Диссертация (1143140), страница 21

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

Текст из файла (страница 21)

При обеспечении штатного уровня на входе АМ,выходная мощность затвора составляет 7 дБм, соответственно мощность света на входе ФПУсоставляет ~ 70–80 мкВт.В качестве фотоприёмного устройства (далее ФПУ) используется доработанный ФПУThorlabs PDA10CF-EC. При доработке ФПУ проведена замена фотодиода, внесены измененияв схемы каскадов усиления и согласования в результате чего, снижен уровеньсреднеквадратичного отклонения собственных шумов на выходе с 1,4 мВ до 140 мкВ в полосе20 МГц, обеспечено отрицательное смещение минус 0,5 В на выходе ФПУ при отсутствииоптической мощности на входе ФПУ, обеспечено согласование с платой АЦП-ЦАП макетадемодулятора.На основании проведенных измерений можно сделать следующие оценки вклада шумаФПУ в фазовый шум демодулятора.

С учетом дополнительного возможного снижениясигнальной компоненты в 4 раза (запас по мощности 6 дБ) 2  U rmsU pp  F,(2.65)где Urms – СКО шума на выходе PXIe-7976R и NI 5783 с Thorlabs PDA10CF-EC, Upp –максимальный размах сигнала на входе АЦП, η – относительный (в разах) уровень мощностипо отношению к максимальному, ΔF – полоса анализа. ФПУ 2  U rms12  0.17 мВ1U pp  0,25 F2 В  0,25250  10 3 [ Гц](2.66) ФПУ  1,36 мкрад / ГцТаким образом, шум, вносимый ФПУ Thorlabs PDA10CF-EC при использованииадаптера PXIe-7976R составляет 1,36 мкрад/√Гц.Нарис.2-25представленырасчетныеАЧХизависимостиспектральнойчувствительности ФПУ демодулятора, на рис. 2-26 – зависимость интегральнойчувствительности ФПУ на основе ОУ OPA 847 от сопротивления обратной связи приразличных отношениях сигнал/шум по предложенной в диссертации методике расчетаинтегральной чувствительности фотоприемных устройств в соответствии с выражением (251).

Параметры ФПУ, используемые в расчетах, соответствуют экспериментальному образцус высокочастотным ОУ OPA 847 (граничная частота f1 = 3,9 ГГц) и имеют значения IG = 1 нА,gm = 5 См, К1 = 0,15; К2 = 0,1; К3 = 0,5; rs0 = 16 Ом, rd = 12 Ом, Сgs = 1 пФ, Cdg = 1 пФ,rs pd = 20 Ом, Cd = 1 пФ, Rf = 2 кОм, Cf = 0,6 пФ, f1 = 3,9 ГГц, S = 0.9 А/Вт.96а)б)Рис. 2-25.

Амплитудно-частотная характеристика а) и спектральная чувствительность б)ФПУ на основе ОУ OPA 847Рис. 2-26. Зависимость интегральной чувствительности ФПУ на основе ОУ OPA 847 отсопротивления обратной связи при различных отношениях сигнал/шумНа рис. 2-27 представлены расчетные зависимости минимальной детектируемойдевиации фазовой модуляции, определяемой шумами ФПУ, по предложенной в диссертацииметодике расчета интегральной чувствительности фотоприёмных устройств в соответствии свыражением (2.63).

Параметры демодулятора фазомодулированных оптических сигналов:крутизна по фазе S f = 10-1 ÷ 10 1/рад, Pin ФПУ = 80 мкВт, SNR = 1.Рис. 2-27. Зависимости минимальной детектируемой девиации фазовой модуляции,определяемой шумами ФПУ, от крутизны по фазе97Экспериментальное значение минимальной спектральной девиации фазы, определяемойшумами ФПУ, соответствует измеренной на экспериментальной установке крутизне по фазеS f = 1.6 [рад]-1, на графике отмечено знаком «×» и совпадает с расчетом с точностью5 ÷ 10 процентов. Таким образом, методика расчета чувствительности фотоприемныхустройств, предложенная в диссертации, позволяет осуществлять обоснованный выборпараметров ФПУ для удовлетворения техническим требованиям к радиотехническим ППУфазомодулированных оптических сигналов с учетом применения в оптической схемемультиплексирования сигналов нескольких датчиков физических величин.Раздел 2.4 выполнен в рамках проекта «Исследование характеристик квантового датчикавращения на основе методов математического моделирования с использованием гибриднойсуперкомпьютерной платформы и верификацией экспериментом», выполненного прифинансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамкахФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014—2020 годы (соглашение № 14.578.21.0211,уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57816X0211)»2.5.

Выводы по Главе 21. Предложен метод расчёта чувствительности фотоприёмных устройств волоконнооптических линий связи на основе метода эквивалентных канонических шумовых схем. Методпозволяет использовать выражения для коэффициента шума усилителей, методы анализакоторого хорошо разработаны, в том числе, в Главе 2 диссертации.2. Для предусилителей ФПУ на биполярных (BiTrHz и BiTrTz) и полевых (FETHz иFETTz) транзисторах разработана методика расчёта коэффициента шума для случаяобобщённой ООС через известный коэффициент шума усилителя без обратной связи.Поскольку в литературе имеется обширный материал по исследованию коэффициента шумаразличных усилительных схем, эта методика часто оказывается предпочтительной.3. Получены соотношения для шумовых параметров (сопротивления, проводимости,корреляционных составляющих) с учётом общей отрицательной обратной связи.

Полученывыражения среднеквадратичного значения полного шумового тока для эквивалентнойканонической схемы ФПУ. Эти соотношения использованы при расчёте ФПУ с ООС.4. Метод эквивалентных канонических шумовых схем легко может быть формализовани распространён на случаи использования в ФПУ усилителей на биполярных транзисторах с98гетеропереходом (HBT), псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов(PHEMT), арсенид-галлиевых полевых транзисторов (GaAs FET) в микроволновом диапазоне.5. Результаты теоретических расчётов чувствительности ФПУ находятся в хорошемсоответствии с экспериментальными значениями, как полученными в процессе собственныхисследований автора работы, так и опубликованными другими исследователями для широкогоспектра используемых в ФПУ активных элементов (биполярные транзисторы, полевыетранзисторы, транзисторы с гетеропереходом, псевдоморфные транзисторы).

Кроме того,разработаннаяавторомдиссертацииметодикарасчётачувствительностиуспешноиспользовалась при проектировании целого ряда отечественных ФПУ на НПО «Авангард», вСПбПУ, в НПО «Волна», в МГП «Ротек», в «Фобос-3» и др. Всё это подтверждаеткорректностьразработаннойвдиссертацииметодикирасчётачувствительностифотоприёмных устройств.6. Методика расчета чувствительности фотоприемных устройств, предложенная вдиссертации, позволяет определять значение минимальной детектируемой девиации фазовоймодуляциирадиотехническиххарактеризующейППУфундаментальноефазомодулированныхограничениешумамиоптическихФПУ,ссигналов,точностью5 ÷ 10 процентов, что позволяет осуществлять обоснованный выбор параметров ФПУ дляудовлетворения техническим требованиям к радиотехническим ППУ фазомодулированныхоптических сигналов с учетом применения в оптической схеме мультиплексированиясигналов нескольких датчиков физических величин.Материалы Главы 2 опубликованы в работах автора [A3, A4, A26, A27, A36, A39, A40,A42 ÷ A50]99Глава 3.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства на основе интеграторовфототокаВ Главе 3 обосновывается усовершенствованная методика расчета чувствительностифотоприёмных устройств ППУ с интегрированием фототока. Интеграторы фототокасоставляют основу оптических фотометров, входящих в состав ППУ и позволяющихпрецизионно измерять чрезвычайно малые световые потоки.

ППУ на основе интеграторовфототока используются в физическом эксперименте в том случае, если необходимо получитьпредельно достижимую чувствительность оптической измерительной или регистрирующейсистемы при относительно невысоких скоростях протекания физического процесса.Актуальной проблемой создания высокочувствительных ППУ на основе интеграторовфототока является снижение порогового значения оптической мощности до уровней 10-15 Вт.В оптико-электронных системах на основе ППУ с интегрированием фототока требуетсяразработкаисовершенствование:1)методикиточногорасчетачувствительностифотоинтеграторов с учетом реальных импульсных характеристик усилителей заряда иэквивалентныхшумовыхисточников,2)методикирасчетачувствительностифотоинтеграторов с использованием фотоэлектронных умножителей.

Интеграторы фототокаиспользуются в ППУ газоанализаторов на основе эффекта проявления МоЯК и в ППУрентгено-абсорбционных сепараторов.3.1 Передаточная характеристика фотоинтегратораУпрощенная эквивалентная схема фотоинтегратора представлена на рис 3-1.RИСИ-RdСd+IcU1RоуСоуОУАU2Рис. 3-1. Упрощенная эквивалентная схема фотоинтегратораНа схеме введены обозначения: Rd – динамическое сопротивление фотодиода; Cd –емкость p-n перехода фотодиода; Rоу , Cоу – входные сопротивление и емкость операционногоусилителя; CИ – емкость интегратора; RИ – сопротивление разомкнутого ключа; I c – фототокфотодиода (ФД). К параметрам операционного усилителя (ОУ) относятся: постояннаявремени T0 , коэффициент передачи A  A0 1  pT0  , частота единичного усиления  1  A0 T0100Входное сопротивление операционного усилителя в эквивалентной схеме вынесено запределы четырехполюсника А.Система уравнений по методу узловых потенциалов (без учета шумовых источников):Узел 1: I C U1 U1Rd RоуУзел 2: U 1  U1U U2 101ZИp(Cd  Соу )(3.1)U2,Aгде через Z И обозначен импеданс параллельного соединения емкости интегратора исопротивления разомкнутого ключа, то есть Z И 11pC И RИ.Решение системы уравнений относительно входного сигнального тока:IC  1U 2  11 p Cd  Cоу   (1  A) pCИ  A  Rd Rоу RИ(3.2)Учитывая, что A  A0 1  pT0  и опуская промежуточные выкладки, передаточнаяхарактеристика фототока в выходное напряжение H ( p) определяется выражением:H I ( p) 1 T 1T (C  Cоу  CИ )T11 p2  0 d p 0  0  CИ   p 0 A0 A0 Rd A0 Rоу Rd A0 Rоу A0 RИ Учитывая, чтоH I ( p) 11 0 , упрощаем:0 иA0 RоуA0 RdRИ1p  11C1 RИИ2 0  0   1 Rd  1 RоуRИ (Cd  Cоу  CИ )p(3.3)2(3.4)Введем обозначения:0 A01T0 (Cd  Соу  CИ ) RИ(Cd  Соу  CИ ) RИ(3.5) 1RИ112d    1CИ R И Rd Rоу  1 (Cd  Соу  CИ )Выражение передаточной характеристики, таким образом, имеет вид:Приближение А) H I ( p) RИp2 02 2d Удобно ввести обозначенияp0(3.6)1101 111RИ    1СИ 2d RИ Rd Rоу0m(3.7)114d 2 1  Сd  Соу  CИ  111RИ    1СИ  RИ Rd Rоу2Тогда выражение передаточной характеристики приобретает вид:RИH I ( p) p2 02 2d p01RИRИ 2,p  m  p  1  m  p  p1  p  p2 2 2(3.8)где p1 и p 2 - корни уравнения p 2 2 m  p  1  0 :p1  1  1  4m 1  1  4m; p2 .2m2m(3.9)Приближение Б) Рассмотрим предельный переход RИ   , то есть пренебрегаемсопротивлением открытого ключа сброса фотоинтегратора.Выражение передаточной характеристики в этом случае преобразуется к виду:1H I ( p) p2CИ Сd  Соу 1p1  1CИRd11p  11  1CИ  p(CИ  Сd  Соу )  1  Rd Rоу(3.10)Приближение В) При предельных переходах Rd   и  1   приходим кпередаточной характеристики идеального фотоинтегратораH I ( p) 3.21pCИ(3.11)Амплитудно-частотные характеристики фотоинтегратораАмплитудно-частотнаяхарактеристика(АЧХ)фотоинтегратораопределяетсявыражением:Приближение A)H ( ) RИ2    1  2    2d 0  0  22(3.12)ФПУ представляет собой цепь второго порядка с характеристической частотой ω0 икоэффициентом затухания d.

Характеристики

Список файлов диссертации