14.6. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Чтобы получить представление о численных значениях величин в только что приведенном анализе шумов усилителя, поставим себя на место разработчика оптической системы связи, столкнувшегося с необходимостью сравнительной оценки шумовых характеристик фотодетектора на p-i-n-фотодиоде и ЛФД. Проблема использования ЛФД заключается в необходимости применения высоковольтного источника смещения и обеспечения его температурной компенсации. Преимуществом ЛФД является более высокая чувствительность и, как следствие, более низкий уровень мощности принимаемого сигнала. Это в свою очередь может означать уменьшение мощности передатчика (что позволит использовать светодиод, а не лазер) или увеличение расстояния между ретрансляторами и уменьшение затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования. Вопрос в том, насколько можно уменьшить мощность принимаемого сигнала при сохранении приемлемого отношения сигнал-шум. В качестве примера возьмем оптическую систему связи с информационной пропускной способностью в которой применена импульсная модуляция и источник излучения,

работающий на длине волны 1,3 мкм. Как будет показано в гл. 15, отношение сигнал-шум на выходе оптического приемника, равное 20, обеспечит соответствующий запас надежности связи, а требуемая полоса пропускания оптического приемника будет равна В качестве усилителя оптического приемника выберем усилитель с обратной связью, а в качестве входного транзистора — биполярный транзистор, как более дешевый и доступный. Усредненное значение шума усилителя с таким транзистором в требуемой полосе частот при надлежащих условиях смещения описывается величинами При этом будем полагать, что элементы схемы имеют следующие значения (как для -фотодиода, так и для полная входная емкость — входное сопротивление — сопротивление обратной связи —

Предположим также, что ЛФД имеет максимальный полезный коэффициент умножения и коэффициент шума Будем считать, что при больших значениях возрастает темновой ток и возникает микроканальный пробой, что приводит к быстрому возрастанию В таком случае шумы различных источников примут значения, приведенные в табл. 14.1.

Таким образом, использование ЛФД повышает чувствительность приемника в 5 раз. Предложенный способ проектирования не является оптимальным по критерию отношения сигнал-шум, хотя он и не далек от него. Можно, например, изменить напряжения смещения на транзисторе таким образом, чтобы уменьшить значение даже если это приведет к увеличению Дальнейшее увеличение значений приведет лишь к небольшому улучшению отношения сигнал-шум за счет уменьшения слагаемого Слагаемое а при этом всегда остается незначительным. Совершенно очевидно, что эти вопросы становятся важными при использовании -фотодиода в качестве фотодетектора.

Таблица 14.1. (см. скан) Шумы различных источников

Вероятно, что в этом случае выгодно использовать в первом каскаде усиления полевой транзистор из арсенида галлия из-за малого значения и хороших частотных характеристик.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

При проектировании оптической системы связи, как и любой другой, одним из главных критериев является необходимость поддержания на входе приемника определенного минимально допустимого отношения сигнал-шум. В цифровых каналах связи такими значениями будут в то время как в аналоговых линиях передачи данных могут потребоваться значения более

Шум представляется в виде составляющих спектральной плотности шума (среднеквадратических значений). Дробовой шум возникает в процессе детектирования — Тепловой шум генерируется во всех компонентах, составляющих входное сопротивление усилителя оптического приемника — или Шумы усилителя отображаются источниками шумового тока и шумового напряжения включенными на его входе, как показано на рис. 14.2.

Входной сигнал

Отношение сигнал-шум на выходе усилителя напряжения с коррекцией определяется выражением (14.4.10), а на выходе усилителя с обратной связью — (14.5.14).

Для обеспечения на выходе идеального фотодетектора отношения сигнал-шум, равного К, необходим фототок Использование большого входного сопротивления позволяет уменьшить шум усилителя напряжения и тепловой шум его элементов. Если при этом не используется схема усилителя с обратной связью, то может появиться необходимость в коррекции, что приведет к уменьшению динамического диапазона.

При использовании ЛФД с высоким коэффициентом умножения, а также при необходимости обеспечения высокого отношения сигнал-шум, доминирующим обычно становится усиленный дробовой шум. Если же использовать p-i-n-фотодиод, то:

а) шум усилителя напряжения растет с увеличением частоты и становится преобладающим на высоких частотах, причем предпочтительнее кремниевый биполярный транзистор. В этом случае очень важно минимизировать значение входной емкости;

б) шум усилителя тока имеет тенденцию доминировать над другими шумами на низких частотах, и в этом случае предпочтительнее использовать во входном каскаде кремниевый полевой транзистор;

в) если входное сопротивление невелико, то тепловой шум становится преобладающим в области средних частот.

На очень высоких частотах, порядка целесообразно использовать во входном каскаде полевой транзистор из арсенида галлия. В этом случае очень существенной является компоновка модуля, содержащего фотодетектор и предварительный усилитель приемника, чтобы минимизировать общую входную емкость.