. Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ, Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ - Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптических систем передачи информации диапазона ДЦВ

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.

Iф~ - генератор фототока сигнала

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

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

IШ, Rн - генератор шумового тока, создаваемого эквивалентным сопротивлением нагрузки фотодиода по переменному току.

IШ, БТ - генератор шумового тока, создаваемого шумами БТ входного каскада.

Эти токи определяются из следующих выражений:

Где: IФ0-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:

IФ= l?PСв/з?h?н или iФ=А?РСв , А=l/з?h?н,

Где РСв - падающая на ФД оптическая мощность.

З - квантовый выход.

H - 6,63?10-34 - постоянная Планка

Н - частота света.

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

IФ0=А?РСв/D

Где: D - потери в линии.

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

А = 0,7 Вт/А

Подставляя фототок IФ0 в выражение(1) и (2) получим следующие соотношения

I2Ш, ф0 = 2IФ0Дf = 32?10-19?1,75?10-4 = 5,6?10-15А2

I2Ф, ш = I2Ф0?10RIN/10?Дf = (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 fТ, поэтому для вышесказанного частотного диапазона компромиссным решением будет использование СВЧ транзистора при токах покоя.

IК ? 1ч2 мА

Формула коэффициента шума показывает справедливость этих допущений.

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

При fВ ? 400МГц необходимо использовать СВЧ транзистор 2Т3114В-6, у которого fГр ? 4,7ГГц при IК = 2мА

Где: r'Б - сопротивление тела базы

R Б'э - сопротивление базы-эмиттер

H21э - 100

R'Б - 5 Ом (для транзистора 2Т382А)

RГ=R1||R2||R4?1кОм

RБ'э=26/IК?h21

При токе IК=2мА, h21э=100, r'Б=10 Ом.

При этих данных rБ'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 fГр?4 ГГц.

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

Транзистор 2Т3114В-6 имеет следующие параметры:

PК доп = 25 мВт; fГ= 4,7 ГГц;

IК доп = 15 мА; h21= 100;

UК доп = 5 В; CК = 0,4 пФ; rРасч = 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 статьи




. Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ, Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ - Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптических систем передачи информации диапазона ДЦВ

Предыдущая | Следующая