Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ) (стр. 6 из 11)

где Р_св – падающая на ФД оптическая мощность.

η – квантовый выход.

h – 6,63·10^-34 – постоянная Планка

ν – частота света.

При Р_св на выходе НЛПН равном 0,5мВт на ФПУ будем иметь :

I_ф0=А·Р_св/D ; где : D – потери в линии.

С учетом потерь на двух оптических разъемах(α=1дБ/км) и затуханием ОК(α=1дБ/км) суммарные потери D=3дБ/км, что составляет 10lgD=10lg3=0,5 раз.

А = 0,7 Вт/А

Подставляя фототок I_ф0 в выражение(1) и (2) получим следующие соотношения

i²_ш,ф0 = 2

I_ф0Δf = 32·10^-19·1,75·10^-4 = 5,6·10^-15А²

i²_ф,ш= I²_ф0·10^RIN/10·Δf = (0,175·10^-3)²·10^-15·106 = 3,06^-1·10^-17A²

т.е. мы получили ,что шумовой ток ,создаваемый постоянной оптической мощностью за счет RIN на два порядка меньше шумового тока , создаваемого постоянной фоновой засветкой и, соответственно, его влиянием в нашем случае можно пренебречь.

Таким образом , чем меньше ток базы . тем меньше шумы транзистора, но при малых токах ухудшается h₂₁ ,а также ухудшаются частотные свойства , ухудшается f_т, поэтому для вышесказанного частотного диапазона компромиссным решением будет использование СВЧ транзистора при токах покоя .

I_к ≈ 1÷2 мА

Формула коэффициента шума показывает справедливость этих допущений.

Например, при R_г = 1 кОм (эквивалентное сопротивление нагрузки ФД по переменному току ) , более нежелательно из-за больших частотных искажений.

При f_в ≥ 400МГц необходимо использовать СВЧ транзистор 2Т3114В-6 , у которого f_гр ≈ 4,7ГГц при I_к = 2мА

где: r’_б - сопротивление тела базы

r_б’э – сопротивление базы-эмиттер

h_21э – 100

r’_б – 5 Ом (для транзистора 2Т382А)

R_г=R1||R2||R4≈1кОм

r_б’э=26/I_к·h₂₁

При токе I_к=2мА, h_21э=100, r’_б=10 Ом.

При этих данных r_б’э=1,3кОм; F=1,45 эквивалентный шумовой ток, учитывающий R транзистора , равен

для f=1МГц

При минимизации собственных шумов ФПУ и максимизации динамического диапазона к построению электрической принципиальной схемы ФПУ и выбору режимов транзисторов его каскадов , особенно выходных , предъявляются противоречивые требования.

Во-первых, транзисторы выбираются СВЧ диапазона , например 2Т3114В-6 маломощные, с f_гр≥4 ГГц.

Ток покоя входного каскада нами уже выбран из условия минимизации шумов.

Транзистор 2Т3114В-6 имеет следующие параметры:

P_{к доп} = 25 мВт; f_г= 4,7 ГГц;

I_{к доп} = 15 мА; h₂₁= 100 ;

U_{к доп} = 5 В; C_к = 0,4 пФ; r_расч = 6 нс

Чтобы совместить эти противоречивые требования (минимальные шумы , максимальный частотный и динамический диапазон), входной каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами .

Второй каскад для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняется по каскодной схеме с местной обратной связью(ОС). В качестве 2-го и 3-го каскадов используется СВЧ микросхема типа М 45121-2.

Наличие во втором каскаде ФПУ обратной связи увеличивает особенно динамический диапазон, а также и частотный, при этом не ухудшаются шумовые свойства ФПУ, так как первый каскад создает требуемое усиление по мощности.

Это же позволяет ток покоя каскадной схемы выбрать достаточно большим, что в свою очередь увеличивает глубину обратной связи и тем самым уменьшает нелинейные и частотные искажения.

Электрические параметры микросхемы приведены в таблице 3.1 в конце главы.

3.2 Выходной каскад

Выходной каскад для согласования с внешней нагрузкой выполнен по схеме эмиттерного повторителя. При этом R_н=50 Ом и ток покоя выбирается достаточно большим.

Принципиальная схема выходного каскада изображена на рис.3.3.

Рис.3.3 Принципиальная схема выходного каскада ФПУ.

В качестве выходного транзистора VT2 можно использовать тот же транзистор, что и в предварительном усилителе:2Т3114В-6.

Учет всех этих рекомендаций позволил реализовать схему ФПУ, которая изображена на рис.3.2 и 3.3.

Первые три транзистора охвачены общей отрицательной обратной связью(ОООС), что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.

Анализ принципиальной схемы ФПУ показывает, что использование в качестве входного каскада эмиттерного повторителя позволяет решить одновременно много задач:

- уменьшить нелинейные искажения входного каскада ;

- увеличить его частотный диапазон;

- уменьшить нелинейные искажения второго каскада путем увеличения глубины местной ОС за счет малого выходного сопротивления эмиттерного повторителя.

Все это не ухудшает чувствительности ФПУ, так как входной каскад в h₂₁ раза усиливает мощность сигнала.

Определим граничную частоту усиления ФПУ:

U₂(p) = τ₁(p)·K(p) = Ј_ф·Z_вх·F·K(p),

где U₂(p) - напряжение на входе ФПУ

U₁(p) - напряжение на нагрузке ФД, т. е. комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.

К(р) – общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ ,кроме выходного.

Ј_ф – фототок сигнала;

Z_вх – входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первые два каскада.

В нашем случае К(р) = К₁(р)·К₂(р) ≈ К₁·К₂ ≈ К₂ , так как К₁ = 1 и усиление этих каскадов можно считать в нашем частотном диапазоне постоянным.

Тогда, при Z_вх,F= Z_вх

; F_кз = 1, F_хх = 1+КВ(р)

Где В(р) =

; = R_г·С_вх; Z_вх = ;

Получим:

;

1 + B₀K= F₀,

, K₂ = 4

Частота верхнего среза для входных каскадов ФПУ( первого и второго) при действии общей ООС равна:

ФПУ может быть выполнен и на дискретных транзисторах, по приведенной выше схемотехнике, но при этом должны использоваться транзисторы с f_г > (4÷5) ГГц

Технология использования возможна гибридно-пленочная.

Таблица 3.1

Параметры, единицы измерения	Норма
	Не менее	Не более
1. Верхняя частота рабочего диапазона, МГц	1000	-
2. Коэффициент шума в режиме преобразования, дБ	-	10
3. Верхняя граница линейности АЧХ по сжатию Кр на 1дБ, мВт	0,1	-
4. Развязка между каналами, дБ	30	-
5. Коэффициент передачи по мо- щности в режиме усиления, дБ	-	5
6. Допустимая входная мощность, мВт	-	5
7. Минимальная наработка, час	25000	-
8. 90 - процентный ресурс, час	40000	-
9. Масса, г	-	1,5
10. Конструктивное исполнение планарное, 14 гибких ленточных вывода, габариты (мм.)

^* Для повышения устойчивости и уменьшения паразитных связей свободные выводы и основание корпуса рекомендуется заземлить.

4. Расчет фотоприемного устройства

4.1 Расчет выходного усилителя.

Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность. При этом мощности, потребляемые, от источников питания и сигнала должны быть минимальными.

Режим работы транзистора , определяемый положением исходной рабочей точки(точки покоя) на выходных характеристиках транзистора (рис.4.1.)т.е. значениями тока покоя коллектора I_к к постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером U_к , должно быть таким, чтобы на внешней нагрузке обеспечивалось заданная(номинальная)мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых значений.

Принимая во внимание потери мощности сигнала в выходной цепи , вносимые цепью обратной связи, выходной цепью транзистора, максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора

Р_{кр макс} < i_k

Р_{к доп} = 100 мВт

(Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора не должна превышать допустимую величину).

Определим режим работы выходного транзистора. Ток коллектора выходного транзистора был оговорен при выборе принципиальной схемы.

Для уменьшения нелинейных и частотных искажений ток покоя выбрали равным 10 мА исходя из того что:

R_{кр макс} ≈ U_кэ·I_к