Εφαρμογή συστήματος οπτικών ινών στη μέτρηση βασικών χαρακτηριστικών ηλεκτρικών εκκενώσεων υπό υψηλή τάση

Y Α.Π.Θ. Τ.Η.Μ.Μ.Υ. Τομέας Ηλεκτρικής Ενέργειας Εργαστήριο Υψηλών τάσεων Εφαρμογή συστήματος οπτικών ινών στη μέτρηση βασικών χαρακτηριστικών ηλεκτρικών εκκενώσεων υπό υψηλή τάση Παπαδημητρίου Δημήτριος 5831 Χειμώνας Γεώργιος 5908 Επιβλέπων Καθηγητής Παντελής Ν. Μικρόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής Μάρτιος 2011

2

Περιεχόμενα 1 Πρόλογος... 5 2 Τεχνολογία των οπτικών ινών... 7 2.1 Εισαγωγή... 7 2.2 Βασικές αρχές λειτουργίας... 8 2.3 Κατηγορίες οπτικών ινών ανάλογα με τον τρόπο μετάδοσης... 12 2.3.1 Πολύρυθμες οπτικές ίνες (multi-mode optical fiber/mmf)... 12 2.3.2 Μονόρυθμες οπτικές ίνες (single-mode optical fiber/smf)... 15 2.3.3 Σύγκριση πολύρυθμων και μονόρυθμων οπτικών ινών... 15 2.4 Σύστημα οπτικών ινών... 16 2.4.1 Οπτική πηγή/ πομπός (optical transmitter)... 16 2.4.2 Οπτικός δέκτης (optical receiver)... 18 2.4.3 Καλώδιο οπτικής ίνας (optical fiber cable)... 20 2.4.4 Σύνδεσμοι (optical fiber connectors)... 21 2.5 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση οπτικών ινών... 22 2.6 Παραδείγματα χρήσης οπτικών ινών... 24 2.7 Σύστημα οπτικών ινών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων... 25 3 Κατασκευή βαθμίδας απομόνωσης (buffer)... 27 3.1 Επιλογή κατάλληλου ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC)... 27 3.2 Σχεδιασμός κυκλώματος του buffer... 28 3.2.1 Σχηματικό διάγραμμα... 28 3.2.2 Κώδικας... 30 3.2.3 Λειτουργία... 34 3.3 Σχεδιασμός PCB... 37 3.4 Υλοποίηση του buffer... 43 4 Μετρήσεις ηλεκτρικών εκκενώσεων μέσω του συστήματος οπτικών ινών... 46 4.1 Ανάπτυξη νηματίου... 46 4.1.1 Πειραματική διάταξη... 46 4.1.2 Μετρήσεις Κυματομορφές... 50 4.2 Εκκένωση κορώνα υπό Κρουστικές Υψηλές Τάσεις... 58 4.2.1 Πειραματική διάταξη... 58 4.2.2 Μετρήσεις - Κυματομορφές... 61 5 Συμπεράσματα... 67 6 Βιβλιογραφία... 69 3

7 Παράρτημα Τεχνικά φυλλάδια... 71 7.1 Σύστημα οπτικών ινών TELEMETER ELECTRONIC... 71 7.1.1 Πομπός APO 0251000-DFB-TX-M... 71 7.1.2 Δέκτης APO 0251000-RX-M... 73 7.1.3 Οπτική ίνα Οpt.Verbindungskabel, 25m (2xE9/125)... 75 7.1.4 Τροφοδοτικά Geregeltes Netzteil 12V/1250mA... 77 7.2 Ολοκληρωμένο κύκλωμα National LMH 6559... 78 4

1 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτυπώνει την προσπάθεια μέτρησης βασικών χαρακτηριστικών διάφορων ηλεκτρικών εκκενώσεων με χρήση ενός δεδομένου συστήματος οπτικών ινών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Ο κύριος λόγος της χρήσης οπτικών ινών σε μετρήσεις υπό υψηλή τάση είναι η ηλεκτρική απομόνωση που προσφέρουν. Έτσι, υπάρχει αυξημένη ασφάλεια ατόμων και απουσία οποιασδήποτε ηλεκτρικής σύζευξης και ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών ανάμεσα στην πειραματική διάταξη και το σύστημα μέτρησης. Επίσης, δεν υπάρχουν παρεμβολές από μεταβλητά μαγνητικά πεδία, ενώ όσο μικρότερη είναι η συχνότητά τους τόσο μεγαλύτερο είναι το όφελος σε σχέση με τη χρήση ομοαξονικών καλωδίων με μανδύα. Αξίζει να αναφερθεί και η ελάχιστη εξασθένιση που προκαλούν οι οπτικές ίνες στο σήμα συγκριτικά με χάλκινους αγωγούς τέτοιων καλωδίων. Τα παραπάνω καθώς και η μείωση του κόστους κατασκευής κυκλωμάτων μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε φωτεινή και το αντίστροφο, κάνουν όλο και πιο διαδομένη τη χρήση συστημάτων οπτικών ινών για μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών. Γενικά συνηθίζεται σε όλα τα συστήματα οπτικών ινών να απομονώνεται η είσοδος τους (πομπός), ώστε να μην επηρεάζεται από την προς μέτρηση διάταξη, πράγμα που γίνεται με χρήση μιας βαθμίδας απομόνωσης. Σύμφωνα με αυτή τη λογική, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αυτή η επιπλέον διάταξη απομόνωσης και στην προκειμένη περίπτωση, η λειτουργία της οποίας θα εξακριβωθεί μέσα από ενδεικτικές μετρήσεις. Όπως είναι λογικό, στην αρχή (Κεφάλαιο 2) δίνονται τα βασικά στοιχεία για τις αρχές λειτουργίας των οπτικών ινών, των υπόλοιπων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων απαραίτητων για τη λειτουργία τους, τα πλεονεκτήματα που απορρέουν από την χρήση τους σε σχέση με τα συμβατικά ομοαξονικά καλώδια, καθώς και κάποια παραδείγματα χρήσης τους σε παγκόσμια κλίμακα. Μετά τη σύντομη αυτή γενική παρουσίαση, δίνεται το σύστημα οπτικών ινών που εξοπλίζει το εργαστήριο υψηλών τάσεων. Για την ορθή λειτουργία του συστήματος οπτικών ινών, απαραίτητη κρίθηκε, όπως ήδη αναφέρθηκε, η δημιουργία μιας βαθμίδας απομόνωσης (buffer) και η τοποθέτησή της ανάμεσα στην εκάστοτε πειραματική διάταξη και στον πομπό των οπτικών ινών. Η γενική ιδέα ήταν να βρεθεί ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit ή IC) και με βάση αυτό να δημιουργηθεί ένα κύκλωμα το οποίο να επιτρέπει τη διέλευση αναλλοίωτων ταχέων σημάτων. Στη συνέχεια, και αφού ελέγχθηκε η ορθή λειτουργία του με χρήση λογισμικού, υλοποιήθηκε η ηλεκτρονική πλακέτα η οποία αποτελεί ουσιαστικά την βαθμίδα απομόνωσης. Αυτά παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3. Τέλος έγιναν κάποιες ενδεικτικές μετρήσεις ως εφαρμογές, που αφορούν αφ ενός την ανάπτυξη νηματίου, και αφ ετέρου την εκκένωση κορώνα υπό κρουστικές υψηλές τάσεις, οι οποίες παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 4, αφού πρώτα περιγραφούν οι πειραματικές διατάξεις τους, με σκοπό να εξακριβωθεί η λειτουργία του συστήματος οπτικών ινών. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν μέσω της παρούσας διπλωματικής εργασίας συνοψίζονται στο Κεφάλαιο 5. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας με τη σειρά που γίνεται εμφάνιση της στο κείμενο, ενώ στο Κεφάλαιο 7 (Παράρτημα) δίνονται 5

τεχνικά φυλλάδια που αφορούν τόσο το σύστημα οπτικών ινών του εργαστηρίου, όσο και του ολοκληρωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιήθηκε. Σε αυτό το σημείο οφείλουμε να ευχαριστήσουμε τους ανθρώπους που βοήθησαν τα μέγιστα καθ όλη αυτήν την προσπάθεια. Συγκεκριμένα, ευχαριστούμε τον καθηγητή μας κ. Παντελή Μικρόπουλο για την ανάθεση του εξαιρετικά ενδιαφέροντος αυτού θέματος, το οποίο μας έφερε στη δύσκολη και ευχάριστη θέση να ανασύρουμε γνώσεις που λάβαμε από πολλά και διαφορετικά μαθήματα. Η καθοδήγησή του σε όλη την διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας ήταν παραπάνω από σημαντική. Ευχαριστούμε επίσης τον κ. Δημήτρη Ζιάκα, επιστημονικό συνεργάτη, για τη συμβολή του στα κατασκευαστικά ζητήματα που προέκυπταν, τον υποψήφιο διδάκτορα του τμήματος στον τομέα ηλεκτρονικής κ. Δημήτρη Κωνσταντίνου για την πολύτιμη βοήθεια του στη χρήση του OrCAD PSpice, καθώς και τον κ. Βασίλειο Ζαγκανά, υποψήφιο διδάκτορα στην περιοχή των υψηλών τάσεων, για τη βοήθειά του όσον αφορά τη διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εκκένωσης κορώνα υπό κρουστικές υψηλές τάσεις. 6

2 Τεχνολογία των οπτικών ινών 2.1 Εισαγωγή Η ιδέα της επικοινωνίας χρησιμοποιώντας το φως υπήρχε πολύ πριν την εφεύρεση των οπτικών ινών. Άλλωστε, εφαρμογές όπως φακοί, μικροσκόπια και φωτογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν ως μέσο διάδοσης πληροφορίας το φως. Η ανάγκη όμως για επικοινωνία μέσω φωτός, χρησιμοποιώντας καλώδια, οδήγησε στην εφεύρεση των οπτικών ινών, η οποία ναι μεν υπήρχε από τις αρχές του 20 ου αιώνα, αλλά άρχισε να γίνεται ελκυστική μισό αιώνα αργότερα με την ανακάλυψη των laser διόδων (LD), των διόδων εκπομπής φωτός (LED) και φωτοδιόδων (photodiodes). Με σταδιακή βελτίωση της τεχνολογίας, οι ρυθμοί μετάδοσης 2.5Gb/s έχουν φτάσει να θεωρούνται ρουτίνα, ενώ μια τυπική τιμή απόσβεσης είναι 0.2dB/km στην περιοχή των 1.5μm (στην εικόνα 2.1 παρουσιάζεται το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, καθώς και οι τιμές της υπέρυθρης ακτινοβολίας που συνήθως χρησιμοποιείται για μετάδοση μέσω οπτικών ινών). Αυτά τα δύο είναι άλλωστε και τα βασικά πλεονεκτήματα των οπτικών ινών έναντι των τυπικών ομοαξονικών καλωδίων (περισσότερες λεπτομέρειες θα δοθούν στο τμήμα 2.5). Εικόνα 2.1 Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και η περιοχή επικοινωνιών των οπτικών ινών [1] Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιαστούν κάποια βασικά χαρακτηριστικά των οπτικών ινών ώστε να γίνει κατανοητή η λειτουργία ενός συστήματος οπτικών ινών, σαν αυτό που θα χρησιμοποιηθεί ώστε να γίνουν μετρήσεις στο χώρο του εργαστηρίου των υψηλών τάσεων και το οποίο έχει την μορφή που παρουσιάζεται στην εικόνα 2.2. Η γενική ιδέα είναι η εξής: η πηγή της πληροφορίας παρέχει ένα ηλεκτρικό σήμα στον πομπό. Το ηλεκτρικό αυτό σήμα οδηγεί την οπτική πηγή μέσω μίας ηλεκτρικής βαθμίδας και τελικά στην έξοδο του πομπού εμφανίζεται διαμορφωμένο το οπτικό φέρον. Η οπτική πηγή παρέχει την ηλεκτρο-οπτική μετατροπή και συνήθως είναι κάποια laser δίοδος (LD) ημιαγωγού ή LED. Το οπτικό σήμα διαδίδεται μέσα στην οπτική ίνα (μέσο διάδοσης) και τελικά καταλήγει σε έναν οπτικό ανιχνευτή (συνηθέστατα φωτοδίοδος) ο οποίος και παρέχει την οπτο-ηλεκτρική μετατροπή. Το ηλεκτρικό πια σήμα θα περάσει από την 7

ηλεκτρική βαθμίδα του δέκτη και τελικά θα αποδιαμορφωθεί φθάνοντας στον τελικό αποδέκτη. Η επεξεργασία της πληροφορίας γίνεται γενικά ηλεκτρικά, ενώ το σύστημα μπορεί να είναι αναλογικό ή ψηφιακό. [1] Εικόνα 2.2 Σύστημα επικοινωνιών οπτικών ινών [1] 2.2 Βασικές αρχές λειτουργίας Καθώς εξελισσόταν η τεχνολογία των οπτικών ινών ως ένα νέο μέσο επικοινωνίας, έπρεπε να χρησιμοποιηθούν εκτός από οπτικές εφαρμογές, και ηλεκτρονικές. Πομποί και δεκτές μετατρέπουν σήματα από ηλεκτρικά σε οπτικά και αντιστρόφως. Για να κατανοηθούν σωστά οι οπτικές ίνες πρέπει πρώτα να κατανοηθούν οι τομείς των οπτικών, των τηλεπικοινωνιών αλλά και των ηλεκτρονικών. Όπως πραγματεύεται ο Ε. Κριεζής στο σύγγραμμά του «Οπτικές Επικοινωνίες» και η ανάλυση του οποίου θα ακολουθηθεί και στο παρόν τμήμα, η λειτουργία των οπτικών ινών εξαρτάται από τις βασικές ιδιότητες των οπτικών και την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Από φυσική σκοπιά, το φως αποτελείται είτε από ηλεκτρομαγνητικά κύματα, είτε από φωτόνια, τα οποία είναι κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Το πιο βασικό σημείο όμως, για την κατανόηση της λειτουργίας των οπτικών ινών είναι η θεώρηση ότι το φως αποτελείται από ακτίνες οι οποίες ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές μεταξύ οπτικών στοιχείων, τα οποία μπορούν να κάμψουν η να ανακάμψουν τη τροχεία αυτή. Η οπτική ίνα δηλαδή χρησιμοποιείται ως μέσο, και το φως ως φορέας της πληροφορίας. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, είχε αποδειχθεί από τις αρχές του 20 ου αιώνα η χρήση διηλεκτρικής ράβδου για την οδήγηση του φωτός. Τελικά έγινε αντιληπτό ότι εκτός από τον πυρήνα (core), θα έπρεπε να υπάρχει και κάποιο περίβλημα (cladding) όπως φαίνεται στην εικόνα 2.3, το οποίο αφ ενός θα εξασφάλιζε την παραμονή του φωτός εντός της ίνας, και αφετέρου θα έδινε και την απαραίτητη μηχανική αντοχή. Βασικό υλικό κατασκευής του πυρήνα αποτελεί το διοξείδιο του πυριτίου (silica SiO 2 ). 8

Εικόνα 2.3 Η κυκλική οπτική ίνα με περίβλημα [1] Ο λόγος που εξασφαλίζεται η παραμονή του φωτός εντός της οπτικής ίνας με την προσθήκη του περιβλήματος, με συντελεστή διάθλασης μικρότερο του συντελεστή διάθλασης του πυρήνα, γίνεται ξεκάθαρος μελετώντας το νόμο του Snell και την εικόνα 2.4, σύμφωνα με τον οποίο, η γωνία διάθλασης προκύπτει: sin θ 1 sin θ 2 = n 2 n 1 θ 2 = sin 1 ( n 1 n 2 sin θ 1 ) (Σχέση 2.1) Όσο αυξάνει η γωνία πρόσπτωσης, τόσο αυξάνει και η γωνία διάθλασης με αποτέλεσμα για κάποια τιμή της γωνίας πρόσπτωσης, η γωνία διάθλασης να γίνει ίση με π 2 (εικόνα 2.4β). Αυτή η τιμή της γωνίας πρόσπτωσης αποτελεί την κρίσιμη γωνία (θ c ) και είναι ίση με: θ c = sin 1 ( n 2 n 1 ) (Σχέση 2.2) Για γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες της κρίσιμης, δεν υπάρχει διαθλώμενη ακτίνα και υπάρχει το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης. Εικόνα 2.4 Πρόσπτωση ακτίνας στη διαχωριστική επιφάνεια δύο διηλεκτρικών. α) για γωνία < θ c, β) για γωνία = θ c, γ) για γωνία > θ c [1] Τα παραπάνω μπορούν να δώσουν μία πρώτη εικόνα της διάδοσης του φωτός σε μία οπτική ίνα. Σε μία ιδανική διάδοση εντός οπτικής ίνας, οι γωνίες πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερες της κρίσιμης και έτσι στη διαχωριστική επιφάνεια «πυρήνα-περιβλήματος» θα υπάρχουν συνεχώς ολικές ανακλάσεις (εικόνες 2.5 και 2.6). Σε όλα τα παραπάνω δεν λήφθηκε υπόψη ότι η γεωμετρία της ίνας είναι στην πραγματικότητα κυλινδρική, η 9

διείσδυση του φωτός στο περίβλημα, απώλειες κτλ. Η ίδια η χρήση της ακτινικής θεωρίας (γεωμετρική οπτική) προϋποθέτει ότι οι διαστάσεις του πυρήνα είναι σημαντικά μεγαλύτερες από το μήκος κύματος (ή το μήκος κύματος αρκούντως μικρό) προκειμένου να θεωρηθεί ορθή. Εικόνα 2.5 Πορεία φωτός εντός ευθείας οπτικής ίνας [2] Εικόνα 2.6 Πορεία φωτός εντός οπτικής ίνας σε κάμψη [2] Πρώτιστα βέβαια, πρέπει να εισέρθει η ακτίνα φωτός μέσα στην οπτική ίνα ώστε να οδεύσει μέσα της. Αυτό έχει να κάνει με το λεγόμενο αριθμητικό άνοιγμα (numerical aperture/na). Παρατηρώντας την εικόνα 2.7, η ακτίνα Α προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια «αέρα-πυρήνα» με γωνία θ a τέτοια ώστε η διαθλώμενη να προσπίπτει με τη σειρά της στη διαχωριστική επιφάνεια «πυρήνα-περιβλήματος» με την κρίσιμη γωνία, όπως έχει οριστεί προηγουμένως. Εικόνα 2.7 Πρόσπτωση ακτίνας με τη μέγιστη γωνία αποδοχής (ακτίνα Α) και με γωνία πέραν αυτής (Β) [1] Προφανώς για ακτίνες που εισέρχονται στην ίνα με γωνία μικρότερη της θ a, φθάνουν στη διαχωριστική επιφάνεια «πυρήνα-περιβλήματος» με γωνία μεγαλύτερη της κρίσιμης και άρα διαδίδονται απρόσκοπτα. Αντίθετα, ακτίνες όπως η Β της εικόνας 2.7 που εισέρχονται με γωνία μεγαλύτερη της θ a, φθάνουν στη διαχωριστική επιφάνεια «πυρήναπεριβλήματος» με γωνία μικρότερη της κρίσιμης και θα ανακλαστούν μερικώς καθώς επίσης και θα διαθλασθούν στο περίβλημα, δηλαδή θα υπάρχει απώλεια φωτός. Συμπερασματικά, η γωνία θ a είναι πολύ σημαντική καθώς δίνει ένα μέγεθος της ικανότητας συλλογής φωτός της ακτίνας. 10

Κάνοντας και πάλι χρήση του νόμου του Snell στο σημείο Κ, θα είναι: sin θ a sin θ 1 = n 1 n 0 (Σχέση 2.3) Με δεδομένο τον ορισμό της κρίσιμης γωνίας που έγινε παραπάνω στη σχέση 2.2 και ορίζοντας τη γωνία πρόσπτωσης στη διαχωριστική επιφάνεια «πυρήνα-περιβλήματος» στο σημείο Λ θα έχουμε: θ c = π 2 θ 1 (2.2) 1 sin 2 θ 1 = n 2 2 n 1 (Σχέση 2.4) Με τη βοήθεια της σχέσης 2.3 και θέτοντας n 0 =1 (αέρας), η σχέση 2.4 γίνεται: sin θ a = n 1 2 n 2 2 (Σχέση 2.5) Το δεξί σκέλος της σχέσης 2.5 αποτελεί το αριθμητικό άνοιγμα (numerical aperture/ NA), και όπως ήδη έχει αναφερθεί, χαρακτηρίζει την ικανότητα συλλογής φωτός από την ίνα. Μία ποσότητα που χρησιμοποιείται πολύ συχνά είναι η σχετική διαφορά του δείκτη διάθλασης που ορίζεται ως εξής: Δ = n 1 2 n 2 2 2n 1 2 = n 1 n 2 n 1 1 (Σχέση 2.6) Καταλήγουμε τελικά σε μία σχέση ανάμεσα στο αριθμητικό άνοιγμα και τη σχετική διαφορά των δεικτών διάθλασης πυρήνα και περιβλήματος, η οποία είναι η εξής: NA = n 1 2Δ (Σχέση 2.7) Οι περισσότερες από τις οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται σήμερα βέβαια, αποτελούνται από τρεις ομοαξονικούς κυλίνδρους. Εκτός της κεντρική ίνας (core) και της επίστρωσης (cladding), υπάρχει και το κάλυμμα (buffer coating) όπως φαίνεται στην εικόνα 2.8. Το τελευταίο, είναι ένα συνθετικό ή πολυμερές υλικό που προστίθεται έτσι ώστε να αποφευχθούν σπασίματα της ίνας από πιθανά τραβήγματα, όπου και είναι πιθανό να σπάσει ο πυρήνας. [3] Εικόνα 2.8 Δομή οπτικής ίνας [3] 11

2.3 Κατηγορίες οπτικών ινών ανάλογα με τον τρόπο μετάδοσης Οι οπτικές ίνες διαχωρίζονται κατ αρχήν ανάλογα με τον τρόπο που μεταδίδεται το φως στο εσωτερικό του πυρήνα τους. Η πρώτη βασική διάκριση είναι ανάμεσα σε πολύρυθμες (multi-mode) και μονόρυθμες (single-mode) οπτικές ίνες. Οι πολύρυθμες με τη σειρά τους διακρίνονται σε βηματικού δείκτη (step-index) και βαθμιδωτού δείκτη (gradedindex). Ακολουθεί σύντομη περιγραφή των κατηγοριών αυτών. 2.3.1 Πολύρυθμες οπτικές ίνες (multi-mode optical fiber/mmf) Όπως προκύπτει και από την ονομασία τους, οι πολύρυθμες οπτικές ίνες επιτρέπουν την ύπαρξη πολλών διαφορετικών δρόμων μετάδοσης που αντιστοιχούν στις διαφορετικές γωνίες ανάκλασης. Γι αυτό το λόγο η διάμετρος του πυρήνα τους είναι μεγάλη (μεγαλύτερη των 10μm). Χρησιμοποιούνται συνήθως για επικοινωνία σε κοντινές αποστάσεις (μέχρι 600m), όπως εντός κτιρίων ή συγκροτημάτων και μπορούν να επιτύχουν ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 10Gbit/s. Εικόνα 2.9 Πολύρυθμη οπτική ίνα [4] Οι οπτικές ίνες χαρακτηρίζονται από τις διαστάσεις του πυρήνα και της επίστρωσής τους. Έτσι, μία πολύρυθμη οπτική ίνα 62.5/125μm σημαίνει πως ο πυρήνας της έχει διάμετρο 62.5μm, ενώ η επίστρωσή της 125μm. Επιπλέον όμως, οι πολύρυθμες οπτικές ίνες μπορούν να περιγραφούν από ένα σύστημα ταξινόμησης με βάση το πρότυπο ISO-11801, ως ΟΜ1,ΟΜ2,ΟΜ3 και ΟΜ4, ανάλογα με το εύρος ζώνης. [4] Όπως αναφέρθηκε και αρχικά, οι πολύρυθμες οπτικές ίνες χωρίζονται σε βηματικού και βαθμιδωτού δείκτη, ανάλογα με την τιμή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα τους. Όσον αφορά τις οπτικές ίνες βηματικού δείκτη (step-index optical fiber), το προφίλ του συντελεστή διάθλασης παρουσιάζει μία σταθερή τιμή στην κεντρική ίνα και μία απότομη μεταβολή μεταξύ της κεντρικής ίνας και του υλικού επίστρωσης. Η διάμετρος της κεντρικής 12

ίνας κυμαίνεται από 100 έως 200μm. Προφανώς, οι ακτίνες του φωτός διαμέσου του πυρήνα οδηγούνται με συνεχείς ολικές ανακλάσεις, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.10 όπου φαίνεται γραφικά η λειτουργία της οπτικής ίνας βηματικού δείκτη. Εικόνα 2.10 Οδήγηση ακτίνων φωτός διαμέσου οπτικής ίνας βηματικού δείκτη [5] Όσον αφορά τις οπτικές ίνες βαθμιδωτού δείκτη (graded-index optical fiber), ο δείκτης διάθλασης μειώνεται σταδιακά από τον άξονα της κεντρικής ίνας μέχρι την επίστρωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι ακτίνες του φωτός να καμπυλώνουν ομαλά καθώς φθάνουν στην επίστρωση (εικόνα 2.11), αντί να ανακλώνται απότομα όπως στις διακριτού δείκτη. Η διάμετρος της κεντρικής ίνας σε οπτικές ίνες βαθμιδωτού δείκτη είναι 50 ή 62.5μm. Εικόνα 2.11 Οδήγηση ακτίνων φωτός διαμέσου οπτικής ίνας βαθμιδωτού δείκτη [5] Η εξήγηση του παραβολικού αυτού φαινομένου είναι αρκετά απλή παρατηρώντας την εικόνα 2.12 στην οποία φαίνεται μία μεγεθυμένη ακτίνα που ταξιδεύει προς τη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-επίστρωσης, ενώ θεωρείται ότι το παραβολικό προφίλ μπορεί να προσεγγιστεί με έναν αριθμό λεπτών στρωμάτων με συνεχώς ελαττούμενο δείκτη διάθλασης. Η ακτίνα διαθλάται συνεχώς καθώς περνά μέσα από τα διαδοχικά στρώματα και καθώς ο δείκτης διάθλασης μειώνεται, η ακτίνα πλησιάζει προς τον άξονα της ίνας. Στο όριο της συνεχούς μεταβολής του δείκτη διάθλασης, προκύπτει μία παραβολική πορεία σαν αυτή της εικόνας 2.11. Επειδή σε μια πολύρυθμη ίνα υπάρχουν αρκετοί ρυθμοί με διαφορετικές ταχύτητες, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ένας παλμός φωτός κατά τη διάδοσή του να «ανοίγει». Βέβαια, το γεγονός αυτό σε ίνα βαθμιδωτού δείκτη περιορίζεται εκ κατασκευής, λόγω της κυμαινόμενης τιμής του δείκτη διάθλασης. Συγκεκριμένα, οι ακτίνες που είναι πιο κοντά στον άξονα ταξιδεύουν μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά με μικρότερη ταχύτητα από τις ακτίνες που είναι πιο μακριά από τον άξονα, λόγω του μεγαλύτερου δείκτη διάθλασης στην περιοχή κοντά στον άξονα. Ο μηχανισμός αυτός, που φαίνεται στην εικόνα 2.13, «αποζημιώνει» τελικά τις ακτίνες που ταξιδεύουν μεγαλύτερες αποστάσεις και μειώνει τη 13

διασπορά. Για το λόγο αυτό οι ίνες βαθμιδωτού δείκτη έχουν πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από τις βηματικού δείκτη. [1] Εικόνα 2.12 Μεγεθυμένη αναπαράσταση τροχιάς μιας ακτίνας σε οπτική ίνα βαθμιδωτού δείκτη [1] Εικόνα 2.13 Διαφορά ταχύτητας μετάδοσης ανάμεσα σε 2 ακτίνες στην οπτική ίνα βαθμιδωτού δείκτη [6] Στην εικόνα 2.14 παρουσιάζονται συνοπτικά με γραφικό τρόπο οι διαφορές ανάμεσα στους δύο τύπους πολύρυθμων οπτικών ινών, αναφορικά με τις διαστάσεις τους, την δομή τους όπως φαίνεται σε τομή, καθώς και το προφίλ του δείκτη διάθλασης. Εικόνα 2.14 Δομικές διαφορές πολύρυθμων οπτικών ινών βηματικού και βαθμιδωτού δείκτη [6] 14

2.3.2 Μονόρυθμες οπτικές ίνες (single-mode optical fiber/smf) Στην αντίπερα όχθη, υπάρχουν οι μονόρυθμες οπτικές ίνες, οι οποίες εκ κατασκευής μεταφέρουν μία μόνο φωτεινή ακτίνα (ρυθμό) εφ όσον η διάμετρός τους είναι πολύ μικρή (της τάξης του μεταφερόμενου μήκους κύματος). Σε αυτές ο μόνος δυνατός τρόπος μετάδοσης είναι ο αξονικός και φαίνεται γραφικά στην εικόνα 2.15 που ακολουθεί. Εικόνα 2.15 Οδήγηση φωτεινών ακτίνων διαμέσου μονότροπης οπτικής ίνας [5] Η τυπική διάμετρος του πυρήνα κυμαίνεται από 8 έως 10μm (με συνηθέστερη τιμή τα 8.3μm), ενώ αυτή της επίστρωσης είναι 125μm. Ρυθμοί δεδομένων 10Gbit/s επιτυγχάνονται και μάλιστα σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 80km, ενώ αν γίνει χρήση οπτικών ενισχυτών και συστήματα πολυπλεξίας DWDM μπορούν να επιτευχθούν για αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων (ενώ για αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων μπορούν να επιτευχθούν ακόμα και 40Gbit/s). Όπως γίνεται εύκολα κατανοητό, η χρήση μονόρυθμων οπτικών ινών ενδείκνυται για αποστάσεις μεγαλύτερες του χιλιομέτρου. [7] 2.3.3 Σύγκριση πολύρυθμων και μονόρυθμων οπτικών ινών Όσον αφορά τις μονόρυθμες οπτικές ίνες, αυτές είναι το μέσο με την υψηλότερη ποιότητα μετάδοσης λόγω απουσίας άλλων ρυθμών. Επιπλέον, προσφέρουν το μεγαλύτερο εύρος ζώνης και τις μικρότερες απώλειες και γι αυτό προτιμώνται για χρήσεις σε μεγάλες αποστάσεις. Βέβαια, λόγω της μικρής διαμέτρου του πυρήνα τους (λειτουργούν στα 1310 ή 1550nm) απαιτούν τους πιο δαπανηρούς και ακριβείς πομπούς laser με μικρότερο αριθμητικό άνοιγμα. Αντίθετα, οι πολύρυθμες οπτικές ίνες (λειτουργούν στα 850 ή 1300nm) έχουν μεγαλύτερη διάμετρο πυρήνα και έτσι επιτρέπεται η χρήση των πολύ φθηνότερων LED για την εκπομπή φωτός. Επίσης, οι απαιτήσεις για πολύ ακριβή ευθυγράμμιση κατά τη συγκόλληση δύο ινών χαλαρώνουν, όπως και η ποιότητα και η μηχανική ακρίβεια εξαρτημάτων και συνδετήρων, ενώ όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η χρήση των πολύρυθμων οπτικών ινών περιορίζεται σε μικρές αποστάσεις. Οι διαφορές στα τυπικά γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά φαίνονται συγκεντρωτικά στην παρακάτω εικόνα 2.16. 15

Εικόνα 2.16 Τυπικές διαστάσεις και προφίλ δείκτη διάθλασης οπτικών ινών [1] 2.4 Σύστημα οπτικών ινών 2.4.1 Οπτική πηγή/ πομπός (optical transmitter) Η οπτική πηγή αποτελεί το εξάρτημα του επικοινωνιακού συστήματος που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια (ρεύμα) σε οπτική (φως), η οποία οπτική ενέργεια έχει την κατάλληλη μορφή ώστε να μπορεί να συζευχθεί με έναν οπτικό κυματοδηγό (εν προκειμένω οπτική ίνα). Οι πλέον συνηθισμένοι οπτικοί πομποί είναι οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) οι οποίες χαρακτηρίζονται ως ασύμφωνες πηγές (incoherent), και οι laser δίοδοι (LD) οι οποίες χαρακτηρίζονται ως σύμφωνες πηγές (coherent). Οι γενικές απαιτήσεις ώστε να είναι οι πηγές φωτός κατάλληλες για οπτική επικοινωνία συνοψίζονται σε κάποια κύρια σημεία: Η εκπομπή του φωτός θα πρέπει να γίνεται ώστε να διευκολύνεται η σύζευξη με τις οπτικές ίνες (ιδανικά να είναι πολύ κατευθυντική) Θα πρέπει να υπάρχει ακριβής αντιστοίχιση ανάμεσα στο ηλεκτρικό σήμα και το εκπεμπόμενο φως (ιδανικά μια γραμμική σχέση) Τα εκπεμπόμενα μήκη κύματος να οδηγούν σε χαμηλές τιμές απωλειών και διασποράς Προτίμηση για απλή απ ευθείας διαμόρφωση της πηγής σε μεγάλο εύρος ζώνης Θα πρέπει να έχουν αρκετή οπτική ισχύ ώστε να υπερκαλύπτονται απώλειες μετάδοσης και φυσικά να καταλήγει επαρκής ισχύς στο δέκτη 16

Όσο το δυνατόν στενότερο φασματικό περιεχόμενο της πηγής ώστε να περιορίζεται η διασπορά Σταθερή κατά το δυνατόν οπτική ισχύς, ανεξάρτητα από εξωτερικούς παράγοντες (π.χ. θερμοκρασία) και γήρανση εξαρτημάτων Φθηνή και αξιόπιστη τεχνολογία Πιο συγκεκριμένα, η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) (εικόνα 2.17) χρησιμοποιεί τον μηχανισμό μίας ορθά πολωμένης επαφής p-n για την εκπομπή ακτινοβολίας. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το φως που εκπέμπουν είναι ασυνεχές με φάσμα που εκτείνεται από 30 έως 60 nm. Με την εξέλιξη των οπτικών ινών βαθμιδωτού δείκτη, τα LED έχουν βρει εφαρμογή σε πολλά συστήματα οπτικών ινών. Ο λόγος για αυτό είναι η απλή τους κατασκευή, χωρίς κάτοπτρα, το μικρό κόστος κατασκευής τους και η αυξημένη αξιοπιστία τους. Ακόμη, έχουν μικρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία, μικρές απαιτήσεις από τα ηλεκτρονικά οδήγησης, ενώ υπάρχει γραμμική εξάρτηση της ισχύος εξόδου ως προς το ρεύμα, γεγονός που διευκολύνει την αναλογική διαμόρφωση. Βέβαια, έχουν και κάποια μειονεκτήματα, όπως μικρό εύρος διαμόρφωσης, αρμονική παραμόρφωση, ενώ συζεύουν μικρή οπτική ισχύ (της τάξης των μw) στην οπτική ίνα. [1] Εικόνα 2.17 L.E.D. [8] Διατάξεις LED που χρησιμοποιούν το σύστημα GaAlAs/GaAs για εκπομπή στα μικρότερα μήκη κύματος είναι ιδιαίτερα διαδεδομένες και δοκιμασμένες. Παράλληλα υπάρχει σημαντική πρόοδος και σε διατάξεις που υλοποιούνται με το σύστημα InGaAsP/InP για εκπομπή στην περιοχή των 1.3 μm. Στο μήκος κύματος αυτό η χαμηλή διασπορά των ινών από γυαλιά διοξειδίου του πυριτίου αντισταθμίζει τα φτωχά φασματικά χαρακτηριστικά των LED. Γενικά τα LED χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τις πολύρυθμες ίνες βαθμιδωτού δείκτη και με ταχύτητες διαμόρφωσης στην περιοχή των εκατοντάδων Mb/s για επικοινωνίες κοντινών αποστάσεων. [1] Στην αντίπερα όχθη, υπάρχουν οι laser δίοδοι ως οπτικές πηγές. Αυτές αποτελούν ιδανική επιλογή αν η οπτική ίνα που οδηγεί το φως είναι μονόρυθμη, οπότε έχει πολύ μεγάλο εύρος ζώνης και εκτείνεται σε μεγάλες αποστάσεις. Γενικά, οι laser δίοδοι έχουν πολύ ανώτερα χαρακτηριστικά σε σχέση με τα προαναφερθέντα LED. Πιο συγκεκριμένα το L.A.S.E.R. (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), είναι ένας οπτικός ταλαντωτής και διακρίνεται στην εικόνα 2.18. 17

Εικόνα 2.18 L.A.S.E.R. δίοδος [9] Περιλαμβάνει κάποιο στοιχείο με κέρδος σε συνδυασμό με μία οπτική κοιλότητα (συντονιστή). Το φως που εκπέμπεται είναι πολύ «καθαρή» μονοχρωματική ακτινοβολία και έτσι η πηγή αυτή χαρακτηρίζεται ως σύμφωνη (coherent). Το στενό φάσμα του laser (μικρότερο των 10nm) επιτρέπει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, όπως έχει ήδη γίνει λόγος για τις μονόρυθμες οπτικές ίνες, καθώς μειώνεται το φαινόμενο της διασποράς. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί πως η έξοδός του είναι σχετικά κατευθυντική, πράγμα που επιτρέπει την χωρίς προβλήματα σύζευξη με την οπτική ίνα, ενώ το διακρίνει και η μεγάλη συχνότητα εναλλαγής πολικότητας. Στην εικόνα 2.19 δίνεται σε γενική μορφή ένας οπτικός πομπός laser διόδου. Διακρίνεται η σύζευξη της διόδου με την οπτική ίνα, ένας φωτοανιχνευτής που εκτιμά το ύψος της εκπομπής μέσω του φωτός που διαρρέει από το πίσω κάτοπτρο της διόδου και ένα θερμοηλεκτρικό ζεύγος ψύξης. Η οπτική ισχύς εξόδου σταθεροποιείται διατηρώντας τη δίοδο σε σταθερή θερμοκρασία μέσω ενός βρόχου ανάδρασης που χρησιμοποιεί το σήμα του φωτοανιχνευτή. [1] Εικόνα 2.19 Κατασκευή ενός οπτικού πομπού laser διόδου [1] 2.4.2 Οπτικός δέκτης (optical receiver) Ο δέκτης σε ένα σύστημα οπτικών επικοινωνιών, αποτελείται κατά βάση από τον φωτοανιχνευτή, ο οποίος μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό κάνοντας χρήση του 18

φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Καθώς οι επιδόσεις ενός συστήματος οπτικών ινών εξετάζονται στο δέκτη, ο φωτοανιχνευτής αποτελεί ένα από τα πιο κρίσιμα στοιχεία του συστήματος. Οι γενικές απαιτήσεις που προκύπτουν από τους φωτοανιχνευτές είναι οι εξής: Υψηλή ευαισθησία στα μήκη κύματος λειτουργίας των οπτικών ινών Υψηλή πιστότητα, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό στην αναλογική οπτική μετάδοση, όπου η απόκριση θα πρέπει να είναι γραμμική Γρήγορη απόκριση Ο ανιχνευτής θα πρέπει να δίνει το μέγιστο δυνατό ηλεκτρικό σήμα για ένα δεδομένο επίπεδο οπτικής ισχύος Χαμηλή εισαγωγή θορύβου Λειτουργία ανεξάρτητη από εξωτερικούς παράγοντες (π.χ. θερμοκρασία) Μικρό μέγεθος, καλή σύζευξη με την οπτική ίνα και εύκολη συσκευασία με τα ηλεκτρονικά που ακολουθούν Υψηλή αξιοπιστία Χαμηλό κόστος Όσον αφορά τις οπτικές επικοινωνίες και σύμφωνα με τις απαιτήσεις που έχουν τεθεί παραπάνω, ο προτιμώμενος τύπος ανιχνευτή είναι αναμφισβήτητα η φωτοδίοδος (διακρίνεται στην εικόνα 2.20). Οι φωτοδίοδοι κατασκευάζονται από ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο καθώς επίσης και από κράματα των ομάδων III και V του περιοδικού συστήματος των στοιχείων. Η γρήγορη απόκριση και η αποτελεσματική απορρόφηση των φωτονίων επιβάλλει κατά κανόνα τη χρήση intrinsic υλικών και ο ανιχνευτής μπορεί να είναι με ή χωρίς εσωτερικό μηχανισμό κέρδους. Οι φωτοδίοδοι πυριτίου (Si) έχουν μεγάλη ευαισθησία στο παράθυρο των 0.8 0.9 μm και έτσι χρησιμοποιούνται ευρύτατα στα συστήματα οπτικών ινών πρώτης γενιάς. Η απόκριση τους σταματά στα 1.09 μm και για το λόγο αυτό στα συστήματα της δεύτερης γενιάς συναντά κανείς φωτοδιόδους γερμανίου ή κραμάτων III-V που έχουν καλή συμπεριφορά σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. [1] Εικόνα 2.20 Φωτοδίοδος [10] 19

2.4.3 Καλώδιο οπτικής ίνας (optical fiber cable) Έχοντας ήδη αναφερθεί στα προηγούμενα τμήματα στην οπτική ίνα και στις διάφορες μορφές της ανάλογα με τον τρόπο μετάδοσης, σε αυτό το τμήμα θα παρουσιαστούν περισσότερο τεχνικά ζητήματα αναφορικά με τα καλώδια των οπτικών ινών. Ως καλώδιο οπτικών ινών (εικόνα 2.21) ορίζεται το καλώδιο που περιέχει μία ή περισσότερες οπτικές ίνες. Κάθε μία οπτική ίνα είναι επικαλυμμένη με πλαστική στρώση και τοποθετούνται συνολικά εντός καλωδίου, το οποίο θα πρέπει να είναι κατάλληλο για το περιβάλλον που πρόκειται να τοποθετηθεί. Εικόνα 2.21 Καλώδιο οπτικών ινών [11] Όσον αφορά τη μεμονωμένη οπτική ίνα και την κατασκευή της, οι γυάλινες οπτικές ίνες στην συντριπτική τους πλειοψηφία φτιάχνονται από διοξείδιο του πυριτίου (silica,sio 2 ). Αυτές έχουν δείκτη διάθλασης τιμής περίπου 1.5, ενώ η διαφορά ανάμεσα στους δείκτες διάθλασης του πυρήνα και της επίστρωσης είναι μικρότερο από 1%. Υπάρχουν βέβαια και οι πλαστικές οπτικές ίνες (Plastic Optical Fibers/POF), που είναι συνήθως πολύρυθμες οπτικές ίνες βηματικού δείκτη με διάμετρο πυρήνα μεγαλύτερη από 0.5mm. Λόγω της μεγαλύτερης εξασθένισης (περίπου 1dB/km) σε σχέση με τις γυάλινες, η χρήση τους είναι περιορισμένη. Όπως έχει προαναφερθεί, εκτός από την κεντρική ίνα, τον πυρήνα (core) δηλαδή, υπάρχει η επίστρωση (cladding) η οποία έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης ώστε με ολική ανάκλαση να εγκλωβίζονται οι ακτίνες εντός του πυρήνα. Την επίστρωση, περιβάλλει ένα περίβλημα (buffer) ρητίνης το οποίο προστατεύει από μηχανική καταπόνηση και υγρασία. Πολύ συχνά υπάρχει ακόμα ένα πλαστικό στρώμα προστασίας το οποίο ονομάζεται jacket. Οι δύο τελευταίες στρώσεις δεν συμβάλλουν στην μετάδοση των οπτικών ακτίνων, παρά μόνο στη μηχανική αντοχή της οπτικής ίνας. Τα παραπάνω φαίνονται στην εικόνα 2.22 όπου απεικονίζεται η τομή μιας οπτικής ίνας. [11] Εικόνα 2.22 Διαδοχικά στρώματα οπτικής ίνας [12] 20

Το εξωτερικό περίβλημα (είτε είναι buffer, είτε jacket) είναι συχνά χρωματισμένο έτσι ώστε να υποδεικνύει τον τύπο της οπτικής ίνας. Συγκεκριμένα χρώματα σε συνδυασμό με τις οπτικές ίνες στις οποίες αναφέρονται δίνονται παρακάτω. [11] 2.4.4 Σύνδεσμοι (optical fiber connectors) Οι σύνδεσμοι οπτικών ινών χρησιμοποιούνται για να τερματίζεται η οπτική ίνα επιτρέποντας τη γρήγορη και εύκολη σύνδεση στην οπτική πηγή και στο δέκτη. Συζεύουν μηχανικά και ευθυγραμμίζουν τους πυρήνες των ινών έτσι ώστε να μπορεί να περάσει το φως. Η πολύ κοντινή σύζευξη αποτρέπει την παρουσία αέρα ανάμεσα στους πυρήνες και έτσι οι απώλειες λόγω των συνδέσμων (το λεγόμενο gap loss) ελαχιστοποιούνται. Η τυπική διάρκεια ζωής των συνδέσμων εκτείνεται από 500 έως 1000 κύκλους συνδέσεων. [13] Υπάρχουν πολλοί τύποι συνδέσμων που διαφέρουν στις διαστάσεις τους ή στον τρόπο σύζευξης, αλλά οι πιο διαδεδομένοι τύποι συνδέσμων είναι οι FC, SC και ST. Οι σύνδεσμοι τύπου FC (Ferrule Connector ή Fiber Channel) είναι βιδωτοί, διαμέτρου 2.5mm και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές τηλεπικοινωνιών, μετάδοσης δεδομένων, μετρήσεων με μονόρυθμες οπτικές ίνες με laser. Πλέον αρχίζουν να παραγκωνίζονται όμως από άλλους τύπους συνδέσμων. Ένας τυπικός σύνδεσμος τύπου FC δίνεται στην εικόνα 2.23. [14] Εικόνα 2.23 Σύνδεσμος τύπου FC [14] Οι σύνδεσμοι τύπου SC (Subscriber Connector ή Square Connector ή Standard Connector) έχουν ζεύξη push-pull, είναι διαμέτρου 2.5mm και χρησιμοποιούνται κατά 21

κόρον σε εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και μετάδοσης δεδομένων. Ένας τυπικός σύνδεσμος τύπου SC δίνεται στην εικόνα 2.24. [13] Εικόνα 2.24 Σύνδεσμος τύπου SC [13] Οι σύνδεσμοι τύπου ST/BFOC (Straight Tip/Bayonet Fiber Optic Connection) έχουν ζεύξη bayonet όπως άλλωστε δηλώνεται από την ονομασία τους, είναι διαμέτρου 2.5mm και χρησιμοποιούνται κυρίως με πολύρυθμες οπτικές ίνες και σπάνια με μονόρυθμες. Ένας τυπικός σύνδεσμος τύπου ST δίνεται στην εικόνα 2.25. [13] Εικόνα 2.25 Σύνδεσμος τύπου ST [13] 2.5 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση οπτικών ινών Μετά την παρουσίαση που έχει γίνει περί της τεχνολογίας των οπτικών ινών, είναι εύλογο να γίνει αναφορά στα πλεονεκτήματα τα οποία προκύπτουν από την χρήση οπτικών ινών σε σχέση με τα συμβατικά ηλεκτρικά/ηλεκτρονικά συστήματα. Τα πιο βασικά, όπως επισημαίνονται και στο βιβλίο του Ε. Κριεζή «Οπτικές Επικοινωνίες», είναι τα εξής: Τεράστιο εύρος ζώνης. Το εύρος ζώνης των χάλκινων ομοαξονικών καλωδίων δεν ξεπερνά τα 500MHz. Συγκρινόμενο με τα 100000GHz του φέροντος οπτικής ίνας, αντιλαμβανόμαστε πως με χρήση οπτικών ινών μπορεί να γίνει αναμετάδοση σε απόσταση εκατοντάδων χιλιομέτρων (αντί μερικών χιλιομέτρων με χρήση ομοαξονικών καλωδίων). Αν δε, γίνει χρήση πολυπλεξίας στο μήκος κύματος, τότε το εύρος των οπτικών ινών μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. Μικρό μέγεθος και βάρος. Όπως έχει αναφερθεί η διάμετρός του πυρήνα είναι της τάξης των μm. Ακόμα και αν προσθέσουμε τα στρώματα προστασίας, οι οπτικές 22

ίνες έχουν σαφέστατο συγκριτικό πλεονέκτημα όσον αφορά το βάρος και τις διαστάσεις τους σε σχέση με τα χάλκινα καλώδια. Ηλεκτρική απομόνωση. Το οπτικό κύμα οδηγείται από διηλεκτρικό, πράγμα που σημαίνει πως δεν υπάρχει κανένα πρόβλημα σε ηλεκτρικά «επικίνδυνα» περιβάλλοντα με σχηματισμούς βρόχων γης, τόξων, βραχυκυκλωμάτων κλπ. Ατρωσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Η μετάδοση του οπτικού κύματος μέσα στην ίνα είναι απαλλαγμένη από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Για αυτό και δεν επηρεάζεται από περιβάλλοντα ηλεκτρομαγνητικού θορύβου και άρα δεν χρειάζεται να λαμβάνονται μέτρα για την ηλεκτρομαγνητική της θωράκιση. Ασφάλεια. Το οπτικό σήμα εφ όσον περιορίζεται αυστηρά μέσα στον πυρήνα της οπτικής ίνας, δεν διατρέχει κίνδυνο υποκλοπής εκτός κι αν υπάρχει πρόσβαση στον πυρήνα, κάτι που όμως γίνεται εύκολα αντιληπτό. Πολύ χαμηλές απώλειες μετάδοσης. Τυπική τιμή αποτελούν τα 0.2dB/km, η οποία είναι εξαιρετικά χαμηλότερη των απωλειών των χάλκινων καλωδίων. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης. Ευελιξία και αντοχή. Παρά το γεγονός ότι οι οπτικές ίνες είναι κατασκευασμένες από γυαλί, έχουν πολύ μεγάλη ευκαμψία, καθώς και αντοχή σε εφελκυσμό. Το μικρό βάρος και όγκος δίνει ένα σημαντικό συγκριτικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα χάλκινα καλώδια. Αξιοπιστία και ευκολία συντήρησης. Η προσδοκώμενη διάρκεια ζωής ορίζεται στα 20 με 30 χρόνια. Αυτό έχει να κάνει με την απουσία ηλεκτρικών σε συνδυασμό με την αυξημένη αξιοπιστία των οπτικών εξαρτημάτων. Εν δυνάμει χαμηλό κόστος. Πλέον, το κόστος των οπτικών καλωδίων προσεγγίζει αυτό των μεταλλικών καλωδίων, αλλά ακριβά παραμένουν τα λοιπά εξαρτήματα που είναι απαραίτητα για τη μετάδοση φωτός. Λαμβάνοντας υπόψη όμως το τεράστιο προσφερόμενο εύρος ζώνης, προκύπτει πως το κόστος τους είναι σχετικά χαμηλό. Υπάρχουν βέβαια και κάποια μειονεκτήματα που αναστέλλουν την ευρεία χρήση οπτικών ινών. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, το κόστος των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων (όπως τα laser και οι φωτοανιχνευτές) των βοηθητικών για τη λειτουργία ενός συστήματος οπτικών ινών, είναι σχετικά υψηλό, ειδικά αν γίνεται χρήση οπτικών ινών σε μικρές αποστάσεις. Ακόμη ένα σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η δυσκολία δημιουργίας διακλαδώσεων και συνδέσεων, καθώς απαιτείται βέλτιστη προσαρμογή και ευθυγράμμιση ώστε να μην υπάρχει διασπορά και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες. Χαρακτηριστικά, ακόμη και μικρές αποκλίσεις στην ευθυγράμμιση μπορούν να προκαλέσουν υψηλές απώλειες του φωτεινού σήματος. Συμπερασματικά, εύκολα μπορεί κάποιος να αντιληφθεί τους λόγους που οι οπτικές ίνες γίνονται ολοένα και πιο διαδεδομένες για μετάδοση δεδομένων, λαμβάνοντας υπόψη τα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με τα τυπικά χάλκινα καλώδια. 23

2.6 Παραδείγματα χρήσης οπτικών ινών Στο σημείο αυτό, θα δοθούν κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα όπου γίνεται χρήση οπτικών ινών. Τα καλώδια οπτικών ινών, τα οποία συνήθως περιέχουν δεσμίδες οπτικών ινών, χρησιμοποιούνται κυρίως από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς για επίγειες και υποθαλάσσιες συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, αντικαθιστώντας τόσο τις γραμμές ομοαξονικών καλωδίων, όσο και τις επίγειες και δορυφορικές μικροκυματικές ζεύξεις. Τα τελευταία χρόνια έχουν ποντισθεί πολλά καλώδια οπτικών ινών με χωρητικότητα η οποία ξεπερνά τα 30.000 κυκλώματα φωνής, για τη διασύνδεση ηπείρων. [12] Τέτοια παραδείγματα αποτελούν: Το καλωδιακό σύστημα SEA-ΜΕ-WE 3 (South East Asia - Middle East - West Europe), που ξεκινά από τη Δυτική Ευρώπη (Γερμανία, Μεγ. Βρετανία), περνά από τα στενά του Γιβραλτάρ στη Μεσόγειο (Ιταλία, Ελλάδα, Κύπρο) συνεχίζει από τα στενά του Σουέζ προς την Ασία (Ινδία, Σιγκαπούρη) και χωρίζεται σε δύο μέρη, με το ένα άκρο να καταλήγει στην Ιαπωνία και το άλλο στην Αυστραλία (η πορεία του απεικονίζεται στην εικόνα 2.26). Έχει μήκος 39000km και είναι το μεγαλύτερο στον κόσμο. Οι ρυθμοί μετάδοσης φτάνουν τα 0.96Τbit/s και η κατασκευή του ολοκληρώθηκε το 2000. [15] Εικόνα 2.26 - Πορεία του SEA-ME-WE 3 [15] Το υποβρύχιο καλώδιο BSFOCS (Black Sea Fiber Optics Cable System), που εκτείνεται στην περιοχή της Μαύρης θάλασσας και συνδέει τη Βουλγαρία, Ουκρανία και Ρωσία (εικόνα 2.27). Έχει μήκος 1300km, ικανότητα μετάδοσης 20Gbit/s και λειτούργησε για πρώτη φορά τον Σεπτέμβριο του 2001. [16] Εικόνα 2.27 Πορεία του BSFOCS [16] 24

Το καλώδιο ADRIA-1 που εκτείνεται στην Αδριατική θάλασσα με ελληνική ανάμιξη και συνδέει την Ελλάδα (Κέρκυρα), την Αλβανία (Durres) και την Κροατία (Dubrovnik). [17] Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται, επίσης, από ιδιωτικές εταιρίες σε τοπικά δίκτυα, σε πανεπιστημιακά δίκτυα κορμού, σε δίκτυα ευρείας περιοχής, σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης, σε εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε ασφάλεια μετάδοσης, όπως οι στρατιωτικές και τέλος σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπου υπάρχει υψηλός βιομηχανικός θόρυβος στον οποίο οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν ανοσία, όπως άλλωστε ήδη έχει αναφερθεί. [12] 2.7 Σύστημα οπτικών ινών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων Σε αυτό το σημείο, θα γίνει αναφορά στο υπάρχον σύστημα οπτικών ινών του εργαστηρίου υψηλών τάσεων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, το οποίο απεικονίζεται στην εικόνα 2.28. Εικόνα 2.28 Δέκτης, πομπός και καλώδιο οπτικής ίνας της εταιρίας TELEMETER [18] Το σύστημα οπτικών ινών είναι της γερμανικής εταιρίας TELEMETER ELECTRONIC, και αποτελείται από τα εξής: Πομπός οπτικού σήματος (laser δίοδος) APO 0251000-DFB-TX-M Δέκτης οπτικού σήματος APO 0251000-RX-M Μονόρυθμη οπτική ίνα Οpt.Verbindungskabel, 25m (2xE9/125) 2 τροφοδοτικά Geregeltes Netzteil 12V/1250mA Αξιοπρόσεκτα χαρακτηριστικά για το σύστημα αυτό των οπτικών ινών είναι τα εξής: το εύρος ζώνης του συστήματος εκτείνεται από τα 25kHz μέχρι και τα 1000MHz, με το μεταφερόμενο οπτικό σήμα να είναι μήκους κύματος 1310nm. Οι ονομαστικές τιμές χαρακτηριστικής αντίστασης εισόδου σε πομπό και δέκτη είναι 50Ω, ο πομπός του οπτικού σήματος έχει τη δυνατότητα να δέχεται σήματα μέχρι και 5V, ενώ οι σύνδεσμοι της οπτικής 25

ίνας είναι τύπου FC. Τέλος, τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης έχουν τάση τροφοδοσίας 12V DC, γεγονός που επιτρέπει, εκτός της τροφοδοσίας από πρίζα χαμηλής τάσης 230V AC μέσω τροφοδοτικών, την απ ευθείας τροφοδοσία από μπαταρία και άρα την πλήρη ηλεκτρική απομόνωση του συστήματος οπτικών ινών και άρα του χειριστή από την υψηλή τάση. Αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος οπτικών ινών του εργαστηρίου δίνονται στο παράρτημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στο τμήμα 7.1. 26

3 Κατασκευή βαθμίδας απομόνωσης (buffer) Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλυθεί η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την κατασκευή της βαθμίδας απομόνωσης (που από εδώ και πέρα θα καλείται buffer όπως είναι ευρέως γνωστό), δηλαδή η υλοποίηση της ηλεκτρονικής πλακέτας. Ο λόγος για τον οποίο κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη μιας τέτοιας ηλεκτρονικής διάταξης, είναι η απομόνωση της εξόδου της εκάστοτε πειραματικής διάταξης από τον πομπό των οπτικών ινών. Έτσι, η διάταξη δεν επηρεάζει σε καμία περίπτωση το σύστημα οπτικών ινών που χρησιμοποιείται για την μέτρηση. Η χρήση μιας τέτοιας βαθμίδας χρησιμοποιείται σε αρκετές εφαρμογές όπου γίνεται μέτρηση μέσω συστήματος οπτικών ινών. [19-20] Αρχικά, θα καθορισθούν τα κριτήρια τα οποία πρέπει να πληροί το ολοκληρωμένο κύκλωμα (integrated circuit, IC) ώστε να έχει τη δυνατότητα να ανταποκριθεί στα σήματα ταχέων τάσεων. Σύμφωνα με αυτά τα κριτήρια θα επιλεγεί συγκεκριμένο IC το οποίο και θα αποκτηθεί. Στη συνέχεια (τμήμα 3.2), θα αποδειχθεί με χρήση του λογισμικού OrCAD Capture ότι η επιλογή του συγκεκριμένου IC οδηγεί σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα (παρουσιάζεται στο τμήμα 3.2.2) το οποίο όντως έχει τα χαρακτηριστικά για τα οποία σχεδιάστηκε και άρα το σήμα εισόδου περνά αναλλοίωτο στην έξοδο όπως φαίνεται στις κυματομορφές του τμήματος 3.2.3. Τέλος, θα παρουσιαστεί βήμα προς βήμα η δημιουργία του τυπωμένου κυκλώματος (PCB design), η οποία έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού OrCAD Layout. Μετά και τη σχεδίαση του PCB και την αποστολή του σε κατάλληλο τεχνικό, έλαβε χώρα η δημιουργία της πλακέτας, ενώ στη συνέχεια με τη βοήθεια του κ. Δημήτρη Ζιάκα, τοποθετήθηκαν πάνω της τα ηλεκτρονικά στοιχεία. Τέλος, η πλακέτα τοποθετήθηκε εντός μεταλλικού κουτιού το οποίο θα είναι έτοιμο για χρήση εντός του εργαστηρίου υψηλών τάσεων, οι οποίες ενέργειες περιγράφονται κατά το δυνατόν με φωτογραφίες στο τμήμα 3.4. 3.1 Επιλογή κατάλληλου ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) Για την ορθή επιλογή του IC, λήφθηκε υπόψη η μορφή των τάσεων που θα θέλαμε να καταγραφούν, οι οποίες είναι πολύ ταχείες τάσεις. Αυτό το γεγονός, επιβάλλει την επιλογή IC με μεγάλο ρυθμό ανόδου (slew rate) καθώς και μεγάλου εύρους ζώνης (bandwidth). Φυσικά, λόγω της βασικής απαίτησης για απομόνωση του καταμεριστή με το σύστημα οπτικών ινών, θα πρέπει η βαθμίδα απομόνωσης, και άρα το IC να έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου. [21-23] Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά και έχοντας στο νου ότι η χρήση του IC θα πρέπει να προορίζεται για την υλοποίηση buffer, επιλέχθηκε το LMH6559 της εταιρίας National. Συγκεκριμένα, το LMH6559, έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Slew rate 4580V/μs Small signal bandwidth 1750MHz Input Resistance 200kΩ Αναλυτικά, το τεχνικό φυλλάδιο του LMH6559 δίνεται στο παράρτημα (τμήμα 7.2). 27

3.2 Σχεδιασμός κυκλώματος του buffer Για τον σχεδιασμό του κυκλώματος του buffer, αρχικά στρέφουμε την προσοχή μας στο τυπικό κυκλωματικό διάγραμμα το οποίο παρέχεται στο τεχνικό φυλλάδιο του ολοκληρωμένου κυκλώματος που επιλέχθηκε, και για ευκολία επισκόπησης παρατίθεται στην παρακάτω εικόνα 3.1. Εικόνα 3.1 Τυπικό σχηματικό διάγραμμα του buffer [24] Όπως άλλωστε δηλώνεται, αυτό είναι ένα τυπικό κύκλωμα και ως εκ τούτου αποτελεί απλά την βάση για τη σχεδίαση του κυκλώματος του buffer το οποίο θα προσφέρεται για σήματα κρουστικών τάσεων. Το τελικό κυκλωματικό διάγραμμα θα αναλυθεί στη συνέχεια, τόσο στο τμήμα 3.2.1 όσο και στο 3.2.3. Στο τμήμα 3.2.1 δίνεται το σχηματικό διάγραμμα για να υπάρχει πιο εύκολη εποπτεία του κυκλώματος, καθώς και δίνονται κάποιες βασικές διευκρινήσεις για την δομή του. Στο τμήμα 3.2.2 παρουσιάζεται και αναλύεται η δημιουργία του κυκλώματος με μορφή κώδικα. Η χρήση κώδικα, αν και είναι δύσχρηστη, γίνεται έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί το αρχείο της National που περιγράφει πλήρως τη λειτουργία του LMH6559 και άρα να γίνει σωστά η προσομοίωση του κυκλώματος του buffer. Τέλος, στο τμήμα 3.2.3 παρουσιάζονται οι κυματομορφές συχνοτικής απόκρισης, καθώς και κυματομορφές εισόδου/εξόδου για είσοδο ταχέων τετραγωνικών παλμών, ώστε να πιστοποιηθεί θεωρητικά η σωστή επιλογή του IC και κατ επέκταση του ηλεκτρονικού κυκλώματος που θα υλοποιηθεί. Επίσης δίνονται και βοηθητικές κυματομορφές τάσεων σε σημαντικούς κόμβους ώστε να γίνει αντιληπτή η λειτουργία του κυκλώματος. 3.2.1 Σχηματικό διάγραμμα Η σχεδίαση έγινε με το πρόγραμμα OrCAD Capture της εταιρίας Cadence. Χρησιμοποιήθηκαν οι βιβλιοθήκες του για όλα τα στοιχεία του κυκλώματος εκτός από κομμάτι του ολοκληρωμένου. Για αυτό, η κατασκευάστρια εταιρία (National) παρέχει το 28

πρόγραμμα Ultra Librarian, μέσω του οποίου δημιουργείται μία νέα βιβλιοθήκη που περιέχει το χρησιμοποιούμενο ολοκληρωμένο LMH6559 από το αρχείο IBIS model LMH6559.MOD (http://www.national.com/analog/amplifiers/spice_models). Τα στοιχειά που απαιτούνται για την υλοποίηση του buffer διαφέρουν από το παραπάνω τυπικό διάγραμμα (εικόνα 3.1). Τελικά για το κύκλωμα που σχεδιάστηκε χρειάζονται: 1 ολοκληρωμένο κύκλωμα LMH6559 MA 2 αντιστάσεις R2,R3 των 100kΩ 1 αντίσταση RFO η οποία προσομοιώνει την χαρακτηριστική αντίσταση του πομπού των οπτικών ινών και εδώ μπορεί να χαρακτηριστεί ως «αντίσταση φορτίου» και μετρήθηκε 84Ω 1 πυκνωτή C1 των 100μF 1 πυκνωτή C2 των 10nF 1 πυκνωτή C3 των 10mF 1 πηγή συνεχούς τάσης V2 των 12V 1 πηγή AC Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος προς υλοποίηση φαίνεται στην εικόνα 3.2: C2 0 V2 12 C1 R2 100k 10n 0 1 2 3 4 V+ NC NC_1 IN U1 LMH6559MA V- NC_2 NC_3 OUT 5 6 7 8 0 C3 1Vac 0Vdc V4 100u R3 100k 10m RFO 84 0 0 Εικόνα 3.2 Σχηματικό διάγραμμα του buffer στο PSpice 0 Ακολουθεί η ανάλυση του παραπάνω κυκλώματος. Το κύκλωμα του buffer αποτελείται από τις αντιστάσεις R2 και R3, τους πυκνωτές ζεύξης C1 και C3, τον πυκνωτή C2 καθώς και το ολοκληρωμένο κύκλωμα LMH6559. O πυκνωτής C2 χρησιμοποιείται ώστε να φιλτράρει την DC τάση της πηγής από πιθανές αυξομειώσεις, που θα δημιουργούσαν προβλήματα στη λειτουργία του ολοκληρωμένου. Ο πυκνωτής C1 χρησιμοποιείται έτσι ώστε να προσδοθεί μία DC συνιστώσα στην τάση εισόδου, σύμφωνα με την οποία η λειτουργία του ολοκληρωμένου είναι βέλτιστη (θα γίνει εμφανές στο τμήμα 3.2.3, όπου θα δοθούν κυματομορφές στην είσοδο και έξοδο του IC). Αυτή η DC συνιστώσα προέρχεται από τον διαιρέτη της τάσης τροφοδοσίας των 12V, πάνω στις αντιστάσεις R2 και R3. Η DC συνιστώσα αυτή έχει οδηγηθεί στον κόμβο 4, όπου με χρήση του πυκνωτή C1 αυξάνει την 29

τάση εισόδου κατά 5.8783V. Στην έξοδο του ολοκληρωμένου υπάρχει ο πυκνωτής C3, ώστε να αποκόπτεται η DC συνιστώσα της τάσης εξόδου. Περισσότερο κατανοητό θα γίνει αυτό στο τμήμα 3.2.3, όπου θα παρουσιαστούν οι κυματομορφές πριν και μετά τους πυκνωτές. Συνεχίζοντας την ανάλυση του παραπάνω κυκλώματος, γίνεται χρήση μόνο των τεσσάρων ακροδεκτών του ολοκληρωμένου, καθώς οι άλλοι τέσσερις έχουν επισημανθεί ως NC (Not Connected). Εξωτερικά το κύκλωμα τροφοδοτείται από μπαταρία 12V. Η τάση στην οποία υποβάλλεται το κύκλωμα είναι μία τυπική AC πηγή πλάτους 1V ώστε να εκτιμηθεί η απόκρισή του στη συχνότητα. Αξίζει να επισημανθεί ότι κανονικά θα έπρεπε να ληφθεί υπόψη και η χαρακτηριστική αντίσταση Z o =50Ω των καλωδίων που συνδέουν είσοδο και έξοδο του buffer, αλλά λόγω του μικρού τους μήκους (<0.5m), θεωρείται αμελητέα. Τέλος, η αντίσταση εισόδου του πομπού μετρήθηκε 84Ω, η οποία στο σχηματικό διάγραμμα αναφέρεται ως RFO. 3.2.2 Κώδικας Έχοντας ως «οδηγό» το σχηματικό διάγραμμα που παρουσιάστηκε στο τμήμα 3.2.1, δημιουργείται πλέον το ίδιο κύκλωμα με μορφή κώδικα. Αυτό είναι που τελικά θα προσομοιωθεί και θα δώσει τις κυματομορφές που πιστοποιούν την ορθή λειτουργία του. O κώδικας για την υλοποίηση του buffer για εξακρίβωση της συχνοτικής του απόκρισης έχει ως εξής: **** V_Vac in 0 AC 1 V_V2 1 0 DC 12 C_C1 in 4 100u C_C2 1 0 10n C_C3 8 out 10m R_R2 1 4 100k R_R3 4 0 100k R_RFO out 0 84 X_LMH6559 4 1 0 8 LMH6559.AC DEC 100 1 5G.PROBE 30

.SUBCKT LMH6559 4 1 5 8 Q21 5 9 10 QPB 2 R91 11 12 1 Q22 1 13 12 QNB 2 R92 10 11 1 Q25 14 4 15 QNI Q26 16 4 17 QPI R100 18 15 1 R101 17 19 1 R102 11 20 0.5 E8 21 11 12 11 10 E9 11 22 11 10 10 R103 23 21 100 R104 24 22 100 Q31 25 23 11 QNB Q32 26 24 11 QPB D1 13 25 DD D2 26 9 DD C5 20 0 0.1P L3 20 8 6E-9 R105 20 8 100 C8 4 0 1.6E-12 Q33 27 19 28 QNB Q34 29 18 30 QPB Q35 13 13 31 QNB Q36 9 9 31 QPB Q37 13 27 14 QPB Q38 27 27 14 QPB Q39 9 29 16 QNB Q40 29 29 16 QNB R119 32 28 1 R120 30 32 1 Q59 18 33 16 QNS Q60 33 33 16 QNS Q61 19 34 14 QPS 31

Q62 34 34 14 QPS R138 35 34 5E3 I1 34 33 0.45E-3 R139 32 11 37 C14 32 0 1.5E-12 E16 36 0 35 0 1 R141 33 35 5E3 R142 36 4 300E3 R143 0 36 1E9 C16 32 11 3E-12 E21 14 1 37 5-0.121 E22 5 16 37 5-0.121 V8 1 37 4.5 R144 5 37 1E9 I2 4 36 3E-6.MODEL DD D RS=5 TT=0.5N CJO=0.35E-12.MODEL QPS PNP VAF=40.MODEL QNS NPN VAF=40.MODEL QNB NPN + RE=0.5 IS =1.880E-15 BF =1.810E+02 NF =1.0 VAF=8.457E+01 + IKF=6.800E-02 ISE=2.620E-16 NE =1.197E+00 BR =3.971E+01 + NR =1.0 VAR=1.696E+00 IKR=3.513E-01 ISC=1.348E-18 + NC =1.7 RB =8 RC =3.738E+00 CJE=282E-15 VJE=7.973E-01 + MJE=9.0E-01 TF =1.871E-12 XTF=1.873E+01 VTF=4.825E+00 + ITF=5.278E-01 PTF=0.0 CJC=612E-15 VJC=8.046E-01 + TR=1.3E-9 CJS=0.015E-12 IRB=1.0E-3 RBM=3.5 + MJC=9.0E-01 XCJC=0.8 MJS=9E-01 KF=165F AF=1 + FC =9.765E-01.MODEL QPB PNP + RE=0.5 IS =1.880E-15 BF =1.810E+02 NF =1.0 VAF=8.457E+01 + IKF=6.800E-02 ISE=2.620E-16 NE =1.197E+00 BR =3.971E+01 + NR =1.0 VAR=1.696E+00 IKR=3.513E-01 ISC=1.348E-18 + NC =1.7 RB =8 RC =3.738E+00 CJE=282E-15 VJE=7.973E-01 + MJE=9.0E-01 TF =1.871E-12 XTF=1.873E+01 VTF=4.825E+00 + ITF=5.278E-01 PTF=0.0 CJC=612E-15 VJC=8.046E-01 32

+ TR=1.3E-9 CJS=0.015E-12 IRB=1.0E-3 RBM=3.5 + MJC=9.0E-01 XCJC=0.8 MJS=9E-01 KF=165F AF=1 + FC =9.765E-01.MODEL QNI NPN + RE=0.5 IS =1.880E-15 BF =1.810E+02 NF =1.0 VAF=8.457E+01 + IKF=6.800E-02 ISE=2.620E-16 NE =1.197E+00 BR =3.971E+01 + NR =1.0 VAR=1.696E+00 IKR=3.513E-01 ISC=1.348E-18 + NC =1.7 RB =8 RC =3.738E+00 CJE=282E-15 VJE=7.973E-01 + MJE=9.0E-01 TF =1.871E-12 XTF=1.873E+01 VTF=4.825E+00 + ITF=5.278E-01 PTF=0.0 CJC=612E-15 VJC=8.046E-01 + TR=1.3E-9 CJS=0.015E-12 IRB=1.0E-3 RBM=3.5 + MJC=9.0E-01 XCJC=0.8 MJS=9E-01 KF=165F AF=1 + FC =9.765E-01.MODEL QPI PNP + RE=0.5 IS =1.880E-15 BF =1.810E+02 NF =1.0 VAF=8.457E+01 + IKF=6.800E-02 ISE=2.620E-16 NE =1.197E+00 BR =3.971E+01 + NR =1.0 VAR=1.696E+00 IKR=3.513E-01 ISC=1.348E-18 + NC =1.7 RB =8 RC =3.738E+00 CJE=282E-15 VJE=7.973E-01 + MJE=9.0E-01 TF =1.871E-12 XTF=1.873E+01 VTF=4.825E+00 + ITF=5.278E-01 PTF=0.0 CJC=612E-15 VJC=8.046E-01 + TR=1.3E-9 CJS=0.015E-12 IRB=1.0E-3 RBM=3.5 + MJC=9.0E-01 XCJC=0.8 MJS=9E-01 KF=165F AF=1 + FC =9.765E-01.ENDS Αναλύοντας τον κώδικα, η εντολή V_Vac in 0 AC 1 είναι η AC πηγή σύμφωνα με την οποία ελέγχεται η απόκριση του buffer και έχει πλάτος 1V. Η εντολή.ac DEC 100 1 5G έχει να κάνει με την ανάλυση που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση, όπου εδώ επιλέγεται να γίνει ανάλυση συχνότητας (AC analysis), λογαριθμικά ανά δεκάδες, με 100 σημεία σε κάθε δεκάδα, από 1Hz έως και τα 5GHz. Η εντολή.probe έχει να κάνει με την αποθήκευση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης σε συγκεκριμένο αρχείο δεδομένων (data file). Οι υπόλοιπες εντολές είναι απλές και χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν τους κόμβους στους οποίους συνδέεται κάθε στοιχείο. Είναι εύκολο να γίνουν αντιληπτές έχοντας ως «οδηγό» το σχηματικό διάγραμμα που παρουσιάστηκε στο τμήμα 3.2.1. Στο τέλος, υπάρχει το υποκύκλωμα του ολοκληρωμένου κυκλώματος με τίτλο.subckt LMH6559 4 1 5 8, που αποτελεί και το μεγαλύτερο κομμάτι του κώδικα, όπως αυτό δίνεται από την εταιρία National που το κατασκευάζει, με σκοπό την χρήση του σε προσομοίωση. 33