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研究生:李東陽
研究生(外文):Dong Yang Lee
論文名稱:互補式金屬氧化物半導體積體電路設計應用於光功率自動控制系統之研究
論文名稱(外文):Study on Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuits Design for Automatic Photon-Power Control System
指導教授:孫台平
指導教授(外文):Tai-Ping Sun
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:59
中文關鍵詞:互補式金屬氧化物半導體積體電路設計光功率自動控制調變折疊式運算放大器
外文關鍵詞:Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)integrated circuits designautomatic photo-power controlmodulationfolded cascode operational amplifier
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本論文完成自動光功率之控制,有效改善光電元件因熱而產生臨界電流變化之影響。10mW之雷射直流光功率,其溫度控制範圍可達40°C。脈波調變之溫度控制範圍隨工作週期的減少而增加。20%之時脈週期,溫度控制範圍可達50°C,其操作頻率可達75KHz,符合液晶顯示器背景光源之需求。弦波調變之工作頻率達100KHz,脈波加弦波可達1K+10K,結合塑膠光纖,可做短距離之資料傳輸。
本論文內容包含光電元件特性之量測,最佳工作點之決定,運算放大器之設計及諸如脈波、弦波、脈波加弦波等調變應用。其設計流程亦適用於發光二極體與5mW、20mW等不同光功率大小之光源。
In this thesis, we have designed an automatic photo-power control circuit which can effectively prevent the power variation owing to the heat effect as a result of threshold current variation in photoelectric devices. For a 10 mW laser operating under direct-current case, the controlled temperature range can be achieved is 40℃. Under the case of pulse width modulation, the controlled temperature range increases as the duty cycle decreases. For a 20% duty cycle, the controlled temperature range can reach up to 50℃ and 75 KHz operating frequency can be attained, which meets the requirement of backlighting in liquid crystal display. For the case of sine wave modulation, a maximum100 KHz operating frequency can be achieved. When pulse in accompanied with sine wave modulation, a 1 K plus 10 KHz operating frequency can be achieved. In combining with plastic optical fiber, the designed automatic photo-power control circuit can find application in short distance communication.
The content of this thesis includes the measurements of photoelectric device characteristics, the determination of optimum operating point of the photoelectric device, the design and applications of the operational amplifier for pulse, sine and pulse plus sine wave modulations. The design flow described in this thesis can also be used for light emitting diodes, as well as other light sources with 5 mW, and 20 mW light power.
目錄
摘要-------------------------------------------------------------------------------------------------i
英文摘要------------------------------------------------------------------------------------------ii
誌謝-----------------------------------------------------------------------------------------------iii
目錄-----------------------------------------------------------------------------------------------iv
圖目錄--------------------------------------------------------------------------------------------vi
表目錄---------------------------------------------------------------------------------------- --viii

第一章、 序論
1-1 研究背景與目的---------------------------------------------------------------------1
1-2 研究方法------------------------------------------------------------------------------4
1-3 論文編排------------------------------------------------------------------------------5

第二章、 自動功率控制電路工作原理與光電元件特性量測
2-1 工作原理------------------------------------------------------------------------------7
2-2 光電元件特性分析----------------------------------------------------------- ---- --8
2-2-1 雷射二極體------------------------------------------------------------------ 8
2-2-1-1 原理分析----------------------------------------------------------9
2-2-1-2 輸出輸入特性---------------------------------------------------11
2-2-2 接收光二極體------------------------------------------------ ---------- --13
2-2-2-1 原理分析---------------------------------------------------------13
2-2-2-2 輸出輸入特性---------------------------------------------------14
2-3 光電元件特性量測-----------------------------------------------------------------17

第三章、 自動功率控制電路設計
3-1 直流之最佳工作條件--------------------------------------------------------------22
3-2 運算放大器之設計-----------------------------------------------------------------23
3-3 調變應用-----------------------------------------------------------------------------27


第四章、 研究結果與討論
4-1 自動功率控制電路之研究結果與討論-----------------------------------------31
4-2 運算放大器設計之研究結果(模擬值)與討論---------------------------------39
4-3 調變應用之研究結果與討論-----------------------------------------------------41

第五章、 結論與未來展望
5-1 結論-----------------------------------------------------------------------------------49
5-2 未來展望-----------------------------------------------------------------------------49

參考文獻----------------------------------------------------------------------------------------51

附錄----------------------------------------------------------------------------------------------56




















圖目錄
圖1-1 德國奧迪汽車---------------------------------------------------------------------------1
圖1-2 美國LUMILEDS公司之液晶顯示器背景光源-----------------------------------2
圖1-3 LCD背光模組方塊圖------------------------------------------------------------------3
圖1-4 雷射與發光二極體之頻譜差異------------------------------------------------------5
圖2-1 自動功率控制工作原理---------------------------------------------------------------7
圖2-2 自動功率控制電路圖------------------------------------------------------------------8
圖2-3 能隙關係---------------------------------------------------------------------------------9
圖2-4 群體反轉--------------------------------------------------------------------------------10
圖2-5 刺激發射--------------------------------------------------------------------------------10
圖2-6 正迴授-----------------------------------------------------------------------------------11
圖2-7 雷射二極體之P-I曲線---------------------------------------------------------------11
圖2-8 發光二極體模式-----------------------------------------------------------------------12
圖2-9 臨界模式--------------------------------------------------------------------------------12
圖2-10 雷射模式------------------------------------------------------------------------------13
圖2-11 光二極體P-N介面-------------------------------------------------------------------14
圖2-12 光二極體電路圖---------------------------------------------------------------------14
圖2-13 光二極體光功率與光電流之關係------------------------------------------------15
圖2-14 暗電流區之放大圖------------------------------------------------------------------15
圖2-15 波長與反應率之關係---------------------------------------------------------------16
圖2-16 雷射二極體P-I曲線之量測方法------------------------------------------------ 18
圖2-17 雷射二極體之P-I曲線量測結果-------------------------------------------------18
圖2-18 光二極體P-I曲線之量測方法-----------------------------------------------------19
圖2-19 光二極體之P-I曲線量測結果-----------------------------------------------------20
圖3-1 直流之最佳工作點設計流程--------------------------------------------------------22
圖3-2 直流之APC電路----------------------------------------------------------------------22
圖3-3 折疊式運算放大器--------------------------------------------------------------------23
圖3-4 退化共源極組態電阻之等效電路---------------------------------------- ---------25
圖3-5 折疊式運算放大器之極點與增益頻寬積的關係--------------------------------27
圖3-6 調變應用設計流程--------------------------------------------------------------------27
圖3-7 調變原理--------------------------------------------------------------------------------28
圖3-8 脈波調變工作示意圖-----------------------------------------------------------------29
圖3-9 弦波調變工作示意圖-----------------------------------------------------------------29
圖3-10 脈波加弦波輸出波形---------------------------------------------------------------30
圖4-1 RE電阻與雷射驅動電流之關係-----------------------------------------------------31
圖4-2 Rin電阻對雷射光功率之關係--------------------------------------------------- ----32
圖4-3 Rin電阻為2.5k時之穩定度關係-----------------------------------------------------33
圖4-4 Rin電阻為5k時之穩定度關係-------------------------------------------------------34
圖4-3 Rin電阻為7.5k時之穩定度關係-----------------------------------------------------35
圖4-4 Rin電阻為10k時之穩定度關係-----------------------------------------------------36
圖4-7 輸出輸入特性曲線--------------------------------------------------------------------37
圖4-8 改變溫度對直流雷射光功率之影響-----------------------------------------------38
圖4-9 折疊式運算放大器佈局圖-----------------------------------------------------------41
圖4-10 不同溫度下雷射之線性工作範圍------------------------------------------------42
圖4-11 脈波輸出結果------------------------------------------------------------------------43
圖4-12 不同時脈週期之輸出結果---------------------------------------------------------44
圖4-13 溫度對不同時脈週期之最大功率的影響---------------------------------------45
圖4-14 直流功率與脈波平均功率之比較------------------------------------------------46
圖4-15 改變溫度對不同時脈週期之雷射平均光功率的影響------------------------46
圖4-16 弦波調變輸出結果------------------------------------------------------------------47
圖4-17 脈波加弦波輸出結果---------------------------------------------------------------48








表目錄
表3-1 自動光功率控制電路之設計規格表-----------------------------------------------21
表4-1 Rin電阻對雷射光功率之比較--------------------------------------------------------36
表4-2 不同直流光功率之溫度鎖定範圍--------------------------------------------------38
表4-3 APC電路對雷射光功率之影響-----------------------------------------------------39
表4-4 折疊式運算放大器設計之研究結果-----------------------------------------------40
表4-5 不同時脈週期對光功率之影響-----------------------------------------------------47
表4-6 三種應用模式整理--------------------------------------------------------------------48
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