capítulo 3 projeto de um transceptor Óptico para comunicação

26
54 Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação Digital em Espaço Livre 3.1. Introdução Neste capítulo, é descrita a solução encontrada para a conexão de duas redes locais do tipo Ethernet Rápida (FastEthernet) e o projeto do par de transceptores ópticos destinados a esta finalidade. Também é descrita a montagem experimental do sistema de comunicação realizada em bancada. Todo o projeto foi realizado com componentes disponíveis comercialmente. Todas as experiências e demais realizações práticas foram desenvolvidas no Laboratório de Microeletrônica da EPUSP (LME). 3.2. Escolha do comprimento de onda Foi adotado o comprimento de onda de 850 nm, devido ao bom desempenho e baixo custo de componentes optoeletrônicos operantes neste comprimento de onda (ver seção 2.6). 3.3. Escolha do par laser/fotodiodo Para a transmissão, foi adotado um par de diodos laser do tipo VCSEL, com potência óptica máxima de 5 mW e banda passante de 1,25 GHz [67]. Algumas de suas características são mostradas na Tabela 10. Tabela 10 – Características do VCSEL adotado (valores típicos). Modelo OPV214Y Comprimento de onda ~ 850 nm Largura espectral 0,85 nm Corrente de limiar 3,3 mA Tempo de subida/descida (20 – 80 %) 200 ps Potência óptica em 24 mA ~ 5 mW Fonte: [67]

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Page 1: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

54

Capítulo 3

Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação Digital em Espaço Livre

3.1 . Introdução

Neste capítulo, é descrita a solução encontrada para a conexão de duas redes locais do

tipo Ethernet Rápida (FastEthernet) e o projeto do par de transceptores ópticos destinados a

esta finalidade. Também é descrita a montagem experimental do sistema de comunicação

realizada em bancada.

Todo o projeto foi realizado com componentes disponíveis comercialmente. Todas as

experiências e demais realizações práticas foram desenvolvidas no Laboratório de

Microeletrônica da EPUSP (LME).

3.2 . Escolha do comprimento de onda

Foi adotado o comprimento de onda de 850 nm, devido ao bom desempenho e baixo

custo de componentes optoeletrônicos operantes neste comprimento de onda (ver seção 2.6).

3.3. Escolha do par laser/fotodiodo

Para a transmissão, foi adotado um par de diodos laser do tipo VCSEL, com potência

óptica máxima de 5 mW e banda passante de 1,25 GHz [67]. Algumas de suas características

são mostradas na Tabela 10.

Tabela 10 – Características do VCSEL adotado (valores típicos).

Modelo OPV214Y Comprimento de onda ~ 850 nm Largura espectral 0,85 nm Corrente de limiar 3,3 mA Tempo de subida/descida (20 – 80 %) 200 ps Potência óptica em 24 mA ~ 5 mW

Fonte: [67]

Page 2: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

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Para a fotodetecção, foi utilizado um par de fotodiodos de Si PIN com diâmetro da

área ativa de 343 μm [68]. Devido à área ativa reduzida, tais fotodiodos são mais adequados

para comunicações por fibra. Não obstante, o emprego de lentes para concentração do feixe

recebido sobre a área ativa do fotodiodo aumenta a eficiência de acoplamento óptico. A

Tabela 11 apresenta algumas características importantes do fotodetector empregado.

Tabela 11 – Características do fotodiodo adotado (valores típicos).

Modelo OPF480 Comprimento de onda de pico de responsividade ~ 860 nm Responsividade (860 nm) 0,55 A/W Diâmetro da área ativa 343 μm Corrente de escuro (tensão reversa = 5 V) 0,1 nA Tempo de subida/descida (10 – 90 %, em 50 Ω) 2 ns Capacitância total (tensão reversa = 5 V) 1,5 pF

Fonte: [68]

3.4. Escolha da técnica de modulação

Dentre as diversas técnicas de modulação possíveis para comunicações ópticas, a

adoção de um formato de modulação binário, do tipo OOK (On-Off Shift Keying) era

favorável devido à disponibilidade de circuitos integrados (CIs) dedicados. Durante a

elaboração deste trabalho, constatou-se que a totalidade dos fabricantes de sistemas FSO

pesquisados utilizava o formato de modulação OOK, pela mesma razão [42].

Especificamente, por razões esclarecidas na próxima seção, o formato de modulação

empregado na comunicação por espaço livre foi o OOK-NRZI (Non-return to Zero Invert on

ones) [69].

3.5. Considerações quanto à conversão de protocolo/modulação

Os computadores do laboratório empregados na demonstração do sistema de

comunicação estavam preparados para a conexão em rede do tipo Ethernet 100BASE-TX

(padrão IEEE 802.3u), isto é, redes Ethernet Rápida, onde o número 100 indica que a taxa

efetiva é 100 Mbps e a sigla TX indica que o meio de transmissão é o cabo de par trançado de

cobre que, no caso considerado, é de categoria 5 UTP (Unshielded Twisted Pair).

Page 3: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

56

A Ethernet Rápida é uma evolução para a velocidade de 100 Mbps da rede Ethernet de

10 Mbps especificada no padrão IEEE 802.3, e mantém essencialmente as mesmas

funcionalidades do padrão original [70]. A evolução para Ethernet Rápida teve como requisito

manter a compatibilidade com as redes Ethernet e, por isto, manteve-se a concepção original

da funcionalidade da camada MAC (Medium Access Control), responsável pelo protocolo de

múltiplo acesso ao meio CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection),

e decidiu-se apenas aumentar a velocidade de transmissão de dados, o que levou a uma

reformulação da camada física. Estas modificações foram especificadas em um adendo ao

padrão original, designado IEEE 802.3u. Foram adotadas, neste adendo, as especificações de

camada física originalmente concebidas para outro tipo de rede local, designado FDDI (Fiber

Distributed Data Interface). De acordo com estas especificações, existem sempre duas linhas

partindo de cada estação da rede, uma para transmissão e outra para recepção de sinais, e a

operação em modo full-duplex é possível. Assim, apesar de poder operar como no padrão

Ethernet original, no qual as estações compartilham do mesmo meio operando em modo half-

duplex e empregando o esquema CSMA/CD, na rede Ethernet Rápida o modo de operação

full-duplex é o preferencialmente utilizado, devido ao melhor aproveitamento da banda

passante disponível. Para tanto, é necessária a utilização do hub chaveado (switch) [70].

A seqüência de codificações realizada sobre um sinal digital binário que chega à

camada física na rede Ethernet 100BASE-TX é mostrada na Figura 21 [69]. Na transmissão,

os dados chegam em grupos de 4 bits paralelos, e cada grupo é codificado em um

correspondente grupo de 5 bits (codificação 4B5B). Os dados codificados em 4B5B são então

embaralhados (scrambled), isto é, codificados por um algoritmo que não aumenta o número

de bits. As codificações 4B5B e scrambler têm como objetivo gerar um sinal com a menor

repetição consecutiva de “zeros” e “uns” possível, de modo a facilitar o sincronismo do

relógio do receptor com o do transmissor. Os dados codificados, até então em formato NRZ,

são convertidos para NRZI e, finalmente, para MLT-3 (Multiple-Level Transition de 3 níveis),

formato este utilizado para transmissão pelo cabo de par trançado. Na recepção, o sinal passa

por todas as etapas de decodificação até deixar a camada física em grupos de 4 bits paralelos

de formato NRZ.

Page 4: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

57

4B/5B Scrambler NRZ/NRZI

Codificador MLT-3

Formato dos dados: Paralelo ou Serial

Paralelo 4 bits

Paralelo 5 bits

Paralelo 5 bits

Serial Serial

Formato do sinal:

NRZ NRZ NRZ NRZI MLT-3

Par trançado

Transmissão

4B/5B descramblerNRZI/NRZ

Decodificador MLT-3

Formato dos dados: Paralelo ou Serial

Serial

Serial

Paralelo 5 bits

Paralelo 5 bits

Paralelo 4 bits

MLT-3 NRZI

NRZ NRZ NRZ

Formato do sinal:

Par trançado

Recepção

Figura 21 – Diagrama esquemático da seqüência de codificações e decodificações aplicadas sobre o sinal, respectivamente, na transmissão e na recepção, em Ethernet 100BASE-TX [69].

Na técnica de modulação MLT-3, cada bit é codificado em um de três possíveis níveis

de tensão [71], definidos por -1, 0 e +1 V. São permitidas apenas transições entre níveis

vizinhos e consecutivos, isto é, de -1 para 0, de 0 para +1, de +1 para 0 e de 0 para -1. Quando

o bit ‘1’ é transmitido, ocorre uma transição. Quanto o bit ‘0’ é transmitido, o valor do último

símbolo é mantido. A Figura 22 mostra um exemplo da forma de onda resultante da

codificação em MLT-3 de uma seqüência de bits.

Seqüência de bits a ser codificada

Relógio da seqüência de bits

Seqüência codificada em MLT-3 0

+ 1

- 1

Figura 22 – Exemplo da codificação de uma seqüência de bits em formato de modulação MLT-3.

Tendo sido adotado um formato de modulação do tipo OOK, era necessário realizar a

conversão entre os formatos de modulação. Portanto, utilizou-se um conversor de mídia

Ethernet 100BASE-TX/100BASE-FX (disponível comercialmente), para conversão de par

Page 5: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

58

trançado para fibra óptica e vice-versa. Ao realizar a conversão do par trançado para fibra, o

conversor de mídia converte o formato de modulação de MLT-3 para OOK-NRZI e realiza o

inverso na conversão de fibra para par trançado.

A Figura 23 mostra um diagrama simplificado do funcionamento do conversor de

mídia [72]. Na conversão de par trançado para fibra óptica, o sinal que chega pelo cabo de par

trançado em MLT-3 (e contendo todas as codificações realizadas na transmissão, conforme

mostra a Figura 21) é convertido para NRZI e os dados e o relógio são recuperados no bloco

CDR (Clock and Data Recovery). A seguir, o sinal é convertido para NRZ com o objetivo de

ser decodificado pelo bloco descrambler e finalmente convertido para NRZI para transmissão

por fibra. Na conversão de fibra óptica para par trançado, o sinal que chega pela fibra é

codificado pelo bloco scrambler, e posteriormente convertido para NRZI, antes da conversão

final para MLT-3. O conversor de mídia adotado opera em comprimento de onda de 1310 nm

e fibra óptica multimodo [73].

Conversão de par trançado para fibra óptica

Figura 23 – Diagrama ilustrativo do funcionamento interno de um conversor de mídia Ethernet 100BASE-TX/100BASE-FX.

3.6. Concepção do sistema de comunicação

A aplicação dos transceptores na conexão de duas redes locais Ethernet Rápida é

ilustrada na Figura 24. Os transceptores são designados por transceptor 1 e transceptor 2. A

entrada e saída de dados nos transceptores 1 e 2 ocorre via fibra óptica multimodo, em OOK-

NRZI e em comprimento de onda de 1310 nm, de modo a serem compatíveis com o conversor

de mídia adotado [73].

descramblerNRZI/NRZ

NRZI NRZ NRZ NRZI

Decodificador MLT-3

MLT-3

Par trançado

NRZ/ NRZI Driver

LED

NRZI

CDR

NRZI

Fotodiodo

Conversão de fibra óptica para par trançado

Scrambler NRZ/NRZI

NRZI NRZ NRZ NRZI Codificador

MLT-3

MLT-3

Par trançado

NRZI

Amplificação NRZI/CDR NRZ

Page 6: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

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Switch

Switch

Par de fibras ópticas

multimodo, λ=1310 nm

Conversor de mídia 1

Transceptor 2

Transceptor 1

Rede de computadores B

Rede de computadores A

Conversor de mídia 2

Cabo elétrico

Figura 24 – Diagrama ilustrativo da aplicação do par de transceptores na conexão de duas redes locais.

O diagrama de blocos da estrutura interna dos transceptores pode ser vista na Figura

25. O presente trabalho trata da implementação dos dois blocos delimitados pelas linhas

pontilhadas vermelhas, designados por Transceptor 1 e Transceptor 2.

3.6.1. Partes constituintes do transceptor

3.6.1.1. Circuito modulador

O circuito modulador (ou circuito de excitação do laser) tem como função modular a

potência óptica emitida pelo laser. Para tanto, ele converte o sinal a ser transmitido na

corrente elétrica de excitação com forma de onda apropriada ao formato de modulação

empregado.

O CI MAX3263 foi adotado como circuito modulador [74]. Este CI permite o ajuste

da corrente de polarização do laser, Ip, e da magnitude da corrente de modulação, Im.

Definindo I1 como sendo a corrente elétrica correspondente ao bit ‘1’ e I0 a corrente elétrica

correspondente ao bit ‘0’, tem-se que I =I1 m+I e Ip 0=Ip.

Page 7: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

60

Tx

Rx

Transceptor 2

Tx Rx

OOK-NRZI

MLT-3

Tx Rx Con

vers

or d

e m

ídia

2

Circuito Modulador

Laser

Conversor O/E Tx Rx

Conversor E/O Rx Tx

HFBR-5103T

Sinal Elétrico Tx

Sinal elétrico Rx

Transceptor 1

Amplificador Limitador

Pré-amplificador 5V

Fotodiodo

Tx Rx

OOK-NRZI

MLT-3

Tx Rx Con

vers

or d

e m

ídia

1

Swicht de rede Ethernet

100baseTX Rede A

Par trançado de cobre Categoria 5

Par de fibras ópticas multimodo, 1310nm

Swicht de rede Ethernet

100baseTX Rede B

Conversor E/ORx

Conversor O/ETx

HFBR-5103T

Circuito Modulador

Laser

Sinal Elétrico Tx

Sinal elétrico Rx

Amplificador Limitador Pré-amplificador

Fotodiodo

5V

Par de fibras ópticas multimodo,1310nm

Par trançado de cobre Categoria 5

Sinais Infravermelho

em espacço livre, 850nm

Figura 25 – Diagrama de blocos representativo do sistema de comunicação da Figura 24.

Page 8: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

61

3.6.1.2. Pré-amplificador

O pré-amplificador tem a função de converter a corrente gerada pelo fotodiodo em

tensão, através de uma relação de ganho elevada, geralmente da ordem de 2000 a 100.000 Ω.

As características de resposta em freqüência e ruído deste amplificador determinam em

grande parte o desempenho de um receptor óptico [75]. Neste trabalho, um amplificador de

transimpedância foi projetado para atuar como pré-amplificador. As justificativas para a

escolha do amplificador de transimpedância e a descrição de seu projeto são feitas na seção

3.7.

3.6.1.3. Amplificador limitador

Conforme pode ser visto na Figura 25, foi empregado, como estágio subseqüente ao

pré-amplificador, um amplificador limitador. Devido às distorções sofridas pelo sinal ao

passar pelo canal de comunicação e pelas funções de transferência do fotodiodo e pré-

amplificador (principalmente quando a banda passante destes elementos é limitada), o sinal na

saída do pré-amplificador não apresenta mais o formato retangular original. O amplificador

limitador tem a função de restabelecer os níveis de tensão e tempos de subida e descida com

os quais os circuitos digitais subseqüentes operam adequadamente. Ele amplifica o sinal

apenas quando este apresenta amplitude pico-a-pico maior do que uma tensão de limiar

mínima, Vth. A tensão de limiar do amplificador limitador tem um papel importante na

definição da sensibilidade do circuito receptor. Seja Pth a mínima potência óptica média

necessária para gerar um sinal de tensão na entrada do amplificador limitador com amplitude

pico-a-pico maior do que V . Se a potência óptica média incidente for menor do que Pth th, o

amplificador limitador não amplificará o sinal, e os estágios subseqüentes não receberão sinal

algum. Portanto, o menor valor obtenível de sensibilidade do receptor é igual a Pth. Foi

adotado o CI MAX3964 para operar como amplificador limitador [76]. Este CI permite o

ajuste da tensão de limiar, V , sendo seu valor mínimo igual a 2 mV. th

3.6.1.4. Interface para comunicação por fibra óptica

A interface de entrada e saída de dados dos transceptores FSO é realizada por fibra

óptica multimodo pelo transceptor HFBR-5103T [77]. Na Figura 25, este transceptor é

Page 9: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

62

representado pelo bloco HFBR-5103T. Sua utilização no projeto surgiu da necessidade de

conectar os transceptores FSO ao conversor de mídia.

3.7. Projeto de um amplificador de transimpedância

Existem diversos tipos de circuitos adequados para conversão da fotocorrente em

tensão [75]. Dentre estes circuitos, a utilização de um amplificador na configuração de

transimpedância tem sido uma alternativa amplamente adotada, devido às seguintes

características [78]:

• O fotodiodo pode ser operado em modo fotocondutivo, sob elevadas tensões reversas

de polarização. O modo fotocondutivo estabelece uma relação linear entre potência

óptica detectada e fotocorrente, e a aplicação de tensão reversa reduz a capacitância de

junção do fotodiodo, contribuindo para o aumento da banda passante;

• O amplificador de transimpedância reduz as oscilações de tensão no terminal do

fotodiodo que se conecta a ele. Isto resulta em boa linearidade entre potência óptica

detectada e fotocorrente;

• A impedância vista pelo fotodiodo é dada por Z /Af O, onde Zf é a impedância da malha

de realimentação e AO é o ganho em malha aberta do amplificador utilizado. Quanto

maior for AO, menor é a impedância vista pelo fotodiodo, possibilitando a obtenção de

bandas passantes elevadas;

Nesta seção, é descrito o projeto de um pré-amplificador de transimpedância partindo-

se de um amplificador operacional de elevado produto ganho por banda, conforme ilustra a

Figura 26. Devido ao elevado ganho do amplificador operacional, a tensão na saída circuito

seria idealmente dada por:

fpo RtitV ⋅−= )()( (9)

em que i (t) é a fotocorrente e R é a resistência de realimentação. p f

Page 10: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

63

Figura 26 – Diagrama esquemático do pré-amplificador de transimpedância.

O modelo elétrico equivalente de um fotodiodo é mostrado na Figura 27, onde a fonte

de corrente ip representa a corrente de sinal, id a corrente reversa (corrente de escuro) e in a

corrente de ruído shot gerado pela soma da corrente reversa com a fotocorrente [75]. Cj é a

capacitância de junção do fotodiodo, R a resistência paralela (shunt), Rj s a resistência série do

fotodiodo (incluindo contatos) e C , Lb e e Ce são componentes parasitários advindos dos

contatos do chip e do encapsulamento do fotodiodo.

Contatos Encapsulamento

Figura 27 – Modelo elétrico de um fotodiodo PIN.

Para a faixa de freqüências de interesse deste trabalho (até 125 MHz), os parâmetros

R , R , C , Cj s p e e Le não influenciam no desempenho do estágio de entrada do receptor, como

pode ser averiguado pela caracterização, reportada na literatura e reproduzida na Figura 28, da

impedância de um fotodiodo de Si PIN com capacitância de junção semelhante e

encapsulamento igual ao do fotodiodo utilizado neste trabalho [75, 79]. Como pode ser visto

na Figura 28, a impedância do fotodiodo é predominantemente capacitiva abaixo de 1 GHz,

caracterizada pela queda de 20 dB/década da magnitude e fase de -90º, demonstrando a

predominância da capacitância de junção Cj. Portanto, nesta faixa de freqüências, o fotodiodo

é bem representado por um modelo que leva em consideração apenas a capacitância de

junção.

Page 11: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

64

Zo

10M 100M 1G 10G0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Freqüência (Hz)

Mag

nitu

de d

e Z o (

dB)

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

Fase de Zo (graus)

Figura 28 – Modelo elétrico e curvas de Bode da impedância de um fotodiodo com características semelhantes ao utilizado neste trabalho [75].

O circuito utilizado para se analisar o comportamento elétrico do pré-amplificador é

mostrado na Figura 29, onde Zi representa a impedância de entrada do amplificador

operacional. A capacitância Cf é a capacitância parasitária existente no elo de realimentação.

Sua inclusão no modelo é importante, pois esta capacitância contribui para realizar uma

compensação de fase, garantindo a estabilidade do circuito [78].

Zi

Figura 29 – Esquema do circuito elétrico utilizado para análise do pré-amplificador.

A tensão na saída do circuito da Figura 29 é dada por [78]:

)()(11

1)(

)(

ssA

sCRR

sise

O

ff

fp

o

β⋅+

+⋅−

= (10)

Page 12: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

65

onde: ip: fotocorrente;

A : ganho de malha aberta do amplificador operacional ; O

β: fator de realimentação do circuito.

O fator β representa a função de transferência da saída eo para a entrada negativa do

amplificador operacional. Uma expressão de reduzida complexidade para β pode ser obtida

adotando-se duas simplificações [78]:

- A impedância de entrada Zi do amplificador operacional é representada por duas

capacitâncias, Cdif e C , em paralelo. As capacitâncias Cmc dif e Cmc são, respectivamente, a

capacitância diferencial e a capacitância de modo comum existentes na entrada do

amplificador operacional;

- O ganho de malha aberta do amplificador operacional, AO, é de pólo simples.

Assim, β pode ser escrito como [78]:

sCCCCRsCR

fmcdifjf

ff

)(11

+++++

=β (11)

Com as simplificações, a análise das Eqs. 10 e 11 revela que o circuito comporta-se

como um sistema de segunda ordem em que o ganho em função da freqüência apresenta um

pico que ocorre numa freqüência próxima à freqüência de corte do sistema, denominada

freqüência de ressonância e dada por [78]:

)(2 fmcdifjf

cr CCCCR

ff+++

(12)

onde fc é a freqüência de ganho unitário do ganho de malha aberta do amplificador

operacional.

A resistência de realimentação Rf pode ser estimada utilizando-se a equação 12, onde,

como uma primeira aproximação, a freqüência de ressonância fr é substituída pela banda

passante desejada. O pré-amplificador tem a função de amplificar um sinal no formato OOK-

NRZI com taxa de 125 Mbps. Para tanto, uma freqüência de corte entre 62,5 MHz e 125 MHz

é suficiente para garantir a qualidade do sinal recuperado [75]. Portanto, foi arbitrariamente

adotada freqüência de corte igual a 110 MHz.

Page 13: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

66

De acordo com as especificações técnicas do amplificador operacional adotado, fc =

1600 MHz, C = 2 pF e Cdif mc = 1 pF [80]. No projeto, foram utilizados resistores de filme de

carbono, cuja capacitância parasitária situa-se entre 0,1 e 0,3 pF [81]. Devido a isto, para

tornar a análise mais realista, adotou-se, Cf = 0,2 pF.A capacitância de junção do fotodiodo

para uma tensão reversa de 5 V é, por sua vez, 1,5 pF [68]. Portanto:

Ω=⋅+++⋅⋅

⋅=

+++⋅= − k

CCCCffR

fmcdifjr

cf 5,4

10)2,0125,1()10110(2101600

)(2 1226

6

2 ππ

Para Rf,= 4,5 kΩ, a banda passante, obtida pela simulação no PSPICE, é 112 MHz.

Aumentando-se ligeiramente R para obter banda passante igual a 110 MHz, conclui-se que: f

Rf = 4,7 kΩ

3.7.1. Resposta em freqüência do pré-amplificador

A Figura 30 mostra o esquema do circuito utilizado nas simulações. Neste esquema, o

fotodiodo está representado por seu modelo elétrico simplificado (gerador de corrente ip e

capacitância de junção C ). A resistência Rj o representa a impedância de entrada do estágio

subseqüente (amplificador limitador).

0

+

-

Vee

Vcc

OUT

U3

OPA6863

2

6

VCC

VEE

0

VCCCj1,5 pF

Rf

ip

Ro 500 Ω

eoIN-

Cf

5 V

Figura 30 – Esquema elétrico utilizado para as simulações do pré-amplificador no PSPICE.

Para a análise da resposta em freqüência e estabilidade do amplificador de

transimpedância, foram realizadas simulações de três funções de transferência:

; - a resposta em freqüência do ganho de malha aberta do amplificador operacional, AO

Page 14: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

67

- o fator de realimentação β;

- o ganho de transimpedância do circuito em malha fechada, A . MF

A Figura 31 mostra os três esquemas elétricos utilizados para as simulações destas

curvas.

a) Simulação do ganho de malha fechada, AMF

b) Simulação do fator de realimentação, β

c) Simulação do ganho do amplificador operacional, AO

Figura 31 – Esquemas elétricos utilizados para a simulação das funções de transferência do ganho de malha fechada, AMF (a), do fator de realimentação, β (b) e do ganho de malha aberta

do amplificador operacional, A0 (c).

VCC

IN-

1.5pFCj

ip

VEE

eo

VCC

+

-

Vee

Vcc

OUT

U3

OPA6863

27

4

6

00

Cf

Rf

p

oMF i

eA =

R500 Ω

0

VEE

IN-

Cf

R

0

0+

-

Vee

Vcc

OUT

U3

OPA6863

27

4

6

0

VCC

Cj5

e

1,

o

0evIN −=β

R500 Ω

+

-

Vee

Vcc

OUT

U1

OPA6863

27

4

6

VCC

0

VEE

00

vi

500 Ω Ro

vo

i

oO v

vA =

Page 15: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

68

As curvas de ganho de malha fechada, AMF, de 1/β e do ganho de malha aberta do

amplificador operacional, AO, para Rf = 4,7 kΩ são mostradas na Figura 32. Também é

mostrada a curva de fase do produto AOβ. A estabilidade do circuito é determinada

observando-se o comportamento das curvas de magnitude e fase do ganho de malha aberta

AOβ. Isto é convenientemente feito observando-se o ponto de cruzamento entre a curva de

magnitude de 1/β, e a curva de magnitude de AO. No ponto onde as curvas se cruzam, tem-se

que 1=βOA . Se a curva de fase de AOβ tiver passado por 0º (ou 360º) antes do cruzamento

de 1/ β com AO, então haverá instabilidade. Se a fase de AOβ for igual 0° (ou 360°) na

freqüência de cruzamento das curvas, então o sistema oscilará nesta freqüência. Se, porém, a

curva de fase de AOβ passar por 0° ou 360° após o cruzamento das curvas de AO e 1/β, o

sistema será estável [78].

Pode ser visto que para Rf = 4,7 kΩ o sistema é estável, com margem de fase igual a

41°. A menor fase na qual 1>βOA ocorre em 21 MHz, e corresponde a 25,7°. Um valor

maior para Cf poderia ser calculado visando a aumentar ainda mais a margem de fase, com

correspondente diminuição da banda passante. No entanto, a própria disposição das trilhas na

placa de circuito impresso e a geometria dos componentes introduzem capacitâncias

parasitárias que aumentam o valor de Cf. Portanto, era esperado que o valor de Cf obtido na

prática fosse maior do que 0,2 pF, o que resultaria em aumento da margem de fase.

1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

73,44 dB

(76 dB, 49 MHz)

Rf = 4,7 kΩ

Cf = 0,2 pF

Freqüência (Hz)

Gan

ho (d

B)

AMF

AO

1/β

-90

-60

-30

0

30

60

90

120

150

180

(41o, 82 MHz)

(25,7o, 21 MHz)

Fase de A O β (graus)

Fase de AOβ

Figura 32 – Simulação (PSPICE) do conjunto fotodiodo/pré-amplificador, para R = 4,7 kΩ. f

Page 16: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

69

A curva experimental do ganho do pré-amplificador construído, em função da

freqüência, pode ser vista na Figura 33, onde também é apresentada a curva teórica. Como

pode ser visto, as curvas coincidem muito bem nas faixas de ganho constante (abaixo de 8

MHz) e na faixa acima de 80 MHz, onde as curvas decaem com a freqüência. O circuito

construído apresenta freqüência de corte praticamente igual à prevista pela teoria (110 MHz),

o que é um resultado satisfatório. As curvas diferem no trecho da transição de ganho

constante para o pico de ganho, sendo, nesta faixa, o ganho teórico maior do que o

experimental. Uma possível causa para esta discrepância é a existência de elementos

parasitários (capacitâncias e indutâncias) presentes no circuito real, que não foram levados em

consideração nas simulações. Além disto, como a curva da potência óptica em função da

freqüência do transmissor utilizado na caracterização não era conhecida, também há a

hipótese de que, na faixa de freqüências considerada (10 a 70 MHz), a potência óptica emitida

tenha apresentado uma amplitude menor, resultando na discrepância observada. A montagem

e o procedimento experimental realizados para obter-se a curva da Figura 33 são descritos no

Apêndice B.

1 10 100 200

63

65

67

69

71

73

75

77

Gan

ho (d

B)

Freqüência (MHz)

Medidas experimentais Curva teórica

Figura 33 – Curvas teórica e experimental do ganho do pré-amplificador em função da freqüência.

Page 17: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

70

3.7.2. Simulação do ruído gerado pelo pré-amplificador

O ruído na saída do pré-amplificador é composto, principalmente, por três

componentes cujas origens são [82]:

- o ruído shot do fotodiodo, proveniente da fotocorrente e da corrente de escuro;

- o ruído do amplificador operacional;

- o ruído térmico dos resistores associados ao circuito.

O ruído do amplificador operacional é proveniente dos componentes ativos e passivos

que compõem o dispositivo e pode ser representado por três fontes de ruído posicionadas nas

entradas do amplificador operacional [78]. O fabricante do amplificador operacional utilizado

especifica estas três parcelas de ruído, na configuração mostrada na Figura 34 [83]. As fontes

inn e inp são fontes de ruído de corrente, localizadas, respectivamente, nas entradas negativa e

positiva do amplificador operacional. A fonte en é uma fonte de ruído de tensão, apresentada

na entrada positiva do amplificador operacional. Quando utilizado na configuração de

transimpedância, a entrada positiva do amplificador operacional é aterrada, o que elimina a

influência da fonte de ruído de corrente inp.

Amplificador sem ruído

Figura 34 – Fontes de ruído equivalente do amplificador operacional.

1/2As curvas de densidade espectral destas fontes de ruído, dadas em A/Hz , para o caso

de inn e inp, e em V/Hz1/2, para o caso de en [80], estão reproduzidas na Figura 35.

O modelo elétrico utilizado para simular o ruído gerado pelo pré-amplificador pode ser

visto na Figura 36, assim como o significado de cada fonte de ruído.

Page 18: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

71

100 1k 10k 100k 1M 10M1

2

3

4

5

6789

10

i nn

, inp

(pA/

Hz1/

2 )

Freqüência (Hz)100 1k 10k 100k 1M 10M

1

2

3

4

5

6789

10

e n (nV

/Hz1/

2 )

Freqüência (Hz)

Figura 35 – Curvas de densidade espectral das fontes de ruído equivalente [80].

O ruído térmico gerado por um resistor é gaussiano e branco para a faixa de

freqüências de interesse deste trabalho, e sua densidade espectral de potência (DEP) é dada

por [75]:

]/HzA[4 22

RkTi = (13)

onde k: constante de Boltzmann = 1,38x10-23 J/K ;

T: temperatura em Kelvin;

R: resistência do resistor considerado.

if : ruído térmico da resistência de realimentação ij: ruído térmico da resistência paralela (shunt) do fotodiodo is : ruído térmico da resistência série do fotodiodo en: ruído de tensão equivalente (amplificador operacional) inn: ruído de corrente equivalente (amplificador operacional)

Figura 36 – Fontes de ruído do pré-amplificador.

Page 19: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

72

O ruído gerado por cada uma das fontes de ruído na Figura 36 é transferido para a

saída do pré-amplificador por uma função de transferência que depende da posição da fonte

no circuito. Foi simulado o valor RMS (desvio padrão) do ruído total transferido para a saída

do pré-amplificador, adotando-se a hipótese de que as fontes de ruído são não-correlacionadas

[78]. Assim, definindo-se σ , σ , σ , σj s f nn, σn como sendo os valores RMS das tensões de ruído

geradas na saída pelas fontes i , i , ij s f, inn, e en, respectivamente, então o valor RMS do ruído

total, σT, é dado por

222222nnnfsjT σσσσσσ ++++= (14)

Simulações prévias das parcelas de ruído geradas pela resistência shunt, Rj, e

resistência série, R , conduzidas com valores típicos destes parâmetros (R = 20 MΩ e Rs j s = 3

Ω), revelaram que σ , σj s são de duas a três ordens de grandeza menores do que as demais

parcelas e, portanto, foram desprezadas na determinação do ruído total.

A transferência do ruído de cada fonte para a saída foi simulada deixando-se ativa

apenas a fonte de ruído considerada e inativas as demais fontes (colocando-se em aberto as

fontes de ruído de corrente e em curto-circuito as fontes de ruído de tensão) [78]. A Figura 37

mostra os diagramas e resultados de cada simulação. Para os cálculos, foi adotado T = 298 K.

a) Simulação do valor quadrático médio do ruído gerado por inn (amplificador

operacional)

100k 1M 10M 100M 1G

0

10M

20M

30M

40M

v nn2 /i nn

2

Freqüência (Hz)0

VCC

0

3

27

4

6

+

-

Vee

Vcc

OUTOPA686

0

2810

0 2

222 V1014,1

9−⋅== ∫ df

iv

inn

nnnnnnσ

innvnn

Cj

Cf

Rf

Ro

1,5 pF

4,7 kΩ

500 Ω

0,2 pF

Page 20: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

73

b) Simulação do valor quadrático médio do ruído gerado por en (amplificador

operacional)

1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G

0

10

20

30

40

50

v n2 /en2

Freqüência (Hz)0

VCC

0

3

27

4

6

+

-

Vee

Vcc

OUTOPA686

Cj

Cf

Rf

Ro

1,5 pF

4,7 kΩ

500 Ω

0,2 pF

en

vn

2810

0 2

222 V1066,1

9−⋅== ∫ df

ev

en

nnnσ

c) Simulação do valor quadrático médio do ruído térmico gerado por Rf

100k 1M 10M 100M 1G

0

10M

20M

30M

40M

v f2 /i f2

Freqüência (Hz)

500 Ω

Cj

Cf

Rf

Ro

1,5 pF

4,7 kΩ

0,2 pF

if

vf

0

VCC

0

3

27

4

6

+

-

Vee

Vcc

OUTOPA686

2810

0 2

210

0 2

222 V1024,14 99

−⋅=== ∫∫ dfiv

RkTdf

iv

if

f

ff

fffσ

Figura 37 – Simulação da potência de ruído transferida para a saída do pré-amplificador,

para cada fonte de ruído.

Aplicando os resultados mostrados na Figura 37 na Eq. 14, obtém-se:

288882222 V1004,41066,11014,11024,1 −−−− ⋅=⋅+⋅+⋅=++= nnnfT σσσσ (15)

Page 21: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

74

O valor RMS do ruído produzido na saída é, portanto, . Vrms1001,2 4−⋅=Tσ

As integrais apresentadas na Figura 37 foram computadas para uma faixa de

freqüências variando de 1 Hz a 1 GHz. As curvas de ganho de ruído, na prática, devem

apresentar maior grau de atenuação em altas freqüências, devido à característica de filtro

passa-baixas do estágio subseqüente (amplificador limitador). A filtragem realizada pelo

estágio subseqüente não foi levada em consideração nas simulações acima por não haver

dados suficientes sobre suas características. O ruído aqui computado, portanto, deve estar

acima do obtido na prática, e serve para fornecer uma análise conservadora do desempenho do

circuito receptor. Este valor será usado mais adiante no cálculo da sensibilidade do receptor

(ver seção 4.4).

3.8. Montagem do Sistema

O sistema foi construído em módulos, conectados entre si através de conectores do

tipo SMA. Foram utilizadas placas de dupla face de cobre do tipo FR-4 para a confecção dos

circuitos impressos. O leiaute das placas de circuito impresso (PCI) dos módulos construídos

são apresentados no Apêndice C.

3.8.1. Transmissor

O VCSEL utilizado apresenta em seu encapsulamento uma lente de formato esférico

cuja função é focar a luz emitida pela superfície superior do chip em um ponto. Esta

característica é utilizada para aumentar a eficiência de acoplamento da luz em uma fibra

óptica. O ângulo de divergência do feixe, nesta situação, é aproximadamente 35º. Uma lente

positiva foi empregada para se ajustar o ângulo de divergência do feixe, θD, como mostra a

Figura 38. A lente empregada era plano-convexa, de distância focal aproximadamente igual a

6,8 mm e abertura de 5,1 mm.

~17,5º

2Dθ

VCSEL Lente

chip

Figura 38 – Ilustração da montagem para colimação do feixe emitido pelo VCSEL.

Page 22: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

75

A Figura 39 apresenta duas vistas do circuito transmissor construído. Na Figura 39 (b)

pode ser vista a montagem do circuito sobre um suporte ajustável, onde o VCSEL foi

alinhado à lente.

a)

Suporte da lente

b)

Laser + Circuito Modulador

Circuito Modulador MAX3263

VCSEL

Entrada de dadosdiferencial

Figura 39 – Construção de montagem do transmissor. (a) Circuito transmissor; (b) Montagem do transmissor com lente sobre bancada.

A resposta do circuito modulador da Figura 39 (a) a um trem de pulsos é mostrada na

Figura 40. As formas de onda foram medidas nos terminais de um resistor de 24 Ω em série

com o laser.

Forma de onda em 1

24Ω

1

2

VCSEL

Forma de onda em 2

Figura 40 – Resposta do circuito modulador a um trem de pulsos de freqüência igual a 77,5 MHz aplicado à entrada do circuito.

Page 23: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

76

3.8.2. Receptor

A Figura 41 apresenta duas vistas dos módulos constituintes do receptor e a montagem

do receptor em bancada, situação em que a potência óptica incidente sobre a superfície ativa

do fotodiodo era alta o suficiente para dispensar o uso de lentes no receptor.

b) Amplificador Limitador

Entrada diferencial

Saída diferencial

Amplificador limitador MAX3964

Pré-amplificador

Fotodiodo

Amplificador limitador

c) Receptor montado em bancada

a) Amplificador de Transimpedância

Saída

Amplificador operacional OPA686

Entrada para testes

Figura 41 – Módulos constituintes do receptor e montagem do receptor sobre bancada. (a) Pré-amplificador; (b) Amplificador Limitador; (c) Montagem do

receptor sobre bancada.

O sinal na saída do receptor, correspondente à transmissão de um trem de pulsos pelo

transmissor da Figura 39 (b), é mostrado na Figura 42.

Page 24: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

77

Saída +

Saída -

Figura 42 – Resposta do circuito receptor à transmissão de um trem de pulsos de freqüência igual 77,5 MHz.

3.8.3. Interface de comunicação por fibra óptica

Cada par transmissor/receptor se conecta a uma interface de comunicação por fibra

óptica, conforme explicado na seção 3.6. A Figura 43 mostra um dos módulos de interface

construídos.

Tx (Entrada diferencial)

Rx (Saída diferencial)

Transceptor HFBR-5103T

Fibras ópticas multimodo

Figura 43 – Interface de comunicação por fibra óptica multimodo.

Page 25: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

78

3.8.4. Teste do sistema de comunicação em bancada

O sistema foi montado e seu funcionamento verificado em laboratório. A configuração

utilizada para testes do sistema é esquematizada na Figura 44. Os transceptores 1 e 2,

comunicando-se por infravermelho, conectavam o computador B a uma rede formada pelo

computador A e a rede do laboratório (com acesso à Internet). O computador A e a rede do

laboratório conectavam-se a um switch localizado perto da bancada (designado switch local,

na figura), ao qual se conectava o conversor de mídia do transceptor 1.

Transceptor 2

Switch local

Switch

Computador A

Estações da rede do laboratório

Conversor de mídia

Conversor de mídia

Acesso à Internet

Transceptor 1

Computador B

Figura 44 – Diagrama esquemático da configuração utilizada para testar o funcionamento do sistema de comunicação em bancada.

A Figura 45 apresenta uma foto da montagem realizada em bancada, cuja configuração

foi esquematizada na Figura 44.

Como era esperado, os transceptores 1 e 2 atuaram como repetidores na conexão do

computador B à rede do computador A, provendo a taxa efetiva de 125 Mbps e a operação em

modo full-duplex necessárias. Testes de transferência de arquivos do computador B para

estações da rede e vice-versa foram realizados, tendo sido a percepção de desempenho

indiferente ao do caso do computador B conectado à rede através do cabo de par trançado.

Também foram realizados testes de vídeo-conferência e acesso à Internet a partir do

computador B, não tendo sido percebida, novamente, diferença de desempenho em relação à

conexão por cabo de par trançado.

Page 26: Capítulo 3 Projeto de um Transceptor Óptico para Comunicação

79

Transmissor 1 Receptor 1

Interface por fibra óptica 1

Transmissor 2

Receptor 2

Interface por fibra óptica 2

Conversores de mídia

Computador A

Computador B

Transceptor 2

Transceptor 1 Switch

Figura 45 – Fotografia da montagem do sistema de comunicação sobre bancada.