Усилители фотоприемных устройств. Схемы включения фотодиодов.

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 (R_Э, С_Э). 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, С_П – паразитная емкость соединений. Разделительная емкость С_Р (или С_Р1 и С_Р2) во внимание не принимается, т.к. имеет очень большую величину (С_Р >> С_Э) и на частотных свойствах входной цепи для информационных сигналов не играют роли.

Напряжение на входе усилителя без учета С_Э

(6.8)

где I_Ф – фототок, G– коэффициент усиления фотодиода (ЛФД).

Напряжение на входе усилителя с учетом С_Э

(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)

Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:

· может быть получена благодаря коррекции любая полоса пропускания;

· малые шумы;

· простота схемы для реализации;

· интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

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 R_OC << R_Э.

Таким образом, выбором значений К и R_ОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:

· большой динамический диапазон входных сигналов;

· простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

· простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

· возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;

· уменьшенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления R_ОС.

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 С_Р и емкостей С_{ВХ УС}, С_В, С_Д.

Со значением эквивалентной индуктивности L_В обычно не считаются, т.к. значение j L_В << 1/(j C_Э).

16. Приемные оптические модули (ПрОМ). Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованием). Основные характеристики ПрОМ.

ПрОМ содержит фотодиод, каскады электрических усилителей, устройства коррекции и обработки цифрового сигнала.

Принцип построения ПрОМ зависит от приемного метода детектирования.

Различают прямое фотодетектирование и детектирование с преобразователем. Выбор метода детектирования определяется принципом модуляции оптического сигнала.

При прямом детектировании оптический сигнал подается непосредственно на фотодиод, в котором электрический сигнал формируется в виде изменяющегося фототока. Так как фотодиоды чувствительны к потоку фотонов и не воспринимают фазу воздействующего оптического излучения, то метод применяется при модуляции интенсивности.

ОУ

ФД

ПУс

ГУс

К

РУ

ВТЧ

АРУ

Рисунок 1 – Обобщенная схема ПрОМ с прямым фотодетектированием

 

Назначение блоков:

ОУ – увеличивает мощность оптического сигнала (оптический усилитель);

ФД – преобразует оптический сигнал в электрический (фотодетектор);

ПУс – малошумящий предварительный электрический усилитель, обеспечивающий максимальное отношение сигнал-шум.

ГУс – главный усилитель, обеспечивающий усиление сигнала до уровня необходимого для нормального функционирования последующих устройств. В качестве усилительных устройств применяются интегрирующие (ИУ) и трансимпедансные электрические усилители (ТИУ). Работой усилителя управляет АРУ.

АРУ – обеспечивает регулировку динамического диапазона путем изменения коэффициента усиления Гус или коэффициента лавинного умножения ЛФД.

К – корректор обеспечивает коррекцию АЧХ линейного тракта, а также устраняет искажения, вносимы входной цепью ПрОМ.

РУ – решающее устройство путем сравнения входного сигнала с пороговым напряжением формирует сигнал логической единицы или нуля.

ВТЧ – выделитель тактовой частоты формирует тактовую стробирующую последовательность для регенерации сигнала и работы демультиплексирующих устройств.

В методе детектирования с преобразованием для определения фазы в принимаемый сигнал замешивают когерентное и стабильное излучение от эталонного источника, которым является опорный оптический генератор (ООГ). В результате смешения когерентных оптических сигналов возникают биения, которые регистрируются фотодиодом и содержат информацию об интенсивности и фазе принимаемого сигнала. Этот метод приема также называют когерентным, так как он применяется при построении когерентных ВОСП. Данные ВОСП разрабатываются как системы сверхдальней связи.

Если λ_с=λ_оог – это гомодинный прием, а λ_с λ_оог – гетеродинный прием.

ОУ

ОС

ФД

ПФ

ДМ

ПК

ООГ

АПЧ

 

Рисунок 2 – Обобщенная структурная ПрОМ при детектировании с преобразованием

 

Блоки:

ОУ – Оптический усилитель, увеличивает мощность оптического сигнала.

ОС – оптический смеситель.

ФД – фотодетектор.

ПФ – полосовой фильтр.

ДМ – демодулятор.

ПК – поляризационный контролер.

ООГ – опорный оптический генератор.

АПЧ – автоподстройка частоты.

Принимаемый оптический сигнал и сигнал от ООГ взаимодействует в оптическом смесителе (ОС). Необходимым условием когерентного приема является синхронизация принимаемого сигнала и излучения гетеродина. То есть поляризация этих сигналов должна быть одинакова, а фазы согласованы. Поэтому повышаются требования к компонентам. Лазеры должны быть узкополосными, иметь минимальные флуктации фазы и интенсивности излучения. Лазер-гетеродин должен быть синхронизирован по фазе и частоте с принимаемым оптическим сигналом. Подстройка длинны волны λ_оог производится подстройка автоподстройка частоты (АПЧ). При гомодинном приеме дополнительно требуется фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Для контроля поляризации сигнала, если не применяется волокно с сохранением поляризации (PANDA) на приеме устанавливается поляризационный контроллер (ПК).

В результате взаимодействия двух оптических сигналов на выходе ФД выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ), из которого с помощью демодулятора (ДМ) выделяется электрический информационный сигнал.

 

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой со­бранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетекто­ра ( -фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумя­щего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены прин­ципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотоде­тектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усили- телем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно из­менять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автомати­ческой регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напря­жение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряже­ние рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения - диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля полу­чается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме — аналоговой или циф­ровой— передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором (рис. 8.23).