有源器件 百科内容来自于: 百度百科

如果电子元器件工作时,其内部有电源存在,则这种器件叫做有源器件。这是一种电子元件,不需要能量的来源而实行它特定的功能。从物理结构、电路功能和工程参数上,有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。

简介

有源器件

有源器件

简单的讲就是需能(电)源的器件叫有源器件。有源器件一般用来信号的放大、转换等。
有源器件(active devices,主动元件),是一种电子元件,需要能量来实行他特定的功能。
有源器件的基本定义:
如果电子元器件工作时,其内部有电源存在,则这种器件叫做有源器件。

特点

(1) 自身也消耗电能。
(2) 除了输入信号外,还必须要有外加电源才可以正常工作。

分类

电子管

电路图

电路图

子管又名真空管,所以又称为电真空器件。
电子管电子管不论二极还是多极,它都有阳极和阴极,阴极在外加电源的作用下,发射电子向阳极流动。外加电源可以直接加在阴极上,也可以加在另外的加热灯丝上。就是因为这个外加电源的存在,而统称为有源器件。电子管是最早的有源电子元件,分二极管、三极管与多极管。随着电子技术的发展,电子管因其体积大、重量重、耗电大等等缺点,而先后让位给晶体管和集成电路。但是,在许多场合电子管继续发挥作用。例如:大功率发射机的末级功率放大;各类显示器的显示管;电视机的显像管等。

晶体管

电路图

电路图

属于半导体器件。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。如硅、锗晶体都属于半导体。所以用这些晶体材料做成的电子器件,称为晶体管。它分晶体二极管和晶体三极管,其中晶体二极管属于无源器件,晶体三极管则属于有源器件。
晶体管晶体二极管导体材料按导电特性可分为P型和N型两种,这两种半导体结合的介面称为PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。P区为正极,N区为负极。二极管的单向导电性,是二极管的最重要的特性:正向导通、反向截止。二极管的主要用途是整流、检波及需要单向导通的电路。晶体三极管是电子线路的核心元件之一,尤其是在最基本的电路放大路中广泛应用。晶体三极管由两个PN结组成。两个P型加一个N型的叫PnP型;两个N型加一个P型的叫NpN型。晶体三级管的重要参数是它的电流放大倍数B,其大小范周可从几倍到几百倍。晶体管中还有两种特殊管子,它们是晶闸管和场效应管,晶闸管原称可控硅。它的特点是用小信号控制大信号,其大小可达几百倍。最常用的是可控硅整流和电路保护。场效应管是一种电压控制元件,其输出电流取决于输入电压的大小。其输入阻抗很高,放大失真小,所以被广泛应用于放大和数字电路中。

集成电路

电路顾名思义是将有源器件和无源器件及连接线等集中制造在一个很小的硅片上,再经引线和封装,形成一个有预定功能的微型整体。(符号为IC)。集成电路的优点是体积小、寿命长、成本低、可靠性高性能好。当前集成电路及大规模集成电路越来越被广泛的应用。

组成

有源器件

有源器件

(1)集成运算放大器(operation amplifier),简称集成运放
(2) 比较器(comparator)
(3) 对数和指数放大器
(4) 模拟乘/除法器(multiplier/divider)
(5) 模拟开关电路(analog switch)
(6) PLL电路(phase lock loop),即锁相环电路
(7) 集成稳压器(voltage regulator)
(8) 参考电源(reference source)
(9) 波形发生器(wave-form generator)
(10) 功率放大器(power amplifier)
3.数字集成电路器件
(1) 基本逻辑门(logic gate circuit)
(2) 触发器(flip-flop)
(3) 寄存器(register)
(4) 译码器(decoder)
(5) 数据比较器(comparator)
(6) 驱动器(driver)
(7) 计数器(counter)
(8) 整形电路
(9)可编程逻辑器件(PLD)
(10) 微处理器(microprocessor,MPU)
(11)单片机(Microcontroller,MCU)
(12) DSP器件(Digital signal processor,DSP)

光有源器件

光纤激光器

有源器件分析图

有源器件分析图

光纤通信中主要应用半导体激光器作为光源,近年来随着光纤及其相关技术的深入发展,光纤激光器(FI,)的研发正成为光电子技术等领域内一个热点。光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、设计简单、输出光束质量好、散热表面大、阂值低、高可靠性等优点。可以根据谐振腔结构、增益介质、输出波长、激光模式、掺杂元素、工作机制、光纤结构等加以分类。如果以泵浦抽运方式来分,可以分为纤芯端面泵浦(coreendpumping)(单包层结构)、包层端面泵浦(claddingendpumping)(双包层结构)和包层侧面泵浦(claddingsidepumping)(光纤结构)光纤激光器三大类。
单包层结构的光纤激光器是最早研究的一类光纤激光器,可以追溯到60年代。采用的增益材料有掺NdzO:的硅酸盐系玻璃、掺钦石英光纤、掺稀土的石英光纤、氟化物玻璃光纤等,激光输出功率在毫瓦到瓦量级,激光波长在0.48^-2.7pm范围内。双包层结构光纤激光器(DCFIL)是80年代末发展起来的一类光纤激光器,是目前的研发重点和热点。由于泵浦方式的改变,这类光纤激光器的激光输出功率明显提高,已能达到数瓦到近百瓦量级的输出光功率,使用的增益光纤有掺稀土元素(如Er'十、Yb3十、Nd3+等)的石英光纤、掺稀土元素的氟化物(ZBLAN)玻璃光纤、光子晶体光纤(PCF)等。为了提高输出功率,设计出了对称圆形、偏心圆形、D形、矩形、六边形、梅
花形等内包层结构,其中以长方形内包层结构转换效率最高。巳有饵-共掺双包层光纤激光器输出功率达103W、波长为1565nm的报道,以及锁模掺饵光纤激光器脉冲宽度已达3fs的报道,这些都为全光纤高速通信的实现打下了基础。目前该类光纤激光器从成熟的光纤通信领域向工业加工、医学、印刷业、国防等激光应用领域扩展。
光纤结构光纤激光器是近年来提出的泵浦新方法,实际上它是包层端面泵浦方式的一种改进,它从包层侧面射入抽运光,从而构成了“任意形状”光纤激光器概念,使千瓦级的高功率光纤激光器得以实现。现在已有输出功率达2000W,激射波长为1.060um的掺德(Yb)石英光纤激光器产品。包层侧面泵浦也有多种方式,如V型槽侧面泵浦、全拼接侧面泵浦、光纤束侧面泵浦等。采用光学相位阵列(OPA)技术可以得到高能的光纤脉冲激光,这种光纤激光器在激光武器系统、光电对抗、激光有源干扰等国防、军事领域有着十分重要的应用,美国德国等已有相应的军用高功率光纤激光器研制计划和实施项目。现在已研发的光纤激光器的谐振腔腔形结构主要有法布里一拍罗(F-P)腔、环行腔、v形腔,8字形腔、福克斯一史密斯(Fox-Smith)腔以及一些复合腔等。光纤激光器是一类新型的激光器,光纤激光器的研究与开发将把包括光纤通信在内的光纤及其相关技术推进到一个新高度,与半导体激光相比,至少在结构上,光纤激光器与光纤通信系统和网络藕合匹配程度更好。
光纤激光器是全光纤化的光源,它将逐渐成为光纤通信领域重要的候选光源。此外,无谐振腔的超荧光光纤光源(SFS)、光子晶体光纤激光器(PCFL)等也是近期活跃的研究课题之一。掺饵光纤放大器(EDFA)的研发成功是80-90年代光纤通信领域内一项重大的技术突破,具有十分重要的意义。近年来,随着光纤放大器技术的不断完善和发展以及与WDM技术的融合,光纤通信的长(超长)距离、(超)大容量、(超)高速、密集波分复用(DWDM)等正成为国际上长途高速光纤通信、越洋光纤通信等领域的主要技术发展方向。

光纤放大器

光纤放大器有掺杂光纤放大器(掺稀土元素,如EDFA,PDFA,YDFA等),非线性光纤放大器(喇曼光纤放大器(RFA)、布里渊光纤放大器(BFA)、光纤参量放大器(OPA)等),塑料光纤放大器(POFA),掺饵光波导放大器(EDWA)等之分。主要技术指标有带宽特性、噪声特性、增益特性等。EDFA是最早开发,目前应用最广泛并且已完全商用化的光纤放大器,具有高增益、大功率、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关、对数据速率与格式透明、插损小、多信道放大串扰低等特点。泵浦光波长主要是980nm(三能级系统)和1480nm(二能级系统),泵浦方式有同向、反向、双向等三种基本方式;EDFA的级联可构成多级EDFA系统。普通的石英基EDFA工作波段在1535-1565nm(G波段),一般增益可达30dB以上,增益带宽为20^-40nm,输出功率为+20dBm左右,噪声系数(NF)小于5dB,EDFA可用于线路(中继)、功率、前置,LAN等形式的放大。为了进一步提高EDFA的性能,可以在硅(Si)基掺饵玻璃光纤中加人其它掺杂元素。例如掺铝(Al),衫(Sm),德(Yb)、氮(N)、磷(P)、锑(Bi)等,以改善放大器的增益带宽和平坦化特性。近期用于L带的氟基掺饵光纤放大器(F-EDFA),蹄基掺饵光纤放大器(Te-EDFA),秘基掺饵光纤放大器(Bi-EDFA)等以及在氟化物玻璃光纤、硅酸盐玻璃光纤、磅酸盐玻璃光纤中掺铭(Tm)等,用于S带的掺铁光纤放大器(TDFA)成为光纤放大器的研究热点。掺钦光纤放大器(NDFA)和掺饵光纤放大器(PDFA)可以工作在1310nm波长,对提高和改进现有光纤通信系统的性能具有重要的现实意义。NDFA和PDFA都是以掺钦(Nd)和掺错(Pr)氟玻璃光纤作为放大增益介质,但NDFA由于放大自发辐射(ASE)限制因素,不易做高增益的1310nm放大器,泵浦波长795nm;PDFA放大效率低、工作不稳定,已研制出最大增益为40dB、噪声系数(NF)为5dB,输出功率为+20dBm的PDFA,NDFA和PDFA的结构性能和可靠性等还有待进一步的改善和提高,以利于完全的商用化。喇曼光纤放大器(RFA)应用了光纤中的喇曼效应来实现光信号放大。
RFA最主要的优点是噪声系数小、全波段可放大、对温度不敏感、在线放大等。RFA有分立式和分布式之分,以适应不同的需求。分立式RFA主要采用拉曼增益高的特种光纤(如高掺锗(Ge)光纤等),长度约1一2km,泵浦功率几瓦,泵浦波长1.06um激光产生的三级斯托克斯(Stakes)线可泵浦放大1.3t.m波长的光信号;1.55rlm波长的光纤通信系统可使用1.48t.m泵浦激光。分立式RFA可产生40dB以上的小信号增益,饱和输出功率+25dBm左右,作为高增益、大功率放大,主要用在需要高增益、易于控制的通信系统中。分布式RFA直接用传输光纤作为放大增益介质,具有分布式放大、噪声系数小、利用系统升级等特点,主要作为光纤系统分布式补偿放大,可以用在远程泵浦、宽带、远距离的1.3pm和1.55f4m光纤传输系统和网络中。RFA的噪声系数(NF)比EDFA明显要小,分布式RFA的NF一般在0.5一1dB之间。RFA相对于EDFA在宽带特性、增益特性、光信噪比(QSNR)和配置灵活性方面都具有明显的优势,更适合大容量、高速率和远距离的传输系统和网络。另外,已出现RFA和EDFA相结合,构成混合式光纤放大器(HFA)的趋势,HFA吸收了RFA和EDFA的长处,进一步提升了光纤放大器的性能。

全光波长变换器

光纤通信系统和网络的密集波分复用(DWDM)是当前光纤通信技术发展的方向之一,由于光通信波长资源的有限,全光波长变换器(AOWC)在全光网络中将成为不可缺少的关键性器件之一。A{?WC技术可以解决光纤通信网络中波长竞争、路由选择、降低网络阻塞、提高网络的灵活性和利用率、扩大网络容量、改善网络的运行、管理和控制水平。AOWC具有变换速率快(10Gbitjs以上)、对比特率和光信号形式透明、变换范围大、偏振不敏感、有利于避免光电转换的“电子瓶颈”效应,可以实现不同光网络之间的波长配匹和优化,增强网络的可靠性和生存性等特性。目前已提出了多种AOWC方案,如光波导型、半导体光放大器(SOA)型、激光器(LD)型和其它类型等,其分类见表3所示,每种方案各有不同的优缺点。AWOC有波长变换范围、变换效率、变换速率、消光比、信噪比、偏振敏感性等多项技术指标。从目前的变换速率来看,SOA-XPM-AOWC和SOAXGM-AOWC可达40Gbit/s,这两种AOWC是近期的研究热点;XAM-AOWC的变换速率在20-40Gbit/s之间;光纤型NOLM-AOWC具有Tbit/s量级的变换潜力,正受到人们的关注;而FWM-AOWC的速率在100Gbit/s以上,并且是唯一能对输人信号进行透明变换的AOWC,具有广阔的发展前景。

作用

依赖电源作为基本工作条件来完成自身正常工作的设备均为有源器件,它主要是前端设备、传输网络中的放大器、过流分支分配器、馈电放大器和光发射机、接收机等。而放大器是接入网中用得最多、最广泛的有源器件,它的作用是当电视信号从电缆中传输一定距离后,因电缆的传输衰减特性,使电视信号越耒越低,当低到规定电平时,必须再加一只放大器,将信号放大后再往下传送。起到信号放大作用和向远距离传送电视信号的目的。

维修

前端设备故障

雷击时因供电线路产生较高的意外感应过电压对前端设备的供电电源、接收设备的高频头和卫星接收机、前端调制、混合设备、以及正在播放的放像机等设备造成损坏,烧坏部位主要是设备的电源部份,采取的措施除有较安全的防雷保护工作接地设施外,应在重点播出设备前加装雷击过压保护避雷器,在卫星接收天线规范位置内安装一组或者多组高度合格的避雷针,并与天线、楼房防雷接地网连成一体,这样能有效的起到保护前端设备作用。

放大器损坏的原因

①打雷时,在供电线路上很容易产生很高的意外过电压将放大器击坏,可在放大器电源上加装一只防雷突波器来达到保护放大器不致烧坏的目的。
②放大器的供电电压过低,或者电源插座接触不良,放大器长期工作在较大电流下,使放大器烧坏,采取的措施是选用开关电源的放大器,拓宽供电电源的范围,保证放大器正常工作,信号质量不变,特别是农村电源线路不规范,电压低的和不稳定的较普遍,放大器损坏的也较多,这些地方也可选用开关电源放大器。
③因供电线路各相电源负荷不平衡,使中心线有电流通过,一旦中心线烧断,使相电压变成线电压,达到380V左右,由于各相所带负荷不等,因此各相间电压也会有高低不等,这时正在工作的放大器会因电压升高而烧坏。
④放大器电源中的滤波电容因长时间工作,电容干枯、老化、容量变小,在电视屏幕上产生50Hz上下移动的交流横道线,使画面不干净,这是维修中常见到的故障。
⑤放大器内部散热不好,使电平出现波动,原因是可调部位是金属片,放大器温度过高时,非常容易使可调金属片热胀冷缩,造成接触不良,使电平不稳定。
⑥使用一定年限的放大器指标会变坏,元件老化,特别是前几级的放大器一定要换掉,以免影响传输质量;出故障经修复后的放大器不能用在主干线和支干线的前几级;可用在户数较少的终端上,一旦出故障,也不会影响大面积用户收看电视。
⑦放大器本身温度过高,加上安装的位置又是太阳直射的地方,也容易使放大器保险烧断,中断电视信号。

放大器电源故障

①雷击时馈电线路电压升高后不仅烧坏馈电器,而且会烧坏线路中的所有馈电放大器,采取措施是在馈电器前加装雷击过电压保护器,放大器选用有防雷保护的。
②主干线某段电缆因人为或其它原因导致电缆短路,使短路点到馈电源之间的放大器和馈电器烧坏,规化设计时对馈电线路的短路保护应采取有效措施。
③因频繁的停送电,产生的浪涌瞬间冲击电压,易烧坏放大器的熔丝,有的熔丝未断,由于瞬间电压高,也会烧坏放大器电源或模块组件,可在放大器加装过压消除器,能起到一定作用。
③电源线老化、放大器电源插头接触不良均可使放大器断续工作,造成电视信号时有时无故障。
4.放大器电平的控制
在接入网中,放大器入口出口电平的控制很重要,因电平对环境温度的变化很敏感,夏季温度升高,电缆损耗增大,入口电平降低,造成系统载噪比恶化,同时放大器的增益也会随温度的上升而下降,使传输电平下降,影响用户收看,气温下降时,电缆损耗减小,放大器出口电平上升较多,若超出允许范围,会使系统产生交互调比的变化,使屏幕出现网纹和"雨刷"状的交调干扰,影响了终端收看效果,严重时无法收看,因此严格控制放大器入出口电平,采取有效措施弥补温差变化而导致的电平严重不稳是维护技术人员的当务之急,务必引起重视。
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