CO2声光调制驱动源电路设计

杨 鹏 韩建宁

1 引言

随着激光技术、光通信技术的迅速发展，声光调制技术已广泛应用于彩色印刷、光纤通讯开关、激光成像和显示及模拟声光语音通信等内容[1]。声光调制器由线性声光调制器和驱动电源所组成。驱动电源是声光调制系统的关键部分，由振荡器、中间电路、功率放大电路组成。实际应用的声光器件中，驱动源多采用通用信号发生器，在频率特性、调制特性及输出特性等方面不能很好地满足声光调制需要[2]，设计声光调制器匹配的驱动源，对声光调制系统具有很好的应用价值。本文设计CO2声光调制器驱动源电路[3]，中心频率为40MHz，电路输出的射频信号为频率在20MHz～60MHz之间可调，幅值为0～10Vpp，输出阻抗50ῼ。

2 声光调制器电源电路系统整体设计

声光调制器驱动源电路整体设计框图如图1所示。

图1 声光调制器驱动源电路整体设计框图

根据CO2声光调制器工作原理，利用正弦波振荡器电路产生一个幅度、频率稳定且可调的正弦信号，信号主要是电压信号，电流很小，所以信号输出功率小，未能满足声光调制器的工作要求，需要采用功率放大电路对正弦波振荡器输出信号功率放大。由于功率放大电路输入阻抗小，而正弦波振荡电路输出阻抗大，若将它们直接相连，会引起输出信号不稳定、阻抗失配的问题。因此，采用高频三级管，构成共集电放大电路做缓冲级，具有输入阻抗高、输出阻抗低、可以有效隔离电路间的互相干扰的优点，适用于阻抗匹配电路，同时利用混频电路变成固定的中频，最后对中频电路进行增益放大[4]。

2.1 正弦波振荡器电路

正弦波振荡器电路是声光调制器驱动源设计的关键部分，本文采用皮尔斯(Pierce)振荡器，其输出信号频率范围宽，稳定度高，输出波形不随频率发生变化。选择高频管2SC2786作为震荡管和标称频率为20MHz的石英晶体谐振器。根据2SC2786静态曲线特性曲线选取工作点，采用分压偏置放大电路，各电路取值分别为Rc=3.9KΩ，Re=1KΩ，RB1=58.6KΩ (可调)，RB2=8.2KΩ ，输出频率为20MHz，根据f=1 2π LC ，取负载电容CL=50pf ，即C2、C3、C4总电容为50pf，C2、C3由反馈系数和C4决定，且C2和C3要远大于C4，可令C2/C3=0.5，这样电路容易振荡，波形好。所以取C2=100pf，C3=200pf，取C4为3～30pf可调。正弦波振荡器的外围引脚设计和仿真结果如图2所示。

图2 正弦振荡器电路设计

由图2(b)可知，Q1工作在放大状态，满足Uc>Ub>Ue，满足正弦波振荡器起振条件。根据图2(c)可知，在石英晶体振荡器起振并稳定后，能输出幅度峰峰值超过2V，振荡频率稳定在20MHz的正弦波。

2.2 共集电级放大电路

由于正弦波振荡器电路产生信号主要是电压信号，电流很小，输出功率小。因此，采用共集电级放大电路，具有电流增益高，无电压放大，实现功率放大等优点，同时可以隔离前后两级电路，减小互相干扰[5,6]。本文选用2SC2786高频三极管，其特征频率均接近或超过吉赫兹，远大于正弦波振荡电路工作中心频率40MHz。2SC2786外围引脚设计如图3所示。

图3 匹配电路设计

2.3 混频器电路

混频器电路是声光调制器驱动源设计的主要部分，本设计中采用了混频器SCM-1来完成，其设计原理是二极管环形混频器，其电路结构原理图如图4(a)所示，由三线传输线变压器和环式封装的精密配对的肖特基二极管组成，具有结构简灵活等优点。且具有良好的信噪比，输出的信号更纯净，满足声光调制器工作需求。混频器SCM-1有3个端口（本振、射频和中频），分别以LO、RF和IF来表示，根据信号输入和输出的端口不同，可实现很多不同的功能。本设计中混频器SCM-1其管脚接法是射频信号通过电容输入加在RF端，载波信号加在IF端，LO端输出信号。作为混频的本振信号,频率为20MHz。输出信号包含和频40MHz和差频0MHz，根据声光调制器需要，选出混频后40MHz的信号输出，并滤掉其他不需要的分量[7,8]。仿真结果如图4(b)所示。

图4 共集电级放大电路

2.4 功率放大电路

混频器电路没有混频增益，因此混频后需要进行放大。本文采用输入阻抗为50ῼ的功放芯片MHW6222，工作频率达到550MHz时，增益为22dB，输出功率大，满足声光调制器工作需求。MHW6222器件引脚设计如图5所示。信号由1脚输入，7脚输出，使用电位器R7达到调节输出功率的目的，不同频率下测量值如表1所示。

图5 功率放大电路设计

表1 功率放大电路测量结果

3 结论

本文根据CO2声光调制器要求设计配套声光调制器驱动源。首先提出声光调制器驱动源电路的整体设计系统，在此基础上，分别对正弦波振荡器电路、共集电级放大电路、混频器电路和功率放大电路做了详细的设计说明。最后输出射频信号中心频率为40MHz，调节电位器R1，可使信号频率在25.79MHz～77.6MHz之间变化；射频信号的幅度为10Vpp，调节电位器R7，可使信号幅度在420mVpp～11.6Vpp之间变化。因此，本文设计的CO2声光调制器驱动源电路工作正常，达到了设计要求，达到了CO2声光调制器正常工作的应用条件。