31 Высокоимпедансный усилитель

Если сделать сопротивление нагрузки R_н большим для входного каскада на полевом или биполярном транзисторе, то входной импеданс (полное сопротивление) усилителя (R_ и C_ включенные параллельно) будет высоким. Отсюда и название – высокоимпедансный усилитель. Известно, что большое активное сопротивление минимизирует тепловой шум. Действительно, это основная идея, заложенная в основу высокоимпедансного усилителя. Однако, большое R_н уменьшает ширину полосы пропускания приемного устройства. Для частот, лежащих выше граничной частоты по уровню –3 дБ, определяемой уравнением (11.49), во входном импедансе преобладает влияние емкости C_. Это приводит к тому, что входная цепь интегрирует входной сигнал. Высокоимпедансный усилитель работает на частотах, превышающих ширину полосы по уровню –3 дБ, но при этом усиливает высокие частоты намного хуже, чем низкие. Корректоры (эквалайзеры), размещаемые в приемном устройстве после нескольких каскадов усиления, подавляют низкие частоты сильнее, чем высокие, выравнивая частотную характеристику. Корректором обычно является дифференцирующая цепь, идеально выполняющая функцию восстанавления формы (полосы) передаваемого сигнала. Необходимость в корректоре является расплатой за улучшенные шумовые характеристики высокоимпедансных входных каскадов.

Необходимо подчеркнуть, что приемное устройство с высокоимпедансным входным каскадом имеет малый динамический диапазон из-за большого сопротивления нагрузки. Эта проблема решена в трансимпедансном усилителе, описанном ниже. Когда приложение требует чувствительного (малошумящего) приемника с узким динамическим диапазоном, то наиболее подходящим является высокоимпедансный входной каскад.

Трансимпедансный усилитель

Широкополосный усилитель с отрицательной резистивной обратной связью в англоязычной технической литературе называется трансимпедансным усилителем. Его упрощенная структурная схема приведена на рисунке 11.22. Приемное устройство с трансимпедансным усилителем обладает широким динамическим диапазоном. Оно с высокой линейностью преобразует оптические сигналы, уровни мощности которых изменяются в пределах нескольких декад, потому что практически все напряжение смещения приложено к диоду даже когда на него поступает достаточно большая мощность, вызывающая большие фототоки. Это поведение иллюстрируется с помощью рисунка 7.12.

Резистор обратной связи создает тепловой шум. Во всех предшествующих соотношениях при расчете теплового шума и значения ОСШ вместо R_н следует подставлять R_ос. Резистор обратной связи должен иметь большую величину, чтобы минимизировать шум С  1/R_ос и максимизировать выходное напряжение (iR_ос). Цепь обратной связи содержит параллельную (паразитную) емкость С_ос, которая ограничивает ширину полосы пропускания до

f_{-3 дБ} = 1/2R_осС_ос. (11.44)

Эта запись подобна соотношению (11.43) для схемы без обратной связи. Однако, емкость цепи обратной связи может быть намного ниже, чем входная емкость C_ для схем без обратной связи. Таким образом, значение R_ос. может быть большим, чем R_н для заданной ширины полосы, что уменьшает шум, а значит, улучшает чувствительность приемного устройства. Аналогично, если R_ос = R_н, то трансимпедансный входной каскад будет иметь бόльшую ширину полосы пропускания, чем усилитель без обратной связи.

Трансимпедансный входной каскад обладает шумовыми параметрами, приближающимися к токовым параметрам малошумящего высокоимпедансного усилителя. Он имеет более широкий динамический диапазон и бьльшую ширину полосы пропускания, чем высокоимпедансный усилитель. Если еще учесть, что не требуются корректирующего каскада, то становится ясно, почему трансимпедансный усилитель так популярен в волоконно-оптических приемных устройствах.

В таблице 11.3 сравниваются варианты возможных схем построения входного каскада. Напомним, что когда используется ЛФД, значение ОСШ меньше зависит от уровня теплового шума, чем в случае применения p–i–n-детектора. Другими словами, сам ЛФД определяет значение ОСШ, а не предусилитель. Если дело обстоит так, то проектировщик системы должен рассмотреть использование самой простой схемы входного каскада в случае примененияЛФД.