Optik haberleşme için lazer sinyali tabanlı düşük maliyetli devre tasarımı uygulaması

Abstract

Bu tez çalışmasında, çığ fotodiyotları (APD) ve transimpedans amplifikatörleri (TIA) optik kablosuz haberleşme ve algılama sistemleri için kullanılarak düşük maliyetli, yüksek performanslı ve düşük gürültülü bir devre tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım süreci, teorik temellerin belirlenmesi, simülasyon modelleme ve analizler, donanım testleri ile performans değerlendirmelerini kapsamaktadır. APD’ler, yüksek hassasiyet ve hızlı tepki süreleri sunan yarı iletken cihazlardır. Bu tezde, Excelitas C30737 serisi APD kullanılarak 500-1000 nm dalga boyu aralığında yüksek duyarlılık sağlanmıştır. APD’lerin çıkış sinyalleri, TIA devresi ile işlenmiş, sinyallerin kazancı artırılarak işleme ve ölçüme uygun hale getirilmiştir. Devre tasarımı, Altium Designer yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. TIA, ters besleme devresi, kazanç devresi, güç devresi, besleme okuma ve sürme devreleri, lazer diyot sürücü devresi ve mikrodenetleyici devreleri bu yazılım ile optimize edilmiştir. Tasarım sürecinde LTSpice simülasyonları kullanılarak devrelerin doğruluğu ve performansı test edilmiştir. Laboratuvar test prosedürleri ile donanımın performansı ve güvenilirliği değerlendirilmiştir. Bu süreçte osiloskop, multimetre, güç kaynağı, sinyal jeneratörü ve spektrum analizörü gibi cihazlar kullanılarak testler gerçekleştirilmiştir. Test sonuçları, sinyal güçleri, gürültü seviyeleri, kazanç ve bant genişliği gibi kritik performans parametrelerini içermektedir. Sonuç olarak, tasarlanan TIA devresi yüksek kazanç, geniş bant genişliği ve iyi lineerlik sunarak optik kablosuz haberleşme ve algılama sistemlerinde güvenilir ve hassas ölçümler yapılmasına olanak sağlamaktadır. Tezde geliştirilen devrelerin performans analizi, optik iletişim teknolojilerinin gelecekteki gelişimine önemli katkılar sağlamaktadır.In this thesis study, a low-cost, high-performance and low-noise circuit design was realized by using avalanche photodiodes (APD) and transimpedance amplifiers (TIA) for optical wireless communication and sensing systems. The design process includes determination of theoretical foundations, simulation modeling and analysis, hardware tests and performance evaluations. APDs are semiconductor devices that offer high sensitivity and fast response times. In this thesis, high sensitivity was achieved in the 500-1000 nm wavelength range by using Excelitas C30737 series APD. The output signals of APDs were processed with the TIA circuit, and the gain of the signals was increased to make them suitable for processing and measurement. Circuit design was carried out using Altium Designer software. TIA, reverse feed circuit, gain circuit, power circuit, feed reading and driving circuits, laser diode driver circuit and microcontroller circuits are optimized with this software. During the design process, the accuracy and performance of the circuits were tested using LTSpice simulations. The performance and reliability of the hardware were evaluated through laboratory testing procedures. In this process, tests were carried out using devices such as oscilloscope, multimeter, power supply, signal generator and spectrum analyzer. Test results include critical performance parameters such as signal strengths, noise levels, gain and bandwidth. As a result, the designed TIA circuit offers high gain, wide bandwidth and good linearity, allowing reliable and precise measurements in optical wireless communication and sensing systems. The performance analysis of the circuits developed in the thesis makes significant contributions to the future development of optical communication technologies.