Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ

3. Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя 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.

Шумовая эквивалентная схема входного каскада ФПУ представлена на рис.3.1.

i_ф~ - генератор фототока сигнала

i_ф,ш -генератор шумового фототока , создаваемого шумовой оптической мощностью.

i_ш,ф0- генератор шумового тока , создаваемого постоянной оптической мощностью.

i_ш,Rн – генератор шумового тока ,создаваемого эквивалентным сопротивлением нагрузки фотодиода по переменному току.

i_ш,БТ – генератор шумового тока ,создаваемого шумами БТ входного каскада.

Эти токи определяются из следующих выражений :

; (1)

; (2)

; (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 получили ,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 ≈ 1ч2 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; f_г= 4,7 ГГц;

I_{к доп} = 15 мА; h₂₁= 100 ;

U_{к доп} = 5 В; 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 каскодной 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 таблице 3.1 в конце главы.

Похожие работы

Разработка блока управления фотоприёмником для волоконно-оптических систем передачи информации

Скачать

89392

13

6

... АРУ и дифференциальным выходом. Модель PROM-155 дополнительно имеет встроенный усилитель-ограничитель и PECL – выход отсутствия сигнала в линии. Модули предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/c. Технические характеристики оптических модулей приведены в табл. 1.3. Таблица 1.3 – Технические характеристики оптических ...

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 ...