So terminieren Sie eine 50-Ohm-Übertragungsleitung, ohne Gleichstrom zu ziehen

Ich sende einen digitalen Datenstrom von 10 MB/s durch Amplitudenmodulation eines Infrarot-Quantenkaskadenlasers. Der Laser benötigt eine kräftige Vorspannung von etwa einem halben Ampere (was etwa 8,5 Volt über dem Laser abfällt). Ich mische das digitale Signal mit der Vorspannung unter Verwendung eines Breitband-Vorspannungs-T-Stücks (ein Picosekunden-Pulse Labs 5546 ). Das Bias-T-Stück erwartet eine 50-Ohm-Last am AC+DC-Anschluss. Wenn ich einen 50-Ohm-Leistungswiderstand zum Abschluss der Leitung verwende, ist alles in Ordnung und das Signal sieht auf dem Oszilloskop gut aus. Wenn ich jedoch eine Last verwende, die den Laser simuliert (ein 5-Watt-8,2-Volt-Zener in Reihe mit einem 1-Ohm-Widerstand), gibt es extremes Klingeln. Dies war zu erwarten, da die dynamische Impedanz dieser simulierten Last etwa 2,5 Ohm beträgt (die dynamische Impedanz des Lasers beträgt etwa 4 Ohm bei 500 mA).

Ich kann die Lastimpedanz nicht einfach mit einem Vorwiderstand erhöhen, da dies bei einem halben Ampere etwa 12 Watt Wärme im Inneren des temperaturgeregelten Lasergehäuses erzeugen würde. Allerdings beträgt die Modulationsamplitude nur etwa 70 mA, was an 50 Ohm nur ein Viertel Watt erzeugt, was akzeptabel ist. Was ich also tun muss, ist, nur der HF und nicht dem Gleichstrom eine 50-Ohm-Last zuzuführen.

Gibt es ein handelsübliches Gerät, das das kann? Wenn nein, gibt es Designbeispiele für ein passives Netzwerk für diesen Zweck?

Antworten (5)

Nach vielen Experimenten in LTSpice habe ich ein passives Netzwerk entwickelt, das funktionieren sollte. R9, R10, R11 und C5 sind L3-intern. R15, R16, R17 und C8 sind intern zu L4.

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Hier ist die Breitband-AC-Analyse:

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Ich vermute hier nur, aber ich würde vermuten, dass es sich um eine Art AC-Terminierung handelt: im Grunde ein Widerstand und eine Kappe in Reihe mit GND. Wenn Ihr Datenstrom DC-symmetrisch ist, liegt die Obergrenze normalerweise bei etwa 0,1 uF und der Widerstand bei 50 Ohm. Wenn Ihr Datenstrom nicht DC-ausgeglichen ist, beträgt die Obergrenze weniger als 800 pF und der Widerstand liegt immer noch bei etwa 50 Ohm.

Hinweis: Diese Terminierung ist ideal, wenn Ihr Datenstrom DC-symmetrisch ist. Wenn es nicht ausgewogen ist, dann probieren Sie wirklich nur verschiedene Werte aus, bis Sie etwas finden, das funktioniert - es ist nicht ideal, aber es ist nah dran.

Der Datenstrom wird dadurch ausgeglichen, dass es so viele "1"-Bits wie "0"-Bits gibt. Ich muss den Gleichstrom jedoch immer noch mit wenig oder keiner zusätzlichen Serienimpedanz weiterleiten, sodass nur eine Kappe und ein Widerstand nicht ausreichen. Eine Kappe, ein Widerstand parallel zu einer Reihe von Induktivitäten, könnte funktionieren.
@ThomasMcLeod Die Kappe blockiert den Gleichstrom, sodass jeder Strom durch den Abschluss nur aus dem Wechselstromteil des Signals resultiert.
@Thomas, David ist hier richtig. Dies ist das Formular. Der Kondensator ist näher an kurz, wenn Sie auf eine höhere Frequenz gehen. Für Ihren höchsten Spektralinhalt muss der Abschluss passend sein. Es wird nicht übereinstimmen, wenn Ihre Frequenz niedriger wird, aber wenn Sie niedriger werden, sollte es weniger wichtig sein. Das ist der Preis, den Sie für keinen Gleichstrom zahlen. Dies wirkt sich nicht auf die Serienimpedanz aus.
Ich sehe nicht, wie das möglich ist. Ein Reihen-RC-Abschluss (50 Ω+C) über eine dynamische Impedanz von 4 Ω führt zu einem Nettoabschluss von 3,7 Ω bei HF. Das Isolieren des Lasers mit einer Reiheninduktivität könnte den korrekten AC-Abschluss ergeben, blockiert jedoch die Daten vom Laser und zerstört das Objekt.
@ MikeJ-UK - Er betreibt den Laser wahrscheinlich direkt an seiner Schwellenspannung oder moduliert die Daten auf eine kontinuierliche Laserausgabe. Der Laser muss nicht hart-ein oder hart-aus sein, die Helligkeit muss nur genug variieren, um am anderen Ende erkannt zu werden.
@Fake Name - Ja, das OP sagt 70 mA Modulation bei 500 mA Vorspannung. Wenn die Signalspannung 280 mV beträgt, beträgt die dynamische Impedanz 4 Ω, wie das OP sagt. Er kann alles parallel dazu schalten und 50 Ω bekommen. Ich denke, wir müssen auf das OP warten, um zu sehen, ob wir das richtig verstehen.
@ MikeJ: Ihre Analyse ist die richtige. Die hinzugefügte HF-Abschlussimpedanz muss mit dem 4-Ohm-Laser in Reihe geschaltet werden, um sie auf 50 Ohm zu erhöhen. Aber ich muss auch den Gleichstrom ohne die zusätzliche Impedanz an den Laser weiterleiten.
@ThomasMcLeod Nun Fudge! Das habe ich vermisst. Das wird schwer zu lösen sein.
Übrigens, gibt es eine Mindestfrequenz, unter der ich mir keine Gedanken über die 50-Ohm-Terminierung der Übertragungsleitung machen muss? Die Linie wird nicht länger als 2 Meter sein.
@ThomasMcLeod: Idealerweise möchten Sie 0% Energieerhaltung bei doppelt reflektierten Signalen, und eine perfekte Impedanzanpassung an beiden Enden wird Ihnen das geben. Wenn die Impedanz an einem bestimmten Ende entweder das 2-fache oder das 0,5-fache der Impedanz des Kabels beträgt, verliert dieses Ende die Hälfte der Energie bei der Reflexion und behält die Hälfte. Bei 4x oder 0,25x verliert es 1/4 und behält 3/4. Ermitteln Sie die Hin- und Rücklaufzeit des Kabels und für jede Frequenz die Energieretention pro Hin- und Rückfahrt, die Anzahl der Hin- und Rückfahrten pro Periode und damit die Energieretention pro Periode und stellen Sie sicher, dass sie nahe genug bei Null liegt, um akzeptabel zu sein.

Wie ich in meinen Kommentaren sagte, sehe ich nicht, wie dies getan werden kann. Allerdings bin ich mir nicht sicher, warum Sie das Signal und die Vorspannung auf diese Weise hinzufügen möchten. Ich habe nur ein wenig Erfahrung mit Kommunikationslasern (und das ist lange her), aber ich würde eine Lasertreiberschaltung erwarten, die die Rückkopplung einer integrierten PIN-Diode verwendet, um sicherzustellen, dass der Mindeststrom (Signal + Vorspannung) knapp über dem Laser liegt Schwelle.

Wenn Sie das Signal wirklich aus der Ferne zur Vorspannung hinzufügen müssen, besteht die einzige Möglichkeit, die ich sehe, darin, das Signal von der Stromversorgung zu trennen und eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Lasers zu verwenden.

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Dies ist keine herkömmliche Com-Diode, wie man sie zum Ansteuern von Glasfasern verwenden könnte. Wir modulieren nicht durch die Laserschwelle; die Anwendung erfordert nur etwa 20 % Modulationstiefe. Es ist eine Infrarot-Spektroskopie-Anwendung. Das Signal ist eigentlich ein digitales Etikett, das den Laser identifiziert. Andere haben versucht, das Signal durch Strominjektion am Laserkopf hinzuzufügen, aber das hat seine eigenen Probleme. Also probiere ich das Bias-T-Shirt. Übrigens, wie lautet die Teilenummer des Verstärkers in Ihrer Zeichnung?
@ThomasMcLeod - Interessante Anwendung (und weit außerhalb meiner Erfahrung) Der Verstärkerblock stellt nur einen hypothetischen Treiber dar, fürchte ich!

Das eigentliche Problem hier ist nicht, dass die Vorspannung T eine 50-Ohm-Last benötigt, sondern dass die Übertragungsleitung zwischen dieser und dem Laser eine Impedanzanpassung erfordert.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu lösen

  • Verbinden Sie die Übertragungsleitung mit dem Laser durch die parallele Kombination einer Induktivität (um die Vorspannung weiterzuleiten) und einem 47-Ohm-Widerstand (um die Wechselstromimpedanz auf ungefähr die der Leitung zu erhöhen).

  • Wenn der obige Widerstand zu viel Leistung (aus der AC-Modulation allein) in Wärme innerhalb des Gehäuses umwandeln würde, können der Widerstand und die Induktivität zum Quellenende verschoben werden. Messungen irgendwo in der Mitte der Übertragungsleitung zeigen verzerrende Reflexionen, aber sie werden größtenteils im Quellwiderstand absorbiert, bevor sie wieder zum Lastende reflektiert werden und die angewandte Modulation verzerren können

  • Eine effizientere Abgabe von Modulationsleistung würde einen Impedanzanpassungstransformator verwenden, um die niedrige Laserimpedanz an die 50-Ohm-Leitungsimpedanz anzupassen, wobei das Impedanzverhältnis das Quadrat des Windungsverhältnisses ist. Ein Induktor, der den Transformator überbrückt, könnte die Vorspannungsversorgung koppeln. Ein verlustfreies (kein Widerstand) Anpassungsnetzwerk bietet jedoch keinen Platz, um die Folgen einer auftretenden Fehlanpassung sicher zu absorbieren, und jede Reaktanz der Laserlast wird der Modulationsquelle zurückgeführt - so dass der Modulationstreiber an die angepasst wird Bias T/Übertragungsleitung Quellenende mit einem Widerstand wäre ebenfalls nützlich.

Ich bin mir nicht sicher, wie Sie den Transformator einfügen. Können Sie eine Zeichnung liefern?
Entschuldigung, ich habe keine geeignete Software zur Hand, aber ich habe die Antwort komplett neu geschrieben, um sie neu zu organisieren.
Das sind gute Ideen. Ich kann jedoch die transformierte Laserimpedanz selbst nicht zum Abschluss verwenden, da es sich um ein nichtlineares Gerät handelt und die Impedanz mit dem Strom variiert (von etwa 3 Ohm bis 5 Ohm). Zweitens ist das digitale Signal breitbandig (von 1 kHz bis 100 MHz), was ein Problem darstellt, wenn der Transformator das Signal tatsächlich weiterleitet.
Klingt so, als ob Sie das resistive Streichholz wollen, wenn Sie die Kraft zum Verschwenden haben. Oder konstruieren Sie eine Übertragungsleitung mit einer anderen Impedanz (berücksichtigen Sie Rohre/Schläuche). Beachten Sie, dass die Transformatorkopplung ziemlich häufig ist, beispielsweise in kabelgebundenem Ethernet.

Sie können einfach eine impedanzangepasste Modulationsquelle verwenden. es überschwemmt die reflektierte Leistung und sollte das Klingeln eliminieren. Beachten Sie, dass das Signal an der Quelle nicht gut aussieht, selbst wenn es an der Laserdiode in Ordnung ist.

So terminieren Sie eine 50-Ohm-Übertragungsleitung, ohne Gleichstrom zu ziehen
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