طبقه باید جریان ضعیف حاصل از فتودیود را - که در بعضی مواقع به چند ده میکر و آمپر می رسد - ، به مقدار ناسبی تقویت کندو در عین حال پهناي باند مناسبی را نیز به سیستم ارائه دهد. از آنجا که در طراحی سیستم هاي آنالوگ همیشه بین بهره مدار، میزان نویز پذیري، پهناي باند، توان مصرفی و منبع تغذیه اش تعاملاتی وجود دارد، طراحی این طبقه مشکلات دیگري را نیز بدین سبب به همراه دارد.
حل این تعاملات وقتی مشکل تر می شود که هدف استفاده از تکنولوژي هاي کوچتر باشد، چرا که اثرات مرتبه دوم به مراتب در تکنولوژي هاي کوچکتر بیشتر می شود. از آنجا که تقویت کننده امپدانسی انتقالی، تقویتی کافی را روي سیگنال نمی تو اند پیاده کند، لازم است که چند طبقه تقویت کننده محدود ساز جهت تقویت بیشتر سیگنال مورد استفاده قرار گیرد.
شکل2 بلوك دیاگرام سیستم گیرنده نوري
.آشکار ساز نوري
یک آشکار ساز نوري سیگنال نوري را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. در یک سیستم ارتباطی نوري، جهت طراحی قسمت گیرنده ابتدا بایستی یک مدل مداري براي فوتو دیود در نظر گرفت، ساختار مداري این مدل در شکل3 ارائه شده است. فتودیود یک نوع آشکارساز نور میباشد که بسته به مورد عملیات لازم می تواند انرژي نورانی را به جریان الکتریکی تبدیل کند. فتودیودها شباهت زیادي به دیودهاي نیمه رساناي معمولی دارند، با
این تفاوت که دیودهاي فوتونی هم می توانند در معرض انرژي نورانی - براي شناسایی اشعه X و یا خلاء - uv قرار گیرد و هم می تواند در اتصالات پنجره یا فیبر نوري تعبیه شود تا نور به درون قسمت هاي حساس آن وارد شود. لازم به ذکر است در ساختمان بسیاري از دیودهایی که به صورت دیود فوتونی ساخته می شوند از پیوند PIN استفاده می شود.
در واقع فتو دیود که به آن دیود نوري نیز می گویند مانند دیود معمولی از اتصال دو نیمه هادي نوع N و P ساخته می شود با این تفاوت که محل اتصال نیمه هادي ها، با مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نمی شود بلکه براي اینکه نور به محل اتصال نیمه هادي ها برسد معمولاً آن محل را توسط شیشه و یا مواد پلاستیکی شفاف می پوشانند. روي اکثر فتودیودها یک لنز بسیار کوچک نصب می شود تا نور تابیده شده به آن منطقه را متمرکز کرده و به محل پیوند برساند.
فتودیود همیشه در بایاس معکوس به کار می رود و با تابش نور به محل اتصال نیمه هاي هاي آن ، پیوندهاي کووالانس موجود در ناحیه تخلیه در اثر انرژي نور تابیده شده شکسته شده و جریان معکوس فتودیود افزا یش می یابد. هر چه نور تابیده شده به محل اتصال نیمه هادي ها بیشتر باشد مقدار جریان معکوس فتودیود بیشتر می شود و بر عکس، هر چه نور تابیده شده به محل پیوند کمتر باشد مقدار جریان معکوس فتودیود کمتر می شود.
