2. funcionamiento y diseño del circuito

7/25/2019 2. Funcionamiento y Diseo Del Circuito

1/19

Funcionamiento y Diseo del circuito

2. Funcionamiento y diseo del circuito

Tras la introduccin realizada, en la que se habla del objetivo que tiene el diseo

del circuito, y que no es otro que el de mantener la potencia ptica de emisin

constante para el 1 y el 0 lgicos ante cambios como la temperatura, y la solucin

que adopta el fabricante iC-Haus en las notas de aplicacin, se va a pasar a

profundizar en la explicacin de cmo se produce todo esto.

Para empezar, se har un planteamiento de cmo modifica la temperatura la

emisin de potencia ptica, cmo depende sta de lo que hemos considerado los

parmetros de control, y cmo puede abordarse el problema gracias a la utilizacin de

este circuito.

La solucin pasar por estudiar cmo relacionar todos estos parmetros de

control entre s, y cmo realizar un ajuste de los mismos gracias a la utilizacin de

diferentes componentes que podrn ser dimensionados por el usuario.

2.1 Planteamiento del problema de la temperatura en la emisin de

potencia ptica

Para entender como influye la temperatura en el hecho de que el diodo lser

modifique su emisin de potencia, habr que comenzar haciendo una introduccin

terica de cmo funciona un diodo lser, para a partir de ah, ver cmo influye la

temperatura.

2.1.1 Principio de emisin lser

Los diodos lser, emiten luz por el principio de emisin estimulada, la cual surge

cuando un fotn induce a un electrn que se encuentra en un estado excitado a pasar


2/19


positiva facilitando que se emitan ms fotones de forma estimulada y se seleccione

ciertas longitudes de onda haciendo ms estrecho al espectro emitido.

La presencia de una inversin grande de poblacin y las propiedades de la

cavidad resonante hacen que las caractersticas de salida (potencia ptica como

funcin de la corriente de polarizacin) tenga un umbral a partir del cual se obtiene

emisin lser.

Por tanto, habr que caracterizar esta curva y determinar a partir de qu

corriente de operacin el diodo lser comienza a realizar emisin lser, a esto se le

conoce como corriente umbral de funcionamiento (I th).

En funcin de la corriente de operacin, puede deducirse por tanto, que se

modificar la potencia ptica emitida. Podemos observar la curva caracterstica del

diodo lser:

Grfica 9 Curva caracterstica del diodo lser


3/19


2.1.2 Efecto de la temperatura en la curva caracterstica del diodo lser

La temperatura ser una variable muy importante a tener en cuenta cuando

tratemos de hacer funcionar el diodo lser en un punto de operacin determinado. Con

un aumento de la misma se modificar la corriente umbral para la cul el dispositivo

comenzar la emisin en zona lser. Asimismo, si se quiere realizar una emisin de

una determinada potencia P, la corriente de operacin necesaria en el diodo lser

aumentar a medida que lo haga la temperatura. Si esta corriente de operacin noaumentase, el valor de la potencia que se emitira sera menor.

Esto puede observarse fcilmente si estudiamos cmo se modifica la curva

caracterstica del diodo lser estudiada para una serie de temperaturas concretas:

Grfica 10. Variacin de la curva caracterstica con la temperatura

Por otra parte, puede deducirse que si el dispositivo se encuentra emitiendo con


4/19


2.1.3 Efecto de la temperatura sobre la corriente de monitor

Todo lo comentado hace referencia a la corriente de operacin del diodo lsercomo parmetro de control esencial en la emisin ptica. Sin embargo, tambin habr

que tener en cuenta otro parmetro muy importante que es la corriente de monitor del

fotodetector.

ste emitir una pequea cantidad de corriente en relacin a la potencia ptica

emitida, que es proporcional a la corriente de operacin del diodo lser.

Cuando la temperatura entra en juego, la curva caracterstica se ve desplazada y

esta corriente de monitor ver alterada su valor de forma proporcional a la variacin de

potencia ptica, de tal forma que monitorizando el valor de esta corriente se podr

detectar si la emisin de potencia ptica se est viendo modificada.

Podemos observar en la siguiente curva, un ejemplo de esta variacin

proporcional a la potencia:


5/19


Una vez analizadas todas estas curvas de funcionamiento del diodo lser, se

pasar a estudiar cmo pueden controlarse de una forma relacionada y estudiaremoscon qu valores de operacin nos movemos en este circuito.

2.2 Variables de control y dimensionado de componentes relacionados

Una vez explicado tericamente el problema al que nos enfrentamos, vamos a

pasar a analizar con qu valores dentro de los parmetros de control nos movemos.

Esto depender de los dispositivos, y en especial del diodo lser, que usaremos

en el circuito. Estudiaremos las caractersticas de los mismos y veremos como

podemos configurarlos para que los valores de potencia ptica sean constantes para

la emisin del 1 y el 0 lgico.

A su vez, estos dispositivos, estarn acompaados de algunos componentes

(resistencias R1, R2 y RM) que nos permitirn configurar al diodo lser para una zona

de funcionamiento concreta en la que se emitirn unos determinados valores de

potencia.

Es preciso mencionar que todo lo comentado en este apartado, tanto el

dimensionado de los componentes como el comportamiento del circuito, est tratado

desde el punto de vista terico, gracias a las especificaciones que nos proporciona el

fabricante de cada uno de los componentes.

Todo esto se ver soportado por las pruebas y medidas de laboratorio, las cualesse comentarn en apartados sucesivos, y en los cuales se pondrn de manifiesto las

diferencias entre los resultados empricos y tericos, as como la comprobacin de que

los clculos tericos realizados anteriormente son correctos gracias a la toma de

medida resultante


6/19


2.2.1 Corriente de operacin

2.2.1.1 Relacin del iC-HK y la corriente de operacin

Como se ha comentado anteriormente, la corriente de operacin ser la que

atraviese el diodo lser, y ser la responsable del valor de potencia ptica emitido

segn la curva caracterstica del diodo lser.

Para empezar a tratar este parmetro de control ser necesario introducir el

funcionamiento del dispositivo iC-HK, el cual se encargar de conducir esta corriente

de operacin al emisor lser.

La principal funcin de este dispositivo IC-HK ser la de actuar como conmutador

del diodo lser, ejerciendo el control sobre l, trabajando junto al dispositivo IC-WK.

El dispositivo en cuestin puede funcionar de forma independiente junto a un

diodo lser (como se muestra en la figura). En nuestro caso, ser utilizado junto al

dispositivo IC-WK aportando un mayor control sobre el circuito.


7/19


El dispositivo tendr dos canales de entrada, a travs de los pines EN1 y EN2 del

iC-HK. Estos pines activarn los interruptores de cada uno de los canales, provocandoque por cada uno de ellos circule una corriente de funcionamiento. stas circularn a

travs del dispositivo y su suma formar la corriente de operacin total Iopque

determinar la potencia de emisin del diodo lser.

La circuitera interna del integrado junto a la lgica de los transistores N-MOS M1

y M2 del mismo son los encargados de permitir el paso de corriente de ambos canales

a travs suya, unindose estos dos canales a la salida del dispositivo y conformando

esta corriente de operacin que ir al diodo lser.

El control por parte del pin CI, cuyo funcionamiento se desarrollar ms adelante,

se basa en aplicar en la tensin de puerta de los transistores un valor determinado queregula la intensidad que circula a travs de los mismos.

Este es el funcionamiento bsico del IC-HK en relacin a la corriente de

operacin, y ya es posible abordar el modo en que ser utilizado en el circuito en

cuestin.

2.2.1.2 Configuracin de la corriente umbral y de operacin

Inicialmente, deberemos conocer los valores de corriente entre los que va a

funcionar el diodo lser. Teniendo en cuenta estas corrientes, se estudiar la corriente

que va a atravesar cada una de las dos ramas, ya que la suma de ambas corrientes

tendr que situarse dentro de estos valores de funcionamiento del diodo lser,

conformando la corriente de operacin que va al ctodo del diodo lser a travs del pin

LDK del iC-HK.


8/19


Para obtener estas corrientes emplearemos el dispositivo IC-HK con una de sus

entradas siempre activa. Esta entrada estar, por tanto, siempre en ON aportando un

valor de corriente ligeramente superior al valor de corriente umbral necesaria para que

el diodo lser entre en la zona lser. La otra entrada ir conmutando situando al diodo

lser dentro de su zona tpica de operacin, es decir, dentro de la corriente tpica de

operacin. Puede observarse en la grfica lo comentado:

Grfica 13. Pulsos de entrada EN1 y EN2

Se deduce, por tanto, que los datos son enviados a travs de esta entrada que

conmuta. De esta forma, supondremos que el circuito tendr a travs de las dos

entradas EN1 y EN2 al IC-HK, una corriente mnima que superar ligeramente la

corriente umbral de funcionamiento, y una corriente de modulacin que conmuta

Corriente umbral de funcionamiento: 21mA Ith30mA

Corriente tpica de operacin: 28mA Iop35mA


9/19


menos potencia ptica movindose entre estas corrientes de operacin y umbral. Sin

embargo, el propsito del circuito completo consistir en que los valores de estosniveles de potencia sean tan constantes como sea posible y que no se desplacen

entre otras causas debido a la temperatura.

Todo esto, puede verse en las curvas de funcionamiento del diodo lser, en las

cules se observa el envo de un 0 lgico con la entrada EN2 OFF, cuyos valores de

corriente de operacin se sitan en torno a la corriente umbral; y se observa el envo

del 1 lgico, en el cual la entrada EN2 est en ON, situando al dispositivo en la zona

tpica de funcionamiento.

Grfica 14. Corrientes para los niveles de potencia

2.2.1.3 Dimensionado de componentes relacionados RK1 y RK2

Conocidas ya la corriente de operacin y la corriente umbral acudiremos a las


10/19


Grfica 15. Curvas de funcionamiento interno del iC-HK

La circuitera interna del IC-HK est formada por dos interruptores y dos

transistores MOS en serie cuyas puertas estn conectadas a la tensin CI. Estas

curvas expresan grficamente el comportamiento del MOS, junto con el resultado de la

variacin de cualquiera de los parmetros involucrados, teniendo en cuenta en dichas

curvas el funcionamiento de dichos transistores e interruptores.

Por tanto, tenemos un parmetro a fijar libremente. Atendiendo a las notas de

aplicacin de iC-Haus, fabricante de estos integrados, una tensin CI de

aproximadamente 1.6V - 1.7V es un valor tpico de funcionamiento para las corrientes

que se van a manejar a travs del pin LDK. Estudiando las curvas y utilizando las

corrientes que se han determinado en el apartado anterior, trataremos de ver cuales

son los valores tericos de las resistencias de cada canal:


11/19


Para los valores de corriente que estamos utilizando para cada canal, en torno a

28mA para la entrada EN1 (siempre activa), y una corriente de modulacin en torno a5mA para la entrada EN2 (entrada conmutada) tendremos unas resistencias

aproximadas de :

Todos estos valores se ajustan a un clculo terico de componentes que podrn

diferir de los resultados obtenidos en la toma de medidas y en los ajustes de

laboratorio. Por tanto, a estas resistencias se les aadir en serie unos potencimetros

para poder ajustar de una forma ms fina el valor ms adecuado para estas

resistencias y as poder realizar el ajuste de estas intensidades, y consecuentemente

de la potencia ptica, suponiendo esto uno de los ajustes de parmetros de los queconsta el circuito:

Es preciso comentar que la existencia de factores externos har que los valores

y parmetros calculados para el funcionamiento del circuito se vean desplazados.

La temperatura ser un parmetro clave a tener en cuenta, ya que la corriente de

operacin necesaria para mantener la misma potencia ptica ser superior,

disminuyndose la potencia de emisin ptica si sta no aumenta.

Para controlar todo esto, el dispositivo iC-HK no puede hacerlo por s solo, se

utilizar el dispositivo iC-WK junto al dispositivo descrito, el cul controla esta tensin

CI en funcin de la corriente de monitor del diodo lser (se ver posteriormente) Con

RK1: 100

RK2: 1k

R1: 5

R2: 60


12/19


2.2.2 Corriente de monitor

2.2.2.1 Relacin del iC-HW y la corriente de monitor

El diodo lser se utiliza junto con otro dispositivo denominado fotodetector que

emitir una pequea cantidad de corriente que ser proporcional a la potencia ptica

emitida. Todo se encuentra en el mismo encapsulado.

Este encapsulado se utiliza junto al dispositivo iC-WK, el cual puede funcionar de

forma individual, pero como se coment en la introduccin, no posee entrada de datos.

Sin embargo, s es capaz de realizar un control adecuado del diodo lser junto al

fotodetector.

Grfica 17. Funcionamiento individual del iC-WK

La clave de control de potencia ptica por parte del IC-WK se centra en el control

de esta corriente de monitor del fotodetector. Este dispositivo procura que esta

corriente de monitor media (Im ) sea constante y con ello los valores de potencia


13/19


14/19


Este valor de dado para RM se producir cuando el bucle realimentacin est

funcionando de forma adecuada, es decir, cuando est enganchado.

Al intervenir la temperatura, la curva caracterstica del diodo lser se modificar,

y la potencia ptica disminuir para la corriente de operacin con la que se est

trabajando. Por tanto, esta corriente de monitor tambin disminuir, detectndose en el

comparador interno del iC-WK y modificando su salida variando la base de un

transistor BJT que modificar a su vez la corriente de operacin que inyecta al diodo

lser a travs del pin LDK y reajustando, por tanto, la corriente de operacin para

seguir emitiendo valores de potencia constantes.

Teniendo en cuenta que los valores de corriente de monitor oscilan en torno a

unos valores que nos da el fabricante del diodo lser, el valor de la resistencia RMtambin variar dentro de un rango. La variacin de esta resistencia supone tocar uno

de los parmetros clave del circuito junto con las resistencias R1 y R2 del integrado iC-

HK, y aunque hasta ahora slo se ha analizado de forma separada, posteriormente

veremos como funciona todo el circuito unido.

A esta resistencia RM se le colocar en serie un potencimetro de tal forma que

ajustemos su valor mediante la modificacin de la misma y ajustando el valor de la

resistencia total para que finalmente el diodo lser tenga una emisin de potencia

ptica de 2.5mW para el 1 lgico y de 0.5mW para el 0 lgico, 1.5mW de potencia

ptica media. Por tanto, tendr que estimarse cual ser esa corriente media de monitor

Imav

, y para ello tendremos que tener en cuenta que en nuestro circuito completo

usaremos el iC-HK junto al iC-WK. Las entradas digitales al iC-HK, como se ha

explicado ya, siempre tiene una en posicin On y la otra entrada ir conmutando, de

ah que las corrientes de monitor que tendremos en el pin MDA irn conmutando

tambin de la siguiente forma:


15/19


Como las entradas van conmutando, en funcin del ciclo la corriente de monitor

vara entre su valor mximo y mnimo, sin embargo, lo realmente interesante ser elvalor de Imav, el cul depende no slo de estos valores, sino tambin de la duracin

del ciclo de trabajo, y de los tiempos en los cuales la corriente de monitor es mxima y

mnima:

El ciclo de trabajo en el cul se va a trabajar comprende tiempos de pulsos altos

y bajos iguales, de tal forma que el valor de la corriente media de monitor puede

calcularse de forma ms sencilla:

2.2.2.3 Dimensionado de la resistencia RM

Uniendo todos los valores de corriente y frmulas a las que hemos llegado,

puede calcularse el rango entre el que se mover el valor de la resistencia RM,

teniendo en cuenta el rango de variacin de Im:

Imav= Imhi* thi/T + Imlo* tlo/T

thi= tlo= T/2

Imav= (Imhi+ Imlo)/2

Im Mx: 0.5mA Typ: 0.2mA Min: 0.1mA

1.) Imhi= 0.5mA Imlo= 0.1mA Imav= 0.3mA RM = 1.6K




16/19


una potencia ptica media de 1.5mW, para los valores ON\OFF de potencia de 2.5mW

y 0.5mW respectivamente.

Esta corriente de monitor sufrir variaciones debidas a los cambios de

temperatura, para controlar esto se utilizan ambos dispositivos de manera conjunta.

El dispositivo iC-WK detectar estos cambios en la corriente de monitor y actuar

ajustando el valor de tensin en su pin CI, el cul modificar las corrientes de

operacin permitidas por el IC-HK regulndose el sistema. Esto puede deducirse de

las curvas de funcionamiento interno del iC-HK (grfica 16). Este bucle de

realimentacin ser explicado posteriormente, pero es posible imaginarse ya el

funcionamiento del mismo tras la explicacin del funcionamiento de ambos dispositivos

de forma individual.

2.2.3 Establecimiento de la tensin de control

Se explica aqu como se soluciona el problema planteado en el objetivo del

proyecto con tales dispositivos. Como varan las corrientes con la temperatura y como

se soluciona para mantener la potencia constante mediante la presencia del bucle de

realimentacin.

Tras ver el funcionamiento de ambos circuitos, es el momento de ver como

funcionan juntos y como se consigue una emisin ptica constante pese al incremento

de temperatura.

En conjunto, el control de la potencia ptica vendr determinado por los

siguientes parmetros:

Temperatura.

Corriente media de monitor (Imav).

Corriente de operacin (I )


17/19


El proceso consiste en un bucle de realimentacin que tiene en cuenta todos los

parmetros que ya se haban calculado anteriormente: corriente de operacin,

corriente de monitor, voltaje en el pin CI y el factor externo de temperatura.

Empezaremos viendo como la corriente umbral de funcionamiento del diodo lser

ir variando en funcin de la temperatura segn las siguientes caractersticas de

catlogo del diodo lser:

Grfica 20. Variacin de la corriente umbral con la temperatura

Como puede observarse las corrientes sern cada vez mayores debido a la

temperatura. Precisar que, si esta temperatura aumenta demasiado la proteccin por

sobre-temperatura del iC-HK podra saltar, siendo esta, una de sus caractersticas.

El mecanismo de controlacta sobre las corrientes, que producirn un

incremento de la potencia ptica, y que por tanto, debern ser aumentadas a medida

que la temperatura va aumentando en el sistema, debido a que la curva caractersticadel diodo lser, como ya se vi, se ve desplazada y ser necesario tener mayores

corrientes de operacin al

incrementarse la temperatura para


18/19


corrientes, es decir, al aumentar la temperatura, la corriente de operacin necesaria

aumentar, siendo necesario moverse hacia arriba en las curvas e incrementar el valor

de tensin CI, ya que lo nico que permanece constante ser el valor de las

resistencias R1 y R2 que determinan la corriente en cada uno de los canales.

Controlando este valor de CI, podremos movernos a lo largo de las curvas para

restablecer la corriente de operacin, incrementndola y permitiendo los mismos

valores de potencia de emisin.

Este voltaje ser controlado por el dispositivo IC-WK por medio de la corriente de

monitor. En la siguiente grfica se observa que con el aumento de temperatura

aumentar la corriente de operacin Iop necesaria. Con la temperatura, como puede

verse en la grfica, no slo se modifica la corriente de operacin necesaria, sino que la

curva tambin vara ligeramente la pendiente, y los valores de potencia mximos y

mnimos tambin se ven modificados.

Para tener la misma potencia de emisin, se intentar modificar lo menos posible

los valores de Imhiy Imlo(proporcionales a estos niveles mximos y mnimos de

potencia) pero la corriente de monitor media Imavpermanecer constante gracias al

dispositivo iC-WK, obviamente esta corriente de monitor media no debe modificarse,

ya que pretendemos emitir la misma potencia ptica. Como se observa en la grfica,

no va a ser posible mantener los niveles de potencia mximo y mnimo, ya que larealizacin de este driver es muy sencillo en comparacin a lo que sera la

implementacin de un driver profesional.


19/19


30

En la siguiente grfica se observa el funcionamiento de ambos dispositivos trabajando juntos y las diferentes partes del circuito que intervienen

en el control de potencia:- Control de la corriente de monitor (rojo).

- Control de voltaje CI (amarillo).

- Control de corrientes de operacin (verde).

Grfica 22.Bucle de Realimentacin

2. funcionamiento y diseño del circuito

Documents