Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Исследование характеристик приемных устройств
Лабораторная работа №3 Цель работы: изучение методов построения и экспериментальное исследование основных характеристик приемных устройств. Ключевые положения: Назначение приемного устройства состоит в достоверном извлечении информации, заложенной в оптическую несущую на передающей стороне. Мерой его качества является минимальная мощность оптического сигнала на входе, необходимая для достижения заданного коэффициента ошибок в цифровой () и требуемого отношения сигнал/шум (СОШ) в аналоговой (ОСШ ≈ 40 дБ) системах передачи информации. Приемные устройства ВОСП подобно своим радиочастотным аналогам, объединяют в три группы: с оптическим предусилением, гетеродинированнем и непосредственно детектированием, что соответствует способам улучшения чувствительности до, во время и после процесса преобразования свет – электрический ток. Большинство современных ВОСП используют приемные устройства непосредственного детектирования: приемник излучения -фотодиод (ФД) или лавинный ФД (ЛФД), предврительный мало шумящий усилитель (предусилитель) - на полевых либо биполярных трапзисторах (ПТ либо БТ).
Среднеимпендансный усилитель (СИУ) Структурная схема приемного устройства с СИУ представлена на рис. 2.1.1. Она содержит ФД, обратно смещенный от источника , сопротивление нагрузки ФД - и усилитель Y. Основная задача при проектировании СИУ – обеспечить заданную ширину полосы пропускания F. В такой схеме она определяется постоянной времени входной цепи , где - суммарная емкость на входе, состоящая из емкости фотодиода () и усилителя (). Таким образом, для заданной F, выбирается из условия: (2.1.1) Высокоимпендансный усилитель (ВИУ) Минимизация вклада от всех источников шума зесь достигается посредством: использования малошумящих транзасторов; выбора ФД с малым тепловм током, а значит – малым дробовым шумом; уменьшения теплового шума, вносимого резистором нагрузки ФД. Последнее требует увеличения (высокоимпендансный вход). При этом во входном импедансе (полном сопротивлении) доминирует емкостная составляющая, т. е. . Ток сигнала, генерируемый фотодиодом, интегрируется емкостью . Таким образом, высокоимпендансный вход является интегрирующим и его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) спадает пропорционально ω т е. Полоса пропускания оказывается значительно меньшей чем у СИУ. Для восстановления исходной (требуемой) полосы пропускания необходим корректор, который обычно представляет собой простую дифференцирующую цепь с АЧХ, возростающей пропорционально ω. Таким образом ВИУ обеспечивает минимальные шумы, а корректор восстанавливает требуемое значение ширины полосы пропускания. В цифровых ВОСП корректор называют выравнивателем (частотной характеристики). Структурная схема приемного устройства с ВИУ приведена на рис. 2.2.1. Она включает в себя обратносмещенный ФД с цепью нагрузки , предварительный усилитель и выравниватель. Эквивалентная схема входной цепи (ФД + ВИУ) приведена на рис. 2.2.2. Здесь: - ток сигнала; - емкость обратносмещенного ФД; - сопротивление нагрузки: , входное сопротивление и емкость ВИУ, а устройств называется трансимпедансом (передаточным импедансом) и равна , поскольку входным параметром является фототок, а выходным – напряжение. Для ВИУ (2.2.2) где ; . Граничная частота ВИУ обычно невелика, вследствие выбора большого номинала. Поэтому корректор должен иметь К(ω), равномерный до частоты и растущий пропорционально ω для . Частотные характеристики ВИУ (), корректора (К), а также последовательно включенных ВИУ + корректор ( • К) приведены на рис. 2.2.3. Из него видно, что использование корректора позволяет расширить полосу пропускания с до , т.е. необходимое число раз (обычно 10…100). Траисимпедансный усилитель (ТИУ) ТИУ получил наибольшее распространение в приемных устройствах ВОСП. По существу он представляет собой ВИУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью (ОС). Структурная схема приемного устрой- ства с ТИУ проще, чем с ВИУ, - отсутствует корретор (рис. 2.3.1). Преимуществами ТИУ являются более широкие полоса пропускания и динамический диапазон за счет действия отрицательной ОС через резистор . Эквивалентная схема приемного устройства с ТИУ приведена на рис. 2.3.2. Обозначения здесь такие же, что и на схеме рис.2.4, кроме - конструктивной емкости резистора ОС (). Для ТИУ (2.3.1) Из этого выражения следует, чо передаточная характеристика ТИУ не зависит от коэффициента усиления по напряжению(при условии ) и полностью определяется параметрами цепи ОС. Граничная частота ТИУ из (2.3) и уже не зависит от суммарной емкости на входе усилителя . Следовательно емкость (конструктивная) цепи ОС должна быть минимально возможной, что достигается с помощью схемы ее нейтрализации (компенсации), например, путем последовательного включения нескольких резисторов ОС меньшей величины. Емкость цепи ОС всегда намного меньше входной емкости, а динамическое входное сопротивление приблизительно в коэффициент усиления по напряжению раз меньше, чем аналогичный параметр для ВИУ. Поэтому полоса пропускания ТИУ значительно шире, чем у такого же усилителя, не использующего ОС. Частотные характеристики приемного устройства с ТИУ приведены на рис.2.3.3. для случая разомкнутой (эта ситуация соответствует схеме ВИУ) и замкнутой цепи ОС (ТИУ). Очевидно, что во втором случае полоса пропускания ТИУ примерно в раз больше, чем для ВИУ (при условии RH = Rоc). Однако величина трансимпенданса ТИУ в раз меньше, чем у ВИУ. Эта ситуация типична для всех, схем с отрицательной ОС. Основные шумы в ТИУ вносят: входной транзистор, резистор ОС и тепловой ток ФД. Суммарный уровень шума ТИУ определяется по обычной методике расчета шумов усилителей с ПТ и БТ, считая, что R h заменено на Rоc, которое включено параллельно входу. Таким образом, уровни шумов ТИУ и ВИУ совпадают, если резистор ОС ТИУ равен по величине резистору нагрузки ФД для ТИУ.
Расчет чувствительности приемного устройства Отношение сигнал / шум принято определять на входе усилителя приемного устройства. , (2.4.1) Мгновенное значение тока сигнала в нагрузке лавинного фотодиода: i(t)=RiMp(t), (2.4.2) где Ri - токовая чувствительность ФД, А/Вт; p(t)- мгновенное значение оптической мощности, Вт; М - коэффициент лавинного умножения. При синусоидальной модуляции оптического сигнала по интенсивности (мощности): p(t)=P0(1+m·sinω t) (2.4.3) фототок в нагрузке лавишюго фотодиода: i(t)=RiP0M+m RiP0M sinω t=I0+Ic(t) (2.4.4)
Здесь P0 - среднее значение оптической мощности в отсутствии модуляции; m – индексмодуляции (рис.2.9); ω - частота модулирующего сигнала; I0 - постоянная; Ic(t) - переменная (сигнальная) составляющие фототока. Постоянная составляющая фототока:
, (2.4.5)
где М - среднее во времени значение коэффициента лавинного умножения. Среднеквадратичное значение переменной (сигнальной) составляющей фототока:
, (2.4.6)
Сравнивая (2.8) и (2.9) при стопроцентной модуляции (m =1) видим, что ток сигнала в раз меньше, чем постоянная составляющая. Рассмотрим шумы, сопутствующие процессу фотодетектировання и усиления фотосигнала в приемном устройстве с эквивалентной шумовой схемой, приведенной на пне. 2.4.2. В ФД основными источника ми шума яляются: квантовый шум, обусловленный дискретной природой оптического сигнала, и дробовой шум темнового тока . Их спектральные плотности (А² /Гц) и среднеквадратичные значения шумовых токов (А²) соответственно равны: ; ; ; (2.10) где q - заряд электрона; d – показатель избыточного шума ЛФД ( для кремниевых и для германиевых приборов); Fэ - эквивалентная шумовая полоса, обычно большая, чем полоса пропускания F сигнала. Основной вклад в шумы приемника вносит предусилитель. Спектральная плотность шумового тока (А² /Гц), приведенного ко входу ВИУ на ПТ и БТ, соответственно равна: , (2.11) , (2.11) Где Rн – сопротивление нагрузки ФД: - коэффициенты, зависящие от типа используемого транзистора и режима его работы. Из выражения (2.10) и (2.11) следует, что шумы ФД белые (спектральная плотность не зависит от частоты), а шумы предусилителя окрашены (спектральная плотность пропорциональна квадрату частоты). В случае ТИУ в (2.11) Rн следует заменить на Rос. Для ВЧ полевых и биполярных транзисторов коэффициенты в (2.11) соответственно равны: ; ; Обозначим спектр шумов предусилителя (2.11) в обобщенном виде: , где: , , для _ПТ , , для _БТ (2.12) Среднеквадратичное значение шумового тока предусилителя (А²): (2.13) Подставив в (2.4) выражения для сигнала (2.9), квантовых шуумов сигнала и дробовых темнового тока (2.10), а также шумов предусилителя (2.13), получим выражение для ОСШ оптического приемного устройства: (2.14) Для того, чтобы найи величину оптической мощности, требуемой для достижения заданноого ОСШ, необходимо (2.14) преобразовать в следующее квадратное уравнение:
(2.15)
(2.16) Из двух корней (2.16), необходимо выбрать тот, который имеет положительное значение. При (2.16) дает значение пороговой чувствительности, а при - значение требуемой чувствительности. Значение по мощности или (по напряжению, току) типично для цифровых систем передачи. Определение пороговой чувствительности является целью настоящей лабораторной работы. Задание: 1. По рекомендованной литературе изучите типы и характеристики оптических приемных устройств. 2. По рис. 6.1 и 6.2 см. ниже) ознакомьтесь со структурной схемой лабораторного стенда и принципиальным схемами приемных устройств с ТИУ и ВИУ 3. Подготовьте устные ответы на ключевые вопросы. 4. Рассчитайте полосу пропускания ТИУ и ВИУ без корректора по исходным данным: МОм; пФ; пФ. 5. Рассчитайте пороговую () чувствительность приемных устройств с ТИУ и ВИУ по формуле (2.16) для следующих исходных данных: Мом; А; (ФД); А/Вт; m=0.5; ; (ПТ); К; Дж. Вариант №3. Fэ= 88 кГц
|