скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Побудова підсилювальних трактів скачать рефераты

Побудова підсилювальних трактів

Побудова підсилювальних трактів

Суттєвим обмеженням, що не дозволяє реалізувати розраховану мінімальну потужність (чутливість) на вході фотодетектора є динамічний діапазон сигналу. В реальних системах приймальний пристрій не може постійно діяти при мінімальному рівні потужності, що приймається. Рівень оптичної потужності змінюється внаслідок дії різних чинників, а саме: змінення потужності випромінювача, загасання кабелю, зміни оптичних втрат в місцях з'єднання будівельних довжин оптичних кабелів і т.ін. Тому завжди необхідно задавати певний динамічний діапазон сигналу, що приймається, звичайно він не повинен бути менший 10 дБ. Попередній підсилювач повинен бути лінійним в усьому динамічному діапазоні сигналу, що приймається. До додаткового збільшення динамічного діапазону призводять неминучі коливання рівнів, які завжди з'являються при передачі довгих послідовностей нулів та одиниць, що також призводить до додаткового розширення динамічного діапазону.

Щоб поєднати високоомний вхідний опір підсилювача та широкий динамічний діапазон вводять зворотний зв'язок (рис. 1). Якщо підсилювач має достатнє значення добутку коефіцієнта підсилення на смугу частот, то відношення вихідної напруги підсилювача до струму фотодетектора дорівнює значенню опору в колі зворотного зв'язку. Вплив зворотного зв'язку представляється додатковим джерелом шуму (генератор напруги). Якщо опір зворотного зв'язку великий, додатковий шум може бути незначним. Практично значення опору зворотного зв'язку обмежується потрібним добутком підсилення на смугу частот та динамічним діапазоном.

Головною вимогою до підсилювачів фотострумів для заданих коефіцієнтів підсилення та смуги пропускання є обмеження шумів фотодетектора. Електронні кола не повинні вносити додаткових шумів, що перевищують дробовий шум фотодетектора. Найчастіше використовуються три типи попередніх підсилювачів: середньоімпедансний (СІП), високоімпедансний (ВІП) та трансімпедансний (ТІП), кожний з яких забезпечує різні рівні шумів.

Середньоімпедансний підсилювач (СІП). Структурна схема СІП зображена на рис. 2. Підсилювач має в наявності обернено зміщений фотодіод, резистор навантаження RН та підсилювач. СІП повинен забезпечити задану смугу пропускання (а не мінімум шумів). В цій схемі ширина смуги пропускання F визначається постійною часу вхідного кола t1=RНС1, де С1 - сумарна ємність на вході підсилювача, що дорівнює

С1=Сд+См+Свх,

де Сд - ємність фотодіода, См - вхідна монтажна ємність, Свх - вхідна ємність підсилювача.

Таким чином, для заданої смуги частот, значення RН вибирається з умови

RНЈ(2pFC1)-1,

FЈ (2pRНC1)-1. (1)

Такий підсилювальний тракт є найбільш простим, але він не є оптимальним за чутливістю. В загальному випадку при виборі RН згідно з (1), шум, що викликаний цим резистором, буде значно перевищувати рівень шуму підсилювача, в якому застосовано польовий або біполярний транзистор.

Високоімпедансний підсилювач(ВІП). У високоімпедансному (або інтегруючому) підсилювачі для зниження рівня шуму резистора навантаження фотодіода використано спеціальний підсилювач з великим вхідним імпедансом (Rвх®Ґ, Свх®0), який реалізує метод простої шумової корекції.

Сутність простої протишумової корекції проста. При збільшенні опору резистора навантаження RН, пропорційно йому зростає напруга сигналу на виході фотодетектора. Напруга шуму зростає пропорційно , що забезпечує збільшення відношення сигналу до шуму. Щоб резистор RН не шунтувався вхідним опором підсилювача, необхідно збільшити його вхідний імпеданс. Однак при збільшенні опору RН та вхідного імпедансу підсилювача ширина смуги пропускання вхідного кола зменшується згідно з (1). Для відновлення початкової (потрібної) смуги пропускання потрібен коректор, який являє диференціююче коло з амплітудно-частотною характеристикою, що збільшується пропорційно частоті. Таким чином, ВІП забезпечує мінімум шумів за рахунок звуження смуги пропускання, а коректор відновлює потрібне значення смуги пропускання. В цифрових ВОСП коректор зветься вирівнювачем.

На рис. 3 наведена структурна схема високоімпедансного підсилювача. Підсилювач має зворотно зміщений фотодіод, резистор навантаження (RH), попередній підсилювач з коефіцієнтом підсилення К1, коректор амплітудно-частотної характеристики у вигляді диференціюючого кола, додатковий підсилювач з коефіцієнтом К2, який компенсує послаблення сигналу у коректорі, а також фільтр нижніх частот для обмеження смуги пропускання підсилювача.

Еквівалентна малосигнальна схема ВІП являє триланцюговий активний фільтр та містить вхідний фільтр з елементами R1 та C1, де R1=RHRвх/(RH+Rвх), С1=Сд+См+Свх; попередній підсилювач К1, коректор з елементами R2, r2 та С2, додатковий підсилювач К2, вихідний фільтр нижніх частот з елементами R3, С3.

На рис. 4 наведені логарифмічні амплітудно-частотні характеристики ВІП, що ілюструють принцип корекції.

Передатні характеристики вхідного фільтра, коректора та вихідного фільтра наведені виразами:

, (2)

, (3)

. (4)

Відповідні граничні частоти визначаються елементами цих ланцюгів:

вхідний фільтр f1=(2R1C1)-1, (5)

коректор f1k=(2r2C2)-1; f2k=(2R2C2)-1, (6)

вихідний фільтр f3=(2R3C3)-1. (7)

Параметри вхідного фільтра, коректора та вихідного фільтра пов'язані між собою співвідношеннями

ma=1; R1C1= mR2C2; R2C2 =R3C3,

де m=f2/f1 - параметр корекції, або коефіцієнт розширення смуги, а =R2/r2 - коефіцієнт послаблення низькочастотних складових. У практичних схемах повинні виконуватися умови

m>>1; a<<1.

Доцільне також виконання умов

R1<<4kTF/Iq2; F=0,64m/2R1C1,

R1106Ом; C110 пФ.

В практичних схемах m дорівнює 10-100.

Головним недоліком високоімпедансного підсилювача є його порівняно малий динамічний діапазон, що веде до перевантаження підсилювача низькочастотними складовими. Якщо передаються довгі послідовності символів "1", настає насичення підсилювача, при цьому вхідний ланцюг поводить себе як коло постійного струму. ВІП частіше застосовуються в аналогових оптичних приймальних пристроях. На рис. 5 наведена принципова електрична схема високоімпедансного підсилювача.

В наведеній схемі фотодіод обернено зміщений через резистор Rc, навантаження фотодіода RН=1-100 МОм. Трикаскадний підсилювач здійснює попереднє підсилення з малими шумами. Перші два транзистори утворюють каскодну схему, яка зменшує динамічну вхідну ємність попереднього підсилювача. На третьому транзисторі зібраний емітерний повторювач, необхідний для узгодження підсилювача з коректором. З виходу коректора сигнал подається на головний підсилювач.

Трансімпедансний підсилювач. ТІП схематично відносно простий. Він є найбільш поширеним типом підсилювачів фотострумів, що застосовується як для цифрових, так і для аналогових оптичних приймальних пристроїв. Структурна схема ТІП наведена на рис.7 а.

Структурна схема ТІП складається з обернено зміщеного фотодіода та підсилювача з від'ємним зворотним зв'язком через резистор Rзз. Еквівалентна схема (рис. 7 б) вміщує джерело фотоструму Іс, підсилювач з коефіцієнтом підсилення та вхідним опором Rвх, а також з резистором зворотного зв'язку Rзз. Ємність С1 складається із ємності фотодіода Сд, монтажної ємності СМ, та вхідної ємності підсилювача.

Трансімпеданс ТІП має вигляд

. (8)

При виконанні умов КU>>1, RззRвх (8) спрощується

. (9)

Таким чином, немає потреби у подальшій корекції в смузі частот F при виконанні умови

КU>>2C1RззF,

в цьому разі ZП(j)-Rзз.

Динамічний вхідний опір ТІП RдинRзз/Ku за умови Ku>>1, смуга пропускання визначається як і для простого RС- кола

. (10)

Логарифмічні амплітудно-частотні характеристики ТІП наведені на рис. 8 для випадку розімкненого зворотного зв'язку (це відповідає ВІП з RH=Rзз) та для замкненого зворотного зв'язку. Частоти f1 та f2 дорівнюють

(11)

Трансімпеданси ТІП дорівнюють:

З (12) випливає, що смуга пропускання ТІП приблизно в КU разів більша, ніж у ВІП (якщо виконується RH=Rзз), але трансімпеданс ТІП у КU разів менший, ніж трансімпеданс ВІП, це явище є типовим для усіх схем із ЗЗ, типовим є також збільшення динамічного діапазону шляхом зниження динамічного вхідного опору. Недоліком трансімпедансного підсилювача є звуження динамічного діапазону при зростанні вхідного струму. Для розширення динамічного діапазону при великих вхідних фотострумах опір Rзз шунтується тунельним діодом. Паразитна ємність ЗЗ погіршує характеристики підсилювача, знижуючи його в С1/Сзз разів його коефіцієнт підсилення, та підвищуючи рівень шумів. Для компенсації Сзз у коло зворотного зв'язку вмикають індуктивність, значення якої відповідає умові резонансу в Lзз Сзз - контурі. Основна проблема цих підсилювачів - забезпечення стійкості. Використання загального ЗЗ, що охоплює багатокаскадний підсилювач з великим коефіцієнтом підсилення та високим вхідним імпедансом призводить до самозбудження підсилювача на високих частотах внаслідок виникнення позитивного ЗЗ через паразитну ємність. Аби уникнути цього явища, потрібна оптимальна компоновка схеми та ефективне екранування відповідних елементів схеми. ТІП завжди має деякий додатковий шум у порівнянні з ВІП. На рис. 9 наведена принципова схема ТІП з використання біполярного транзистора.

Перші два каскади підсилювача утворюють каскодну схему, що має малу динамічну вхідну ємність. Емітерний повторювач на виході потрібен для узгодження з низькоомним входом основного підсилювача.