Диссертация (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 6

Таким образом, вкладом членов взначение получаемой чувствительности, пропорциональных пятой степени скорости передачиинформации, вполне допустимо пренебречь вследствие их малости.В ряде работ исследуются вопросы построения фотоприемных устройств для волоконнооптических линий связи [65,69,87,89,92]. Различают фотоприемные устройства трех видов: сбольшим входным сопротивлением, низким входным сопротивлением и трансимпедансные. В26[65] отмечается, что, хотя использование большого входного сопротивления помогаетмаксимизировать отношение сигнал/шум в приемнике оптических сигналов, однако оноодновременно порождает два существенных недостатка, вызванных необходимостьюосуществлять значительную по величине коррекцию, связанную с интегрированием сигналаво входной цепи.

Коррекция должна быть индивидуально приспособлена для каждой схемы,что непригодно при массовом выпуске микросхем. Кроме того, значительное изменениекоэффициента усиления усилителя с частотой означает уменьшение динамического диапазонаусилителя. Исследованию высокоимпедансных фотоприемных устройств посвящены работы[82,85,95], однако, вследствие указанных причин устройства такого рода не находят широкогоприменения в технике оптической связи.Исследованию схем с существенно низким входным сопротивлением посвящена работа[92]. Для фотоприемного устройства, использующего на входе каскад на транзисторе с общейбазой (ОБ), открываются возможности использования фотодиодов с относительно большой(до 7 пф) емкостью в скоростных линиях связи (до 140 Мбит/сек) за счет определенногоснижения чувствительности.В работах [85,87-89] рассмотрены наиболее часто используемые в технике оптическойсвязи схемы фотоприемных устройств, выполненные по схеме включения транзисторов ОЭОК и ОЭ-ОБ-ОК.

Исходя из упрощенной эквивалентной схемы, приводятся выраженияэквивалентного шумового тока фотоприемного устройства. В [85] приводится выражение длясопротивления преобразования трансимпедансного ФПУ в виде двухполюсной функции:Z p (c)  A0 Reff1 pre R fгдеReff ReffRfc1  A0 re  R f Ct R f   p  cCt Reff; Ct –общая входная емкость (включая емкость фотодиода); c –1  A0 постоянная цепи коллектора; re kT- сопротивление эмиттерного перехода транзистора.qI eПолюсами выражения (1.8) являются:0 (1.8)21, cCt Reffk1  Reff2  RfcCt R fp1, 2  k 0   0 k 2  1 , гдеRfReff cCt R f Ct Reff(1.9)Величина к – фактор подавления, определяет режимы работы ФПУ.

При к=1 – полюсысопротивления преобразования имеют комплексно-сопряженные значения, при к 1 – полюсавещественные. Отмечается [85], что случай построения ФПУ с вещественными полюсами27приводит к большому возрастанию шума на выходе, поэтому на практике такой режим неиспользуется. С другой стороны, при k 1функция сопротивления передачи от частоты2приобретает экстремальное значение. Поэтому k может быть использовано как мерастабильности ФПУ. В [85] авторы определили границу между стабильной и потенциальнонестабильной работой ФПУ как k =1.

Представление сопротивления передачи в виде2двухполюсной функции наиболее приемлемо для описания широкополосных устройств ишироко используется в литературе [96,97].В работах [93,98], посвященных проектированию фотоприемных устройств длянизкочастотных измерителей оптической мощности также используется двухполюсноепредставление сопротивления преобразования. Поскольку в измерительных устройствахважно иметь функцию передачи строго постоянную в рабочей полосе частот, в [93] полученыусловия постоянства сопротивления преобразования:Cf  2  1  k 2   ,2  Cd  0 f2  1   0   ;f где  C   G f  g 0 2d202(1.10)2  g 0 tg   2G f Gd  f   G f  0 A0 (1.11)22f 02g0, Cd - проводимость и емкость фотодиода,Gf, Cf - проводимость и емкость трансимпеданса,0 - полоса рабочих частот измерительного ФПУ.Выражение (1.10) определяет значение корректирующей емкости трансимпедансногосопротивления.

На высоких частотах именно эта емкость оказывает существенное влияние наустойчивость ФПУ. В микросхемах она возникает как паразитная за счет емкостиметаллических проводников на корпус (через подложку, имеющую существеннуюдиэлектрическую проницаемость).Шумовые свойства электронных устройств наиболее часто описывают с помощьюкоэффициента шума, однако, попыток его использования для расчёта чувствительности ФПУпрактически не предпринималось. Можно лишь указать на анализ ФПУ с использованиемшумокомпенсирующего контура [86]. Спектральная плотность шумового тока такого ФПУимеет вид i 2  4kTGs Cd 2 NF DZ ph  B , где Zph – сопротивление фотодиода, Ys – выходная2проводимость компенсирующей цепи, Cd – ёмкость перехода диода, NF – коэффициент шумаусилителя без учёта компенсирующей цепи, B и D – ABCD-параметры компенсирующей цепи.28Подобный подход, впервые предложенный автором настоящего исследования [A27],позволяет сравнительно просто и достаточно эффективно (судя по результатам [86]) оцениватьчувствительность ФПУ, используя легко доступные данные по коэффициенту шума,численные значения которого для типовых режимов всегда приводят в техническойдокументации.Таким образом, в литературных источниках, рассматривающих вопросы проектированияи создания приемно-преобразующих устройств волоконно-оптических систем передачиинформации, 1) отсутствуют методики расчета параметров и конструирования ППУ на основедвухполюсной модели амплитудно-частотных характеристик фотоприемных устройств, 2) неучитываются физически обоснованные и экспериментально подтвержденные зависимостикоэффициента избыточного шума ЛФД от его коэффициента умножения, 3) для расчетачувствительности используются упрощенные эквивалентные схемы усилительных элементов,4) не разработаны методики использования канонических эквивалентных схем для расчетачувствительности приемно-преобразующих устройств с использованием выражений длякоэффициента шума усилителей.Рассмотрению этих вопросов посвящена Глава 2 диссертации.1.2.

Методики расчета чувствительности фотоприемных устройств радиотехническихППУ на основе интегратора фототокаИнтеграторы фототока составляют основу оптических фотометров, входящих в составППУ и позволяющих прецизионно измерять чрезвычайно малые световые потоки. Фотометрыиспользуются в физическом эксперименте в том случае, если необходимо получить предельнодостижимую чувствительность оптической измерительной системы при относительноневысоких скоростях протекания физического процесса.

Применяются фотометры в самыхразных областях жизнедеятельности человека: от медицины (например, в системах измеренияоптических плотностей растворов и аэрозолей) до горно-обогатительных технологий (врентгеновских сцинтилляционных детекторах и др.). Актуальной проблемой созданиявысокочувствительных фотометров является снижение порогового значения оптическоймощности, регистрируемой фотоприемным устройством.Впервые методика расчета чувствительности фотоприемных устройств на основеинтеграторафототокабыларассмотренав[78].Эквивалентнаяшумоваясхемафотоинтегратора с накоплением сигнала на накопительном конденсаторе, используемая в [78],представлена на рис. 1-3.29Рис. 1-3. Эквивалентная шумовая схема фотоинтегратора [78]На схеме введены обозначения: RD – динамическое сопротивление фотодиода, CD –емкость p-n перехода фотодиода, RОА, СОА – входные сопротивление и емкость операционногоусилителя, СI – емкость интегратора, RI – сопротивление разомкнутого ключа интегратора, Is– фототок фотодиода (ФД).

К параметрам операционного усилителя (ОУ) относятся:постоянная времени T0, коэффициент передачи A = A0 / (1+pT0), частота единичного усиленияω1 = A0 / T0. Входное сопротивление операционного усилителя в эквивалентной схемевынесено за пределы четырехполюсника А.Эквивалентные шумовые генераторы токов IN1, IN2 … IN5 и э.д.с. eN описываютслучайные шумовые процессы и имеют спектральные плотности мощности [78]: IN1 дробовые шумы тока фотодиода, S N 1  2qI S A2 Гц ; IN2 - дробовые шумы входного тока ОУ,S N 2  2qIOA A2 Гц ; IN3 - тепловые шумы динамического сопротивления ФД, S N 3 ; IN4 - тепловые шумы входного сопротивления ОУ, S N 4 сопротивления разомкнутого ключа интегратора, S N 5 4kT 2A ГцRD4kT 2A Гц ; IN5 - тепловые шумыROA4kT 2A Гц ; EN - тепловые шумы ОУ,RISE  4kTRn В 2 Гц .Среднеквадратичное значение шумового напряжения на выходе ФПУ, вызванногошумовыми источниками, определяется [99]:tU2N_II2N _ I h ( )d21(1.12)10где h(τ1) – импульсная характеристика исследуемой линейной цепи, определяемая обратнымпреобразованиемЛапласаотпередаточнойхарактеристики.Значениеимпульснойхарактеристики идеального интегратора h(τ1)=1 / CI.

Пороговый ток фотоинтегратораопределяется из условия равенства на выходе среднеквадратичного напряжения сигнала исреднеквадратичного напряжения общего шума.Полученные в [78] выражения рассчитаны для импульсной характеристики идеального30интегратора. Однако, такой подход существенно занижает эквивалентный шумовой ток иприводит к большой погрешности в определении чувствительности фотоинтегратора. Дляпрактических применений необходимо пользоваться более точными выражениями длячувствительности ФПУ на основе интегратора фототока.