8.3 Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полосы пропускания
В фотоприемных устройствах в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.
Схема фотоприемника в общем случае содержит фотодиод (ЛФД или p-i-n ФД), соединенный с усилителем (рисунок 8.5).
Рисунок 8.5
На ФД через сопротивление Rс от источника постоянного напряжения Еп подается запирающее смещение. Емкость Ср отделяет вход усилителя от источника питания. Фотодиоды выполняют функцию линейного детектора, поскольку оптическая мощность на входе ФД Ри и фототок Iф связаны линейной зависимостью.
(8.5)
Характеристика детектирования изображена на рисунке 8.6.
Рисунок 8.6
Она линейна до некоторого значения пороговой мощности Ри вх = Рп. При превышении порога (Ри вх>Рп) ФД может вносить нелинейные искажения, при Ри вх = 0 существует темновой ток Iф=Iт, ограничивающий минимальное значение преобразуемой оптической мощности.
Эквивалентная
схема входной цепи ФПУ с ЛФД приведена
на рисунке 8.7а. Здесь Rф,
Cф
– сопротивление и емкость закрытого
ФД, r
– сопротивление соединительных проводов
и контактов, См
– монтажная емкость схемы, Rс
– сопротивление смещения. Входное
сопротивление усилителя Zy
в общем случае – комплексная величина
,
то есть Ry
и Сy
– активная составляющая и входная
емкость усилителя. Обычно r
много меньше
,
,
,
поэтому эквивалентную схему входной
цепи ФПУ можно упростить
,
Рисунок 8.7
Из рисунка 8.7б определим напряжение сигнала Uвх на входе усилителя ФПУ:
(8.6)
где
,
F
– частота модулирующего сигнала
Рисунок 8.8
Частотная
характеристика напряжения Uвх
представлена на рисунке 8.8. На частоте
F=0
входное напряжение максимально: Um=IфMR.
На частоте Fm=
напряжение уменьшается в
раз:
.
Полоса частот от 0 Гц до Fm
и является полосой пропускания входной
цепи ФПУ.
С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприемным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, то есть оптической и электрической полос.
Оптическая полоса пропускания входной цепи ограничена частотой модулирующего сигнала FMO, на которой уровень оптической мощности РМО уменьшается на 3 дБм
(8.7)
Электрическая полоса пропускания ограничена частотой модулирующего сигнала FМЭ на которой уровень фототока уменьшается на 3 дБ
(8.8)
Можно сравнить
(8.9)
Установлено, что для импульсных сигналов, передаваемых в ВОСП, имеется следующее соотношение между скоростью передачи, электрической и оптической полосами пропускания
(8.10)
(8.11)
где Fmэ – электрическая, Fmo – оптическая частоты ограничивающие полосу пропускания, а соотношения (8.10) и (8.11) соответственно относятся к форме импульсов прямоугольной и гауссовой.
Для расширения полосы пропускания ФПУ применяют специальные схемы усилителей, которые усиливают весьма малый по значениям фототок (от единиц до сотен микроампер).