Читайте также:
|
В сборках фотоприемных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.
Схема интегрирующего усилителя приведена на рисунке 5.6.
Рисунок 6.6 Упрощенная схема интегрирующего усилителя ФПУ
Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора (рисунок 6.7).
Элементы входной цепи ФПУ представлены на рисунке 6.6 как эквивалентные (RЭ, СЭ). Эквивалентное сопротивление определяется
(6.6)
где R Т – сопротивление "затвор – исток", R Д - сопротивление фотодиода, R1 - сопротивление смещения фотодиода, R2 - сопротивление смещения транзистора.
Рисунок 6.7 Принципиальная схема входной цепи ФПУ с высоким сопротивлением усилителя
Эквивалентная емкость определяется:
(6.7)
где С Д – емкость фотодиода, С Т – входная емкость транзистора, СП – паразитная емкость соединений. Разделительная емкость С Р (или СР1 и СР2) во внимание не принимается, т.к. имеет очень большую величину (СР >> СЭ) и на частотных свойствах входной цепи для информационных сигналов не играют роли.
Напряжение на входе усилителя без учета СЭ
(6.8)
где I Ф – фототок, G– коэффициент усиления фотодиода (ЛФД).
Напряжение на входе усилителя с учетом СЭ
(6.9)
Напряжение на выходе усилителя
(6.10)
где К– коэффициент усиления усилителя.
Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи ФПУ
(6.11)
Такой корректор может быть включен после усилителя и обеспечить условие
(6.12)
Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции (рисунок 6.8) [11].
Рисунок 6.8 Схема противошумового корректора
Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:
Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном сигнала и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.
Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рисунок 6.9).
На рисунке 6.10 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).
Рисунок 6.9 Упрощенная схема трансимпедансного
усилителя ФПУ
Рисунок 6.10 Принципиальная схема ТИУ
Полоса частот пропускания ФПУ с ТИУ определяется из простого соотношения [8, 11, 15, 28]:
(6.13)
при условии, что ROC << RЭ.
Таким образом, выбором значений К и RОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.
Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:
Недостатками следует считать:
Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n ФД порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах G (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности ФПУ.
Рассмотренным схемам ФПУ с ИУ и ТИУ можно поставить в соответствие эквивалентную электрическую схему (рисунок 6.11) и амплитудную частотную характеристику, по которой оценивается полоса пропускания (рисунок 6.12).
Рисунок 6.11 Эквивалентная электрическая схема ФПУ
Завалы АЧХ на нижних и верхних частотах обусловлены наличием в схеме разделительной емкости СР и емкостей СВХ УС, СВ, СД.
Со значением эквивалентной индуктивности LВ обычно не считаются, т.к. значение jw LВ << 1/(jw CЭ).
Рисунок 6.12 Амплитудно-частотная характеристика входной цепи ФПУ
С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприемным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос.
Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:
(6.14)
Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:
(6.15)
Таким образом, можно сравнить:
(6.16)
Уменьшение величины фототока в два раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ. На рисунке 6.13 соотношение между полосами пропускания показано графически. При этом влияние разделительной емкости не учитывается.
Рисунок 6.13 Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ
Установлено, что для импульсных сигналов, передаваемых в ВОСП, имеется следующее соотношение между скоростью передачи, электрической и оптической полосами пропускания [8, 82]:
(6.17)
(6.18)
где F Э – электрическая полоса пропускания, F О – оптическая полоса пропускания, а соотношения (6.17) и (6.18) соответственно относятся к форме импульсов прямоугольной и гауссовской (колоколообразной).
6.5 Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства
Оценка соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ принципиально важна для прямого детектирования, т.к. позволяет выявить порог чувствительности ФПУ, отвечающий определенному качеству передачи информации. Это качество может быть выражено как соотношение сигнал/шум (в дБ) или представлено коэффициентом ошибок (вероятность неправильно принятых двоичных символов из общего числа переданных в единицу времени).
Подробное исследование соотношения сигнал/шум для схем ФПУ с ТИУ и ИУ проведено в [8, 11, 14].
Для схемы с интегрирующим усилителем получено соотношение:
(6.19)
где U У – шум усилителя (для входной цепи), 
- шум усилителя (для движения носителей), К – постоянная Больцмана, Т – температура по Кельвину, F – коэффициент шума ЛФД, G – коэффициент усиления ЛФД, RЭ и С Э – эквивалентные сопротивление и емкость входной цепи ФПУ, f C – полоса частот сигнала, е– заряд электрона, 
- фототок.
Соотношение (6.19) показывает, что реальным путем достижения требуемой величины с/ш может быть выбор оптимального G, при котором рядом составляющих шума можно пренебречь.
Для схемы с трансимпедансным усилителем получено отличное от (6.19) соотношение:
(6.20)
В соотношении (6.20) появляется значение RОС, которое может определить изменение в составляющих шума.
Из соотношений (6.19) и (6.20) можно получить условия реализации идеального фотоприемного устройства и определить квантовый предел детектирования.
Если предположить, что G >> 1, тогда соотношение (6.19) и (6.20) можно свести к следующему:
(6.21)
для идеального прибора ЛФД (F =1):
(6.22)
Тогда требуемая величина фототока для выполнения соотношения сигнал/шум составит
(6.23)
Для реального ФПУ с учетом шумов лавинного фотодиода и соотношений (5.5), (5.6) можно получить минимальную мощность оптического сигнала на входе ФД:
(6.24)
6.6 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции NRZ-DPSK
Модуляция вида NRZ-DPSK для высокоскоростных систем 10 и 40Гбит/с признана высокоэффективной с точки зрения использования спектра и помехоустойчивости (рисунок 6.14). При этом для построения приёмника необходимо использование двух фотодетекторов и дифференциального усилителя (рисунок 6.15). Оптический сигнал разделяется в интерферометре фазового демодулятора для подачи на фотодетекторы (рисунок 6.16), где в одном из выходов производится задержка передачи на один временной такт. Приведённый пример интерферометра имеет определённую температурную устойчивость на длине задержки (L+СDt), где С – температурный коэффициент, Dt – изменение температуры. На выходе дифференциальной схемы демодулятора восстанавливается электрический импульсный сигнал (рисунок 6.17).
Рисунок 6.14 Сравнительная оценка эффективности модуляции NRZ-DPSK(с дифференциальной фазовой модуляцией) и NRZ-OOK(с передачей одной боковой полосы частот и несущей)
Рисунок 6.15 Особенность построения приёмника ВОСП с внешней модуляцией вида NRZ-DPSK
Рисунок 6.16 Построение и конструкция интерферометра фазового демодулятора
Рисунок 6.17 Восстановление электрического сигнала на выходе балансного фотодетектора
| 7. Оптические усилители для оптических систем передачи |
Основными ограничивающими факторами в волоконно-оптических системах передачи являются затухание, дисперсия и нелинейные оптические эффекты. В предлагаемой главе рассматриваются устройства – оптические усилители, которые компенсируют потери оптической мощности, возникающие в световодах, соединителях, пассивных разветвителях и т. д.
Оптический усилитель – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 342 | Нарушение авторских прав