14.4.3. Усилитель с высоким входным сопротивлением, или интегрирующий усилитель

Если согласиться с необходимостью использовать коррекцию и сделать величину достаточно большой, то шумы будут определяться слагаемыми Какое из этих слагаемых будет наибольшим, зависит от полосы перекрываемых частот и типа используемого в усилителе входного прибора. В этом случае отношение сигнал-шум принимает вид

Если определить величину из соотношения

то на высоких частотах при выполнении условия

слагаемое характеризующее шумовое напряжение, будет преобладать над слагаемым определяющим шумовой ток. На рис. 14.7 приведены сравнительные графики значений этих двух слагаемых шумов усилителя. При их построении было принято и сделаны следующие Предположения:

для кремниевого полевого транзистора

что дает

Рис. 14.7. Частотные характеристики источников шумового напряжения и тока в усилителе с высоким входным со противлением

для кремниевого биполярного плоскостного транзистора

что обеспечивает и

Следует ожидать, что в данном случае спектральная плотность шума будет возрастать на низких частотах из-за составляющей или фликер-шума. Третий тип транзистора, упомянутый в § 14.3, а именно, полевой канальный транзистор на арсениде галлия, может быть сделан с высокой проводимостью и очень малой емкостью затвора (меньше при превосходной ширине полосы усиления (больше Эквивалентное шумовое напряжение такое же или даже меньше, чем у кремниевого биполярного транзистора (приблизи. тельно Гц, а значение эквивалентного шумового тока, вероятно, находится между значениями, характерными для биполярного и полевого кремниевых транзисторов (не более

Относительный уровень слагаемого в, характеризующего дробовой шум, зависит от значений Для p-i-n-фотодиода , и дробовой шум незначителен. При использовании же хорошего кремниевого лавинного фотодиода с наблюдается уменьшение слагаемых иди возрастание слагаемого в, вследствие чего дробовой шум становится доминирующим в широком диапазоне практических применений. В таком случае приемник работает в условиях квантового предела шумов и к нему применимы соотношения и (14.4.14). Условия для обеспечения такого режима можно получить следующим образом. На низких частотах, т. е. при когда слагаемое шумового тока усилителя превышает слагаемое шумового напряжения, дробовой шум становится доминирующим при выполнении условия

Если теперь подставить в (14.4.18) значение тока, удовлетворяющего заданному значению отношения сигнал-шум, а именно

то условие преобладания дробового шума над другими на низких частотах примет вид

На высоких частотах, когда сравнение необходимо проводить со слагаемым шумового напряжения усилителя. В этом

случае условие преобладания дробового шума характеризуется неравенством

которое после подстановки в него (14.4.19) становится таким:

Если теперь подставить в полученные выше выражения значения и предположить, что а в качестве фотодетектора используется кремниевый лавинный фотодиод с то получим следующие значения для для кремниевого канального транзистора — Гц и для кремниевого биполярного транзистора —

Таким образом, оба транзистора в очень широкой полосе частот обеспечивают режим детектирования, ограничиваемый дробовым шумом. Необходимо подчеркнуть, что полученный результат зависит от значений Очень незначительное их уменьшение привело бы к преобладанию шумов усилителя над дробовым шумом.

Хотя использование большого входного сопротивления помогает максимизировать отношение сигнал-шум в приемнике оптических сигналов, однако оно одновременно порождает два существенных неудобства, вызванных необходимостью осуществлять значительную по величине коррекцию. Первое состоит в том, что коррекция должна быть индивидуально приспособлена для каждой схемы. Она не может быть просто установлена заранее. Причина в том, ”то коэффициент усиления усилителя должен изменяться по закону а значения 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. (Динамический диапазон характеризует максимальный неискаженный сигнал на выходе усилителя и обычно определяется его отношением к наименьшему допустимому сигналу.) Причину этого можно пояснить следующим образом. Пусть требуется увеличить коэффициент усиления на высоких частотах в 100 раз но сравнению с усилением на низких частотах, как это показано на рис. 14.4. Это можно осуществить ослаблением низких частот после начального усиления, которое в данном случае должно быть не менее 1000 (60 дБ), При таком большом усилении не возникает никаких проблем для высоких частот, поскольку они уже ослаблены во входной цепи усилителя, однако при этом любые незначительные по величине низкочастотные сигналы вызовут насыщение усилителя. Это обстоятельство и ограничивает его динамический диапазон.

В § 14.4.4. будет рассмотрена схема с низким входным сопротивлением, которая не нуждается в такой коррекции АЧХ.