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 R_Н 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=R_НС₁, де С₁ - сумарна ємність на вході підсилювача, що дорівнює

С₁=С_д+С_м+С_вх,

де С_д - ємність фотодіода, С_м - вхідна монтажна ємність, С_вх - вхідна ємність підсилювача.

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

R_НЈ(2pFC₁)^-1,

FЈ (2pR_НC₁)^-1. (1)

Такий підсилювальний тракт є найбільш простим, але він не є оптимальним за чутливістю. В загальному випадку при виборі R_Н 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 (R_вх®Ґ, С_вх®0), який реалізує метод простої шумової корекції.

Сутність простої протишумової корекції проста. При збільшенні опору резистора навантаження R_Н, пропорційно йому зростає напруга сигналу на виході фотодетектора. Напруга шуму зростає пропорційно , що забезпечує збільшення відношення сигналу до шуму. Щоб резистор R_Н не шунтувався вхідним опором підсилювача, необхідно збільшити його вхідний імпеданс. Однак при збільшенні опору R_Н 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 (R_H), 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=R_HR_вх/(R_H+R_вх), С₁=С_д+С_м+С_вх; попередній підсилювач К1, коректор з елементами R₂, r₂ та С_2, додатковий підсилювач К2, вихідний фільтр нижніх частот з елементами R_3, С_3.

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 f_1k=(2r₂C₂)^-1; f_2k=(2R₂C₂)^-1, (6)

вихідний фільтр f₃=(2R₃C₃)^-1. (7)

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

ma=1; R₁C₁= mR₂C_2; R₂C₂ =R₃C_3,

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/I_q²; 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 R_c, навантаження фотодіода R_Н=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 R_зз. Еквівалентна схема (рис. 7 б) вміщує джерело фотоструму І_с, підсилювач з коефіцієнтом підсилення та вхідним опором R_вх, а також з резистором зворотного зв'язку R_зз. Ємність С₁ складається із ємності фотодіода С_д, монтажної ємності С_М, та вхідної ємності підсилювача.

Трансімпеданс ТІП має вигляд

. (8)

При виконанні умов К_U>>1, R_ззR_вх (8) спрощується

. (9)

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

К_U>>2C₁R_ззF,

в цьому разі Z_П(j)-R_зз.

Динамічний вхідний опір ТІП R_динR_зз/K_u за умови K_u>>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 R_H=R_зз) та для замкненого зворотного зв'язку. Частоти f₁ та f₂ дорівнюють

(11)

Трансімпеданси ТІП дорівнюють:

З (12) випливає, що смуга пропускання ТІП приблизно в К_U разів більша, ніж у ВІП (якщо виконується R_H=R_зз), але трансімпеданс ТІП у К_U 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 R_зз шунтується тунельним діодом. Паразитна ємність ЗЗ погіршує характеристики підсилювача, знижуючи його в С₁/С_зз разів його коефіцієнт підсилення, та підвищуючи рівень шумів. Для компенсації С_зз у коло зворотного зв'язку вмикають індуктивність, значення якої відповідає умові резонансу в L_зз С_зз - 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.