Выбор и обоснование принципиальной схемы ФПУ

3. Выбор и обоснование принципиальной схемы ФПУ

3.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ

В соответствии со структурной схемой приведенной ранее, ФПУ конструктивно делится на два функционально независимых усилителя: предварительный и оконечный.

Рассмотрим предварительный усилитель. Основным требованием, при соблюдении прочих условий (заданной полосы пропускания) предъявляемых к предварительному усилителю является обеспечение заданного отношения сигнал/шум.

Динамический диапазон фотоприемного устройства по минимальному сигналу определяется собственными шумами ФПУ, которые состоят из шумов фотодиода и шумов усилителя.

От выбора типа транзистора, используемого во входном каскаде, зависит шум усилительной схемы.

Для требуемого частотного диапазона шумовые параметры биполярного транзистора (БП) и полевого транзистора (ПТ) соизмеримы, поэтому выбираем биполярный транзистор при использовании которого проще осуществить заданный частотный диапазон.

Эти токи определяются из следующих выражений (3.1) – (3.4)

; (3.1)

; (3.2)

; (3.3)

; (3.4)

где I_ф0 – постоянный ток засветки; RIN = – 155дБ / Гц – относительная интенсивность шума; – диапазон принимаемых частот; К – постоянная Больцмана; Т – температура (в Кельвинах).

Постоянная оптическая мощность, величина которая определяется исходной рабочей точкой на вольт – амперной характеристике лазера для получения минимальных нелинейных искажений (комбинационные искажения) и потерями в ВОК, падающая на фотодиод, создает фототок сигнала и фототок фоновой засветки, определяемыми постоянной оптической мощностью, определяется соотношением

i_ф= l·P_св/η·h·ν или i_ф=А·Р_св, А=l/η·h·ν,

где

Р_св – падающая на ФД оптическая мощность;

η – квантовый выход;

h – 6,63·10^-34 – постоянная Планка;

ν – частота света.

При Р_св на выходе НЛПН равном 0,5мВт на ФПУ будем иметь

I_ф0=А·Р_св/D, где D – потери в линии.

С учетом потерь на двух оптических разъемах (α=1дБ/км) и затуханием ОК (α=1дБ/км) суммарные потери D=3дБ/км, что составляет 10lgD=10lg3=0,5 раз.

,

А = 0,7 Вт/А.

Подставляя фототок I_ф0 в выражение (1) и (2) получим следующие соотношения

i²_ш,ф0 = 2I_ф0Δf = 32·10^-19·1,75·10^-4 = 5,6·10^-15А²,

i²_ф,ш = I²_ф0·10^RIN/10·Δf = (0,175·10^-3)²·10^-15·106 = 3,06^-1·10^-17A².

т.е. мы выяснили, что шумовой ток, создаваемый постоянной оптической мощностью за счет RIN на два порядка меньше шумового тока, создаваемого постоянной фоновой засветкой и, соответственно, его влиянием в нашем случае можно пренебречь.

Таким образом, чем меньше ток базы, тем меньше шумы транзистора, но при малых токах ухудшается h₂₁, а также ухудшаются частотные свойства, ухудшается f_т, поэтому для вышесказанного частотного диапазона компромиссным решением будет использование СВЧ транзистора при токах покоя (I_к ≈ 1÷2 мА).

Формула коэффициента шума показывает справедливость этих допущений.

Например, при R_г = 1 кОм (эквивалентное сопротивление нагрузки ФД по переменному току), более нежелательно из-за больших частотных искажений.

При f_в ≥ 400МГц необходимо использовать СВЧ транзистор 2Т3114В-6, у которого f_гр ≈ 4,7ГГц при I_к = 2мА

,

где

r’_б – сопротивление тела базы;

r _б’э – сопротивление базы-эмиттер;

h_21э – 100;

r’_б – 5 Ом (для транзистора 2Т382А);

R_г=R1‌‌‌‌‌||R2||R4≈1кОм;

r_б’э=26/I_к·h₂₁.

При токе I_к=2мА, h_21э=100, r’_б=10 Ом.

При этих данных r_б’э=1,3кОм; F=1,45 эквивалентный шумовой ток, учитывающий R транзистора, равен

 для f=1МГц

При минимизации собственных шумов ФПУ и максимизации динамического диапазона к построению электрической принципиальной схемы ФПУ и выбору режимов транзисторов его каскадов, особенно выходных, предъявляются противоречивые требования.

Во-первых, транзисторы выбираются СВЧ диапазона, например 2Т3114В-6, маломощные, с f_гр≥4 ГГц.

Ток покоя входного каскада нами уже выбран из условия минимизации шумов.

Транзистор 2Т3114В-6 имеет следующие параметры:

P_{к доп} = 25 мВт;

I_{к доп} = 15 мА;

U_{к доп} = 5 В;

f_г= 4,7 ГГц;

h₂₁= 100;

C_к = 0,4 пФ;

r_расч = 6 нс.

Чтобы совместить эти противоречивые требования (минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазон), входной каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.

Второй каскад для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняется по каскадной схеме с местной обратной связью (ОС). В качестве 2-го и 3-го каскадов используется СВЧ микросхема типа М 45121–2.

Наличие во втором каскаде ФПУ обратной связи увеличивает особенно динамический диапазон, а также и частотный, при этом не ухудшаются шумовые свойства ФПУ, так как первый каскад создает требуемое усиление по мощности.

Это же позволяет ток покоя каскадной схемы выбрать достаточно большим, что в свою очередь увеличивает глубину обратной связи и тем самым уменьшает нелинейные и частотные искажения.

Электрические параметры микросхемы приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Электрические параметры микросхемы

Похожие работы

Волоконно-оптические системы

Скачать

67879

12

0

... большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь ...

Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа

Скачать

206582

2

63

... калькуляции представлены в табл.4.2. Ленточный график работ   5. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда Дипломная работа посвящена анализу погрешностей волоконно-оптического гироскопа. В ходе ее выполнения были проведены необходимые расчеты и сделаны выводы, которые могут послужить материалом для ...

Передающее устройство одноволоконной оптической сети

Скачать

134967

36

30

... быть рассчитаны по формулам:   Годовая прибыль при запланированном уровне рентабельности составит: 8. Мероприятия по охране труда В данном дипломном проекте требуется разработать передающее устройство одноволоконной оптической системы передачи, рассчитанной на работу с длиной волны 0.85 мкм, которая относится к ближнему инфракрасному диапазону излучения. Поскольку передающее устройство ...

Оптоволоконные линии связи

Скачать

183923

13

0

... зондирования, коловорот и др.) КТП-2Г КТП-2БП 1 1 КТП-2П 1 УПТ 1 УПИ 1 1 Комплект устройства для фиксации местоположения соединительных муфт кабельной линии связи УФСМ По согласованию с заказчиком   Примечание. Средства измерения 1-5, 10-12, 14-17, 19 и 20 необходимы только в случае исп-я ОК с металл. элементами. 9.1.    Электрические проверки основных ...