有源器件

有源器件

有源器件,需電源來實現其特定功能的電子元件。主要包括電子管、電晶體、積體電路等。一般用於信號的放大、轉換等。

如果電子元器件工作時,其內部有電源存在,則這種器件叫做有源器件。這是一種電子器件,需要能量的來源而實現它特定的功能。從物理結構、電路功能和工程參數上,有源器件可以分為分立器件積體電路兩大類。

基本介紹

  • 中文名:有源器件
  • 外文名:active devices
  • 作用:一般用於信號的放大、轉換
  • 性質:主動元件
定義,特點,分類,電子管,電晶體,積體電路,組成,光有源器件,作用,維修,

定義

簡單的講就是需能(電)源的器件叫有源器件。有源器件一般用來信號的放大、轉換等。
有源器件有源器件
有源器件(active devices,主動元件),是一種電子器件,需要能量來實行他特定的功能。
有源器件的基本定義:
如果電子元器件工作時,其內部有電源存在,則這種器件叫做有源器件。

特點

(1) 自身也消耗電能。
(2) 除了輸入信號外,還必須要有外加電源才可以正常工作。

分類

電子管

電子管又名真空管,所以又稱為電真空器件。
電路圖電路圖
電子管不論二極還是多極,它都有陽極和陰極,陰極在外加電源的作用下,發射電子向陽極流動。外加電源可以直接加在陰極上,也可以加在另外的加熱燈絲上。就是因為這個外加電源的存在,而統稱為有源器件。電子管是最早的有源電子元件,分二極體、三極體與多極管。隨著電子技術的發展,電子管因其體積大、重量重、耗電大等等缺點,而先後讓位給電晶體和積體電路。但是,在許多場合電子管繼續發揮作用。例如:大功率發射機的末級功率放大;各類顯示器的顯示管;電視機的顯像管等。

電晶體

屬於半導體器件。導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。如矽、鍺晶體都屬於半導體。所以用這些晶體材料做成的電子器件,稱為電晶體。它分晶體二極體和晶體三極體。
電路圖電路圖
電晶體晶體二極體導體材料按導電特性可分為P型和N型兩種,這兩種半導體結合的介面稱為PN結。PN結是構成各種半導體器件的基礎。P區為正極,N區為負極。二極體的單嚮導電性,是二極體的最重要的特性:正嚮導通、反向截止。二極體的主要用途是整流、檢波及需要單嚮導通的電路。晶體三極體是電子線路的核心元件之一,尤其是在最基本的電路放大路中廣泛套用。晶體三極體由兩個PN結組成。兩個P型加一個N型的叫PnP型;兩個N型加一個P型的叫NpN型。晶體三級管的重要參數是它的電流放大倍數B,其大小范可從幾倍到幾百倍。電晶體中還有兩種特殊管子,它們是晶閘管和場效應管,晶閘管原稱可控矽。它的特點是用小信號控制大信號,其大小可達幾百倍。最常用的是可控矽整流電路保護。場效應管是一種電壓控制元件,其輸出電流取決於輸入電壓的大小。其輸入阻抗很高,放大失真小,所以被廣泛套用於放大和數字電路中。

積體電路

電路顧名思義是將有源器件和無源器件及連線線等集中製造在一個很小的矽片上,再經引線和封裝,形成一個有預定功能的微型整體。(符號為IC)。積體電路的優點是體積小、壽命長、成本低、可靠性高性能好。當前積體電路及大規模積體電路越來越被廣泛的套用。

組成

(1) 集成運算放大器(operation amplifier),簡稱集成運放
有源器件有源器件
(2) 比較器(comparator)
(3) 對數和指數放大器
(4) 模擬乘/除法器(multiplier/divider)
(5) 模擬開關電路(analog switch)
(6) PLL電路(phase lock loop),即鎖相環電路
(7) 集成穩壓器(voltage regulator)
(8) 參考電源(reference source)
(9) 波形發生器(wave-form generator)
(10) 功率放大器(power amplifier)
(1) 基本邏輯門(logic gate circuit)
(2) 觸發器(flip-flop)
(3) 暫存器(register
(4) 解碼器(decoder)
(5) 數據比較器(comparator)
(6) 驅動器(driver)
(7) 計數器(counter)
(8) 整形電路
(9) 可程式邏輯器件(PLD)
(10) 微處理器(microprocessor,MPU)
(11) 單片機(Microcontroller,MCU)
(12) DSP器件(Digital signal processor,DSP)

光有源器件

光纖雷射器
光纖通信中主要套用半導體雷射器作為光源,近年來隨著光纖及其相關技術的深入發展,光纖雷射器(FI,)的研發正成為光電子技術等領域內一個熱點。光纖雷射器具有結構緊湊、轉換效率高、設計簡單、輸出光束質量好、散熱表面大、閡值低、高可靠性等優點。可以根據諧振腔結構、增益介質、輸出波長、雷射模式、摻雜元素、工作機制、光纖結構等加以分類。如果以泵浦抽運方式來分,可以分為纖芯端面泵浦(coreendpumping)(單包層結構)、包層端面泵浦(claddingendpumping)(雙包層結構)和包層側面泵浦(claddingsidepumping)(光纖結構)光纖雷射器三大類。
有源器件分析圖有源器件分析圖
單包層結構的光纖雷射器是最早研究的一類光纖雷射器,可以追溯到60年代。採用的增益材料有摻NdzO:的矽酸鹽系玻璃、摻欽石英光纖、摻稀土的石英光纖、氟化物玻璃光纖等,雷射輸出功率在毫瓦到瓦量級,雷射波長在0.48^-2.7pm範圍內。雙包層結構光纖雷射器(DCFIL)是80年代末發展起來的一類光纖雷射器,是目前的研發重點和熱點。由於泵浦方式的改變,這類光纖雷射器的雷射輸出功率明顯提高,已能達到數瓦到近百瓦量級的輸出光功率,使用的增益光纖有摻稀土元素(如Er'十、Yb3十、Nd3+等)的石英光纖、摻稀土元素的氟化物(ZBLAN)玻璃光纖、光子晶體光纖(PCF)等。為了提高輸出功率,設計出了對稱圓形、偏心圓形、D形、矩形、六邊形、梅
花形等內包層結構,其中以長方形內包層結構轉換效率最高。巳有餌-共摻雙包層光纖雷射器輸出功率達103W、波長為1565nm的報導,以及鎖模摻餌光纖雷射器脈衝寬度已達3fs的報導,這些都為全光纖高速通信的實現打下了基礎。目前該類光纖雷射器從成熟的光纖通信領域向工業加工、醫學、印刷業、國防等雷射套用領域擴展。
光纖結構光纖雷射器是近年來提出的泵浦新方法,實際上它是包層端面泵浦方式的一種改進,它從包層側面射入抽運光,從而構成了“任意形狀”光纖雷射器概念,使千瓦級的高功率光纖雷射器得以實現。現在已有輸出功率達2000W,激射波長為1.060um的摻德(Yb)石英光纖雷射器產品。包層側面泵浦也有多種方式,如V型槽側面泵浦、全拼接側面泵浦、光纖束側面泵浦等。採用光學相位陣列(OPA)技術可以得到高能的光纖脈衝雷射,這種光纖雷射器在雷射武器系統、光電對抗、雷射有源干擾等國防、軍事領域有著十分重要的套用,美國、德國等已有相應的軍用高功率光纖雷射器研製計畫和實施項目。現在已研發的光纖雷射器的諧振腔腔形結構主要有法布里一拍羅(F-P)腔、環行腔、v形腔,8字形腔、福克斯史密斯(Fox-Smith)腔以及一些複合腔等。光纖雷射器是一類新型的雷射器,光纖雷射器的研究與開發將把包括光纖通信在內的光纖及其相關技術推進到一個新高度,與半導體雷射相比,至少在結構上,光纖雷射器光纖通信系統和網路藕合匹配程度更好。
光纖雷射器是全光纖化的光源,它將逐漸成為光纖通信領域重要的候選光源。此外,無諧振腔的超螢光光纖光源(SFS)、光子晶體光纖雷射器(PCFL)等也是近期活躍的研究課題之一。摻餌光纖放大器(EDFA)的研發成功是80-90年代光纖通信領域內一項重大的技術突破,具有十分重要的意義。近年來,隨著光纖放大器技術的不斷完善和發展以及與WDM技術的融合,光纖通信的長(超長)距離、(超)大容量、(超)高速、密集波分復用(DWDM)等正成為國際上長途高速光纖通信、越洋光纖通信等領域的主要技術發展方向。
光纖放大器
光纖放大器摻雜光纖放大器(摻稀土元素,如EDFA,PDFA,YDFA等),非線性光纖放大器喇曼光纖放大器(RFA)、布里淵光纖放大器(BFA)、光纖參量放大器(OPA)等),塑膠光纖放大器(POFA),摻餌光波導放大器(EDWA)等之分。主要技術指標有頻寬特性、噪聲特性、增益特性等。EDFA是最早開發,目前套用最廣泛並且已完全商用化的光纖放大器,具有高增益、大功率、寬頻帶、低噪聲、增益特性與偏振無關、對數據速率與格式透明、插損小、多信道放大串擾低等特點。泵浦光波長主要是980nm(三能級系統)和1480nm(二能級系統),泵浦方式有同向、反向、雙向等三種基本方式;EDFA的級聯可構成多級EDFA系統。普通的石英基EDFA工作波段在1535-1565nm(G波段),一般增益可達30dB以上,增益頻寬為20^-40nm,輸出功率為+20dBm左右,噪聲係數(NF)小於5dB,EDFA可用於線路(中繼)、功率、前置,LAN等形式的放大。為了進一步提高EDFA的性能,可以在矽(Si)基摻餌玻璃光纖中加人其它摻雜元素。例如摻鋁(Al),衫(Sm),德(Yb)、氮(N)、磷(P)、銻(Bi)等,以改善放大器的增益頻寬和平坦化特性。近期用於L帶的氟基摻餌光纖放大器(F-EDFA),蹄基摻餌光纖放大器(Te-EDFA),秘基摻餌光纖放大器(Bi-EDFA)等以及在氟化物玻璃光纖、矽酸鹽玻璃光纖、磅酸鹽玻璃光纖中摻銘(Tm)等,用於S帶的摻鐵光纖放大器(TDFA)成為光纖放大器的研究熱點。摻欽光纖放大器(NDFA)和摻餌光纖放大器(PDFA)可以工作在1310nm波長,對提高和改進現有光纖通信系統的性能具有重要的現實意義。NDFA和PDFA都是以摻欽(Nd)和摻錯(Pr)氟玻璃光纖作為放大增益介質,但NDFA由於放大自發輻射(ASE)限制因素,不易做高增益的1310nm放大器,泵浦波長795nm;PDFA放大效率低、工作不穩定,已研製出最大增益為40dB、噪聲係數(NF)為5dB,輸出功率為+20dBm的PDFA,NDFA和PDFA的結構性能和可靠性等還有待進一步的改善和提高,以利於完全的商用化。喇曼光纖放大器(RFA)套用了光纖中的喇曼效應來實現光信號放大。
RFA最主要的優點是噪聲係數小、全波段可放大、對溫度不敏感、線上放大等。RFA有分立式和分散式之分,以適應不同的需求。分立式RFA主要採用拉曼增益高的特種光纖(如高摻鍺(Ge)光纖等),長度約1一2km,泵浦功率幾瓦,泵浦波長1.06um雷射產生的三級斯托克斯(Stakes)線可泵浦放大1.3t.m波長的光信號;1.55rlm波長的光纖通信系統可使用1.48t.m泵浦雷射。分立式RFA可產生40dB以上的小信號增益,飽和輸出功率+25dBm左右,作為高增益、大功率放大,主要用在需要高增益、易於控制的通信系統中。分散式RFA直接用傳輸光纖作為放大增益介質,具有分散式放大、噪聲係數小、利用系統升級等特點,主要作為光纖系統分散式補償放大,可以用在遠程泵浦、寬頻、遠距離的1.3pm和1.55f4m光纖傳輸系統和網路中。RFA的噪聲係數(NF)比EDFA明顯要小,分散式RFA的NF一般在0.5一1dB之間。RFA相對於EDFA在寬頻特性、增益特性、光信噪比(QSNR)和配置靈活性方面都具有明顯的優勢,更適合大容量、高速率和遠距離的傳輸系統和網路。另外,已出現RFA和EDFA相結合,構成混合式光纖放大器(HFA)的趨勢,HFA吸收了RFA和EDFA的長處,進一步提升了光纖放大器的性能。
全光波長變換器
光纖通信系統和網路的密集波分復用(DWDM)是當前光纖通信技術發展的方向之一,由於光通信波長資源的有限,全光波長變換器(AOWC)在全光網路中將成為不可缺少的關鍵性器件之一。A{?WC技術可以解決光纖通信網路中波長競爭、路由選擇、降低網路阻塞、提高網路的靈活性和利用率、擴大網路容量、改善網路的運行、管理和控制水平。AOWC具有變換速率快(10Gbitjs以上)、對比特率和光信號形式透明、變換範圍大、偏振不敏感、有利於避免光電轉換的“電子瓶頸”效應,可以實現不同光網路之間的波長配匹和最佳化,增強網路的可靠性和生存性等特性。目前已提出了多種AOWC方案,如光波導型、半導體光放大器(SOA)型、雷射器(LD)型和其它類型等,其分類見表3所示,每種方案各有不同的優缺點。AWOC有波長變換範圍、變換效率、變換速率、消光比信噪比、偏振敏感性等多項技術指標。從目前的變換速率來看,SOA-XPM-AOWC和SOAXGM-AOWC可達40Gbit/s,這兩種AOWC是近期的研究熱點;XAM-AOWC的變換速率在20-40Gbit/s之間;光纖型NOLM-AOWC具有Tbit/s量級的變換潛力,正受到人們的關注;而FWM-AOWC的速率在100Gbit/s以上,並且是唯一能對輸人信號進行透明變換的AOWC,具有廣闊的發展前景。

作用

依賴電源作為基本工作條件來完成自身正常工作的設備均為有源器件,它主要是前端設備、傳輸網路中的放大器、過流分支分配器、饋電放大器和光發射機、接收機等。而放大器是接入網中用得最多、最廣泛的有源器件,它的作用是當電視信號從電纜中傳輸一定距離後,因電纜的傳輸衰減特性,使電視信號越來越低,當低到規定電平時,必須再加一隻放大器,將信號放大後再往下傳送。起到信號放大作用和向遠距離傳送電視信號的目的。

維修

前端設備故障
雷擊時因供電線路產生較高的意外感應過電壓對前端設備的供電電源、接收設備的高頻頭和衛星接收機、前端調製、混合設備、以及正在播放的放像機等設備造成損壞,燒壞部位主要是設備的電源部份,採取的措施除有較安全的防雷保護工作接地設施外,應在重點播出設備前加裝雷擊過壓保護避雷器,在衛星接收天線規範位置內安裝一組或者多組高度合格的避雷針,並與天線、樓房防雷接地網連成一體,這樣能有效的起到保護前端設備作用。
放大器損壞的原因
①打雷時,在供電線路上很容易產生很高的意外過電壓將放大器擊壞,可在放大器電源上加裝一隻防雷突波器來達到保護放大器不致燒壞的目的。
②放大器的供電電壓過低,或者電源插座接觸不良,放大器長期工作在較大電流下,使放大器燒壞,採取的措施是選用開關電源的放大器,拓寬供電電源的範圍,保證放大器正常工作,信號質量不變,特別是農村電源線路不規範,電壓低的和不穩定的較普遍,放大器損壞的也較多,這些地方也可選用開關電源放大器。
③因供電線路各相電源負荷不平衡,使中心線有電流通過,一旦中心線燒斷,使相電壓變成線電壓,達到380V左右,由於各相所帶負荷不等,因此各相間電壓也會有高低不等,這時正在工作的放大器會因電壓升高而燒壞。
④放大器電源中的濾波電容因長時間工作,電容乾枯、老化、容量變小,在電視螢幕上產生50Hz上下移動的交流橫道線,使畫面不乾淨,這是維修中常見到的故障。
⑤放大器內部散熱不好,使電平出現波動,原因是可調部位是金屬片,放大器溫度過高時,非常容易使可調金屬片熱脹冷縮,造成接觸不良,使電平不穩定。
⑥使用一定年限的放大器指標會變壞,元件老化,特別是前幾級的放大器一定要換掉,以免影響傳輸質量;出故障經修復後的放大器不能用在主幹線和支幹線的前幾級;可用在戶數較少的終端上,一旦出故障,也不會影響大面積用戶收看電視。
⑦放大器本身溫度過高,加上安裝的位置又是太陽直射的地方,也容易使放大器保險燒斷,中斷電視信號。
放大器電源故障
①雷擊時饋電線路電壓升高后不僅燒壞饋電器,而且會燒壞線路中的所有饋電放大器,採取措施是在饋電器前加裝雷擊過電壓保護器,放大器選用有防雷保護的。
②主幹線某段電纜因人為或其它原因導致電纜短路,使短路點到饋電源之間的放大器和饋電器燒壞,規化設計時對饋電線路的短路保護應採取有效措施。
③因頻繁的停送電,產生的浪涌瞬間衝擊電壓,易燒壞放大器的熔絲,有的熔絲未斷,由於瞬間電壓高,也會燒壞放大器電源或模組組件,可在放大器加裝過壓消除器,能起到一定作用。
③電源線老化、放大器電源插頭接觸不良均可使放大器斷續工作,造成電視信號時有時無故障。
4.放大器電平的控制
在接入網中,放大器入口出口電平的控制很重要,因電平對環境溫度的變化很敏感,夏季溫度升高,電纜損耗增大,入口電平降低,造成系統載噪比惡化,同時放大器的增益也會隨溫度的上升而下降,使傳輸電平下降,影響用戶收看,氣溫下降時,電纜損耗減小,放大器出口電平上升較多,若超出允許範圍,會使系統產生互動調比的變化,使螢幕出現網紋和"雨刷"狀的交調干擾,影響了終端收看效果,嚴重時無法收看,因此嚴格控制放大器入出口電平,採取有效措施彌補溫差變化而導致的電平嚴重不穩是維護技術人員的當務之急,務必引起重視。

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