Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ЧитГУ)

Кафедра физики и техники связи

Курсовой проект

по дисциплине

Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства

Энергетический расчет ОЭП (схема с коллиматором)

Чита 2011

Содержание

• Введение
• 1. Исходные данные на проект
• 2. Расчет потока излучения, падающего на фоточувствительный элемент ПОИ
• 3. Расчет интегральной чувствительности ПОИ к излучению ИИ
• 4. Расчет амплитуды переменной составляющей сигнала и величины постоянной составляющей тока на выходе ПОИ
• 5. Расчет напряжения и тока шума ПОИ в заданной полосе частот электронного тракта
• 6. Расчет порога чувствительности и обнаружительной способности ПОИ по отношению к излучению заданного ИИ
• 7. Расчет основных составляющих шумовой погрешности ОЭП и отношения сигнал/шум в заданной полосе частот электронного тракта
• 8. Сводные результаты расчетов
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Преимущества применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) очевидны. В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света как основного источника информации.

Построение ВОЛС в современном виде стало возможно благодаря колоссальному прорыву в развитии полупроводниковой оптоэлектроники начиная с 60-х гг. прошлого века.

Линии ВОЛС используют для передачи данных кабель с оптическим кварцевым стеклом - внутри которого, переносится световой сигнал с помощью оптико-электронных устройств. Достоинством оптических линий связи является высокая пропускная способность (10 Гигабит/с и выше), малые потери и защищенность данных от воздействия электромагнитного поля.

Термином "оптоэлектронные приборы" обобщаются приборы и устройства, содержащие излучатели и приемники, взаимодействующие друг с другом. Приборы, в которых выполняется лишь один вид преобразования, - излучатели, индикаторы, фотоприемники, и другие рассматривают отдельно как элементы оптоэлектронных приборов и систем.

Оптико-электронные приборы играют важную роль в жизни современного общества. Они используются в системах волоконной оптической связи, обработки и хранения информации, оптической локации и мониторинга окружающей среды, ориентации и навигации космических летательных аппаратов; управления и контроля различными технологическими процессами; в видео- и аудиотехнике (лазерные проигрыватели, лазерные диски, лазерные принтеры) в лазерных и оптико-электронных медицинских приборах и т.д. XXI век - это век оптико-электронники.

Данный курсовой проект посвящен расчету потока излучения, поступающего на приемник оптического излучения для схемы коллимационной ОЭП.

В процессе выполнения курсового проекта надлежит выполнить следующее:

1. Рассчитать поток излучения, падающий на фоточувствительный элемент ПОИ при заданных параметрах оптической системы ОЭП.

2. Рассчитать интегральную токовую или вольтовую чувствительность заданного ПОИ к излучению заданного ИИ в энергетических величинах (А/Вт, В/Вт).

3. Рассчитать амплитуду переменной составляющей сигнала и величину постоянной составляющей тока на выходе ПОИ.

4. Рассчитать напряжение или ток шума ПОИ в заданной полосе частот электронного тракта.

5. Рассчитать порог чувствительности или обнаружительную способность ПОИ по отношению к излучению заданного ТТ на основании имеющихся справочных данных.

6. Рассчитать основные составляющие шумовой погрешности и отношение сигнал/шум в заданной полосе частот электронного тракта.

1. Исходные данные на проектирование

В курсовом проекте рассматривается оптическая система прибора, который состоит из коллиматора и приемного устройства (рисунок 1). Коллиматор состоит из объектива Об₁, и расположенного в его фокальной плоскости источника излучения (ИИ). Излучение источника модулируется, например, по цепи питания (внутренняя модуляция) или за счет внешних модуляторов. Приемное устройство состоит из объектива Об₂ и ПОИ.

Для упрощения расчетов коэффициент пропускания среды и оптической системы для всех вариантов считаем не зависящим от длины волны: .

Частоту модуляции потока излучения заданного ИИ и эффективную шумовую полосу частот электронного тракта приемного устройства считать равными: для тепловых ПОИ =12 Гц и =2 Гц, для ПОИ на основе фотоэффекта =1000 Гц и =200 Гц.

Исходные данные на проект:

1. Источник излучения: излучающий диод ИК-диапазона арсенидогаллиевый мезаэпитаксиальный АЛ115А;

2. Приемник оптического излучения: ФД-28КП;

3. Переднее фокусное расстояние коллиматора: =150 мм;

4. Диаметры выходного зрачка объектива коллиматора: =60 мм;

5. Заднее фокусное расстояние приемного устройства: =100 мм;

6. Диаметр входного зрачка объектива приемного устройства: =50 мм;

7. Расстояние между ИИ и приемным устройством: = 6 м;

8. Площадь излучающей поверхности: =3 мм².



Рисунок 1 - Схема коллиматора и приемного устройства: ИИ - источник излучения; Об₁, Об₂ - объективы коллиматора и приемного устройства; ПОИ - приемник оптического излучения; , - переднее и заднее фокусные расстояния объективов коллиматора и приемного устройства соответственно; - расстояние между коллиматором и приемным устройством (,); , - диаметры выходного и входного зрачков объективов коллиматора и премного устройства соответственно; - площадь излучающей поверхности ИИ.

2. Расчет потока излучения, падающего на фоточувствительный элемент ПОИ

На рисунке 2 показана структура пучка лучей коллиматора, выполненного в виде объектива Об₁ и ИИ, расположенного в его фокальной плоскости. Рассмотрим распределение облученности в сечении пучка лучей, перпендикулярном оптической оси и находящийся на расстоянии от выходного зрачка объектива. Пусть яркость ИИ по его излучающей поверхности постоянна, аберрации оптической системы отсутствуют, дисперсия объектива не влияет на световой пучок. Пусть диаметр ИИ равен , фокусное расстояние объектива коллиматора - (), диаметр выходного зрачка объектива - . Тогда угловое поле объектива и расходимость пучка лучей коллиматора при <<:

 (1)

Для поверхности в форме круга площадь поверхности

(мм)

рад

А дистанция формирования пучка лучей коллиматора:

(2)

(мм)=4,615 м

Точка , лежащая на оптической оси коллиматора и удаленная от его выходного зрачка на расстояние , называется точкой формирования пучка лучей коллиматора.

Рисунок 2 - Структура пучка лучей коллиматора:

ИИ - источник излучения; Об₁ - объектив коллиматора; - расстояние от выходного зрачка объектива до рассматриваемого сечения пучка; - диаметры выходного зрачков объектива; - диаметр излучающей поверхности ИИ; - переднее фокусное расстояние объектива; - дистанция формирования пучка; - точка формирования пучка; - диаметр области с постоянной облученностью; - угловое поле объектива; - задний апертурный угол объектива

Облученность, создаваемая коллиматором в точках, лежащих на оптической оси

, (3)

где - энергетическая яркость ИИ;

, - коэффициенты пропускания оптической системы коллиматора и атмосферы ();

- апертурный угол коллиматора со стороны пространства изображений (задний апертурный угол).

Величина заднего апертурного угла коллиматора для точек, лежащих на оптической оси, определяется расстоянием до выходного зрачка:

при (4)

рад

при (5)

рад

При отсутствии виньетирования (частичное затемнение пучка лучей, вступающего в оптическую систему, происходящее вследствие его ограничения диафрагмами прибора) ИИ объективом коллиматора для внеосевой точки облученность равна:

, (6)

где - угол между оптической осью и линией из центра выходного зрачка к точке .

При малых облученность можно считать постоянной.

Рассмотрим явление виньетирования на изменение облученности. В заштрихованной области А на рисунке 3 виньетирование источника оправой объектива коллиматора отсутствует, поэтому облученность в пределах этой зоны постоянна. Из выражений (3) и (5) следует, что в зоне А

(7)

Следовательно, облученность не зависит от расстояния до данного сечения. В заштрихованной области В величина виньетирования не равна нулю, но в пределах круга диаметром перпендикулярного оптической оси, она постоянна, поэтому и облученность в пределах этого круга также постоянна. Из выражений (3) и (4) следует, что в зоне В:

(8)

За пределами заштрихованных зон А и В величина виньетирования изменяется, и облученность монотонно уменьшается до нуля. Из рисунка 2 следует, что диаметры пятен равномерной облученности для зон А и В:

, (9)

(мм)

(мм)

Поток излучения, падающий на ПОИ, для приемного устройства, расположенного в зоне А или В, равен соответственно:

, (10)

, (11)

где - коэффициент пропускания оптической системы приемного устройства; - коэффициент пропускания среды и оптических систем; - площадь излучающей поверхности ИИ; - площадь выходного зрачка объектива коллиматора; - площадь входного зрачка объектива приемного устройства.

Для поверхности в форме круга площадь поверхности

(мм²)=0,00283(м²)

(мм²)=0,00196(м²)

Для светодиода можно приближенно считать, что в пределах угла излучения излучение распределено по закону Ламберта, а за пределами этого угла яркость равна нулю. Тогда яркость светодиода в пределах угла :

; , (12)

где - светимость светодиода; - мощность излучения светодиода; - площадь излучающей поверхности светодиода; - сила света светодиода.

Для АЛ115А:

= 10 мВт=0,01 Вт (не менее, при мА)

= мм²м²

=150°

(Вт/м²)

Тогда поток излучения, падающий на ПОИ, для приемного устройства, расположенного в зоне А или В, равен соответственно:

(Вт)

(Вт)

3. Расчет интегральной чувствительности ПОИ к излучению ИИ

Строим следующие графики:

1. Относительное спектральное распределение энергетической светимости паспортного ИИ (данные берем из таблицы 1 - [3]) представлено на рисунке 3



Рисунок 3 - Относительное спектральное распределение энергетической светимости паспортного ИИ

Таблица 1 - Значения функции Планка у=f(x) [3]

x	y	х	y	x	y	x	y
0,1	4,70?10-15	0,66	0,615	1,29	0,867	1,94	0,434
0,15	7,91?10-9	0,67	0,638	1,3	0,86	1,96	0,424
0,2	7,37?10-6	0,68	0,661	1,31	0,852	1,98	0,415
0,21	1,88?10-5	0,69	0,683	1,32	0,845	2	0,405
0,22	4,37?10-5	0,7	0,704	1,33	0,838	2,05	0,383
0,23	9,31?10-5	0,71	0,725	1,34	0,83	2,1	0,362
0,24	1,85?10-4	0,72	0,745	1,35	0,82	2,15	0,341
0,25	3,45?10-4	0,73	0,764	1,36	0,815	2,2	0,323
0,26	6,10?10-4	0,74	0,783	1,37	0,808	2,25	0,305
0,27	1,02?10-3	0,75	0,801	1,38	0,8	2,3	0,289
0,28	1,62?10-3	0,76	0,817	1,39	0,793	2,35	0,273
0,29	2,54?10-3	0,77	0,834	1,4	0,785	2,4	0,258
0,3	3,80?10-3	0,78	0,849	1,41	0,778	2,45	0,245
0,31	5,50?10-3	0,79	0,862	1,42	0,77	2,5	0,232
0,32	7,74?10-3	0,8	0,877	1,43	0,763	2,55	0,22
0,33	0,0106	0,81	0,89	1,44	0,755	2,6	0,208
0,34	0,0142	0,82	0,903	1,45	0,748	2,65	0,198
0,35	0,0187	0,83	0,914	1,46	0,74	2,7	0,187
0,36	0,0241	0,84	0,925	1,47	0,733	2,75	0,178
0,37	0,0305	0,85	0,934	1,48	0,725	2,8	0,169
0,38	0,038	0,86	0,943	1,49	0,718	2,85	0,161
0,39	0,0467	0,87	0,952	1,5	0,71	2,9	0,153
0,4	0,0565	0,88	0,959	1,51	0,703	3	0,138
0,41	0,0665	0,89	0,966	1,52	0,696	3,1	0,126
0,42	0,08	0,9	0,972	1,53	0,688	3,2	0,114
0,43	0,0936	0,92	0,983	1,54	0,681	3,3	0,104
0,44	0,108	0,94	0,99	1,55	0,674	3,4	0,0947
0,45	0,124	0,96	0,996	1,56	0,667	3,5	0,0866
0,46	0, 142	0,98	0,999	1,57	0,659	3,6	0,0797
0,47	0,16	1	1	1,58	0,652	3,7	0,0726
0,48	0,18	1,02	0,999	1,59	0,645	3,8	0,0667
0,49	0,2	1,04	0,996	1,6	0,638	3,9	0,0614
0,5	0,222	1,06	0,992	1,62	0,624	4	0,0565
0,51	0,244	1,08	0,986	1,64	0,61	4,5	0,0383
0,52	0,267	1,1	0,979	1,66	0,597	5	0,0268
0,53	0,291	1,12	0,97	1,68	0,58	6	0,0142
0,54	0,315	1,14	0,961	1,7	0,571	7	0,20?10-3
0,55	0,339	1,16	0,951	1,72	0,558	8	0,05?10-3
0,56	0,365	1,18	0,94	1,74	0,546	9	0,27?10-3
0,57	0,39	1,2	0,928	1,76	0,534	10	0,20?10-3
0,58	0,415	1,21	0,921	1,78	0,522	20	1,6?10-4
0,59	0,441	1,22	0,915	1,8	0,51	30	3,2?10-5
0,6	0,466	1,23	0,908	1,82	0,498	40	1,0?10-5
0,61	0,492	1,24	0,902	1,84	0,487	50	4,3?10-6
0,62	0,517	1,25	0,895	1,86	0,476	?	0
0,63	0,542	1,26	0,888	1,88	0,465	-	-
0,64	0,567	1,27	0,881	1,9	0,455	-	-
0,65	0,615	1,28	0,874	1,92	0,444	-	-

2. Относительного спектрального распределения энергетической светимости заданного ИИ - светодиода АЛ115А (рисунок 4)



Рисунок 4 - Распределение энергетической светимости диода АЛ115А

3. Относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения по данным таблицы

Таблица 2 - Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения [3]

л, нм	300	400	500	600	700
0	-	0,0004	0,323	0,631	0,0041
10	-	0,0012	0,503	0,503	0,0021
20	-	0,0040	0,710	0,381	0,00105
30	-	0,0116	0,862	0,265	0,00052
40	-	0,023	0,954	0,175	0,00025
50	-	0,038	0,995	0,107	0,00012
60	-	0,060	0,995	0,061	0,00006
70	-	0,091	0,952	0,032	0,00003
80	0,000039	0,139	0,870	0,017	0,000015
90	0,00012	0,208	0,757	0,0082	-

Рисунок 5 - Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения

4. относительной спектральной характеристики чувствительности заданного ПОИ (рисунок 6)

ФД-28КП кремниевые фотодиоды предназначен для применения в качестве приемников и датчиков инфракрасного излучения в составе оптико-электронной аппаратуры, систем фотоэлектрической автоматики и бесконтактного измерения температуры, вычислительной и измерительной технике, программно-управляемого оборудования и приборов, работающих в диапазоне длин волн от 0,5 до 1,12 мкм.

Рисунок 6 - Относительная спектральная характеристика чувствительности заданного ПОИ [1]

Коэффициенты использования и излучения паспортного () и заданного () ИИ заданным ПОИ. С учетом того, что приняли =1:

(13)

(14)

КПД глаза и для излучения паспортного и заданного ПОИ (с учетом того, что приняли =1):

(15)

(16)

Ход расчета отразим в таблице 3.

Из таблицы 3

(ПОИ ФД-28КП работает в ИК-диапазоне)

Интегральная токовая или вольтовая чувствительность заданного ПОИ к излучению заданного ИИ в энергетических величинах (А/Вт, В/Вт):

(17)

(18)

где - интегральная чувствительность ПОИ к излучению паспортного ИИ в световых величинах;

- интегральная чувствительность ПОИ к излучению паспортного ИИ в энергетических величинах.

Если параметры ИИ были заданы в световых величинах и был рассчитан световой поток , падающий на ПОИ, то необходимо рассчитать соответствующий поток излучения:

(19)

Таблица 3 - К расчету коэффициентов использования излучения паспортного и заданного ИИ заданным ПОИ

, мкм
0,45	0,124	0	20	0,038	2,48	0,00	0,00	0,00
0,5	0,222	0	40	0,323	8,88	0,00	0,07	0,00
0,56	0,365	0	55	0,995	20,08	0,00	0,36	0,00
0,6	0,466	0	60	0,631	27,96	0,00	0,29	0,00
0,63	0,542	0	70	0,265	37,94	0,00	0,14	0,00
0,7	0,704	0	98	0,032	68,99	0,00	0,02	0,00
0,72	0,745	0	100	0,00105	74,50	0,00	0,00	0,00
0,8	0,877	0	85	0	74,55	0,00	0,00	0,00
0,9	0,972	0,14	50	0	48,60	7,00	0,00	0,00
0,96	0,996	0,4	30	0	29,88	12,00	0,00	0,00
1	1	0,12	20	0	20,00	2,40	0,00	0,00
?	7,013	0,66	628	2,28505	413,852	21,4	0,900579	0

Для ПОИ ФД-28КП =0,2 А/Вт (не менее)

излучение фоточувствительный приемник оптический

(А/Вт)

4. Расчет амплитуды переменной составляющей сигнала и величины постоянной составляющей тока на выходе ПОИ

При синусоидальной модуляции поток излучения, падающий на ПОИ, описывается выражением

(20)

где - постоянная составляющая потока излучения;

- амплитуда переменной составляющей потока излучения.

Постоянная составляющая потока излучения может быть обусловлена наличием фоновых засветок от окружающих объектов, а также средним значением потока излучения исследуемого ИИ.

Если излучение фона отсутствует или пренебрежимо мало, а глубина модуляции исследуемого излучения составляет 100%, то

(21)

Поток излучения, падающий на ПОИ, обуславливает возникновение тока, проходящего через ПОИ и называемого фототоком:

(22)

где - токовая чувствительность ПОИ.

Фототок складывается с темновым током ПОИ , а обе эти составляющие образуют общий ток ПОИ:

(23)

При синусоидальной модуляции потока излучения

(24)

Темновой ток и постоянная составляющая фототока образуют постоянную составляющую тока:

(25)

Амплитуды переменных составляющих фототока и напряжения фотосигнала:

; (26)

где - вольтовая чувствительность ПОИ;

- сопротивление нагрузки ПОИ.

Сопротивление нагрузки , как правило, выбирают равным темновому сопротивлению ПОИ , если ? 2 МОм, или принимают = 2 МОм, если > 2 МОм (для фотодиодов, фотоэлементов, фотоумножителей).

Для ФД-28КП:

1. Темновой ток =0,02 мкА

2. Рабочее напряжение 4 В

3. (МОм) 2МОм

4. =0,364

(мА)

(мА)

Амплитуда переменной составляющей сигнала (напряжения или тока) определяется только излучением ИИ, а величина постоянной составляющей общего тока зависит от множества внешних факторов: изменения уровня фона, изменений темнового тока, которые могут быть обусловены изменением температуры ПОИ и т.д. Исходя из изложенного, для передачи информации в ОЭП используются, как правило, только модулированные потоки излучения, либо осуществляется модуляция исследуемых потоков излучения.

5. Расчет напряжения и тока шума ПОИ в заданной полосе частот электронного тракта

Кроме переменной составляющей фототока на выходе ПОИ всегда присутствуют флуктуации общего тока, называемые шумами. Шумы существуют как при наличии, так и при отсутствии фотосигнала так как они обусловлены физическими процессами, происходящими в ПОИ.

Наличие шумов затрудняет обнаружение слабых сигналов, а также приводит к погрешности измерения параметров сигнала: амплитуды, частоты, фазы, времени появления импульсов излучения.

Шумы характеризуются средними квадратическими значениями флуктуации общего тока ПОИ в заданной полосе частот или средними квадратическими значениями флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ПОИ в заданной полосе частот.

В справочной литературе и в паспортах ПОИ приводится один из следующих параметров, характеризующих шумы ПОИ: порог чувствительности ; порог чувствительности в единичной полосе частот ; удельный порог чувствительности ; обнаружительную способность ; удельную обнаружительную способность .

Из определений перечисленных параметров следует, что среднее квадратическое значение напряжения или тока шума ПОИ в заданной полосе частот электронного тракта на частоте , на которой производилась аттестация ПОИ, может быть найдено с помощью следующих выражений:

(27)

(28)

где - эффективная шумовая полоса частот электронного тракта разрабатываемого прибора;

- эффективная шумовая полоса частот электронного тракта установки, на которой производилась аттестация ПОИ;

- геометрическая светочувствительная площадь ПОИ.

Стандарты рекомендуют производить аттестацию ПОИ на внутреннем фотоэффекте при частоте модуляции сигнала =800 Гц, а ОПИ на внешнем фотоэффекте - при =1000 Гц. Рекомендуется выбирать =0,2. Эти рекомендации действуют в тех случаях, когда ТУ на конкретные типы ПОИ не предусматривают иных значений и .

При использовании выражений (29) и (30) следует подставлять значения интегральной вольтовой и токовой чувствительности, а также шумовых параметров ПОИ по отношению к излучению одного, например, паспортного ИИ.

Для ФД-28КП = лм/Гц^1/2 [1]:

(мкВ)

(А)

6. Расчет порога чувствительности и обнаружительной способности ПОИ по отношению к излучению заданного ИИ

Шумовые параметры ПОИ приводятся в паспортах и справочниках, по отношению к излучению того же ИИ, что и чувствительность. Величины порога чувствительности или обнаружительной способности заданного ПОИ к излучению заданного ИИ в энергетических величинах (Вт, Вт^-1) равны

; ;

;

где и - порог чувствительности ПОИ к излучению паспортного ИИ в световых (лм) и энергетических (Вт) величинах соответственно; и - обнаружительная способность ПОИ к излучению паспортного ИИ в световых (лм^-1) и энергетических (Вт^-1) величинах соответственно.

Аналогично выглядят формулы для расчета порога чувствительности в единичной полосе частот (Вт•Гц^-1/2), а также удельной обнаружительной способности ( Вт•Гц^-1/2•см). Порог чувствительности ПОИ по отношению к излучению заданного ИИ в заданной полосе частот электронного тракта может быть найден из соотношений.

(30)

Для ФД-28КП = лм/Гц^1/2 [1]:

(Вт)

=0,2=200 Гц

(Вт)

7. Расчет основных составляющих шумовой погрешности ОЭП и отношения сигнал/шум в заданной полосе частот электронного тракта

Шумовая погрешность ОЭП определяется не только собственными шумами ПОИ, но и наличием внешних засветок, схемой включения ПОИ, шумами сопротивления нагрузки и первых каскадов предварительного усилителя. В качестве примера рассмотрим схемы включения ПОИ и предварительный усилитель на основе полевого транзистора (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схемы включения ПОИ и предварительный усилитель на полевом транзисторе: а - фоторезистор; б - фотодиод в фотодиодном режиме; в - фотодиод в фотогальваническом режиме; г - фотоэлемент

Сопротивление нагрузки , как правило, выбирают равным темновому сопротивлению ПОИ , если ? 2 МОм, или принимают = 2 МОм, если > 2 МОм (для фотодиодов, фотоэлементов, фотоумножителей). Пироэлектрические ПОИ и полупроводниковые боломатры (приборы для измерения энергии излучения) включаются в цепь с сопротивлением нагрузки до 50…200 МОм. При выборе сопротивления нагрузки следует учитывать также постоянную времени инерционного контура, образованного сопротивлением нагрузки и емкостью инерционного контура , образованной емкостью ПОИ , емкостью монтажа и входной емкостью предварительного усилителя :

= (31)

Емкость монтажа =(1…5) пФ, емкость полевого транзистора =(2…10) пФ. При таких параметрах и при невысокой частоте модуляции ( кГц) инерционность системы в ряде случаев определяется временем установления нормированной переходной характеристики (постоянной времени) ПОИ . Постоянная времени фоторезисторов и фотодиодов приводятся в справочной литературе, а постоянные времени фотоумножителей (1…5 нс) и фотоэлементов (10^-12 нс) пренебрежимо малы. С учетом изложенных соображений сопротивление нагрузки и постоянная времени должны удовлетворять условиям:

; (32)

Шумовые параметры ПОИ, приведенные в паспортах и справочниках, не учитывают тех составляющих шума, которые обусловлены конкретными условиями работы ПОИ в ОЭП. В частности, паспортные параметры не содержат величину дробового шума фототока. Дробовый шум фототока фотодиодов и электровакуумных фотоэлементов:

(33)

(34)

Здесь следует использовать величину чувствительности ПОИ к падающему на него в данном ОЭП излучению заданного ИИ.

Суммарные значения тока и напряжения шума ПОИ с учетом дробового шума фототока:

(35)

(36)

(А)

(В)

Аналогично можно учесть и другие составляющие шума для условий конкретной задачи.

Кроме собственных шумов ПОИ при расчете ОЭП следует учитывать тепловой шум резистора нагрузки и шум активного элемента предварительного усилителя.

Среднее квадратическое значение теплового шума резистора нагрузки в полосе частот :

 , (37)

где - температура резистора нагрузки.

Величина шума активного элемента предварительного усилителя может быть взята в справочниках на соответствующие элементы техники. При этом следует учитывать схему включения. Для полевых транзисторов характерной составляющей является тепловой шум канала, который характеризуется эквивалентным шумовым сопротивлением:

(38)

где - крутизна вольт-амперной характеристики полевого транзистора (типовое ее значение - ?(1…3)•10^-3 А/В).

Среднее квадратическое значение напряжения шума полевого транзистора в полосе частот , приведенное к его выходу

, (44)

где - температура полевого транзистора.

Суммарное значение тока и напряжения шума ПОИ, входной цепи и предварительного усилителя в эффективной полосе частот электронного тракта:

(39)

(40)

Пользуясь рассчитанными ранее значениями амплитуд переменных составляющих потока излучения , фототока и напряжения фотосигнала , а также порога чувствительности ПОИ по отношению к излучению заданного ИИ в заданной полосе частот электронного тракта и тока шума или напряжения шума , можно рассчитать отношения сигнал/шум без учета () и с учетом () влияния входной цепи и предварительного усилителя:

; (41)

8. Сводные результаты расчетов

В ходе выполнения курсового проекта мы изучили и применили методику расчета потока излучения, поступающего на приемник оптического излучения для схемы с коллиматором; порядок пересчета справочных параметров приемника оптического излучения в параметры для излучения реального источника излучения; порядок расчета шумов приемника оптического излучения и шумовой погрешности для двух типов ОЭП. Результаты расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Сводная таблица результатов расчетов, проведенных в проекте

Показатель	Обозначение	Ед. изм.	Величина
Поток излучения, падающий на фоточувствительный элемент ПОИ		Вт	0,0007
Коэффициент использования паспортного ИИ заданным ПОИ		-	59,01
Коэффициент использования заданного ИИ заданным ПОИ		-	32,42
КПД глаза для излучения паспортного ПОИ		-	0,128
КПД глаза для излучения заданого ПОИ		-	0
Интегральная токовая чувствительность заданного ПОИ к излучению заданного ИИ		А/Вт	0,364
Амплитуда переменной составляющей сигнала		мА	0,255
Постоянной составляющая тока на выходе ПОИ.		мА	0,255
Напряжение шума в заданной полосе частот электронного трактаъ		В
Ток шума в заданной полосе частот электронного трактаъ		А
Порог чувствительности по отношению к излучению заданного ИИ		Вт
Дробовый шум фототока		А
		В
Суммарное значение тока шума с учетом дробового шума		А
Суммарное значение напряжения шума с учетом дробового шума		В

Заключение

Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны. Новые направления чаще всего возникают как слияние - интеграция - ряда уже известных достижений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства, опирающиеся на лазерную технику и голографию; оптические транспаранты, использующие успехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средства отображения информации и др.

Оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют триотличительные черты.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы и средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивнотехнологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; применение специальных сверхчистых материалов и методов прецизионной групповой обработки.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; передаче информации; преобразовании информации.

Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных устройствах используются информационные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптические сигналы - именно этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику. Нередко оптоэлектронное (по форме) устройство фактически является оптическим, а электроника выполняет хотя и необходимые, но все же вспомогательные функции. Иными словами, в этих случаях оптоэлектроника - это оптика, управляемая электроникой.

Коллиматор (от collimo, искажение правильного лат. collinco -- направляю по прямой линии), оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей. Параллельность пучка, выходящего из коллиматора, является приближённой: лучи, испущенные одной точкой предмета, не могут быть совершенно точно параллельными между собой вследствие дифракции и аберраций объектива; конечность размеров предмета обуславливает расхождение пучков лучей, исходящих из разных его точек. Фокусное расстояние, действующее отверстие и качество исправлений аберраций объектива, а также форма и размеры предмета выбираются в соответствии с назначением коллиматора и условиями его использования.

Коллиматор применяются, например, в астрономии для выверки больших измерительных инструментов и определения их коллимационной ошибки, в спектральных приборах для получения пучков света, направляемых в диспергирующую систему, в разнообразных измерительных, испытательных и выверочных оптико-механических приборах. Коллиматор входит в состав автоколлимационных устройств.

Список использованных источников

1. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. Справочник. - М.: Радио и связь, 1987.

2. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем (учебное пособие для втузов). - М.: Машиностроение, 1983. - 488с.

3. Коротаев В. В., Мусяков В. Л. Энергетический расчет ОЭП / Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006, 44 с.

4. Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник/ В.И. Иванов, А.И, Аксенов, А.М. Юшин. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Парвулюсов Ю.Б., Родионов С.А., Солдатов В.П. и др. Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник. Изд. 2-е, прераб. и доп. - М.: Логос, 2000. - 488 с.

Размещено на Allbest.ru