Спектральная характеристика

Отражает зависимость монохроматической, токовой чувствительности S_абс(), или квантового выхода от длины волны. Рассматривают абсолютные спектральные характеристики, в которых фототок рассчитывается на единицу спектральной мощности поглощенного излучения или относительные S() спектральные характеристики, у которых абсолютные значения монохроматической чувствительности выражены в долях максимального значения S_max , то есть S()=S_абс()/S_max .

Спектральная плотность напряжения шума

Отражает распределение среднеквадратичного значения напряжения шума фотодетектора по частоте.

Частотная характеристика фотодетектора. Отражает изменения его чувствительности от частоты модуляции падающего на чувствительную поверхность потока излучения. Вид частотной характеристики связан с инерционными свойствами фотодетектора и нагрузки. Обычно считается, что фотодетектор является апериодическим звеном и токовая чувствительность для него на частоте модуляции потока излучения определяется выражением , где - чувствительность на частоте модуляции потока излучения, -чувствительность на частоте f=0, _фд –собственная постоянная времени фотодетектора.

Энергетическая (световая) характеристика. Отражает зависимость параметров фотодетектора от интенсивности потока облучения при неизменном его спектральном составе. К энергетическим характеристикам относят зависимость токовой S_I и вольтовой S_u чувствительности от потока излучения и сопротивления фоторезистора от освещенности, зависимость фототока от потока излучения.

Вольтовая характеристика S_u. Отражает влияние напряжения питания на величину выходного сигнала, темнового тока и напряжения шумов, порогового потока и способность к обнаружению. К вольтовым характеристикам относится и вольтамперная характеристика, снимаемая при постоянном потоке излучения, как зависимость тока через фотодетектор от приложенного к нему напряжения.

Фоновые характеристики. Отражают зависимость параметров фотодетектора от величины потока излучения фона S(Ф_ф), I_ш(Ф_ф), u_ш(Ф_ф), D^*( Ф_ф).

Тема 12. Структура эквивалентной схемы приемника излучения по сигналу, частотная передаточная функция, амплитудно-частотная характеристика, логарифмическая ачх фпу.

Частотной характеристикой приемника излучения называют зависимость его чувствительности от частоты модуляции потока излучения.

Частотная характеристика отражает динамические свойства приемника – его способность реагировать на быстрые изменения потока излучения. При графическом изображении частотных характеристик ПИ часто используют логарифмический масштаб.

ФПУ работает в широком диапазоне, поэтому не всегда возможно подобрать необходимый фотодетектор. Производиться частотная коррекция. Обычно схема включения ФД и схема включения предусилителя заменяется эквивалентной схемой.

Рис. 1. Эквивалентная схема

Фотодетектор работает на сопряжение нагрузки.

С_св – разделяет цепь включения и следующий каскад (предусилитель);

R_д – характеризует сопротивление делителя на входе усилительного каскада.

;

;

;

[Ом];

;

;

- в знаменателе звено из двух апериодических звеньев;

;

;

- постоянная времени заряда от источника емкости;

- постоянная времени разряда емкости через нагрузку.

Рис. 2.

Коэффициент передачи определяется отношением:

;

.

Чтобы получить амплитудно-чатотную характеристику необходимо:

.

Это выражение показывает, что амплитудно-частотная характеристика может быть представлена в виде последовательно включенных апериодических звеньев.

,

- это постоянные времени в области низких и более высоких частот.

- определяется С_св;

- определяется емкостями в области высоких частот.

; .

Изменяя параметры К_н и С_св , меняем положение и , меняем вид частотной характеристики.

Рис.3.

Обычно нагрузочную цепь можно рассматривать:

.

Если при данном ФД и частоте модуляции коэффициент передачи оказывается не достаточным, осуществляют корректировку в цепи нагрузки в области высоких частот. В нагрузочную цепь ФД ставят ускоряющее звено – дифференцирующую цепь, у которой коэффициент передачи нарастает с увеличением частоты.

Рис. 4. Переходный процесс в апериодическом звене при включении и выключении сигнала на выходе

Рис. 5. Апериодическое звено и дифференцирующее звено

Тема 13. Шумы в фотоприемном устройстве, источники возникновения, оценка интенсивности шумов, описание шумов, классификация, характеристики, отношение сигнал/шум.

Методы приема оптических сигналов

Характеризуясь большим разнообразием схемных решений, оптические приемники в то же время имеют существенные ограничения в использовании методов преобразования оптических сигналов в сигналы электрические. Разнообразие схемных решений оптических приемников относится ко всему фотоприемному устройству, в то время, как все методы преобразования потока излучения можно разделить на три класса: метод прямого фотодетектирования, метод фотосмешения и метод приема в режиме счета фотонов.

Метод прямого фотодетектирования, иногда еще называют энергетическим приемом, заключается в преобразовании потока излучения в электрический сигнал, при котором фотодетектор реагирует на энергетические параметры потока излучения (мощность, энергию), то есть реакцией фотодетектора является строгое соответствие между числом приходящих фотонов и числом созданных фотодетектором электронов.

Если фотодетектором служит идеальный преобразующий элемент (то есть фотодетектор, который реагирует на каждый световой фотон в пределах заданного спектрального диапазона и не реагирует на изменения потока за пределами этого спектрального диапазона, не вносящий дополнительных шумов в поток свободных носителей заряда или фотоэлектронов), то тогда каждый приходящий на чувствительную поверхность фотодетектора фотон будет порождать электрон в цепи его нагрузки.

Отношение числа созданных электронов к числу порождающих их фотонов называют квантовой эффективностью фотодетектора . Следовательно, квантовая эффективность идеального фотодетектора равна =1,0. Для реальных приборов квантовая эффективность всегда меньше <1,0, поэтому ток на выходе фотодетектора под действием потока фотонов будет равен I=Nq, где N-число приходящих фотонов, q-заряд электрона.

На оптический вход фотодетектора полезный сигнал всегда поступает совместно шумами. В силу нелинейности вольт-амперной характеристики фотодетектора ее можно аппроксимировать функцией вида e_вых=ae²_вх+be⁴_вх+сe⁶_вх+…, так как при малых входных сигналах составляющие порядка выше второго малы, то связь между входными и выходными сигналами фотодетектора можно аппроксимировать квадратичной функцией e_вых=ae²_вх. Следовательно, реакцией фотодетектора на входной сигнал (s_вх+ n_вх), будет (s_вых+ n_вых)=a(s_вх + n_вх)²=a(s²_вх+2s_вх n_вх +n²_вх). Первая составляющая в скобках отражает биения между компонентами сигнала и является регулярным сигналом, вторая составляющая возникает в результате взаимодействия сигнала и шумов и, в силу случайного характера последних, является также случайной величиной, третья составляющая отражает результат биений между шумами и также является случайной величиной. Учитывая смысл рассмотренных составляющих, отношение сигнала к помехе на выходе фотодетектора можно представить в виде (s/n)_вых=s²_вх/(2s_вх n_вх +n²_вх).

Фотосмешение. Часто этот метод называют фотогетеродинированием, либо фотогетеродинным приемом. Метод позволяет переходить из одного спектрального диапазона в другой и используется в системах с когерентным, монохроматическим излучением. Суть метода заключается в выделении информационного сигнала из сигнала являющегося результатом биений опорного сигнала (гетеродина) и сигнала несущего информацию.

Сигнал , несущий информацию, на входе фотоприемного устройства смешивается с опорным сигналом гетеродина . Элементом, обеспечивающим смешение двух полей, является оптическое суммирующее устройство в виде полу прозрачной пластины, грани пентапризмы и т.п.

Рис.1. Схема гетеродинного приема оптических сигналов

В результате, интерферируя на суммирующем устройстве, поля сигнала и гетеродина образуют результирующее поле V(t) в параметрах которого содержится информация переносимая входным сигналом , где (_c-_г)=. Действующее на фотодетектор результирующее поле создает на его выходе ток i, в составе которого находится информационная составляющая, выделяемая при настройке электронного тракта на частоту  =(_c-_г), и тогда . Обычно E_г >>E_c. Если принять, что E_с=0, то ток фотодетектора будет определяться только мощностью поля гетеродина , где _г – частота гетеродина,  - квантовая эффективность фотодетектора, q - заряд электрона. Таким образом, так как P_г >>P_c , то основные ограничения на чувствительность фотоприемного устройства будет в основном определяться дробовым ток вызванным током гетеродина.

При равенстве частот полей сигнала и гетеродина _c=_г процесс преобразования носит название гомодинного приема.