【基于脉冲宽度调制的基本原理概述1600字】

10基于脉冲宽度调制的基本原理概述基于脉冲宽度调制（Pulse-widthmodulation，PWM）的器件较线性驱动而言更加精准，简单来说，这是一种周期固定，通过信号的占空比来进行调节的技术。PWM在本质上采用了数字电路的实现方式，即通过一个高速计数器对方波的占空比进行调制，进而实现模拟电平的编码。一个比较简单的原理是时间比例控制。很容易想到，一个N位循环计数器以一定的时间间隔加1，其输出的数据可以看作是重复的锯齿波（值从0-2N-1）。这个波形的周期为计数器的时钟周期乘以2N。此时，将该值与一个缓慢变化的N位数据进行比较，比较结果以高/低电平进行呈现。如此，N位数据便以不同占空比的形式表现出来，PWM调制原理实现的结构框图如下图所示：图2-2PWM发生器的结构框图值得注意的是，PWM的频率是在设计中需要谨慎选择的部分，若是频率过低（即周期太长），会导致微环的温度在一个PWM周期的高、低电平期间发生较大的变化，使得谐振波长的波动有剧烈抖动。考虑微环在波分复用系统中的应用场景，下面以WDM为例对PWM的参数要求进行简单的说明：1、对自由光谱范围（FSR）的要求：一般来说对于微环的热调谐需要保证能在111个FSR的范围；2、考虑工艺偏差的影响，调谐范围应该大于谐振波长偏差与设计值的两倍；3、其1-dB带宽应当大于信道带宽，诚然，对于不同调制格式的传输数据，信道带宽有所不同。以开关键控的非归零码（OOK-NRZ）为例，当传输速率为10Gbps时，其信道带宽为15GHz；4、热调的分辨率与热纹波带来的频率偏移应当大于微环的带宽与信道带宽之差。图2-3DWM系统中微环自由光谱范围与信道带宽关系示意图[15]1.1PWM频率&热纹波诚如上面提到的，PWM频率的选择对纹波的大小有较大的影响，一般来说，尽可能地增大频率可以有效地减小纹波，当然，这同时也提高了对高速计数器等数字电路器件的性能要求。首先，使用一阶线性时不变的集总模型来描述温度随时间的变化，公式如下所示：(2-15)其中，表示微环温度能够变化的最大范围，表示热时间常数，显然，在一定的占空比下，当热功率提供的时间足够长，微环能够达到的温度会无限接近于。同时，近似认为谐振波长的改变量与温度呈线性相关。其中，对于硅材料，的取值通常为80pm/K。(2-16)12图2-4PWM占空比为50%时微环的热响应示意图[15]当PWM的占空比是50%的时候，温度的纹波最大，下面的推导和计算都在50%占空比的情况下进行，即考虑最糟糕的情况。如图2-4所示为50%占空比下热纹波随时间的变化情况，分别用两个公式表示时刻的，令两者相等，则有：(2-17)(2-18)联立公式2-17、2-18，则可以推导出以下公式：(2-19)由公式2-19可以看出，能够表示成关于、以及QUOTEτ的函数。进一步分析可知，当时，公式的后半部分趋近于1，即无限接近于；当时,随在十倍频的尺度上呈线性关系（即横、纵坐标用对数刻度表示）。由于波长（或频率）的变化量与温度的变化量成正比，所以可以将上述公式描述为与的函数，如图2-5所示：13图2-5谐振频率纹波随PWM频率的变化关系图（QUOTEτ=3.3us）[15]从图中可以明显看出，当的频率为7.6MHz，此时谐振频率的纹波为10GHz。随着PWM频率的不断升高，热纹波能够忽略不计。值得关注的是，微环的热响应时间QUOTEτ也是一个影响因素，当MR的热响应时间常数较小时，PWM的频率以较小的值实现更小的纹波。当然，一般来说，QUOTEτ的大小与工艺等因素有关，所以在设计电路层面更加关心PWM频率的选取。1.2PWM频率&时钟频率在一般情况下，的周期不会是仅由自身决定的，如前所述其不同占空比的产生往往是由一个高速循环计数器和一个寄存器进行比较产生的，所以循环计数器的时钟即为整个电路的最小周期。容易得到，和的关系为：(2-20)其中，为计数器的位数，它决定了基于PWM控制的热调谐的分辨率。对于的PWM控制电路来说，其占空比的步长为，当热调的最大温度范围确定时，温度的最小调节步长为：(2-21)根据WDM系统对于PWM调制参数的第四点要求，对于确定的调制格式（信道带宽）和FSR，还应该满足：(