תכנון מקבלי אופטיים לסביבה עתירה גבוהה בהגדרות תעשייתיות

מבוא

מקלטים אופטיים הם עמוד השדרה של תקשורת תעשייתית מודרנית, המרת אותות אור מכבלים אופטיים לתוך נתונים חשמליים שמניעים אוטומציה, ניטור מרחוק, ובקרת בזמן אמת. בסביבות קשות שבהן הטמפרטורה עולה באופן שגרתי על 85 מעלות צלזיוס - ולעתים קרובות מטפסת היטב מעבר 125 מעלות צלזיוס - רכיבים אלקטרוניים סטנדרטיים של אותות אלקטרו-מידה, פירעון זרמי אור, ומכשירי חיים קריסת עיצוב אופטיים, אשר שרדו באופן טבעי תחת לחץ פסיכולוגי, הוא אתגר הנדסי קריטי.

מאמר זה בוחן את המכשולים המרכזיים ומציג מערך מקיף של אסטרטגיות עיצוב - החל מבחירה חומרית וניהול תרמי ועד לטופולוגיה מעגלים חזקה ואימות - המאפשר מקלטים אופטיים בעלי טמפרטורה גבוהה להגדרות תעשייתיות תובעניות.

הבנת האיום העילאי: מכניזם של כשלון מפתח

טמפרטורות גבוהות לתקוף מקלטים אופטיים בחזיתות מרובות.הכרה במצבי כישלונות אלה היא הצעד הראשון לקראת עיצוב מתמשך.

גבוה יותר של חושך ונורה רעש

בתמונות, מחפירי אנרגיה תרמיים מטען נושאות, תוך שיפור הזרם האפל. at 85°C, טיפוסי InGaAs PIN photodiode עשוי להציג זרם כהה סדר גודל גבוה יותר מאשר ב 25 מעלות צלזיוס. זה מעלה ישירות רעש לירות, צמצום הרגישות של המקלט והגבלת תקציב הקישור האפשרי.

Degraded Transimpedance Amplifier

המגבר הטרנססרמפנס (TIA) בקצה הקדמי של המקלט רגיש מאוד לטמפרטורה. זרם הטיה של Input, רווח פתוח-loop יורד, ורעש רוחב פס מרחיב.אפקטים אלה נעים להורדת יחס אות-לכאורה (SNR) ויכולים לגרום ל-TIA ליישב או לבודד אם רשתות פיצוי אינן מתוכננות לטמפרטורה מלאה.

מגבלות חומריות ואריזות

מפרקים מוכרים, חוטי אג"ח, וחומרים מלוכדים או סדק תחת רכיבה תרמית ממושכת. Coefficient of תרמי הרחבה (CTE) תואמים בין photodiode, TIA השבב, וחבילה substrate ליצור מתח מכני שיכול לשבור קישורים או להרוס את שכבת דה-המות, המוביל לכישלונות לסירוגין או מעגלים פתוחים מלאים.

ההרחבה Aging and Lifespan Reduction

הטמפרטורה המחודשת מאיצה באופן אקספוזיאלי את הפיזור, האלקטרומיגציה, והחמצן.משוואה ארנזיוס צופה שכל 10 מעלות צלזיוס עולה מעל לטמפרטורה הדירוג של החומר מכפיל את שיעור הכשל.עבור מערכות תעשייתיות שחייבות לפעול 24/7 במשך עשר שנים או יותר, אפילו סיורים טמפרטורה צנועים יכולים לקצץ את החיים התפעוליים על ידי גורם של חמש או יותר.

אסטרטגיה עיצובית 1: בחירה חומרית עבור חוסן

בחירת החומרים הנכונים היא הצעד היעיל ביותר לאמינות עתירה גבוהה.כל רכיב בשרשרת המקלט - פוטודקטור, TIA, רכיבים פסיביים, ואריזות - יש לציין עבור פעולה בטמפרטורת היעד.

צילום: Photodetector Selection

(הופנה מהדף סיליקון) מוגבל ל-100 מעלות צלזיוס לפני שהזרם האפל הופך לבלתי ניתן להשגה.עבור יישומים בעלי טמפרטורה גבוהה יותר, הבחירה הסטנדרטית היא FLT:0.InGaAs PIN photodiodesFLT:1, המציעים זרמים כהים מתחת ל-1 nA ב-125 מעלות צלזיוס בדרגות נבחרות (עד 200 מעלות צלזיוס), LT2II-VI) אשר דורשות מתח גבוה יותר מ-A (אורדכאובים, אך הם זקוקים לטמפרטורה גבוהה יותר (אונדכאובים) אך הם גם כן, אך הם סובלים מ-A (אונדפסים יותר (אונדקדים).

אפשרות נוספת למהירויות בינוניות וטמפרטורות גבוהות היא ה-FLT:0 silicon carbide (SiC)BuildFLT:1 photodiode, אשר יכול לפעול מעל 300 מעלות צלזיוס, אם כי עם תגובה נמוכה יותר וזמני עלייה איטיים יותר. SiC מתאים לדיסקרטי על זיהוי ולא על קישורים נתונים מהירים.

התאמות ל-Transimpedance Amplifier

סיליקון סיליקון או SiGe BiCMOS TIAs משמשים בדרך כלל עד 125 מעלות צלזיוס לטמפרטורות גבוהות יותר, FLT:0silicon-on-inulator (SOI) irFLT:1 או FLT:2silicon carbide (SiC) CMOSFLT 3 מתפתח, אם כי לעתים קרובות להקריב את המהירות (בצורה) ורווחהההמתקפה גבוהה יותר מאשר סיליקון סטנדרטית, כאשר הם אינם פועלים יותר ממעבדים את התקני סיליקון; לעומת סיליקון;

חבילות וחיבורים

(ב) , (ב) , ⁇ ) , ⁇ (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אסטרטגיה עיצוב 2: ניהול גרוע מעבר לריצה

גם עם מרכיבים בעלי מזג אוויר גבוה, חום חייב להיות מופק ביעילות כדי לשמור על טמפרטורות צומת בתוך גבולות בטוחים. בהגדרות תעשייתיות, קירור אוויר מאולץ עשוי להיות לא מעשי או לא אמין בגלל אבק, רטט, או אטמוספירה נפץ.העיצוב חייב להסתמך על טכניקות פסיביות או סמיכות.

« « « חם סינקס ו-Thermal Spreading

(הופנה מהדף ה-MAC) של ה-MAC (MCPCB) ,SIRLT:1 או FLT:2alumi-backofal Core Board) מודפס לוח מעגלים מודפס (MCPCB) , או כיור חום נחושת יכול לשמש אם שטח מאפשר: עבור משקעים חתמים, את החום חייב להיות מכווץ או ממשק עם casing דרך פערים של 4Fmal) או מיכל חום (או מיכלי חום (או מיכלי חום) עם LT5Fal)

Cooling

עבור יישומים קריטיים שבהם הטמפרטורה הממוקדת עשויה להיספג בקצרה, חום קטן (FLT:0 ,thermoelectric קריר יותר (TEC)FLT:1 יכול להיות מוטבע במודול המקלט.TEC שואב חום מהתמונה ו-TIA כדי לשקוע חום מרחוק.זה הוא כוח-hungry (לעתים 1–5 W) ודורש בקר, אבל זה יכול לשמור את הטמפרטורה יציבה בתוך ±C, אפילו כאשר הם מתקדמים לשימוש Tvccccccccc.

חומרים ממשקיים (TIM)

(ב) מגע מתכת משאיר פערים חשמליים מיקרוסקופיים אשר מעכבים את זרימת החום (FLT:0) ביצועים גבוהים TIMigFLT:1 כגון כריות סיליקון מלא או גליונות גרפיט. עבור ביצועים טובים ביותר, החלים על ידי FLT:2thermaleaseFLT 3: 3FLT או מכר TIM ישירות ל- TEC או לחום דק, מבוסס סרט על פני שטח של מעל 150 מעלות צלזיוס;

אסטרטגיה עיצובית 3: רובוסט מעגל להתנצלות על מבצע טמפרטורי גבוה

העיצוב החשמלי של המקלט חייב לפצות על הסחף והרעש המוצגים על ידי מתח תרמי. מעגל מעוצב היטב יכול לשמור על שלמות אות שבו עיצוב כללי נכשל.

Transimpance Amplifier

(הופנה מהדף ⁇ ) , (RIRFLT:0.10.10.10.1) ו-Abacitance קטן (CIRFLT:2FIRFLT:0) כדי להגדיר רוחב פס ויציבות. as טמפרטורה עולה, ה-Spotdiode Capacitance ו-TIA capacitance, מה שגורם ליציבות של שלב הלולאהההה בטמפרטורה נמוכה יותר מ-CLT5G.

טכניקה נוספת היא להשתמש באדריכלות TIAOVAFLT:1 על ידי איזון photodiode ו a dummy photodiode (בעצם זהה אך לא מחוסמת), רעש משותף וסחף נוכחי כהה מבוטל, שמירה על SNR. זה מגיע עלות של כוח מוגבר וספירה, אבל זה לעתים קרובות מוצדק עבור קשרים תעשייתיים גבוהים.

הגבלת Amplifiers and CDR Design

לאחר ה-TIA, האות מועבר בדרך כלל למגבר מוגבל (LA) או שעון ושיקום נתונים (CDR) המעגל.שלבים גבוהים אלה רגישים לסחף DC.come apLT:0automatic offset (CDR) , 1 כי דגימות ממוצע של פלטה והזנת תיקון.

עבור מעגלי CDR, להגדיל את שולי השטח של שלב-דהקטור מת ולהשתמש (FLT:0temperature-compensated מתח מבוקר מתח מבוקר (VCOs) irFLT:1 ; A VCO בנוי עם אוסטר טבעת באמצעות זרם הטיה תלוי טמפרטורה (פניות פס) ישמרו על טווח תרמי רחב יותר אם גביש מבוסס משמש גולגולת עבור טווח תעשייתי או קבוע.

כוח אספקה ותקנות

(הסביבות של זמן רב גורמים לעתים קרובות אספקת חשמל לגרוע כמו capacitors אלקטרוליטי לאבד קיבול ו ESR עולה.שימוש:0FLT:0low-dropout הרגולטורים (LDOs)FLT:1 עם גבוה PSRR בתדרים גבוהים (למשל, 60B ב 10 kHz) ולהחליף את רובה אלקטרוליטי עם מתח X8m:2 מחסנים רגישים (R) רק קרמיקה)

אסטרטגיה עיצובית 4: שמירה על אינטגרity אות בטמפרטורות אלבידו

אתגרים של מהימנות אותות מתרבים מעל 85 מעלות צלזיוס. PCB להפסדים, סחף קבוע דיאלקטרי, והתנגדות מגע המחברת עולה.הפרקטיקות הבאות עוזרות לשמור על איכות הנתונים.

בחירת PCB

(הסטנדרט FR-4 אינו מתאים מעל 130°C. UseFLT:0) ,L-temperature laminatesFLT:1 כגון רוג'רס RO4350B (Tg >280 ° C) או Isola I-Tera MT (Tg > 200 מעלות צלזיוס) חומרים אלה יש פחות ניתוק נמוך (Df) וקבוע דיאלקטרי (Dk) על פני טמפרטורה, צמצום של תזמון קצר ו-F) ו-F) ולהפחית את הפחתת אותות תזמון קצר יותר מאשר את התדירות גבוהה ככל האפשר (DF) ו-F) עם שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר תזמון (DF) עם תזמון (DF) לבין שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר תזמון קצר (DF) עם תזמון קצר (DF) עם ירידה של 5.

אותות שונים ומגן

עיין בסימן המהירות הגבוה כצמד שונה מהפלט של TIA למגרש המגבלה של אות שונה דוחה רעש משותף-מודד מקווים דיגיטליים או מאספקת חשמל סמוכים.הוספת מגן אלקטרוני:0electroמגנטי (EMI can)FLT:1 על כל המקלט, עם ריצוף הולם לכפיפות או לקרקע.

במשך ריצות ארוכות של כבל קואקסיאלי או מגינים זוג מעוות מהמקלט אל הבקר, השתמש ב-FLT:0active equalizationFLT:1 ב המקלט כדי לפצות על אובדן גבוה של קידוד שנגרם על ידי אפקט העור של הכבלים וקליטה דיאלקטרית.זה שווה חייב להיות עצמו להיות מתואם טמפרטורה; עיצוב כדי להתאים באופן אוטומטי את הפחתתו על בסיס חיישן טמפרטורה.

בחירה וחיבור

מחבר הקלט האופטי (למשל, LC, SC) חייב להיות מדורג עבור טמפרטורה גבוהה מתמשכת. מתכת-flanged מחברים עם ferrules קרמיקה מעדיפים על פני פלסטיק.עבור חיבורים חשמליים, להשתמש ב- FLT:0 MIL-DTL-3803-999FLT:1 או מחברים מעגליים אחרים עם מגעים עם זהב-platmind:0 מ-125 מעלות צלזיוס מעל ל-Cformers שלהם, כמו מ-125 מעלות צלזיוס, כמו אלה, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת חיבורים מפלסטיק.

אסטרטגיה עיצובית 5: בדיקה ואימות בתנאים ריאליים

סימבול לבדו אינו יכול להבטיח כי מקלט אופטי ישרוד 5000 שעות ב-150 מעלות צלזיוס, תוכנית אימות קפדנית היא חיונית.

בדיקות חיים

דגימות בכפוף לטמפרטורות מעל המרבי הדירוג (למשל, 175 מעלות צלזיוס עבור עיצוב 125 מעלות צלזיוס דירוג) בעוד מעקב קבוע שיעור שגיאה מעט (BER) ורגישות אופטית. גורם האצה Arhenius מבוסס על אנרגיה הפעלה (בדרך כלל 0.7-1.0 e עבור מכשירי סיליקון) ניתן להשתמש כדי להעריך חיים מקבילים בטמפרטורה נורמלית. תקן משותף הוא JED JEC JESD22A (מפרק, 000 שעות הפעלה), פחות מ-160 שעות הפעלה).

אופניים חמים וזעזוע

סביבות תעשייתיות גבוהות של temperature כרוכות לעתים קרובות על אופניים תרמיים חוזרים (למשל, לילה, חום על / off) להשתמש תא תרמי כדי לעבור את המקלט מ - 40 מעלות צלזיוס ל +125 ° C עם שיעור מעבר של 10-15 מעלות צלזיוס /מין. Detect כשלים על ידי ניטור הפתח האנכי והאופקי של דיאגרמת העין ה- 2B לקבלת רגישות לאחר 500 מציין גם בעיה פוטנציאלית של JFDEXDTi-ACTDREL (R) סימולציה סימולציה (R) סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה של 2Dcond) סימולציה סימולציה (Dcond) סימולציה של 2Dcond 2DTESTL2Dquid) סימולציה של יותר מ-104DTEST (DTEST) סימולציה סימולציה של יותר מ-104DTEST עבור סימולציה של יותר מ-104Dentlid) סימולציה של יותר מ-104Doutd) זעזועים (Dquid) סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של יותר מ-104DT.

« הלם מכני ומסתורי

מקלטים תעשייתיים מותקנים לעתים קרובות ליד מכונות, משאבות, או מנועים.כפוף למודול לרטט אקראי (למשל, 5-500 הרץ, 2 g RMS) וזעזוע מכני (למשל, 30 גרם, 11 ms חצי-Sine ל- IEC 60068-2-27) עבור micro-rupts הנגרמת על ידי חוטי אג"ח שבורים או רכיבים רמ.

סימולציה הסביבה האמיתית

התקן אבטיפוס בסביבה תעשייתית בפועל עבור ניסוי שדה.עקב אחר הכוח האופטי של המקלט, SNR וטמפרטורה באמצעות גלאגר נתונים. השוו את נתוני השדה למבחנים מואצים כדי לגוון את גורמי ההאצה.

דוגמאות: היכן שמקבלים טמפרלורים גבוהים הם קריטיים

כדי לבסס את הדיון, הנה שלושה מקרים של שימוש טיפוסי שבהם אסטרטגיות לעיל מוחלות.

• (FLT:0Steel and Glass Manufacturing:FLT:1) ניטור ולשלוט דורש קישורים אופטיים סיבים העוברים בתוך מטרים של תהליכים עתירי זמן גבוהים. מקבלים רכובים ליד הפרנציה חייב לעמוד 150 מעלות C ambient and תכופים רכיבה תרמי.העיצוב משתמש בצילום קרמיקה, SiGe TIA עם אדריכלות שונה, חום פסיבי לשחיקה.
• (FLT:0)Oil ו Gas Downhole Telemetry:cioFLT:1 ; מקלט אופטי פרוסת במחרוזת קידוח לפעול בסביבות מעל 200 מעלות צלזיוס כאן, SiC photodiodes ו- SiC-CMOS TI משמשים לעתים קרובות, יחד עם קירור TEC פעיל (מופעל על ידי גנרטור צומת למטה) כדי לשמור על טמפרטורות מתחת 175 מעלות צלזיוס, 000 מעלות צלזיוס, 000 מעלות צלזיוס, 000, 000, 000, 000, 000 מעלות צלזיוס, 000, 000, 000, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 דחוסים, 000 דחוסים, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 דחוסים, 000 , 000 , 000 , 000 דחוס זהב דחוס זהב דחוסים, 000 דחוסים, 000 דחוסים, 000 דחוס זהב דחוסים, 000
• (FLT:0) ניטור מנוע החלל: FLT:1 Turbine מנוע מערכות בקרה להשתמש חיישני סיבים אופטיים למדידת טמפרטורה ולחץ בתוך בניין המנוע. המקלט האופטי חייב לסבול 200 מעלות צלזיוס ספייקט ופעולה רציפה של 125 מעלות צלזיוס. המקלט כולל נתיב TIA אדום ו- latchup-אימוני כוח אספקת חשמל, והוא מוסמך RTCA-160 תנאים סביבתיים.

מסקנה

תכנון מקלטים אופטיים לסביבות תעשייתיות בטמפרטורה גבוהה דורש גישה הוליסטית שנוגעת בכל פיסת שרשרת האותות - מן חומר photodetector ואריזות לטופולוגיה המעגל, ניהול תרמי ומתודולוגיית אימות.העיצובים המצליחים ביותר מתחילים עם רכיבים מדורגים לטמפרטורה המרבית (עם שולית), ולאחר מכן לחזק את המערכת עם התפשטות תרמית, אותות שונים, ותיקון אוטומטי כי הביצועים כמו טמפרטורות משתנות.

על ידי השקעה בבחירה חומרית חזקה, ניהול תרמי יצירתי, ואימות יסודי, מהנדסים יכולים לספק מקלט אופטי שפועל ללא פגם במשך שנים בהגדרות התעשייה המענישות ביותר.הטכנולוגיה קיימת כיום כדי לבנות קישורים תקשורת שאינם רק במהירות גבוהה ואמינה, אלא גם חסינים מפני הקיצוניות התרמית כי אלקטרוניקה קונבנציונלית.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]]] [ה]]], [ה]]]ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']''''']'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''