M5數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件第二章數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)總線

1、2.1 2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2.1.12.1.1模擬量與數(shù)字量的含義模擬量與數(shù)字量的含義定義：定義：模擬量：連續(xù)的物理量，如：電壓、電流、轉(zhuǎn)角、長度模擬量：連續(xù)的物理量，如：電壓、電流、轉(zhuǎn)角、長度變量等。變量等。數(shù)字量：離散的、不連續(xù)的量，它可以用有限的數(shù)位來數(shù)字量：離散的、不連續(xù)的量，它可以用有限的數(shù)位來表示一個連續(xù)變化的物理量。表示一個連續(xù)變化的物理量。通常每一個數(shù)位可用電位的高低或脈沖的有無來表示，通常每一個數(shù)位可用電位的高低或脈沖的有無來表示，即數(shù)字電路中的即數(shù)字電路中的“1”1”或或“0”0”。 2.1.2 D/A2.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換基本原理

2、和類型轉(zhuǎn)換基本原理和類型 1) D/A1) D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 D/AD/A轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（DACDAC）就是一種將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)）就是一種將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬量的電路。換為連續(xù)變化的模擬量的電路。D D0 0D Dn-1n-1為輸入的為輸入的n n位二進制數(shù)字量位二進制數(shù)字量u uO O為輸出模擬量為輸出模擬量V VREFREF為實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所需的參考電壓（又稱基準電為實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所需的參考電壓（又稱基準電壓）。壓）。 三者應(yīng)滿足下列關(guān)系式：三者應(yīng)滿足下列關(guān)系式：其中其中“X”X”為二進制數(shù)字量為二進制數(shù)字量所代表的十進制數(shù)（或稱所代表的十進制數(shù)（或稱為比例系數(shù)）。為比

3、例系數(shù)）。 因此因此nREFO2VXu)22.22(200112211REFODDDDVunnnnn分辨率分辨率 = U= U輸出輸出/2/2n n即電路所能分辨出的最小電壓。即電路所能分辨出的最小電壓。轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 = 1/ 2= 1/ 2n n -1 -1如下表所示如下表所示：結(jié)論：結(jié)論：二進制數(shù)的位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換誤差越小二進制數(shù)的位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換誤差越小例如：例如：四位二進制數(shù)由四位二進制數(shù)由0-4V0-4V模擬信號輸出，則模擬信號輸出，則它的分辨率是多少？若轉(zhuǎn)換精度要求為它的分辨率是多少？若轉(zhuǎn)換精度要求為0.5%0.5%，需要選用多少位的，需要選用多少位的DAC?DAC?1.1.分辨率

4、分辨率 = 4/2= 4/24 4 = 0.25V= 0.25V2.2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度=0.5% 1/2=0.5% 1/2n n 0.5% 0.5% n = 8n = 8位位3.3.線性度線性度4.4.輸出建立時間輸出建立時間5.5.電源抑制比電源抑制比6.6.溫度系數(shù)溫度系數(shù)A/D A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADCADC的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（二進制數(shù)的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（二進制數(shù)據(jù)量）并輸出。據(jù)量）并輸出。A/DA/D轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：1.1.取樣：取樣：就是將一個就是將一個時間時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時時間上離散的、幅度上連續(xù)變化間上離散的、幅度上

5、連續(xù)變化的模擬量。的模擬量。UI(t)為輸入為輸入的模擬信號的模擬信號波形圖波形圖取樣后的取樣后的脈沖信號脈沖信號 2.2.保保 持持：為了保證獲得一個穩(wěn)定的取樣值，以便于進行為了保證獲得一個穩(wěn)定的取樣值，以便于進行A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中的其他工作，故要求取樣后得到轉(zhuǎn)換過程中的其他工作，故要求取樣后得到的模擬信號要保持一段時間，直到下一個取樣的模擬信號要保持一段時間，直到下一個取樣脈沖的到來。脈沖的到來。由此得來的是由此得來的是一個階梯脈沖信號一個階梯脈沖信號，而不是，而不是一串一串脈沖脈沖。3.3.量化：量化：采用后所保持的電壓值不是連續(xù)的，不一定是采用后所保持的電壓值不是連續(xù)的，不一定是整

6、數(shù)，有可能是無理數(shù)，計算機只能處理整數(shù)，整數(shù)，有可能是無理數(shù)，計算機只能處理整數(shù)，因此必須將這些數(shù)值化為某個最小單位的整數(shù)因此必須將這些數(shù)值化為某個最小單位的整數(shù)倍，即采樣后的量化。倍，即采樣后的量化。4.4.編碼：編碼：量化后用二進制數(shù)表示此整數(shù)的過程即量化后用二進制數(shù)表示此整數(shù)的過程即為編碼。為編碼。A/D A/D 轉(zhuǎn)換器的主要指標轉(zhuǎn)換器的主要指標1.1.分解度（分辨率）分解度（分辨率）ADCADC輸出的二進制碼位數(shù)越多，量化階梯越小，輸出的二進制碼位數(shù)越多，量化階梯越小，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高，分解度越好。量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高，分解度越好。分解度（分辨率）分解度（分辨率）= U

7、= U輸入輸入/2/2n n例如：例如：輸入模擬電壓滿量程為輸入模擬電壓滿量程為5V5V、8 8位位ADCADC可分辨的最可分辨的最小模擬電壓為：小模擬電壓為：5/25/28 8=19.53mV=19.53mV的的ADCADC分辨同樣的電壓，則分解度為分辨同樣的電壓，則分解度為5/25/21010=4.88mV=4.88mV2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度完成一次完成一次A/DA/D轉(zhuǎn)換操作需要的時間。轉(zhuǎn)換操作需要的時間。不同類型不同類型ADCADC，轉(zhuǎn)換速度相差較大。，轉(zhuǎn)換速度相差較大。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADCADC轉(zhuǎn)換速度最快；轉(zhuǎn)換速度最快；逐次逼近型逐次逼近型次之；次之；間接型（雙積分型）間接

8、型（雙積分型）ADCADC轉(zhuǎn)換速度較慢。轉(zhuǎn)換速度較慢。3.3.溫度系數(shù)溫度系數(shù)4.4.量化誤差：提高分解度，可降低量化誤差。量化誤差：提高分解度，可降低量化誤差。5.5.輸入模擬電壓范圍輸入模擬電壓范圍6.6.電源抑制電源抑制2.2 2.2 光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.1.定義：定義：有線傳輸系統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)：用導(dǎo)線傳輸時，傳輸線上的頻率可以用信號源的頻率。這種信息傳輸系統(tǒng)稱為有線傳輸系統(tǒng)無線傳輸系統(tǒng)無線傳輸系統(tǒng)：在無線電傳輸時，信號在發(fā)射機中進行調(diào)制后，頻率轉(zhuǎn)換到能用天線向空間發(fā)射的頻段內(nèi)；而接收機將從空間接收到的信息再還原到信號源的頻率。這種信息傳輸系統(tǒng)稱為無線傳輸系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)：

9、用光纖傳輸信息時，必須通過對光源的調(diào)制將信息轉(zhuǎn)換到紅外線光的頻段再進行傳輸。這種信息傳輸系統(tǒng)稱為光纖傳輸系統(tǒng)。 無論采用哪種傳輸方式，在信號到達轉(zhuǎn)換器后，都由它將（電信（電信號）號）轉(zhuǎn)換成（聲音信號）（聲音信號）和（光信號）（光信號）。信息可以用（模擬方式）（模擬方式）傳輸，也可以用（數(shù)字方式）（數(shù)字方式）傳輸。在信息傳輸技術(shù)中，主要要求信息內(nèi)容應(yīng)該得到無失真的傳輸。而信息傳輸?shù)男蕜t是次要的，因為能量的損耗可以通過相應(yīng)的放大進行補償。傳輸通路上的所有裝置都是傳輸線路的組成部分。各種傳輸線路的起始部分都是一個轉(zhuǎn)換器，它把聲音信號和光信號轉(zhuǎn)換成電信號注：信息傳輸時所用的頻率必須與傳輸媒介相配合。

10、注：信息傳輸時所用的頻率必須與傳輸媒介相配合。在實際中，傳輸媒介可以是導(dǎo)線和光纖，在無線電傳輸時，則利用自由空間。2.2.光纖的主要作用：光纖的主要作用：引導(dǎo)光線在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。3.3.光纖傳輸原理：光纖傳輸原理：它是由兩種折射率不同的材料構(gòu)成的，即折射率較大的芯材料在中心，折射率較小的包層材料在外表。利用全反射和折射原理，使光線在光纖中傳播，并且光線不會射到光纖以外。4.4.為了實現(xiàn)長距離的光纖通信，必須較小光纖的衰減。為了實現(xiàn)長距離的光纖通信，必須較小光纖的衰減。要實現(xiàn)大容量的通信，就要求光纖有很寬的帶寬。要實現(xiàn)大容量的通信，就要求光纖有很寬的帶寬。單模光纖的帶寬最寬，是理

11、想的傳輸介質(zhì)，但是它的纖芯直徑很細，僅幾個微米，所以工藝要求極高。要實現(xiàn)光纖通信，需要有適當?shù)墓庠础Ｒ獙崿F(xiàn)光纖通信，需要有適當?shù)墓庠?。光檢測器件也有相應(yīng)的發(fā)展。光檢測器件也有相應(yīng)的發(fā)展。5.5.光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點：光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點：（1）光纖的重量比電纜的重量輕。（2）光纖不受電磁場的干擾。（3）光纖的傳輸速度塊。（4）光纖的信息傳輸量比較大。 6.6.大氣傳輸光通信的缺點：大氣傳輸光通信的缺點：(1) 氣候?qū)νㄐ诺挠绊懯謬乐?，如大霧時，通信幾乎中斷。（2）由于大氣氣溫的不均勻，使它的密度或折射率不均勻以及大氣湍流的影響等，使光線發(fā)生漂移和抖動。因此，通信的信噪比變劣，傳輸不穩(wěn)定。（3）大

12、氣傳輸通信設(shè)備要求設(shè)在高處，收發(fā)兩端直線可見。這種地理條件使大氣傳輸光通信的使用有極大的局限性。 2.2.2光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)是一個以光纖傳輸線取代傳統(tǒng)導(dǎo)線傳輸線的通信系統(tǒng)。它由A/D轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器、調(diào)制器、光源產(chǎn)生器、光源光纖耦合器、光纖、光信號檢測器、電子處理器、多路分配器、D/A轉(zhuǎn)換器組成，如下圖所示：1.1.光傳輸?shù)幕驹砉鈧鬏數(shù)幕驹恚? 1）光纖）光纖定義：定義：光纖：光纖：一種以導(dǎo)引光為目的，由玻璃或塑料做成的管子稱為光纖，它是一種光波波導(dǎo)。光纖可以導(dǎo)引光沿著一個不是直線的路徑傳播，并且，現(xiàn)代技術(shù)可以使光纖對光的衰減率很小。（2 2）折射定律）折射定律定

13、義：定義：全反射：全反射：當入射角大于臨界角時，會發(fā)現(xiàn)入射光線全部返回到了媒介1，這種現(xiàn)象稱之為全反全反射射。物理學(xué)中的折射定律：光纖從媒介1入射到媒介2時，光線在兩個媒介的交界面處將發(fā)生折射現(xiàn)象，如下圖（a）所示： 光傳輸?shù)幕驹韺嶋H上就是上述討論的折射和全反射原理，光光傳輸?shù)幕驹韺嶋H上就是上述討論的折射和全反射原理，光纖的種類不同，其應(yīng)用的原理也不同。纖的種類不同，其應(yīng)用的原理也不同。2.2.光纖的種類與傳輸原理光纖的種類與傳輸原理定義：定義：單模式：單模式：把一根光線的傳播路徑稱為單模式。多模式：多模式：在單模式情況下的光纖中，光的傳輸由很多條光線來完成，并且其路徑又不同，其路徑又

14、不同，稱之為多模式。模式色散：模式色散：在多模式傳輸時，信號的能量被分散到許多路徑上，從而使得數(shù)字脈沖信號的形狀被拉長，脈沖邊緣的棱角變圓，這種現(xiàn)象稱之為模式色散，如下圖所示： 光纖按照其工作原理分為兩種：光纖按照其工作原理分為兩種：多模式光纖多模式光纖 單模式光纖單模式光纖在這兩種光纖中又都包含（有階躍型）（有階躍型）和（漸變型）（漸變型）。光纖的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：光纖的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示： （1 1）多模式階躍型光纖）多模式階躍型光纖 如下圖所示，r為光纖的半徑，纖芯折射率大于包層的折射率，且兩者呈階躍型變化。 多模式階躍型光纖的典型值： 纖芯直徑典型值：100m； 包層外徑典型值：20

15、0m； n芯芯n包層；典型值：包層；典型值：n芯芯=1.527=1.527，n包層包層=1.517=1.517； 帶寬：（30MHz100MHz）km。從上述光纖的典型值中可以看出，多模式階躍型光纖的直徑比較大，容易實現(xiàn)耦合。這樣也使光纖之間、光纖與光源之間以及與光檢測器之間都能較好的耦合，從而使能量可以更有效地傳輸。它一般用于窄帶傳輸系統(tǒng)和近距離通信中，例如用在飛機和輪船上。（2 2）多模式漸變型光纖）多模式漸變型光纖為了改變多模式階躍型光纖模式色散比較大的缺點，可以對纖芯的折射率進行重新設(shè)置。其其纖芯折射率的特點為：纖芯折射率大于包層折纖芯折射率的特點為：纖芯折射率大于包層折射率，并且使纖

16、芯折射率按照射率，并且使纖芯折射率按照“拋物線拋物線”的規(guī)的規(guī)律變化，律變化，如下圖所示：由于纖芯折射率是按拋物線的規(guī)律變化的，即：n芯芯1 1n芯芯2 2n芯芯3 3. 所以，在光線射入到不同折射率的纖芯時，光線逐層發(fā)生折射，如下圖所示：如果纖芯的分層足夠薄，就形成了多模式漸變多模式漸變型光纖的折射率分布及光線傳播路徑圖示型光纖的折射率分布及光線傳播路徑圖示中所顯示的傳播路徑。入射角不同的光線經(jīng)過不同的折射層形成了像“波”一樣的傳輸路徑，各路徑在纖芯的中心軸上產(chǎn)生交點，如果從交點處取出信號，那么模式色散將大大減小，從而使輸出信號的失真得到改善，如下圖所示：多模式漸變型光纖的典型值： 纖芯直徑

17、的典型值：50m； 包層外徑的典型值：125m； n芯n包層；典型值：n芯=1.562，n包層=1.54； 帶寬：（500MHz1000MHz）km。這種光纖用于帶寬傳輸系統(tǒng)中，如閉路電視、海底光纜等長距離的通信系統(tǒng)中。（3 3）單模式階躍型光纖）單模式階躍型光纖這種光纖的唯一特點是：其纖芯的直徑略大于3倍的光波波長。此時只有一種傳輸模式沿光纖的軸向傳輸，從而消除了模式色散引起的信號變形，如下圖所示： 單模式階躍型光纖典型值為： 纖芯直徑的典型值：5m（2-10m）； 包層外徑的典型值：10m； n芯n包層；典型值：n芯max=1.471，n包層=1.457； 帶寬：（10GHz50GHz）k

18、m。群速色散（群速色散（GVDGVD）：）：單模式光纖中不存在模式色散，在實際傳輸中，由于光源發(fā)射到光纖里的光脈沖能量中包含有許多不同頻率成分，這些脈沖中包含的不同頻率分量將以不同的群速度傳輸，因此在傳輸過程中，必將出現(xiàn)脈沖展寬的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱之為群速色散（群速色散（GVDGVD）。）。產(chǎn)生群速色散的原因：材料色散和波導(dǎo)色散引起的。產(chǎn)生群速色散的原因：材料色散和波導(dǎo)色散引起的。 3.3.光源光源光源采用紅外線發(fā)光二極管（IRED）和半導(dǎo)體激光器（ILD），其光源的特性曲線如下圖所示：從上圖的曲線中可以看出： 光源的輻射功率取決于注入電流強度的大??； GaAlAs半導(dǎo)體激光器具有閾值電流，而紅

19、外線發(fā)光二極管（IRED）沒有，但輻射功率小于半導(dǎo)體激光器； GaAlAs半導(dǎo)體激光器輻射成束的射線，因此它的耦合損耗比IRED小。（1）紅外線發(fā)光二極管（IRED）定義： 面發(fā)射型面發(fā)射型IREDIRED：大部分光從IRED的上表面輻射到光纖中，所以IRED被稱為“面發(fā)射型”IRED。光纖中使用的紅外線發(fā)光二極管（IRED）與顯示用的LED有所不同，因為它要發(fā)出一定波長的光，選用材料一般為GaAslnP。因為這四種元素混合在一起，其輻射光的波長為1.3m，而光纖對這一波長上的光損耗幾乎為零。此外，IRED的外形也比較特別，它必須適合于向光纖發(fā)射光能量，如下圖所示：面發(fā)射型面發(fā)射型IREDIR

20、ED一般作為低速、短距離光波傳輸系統(tǒng)的光源。一般作為低速、短距離光波傳輸系統(tǒng)的光源。（2 2）注入型激光二極管）注入型激光二極管定義：定義：光學(xué)諧振腔：光學(xué)諧振腔：能使一定波長的光產(chǎn)生駐波的空間稱之為光學(xué)諧振腔。激光二極管簡稱為半導(dǎo)體激光器（激光二極管簡稱為半導(dǎo)體激光器（ILDILD），它與），它與LEDLED不同，它是通不同，它是通過受激輻射發(fā)光。過受激輻射發(fā)光。激光二極管是一種閾值器件。激光二極管是一種閾值器件。激光二極管是一種具有光學(xué)諧振腔的發(fā)光二極管。激光二極管是一種具有光學(xué)諧振腔的發(fā)光二極管。 光學(xué)諧振腔可以理解為一個空間，利用腔的兩端對光的反射作用，把光提供到諧振腔中；在諧振腔中，

21、兩個反射端之間的尺寸與光源產(chǎn)生的光波長之間存在著精確的關(guān)系。這一關(guān)系可以使腔中的一些光線在腔兩端之間來回反射產(chǎn)生駐波。駐波。光學(xué)諧振腔的實際意義：光學(xué)諧振腔的實際意義：在一定條件下，利用這一反饋（光在腔兩端之間的反射與疊加）就可以產(chǎn)生光的振蕩。光的振蕩使原始光源的光能量顯著增強，并且上述光振蕩產(chǎn)生的光是相干光。相干光。 “相干相干”的含義：的含義：同相位、同頻率的波進行疊加，其結(jié)果使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生了極窄且又很強的光束，這就是激光。激光二極管可以作為許多光纖通信系統(tǒng)主干線激光二極管可以作為許多光纖通信系統(tǒng)主干線上的光源，它產(chǎn)生的光輻射量高于上的光源，它產(chǎn)生的光輻射量高于LEDLED，光輸出，光

22、輸出功率為功率為mWmW級，而級，而LEDLED只有幾百只有幾百W。此外，ILD的固有尺寸可以與光纖進行緊密配合，這樣就減小了材料的色散。激光二極管適合用作單模式光纖傳輸線的光源。激光二極管適合用作單模式光纖傳輸線的光源。 4.4.光源的調(diào)制光源的調(diào)制“載波”是運載所要傳輸“信息”的工具。（1 1）調(diào)制：）調(diào)制：載波的某個量必須隨信息信號的變化而變化，這就是調(diào)制調(diào)制。在調(diào)制之后，信息信號既包含在載波中，也包含在產(chǎn)生的新的頻率分量中。（2 2）光波也可以作為載波。它也可以被調(diào)制。）光波也可以作為載波。它也可以被調(diào)制。光波運載的信息量比任何已知的無線電載波所運載的信息量都大。（3 3）光波的調(diào)制過

23、程：）光波的調(diào)制過程： 模擬調(diào)制模擬調(diào)制大量的光波由（IREDIRED）和（ILDILD）產(chǎn)生，當它們被正向偏置時，將有電流流動。因此，光源也可以被模擬信號調(diào)制，如下圖所示：當輸入端模擬信號變化時，晶體管T組成的放大器中的集電極電流將會隨之變化，因此流過IRED或ILD的電流也發(fā)生變化，電流變化又引起光強度的變化，然后通過光纖傳輸這一強度變化的光信號。這種調(diào)制相當于RF載波的幅度調(diào)制。對于光源調(diào)制來說，也稱之為直接強度調(diào)直接強度調(diào)制制。模擬調(diào)制的發(fā)展是有限的。模擬調(diào)制的發(fā)展是有限的。 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制光纖系統(tǒng)的潛能在于將信息以數(shù)字信號發(fā)射，這樣能 提供高密度的通信。用光纜作為傳輸線的數(shù)字通信系

24、統(tǒng)功能強大。光源發(fā)射機可以提供大量的分時多路數(shù)字化模擬信號和數(shù)字數(shù)據(jù)信號，這些信號對光源進行數(shù)字調(diào)制，這一過程也稱之為數(shù)字強度調(diào)制數(shù)字強度調(diào)制。數(shù)字調(diào)制就像數(shù)字調(diào)制就像RFRF系統(tǒng)中的移幅鍵控（系統(tǒng)中的移幅鍵控（ASKASK）。）。光源的“亮”和“滅”由頻率很高的兩個電平控制。這一開關(guān)頻率可以達到GHz范圍。這種調(diào)制要采用合適的數(shù)字碼，如下圖所示： 上圖中：圖（a）是數(shù)字調(diào)制的一般框圖，圖（b）是TTL兼容驅(qū)動電路。 預(yù)偏置：預(yù)偏置：激光光源需要偏置電流，這一電流稱為“預(yù)偏置”。預(yù)偏置預(yù)偏置是激光器在“關(guān)斷”條件下的偏流。加“預(yù)偏置”可以使激光器減少接通延遲。另外，激光器還必須進行（老化補償）

25、（老化補償）和（溫度補（溫度補償）償）。5.5.光檢測器光檢測器（光接收機）（光接收機）是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部分。光接收機的作用：光接收機的作用：將光信號轉(zhuǎn)回電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的信息信號。光檢測器對已調(diào)制的光信號進行解調(diào)，并將光信號轉(zhuǎn)光檢測器對已調(diào)制的光信號進行解調(diào)，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。換為電信號。光檢測器使用的器件一般為（PINPIN光電二極管）光電二極管）和（雪（雪崩光電二極管（崩光電二極管（APDAPD）。）。下圖所示為光接收機的方框圖：下圖所示為光接收機的方框圖： 光檢測器的物理基礎(chǔ)光檢測器的物理基礎(chǔ)光電檢測過程的基本機制是（光吸收）（光吸收）。光檢測器有兩種類型：（光

26、電導(dǎo)檢測器）（光電導(dǎo)檢測器）和（光電壓檢（光電壓檢測器）。測器）。（2 2）PINPIN二極管二極管PIN二極管就是在PN結(jié)中間插入本征半導(dǎo)體，使中間層材料具有本征高阻抗的性質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示： 這樣，可以使大部分電壓降落于高阻區(qū)，形成一個高電場區(qū)，從而可以使電子空穴對加速運動。增加耗盡層的寬度可以減小擴散電流分量，從而增加光照射后所產(chǎn)生的（光電流強度）（光電流強度）和（響應(yīng)速度）（響應(yīng)速度）。本征區(qū)的寬度一般在20-50m之間，它廣泛應(yīng)用于1.31.5m的光接收機中。下圖所示的電場分布情況可以看出，I區(qū)的電場強度最強。 （3 3）雪崩二極管（）雪崩二極管（APDAPD） 雪崩二極管的設(shè)計結(jié)

27、構(gòu)能承受很高的反向偏壓，在PN結(jié)內(nèi)部形成一個極高的電場區(qū)。 雪崩倍增效應(yīng)雪崩倍增效應(yīng)：由入射光產(chǎn)生的電子空穴對在經(jīng)過高電場區(qū)時，不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子和空穴在運動過程中與價帶中的受束縛的電子相碰撞，從而使晶格中的原子發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生二次電子空穴對。如此重復(fù)下去，使載流子和反向電流迅速增大，這個物理過程稱之為雪崩倍增效應(yīng)，雪崩倍增效應(yīng)，它使一次光電流增加。 APDAPD和和PINPIN光電二極管的主要不同表現(xiàn)在增加光電二極管的主要不同表現(xiàn)在增加了一個附加層，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生的二次電了一個附加層，以實現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生的二次電子子空穴對。空穴對。在反偏時，夾在I層和N層之間的

28、P層中存在著高電場，該層稱為倍增區(qū)倍增區(qū)或增益區(qū)增益區(qū)，耗盡層仍為I層，它起著產(chǎn)生一次電子空穴對的作用，如下圖所示： （3 3）光檢測器電路）光檢測器電路無論什么類型的光電二極管，當它加上反向電壓之后，在光子的撞擊下都會產(chǎn)生光電流，并且光電流強度與光子的強度成正比。在一個簡單電路中，用一個合適的串聯(lián)電阻可以將光電流轉(zhuǎn)換成電壓。如下圖所示： 光纖傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用之一就是完成長距離通信，同時由于光纖系統(tǒng)帶寬容量大，因而可以傳送更多的信息。2.4.3 2.4.3 光纖在飛機上的應(yīng)用光纖在飛機上的應(yīng)用光纖在航線可更換組件（LRU）之間傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，如下圖所示： 1.1.光纖光纖(1) (1) 光纖的優(yōu)點：光纖的優(yōu)點： 適應(yīng)能力強應(yīng)能力強光纖不會受電磁場的干涉影響，所以光纖提供了比銅線更清晰的信號，光纖也不會受到發(fā)動機轉(zhuǎn)動或電源故障的影響； 中繼距離長中繼距離長光纖中的信號衰減較小，在長的線路上每30km才需要一個中繼器，而銅線每5km就需要一個中繼器，這使得光纖可以節(jié)約