Разработка блока управления фотоприёмником для волоконно-оптических систем передачи информации

В современных системах связи все больше требуются скоростные широкополосные каналы связи для передачи информации. Отвечать растущим объемам передаваемой информации можно, используя оптическое волокно.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной, а также наиболее перспективной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния.

Волоконная оптика обеспечила себе гарантийное развитие в настоящем и будущем.

В межрегиональном масштабе следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровой иерархии (SDH).

Экономические аспекты оптического волокна также говорят в его пользу. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому не дорогого материала, в отличии от меди. Стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. По всему миру в настоящее время поставщики услуг связи за год прокладывают десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей. Ведутся интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий такими крупнейшими компаниями как Lucent Technologies, Norton, Siemens, IBM, Corning, Alcoa Fujikura.

Крупным производителем оптических соединителей в России является фирма «Перспективные Технологии». Основными поставщиками оптических шнуров в России являются фирмы «Вимком-Оптик», «Телеком Комплекс Сервис». Многие потребители оптических шнуров имеют собственную сборку (РОТЕК, ЭЛОКОМ).

В процессе эксплуатации ВОСПИ можно отметить ряд их достоинств:

— Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий, которая решает проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

— Широкая полоса пропускания. Обуславливается высокой несущей частотой (возможность передачи по одному оптическому волокну информации в несколько терабит).

— Малое затухание светового сигнала в волокне. В настоящее время промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2 — 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

— Низкий уровень шумов.

— Малый вес и объем.

— Высокая защищенность от несанкционированного доступа (трудно подслушать информацию, не нарушая приема-передачи).

— Длительный срок эксплуатации. Процесс деградации волокна значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

Волоконно-оптические сети имеют недостатки:

1. Высокая стоимость интерфейсного оборудования. Также требуется высоконадежное коммутационное оборудование, оптические соединители, разветвители, аттенюаторы.

2. Дорогостоящий монтаж и обслуживание оптических линий.

3. Требуется специальная защита волокна.

1. Волоконно-оптические системы передачи информации

1.1 Принципы построения ВОСПИ

Оптические волокна производятся разными способами, они обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют различные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF и одномодовые SMF.

Наиболее очевидным путем увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи является расширение спектральной области для передачи информации. Практически все современные системы связи работают в диапазонах длин волн ?=1,3 мкм и ?=1,55 мкм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. С учетом дальнейшего прогресса волоконно-оптических технологий можно предположить, что используя только спектральный интервал 1,2 — 1,7 мкм, в будущем можно будет передавать по одному волокну информацию со скоростью в 1000 тбит/с. Для реализации таких систем связи потребуются новые исследования и разработка новой элементной базы.

Информация, которая должна быть передана в виде электрического сигнала, модулирует световой поток, который передается по волоконным световодам или через атмосферу.

Шумовой характер излучения источников света, как правило, ограничивает применяемые виды модуляции излучателей и в практически используемых системах, находят место модуляции по интенсивности излучения. На приемном конце переданная информация демодулируется. Основным элементам построения ВОСПИ соответствует структурная схема, приведенная на рис. 1.1.

1. Источник сигнала

2. Усилитель-модулятор

3. Лазерный излучатель

4. ВОК (волоконно-оптический кабель)

5. Фотодиод

6. Усилитель Рисунок 1.1 — Структурная схема ВОСПИ Передающие оптические модули РОМ-3155 выпускаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов, интегрированных со схемой управления с дифференциальным PECL — входом. Модули имеют TTL — вход включения лазерного излучения и выход аварийного состояния лазерного диода (открытый коллектор). Предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2.155 Мбит/с. Технические характеристики приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 — Технические характеристики передатчиков

При передаче на большие расстояния, когда отношение сигнал/шум на выходе приемника становится недостаточным, в тракт включают ретрансляторы. Для передачи сигнала обычно используют световые импульсы. При этом применяют два вида модуляции: аналоговая, при которой информация передается изменением амплитуды, ширины или положения импульсов и цифровая — с кодированием информации комбинацией группы импульсов.

В данном дипломном проекте разрабатывается ФПУ для ВОСПИ, использующей аналоговую модуляцию. При аналоговой передаче, информационный сигнал модулирует поднесущую частоту, как правило, СВЧ диапазона, которая в свою очередь управляет мощностью излучателя. Прием во всех случаях осуществляется с помощью фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, преобразующих энергию колебаний оптического диапазона в электрическую энергию. Электрический сигнал усиливается до необходимого уровня усилителем низкой частоты.

При разработке радиооптических преобразователей, используемых в аналоговых ВОСПИ, являющихся оптическими линиями связи между аналоговым фотоусилителем (АФУ) и входом приемника ДЦВ диапазона, необходимо выполнить два основных требования:

— при введении оптической линии между АФУ и приемником, электрическая пороговая чувствительность всей системы не должна ухудшаться, то есть отношение сигнал/шум должно оставаться прежним;

— динамический диапазон изменения передаваемого полезного радиосигнала не должен быть меньше 60 дБ для КВ диапазона и не меньше 40−45 дБ для ДЦВ диапазона.

Для удовлетворения этих требований всей ВОСПИ, необходимо обеспечить их выполнение каждым элементом ВОСПИ: УМ, лазерным излучателем, ВОК, ФПУ.

В аналоговой ВОСПИ между АФУ и радиоприемником используются два радиооптических преобразователя: передающий радиооптический преобразователь, расположенный непосредственно в АФУ и выполняющий прямое радиооптическое преобразование сигнала; приемный радиооптический преобразователь, находящийся на приемном конце ВОСПИ перед входом радиоприемника и осуществляющий обратные преобразования оптического сигнала в радиосигнал.

В качестве прямого радиооптического преобразователя выступает усилитель-модулятор, возбуждаемый от радиосигнала с АФУ и модулирующий этим усиленным радиосигналом ток лазерного излучателя.

Лазерные модули для ВОЛС Лазерные модули с оптическим волокном изготавливаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов. Выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе DIL — 14 со встроенном элементом Пельтье и в корпусе типа «оптическая розетка». Технические характеристики приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 — Технические характеристики.

Радиооптический преобразователь, осуществляющий обратное преобразование оптического сигнала в радиосигнал, состоит из фотодиода и усилителя, то есть представляет из себя фотоприемное устройство.

Фотоприемные модули для ВОЛС Фотоприемные модули серий PD-1375-ip/ir для спектрального диапазона 1100.1650 нм изготавливаются на основе импортных InGaAs PIN — фотодиодов. Выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе типа «оптическая розетка» для стыковки с одномодовым волокном, оконцованным разъемом «FC/PC».

1.2 Потери и искажения ВОСПИ

Волоконно-оптические линии связи, используемые для передачи информации, не должны ухудшать характеристики электрических сигналов, то есть должны удовлетворять заданному динамическому и частотному диапазонам. Для удовлетворения всей ВОСПИ необходимо обеспечить их выполнение каждым элементам ВОСПИ: усилителем — модулятором; лазерным излучателем; оптическим кабелем; фотоприемным устройством Потери оптической мощности в волоконно-оптических системах передачи происходят в основном на неоднородностях оптического волокна и соединениях. Кроме них существуют различные виды допусков на ухудшение характеристик.

Рассмотрим их влияние на параметры ВОСПИ:

— обычно между полупроводниковым лазером и разъемом ВОК ставится оптический изолятор, ослабляющий отраженный от торца волокна сигнал. Помимо этого ослабления он вносит затухание и в прямом направлении. Величина этого затухания около 1 дБ;

— с течением времени происходит деградация лазерного диода и выходная оптическая мощность снижается. Чтобы система не прекратила свое нормальное функционирование, должен быть оставлен запас на величину этого снижения. В среднем для полупроводникового лазера она составляет 0,8 дБ;

— как известно в оптическом волокне существует дисперсия — зависимость фазовой скорости распространения волны, от какого либо параметра (в общем случае).

Рассмотрим дисперсные характеристики одномодового волокна, как наиболее оптимального по параметру погонного затухания.

В одномодовом волокне существует два вида дисперсии: волноводная и материальная — зависимость фазовой скорости моды от частоты при распространении колебаний в материале. Суммарная дисперсия такого одномодового волокна определяется как сумма двух видов дисперсий:

??? = ??B + ??м

Величина этих составляющих имеет одинаковый порядок, а функциональная зависимость от длины волны у них имеет разный знак. В результате этого на некоторой частоте сумма этих двух величин дает ноль — дисперсия отсутствует.

График изменения дисперсии в зависимости от длины волны представлен на рис. 1.3.

Рисунок 1.2 — График изменения дисперсии в зависимости от длины волны Исходя из графика в данной системе, выбрана длина волны 1,3 мкм. Величина дисперсии в связи с разбросом спектральных параметров волокна, обычно равна 2−5 нс/м.км. В соответствии с этим ощутимого ослабления сигнала из-за полной дисперсии не ожидается.

Для запаса на возможное ухудшение проводящих свойств волоконно-оптического кабеля вследствие старения отводится величина 1 дБ.

На оптический дистанционный контроль вводится запас 0,2 дБ.

Потери на переходных соединителях оконечного оборудования оцениваются величиной 3 дБ.

Кроме отражения от входного торца оптического волокна существует отражение от всех разъемных соединений, что вносит в оптический сигнал дополнительные шумы. И соответствует эквивалентному уменьшению мощности сигнала на 0,8 дБ.

Прочие, неучтенные потери принимаются равными 3 дБ.

Выходная оптическая мощность лазера с оптическим изолятором составляет 3 дБ. Эти параметры участвуют в составлении запаса мощности ВОСПИ.

Разрабатываемая ВОСПИ должна обеспечить передачу электрического сигнала без или с допустимыми уровнями искажений. К основным искажения, которые могут возникнуть в аналоговой ВОСПИ, относятся нелинейные и линейные искажения.

Нелинейные искажения в наших условиях приводят к ухудшению отношения сигнал/шум, то есть к ухудшению чувствительности, а также к появлению ложных сигналов приема.

Линейные искажения приводят также к ухудшению отношения сигнал/шум. Наиболее опасными искажениями являются нелинейные, которыми и будет определяться динамический диапазон ВОСПИ, особенно интермодуляционные искажения, создающие помехи с частотами (mfi + nfj). Поэтому выбор структуры ВОСПИ, схематических решений составляющих узлов будет направляться на обеспечение минимизации собственных шумов и нелинейных искажений всей ВОСПИ. Очень велики требования, предьявляемые к ВОК.

1.3 Искажения сигналов в одномодовой аналоговой ВОСПИ

Структура построения ВОСПИ в этом случае соответствует варианту: лазерный излучатель одномодовой ВОК.

При этой структуре, возникновение искажений заключается в том, что при возбуждении одномодового волокна одномодовым, особенно одночастотным лазером, режим работы такого лазера очень сильно зависит от величины отраженного от неоднородности волокна (оптические разъемы, соединения, оптическая площадка фотодиода на приемном конце) оптического сигнала.

Этот отраженный оптический сигнал приводит к появлению дополнительного шума излучения лазера, перескоку мод лазера, релаксационному режиму работы, что в конечном итоге проявляется в увеличении нелинейности ватт / амперной характеристике лазера.

При коротких длинах ВОСПИ, что характерно для нашего случая, и малом затухании оптического сигнала в волокне, эти искажения оказываются очень чувствительными.

Допускаемая мощность обратного оптического сигнала, поступающего на выход лазера должна быть Р_обр. ?(0,3?1,0)% от мощности излучения лазера. В этом случае режим работы лазера не нарушается и не возникает дополнительных шумов и нелинейных искажений.

Искажения в тракте распространения оптического сигнала и режим работы лазерного излучателя сильно зависят от условий эксплуатации ВОК. Если при эксплуатации происходят механические колебания вращения кабеля то это приводит к изменению затухания оптического сигнала из-за появления местной неоднородности и, следовательно, к изменению интенсивности обратного отраженного оптического сигнала, приводящего к изменению режимы работы лазера. Для устранения этого влияния лазерные излучатели должны выполняться с оптическим изолятором на выходе с разверткой Д_разв.?30?40 дБ по оптической мощности.

1.4 Экспериментальные наблюдения и измерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ

Экспериментальные исследования искажений сигнала производились двухмодовым и одномодовым методами. В качестве регистрирующей аппаратуры использовался осциллограф, селективный микровольтметр В6−10, а также измеритель радиопомех SMV — 8,5. Наблюдения и измерения искажений сигнала проводились как в КВ, так и ДЦВ диапазонах. Исследовалось при этом влияние как ВОК, так и лазерных излучателей на качественную и количественную картину искажений радиосигналов.

1.5 Определение основных характеристик оптических излучателей и фотоприемников

Кроме вышеперечисленных искажений в аналоговой ВОСПИ возможно возникновение искажений сигнала в ФПУ при использовании в качестве фотодиодов лавинных фотодиодов (ЛФД), которые обладают малыми собственными шумами, но создают значительные нелинейные искажения при небольшом уровне сигнала. У ЛФД динамический диапазон достигает величины не более 40 дБ. Для достижения большего динамического диапазона изменения радиосигнала, лазерные излучатели должны обладать очень малыми собственными шумами, а также иметь строго линейную ватт / амперную характеристику, обеспечивающую динамический диапазон изменения радиосигнала, особенно для КВ диапазона, более 60 дБ. по интермодуляционным искажениям второго порядка.

Все эти требования лазерные излучатели и фотодиоды должны обеспечивать во всем требуемом диапазоне радиосигнала, то есть от f_н=60 кГц. до f_в=500 МГц.

Кроме искажения сигнала, возникающих в ВОСПИ из-за влияния оптоэлектронных элементов (ВОК, лазерные излучатели, фотодиоды) в аналоговых ВОСПИ используются и чисто электронные элементы (транзисторы, диоды, микросхемы), которые в свою очередь, создают дополнительные искажения, частотные искажения. Для исключения их влияния, динамический диапазон устройств, созданных на этих элементах — усилителей, модуляторов для модуляции лазерных излучателей, а также усилителей для фотоприемных устройств, должен быть больше, чем динамический диапазон самих лазерных излучателей, то есть более 70 дБ. в КВ диапазоне и более 56 дБ. в ДЦВ диапазоне.

1.6 Волоконно-оптический кабель

В настоящее время в качестве линии оптического сигнала используется ВОК. Для наших целей, так как сигнал узкополосный, может быть использован как многомодовый, так и одномодовый ВОК. Рассмотрим затухание сигнала в этих ВОК. Величина погонного затухания очень сильно зависит от длины волны, применяемой для передачи информации ВОК.

Как видно из графиков, рациональнее использовать одномодовый ВОК, работая на волнах 1300 нм.

Исходя из условий эксплуатации (постоянные механические воздействия с различной частотой и усилением) в ВОСПИ могут возникать дополнительные искажения сигнала в зависимости от того, каким лазерным излучателем возбуждается какое оптическое волокно.

При возбуждении одномодовым излучателем одномодового волокна, дополнительных нелинейных искажений при механических воздействиях на волокно не происходит (т. к. не происходит эффекта перемешивания мод) т. е. не появляются дополнительные ложные сигналы с частотами f=(mf₁± nf₂), а также не изменяется уровень принимаемого сигнала (это явление отсутствует и при возбуждении многомодовым излучателем многомодового волокна). Таким образом, для исключения влияния механических воздействий, необходимо построение аналоговой ВОСПИ по структуре: одномодовый излучатель — одномодовый ВОК.

Рекомендуемый вариант построения ВОСПИ имеет свои достоинства и недостатки: одномодовый излучатель — одномодовый кабель, малое затухание, но требуется высокая точность настройки разъемов.

В нашем случае не требуется частых разъединений, а необходимо только первоначальное подключение. Поэтому ограничения на монтировку нас особо не стесняют.

1.7 Излучатели

Выполнение требований технического задания по частотному диапазону (F_в? 400 МГц) приводит к тому, что в качестве излучателя может быть использован излучатель ИЛПН — 206 с ОИ.

Источник оптического излучения должен излучать световой поток на длине волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в ОВ, обеспечивать эффективный ввод излучения в ОВ, иметь малые габариты, вес и потребляемую мощность, отличаться простотой, надежностью и долговечностью. Для возбуждения лазерного излучателя необходим усилитель — модулятор. К УМ предъявляются требования: отношение сигнал/шум на выходе, должно быть равным сигналу / шуму на его входе; динамический диапазон по оптическому, а тем более по электрическому сигналу должен быть D? 60 дБ.

1.8 Фотоприемные устройства (ФПУ)

Одним из главных функциональных элементов схемы среди блоков волоконно-оптической системы передачи является фотоприемное устройство. Фотоприемник изготавливается из полупроводниковых материалов. Существуют определенные требования к его качеству и надежности, поскольку отказ любого элемента данного ФПУ приводит к нарушению правильной работы всего ствола линии.

Качество работы ФПУ характеризуется следующими основными параметрами: чувствительностью, динамическим диапазоном, коэффициентом ошибок.

Фотодетектор должен вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры, быть высоконадежным и недорогим.

Приемные оптические модули серии PD-155-ip и PROM-155 выпускаются на основе импортных InGaAs/InP PIN — фотодиодов, интегрированных с малошумящим трансимпедансным усилителем со встроенной системой АРУ и дифференциальным выходом. Модель PROM-155 дополнительно имеет встроенный усилитель-ограничитель и PECL — выход отсутствия сигнала в линии. Модули предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2.155 Мбит/c.

Технические характеристики оптических модулей приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 — Технические характеристики оптических модулей (Т = 25 ⁰С)

В связи с тем, что ВОСПИ должна функционировать постоянно, а на приемной стороне будет использован автономный источник питания, для увеличенного непрерывного времени работы линии необходимо иметь ФПУ с возможно меньшим уровнем потребления мощности.

Таким образом, целью настоящего дипломного проекта является разработка ФПУ для приема аналоговых оптических сигналов с длиной волны ?=1,3 мкм, удовлетворяющего всем вышеперечисленным требованиям, исходя из данных к дипломному проекту.

Как известно чувствительность любого усиливающего устройства потенциально ограничивается собственными шумами.

Усилитель разрабатываемого ФПУ не является исключением. Для того, чтобы была возможна устойчивая работа устройства, уровень сигнала должен превышать уровень шума в некоторое количество раз.

ФПУ должно обеспечивать заданное качество приема сигнала при минимально возможном уровне входной мощности. Удовлетворение этого требования позволит увеличить длину участка связи при фиксированной мощности передатчика или при той же длине снизить необходимую мощность передатчика. Уменьшение мощности передатчика в свою очередь создает предпосылку для увеличения срока службы лазера — самого надежного и дорогостоящего элемента ВОСПИ.

ФПУ должно сохранить требуемое качество приема при изменении уровня входного сигнала (ФПУ должно иметь необходимый динамический диапазон работы).

Динамический диапазон — отношение максимальной средней мощности оптического сигнала на входе приемного оптического модуля, при котором характеристики модуля не выходят за допустимые пределы.

В разрабатываемом фотоприемном устройстве задано значение динамического диапазона по электросигналу? 50 дБ.

Таким образом, фотоприемное устройство характеризуется системой параметров, важнейшими из которых являются:

— рабочая длина волны, для которой нормированы параметры премного оптического модуля;

— полоса пропускания, то есть интервал частот, в котором модуль коэффициента передачи больше или равен половине его максимального значения;

— напряжение шума, то есть среднеквадратичного значения флуктуации выходного напряжения в заданной полосе частот в отсутствие оптического сигнала на его входном оптическом торце;

— отношение сигнал/шум — отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратичному значению флуктуаций выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности;

— порог чувствительности — минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе при заданных характеристиках этого сигнала, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или заданный коэффициент ошибок. Усреднение обычно производится в течении интервала времени во много раз превышающего период модулирующей частоты или длительности светового импульса.

Фотоприемные устройства также должны позволять осуществлять стыковку с каналообразующей или другой оконечной аппаратурой.

Вместе с тем, в ВОСПИ возникают специфические помехи, связанные с распространением сигналов по световодам.

Режимы работы ФПУ ВОСПИ существенно отличаются от режимов ФПУ, применяемых в атмосферной связи или оптической локации. Главное отличие состоит в стабилизации канала и отсутствии фоновой засветки.

Техника фотоприемных устройств развивается в направлениях повышения быстродействия, освоения новых спектральных диапазонов, совершенствования технологии изготовления, конструкции и улучшения основных параметров в соответствии с приведенными требованиями.

2. Выбор и обоснование структурной схемы

ФПУ является составной частью линейного тракта и служит связующим звеном между ВОК и приемником.

Фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полупроводниковых материалов, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 — Рабочие диапазоны длин волн

Рассмотрим более подробно этот важный узел ВОСПИ.

Фотоприемник служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Фотоприемник имеет оптический вход (управляющая цепь) и электрический выход (сигнальная цепь). Параметры ФПУ должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией связи, с одной стороны, и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой требуемый преобразователь электрических сигналов: усилитель, модулятор, декодер, с другой стороны. Как элемент оптической цепи фотоприемник может работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах, что определяется формой оптического сигнала, поступающего на его вход.

Фотоэлектрическое преобразование позволяет получить параметры сигнала, при которых аппаратура, подключенная к выходу ФПУ, может нормально функционировать.

Особенности ВОСПИ определяют выбор принципа оптического детектирования, его приборную и аппаратурную реализацию.

Преимущественно распространен принцип прямого детектирования, основу которого составляют полупроводниковые фотоприемники. Ему присущи простота реализации, схемная минимизация, возможность микроминиатюризации и интеграции на уровне фотопреобразований, высокое быстродействие.

Конструктивно ФПУ состоит из фотодиода и широкополосного высокочувствительного усилителя.

Усилители ФПУ традиционно делятся на предварительный и оконечный усилитель.

Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения преобразует оптический сигнал в электрический. В качестве приемника излучения чаще всего используют фотодиод или лавинный фотодиод.

Предварительный усилитель (ПУ) — усиливает сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Главной задачей проектирования ФПУ является достижение минимального порога чувствительности. Чем меньше этот порог, тем больше длина регенерационного или усилительного участка. Поэтому ПУ должен быть хорошо согласован с ФЭППИ, обеспечивая эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Входной каскад ПУ выполняется на биполярном транзисторе и имеет входное сопротивление, равное внутреннему сопротивлению ФЭППИ.

Оконечный усилитель (ОУ) — осуществляет усиление, понижающее выходное сопротивление ФПУ, необходимое для работы устройства обработки сигнала.

ФПУ, как правило, работает при уровнях входной мощности, превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности связи, так как с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается.

Приемник излучения и его рабочий режим выбирается исходя из заданных спектрального диапазона порога чувствительности, быстродействия и требуемого динамического диапазона.

В большинстве случаев приходится делать выбор между p-i-n — фотодиодом и лавинным фотодиодом. Последний, хотя и позволяет выиграть в пороге чувствительности, работает в меньшем диапазоне температур, часто требует повышенного напряжения питания, стабилизации режима. Надежность ЛФД, включенного в конкретную схему, может оказаться меньше надежности p-i-n — фотодиода. Уступает ЛФД, p-i-n — диоду и в пределах линейности характеристики детектирования. В качестве фотодиода в аналоговых ВОСПИ с большим динамическим диапазоном используется p-i-n — диод. ЛФД не используется, так как имеет малый динамический диапазон из-за сильной зависимости коэффициента умножения от сигнала.

Следующим узлом ФПУ является предварительный усилитель (ПУ). Шумовые свойства предусилителя, зависят от многих факторов: схемы реализации, типа фотодетектора, рабочей полосы частот, типа используемых транзисторов, коэффициента шума транзистора, выбора его рабочей точки, технологии изготовления, наличия и вида корректируемого фильтра. Для требуемого частотного диапазона шумовые параметры биполярного и полевого транзистора соизмеримы.

После выбора приемника излучения и типа транзистора входного каскада необходимо проектирование схемы предварительного усилителя. Предварительный усилитель (ПУ) усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнала к шуму. ПУ должен быть хорошо согласован с приемником излучения, обеспечивая одновременно эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Для= получения

малошумящего усиления применяются схемы самой различной структуры: усилители могут быть дифференциальными и недифференциальными, содержать или не содержать цепи обратной связи и согласующие цепи.

Классификация схем осуществляется по нескольким направлениям. По способу преобразования сигнала во входной цепи различают усилители фотонапряжения, фототока, преобразователи токонапряжения и другие. По величине входного сопротивления усилители подразделяются на высокоимпендансные и низкоимпендансные. Усилители с глубокой обратной связью по напряжению называют трансимпендансными.

Рассмотрим подробнее свойства каждой схемы. Основные преимущества дифференциальных усилителей — это низкие требования к абсолютной величине номиналов элементов и высокая помехозащищенность. Вместе с тем, дифференциальные усилители уступают обычным по шумовым характеристикам: уровень шума в них на 3−5 дБ выше. Дифференциальные усилители применяются в монолитных интегральных схемах и в тех случаях, когда весьма важным требованием может оказаться помехозащищенность, например в вычислительных (схемах) сетях.

Среди схем без обратной связи наибольшее распространение получили высокоимпендансные усилители на полевых транзисторах. Низкоимпендансные усилители применяются главным образом на СВЧ.

Низкоимпендансным усилителем принято называть усилитель с входным сопротивлением 50 Ом. Достоинством усилителя первого типа является возможность достижения минимального порога чувствительности, а недостатками: сравнительно низкий динамический диапазон, высокая чувствительность к действию электромагнитных помех, необходимость индивидуальной настройки, использование высокого входного сопротивления (единицы, десятки МОм), которые приводят к интегрированию сигнала во входной цепи, вызывают частотные искажения. При этом возрастает отношение сигнала к шуму первого каскада усилителя.

Хотя использование большого входного сопротивления помогает максимизировать отношение сигнал/шум в приемнике оптических сигналов, однако оно одновременно порождает неудобства, вызванные необходимостью осуществлять значительную по величине коррекцию.

Первое неудобство состоит в том, что коррекция должна быть индивидуально приспособлена для каждой схемы. Она не может быть установлена заранее. Причина в том, что коэффициент усиления должен изменяться по закону: G(f) = G₀? (1+j?2p?f?С?R), а значения С_вх и R_вх изменяются от прибора к прибору от схемы к схеме и часто зависят от температуры. В результате каждая схема должна настраиваться индивидуально.

Вторая проблема в том, что значительное изменение коэффициента усиления с частотой означает уменьшение динамического диапазона усилителя.

Положительная обратная связь вводится для компенсации входной емкости. Величина сопротивления нагрузки рассчитывается по формуле

(2.1)

Только входная емкость (С_вх) берется компенсированной. Активный, как правило, фильтр K(jw), формирует требуемую частотную характеристику.

Схема с низким входным сопротивлением не нуждается в коррекции АЧХ.

Использование хорошего лавинного фотодиода с коэффициентом усиления М=20, и более гарантирует обеспечение режима детектирования, ограниченного дробным шумом.

Однако, это справедливо для фотодетектора на p-i-n — фотодиоде и увеличение шума в этом случае может быть значительным.

Такой усилитель требует только расчета сопротивления нагрузки R_н по известной, в общем случае, входной емкости и требуемой полосе частот:

.

Хотя входной импульс малой величины и обеспечивает большой динамический диапазон, тепловые шумы ограничивают возможности применения в системах связи.

Обычно предпочитают использовать усилитель с обратной связью. Его основное преимущество — отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без коррекции.

Такой усилитель рассматривается как преобразователь фототокнапряжение. Его коэффициент преобразования, равный отношению, имеет размерность сопротивления. С сопротивлением передачи «трансимпедансом» и связано название схемы на рис. 2.4. При достаточно большом (бесконечном) усилении в отсутствии обратной связи сопротивление передачи равно R_ос. В отличии от схемы без обратной схемы, где резистор нагрузки имеет то же сопротивление передачи (R_н=R_ос), нагрузка в виде трансимпедансного усилителя усиливает мощность. Благодаря действию обратной связи происходит снижение входного сопротивления и может исчезнуть необходимость высокочастотной коррекции, увеличивается динамический диапазон. Выигрыш в динамическом диапазоне примерно равен соотношению коэффициентов усиления при разомкнутой и замкнутой цепи обратной связи.

Использование общей параллельной отрицательной обратной связи позволяет получить очень хорошую стабильность режимов работы по постоянному току всех транзисторов, а также одновременно осуществить коррекцию частотной характеристики ФПУ, выполненное применением данной структуры обеспечивает динамический диапазон на 10 дБ больше, чем усилитель высокоимпедансный, при увеличении шумов примерно на 1 дБ.

Основная проблема усилителей данного типа — обеспечение их устойчивости. Использование протяженной цепи обратной связи, охватывающей усилитель с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, делает схему усилителя склонной к самовозбуждению на высоких частотах, вследствие возникновения положительной обратной связи через транзисторную емкость.

Чтобы избежать самовозбуждения, требуется тщательная, продуманная компоновка и эффективная экранировка элементов схемы. Так наименьшими шумами обладают высокоимпедансные усилители с интегрированием во входной цепи. По динамическому диапазону на первом месте оказывается трансимпедансный усилитель, за ним следует низкоимпедансный и высокоимпедансный. По рабочему диапазону частот первенство принадлежит низкоимпедансному усилителю. В меньшем диапазоне частот возможно применение высокоимпедансного и особенно трансимпедансного усилителей.

Учитывая все достоинства и недостатки схем усилителей, выбираем схему трансимпедансного усилителя.

В данном дипломном проекте разрабатывается фотоприемное устройство для короткой линии связи (1 км.).

Предполагаем, что на выходе ФПУ находится профессиональный радиоприемник. ФПУ в нашем случае без системы автоматической регулировки усиления (АРУ), так как есть вероятность, что устройство АРУ будет откликаться на помеху.

3. Выбор и обоснование принципиальной схемы ФПУ

3.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ

В соответствии со структурной схемой приведенной ранее, ФПУ конструктивно делится на два функционально независимых усилителя: предварительный и оконечный.

Рассмотрим предварительный усилитель. Основным требованием, при соблюдении прочих условий (заданной полосы пропускания) предъявляемых к предварительному усилителю является обеспечение заданного отношения сигнал/шум.

Динамический диапазон фотоприемного устройства по минимальному сигналу определяется собственными шумами ФПУ, которые состоят из шумов фотодиода и шумов усилителя.

От выбора типа транзистора, используемого во входном каскаде, зависит шум усилительной схемы.

Для требуемого частотного диапазона шумовые параметры биполярного транзистора (БП) и полевого транзистора (ПТ) соизмеримы, поэтому выбираем биполярный транзистор при использовании которого проще осуществить заданный частотный диапазон.

Эти токи определяются из следующих выражений (3.1) — (3.4)

; (3.1)

; (3.2)

; (3.3)

; (3.4)

где I_ф0 — постоянный ток засветки; RIN = - 155дБ / Гц — относительная интенсивность шума; - диапазон принимаемых частот; К — постоянная Больцмана; Т — температура (в Кельвинах).

Постоянная оптическая мощность, величина которая определяется исходной рабочей точкой на вольт — амперной характеристике лазера для получения минимальных нелинейных искажений (комбинационные искажения) и потерями в ВОК, падающая на фотодиод, создает фототок сигнала и фототок фоновой засветки, определяемыми постоянной оптической мощностью, определяется соотношением

i_ф= l?P_св/??h?? или i_ф=А?Р_св, А=l/??h??,

где

Р_св — падающая на ФД оптическая мощность;

? — квантовый выход;

h — 6,63?10^-34 — постоянная Планка;

? — 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 (?=1дБ/км) и затуханием ОК (?=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 = 2I_ф0?f = 32?10^-19?1,75?10^-4 = 5,6?10^-15А²,

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

т.е. мы выяснили, 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;

I_к доп = 15 мА;

U_к доп = 5 В;

f_г= 4,7 ГГц;

h₂₁= 100;

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 каскадной схеме с местной обратной связью (ОС). В качестве 2-го и 3-го каскадов используется СВЧ микросхема типа М 45 121−2.

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 табл. 3.1.

Таблица 3.1 — Электрические параметры микросхемы

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.

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) = ?₁(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.

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 (рисунок 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 составляет

Р_{кр макс} < i_k,

Р_к доп = 100 мВт.

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,

где U_кэ — напряжение между коллектором и эмиттером ((5?6) В).

Напряжение, гасимое на сопротивлении R19 находим, как разницу напряжения источника питания и падением напряжения на резисторе R20 и между коллектором и эмиттером.

=6,5 В, Определим токи выходного каскада где h₂₁=среднее значение коэффициента усиления по току,; I_д — ток протекаемый через делитель напряжения. Для достаточной стабильности режима транзистора I_д должен быть значительно больше I_б, обычно принимают I_д? (5?10) I_б

Пусть I_д = 10I_б, тогда

I_э = 10· 10^-3 + 0,1· 10^-3 = 10,1 (мА),

I_д = 10· 0,1мА = 1 (мА).

Сопротивление резисторов делителя напряжения в цепи базы транзистора рассчитывается по формуле

U_б0 = U_бэ + U_э0 = U_бэ + I_к · R_{э (21)}.

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов, значения напряжений база — эмиттер можно принять равным:

U_бэ = 0,6 В, тогда

.

По номиналам

R18 = 10 (кОм),

R19 = 1,1 (кОм).

Нелинейные искажения усилителя определяется выходным каскадом, ко входу которого приложено наибольшее напряжение сигнала, точнее нелинейностью характеристик транзистора этого каскада

R₂₁ = R_вых = 50 (Ом).

4.2 Расчет предварительного усилителя (ПУ)

ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ — минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазоны. Как уже рассматривалось ранее, для удовлетворения этих требований входной каскад выполнен по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.

Второй и третий каскады для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняются по каскодной схеме. Весь ПУ охвачен общей ООС, что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.

Проведем расчет каскадов усиления по постоянному току. Расчет К — цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов микросборки и входного каскада, а также расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность, при этом мощности потребляемые от источника питания и сигнала должны быть минимальными.

Как уже было оговорено, входным выбирается маломощный транзистор СВЧ диапазона с f_m > (4?5) ГГц, например, 2 Т 3114 В-В.

Он, а также транзисторы, входящие в состав СВЧ микросборки М45 121−2, имеют следующие основные параметры

Р_к доп = 100 мВт,

I_к доп = 20 мА,

U_к доп = 15 В,

?_к = 1,5 нс,

f_г = 5 ГГц,

h₂₁ = 40 — 330,

С_к = 0,6 пФ.

Из ранее рассмотренных соображений относительно широкополосности и собственных шумов ФПУ ток коллектора I каскада равен 2 мА. Ко II и III каскадам менее жестки шумовые требования и с целью улучшения частотных свойств, ток коллектора выбран в пределах 5 мА. Для расчета шумов величина сопротивления нагрузки фотодиода по переменному току R_г в данной схеме рассчитывается как