Выбор транзистора входного каскада для фпу

В качестве входных усилителей чаще всего применяют три типа усилительных схем:

1. усилители с низким входным сопротивлением;

2. усилители с высоким входным сопротивлением;

3. трансимпедансные усилители.

Каждая из этих схем имеет свои особенности усиления полезного сигнала и шумовых составляющих.

Усилитель с низким входным сопротивлением требует согласования сопротивления нагрузки фотодетектора с малыми значениями входного сопротивления усилителя. На высоких скоростях величина этого сопротивления выбирается порядка нескольких десятков Ом, что в значительной степени ограничивает чувствительность приемника.

Такие схемы усилителей широко применялись в 80-е гг. прошлого столетия совместно с германиевыми фотодиодами (диапазон 1,3 мкм), лавинными фотодиодами, а также с другими типами фотодетекторов. Преимуществом этих схем является простота их реализации на «россыпных» элементах, на платах печатного монтажа, методом монтажа на поверхность (на скоростях до 150 Мбит/с) и др.

Усилитель с высоким входным сопротивлением позволяет повысить чувствительность за счет возможности применения высокоомной нагрузки фотодетектора и низкого уровня шумов, но этот тип усилителя не обладает широким динамическим диапазоном, что существенно ограничивает область применения таких схем.

Трансимпедансный усилитель (ТрУ) имеет по отношению к усилителю с высоким входным сопротивлением несколько больший уровень собственных шумов, но обеспечивает существенное расширение динамического диапазона, что делает этот тип усилительных схем наиболее часто применяемым в настоящее время в приемных модулях систем связи совместно с InGaAs/InP фотодиодами. Трансимпедансный усилитель с GaAs полевым СВЧ-транзистором на входе является наиболее типичной усилительной схемой, применяемой в диапазоне скоростей 2—500 Мбит/с, позволяющей получить вполне приемлемые для современных условий значения порога чувствительности. Это достигается благодаря низким значениям входной емкости и возможностью работы с высокими значениями сопротивления нагрузки фотодетектора.

В соответствии с исходными данными необходимо использовать усилитель напряжения с низким входным сопротивлением.

Рис.7. Схема усилителя напряжения

Для таких усилителей используют биполярные транзисторы, так как входное сопротивление для схем мало.

Примеры подходящих усилителей различных производителей

Марка и производитель	Входное сопр. Rin, Ω	Шум тока i*, pA/√Hz	Шум напряжения u*, nV/√Hz
ADL5561 Analog Devices	132	4.6	1.7
THS770006 Texas Instruments	100	12.1	1.7

Выберем усилитель ADL5561, так как у него низкий шум тока, а так же относительно низкий шум напряжения.

Расчет минимальной мощности оптического излучения на входе фотоприемника

Фотодиод преобразует принимаемый оптический сигнал в электрический ток, пропорциональный мощности оптического сигнала. Следующий за фотодиодом усилитель усили­вает полученный токовый сигнал и преобразует его в напряжение. Как и в любой системе связи, отношение сигнал-шум на выходе опти­ческой системы и ее характеристики определяются тем звеном оптиче­ского приемника, где принятый сигнал имеет наименьший уровень. Следовательно, характеристики этого звена являются основными при проектировании всей системы связи.

Шум обусловлен теми слу­чайными флуктуациями тока, которые возникают в любой электрон­ной схеме или ее элементе в силу самой природы электричества и над которыми разработчик схемы не имеет никакого контроля. Эти флуктуации накладываются на любые сигналы, проходящие через цепь, и, таким образом, маскируют их. Следует различать шумы и радиопомехи, под которыми понимают те нежелательные сигналы, которые попадают в схему от внешних источников или от других частей системы и чье воздействие всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и надлежащей экранировкой элементов, подверженных влиянию помех.

Электрический сигнал со­держит в себе дробовый шум, поскольку он порождается в результате случайного квантового процесса детектирования оптического сигнала в фотодиоде.

Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шум. Таким образом, любое сопротивление в электронной цепи приводит к появле­нию теплового шума (шума Джонсона), обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуации тока в резисторе или соответст­вующих ему флуктуации напряжения на его выводах.

Эквивалентная шумовая схема усилителя напряже­ния приведена на рис.7

рис.7

На ней изображены следующие источники шума: I*дш- учитывает умноженный дробовый шум фотодиода; I*тш- учитывает тепловой шум резистивных элементов; I*вх- учитывает эквивалентный токовый источник шума усилителя; U*вх- учитывает эквивалентный шумовой источник напряжения усилителя.

Выражение для отношения сигнал-шум на выходе усилителя:

[2, стр. 353, 14.4.10]

где -спектральная плотность шума входного напряжения усилителя,

- спектральная плотность шума входного тока усилителя,

М-коэффициент лавинного умножения ЛФД,

R-входное сопротивление усилителя,

-полоса частот информационного сигнала,

С- эквивалентная емкость(сумма входной емкости диода и усилителя),

e-заряд электрона,

ID- ток диода,

Id- темновой ток диода,

F-шумовой фактор,

-температура в градусах Кельвина,

k-постоянная Больцмана

Слагаемые ; ; ; ;

Для удобства последующего анализа каждая из пяти составляю­щих шума в знаменателе обозначена буквами а ... д. Величина SNR оп­ределяет качество канала связи и при проектировании системы связи минимально допустимое значение отношения сигнал-шум всегда огова­ривается особо.

Отношение сигнал-шум может быть увеличено за счет увеличе­ния коэффициента умножения М до тех пор, пока учитывающее дробо­вой шум слагаемое в, не станет преобладать над другими слагаемыми. Поэтому здесь всегда существует оптимальное значение М.

Увеличение сопротивления высокочастотного тракта R улучшает отношение сигнал-шум, пока слагаемые а и г значительны по величине.

Найдём ток для лавинного фотодиода.

Подставим в формулу Персоника необходимые значения.

Решая квадратное уравнение относительно тока диода, найдём его значение.

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

[1, стр. 271]

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

Переведем мощность из Вт в дБ:

,

где

Найдем ток PIN-фотодиода:

Подставим в формулу Персоника необходимые значения.

Решая квадратное уравнение относительно тока диода, найдём его значение.

Найдем минимальную мощность оптического излучения на входе фотоприемника:

где S-чувствительность фотоприемника, P-оптическая мощность,

Тогда,

Переведем мощность из Вт в дБ:

,

где

По результатам расчетов, фотоприемное устройство, состоящее из ЛФД является оптимальным с точки зрения чувствительности при заданном коэффициенте ошибок.

Сравним полученные данные с параметрами известных коммерчески доступных фотоприёмников с аналогичными величинами B и BER.

Фотоприёмник	Bandwidth, GHz	BER	Sensitivity, dBm
Спроектированный	2.4		-27.5
JDSU 2.5G APD/TIA	2.3		-32

Таким образом, спроектированный фотоприёмник схож по параметрам с аналогичными. При более тщательном подборе компонентов , можно добиться лучших характеристик.

Пути и способы улучшения чувствительности фотоприёмника

1. Использование кодов с меньшей шириной спектра.

2. Использование трансимпедансных усилителей, которые обладают большим преимуществом над усилителями напржения.

3. Использование более дорогих и совершенных лавинных фотодиодов.

Найдем длину регенерационного участка ВОЛС с разработанным приемником. Примем мощность излучателя 0 дБм и затухание в кабеле 0.3 дБ/км.

Длина регенерационного участка будет равна:

Список литературы:

1. А. Козанне, Ж. Флере, М. Руссо "Оптика и связь", М., Мир, 1984 г.

2. Дж. Гауэр "Оптические системы связи" , М., Радио и связь, 1994 г.

3. Э. А. Шевцов, М. Е. Белкин "Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи", М., Радио и связь, 1992г.

4. Интернет источники :

http://www.jdsu.com

http://www.emcore.com

http://www.laserdiode.com

http://www.sales.hamamatsu.com

http://www.triquint.com

http://www.ti.com

http://www.analog.com

http://www.rfmd.com

http://www.hittite.com

http://www.kyosemi.co.jp

http://www.mitsubishielectric.com