8.3.1 Фотоприемник с интегрирующим усилителем
Интегрирующий усилитель – усилитель с большим входным сопротивлением, содержащий корректирующий контур (КК) показан на рисунке 8.9.
Рисунок 8.9
Частотная зависимость коэффициента усиления, создаваемая КК, компенсирует искажения, вносимые входной цепью
(8.12)
где К0
– коэффициент усиления интегрирующего
усилителя (ИУ) при
.
Поэтому напряжение сигнала Uс
на выходе ИУ: Uc=UвхK(jΩ).
Выражая величины Uвх
и К(jΩ)
из (4.6) и (4.12) найдем:
(8.13)
Таким образом, напряжение сигнала на выходе ФПУ, при идеальной коррекции, от частоты не зависит. Практически полоса пропускания ФПУ в этом случае ограничивается шумами.
В ФПУ и ИУ как это следует из равенства (8.12) коэффициент усиления растет с увеличением частоты. На высоких частотах это может привести к перегрузке усилителя, и как следствие, к возникновению нелинейных искажений. Чтобы этого не произошло, напряжение на входе ИУ уменьшают, что ведет к уменьшению динамического диапазона восстановленного сигнала. Это является недостатком данного ФПУ.
8.3.2 Фотоприемник с трансимпедансным усилителем
Трансимпедансный усилитель (ТИУ) – усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению (показан на рисунке 8.10) введенной через сопротивление Zос.
Рисунок 8.10
Эквивалентная схема ФПУ c ТИУ приведена на рисунке 8.11.
Рисунок 8.11
В сопротивлении R и емкости С этой схемы учтены входное активное сопротивление и входная емкость усилителя. Из схемы 8.11 найдем:
(8.14)
где
,
,
Из 8.14 найдем напряжение сигнала на выходе ФПУ.
(8.15)
Из (8.15)найдем действующее значение напряжения Uс при активном характере Zос: Zoc=Roc.
(8.16)
Что бы величина
Uc
не зависела от частоты Ω, нужно выполнить
условие:
. Это условие упрощается, если положить,
что
,
.
Тогда условие запишется в виде:
.
При этом из (8.16) находим
(8.17)
то есть, напряжение на выходе ФПУ и ТИУ не зависит от частоты.
В ФПУ с ТИУ динамический диапазон сигнала большой (30 дБ и более). Однако, при больших величинах усиления K и широкой полосе пропускания ΔF на одной из частот этой полосы обратная связь может стать положительной, что может привести к самовозбуждению. В современных ВОСП чаще всего применяют ФПУ с ТИУ, так как введение ООС позволяет получить не только значительный динамический диапазон и малые нелинейные искажения, но и стабилизацию режима работы усилителя.
8.3.3 Отношение сигнал/помеха на выходе фпу
При вычислении отношения сигнал/помеха следует иметь в виду, что кроме фотодиода, шумы в ФПУ вносит и усилитель. Собственные шумы усилителя содержат следующие составляющие:
тепловые шумы,
дробовые шумы,
полупроводниковые шумы.
Максимальный вклад вносят, как правило, тепловые шумы.
Отношение сигнал/помеха на выходе ФПУ (ε) определим в таком виде:
где Uс – действующее значение сигнала на выходе ФПУ,
σ – среднеквадратичное значение помехи.
Упрощенное выражение для ε имеет вид:
(8.18)
где Dш
- коэффициент шума усилителя (в разах).
Обычно отношение сигнал/помеха задано так: для ВОСП аналоговых ε>200, для цифровых ε зависит от заданной вероятности ошибки по битам (BER) и типа кода. Для двоичного кода зависимость ε=F(BER) приведена в таблице 8.1.
Таблица 8.1 – Зависимость ε=F(BER) для двоичного кода.
ε |
6 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
BER |
1,5·10-3 |
3,6·10-6 |
3,0·10-7 |
2,0·10-9 |
1,0·10-9 |
4,0·10-11 |
1,3·10-12 |
3,25·10-14 |
A,дБ |
15,3 |
19,1 |
20 |
20,8 |
21,6 |
22,2 |
22,9 |
23,5 |
Здесь А, дБ – защищенность сигнала от помехи на выходе ФПУ. А=20lgε.
Контрольные вопросы:
- Что представляет собой фотоприемное устройство?
- Чем отличаются прямое детектирование и детектирование с преобразованием?
- Какие элементы входят в ФПУ с прямым детектированием? Какое они имеют назначение?
- Какие элементы входят в ФПУ с преобразованием? Какое они имеют назначение?
- Какие усилители применяются в ФПУ?
- Какой тип ФПУ имеет более высокую чувствительность?
- Какие достоинства и недостатки имеют усилители ФПУ?