Диссертация (1143140), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Экспериментально такжеподтверждено основное упрощающее предположение методики расчёта коэффициента шумаусилительных схем с общими отрицательными обратными связями об эквивалентности покоэффициенту шума неэквивалентных по коэффициенту передачи схем усилителя сзамкнутой и разомкнутой петлёй ОС.Таким образом, предложенная методика расчёта коэффициента шума усилительныхсхем с общими отрицательными обратными связями позволяет упростить формулы исущественно уменьшить объём вычислений. Приближённые формулы с хорошей точностьюотражают зависимости коэффициента шума от параметров схем в широком диапазоне ихизменения.

Кроме того, эта методика может быть распространена и на другие схемныерешения широкополосных усилителей, в частности, с использованием каскадов на полевыхтранзисторах.702.2. Методика расчета интегральной чувствительности ФПУ2.2.1 Амплитудно-частотные характеристики ФПУВолоконно-оптические системы передачи информации, как цифровые, так и аналоговые,должны обладать достаточной полосой пропускания и иметь определенную форму АЧХ.Поскольку фотодиод является источником тока, а выход усилителя должен обладать большойнагрузочной способностью (т.е. низким выходным сопротивлением), передаточные свойстваусилителя фототока удобно характеризовать сопротивлением преобразования Z п р U вых.iфТогда среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе линейной части ФПУопределяется выражением:Uш 2 I fш2 Zпр df2(2.27)0где Iш  f  - спектральная плотность эквивалентного шумового тока ФПУ, приведенного ко2входу.Чувствительность ФПУ резко ухудшается с ростом полосы частот, поскольку Iш f 2возрастает на верхних частотах, пропорционально ω2.

Следовательно, для улучшениячувствительности следует максимально уменьшить полосу частот. Однако, при уменьшенииполосы пропускания в системах связи, использующих импульсные сигналы или цифровуюкодировку (ИКМ, ЧИМ, ВИМ и др.), увеличивается длительность фронтов импульсов, врезультате чего происходит наползание предыдущих импульсов на последующие. Этотэффект получил название межсимвольной помехи. Таким образом, в системах связисуществуетоптимальнаясточкизрениячувствительностиполосапропусканияфотоприемного устройства, которая определяется компромиссом между межсимвольнойпомехой и шумами в полосе частот.Для цифровых систем с фиксированной скоростью передачи амплитудно-частотнаяхарактеристика ФПУ может определяться формированием выходного сигнала в виде«приподнятого косинуса». Указанная форма выходных импульсов, характеризуемая нулямина границах тактовых интервалов, соответствует применению фильтров с полосойпропускания B/2 (B – скорость передачи данных), например, фильтра Найквиста.Дляцифровых ФПУ, использующих фильтры (корректоры формы) для формирования выходныхсигналов типа «приподнятого косинуса», интегральную чувствительность для p-i-n фотодиодапредставляют в виде [79-83]P0 Q4kT  aBI 2  bB3 I 3 S(2.28)710022  yгде введены обозначения: I 2   HT  y  dy , I 3   HT  y  y 2 dy , HT  y   H out  2 y T   H outH p  2 y T H p  y , H out  и H p  – Фурье-образы выходного и входного импульсов соответственно,y=f/B=fT– нормированная частота, B – скорость передачи цифровых данных, Q –коэффициент, зависящий от вероятности ошибки (Q = 6 при Pош = 10-9).Выражения I'2,I'3 известны как интегралы Персоника, значения I'2 = 0,5628, I'3 = 0,0304 [79].В цифровых ФПУ с фильтрами B/2 и корректорами формы выходного импульсанаблюдается подъем АЧХ в области верхних частот, который может достигать значения всотни раз по отношению к средним частотам, в результате чего резко снижается динамическийдиапазон ФПУ.

Форма входных импульсов определяется дисперсией в волокне и,соответственно, меняется от длины и типа волоконно-оптического кабеля. Но формавыходного сигнала всегда должна иметь вид «приподнятого косинуса». Это означает, чторадиотехническое решение, определяющее АЧХ ФПУ, зависит от длины, типа волоконнооптического кабеля и параметров оптического излучателя. ФПУ данного типа применяютсяна магистральных и глобальных волоконно-оптических линиях связи.В многих применениях фильтры B/2 не используются. В этом случае для всех типовусилителей комплексный коэффициент передачи ФПУ можно представить в видедвухполюсной моделиZ пр Z01  j      m2(2.29)Параметры τ – постоянная времени ФПУ и m – коэффициент автокоррекции задают формуамплитудно-частотной характеристики ФПУ, Z0 – сопротивление преобразования на среднихчастотах.

Представление сопротивления передачи в виде двухполюсной функции наиболееприемлемо для описания широкополосных устройств и широко используется в литературе[129,97,85,93,98]. В [96] приведен метод приближенного расчета цепей, который позволяетсвести изучение процесса с характеристическим уравнением более высокого порядка канализу уравнения второго порядка, то есть к виду (2.28).Кроме того, двухполюсная модель адекватно описывает АЧХ ФПУ, в котором сигналфотодетектора усиливается операционным усилителем (ОУ). Эквивалентная схема ФПУ свключением операционного усилителя в инвертирующем режиме представлена на рис. 2-11.72RfCfIsCdUinRinCinKU in UoutРис.

2-11. Эквивалентная схема ФПУ на инвертирующем ОУ.На схеме введены обозначения: Is - источник фототока, Cd - емкость фотодиода; Rin, Cin входные сопротивление и емкость ОУ; Rf, Cf - сопротивление и емкость цепи обратной связи,K(jω) - частотно-зависимый коэффициент передачи по напряжению операционного усилителя(ОУ) без обратной связи.Первый закон Кирхгоффа для узлов Uin и Uout:U in  U out  1  j R f C f   0U I s  U in  j  Cd  Cin   in RinRfU out   K  j  U in(2.30)Частотно-зависимый коэффициент передачи по напряжению ОУ без обратной связиопределяется выражением K  j   K0 1  j OA  , где K0 - коэффициент усиления ОУ нанизкой частоте,  OA - постоянная времени ОУ, определяемая выражением  OA  K0  1 , где  1- частота единичного усиления ОУ. Из системы уравнений (2.30) определяется значение Zпр вприближении Rf << Rin, Ko >> 1:Z пр Rf  R f  Cd  Cin  C f1 12   j  R C  1  f f 1 откуда следует Z 0  R f ,   R f C f 11иm(2.31)R f  Cd  Cin  C f 1  1   Rf C f  1 2(2.32)Тогда АЧХ ФПУ имеет вид:RfZ пр (2.33)  R f  Cd  Cin  C f  1 1   2  Rf C f 11 Амплитудно-частотные характеристики ФПУ при различных ёмкостях фотодетектора222представлены на рис.

2-12. Расчеты проведены при Rf = 1 кОм, Сf = 0,1 пФ, Rin = 500 ГОм,Сin = 0,1 пФ, ω1=1050 МГц, что соответствует операционному усилителю ADA4817 (AnalogDevices).73Рис. 2-12. Амплитудно-частотные характеристики ФПУ на ОУ ADA4817Экстремумы на амплитудно-частотных характеристиках определяются внутрисхемнойавтокоррекцией, амплитуда пика определяется коэффициентом автокоррекции m, которыйпринимает значения от 0,7 (при Сd = 0,1 пФ) до 26 (при Сd = 10 пФ). Зависимости постояннойвремени ФПУ τ и коэффициента автокоррекции m от сопротивления обратной связи Rf,ёмкости обратной связи Cf и ёмкости фотодиода Cd ФПУ на основе операционного усилителяADA4817 представлены на рис.

2-13.а)б)в)г)Рис. 2-13. Зависимости коэффициента автокоррекции m и постоянной времени ФПУ τ ота) сопротивления обратной связи Rf, б) ёмкости фотодиода Cd, и в) и г) ёмкости обратнойсвязи Cf ФПУ на основе операционного усилителя ADA481774Коэффициент автокоррекции m значительно растет с увеличением ёмкости фотодиода,что приводит к росту выброса амплитуды на фронте импульса и снижению устойчивостиФПУ.

Наиболее эффективным способом компенсации роста коэффициента коррекцииявляется увеличение ёмкости обратной связи Cf ФПУ.2.2.2 Методика расчета интегральной чувствительности фотоприемных устройствПороговая интегральная чувствительность ФПУ равна значению оптической мощностина входе, при которой среднеквадратичное значение выходного напряжения полезногосигнала равно среднеквадратичному значению напряжения шума во всей полосе частот навыходе ФПУ. Для определения интегральной чувствительности ФПУ составляется уравнениеU ш2  U s2(соответствует отношению сигнал/шум единица), из которого определяетсяпороговое значение сигнального тока I s , при котором среднеквадратичное значениевыходного напряжения полезного сигнала равно среднеквадратичному значению выходногонапряжения общего шума. Интегральная чувствительность ФПУ при заданном отношениисигнал/шум (SNR)Pint  SNR I sS(2.34)где S – токовая чувствительность фотодетектра [А/Вт].С учетом (2.29) выражение (2.34) для определения интегральной чувствительностифотоприемного устройства преобразуется к виду:Pint SNR 1S20IТН  In 22eFav pd  I s  IТМ  2   2M  Md2221    m   (2.35)которое в случае использования p-i-n ФД упрощается к виду:Pint pinSNR 4kTS120C  2D21    m   22d(2.36)где C – частотно-независимая и D – частотно-зависимая компонента среднеквадратичногозначения источника шумового тока, приведенного ко входу усилителя.

C и D определяютсягруппировкой слагаемых при степенях ω0 и ω2 в выражении среднеквадратичного значенияшумового тока In 2 . Выражения компонент C и D приведены в Приложениях 1-5.В зависимости от величины коэффициента m возможны три режима работыфотоприемного устройства:1) Апериодический режим (корни характеристического уравнения действительные, но75не равные друг другу величины) имеет место при m  0.25 .2) Критический режим (корни характеристического уравнения действительные и равныемежду собой величины) наступает при m  0.25 .3) Колебательный режим (корни характеристического уравнения взаимно-сопряженныекомплексные величины) имеет место при m  0.25 .В фотоприемных устройствах волоконно-оптических линий связи используетсяколебательный режим как обеспечивающий наибольшее быстродействие ППУ. ИнтегралыI2 d 1    m   22(2.37)20I3  2 d 1    m   2220входящие в (2.36), являются обобщением интегралов Персоника для передаточнойхарактеристики широкополосного усилителя фототока.

Характеристики

Список файлов диссертации