Диссертация (1143140), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Зависимости интегральной пороговой чувствительности [дБм] от параметровФПУ на основе ОУ ADA 4817.Образец ФПУ на основе ОУ ADA 4817 с параметрами fmax = 500 МГц, Rf = 1 кОм,Сd = 0,5 пФ, Сf = 0,1 пФ имеет чувствительность P0 эксп = ‒37 дБм, расчетное значение повыражениям Приложения 5 составляет P0 расч = ‒38,5 дБм. На графиках рис. 2-16 и 2-17чувствительность этого ФПУ отмечена черным знаком «×». Другой образец ФПУ с тем же ОУи параметрами fmax = 10 МГц, Rf = 100 кОм, Сd = 0,5 пФ, Сf = 1 пФ имеет чувствительностьP0 эксп = ‒55,5 дБм, расчетное значение по выражениям Приложения 5 составляет P0 расч = ‒56,8дБм. На графиках рис. 2-16 и 2-17 чувствительность этого ФПУ отмечена синим знаком «×».Расчетные значения совпали с экспериментальными с точностью 1,5 – 2 дБ, что подтверждаеткорректность разработанной в диссертации методики расчета чувствительности ФПУ.На рис.
2-18 приведены зависимости интегральной чувствительности ФПУ набиполярном транзисторе (Приложение 3)от частоты следования импульсов присопротивлении трансимпеданса Rf = 5, 10, 100 и 1000 кОм и токах эмиттера Ie = 0,25, 1, 5,10 мА. На рис. 2-19 приведены зависимости тока эмиттера, обеспечивающего требуемуюскоростьследованияимпульсовприразличныхсопротивленияхтрансимпеданса.Экспериментальные значения чувствительности разработанных в диссертации модулей ФПУНЧ, ФПУ-ВЧ и ФПУ-АРУ обозначены на рис. 2-18 точками.
Следует отметить хорошеесовпадение экспериментальных значений с результатами расчётов.82Ф intмкВт1.00.830.620.40.21110Rf=5kRf=10kRf=100kRf=1M100Частота следования импульсов, МГц1000BЭкспериментальные значения чувствительностиразработанных модулей:1 ФПУ-НЧ,2 ФПУ-ВЧ,3 ФПМ-АРУЗависимость интегральной чувствительности от скорости следованияимпульсов при разных сопротивления трансимпедансаа)Ф intмкВт2.52.01.51.00.51100101000Частота следования импульсов, МГц BIe=0.25 мАIe=1 мАЗависимость интегральной чувствительности от скорости следованияIe=5 мАIe=10 мАимпульсов при разных токах эмиттераб)Рис.
2-18. Зависимости интегральной чувствительности от частоты следования импульсовпри различных сопротивлениях трансимпеданса (а) и токах эмиттера (б)IemA8632412110100Частота следования импульсов, МГцRf=5kRf=10kRf=100kRf=1M1000BТок эмиттера, обеспечивающий требуемую скоростьследования импульсов, при разных сопротивления трансимпедансаРис. 2-19. Зависимости тока эмиттера от частоты следования импульсовпри различных сопротивлениях трансимпедансаНа рис. 2-20 приведены расчётные зависимости чувствительности ФПУ на HBT(Приложение 4) от скорости передачи импульсов и от тока коллектора при GL = 7,7·10-4 См;CL = 0,23 пФ; Cf = 0,06 пФ; fc = 7380 МГц; Rs = 10 Ом; β = 107; nb = 1; nc = 1,1.83-20Чувствительность, dBm-22-24-26-28I e = 1 мА-30-321235102Скорость следования импульсов, Гбит/сРис. 2-20.
Расчётная зависимость чувствительности ФПУна HBT от скорости передачи импульсовНарис.2-21приведенырасчётныезависимостичувствительностиФПУспредусилителем на PHEMT в случае квазипрямоугольных входных оптических импульсов иколоколообразных выходных электрических импульсов от скорости передачи данных.Параметры рассчитываемой схемы: τ = 10-12 с; Ls = 15,75 нГн; Ld = 14,5 нГн; Lg = 5,31 нГн;rg = 37 Ом; rgd = 1 Ом; rd = 462 Ом; ri = 7,53 Ом; rs = 3,19 Ом; rds = 4,62 Ом; Cgc = 0,29 пФ;Cgs = 0,42 пФ; Cds = 0,0446 пФ; Rs = 10 Ом; Cd = 0,23 пФ; GL = 7,7·10-4 См; Cf = 0,06 пФ.Зависимости построены для двух значений токов стока Id = 8 мА (PHEMT 1.7) и Id = 28 мА(PHEMT 1.2).
На этом же рисунке показана зависимость чувствительности от скоростипередачи для ФПУ на арсенид-галлиевом полевом транзисторе (GaAs FET) для такой жеконфигурации цепи и Id = 28 мА. Для ФПУ данной конфигурации (FETHz) опубликованыэкспериментальныеданные,согласнокоторымприB = 10ГГцинтегральнаячувствительность составляет –24 dBm [130], –21 dBm [131], –23,3 dBm [132]. Приведённыевыше результаты расчётов на основании методик, предложенных в диссертации, полученыпри исходных данных, имеющих промежуточные значения по сравнению с исходнымиданными других работ [131,132].
Тем не менее, расчётное значение чувствительности –22,3dBm при B = 10 ГГц, которое не представляет труда найти из графиков на рис. 2-21, более чемудовлетворительно соответствует экспериментальным.84-16Чувствительность, dBmFET 1.2-18PHEMT 1.2-20PHEMT 1.7-22-24-26-28I e = 1 мА-30-32-341235102Скорость следования импульсов, Гбит/сРис. 2-21. Расчётная зависимость чувствительности ФПУ с предусилителем на PHEMT отскорости передачи данных для случая квазипрямоугольных входных оптических импульсови колоколообразных выходных электрических импульсовТаким образом, предлагаемая методика позволяет с высокой степенью соответствияэкспериментальным данным рассчитывать чувствительность практически всех возможныхвариантов построения ФПУ.2.4 Радиотехнические ППУ фазомодулированных оптических сигналовВ оптических измерителях физических величин, в частности, квантовых датчикахвращения, световая волна распространяется через чувствительный элемент (ЧЭ), в которомвследствие влияния измеряемого воздействия на чувствительный элемент изменяютсяпараметры световой волны.
В этом смысле рассмотрение основ функционирования такойсистемы может быть разбито на рассмотрение физических эффектов, за счет которыхизмеряемое воздействие модулирует параметры света и на рассмотрение системы,позволяющей зарегистрировать изменение параметров световой волны.Наиболее проста идеология системы регистрации в случае, когда модулируетсяинтенсивность оптического излучения на выходе чувствительного элемента. Изменениеинтенсивности регистрируется ФПУ и такие системы получаются относительно простыми.Более сложный случай, когда в чувствительном элементе изменяется фаза или состояниеполяризации света.
Изменение этих параметров не меняет интенсивность световой волны и нефиксируется фотодетекторами. Для регистрации изменений фазы света необходимоорганизовать интерференцию фазомодулированной оптической волны, например, с опорнойволной, в результате чего будет сформировано регистрируемое фотодетектором ППУ85интерференционное колебание интенсивности с компонентой cos[φ(t)], где разность фазинтерферирующих волн φ содержит целевое колебание фазы сигнального луча.Для регистрации изменения состояния поляризации в простейшем случае необходимопропустить свет через поляризатор (анализатор) в результате чего изменения состоянияполяризацииприводиткколебаниювыходнойинтенсивности,чтоужеможнозарегистрировать фотодетектором.
Оптическое излучение с изменяющимся состояниемполяризации формально описывается почти так же, как интерференция сигналов сизменяющейся разностью фаз. Оптические сигналы с модуляцией состояния поляризации вобщем случае можно рассматривать как суперпозицию сигналов с амплитудно-фазовоймодуляцией, а в ряде частных случаев как суперпозицию сигналов только с амплитудной илитолько с фазовой модуляцией. Таким образом, регистрируемый фотоприемником сигнал вполяриметрических или интерферометрических схемах (интерференционный сигнал) имеетотносительно простую обобщенную структуру [133]u (t ) U 0 U m cos s t (2.55)где φs(t) – разность фаз, содержащая информацию об измеряемой физической величине,действующей на чувствительный элемент (интерферометрический, поляриметрический ит.п.); U0 и Um – постоянная составляющая сигнала и амплитуда интерференционныхколебаний; t – время.Однако регистрация сигнала u(t) не позволяет однозначно определить искомоеколебание φs(t), поскольку передаточная функция u(φ) содержит косинусоидальнуюкомпоненту и, как следствие, является нелинейной и неоднозначной.
Осуществлениеспециальной обработки сигнала u(t) с надежным однозначным определением φs(t) называютдемодуляцией сигналов в датчиках с фазовой модуляцией.Для реализации демодуляции существуют разные подходы. Одним из основных идостаточно универсальных подходов к решению проблемы демодуляции в практическихустройствахсталоинтерференционногоиспользованиесигналавспомогательнойпериодическиммодуляцииколебаниемзаданнойаргументаформы,ψ(t)частогармоническим [134] или пилообразным [135], хотя возможны и другие варианты [136].
В этомслучаесигналu(t)полагаетсяпериодическим(иногдаквазипериодическим)фазомодулированным колебанием с неизвестным искомым квазистатическим параметром φs.Частота модулирующего сигнала f0 должна значительно превышать как максимальнуючастоту измеряемого фазового сигнала φs(t), так и частоты возможного паразитного измененияU0 и Um. При этом сигнал φs(t), медленно меняющийся по сравнению с периодом T0=1/f0, атакже U0 и Um, на некотором относительно коротком временном интервале можноприближенно считать постоянными. Таким образом, для относительно короткого интервала,86на котором определяется некоторое текущее значение фазы φs, регистрируемый сигнал будетсоответствовать выражениюu t U 0 U m cos t s (2.56)где ψ(t) – модулирующий сигнал; φs, U0 и Um являются постоянными на рассматриваемомвременном интервале параметрами.В представлении (2.56) задача демодуляции сводится к определению неизвестнойпостоянной φs (при неинформативных, но также неизвестных параметрах U0 и Um) приизвестной форме ψ(t) на некотором заданном интервале времени t (интервале оценки фазы).Основным решением задачи демодуляции должен быть алгоритм обработки сигнала (2.56),позволяющий найти значение φs на интервале t для заданного вида сигнала ψ(t).
Кроме того,приведенные выражения никак не учитывают возможные шумы того или иного вида, которыебудут присутствовать в сигнале u(t) и приводить к появлению шумов выходного сигнала,полученного в результате демодуляции. Уровень таких выходных шумов и его связь сисходными шумами элементов реальной схемы измерителя может зависеть от способадемодуляции, что так же должно быть включено в комплексные исследования как общихтипов, так и конкретных вариантов реализации демодуляции.Для разработки методов демодуляции и исследования их характеристик важно различатьисходные колебания фазы φs(t) в регистрируемом сигнале (2.55) либо (2.56) и колебания,полученные (в настоящее время обычно в результате численных преобразований) в результатедемодуляции φsr(t). При этом ключевым параметром, характеризующим результатдемодуляции, становится разность этих величин ∆φ(t) = φsr(t) – φs(t).
В идеальном случаедемодуляции ∆φ = 0. С учетом влияния шумов различных элементов схемы ППУ ∆φ(t) будетсодержать шумовую компоненту, отражающую итоговый шум выходного сигнала, которыйограничивает разрешающую способность измерений. Кроме того, ∆φ может быть отлична отнуля вследствие того, что при разработке алгоритма используются приближения, например, φsполагается постоянной на интервале детектирования t.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
