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
|
|