15-EDFA原理及特性
第一章 掺铒光纤放大器机理研究
本章将简要讨论掺铒光纤放大器的结构、原理、及特性。我们首先由简化二能级速率方程建立EDFA 的理论模型，然后讨论了EDFA 的泵浦特性、增益特性、噪声特性和温度特性。
第一节 掺铒光纤放大器的结构模型
这一节介绍掺铒光纤放大器的结构及其主要的组成部分。EDFA 的基本结构如
Fig1.1所示：
Fig 1.1 Configurion of Erbium-doped Fiber Amplifier(forward Pumped)
1. 掺铒光纤(EDF)
EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er ），Er 属稀土锎系元素，Er 逸出两个6S 和一个4f 电子而显示为+3价,其电子组态和惰性气体Xe 相同：1S 22S 22P 63S 23P 63d 104S 24P 64d 105S 25P 6。掺有Er 3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er 3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。基质的影响有二：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽的机理有基质电场扰动展宽和
声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于
均匀加宽。为使每个铒离子受到的泵浦速率最大，同时所需的泵浦功率最小，泵浦功率及铒离子必须尽可能的限制在最小的模截面内，铒光纤应具有高的数值孔径NA ，小芯径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构，如Fig1.2所示[7]。此外阶跃折射率光纤有较大的相对折射率差，便于缩小泵浦光的模场直径，提高泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达到高泵浦效率。为保证泵浦光与信号光的单模传输，光纤的截止波长应适当。在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。
2. 光耦合器(WDM)
光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA 必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF
中。主要有两种形式：
980nm/1550nm或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感。
3. 光隔离器(ISO)
光隔离器是一种单向光传输器件，对EDFA工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB以上，插入损耗低，与偏振无关。
4. 光滤波器(Optical Filter)
光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm以下。目前应用的光滤波器的带宽为1～3nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。
5. 泵浦源(PumPing Supply)
泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG （532 nm）、染料激光器（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm及小于807 nm波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm和1480 nm的LD已商品化，所以一般采用980nm和1480nm的半导体激光器作泵源。（在下一节中将详细讨论）。
第二节掺铒光纤放大器的原理及特性
§1.2-1掺铒光纤的光谱结构
铒离子的电子能级图如Fig1.3所示，同时给出铒离子的主要吸收和发射能级。虽然这些吸收峰所对应的波长都可以作为EDF的泵浦波长，但在波长514 nm、665 nm和807 nm处存在很强的激发态吸收(ESA)，即在泵浦光的作用下，激发态粒子跃迁到更高（第四）的能态。在多光子作用下，粒子由第四能级快速驰豫到激发态，虽然ESA并不造成激发态粒子数的减少，但引起对泵浦光的吸收，严重地浪费了泵浦光，泵浦效率降低。波长为980 nm和1480 nm时，不存在激发态吸收，泵浦效率较高。因4I15/2是铒离子的基态能级，同时又是激光下能级，所以掺铒光纤属于三能级系统。
在掺铒光纤中，铒离子能级受到周围电场的影响，能级产生斯塔克分裂，导致能级展宽，由于非均匀加宽很复杂，而均匀加宽又与实验符合的很好，因此认为常温下掺铒光纤是以均匀加宽为主的增益介质[23]。
§1.2-2掺铒光纤放大器的数学模型
掺铒光纤能级简图如Fig1.4所示。E 1激光基态能级，E 2为亚稳态能级，E 3为泵浦能级，S 32为E 3到E 2的非辐射跃迁几率，A 21为荧光寿命，W p 为泵浦速率。一般1480nm
(1) 吸收：
基态 激发态 波长
4
I
15/2 2H 11/2 514nm 4
I 15/2 4S 3/2 532nm 4
I 15/2 4F 9/2 670nm 4
I 15/2 4I 9/2 800nm 4
I 15/2 4I 11/2 980nm 4
I 15/2 4I 13/2 1480nm
(2) 发射：
激发态 基态 波长
4
I 13/2 4I 15/2 1531nm
Fig1.3 Energy level diagram of Er ion ion
和980nm 作为泵浦波长，可简化为二能级系统。由Fig1.3和Fig1.4知，1480nm 的泵浦能级E 3与激光上能级E 2属同一能带，本身为二能级系统；对于980nm ，由于铒离子上
能级寿命很长（～10 ms ），通常S 32>>A 21，E 3上的粒子数近似为零，因此可用二能级系统描述。
我们采用速率方程来描述上下能级间粒子的受激吸收、受激辐射及自发辐射，并采用光传输方程来描述EDF 中光强分布。考虑带宽为?υK ，中心波长为
λυK K c =/的N 束光在EDF 中传播，其中包括泵浦光
及信号光(?υK =0)。设第K 束光的光强为()I r z K ,,φ，则第K 束光沿传播方向(光纤轴向)Z 的光功率为[23]： ()()P z I r z rdrd K K =∞
?
?
,,φφπ0
2
（1-1）
二能级系统的速率方程为：
()()()dn dt P i h n r z P i h n r z n r z K K aK K K K eK K K K 2122=--∑∑συφσ
υφ?τ,,,,,, K=1,2,3......N
（1-2） ()()()n r z n r z n r z t ,,,,,,φφφ=+12
（1-3）
式中()n r z t ,,φ、()n r z 1,,φ和()n r z 2,,φ分别为铒离子掺杂浓度、下能级和上能级的粒子数密度；σaK 和σeK 分别为铒离子的受激吸收与受激发射截面；τ为铒离子的荧光寿命；i K 为第K 束光的归一化光强度，定义为： ()()()i r I r z P z K K K ,,,/φφ= （1-4）
EDF 中光传输方程为：
()()()()()()()()dP dz u i r n r z P z mh rdrd u i r n r z P z rdrd K
K eK K K K K K aK K K =+-∞∞
???
?
σφφυυφ
σφφφ
ππ
,,,,,,20
0210
2?
（1-5）
式中u K 表示第K 束光的传输方向，沿Z 正向u K =1；反之u K =-1。mh K K υυ?是由上能级粒子数n 2引起的自发辐射对P K 的贡献；m 为模式数，因单模光纤只允许传输LP 01模，允许有两个正交化偏振方向，所以m 一般取2。 定义光纤吸收及发射系数分别为： ()()ασφφφπK aK K
t
i r n r z rdrd =∞
??,,,002 （1-6） ()()g i r n r z rdrd K eK
K t
=∞
??σφφφπ
,,,0
02
（1-7） 设铒离子在EDF 中均匀分布，则上两式简化为： ασK aK K t n =Γ （1-8） g n K eK K t =σΓ （1-9） 式中ΓK 为铒离子与光模之间的重叠积分因子： ()ΓK K i r rdrd =∞
?
?
,φφπ0
2
（1-10）
当EDFA 用于放大连续或调制频率大于10KHz 以上的调制信号时，系统满足稳态条件：dn dt 20/=，下面求解方程(1-2)、(1-5)的稳态解，建立起EDFA 的数学模型。对方程(1-2)在掺杂区截面上积分，并除以EDF 有效截面积A eff ，因铒离子均匀分布，EDF 有效截面积A eff 等于EDF 纤芯截面积A ，则方程(1-2)化为：
()d n d t P A h g n n n K eff K
K K K t K 2
22
=-+??
????-
∑υαατ （1-11）
忽略自发辐射的影响，结合式(1-6)、(1-7)与(1-10)，则方程(1-5)化为：
()d P d z u g n
n P K K K K t K K =+-?????
?αα2
（1-12）
将(1-12)代入(1-11)并利用稳态条件dn dt 20/=可得上能级粒子数n 2为：
n A u h d P d z e f f j j j j
2=-∑τυ j =12，?N （1-13） 将(1-13)代入(1-12)得：
dP
dz u P h P u h dP dz K K K K K sat j j j j K =-+??????
??∑υυα
（1-14）
其中P K sat 为固有饱和光功率：
()
P A h K s a t e f f K
K aK eK =+υτσσΓ
（1-15）
对上式两边在EDF 长度L 上积分得：
()
P P h P h P P L K out K in K K sat j j in j out
K j =--??????
??∑exp υυα1
（1-16）
该式就是稳态条件下EDFA 光传输方程的解，即EDFA 的数学模型。式中P K out 与P K in
分
别为第K 束光的输出、输入光功率。为便于求解，采用光子流代替光功率，光子流与光功率的关系Q P h K K K =/υ代入此式得：
()
Q Q Q Q Q L K out K in K sat in out
K =--??????exp 1α
（1-17）
其中Q Q in j in j =∑，Q Q out j
out
j
=∑。将式(1-17)进一步化为： ()
Q Q Q Q Q L out
K
in K sat in out
K K =--?????
?∑exp 1α （1-18）
该式是关于总光子流输出Q out 的隐函数方程，它只是输入光子流Q in ，固有饱和光功率
P sat 及EDF 长度L 的函数，首先由(1-18)式解出Q out ，然后代入(1-17)式便可解出第K 束光的输出光功率，从而计算出EDFA 的各种特性曲线。 信号光增益表示EDFA 的放大能力，定义为： ()
()G L o gP P dB out in =10/
（1-19）
§1.2-3掺铒光纤放大器的特性分析
下面通过对EDFA 数学模型进行计算机模拟求解，分析EDFA 的各种特性。 一、泵浦特性
Fig1.5是不同泵浦波长时，EDFA 增益及增益系数与泵浦光功率的关系。增益系数又名泵浦效率，定义为放大器的增益与泵浦光功率之比；反映了泵浦光功率的转换能力。
增益及增益系数，980nm 增益和泵浦效率最高，其次是1480nm ，而807nm 泵浦效率最低。因此980 nm 和1480 nm 是理想泵浦波长。实验证明，980nm 作为泵浦波长，具有更小的噪声指数（3dB)和更高的泵浦效率（6～11dB/mw ）。而1480nm 泵浦可获得更高的输出功率。
Fig1.6是不同泵浦功率时，信号增益与光纤长度的关系。由图看出，对应一定的泵
浦功率，EDF 有一最大增益长度，此长度处泵浦光能量低于泵浦阈值，反转粒子数为零，如再增加长度，信号光能量将被铒离子吸收，导致增益下降。随泵浦功率提高，增益增大，最大增益长度向后移。这是因泵浦功率增大使得粒子能在更长的光纤范围内形成反转；如果EDF 较短，对泵浦光吸收较少，粒子反转数也少，信号光得不到足够的增益。虽然最大增益长度随泵浦功率增大而增长，但两者不存在线性关系。 二、增益特性
增益的大小表示放大器的放大能力，它与EDF 的掺铒浓度，掺杂半径，光纤长度，泵浦波长及功率，信号波长及功率等因素有关。EDFA 的波长带宽是指最小小信号增益与最大小信号增益之差小于3dB 的波长间隔，波长带宽主要取决于纤芯中添加剂的选择。Fig1.7是相同泵浦光功率下，不同信号波长与增益的关系。由图看出EDFA 光谱范围宽，增益谱对波长具有依赖性，在1531nm 处存在一增益峰，在1550 nm 为中心的波段增益较平坦，经过合理设计EDFA 的参数，3dB 带宽可达35nm （1530nm ～1565nm ）。Fig1.8给出了泵浦功率相同而信号输入功率不同时，光纤长度与信号增益的关系。由图看出，小信号增益大，而大信号增益小，这是因大信号使EDFA 增益饱和。随着信号增大，光纤最佳长度变小，因大信号对泵浦光消耗大，所以最佳长度减小。
相同掺杂半径及泵浦功率下，掺杂浓度越大，EDF 最佳增益长度越短，掺杂浓度较低时，掺铒浓度与最大增益长度成反比，如Fig1.9所示。如果铒离子浓度过大，将发生浓度消光现象[7]。相同掺杂浓度及泵浦功率下，掺杂半径越大，增益越小，EDF 的
最佳增益长度越短，并且最大增益越小，如Fig1.10所示，这是由于泵浦光在光纤截面的分布是不均匀的，正如第一节所述，纤芯中心处最大，向芯子边缘逐渐减小，泵浦光能量随半径增大而小于泵浦阈值时，泵浦光不能使铒离子的反转分布，浪费了泵浦光，因此减小掺杂半径使得泵浦光在整个掺杂区域内都大于阈值，有利于提高泵浦效率。
饱和输出功率是表征EDFA 饱和特性
的一个重要参数，定义为增益相对于小信号G 降低3dB 时的输出信号功率。一般来讲，饱和输出功率越大越好。理想的光放大器，信号总是被线性放大。实际的光放大器输入功率小，增益大，输入光功率大，增益反而减小，这是因EDFA 的增益饱和。如Fig1.11所示，输出较小时，EDFA 工作于线性放大区；随输入增大EDFA 进入饱和区工作区，增益迅速下降，输出基本不随输入变化。泵浦光功率越高，饱和输出功率越大，但泵浦光增大到一定程度，EDFA 也会饱和，此时下能级粒子数完全反转，继续增加泵浦功率对粒子反转数贡献不大。如Fig,1.12所示，未饱和时泵浦光与信号光输出成正比，饱和后信号光输出基本不随泵浦光而变。
三、噪声特性
光放大器的噪声用噪声指数NF 衡量，NF 值越大，噪声越大。噪声指数定义为：
NF SNR SNR Log P N P N in out in
sout out
==10sin //
（1-20）
式中SNR in 和SNR out 分别是光放大器的输入和输出信噪比。对于光纤放大器，NF 永远
大于1，即光纤放大器不能提高光信号的信噪比。为便于计算，将(1-20)式改写为[34]：
NF Log P
h G
ASE =10υυ? （1-21）
其中，?υ为滤波器带宽，P ASE 为自发辐射噪声功率，由下式决定：
()[
]
()(){}
dP dz
g P z h P z ASE K ASE K K s ASE ±±±
=±+--2?υαα （1-22）
式中αs 为光纤在波长λs 处的基底损耗。
对于EDFA ，放大的自发辐射是噪声的主要来源。噪声有四种[7]：(1) 信号光散粒噪声；(2) ASE 散粒噪声；(3)ASE 光谱与信号光差拍噪声；(4)ASE 光谱间的差拍噪声。
(1)、(2)两种噪声在增益极高的情况下可忽略；(3)是决定放大器性能的重要因素。(4)
频谱很宽，可用窄带滤波器消除绝大部分。 NF 与泵浦光功率和EDF 长度有关，泵浦功率增加，反转粒子数增加，NF 降低；当泵浦光使EDFA 饱和，粒子反转数达到最
大值，NF 趋于一定值。如Fig1.13所示，泵浦波长为1480nm ，在强泵浦()
P P p p sat >>条件下，高增益的EDFA 可达到接近4dB 的噪声指数。并且EDF 越长，NF 越大。
泵浦波长980nm 强泵浦条件下，粒子数
反转可接近完全反转，NF 接近于3dB 的量子极限。1480nm 的NF 稍大，是因为1480nm
属于带内泵浦，其发射截面不为零，粒子数难以接近完全反转。 四、EDFA 的温度特性[12] [13]
要使EDFA 实用化，在恶劣环境下都能可靠地工作，必须考虑EDFA 的温度特性。 1、掺铒光纤(EDF)的荧光谱吸收谱及荧光寿命与温度的关系
由于环境温度的改变，掺铒光纤的荧光谱、吸收谱及荧光寿命将发生变化，如Fig1.14和Fig1.15所示，谱线与温度的关系：(1) 随着温度的降低，吸收谱线向短波方向移动，
吸收系数增加，而长波长处吸收系数显著减小。(2) 随着温度的降低，在1.52μm 处短波长荧光曲线“尾巴”逐渐消失，1.53μm 处荧光峰值增加，而1.55μm 处荧光峰值却减小。
由荧光谱知，随着温度的下降，带宽减小，但不是很显著，一般认为在-40℃～+70℃内，温度对带宽无影响[12]，这一结论对EDFA 在波分复用系统中的应用有重要的意义。 温度引起吸收谱和荧光谱的变化，必然导致EDFA 增益特性的变化。研究表明，从+85℃～-20℃，在1480nm 处泵浦，增益温度系数达-0.7dB/℃，即增益在此温度变化范围内有7dB 的变化；而对于980nm 泵浦，增益温度系数为-0.004dB/℃，即增益在此温度变化范围内只有0.4dB 的变化，这是优先选用98nm 作泵浦源的一个重要原因。一般认为在0℃～+50℃范围内，EDFA 可稳定工作。 2、掺铒光纤放大器高温实验(72小时)和高低温循环实验(48小时)
Fig1.16、Fig1.17分别是掺铒光纤放大器高温实验(72h)和高低温循环实验(48h)的温度曲线。实验表明，当致冷器电流随温度升降平稳地变化，激光器管壳温度控制在20±0.1℃，激光器驱动电流控制在设定数值的±0.5%，激光器出光功率可控制到±0.5%的稳定度，只要光隔离器(ISO)和波分复用器(WDM)能在0℃～+50℃范围内稳定工作，就可保证EDFA 在0℃～+50℃范围内稳定工作，且输出光功率变化小于±0.5dBm 。
实验证明[26]，经滤波器均衡后，EDFA 不论工作于小信号或饱和状态，除饱和时信号增益稍有压缩外，两种情况的增益谱轮廓基本相同，说明两种情况都得到较好的均衡，这对WDM 是非常必要的。
第三节 掺铒光纤放大器增益锁定
EDFA 应用于波分复用光纤通信网（WDM Networks ），不同的信道可能沿不同的路径传播，不同节点处信道的随机插分（Added or Drop ），这些变化引起网络的重构，使网络中EDFA 的信道数发生变化，EDFA 信号输入功率将缓慢变化，饱和EDFA 的增益随信号光功率上升而下降，因此，EDFA 随输入信号功率变化而工作在不同的饱和深度，稳态增益和输出功率随之而变。如在含不同格式信号的混合WDM 传输系统中，较低输入功率()<-10dBm 的数字信号与大功率()>3dBm 的视频信号可能在不同的信道上共线传播，一旦视频信号中断，数字信道就会从深度饱和状态跳变到小信号状态，由于
EDFA 的增益瞬态饱和效应，引起信道间交叉饱和串扰，使信号失真。再者随着EDFA 工作环境温度的变化及泵浦源的老化效应，LD 的输出功率发生变化，也能引起EDFA 增益变化。增益波动在EDFA 级联放大应用中表现更加突出。因此稳定EDFA 的增益是WDM+EDFA 走向工程化的重要技术。
目前采用的解决方案主要有两种，（1）动态增益控制，即利用光电反馈环实现增益控制。该方案包括两种方法，一是适当地对EDFA 输出进行取样并反馈[17]，相应调整作用于泵浦源LD 上的偏置电流，使EDFA 的输入在很大范围内变化时维持增益或输出功率恒定；二是用一补偿信号实现光电反馈[14]。即改变通过放大器的饱和补偿量（补偿信号波长与信号波长不同）的功率电平，以控制放大器的增益。方案一不但需要许多附加器件，结构复杂，而且有较大的电延迟。（2）自动增益控制[18-20]，即包含同时进行放大的激射的全光自动增益控制。可采用简单的无源光学元件如光纤光栅形成直线形激光器，或用光纤反馈环形成环行激光器，并利用EDF 的均匀加宽机制，在EDFA 中特定波长上建立稳定的激射，有效地控制增益的变化，激光器的激射完成上述饱和补偿信号的同样功能，但空腔中的激光条件使通量电平自动进行调整。方案二结构简单，易于实现。下面系统讨论环形激光器法构成的自动增益控制EDFA 的原理及性能。
§2.3-1自动增益控制EDFA(AGCEDFA)的结构与原理（数学模型）
A GCEDFA 的结构如Fig2.11所示，C 1、C 2、C 3为耦合器，C 2的耦合比k 从0～1连续可调，用于调节EDFA 输出，改变环行腔的损耗。可调谐光纤滤波器的带宽为1nm ，选择用于环路激射的放大自发辐射（ASE ）波长，位于滤波器前后的光隔离器ISO 2、ISO 3可防止由于FC 接头等反射可能造成的非选择性自激振荡，因EDFA 中ASE 是双向传输的，所以光隔离器也决定了激光
振荡的方向与信号光、泵浦光的传输方向
一致，这样设置保证了增益光纤的输入端保持较高的粒子数反转水平，使环路很快达到阈值并建立起稳定激射，保证放大器的低噪声运行。光隔离器ISO 1与ISO 4阻止逆向反射，同时ISO 1可保护信号源。
EDFA 的输出经C 2耦合出一部分，由光纤滤波器选出ASE 的其中一个波长后，经光纤反馈回EDFA 输入端，形成一个环形激光器，满足一定激射条件时，可在被选波长上建立起稳定的激光谐振。常温下EDF 是均匀加宽为主的增益介质[23] ，EDFA 的粒子数反转程度受谐振光的牵制，若泵浦功率不变，粒子数反转程度将处于某一稳定状态，决定了整个EDFA 增益带宽内所有光波长的增益。通过调节耦合器C 2的k 或在环路插入衰减器改变环行腔的损耗，使EDFA 工作在不同的反馈深度（不同的工作点）。k 越大（损耗越小），被耦合到环路中的ASE 功率越大，环路谐振越强。在波分复用网络系统中，信道随机插分，复用波长数目变化，即EDFA 输入功率变化，只要环形腔的稳定激射不被破坏，所有信道复用波长的增益保持不变。
下面建立A G CEDFA 的数学模型。设系统有N 个复用波长，在稳态条件下，忽略ASE 引起的增益饱和，当泵浦光在1480nm 波段时，根据式(1-16)并利用h h j K υυ≈，υK
为信号光或泵浦光频率，则(1-16)式简化为[15]：
()
P P L P P P K out K in
K K sat j in j out j N =-+-??????
=+∑exp α11
1
K N =????+121, （2-7）
式中P K in 、P K out 分别为第K 个信道或泵浦光输入、输出光功率，αK 、P K Sat 、分别为第K 个信道的吸收系数和饱和光功率。设K f =表示被选ASE 波长，β为环形腔损耗(Fig2.11
中从B 到A)，包括耦合器损耗、输出损耗和衰减器损耗等。该波长存在如下关系： P P f o u t f in =β （2-8） 当EDFA 在该波长上的增益G ≥β时，形成环形激光谐振，将(2-8)式代入(2-7)式得：
()
P P L P P L K out K in
K f sat
K sat f =-++?????????
?exp ln αβα （2-9）
则信号增益为：
()
G L o g L P P L K f s a t K s a t f =-++????????
?
?10exp ln αβα
（2-10） 式中P f sat 、αf 分别为谐振波长的固有饱和光功率及吸收系数。除β外都为常数，即所有
信道的增益只是β的函数，与信号光输入无关，增益恒定与否完全取决于所选谐振波长λf 以及环形腔在该波长上的损耗β的稳定性，对于不同的谐振波长λf ，环形腔有不同的损耗β，决定了不同的EDFA 增益G ；对于给定谐振波长λf ，通过调节耦合器输出或在反馈回路中插入衰减器可改变损耗β，也可得到不同的增益G 。很显然不论谐振波长λf 和损耗β如何选取，β对G 的控制作用是以环形腔形成稳定激射为前提的，并且对于给定的损耗β，存在一个最大信号输入功率，一旦超过此值，稳定激射熄灭，恒定增益不能获得。
§2.3-2 AGCEDFA 特性的模拟计算与分析
下面根据式(2-7)、(2-8)、(2-9)、(2-10)及噪声指数(1-21)、噪声功率(1-22)式计算与分析不同谐振波长和不同损耗时AGCEDFA 的各种特性。(2-10)式中不包含信号光输入，因此直接根据此式求解不能反应出在不同β下信号光增益随信号输入的变化关系。由式(2-7)知，给出所有信道的初始信号光功率P K in ，要解出第K 个P K out ，必须先求出其它K -1个P K out ，为求解式(2-7)将它变为： ()
P
P L P P P out
K in
K N K K sat in out =-+-??????
=+∑11
1exp α
（2-11）
其中P P in
K in
K N ==+∑1
1
，P
P out
K out
K N ==+∑11
。先由(2-11)式解出P out ，然后代入(2-7)可根据初始信号解出任何一个信道的P K out ，这是无反馈的情况。闭环时，假设某信道K=f ，即开环时解出的其中一个P P K out f
out =，由式(2-8)解得P f in ，将其作为反馈到输入端的初始激射信号与输入信号光一起代入(2-11)式，解得P out 后由(2-9)式解得各信道在闭环时的P K out ，这样根据(2-10)式便得到信号增益G 。由(1-21)可得噪声指数NF 。
计算所用信号光波长为λs =1.550nm ，泵浦光功率为50mw ，泵浦波长1480nm ，EDF
1．不同谐振波长及损耗下增益、噪声指数与输入信号功率的关系
Fig2.12是EDFA 开环(Fig2.11中D 点断开)增益和噪声指数，输入信号较小时，在一个很小的范围内，增益和噪声指数基本不随输入信号变化而变化，但随输入信号的增加，EDFA 很快饱和(3dB 饱和输入功率为-42dBm)，增益迅速减小，噪声指数迅速增大。 Fig2.13是将滤波器调谐在1537nm 形成闭环，在该波长损耗β分别为20dB 和25dB 时，AGCEDFA 增益和噪声指数随输入信号光变化的曲线。为对开环与闭环进行比较， 图中保留了开环特性曲线，上面三条是增益曲线，下面三条为噪声指数曲线。由图看到，在增益受控范围内，G 和NF 曲线平坦，G 的变化小于0.2dB ，即G 、NF 与输入信号无关。与开环相比，3dB 饱和输入功率有很大提高，但EDFA 的小信号增益有较大的压缩，
因为一旦形成激光谐振，谐振光占有绝对优势，消耗了绝大多数粒子数，激光功率
使EDFA 的增益谱在整个辐射谱范围内达到饱和而降低，各波长增益下降的大小取决于激射的阈值条件，即激射波长下的增益等于环行腔损耗，这一点将在下面的分析中得到证明。谐振光功率随输入信号功率的增加而减小，以补偿EDFA 输入的变化，使EDFA 保持在一定的饱和深度。当信号光功率增大到破坏激光振荡，β对G 失去控制作用，输入信号立即饱和EDFA ，信号光增益迅速下降，此时的AGCEDFA 与开环时的EDFA
特性完全相同，因此，闭环曲线的后半段与开环时曲线重合。不同损耗β决定不同的增益G ，并且β对G 的控制范围也不同，β越小，G 越小，可控范围越大，这与(2-10)式相符，这是由于激光振荡建立，谐振光使EDFA 处于深度饱和状态，当环路损耗β增大，反馈回EDFA 输入端的谐振光减弱，EDFA 饱和程度减弱，EDFA 增益提高，所以信号光增
益压缩程度减小即增益增大，同时，信号光输入有较大的增加后，反馈光进一步减弱以至不能形成激光振荡，可控范围减小。 EDFA 在开环情况下，反转粒子数的竞争发生在信号光与ASE 之间，小信号输入时，增益较大，且保持了高粒子反转水平，NF 较小；随信号光增加，消耗大量的反转粒子数，使EDFA 饱和，增益G 下降，NF 增大。闭环时，在增益受控范围内，信号放大过程伴随着放大过程和激射过程之间的反转粒子数竞争，结果粒子数反转程度受谐振光控制而保持不变，激射波长外ASE 谱不随信号光的变化而变化，P ASE 与G 恒定，但信号光增益有较大的压缩，由(1-21)式可知，NF 在小信号时比开环的稍大且保持恒定。
Fig2.14和Fig2.15是将滤波器分别调谐在λf =1545nm 及λf =1556nm 时AGCEDFA 的特性曲线，各曲线的基本趋势与Fig2.13相同，但在相同的损耗β下，谐振波长不同，信号光的增益压缩不同，受控范围也不同，所选谐振波长越长，信号光增益压缩将越大，同时可控范围越大，如Fig2.13、Fig2.14、Fig2.15所示，当β=20dB 时，可控范围逐渐
增大，最大输入信号功率分别为-23dBm 、-16dBm 、-7dBm 。因在EDFA 增益带宽内，
对同样的β，随着谐振波长增加，与该波长对应的铒离子受激辐射截面减小(如Table2.1或Fig2.4所示)，要克服相同的损耗建立稳定激射，需消耗更多的粒子数，因而G压缩较大；由(2-10)式分析可得同样结果，随谐振波长变长，EDFA对该波长的吸收系数逐渐减小，其固有饱和功率逐渐增大，信号光增益逐渐减小，如Fig2.16所示；根据上面分析，谐振波长越长，信号光增益压缩越大，使EDFA饱和的信号光输入功率增大，可控范围增大。另外我们看到，在三种谐振波长上，增益受控期间NF基本相同，这是因为谐振光使EDFA深度饱和，ASE谱受到谐振光控制的缘故。Fig2.13、Fig2.14和Fig2.15是理论计算曲线，没有考虑耦合器C2对信号光的衰减，因此开环与闭环曲线后半段重合，实际上，两者因损耗存在不会重合，闭环较开环稍小，并且闭环损耗β不同，曲线也不重合，β越小，曲线越下移。
Fig2.17是EDFA在闭环时信号光、谐振光增益及谐振光损耗随输入信号光功率的变化关系，此图描述了整个激射的建立过程。在稳定激射形成前，谐振光增益大于损耗，当稳定激射形成后，谐振光增益等于损耗，随着信号光增大，谐振光的增益减小，当
G<β时，激光振荡不能维持，这和激光形成过程相符。图中在稳定激射形成前后，信号光与谐振光有相同程度的压缩，说明Er3+均匀加宽。
2．信号光、谐振光及AGCEDFA的输出功率随信号光输入的变化关系
Fig2.18给出了AGCEDFA谐振光、信号光输出功率随输入信号光功率的变化关系。由图可知，稳定激射建立后，信号光输入增大或减小时，反馈光信号自动减小或增大以补偿EDFA输入的变化，这样维持信号增益恒定，图中信号光输入与输出呈线性关系充分说明这一点。在增益受控范围内，谐振光功率远大于信号光输入，信号光对谐振光的影响就好比在谐振光上加上一个微扰信号。只要损耗β不变且总输入信号功率不超过破
输入变化。Fig2.19给出了谐振光与信号在EDFA总输出中所占的比例关系。增益受控时，谐振光在AGCEDFA总输出中占90%以上，远远大于信号光所占比例，并且谐振光波长越长所占比例越大，我们认为这是在谐振光波长上形成稳定激射的必要条件。
Fig2.20给出了EDFA在开环和闭环情况下总输出随信号光输入的变化关系。EDFA
开环时，总输出随输入信号增加而增加；增益受控时，EDFA的总输出不随信号光而变，当信号光增大到破坏激射时，输出与普通EDFA相同，因此图中曲线后半段重合。
3．多波长信号输入时增益与信号光输入功率的变化关系
Fig2.21是两个不同波长信号光输入开环和闭环EDFA的情况。目的在于模拟WDM 系统中一个信道的开关对其它信道增益的影响（开关频率小于1KHz时），所用信号波长为λS1=1550nm和λS2=1556nm，反馈光信号波长为λf=1545nm，β=20dB。图中最上边的三条曲线是开环情况，第一条只有λS1输入，其初始输入功率为-60dBm；第二、第三条为λS1与λS2同时输入，但λS2的功率不同，分别为-30dBm和-20 dBm且保持不变，这两条曲线都有一段平坦即λS1增益不变的部分，但λS2变化，λS1的增益也随之变化，并且λS2越大，λS1增益压缩越大。这是由于信道间的交叉饱和效应引起信道间的串扰，即某信道增益饱和不仅与其自身功率有关，而且受相邻信道输入功率影响。图中λS2使本信道增益饱和，同时也使相邻信道λS1增益饱和，即EDFA工作在λS2决定的饱和状态，或λS2决定了EDFA的饱和增益谱，λS2功率不同，EDFA饱和程度不同，将决定不同的饱
不变，其它信道小信号增益不变，而该信道功率变化使EDFA从一种饱和态跳变到另一饱和态或引起小信号信道之间的增益竞争，导致信道间的交叉饱和串扰；闭环时，谐振光决定了EDFA增益谱，只要λS2输入后不致破坏激射，λS2输入变化与否不影响λS1的增益；图中最下边的两条曲线是闭环时，没有λS2输入和λS2= -30dBm时λS1的增益，这两条曲线在平坦部分重合说明只要稳定激射存在，信道间的交叉饱和串扰可消除。
4．在相同的损耗β下，不同初始信号输入对环路谐振建立的影响
在实际WDM
(EDFA 的输入较小)，设置EDFA 闭环参数，就有可能不满足更多的信道打开的情况，即初始信号输入功率不同，β的选择是不同的。因此，我们应在所有信道全部打开时，即EDFA 输入信号功率最大时，调节环路损耗β使环路刚好能形成稳定激光振荡，这样在任何信道开关都不至于破坏谐振，同时能获得较大的增益和最大的增益控制范围。
Fig2.22给出了不同初始信号输入，谐振波长和损耗β分别为1545nm 和20dB 时
环路激射的建立情况。图中三条曲线从左到右分别对应输入功率为-60dBm 、-35dBm 和-25dBm ，第三条曲线说明在相同损耗下，由于信号输入较大，环路激射已不能建立，因此输出与普通EDFA 相同，此时，必须适当减小β，才能建立起稳定的环路激射。
5．泵浦光功率变化对信号光增益的影响
在上面的讨论中，我们假定泵浦功率不变，但实际应用中，由于环境温度的影响或LD 自身的老化效应，泵浦功率将发生波动，因而影响EDFA 的增益。Fig2.23是不同泵浦功率(P p )对开环和闭环EDFA 增益的影响情况，图中最上面的两条曲线分别对应开环时Pp =50mw ，48mw ，可看出P p 不同信号光的增益不同。下面五条曲线是EDFA 闭环，Pp =60 mw 、51 mw 、50mw 、48mw 、
45mw 时信号的增益，这些曲线在平坦部分重合，说明相同的β下，形成稳定激射时，铒离子反转程度受激射光控制。由于所用EDF 长度为P p =50mw 时的最佳长度，P p =50mw 已使EDF 中的铒离子全部反转，加大泵浦功率(P p >50mw )对粒子反转数几乎没有贡献，只能造成泵浦光浪费；当P p 稍小于50mw 且ββ=20dB ，P p 有5mw 的衰减仍
能形成稳定激射。因此在一定的损耗β下，泵
浦功率在一定范围变化，只要能形成稳定激
射，EDFA 粒子数反转程度将相同（被牵制
在由β和G 决定的阈值水平），信号光增益恒定。当然对于一定的β和信号光输入，要形成稳定激射，泵浦功率有一下限P pmin ，如前面所述，在信道全部打开即输入信号最强时调节β使环路建立激射，一般β不会太大，泵浦功率有<=2mw 的变化将不影响AGCEDFA 的增益，这一特性在实际应用中很有意义，
并将为EDFA 远程监控方案之一：泵浦源调
制法提供极为有利条件。图中P p 减小使得增益可控范围减小，这是由于泵浦功率减小，粒子反转数减少的缘故。
6．开环与闭环EDFA 对低频调制信号放大特性比较 Fig2.24给出了输入信号低频()f kHz ≤1调制时，开环与闭环EDFA 的输入与输出信号的波形变化。输入信号(λs =1550nm )调制频率为f =55Hz ，图中的曲线1、2、3分
别为输入信号、闭环输出信号、开环输出信号。EDFA 开环输出信号脉冲存在尖峰，因为当输入信号幅度为“0”时，EDF 中信号光强度很弱，形成上能级粒子反转数的积累，当输入信号幅度由“0”变“1”时，EDF 中信号光强度突然增加使上能级粒子反转数急剧下降而增益饱和，形成尖峰脉冲。这是由于EDFA 增益瞬态饱和效应，瞬态增益从饱和状态恢复时间大约为1ms [52]，低速调制信号一个脉冲周期内足以使EDFA 瞬态增益恢复，所以出现尖峰。对于高速调制信号，变化周期远远小于瞬态增益恢复时间，所以信号由“0”到“1”变化时，EDFA 增益“反应”不过来，因此EDFA 对高速信号放大不会失真。闭环时输出与输入信号波形基本相同，说明EDFA 增益恒定，信号被线性放大。同时EDFA 开环增益比闭环增益大，因闭环时信号增益有较大程度的压缩。
Fig2.25是两个信号输入开环与闭环EDFA 的波形。其中λs1=1550nm ，λs2=1556nm ，并且λs1是低频调制信号(f =55Hz)，λs2没有调制的连续信号，功率恒定，图中曲线1和2分别是EDFA 开环与闭环时信号λs2的输出波形，由图知，开环时信号λs2的增益随信号λs1的变化而变化，信道间存在交叉饱和串扰；而闭环时信号λs2的增益不随信号λs1变化，说明闭环时交叉串扰被消除。
在开环时，某一信道的输出功率随其它信道的插分而变，且变化幅度较大，而闭环时某信道的输出功率将不随其它信道而变，这是理想情况，即只考虑EDF 均匀加宽的情况，但实际应用中，由于非均匀加宽的存在，增益瞬态效应引起的交叉调制仍然存在，但与开环相比要小的多，实验表明所选谐振波长λf 越接近于信号波长，越有利于抑制增益变化。当然有效的抑制这一效应是以牺牲信号增益为代价的，因必须降低环路的损耗β，这使的环路激射更强消耗更多的粒子数，信号增益压缩更大。
§2.3-3讨论及改进方法
1．结论
采用环形激光器法实现对EDFA的增益自动控制，只要环路损耗不变，输入信号不超过谐振破坏阈值，增益、噪声指数和输出功率与信号光输入无关，对增益的控制是以牺牲信号增益为代价的。信号输入超过谐振阈值后，激射熄灭，其特性与普通EDFA相同。不同的谐振波长对应不同的环路损耗β，决定不同的增益和受控范围，对于一定的谐振波长，可调节耦合器输出或插入衰减器获得不同损耗，得到不同增益，但噪声指数基本相同。实际应用时，可根据具体情况选择合适的谐振波长及环路损耗。闭环EDFA 增益的稳定性取决与谐振波长λf与环行腔损耗β的稳定性，谐振波长的漂移将引起增益G的变化，这要求所用滤波器带宽要窄，随温度漂移要小；同时其他器件(如WDM)随温度变化也必须小，要尽量稳定可靠，这样才能使一定的谐振波长λf对应一定的环行腔损耗β，保证增益恒定。自动增益控制的EDFA扩展了EDFA增益的恒定范围，容许有更大的信号输入而增益不变，基本消除了尖峰脉冲和信道串扰，并且泵浦光功率变化小于2mw时，信号光增益不受影响。该方法结构简单，易于实现，由于全部采用光学元件，抗电磁干扰能力强，工作稳定，G的变化小于0.2dB，误码率小于10-9[19]。
2．改进方法
在上面的分析中，我们看到，闭环使得EDFA噪声特性恶化，主要由于EDFA信号输入端耦合器的加入，增加了信号的损耗，并且由于增益锁定的EDFA伴随强激光的产生而消耗大量的反转粒子数，致使锁定的增益水平低，粒子反转数处于阈值水平，反转程度较低，自发辐射系数较大，因此噪声特性恶化。由激射光引起信号的增益压缩，从而导致的内部噪声恶化可忽略。适当降低环路其他元器件的插入损耗可改善闭环EDFA 的噪声特性。
对于长距离传输和网络系统应用的中继放大器，应有高的增益、饱和输出功率及低的噪声，而由上面所述，EDFA的增益及噪声特性取决于泵浦掺铒光纤中粒子数反转程度，对于使用单段增益锁定且动态范围较大的EDFA，因其始终工作于低反转的深度饱和状态，很难同时获得高增益、大功率和低噪声特性，必须设法实现高增益、高功率和低噪声条件下平坦增益谱的锁定。
采用两级放大结构的EDFA来提高增益锁定EDFA的放大性能[31]，在EDF中插入光隔离器（如Fig2.26所示），这时EDFA被分为两段，光隔离器可有效阻止后段EDF(L2)
的反向传输ASE的不断积累，因反
向ASE消耗了大量的泵浦光子，使
信号输入端反转粒子数显著减少，致
使EDFA饱和，噪声恶化。这样反向
ASE对前段EDF(L1)的影响大部分被
消除，保证了信号输入端高的粒子反转数，提高了泵浦效率，使该放大级处于高反转粒子数水平而工作在高增益、高输出功率及低噪声状态。两级结构的EDFA等效于两个独立EDFA的级联，EDFA1与EDFA2分别为EDF(L1)和EDF(L2)组成的放大器，EDFA的总增益、输出功率及噪声指数为：()()()
///（2－15）
G L o gP P L o gP P L o gP P G G
101010
==+=+
31213212
P P G G 3112=?+() （2－16） NF NF NF G =+121/ （2－17） 式中P 1为输入信号功率，P 2、P 3、G 1、G 2及NF 1、NF 2分别为EDFA 1与EDFA 2的输出信号功率、增益及噪声指数。由上面式子知，两级结构EDFA 的总增益等于两级放大增益之和，而噪声特性主要由第一级决定，第二级对噪声影响不大。对于两级结构的增益锁定EDFA ，第一级噪声较低而增益较高，第二级噪声较高而增益较低，而总增益是两级之和，相对于单级锁定有较大的提高，总噪声主要由增益较高的第一级决定，处于深度饱和且噪声较高的锁定级对总噪声几乎无影响，所以这种结构能有效的提高增益锁定EDFA 的性能，获得高输出、高功率和大增益。
为有效阻止反向传输的ASE ，隔离器有一最佳位置[43]，假如隔离器安置在EDFA 的输入端，由于光隔离器的插入损耗，使信号光和泵浦光功率都受到衰减，导致增益压缩，噪声特性恶化；如果光隔离器安置在EDFA 的输出端，同样由于插入损耗，信号输出功率将被衰减，增益降低；这样尤其对后向泵浦不利，因不但其插入损耗衰减而且隔离器本身阻止泵浦光功率。我们认为在泵浦光最强时应让反向ASE 尽量小，以保证高的粒子反转数水平，一般对于前端泵浦的EDFA 在总EDF 长度的25%～30%左右泵浦功率最高，因此将光隔离器安置在距信号输入端四分之一EDF 长度处比较合适。
没有经过增益均衡的EDFA ，其增益谱对波长的依赖性很强，放大器的波长带宽内增益不平坦，我们讨论增益锁定时，认为EDFA 均匀加宽，对任何波长光信号提供相同的增益，实际上由于EDFA 增益谱的不平坦性，增益锁定只能有效的降低增益对输入信号功率和泵浦功率变化的敏感性，保证不同波长的增益恒定，但不能保证各波长信号的增益完全相同，因此各信道间增益仍然存在一定差别。对于这一问题，采用上一节中介绍的对单个EDFA 增益均衡的方法来解决，在合理设计EDFA 本身特性参数的基础上，在EDFA 的适当位置处插入陷波滤波器或长周期光纤光栅，如Fig 2.27所示，这样将增益均衡和增益锁定结合起来，可得到宽带、增益平坦、增益恒定的EDFA 。
同单个EDFA 增益均衡一样，陷波滤波器中心波长调谐在1531nm ，带宽约为7nm ，对EDFA 的增益峰衰减，获得增益平坦，且增益不随输入功率变化的EDFA 。滤波器有一最佳位置[27]，由于激射效应牵制了增益，平均粒子反转数被牵制在阈值水平，这主要由环路损耗、泵浦功率及EDF 长度决定，因此增益谱与滤波器的位置无关，这一特性与没有增益锁定的EDFA 不同，因此滤波器的位置不能由EDFA 增益谱来确定。我们考虑滤波器位置对EDFA 噪声的影响。Fig2.27中的增益锁定级同样可看作两级结构，噪
声指数主要由前一级决定，即由EDF （L 2）决定，而EDF （L 2'）
影响很小。因此应保证前级有足够的增益，可将滤波器放在
()
L L 22+'长度的30%左右，有效
抑制ASE ，使得泵浦光最强而
ASE 较小，粒子数反转水平高，增益高，而噪声指数小。同时由于ASE 被抑制，很大程度上消除了EDFA 输出端因ASE 引起的增益饱和效应，有可能提高增益锁定EDFA 的增益锁定范围。
从上面讨论可知，将EDFA的增益均衡与增益锁定技术有机结合，可有效的改善EDFA的特性，获得适合WDM全光通信网的高功率、高增益、低噪声、增益平坦和增益锁定的宽带EDFA。
射频同轴电缆特性阻抗Zc的测试
射频同轴电缆特性阻抗Z C 的测试 胡 树 豪 这里介绍射频同轴电缆特性阻抗Z C 的6种测试方法。它们同样也适合于双绞线，只不过仪器要转换为差分系统而已。 一、λ/4线接负载法 1、测试方法与步骤： ·待测电缆一段，长约半米（无严格要求），两端装上连接器。扫频范围由仪器低频扫到百余兆赫即可。对于其它长度的电缆，扫频范围请自定。 ·仪器工作在测反射（或回损）状态，作完校正后画面应选阻抗圆图。 ·在测试端口接上待测电缆，电缆末端接上精密负载。 ·画面不外三种情况： 轨迹集中为一点，则Z C = Z 0（测试系统特性阻抗，一般为50Ω）。 轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图右边，则Z C > Z 0 。 轨迹呈圆弧或圆圈状，在圆图左边，则Z C < Z 0 。 ·将光标移到最接近实轴的点上，记下此点的电阻值R in （不管电抗值）。 n i C R Z Z 0= 例如：R in = 54Ω，则Z C = 52Ω，若R in = 46Ω，则Z C = 48Ω。 若轨迹不与实轴相交，则扫频范围不够或电缆太短；若交点太多，则扫频范围太宽或电缆太长。 2、优点 轨迹直观连续，不易出错。 连接器的反射可以通过λ/4线抵消。 3、缺点 必须截取短样本。 必须两端装连接器。 电缆质量必须较好，否则不同频率的测试结果起伏较大，不好下结论。 4、物理概念与对公式的理解 λ/4线有阻抗变换作用，其输入阻抗Z in 与负载阻抗Z L 之间满足Z in = Z C 2/Z L 关系。 现在Z L = Z 0，Z in = R in ，代入展开即得上面的Z C 计算公式。 λ/4线的阻抗变换公式是众所周知的，但作为特性阻抗的测试方法却未曾见。在测阻抗曲线试验中发现，与实轴相交的这一点是可用来测特性阻抗的；因为它把矛盾扩大了，反而更容易测准。由于曲线是很规矩的，不易出错。但必须用第一个交点，即除原点以外的最低频率的与实轴最近的一点，用第二点就可能出问题。换句话说，待测电缆的电长度应为λ/4的奇数倍，不能是偶数倍。 二、λ/8线开、短路法 1、测试方法与步骤： ·样本与扫频方案 对于已装好连接器的跳线，长度已定，只能由长度定扫频方案而对于电缆原材料，则可以按要求频率确定下料长度。此时待测电缆一头装连接器即可。
步进电动机的工作原理与特点
步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形
晶振基础知识
晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (2) 二. 晶体振荡器分类： (16) 三、石英晶体谐振器主要参数指标 (19) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 (20) 五．石英晶体基本生产工艺流程 (26)
一、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC 谐振器，LC 并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS （硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。 石英谐振器的结构 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。 Mounting clips Top view of cover Resonator
普通晶振内部结构 石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC 及外围电路、陶瓷基板（DIP OSC ）、上盖组成。 普通晶体振荡器原理图 胶点 基座 晶片 Bonding 线 IC
4. 振荡电路的振荡条件： （1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 （2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 （3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。 （4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 （5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。
压控晶振原理
压控晶振原理 压控晶体振荡器简介 压控晶体振荡器全称：电压控制晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator)，是一种与晶体谐振器串联插入变容二极管，根据外部加入的电压使二极管的容量发生变化，来达到输出频率可根据晶体谐振器的负载电容特性变化的晶体振荡器。 VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。 石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。压控晶体振荡器具有以下特点： (1)低抖动或低相位噪声：由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响，VCO的输出信号并不是一个理想的方波或正弦波，其输出信号存在一定的抖动，转换成频域后可以看出信号中心频率附近也会有较大的能量分布，即是所谓的相位噪声。VCO输出信号的抖动直接影响其他电路的设计，通常希望VCXO的抖动越小越好。 (2)宽调频范围：VCO的调节范围直接影响着整个系统的频率调节范围，通常随着工艺偏差、温度以及电源电压的变化，VCXO的锁定范围也会随着变化，因此要求VCXO有足够宽的调节范围来保证VCXO的输出频率能够满足设计的要求。 (3)稳定的增益：VCO的电压——频率非线性是产生噪声的主要原因之一，同时，这种非线性也会给电路设计带来不确定性，变化的VCXO增益会影响环路参数，从而影响环路的稳定性。因此希望VCXO的增益变化越小越好。 1.频率大小：频率越高一般价格越高。但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。比如基站中一般用10MHz的恒温晶振（OCXO），因其有很
射频连接器的阻抗原理
阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图：基本原理 在处理RF系统的实际应用问题时，总会遇到一些非常困难的工作，对各部分级联电路的不同阻抗进行匹配就是其中之一。一般情况下，需要进行匹配的电路包括天线与低噪声放大器(LNA)之间的匹配、功率放大器输出(RFOUT)与天线之间的匹配、LNA/VCO 输出与混频器输入之间的匹配。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。 在高频端，寄生元件(比如连线上的电感、板层之间的电容和导体的电阻)对匹配网络具有明显的、不可预知的影响。频率在数十兆赫兹以上时，理论计算和仿真已经远远不能满足要求，为了得到适当的最终结果，还必须考虑在实验室中进行的RF测试、并进行适当调谐。需要用计算值确定电路的结构类型和相应的目标元件值。 有很多种阻抗匹配的方法，包括 ?计算机仿真：由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。另外，除非计算机是专门为这个用途制造的，否则电路仿真软件不可能预装在计算机上。 ?手工计算：这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 ?经验：只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 ?史密斯圆图：本文要重点讨论的内容。 本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识，并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例，比如找出匹配网络元件的数值。当然，史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。 图1. 阻抗和史密斯圆图基础 基础知识 在介绍史密斯圆图的使用之前，最好回顾一下RF环境下(大于100MHz) IC连线的电磁波传播现象。这对RS-485传输线、PA和天线之间的连接、LNA和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。
晶振的工作原理
晶振的工作原理文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
晶振的工作原理：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振的参数：晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 晶振的应用：一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。 一般的晶振的负载电容为15p或，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。
交流阻抗的原理与应用
交流阻抗的原理及应用-测聚苯胺修饰电极的电化学 性能 一、实验目的 (1)掌握交流阻抗法(EIS)的实验原理及方法。 (2)了解Nyquist图和Bode图的意义。 (3)学会用Zsimpwin软件对实验数据进行拟合。 二、实验原理 交流阻抗法（alternating current impedance，AC impedance）阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法,引用到研究电极过程,成为电化学研究中的一种实验方法。控制通过电化学系统的电流或电势在小振幅的条件下随时间按正弦规律变化，同时测量相应的系统电势或电流随时间的变化，此时电极系统的频响函数就是电化学阻抗。通过阻抗可以分析电化学系统的反应机理、计算系统的相关参数。交流阻抗法是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号，益加在外加直流电压上，并作用于电解池，通过测童系统在较宽频率范围的阻抗谱，获得研究体系相关动力学信息及电极界面结构信息的电化学测量方法。对于一个电解池系统，当在电极两端施加一定电压时，阴阳极会构成一个回路，在这个回路中，电子和离子的传递受到一定的阻力的作用，包括：溶液的阻力，电极的阻力。而这些阻力正好可以用电阻R进行表征。再者，在电极和溶液界面上，两相中的剩余电荷会引起静电相互作用，以及电极表面与溶液中的各种粒子（溶剂分子、溶剂化了的离子和分子等）的相互作用。 复数阻抗的测量是以复数形式给出电极在一系列频率下的阻抗，不仅能给出阻抗的绝对值，还可给出相位角，可为研究电极提供较丰富的信息。 对于一个纯粹电化学控制的电极体系，可等效成如图2一1所示的电路。
图2一1测试电池的等效电路 图2一1中，R e 为溶液电阻，C P 为电极/溶液的双电层电容,R P 为电极电阻。此等效电 路的总阻抗为: 2 p 2p 22 22p 2p 2e 1jw -1R C R C R C RP R Z P P ωω+++= 其中，实部是 2 p 2p 2p e 1R C R R Z ω++ =， 虚部是 2p 2 p 2p 2p , ,R C 2ω1R j ωωZ -+= 对于每一个w 值，都有相应的Z ’与Z ’’，在复数阻抗平面内表示为一个点连接各w 的阻抗点，得到一条曲线，成为复数阻抗曲线，如图2一2所示。 当w→∞时，半圆与Z ’轴的交点即为电解质溶液的电阻Re ；当W→0时，半圆与Z ， 轴的交点即为Re 十Rp 。一般情况下，电解质溶液的电阻Re ，可忽略，因此，根据半圆与Z ’轴的交点即可求得电极体系的电阻Rp ；当w=w xax 为半圆最高点的角频率)时，据公式q 可求得电极/溶液的双电层电容Cp 。
最新各种外加剂复配技术资料
各种外加剂复配技术 (2011-09-13 09:26:23) 转载▼ 泵送剂 混凝土的泵送技术目前使用已十分普遍，尤其是商品泵送混凝土。因为商品混凝土的质量控制比施工现场搅拌混凝土的质量控制要好得多。目前国内的泵送水平也较高，垂直泵送已可达到一泵高度130m（上海东方明珠电视塔）。 泵送混凝土与普通混凝土是不一样的，它属于流态化混凝土。流态化混凝土首先是德国提出来的，是为了改善混凝土的施工性能而提出的。1974年原联邦德国制定了流态化混凝土施工指南，接着美国、英国、日本等均提出有关的报告书，有的称为超塑性混凝土。 流态混凝土特点为： 对坍落度较小的基准混凝土（3.5—9厘米坍落度），在浇筑以前加入流化剂（高效减水剂的复合剂），拌制成坍落度达到20cm以上流动度的混凝土。即在不改变原配合比和用水量的情况下，用加外加剂的办法来调整混凝土的工作度，使其流动性更好。这种混凝土粘性好、容易流动、不离析、不泌水。 泵送混凝土是流态化混凝土的一种，由于它有泵送的要求，它所掺的外加剂还必须满足泵送的特殊要求。泵送混凝土占流态混凝土和商品混凝土中很大的一部分，泵送剂也就成为了外加剂中重要的品种之一。 泵送剂的组成及机理 泵送剂常常不是一种外加剂就能满足性能要求，而是根据泵送剂的特点由不同作用的外加剂复合而成。 具体的复配比例应根据不同的使用目的、不同的使用温度、不同的混凝土标号、不同的泵送工艺来确定。 主要由以下几种组分组合而成: 1、减水组分 2、缓凝组分 3、引气组分 4、保水组分 5、矿物超细掺合料 6、膨胀组分 减水组分 1）普通减水剂 有减水作用，可在保持泵送混凝土所需要的流动度条件下，降低水灰比，以提高后期强度。 木质磺酸钙与木质磺酸钠是最常用的减水剂。除了减水作用外，还有些缓凝和引气性。有些标号较低，坍落度要求又不太高的泵送混凝土甚至只加木质磺酸盐类减水
晶振的工作原理
晶振的工作原理：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率围，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 晶振的参数：晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 晶振的应用：一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。 一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p 的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。晶振的种类：谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，瓷谐振器，LC谐振器等。晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。 石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，
常用各种外加剂原理及特性
常用外加剂之减水剂原理及特性 减水剂是当前外加剂中品种最多、应用最广的一种，根据其功能分为：普通减水剂(在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂)；高效减水剂 (在保持混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少用水量的外加剂)；引气减水剂(兼有引气和减水功能的外加剂)；缓凝减水剂(兼有缓凝和减水功能的外加剂)；早强减水剂(兼有早强和减水功能的外加剂)。 减水剂按其主要化学成分为：木质素磺酸盐系；多环芳香族磺酸盐系；水溶性树脂磺酸盐系；糖钙等。 1．常用减水剂 (1)木质素磺酸盐系减水剂。这类减水剂根据其所带阳离子的不同，有木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)、木质素磺酸镁(木镁)等。其中木钙减水剂(又称M型减水剂)使用较多。木钙减水剂是由生产纸浆或纤维浆的废液，经生物发酵提取酒精后的残渣，再用石灰乳中和、过滤、喷雾干燥而制得的棕黄色粉末。木钙减水剂的掺量，一般为水泥质量的0．2％～O．3％，当保持水泥用量和混凝土坍落度不变时，其减水率为10％～15％，混凝土28d抗压强度提高 10％～20％；若保持混凝土的抗压强度和坍落度不变，则可节省水泥用量10％左右；若保持混凝土的配合比不变，则可提高混凝土坍落度80～100mm。木钙减水剂对混凝土有缓凝作用，掺量过多或在低温下缓凝作用更为显著，而且还可能使混凝土强度降低，使用时应注意。木钙减水剂是引气型减水剂，掺用后可改善混凝土的抗渗性、抗冻性、降低泌水性。木钙减水剂可用于一般混凝土工程，尤其适用于大模板、大体积浇注、滑模施工、泵送混凝土及夏季施工等。木钙减水剂不宜单独用于冬季施工，在日最低气温低于5℃时，应与早强剂或早强剂、防冻剂等复合使用。木钙减水剂也不宜单独用于蒸养混凝土及预应力混凝土。
阻抗测试方法
成品阻抗测试方法： 1、仪器设置： 网络分析仪：CENTER：200MHz SPAN：2MHz（视被测电缆的长度进行设定）MEAS：S12 或S21 FORMA T：Phase 直通校准 注意：校准完毕为一条数值为零的直线，SPAN更改不同的数值需要重新校准。 2、电容测量仪测试电容值。（数值现实稳定可以读取数值）。 3、相位差的测量： 网络分析仪连接被测电缆，显示相位值，按照以下方式进行读取数值： 打开菜单MARKER SERACH，target value设置为0，打开multi target search , 记录两个标记点的频率值（注意：选择红圈内数值最接近的标记点）。 如上图所示：应选择标记点1、2。 δf=(f m -f n )/m-n 4、按照特性阻抗的公式： 平均特性阻抗=1000/(δf*c) δf单位为MHz, C为测量的电容值：单位nf。 注意事项：1、测试频率差时被测电缆的接头状态必须和测试电容的接头状态保持一致。 2、target value设置为0，以避免产生误差。 3、保证校准状态有效。
相对传播速度的测量方法： 1：相对传播速度的定义：信号在介质中的传播速度与自由空间的传播速度之比。 2、仪器的设置： 网络分析仪进行测试： CENTER：200MHz SPAN：1MHz MEAS：S12 或S21 FORMA T：Group delay 直通校准 校准后为一条数值为零的直线。 3、连接被测电缆，打开Marker Factions ，将统计功能打开。读取平均值即为延迟时间t。 4、按照下列公式计算相对传播速度： V =L/(t?c) ?100% V：相对传播速度。L：电缆的实际长度（米）c=3.0?108米/秒 t ：延迟时间（秒）。 电缆相位及电长度测试及计算方法： 1、仪器的设置： 网络分析仪设置： CENTER：要求测试频点SPAN：10MHz（或者按照通知单要求设置起始终止频率）MEAS：S12 或S21 FORMA T：Extend Phase 直通校准 校准后为一条数值为零的直线。 2、连接被测电缆，读取要求频率点的数值。
晶振电路原理介绍
晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。 一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。 谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。
晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。 石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。 石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC来共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR 的大小直接影响电路的性能，也是各商家竞争的一个重要参数。 概述 微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；基于相移电路的时钟源，如：RC (电阻、电容)振荡器。硅振荡器通常是完全集成的RC振荡器，为了提高稳定性，包含有时钟源、匹配电阻和电容、温度补偿等。图1给出了两种时钟源。图1给出了两个分立的振荡器电路，其中图1a为皮尔斯振荡器配置，用于机械式谐振器件，如晶振和陶瓷谐振槽路。图1b为简单的RC反馈振荡器。 机械式谐振器与RC振荡器的主要区别 基于晶振与陶瓷谐振槽路(机械式)的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温 度系数。相对而言，RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。图1所示的电路能产生可靠的时钟信号，但其性能受环境条件和电路元件选择以及振荡器电路布局的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。 振荡器模块 上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波
特性阻抗之原理与应用
特性阻抗之原理與應用 Characteristic Impedance 一、前題 1、導線中所傳導者為直流（D.C.）時，所受到的阻力稱為電阻（Resistance），代表符號為R，數值單位為“歐姆”（ohm,Ω）。其與電壓電流相關的歐姆定律公式為： R=V/I；另與線長及截面積有關的公式為：R=ρL/A。 2、導線中所傳導者為交流（A.C.）時，所遭遇的阻力稱為阻抗（Impedance），符號為Z，單位仍為Ω。其與電阻、感抗及容抗等相關的公式為： Z =√R2 +(XL—Xc)2 3、電路板業界中，一般脫口而出的“阻抗控制”嚴格來說并不正确，專業性的說法應為“特性阻抗控制”（Characteristic Impedance Control）才對。因為電腦類PCB線路中所“流通”的“東西”并不是電流，而是針對方波訊號或脈沖在能量上的傳導。此種“訊號”傳輸時所受到的“阻力”另稱為“特性阻抗”，代表的符號是Zo。計算公式為：Zo = √L/C ，（式中L為電感值，C為電容值），不過Zo的單位仍為歐姆。只因“特性”的原文共有五個章節，加上三個單字一并唸出時拗口繞舌十分費力。為簡化起見才把“特性”一字暫時省掉。故知俗稱的“阻抗控制”，實際上根本不是針對交流電“阻抗”所進行的“控制”。且即使要簡化掉“特性”也應說成Controlled Impedance，或阻抗匹配才不致太過外行。 圖1 PCB元件間以訊號（Signal）互傳，板面傳輸線中所遭遇的阻力稱為“特性阻抗” 二、需做特性阻抗控制的板類 電路板發展40年以來已成為電機、電子、家電、通信（含有線及無線）等硬體必備的重要元件。若純就終端產品之工作頻率，及必須阻抗匹配的觀點來分類時，所用到的電路板約可粗分為兩大類：
常用外加剂之引气剂原理及特性
常用外加剂之引气剂原理及特性 引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂的主要种类有：松香树脂类，如松香热聚物、松香皂等；烷基苯磺酸盐类，如烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠等；脂肪醇类，如脂肪醇硫酸钠、高级脂肪醇衍生物等；非离子型表面活性剂，如烷基酚环氧乙烷缩合物等；木质素磺酸盐类，如木质素磺酸钙等。 1．常用引气剂 我国应用较多的引气剂为松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐、木质素磺酸盐类等。 松香热聚物是松香与石碳酸、硫酸、氢氧化钠以一定配比经加热缩聚面成。松香皂是由松香经氢氧化钠皂化而成。松香热聚物的适宜掺量为水泥质量的 O．005％～0．02％。混凝土含气量为3％～5％，减水率为8 ％左右。松香皂引气减水剂掺量为水泥质量的0．005％～O．01％，减水率为10％以上。引气剂的掺量虽然极微，但引气剂对混凝土性能影响却很大。其主要作用有：
(1)改善混凝土拌合物的和易性。引气剂的掺入使混凝土拌合物内形成大量微小的封闭球状气泡，这些微气泡如同滚珠一样，减少骨料颗粒间的摩擦阻力，使混凝土拌合物的流动性增加。若保持流动性不变，就可减少用水量。同时由于水分均匀分布在大量气泡的表面，这就使能自由移动的水量减少，混凝土拌合物的泌水量因此减少，而保水性、粘聚性相应随之提高。 (2)降低混凝土的强度。由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。但引气剂有一定的减水作用(尤其象引气减水剂，减水作用更为显著)，水灰比的降低，使强度得到一定补偿。当水灰比固定时，空气量每增加1％体积时，混凝土的抗压强度要降低4％～5％，抗折强度降低2％～3 ％。因此，引气剂的掺量应严格控制，一般引气量以3％～6％为宜。此外，由于大量气泡的存在，使混凝土的弹性变形增大，弹性模量有所降低，这对提高混凝土的抗裂性是有利的。 (3)提高混凝土的抗渗性、抗冻性。 引气剂使混凝土拌合物泌水性减小(一般泌水量可减少30％～40％)。因此泌水通道的毛细管也相应减少。同时，大量封闭的微气泡的存在，堵塞或隔断了混凝土中毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔结构，使混凝土抗渗性显著提高。气泡有较大的弹性变形能力，对
有源晶振与无源晶振的区别
有源晶振与无源晶振的比较 英文名称：Crystal 无源晶体 Oscillator 有源晶体 基本原理： 石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。 压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。图1是一个串联型振荡器，晶体管T1和T2构成的两级放大器，石英晶体XT与电容C2构成LC电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。该振荡器供电电压为5V，输出波形为方波。 图1 串联振荡器 简单比较： 无源晶振内只有一片按一定轴向切割的石英晶体薄片,供接入运放(或微处理器的XTAL 端)以形成振荡.有源晶振内带运放,工作在最佳状态,送入电源后,可直接输出一定频率的等幅正弦波,一般至少有4引脚,体积稍大.
详细区别： 1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。 2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。 几点注意事项： 1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波； 2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件； 3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围； 4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。 此外还要做一些说明： 总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域，绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一起，减少了设计的复杂性。试想，如果采用晶体，然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。 特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平，就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶体，如红宝石晶体等等。
石英晶体振荡器原理
石英晶体振荡器的基本工作原理及作用 (1)石英晶体振荡器（简称晶振）的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化矽的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。(2)压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐 振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 (3)符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。当晶体不振动时，可把它看 成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几 百mH。晶片的弹性可用电容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因 摩擦而造成的损耗用R來等效，它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小， R也小，因此回路的品质因數Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性。
阻抗匹配的原理
阻抗匹配概念 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。 在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。 阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。 大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。 要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。 右图中R为负载电阻，r为电源E的内阻，E为电压源。由于r的存在，当R很大时，电路接近开路状态；而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。 根据式:
从上式可看出，当R=r时式中的 式中分母中的(R-r)的值最小为0，此时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率。这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。 改变阻抗力 把电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。 调整传输线 由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配 阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。对于普通的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为5 0欧姆。这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为 100欧姆,只是取个整而已,为了匹配方便. 阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电
各种外加剂参数和特性
1)速凝剂flash/quick-setting agent/additive 混凝土速凝剂 1、速凝剂是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。速凝剂主要有无机盐类和有机物类两类。我国常用的速凝剂是无机盐类，主要型号有红星Ⅰ型、7Ⅱ、728型、8604型等。 2、红星Ⅰ型速凝剂是由铝氧熟料（主要成分是氯酸钠）、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5的比例配制而成的一种粉状物，适宜掺量为水泥质量的2.5%~4.0%。7Ⅱ型速凝剂是铝氧熟料与无水石膏按质量比3：1配合粉末而成，适宜掺量为水泥质量的3%~5%。 3、速凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5min内初凝，10min内终凝，1h 就可产生强度，1d强度提高2~3倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的80%~90%。速凝剂的速凝早强作用机理是使水泥中的石膏变成Na2SO4，失去缓凝作用，从而促使C3A迅速水化，并在溶液中析出其水化产物晶体，导致水泥浆迅速凝固。 4、速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程。 主要性能 1、凝结时间：初凝1～5min,终凝5～10min,适宜掺量为胶凝材料用量的3—5％； 2、碱金属含量<1％，无毒、无味、无刺激； 3、细度：8mm孔筛，筛余物小于10％； 4、喷射砼早期强度高，其28天龄期抗压强度保存率达80—100％； 5、喷料粘聚性好，对钢筋无锈蚀作用，提高抗渗标号，凝结快，一次喷层厚，喷拱可达130mm，喷壁可达200mm以上 使用方法 1、适用于国防、水利、井巷、隧道、洞室及其它地下工程的喷射混凝土和喷射砂浆，结构自防水的支护工作，防漏、堵漏及地面混凝土快速施工，混凝土紧急抢险工程。 2、掺量为水泥重量3~6%，使用前，根据工程要求选型的水泥品种，做最佳
阻抗测试
PCB的差分阻抗测试技术 作者: 周英航上网日期: 2006年11月10日打印版订阅 关键字：PCB电路板TDR真差分TDR特征阻抗Coupon 为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的几百Mbps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、XAUI/2XAUI、XFI的几个Gbps乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB客户对差分走线的阻抗控制要求越来越高。这使PCB生产商以及高速PCB设计人员所面临的前所未有的挑战。本文结合PCB行业公认的测试标准IPC-TM-650手册，重点讨论真差分TDR测试方法的原理以及特点。 IPC-TM-650手册以及PCB特征阻抗测试背景 IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。其中PCB板电气特性要求在第2.5节中描述，而其中的2.5.5.7a(IPC-TM-650官方网站下载链接https://www.wendangku.net/doc/0f5941402.html,/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2-5-5-7a.pdf)则全面的介绍了PCB特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走线的阻抗测试。 TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求 1.TDR的基本原理 图1是一个阶跃信号在传输线(如PCB的走线)上传输时的示意图。而传输线是通过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此，传输线在此位置上是有对地的电流回路的，因