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.

Шумовая эквивалентная схема входного каскада ФПУ представлена на рис.3.1.

 

 

i_ф~ - генератор фототока сигнала

i_ф,ш -генератор шумового фототока, создаваемого шумовой оптической мощностью.

i_ш,ф0- генератор шумового тока, создаваемого постоянной оптической мощностью.

i_ш,Rн – генератор шумового тока,создаваемого эквивалентным сопротивлением нагрузки фотодиода по переменному току.

 

i_ш,БТ – генератор шумового тока,создаваемого шумами БТ входного каскада.

 

    Эти токи определяются из следующих выражений:

 

; (1)

;           (2)

;       (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/η·h·ν         или           i_ф=А·Р_св, А=l/η·h·ν,

 

где Р_св – падающая на ФД оптическая мощность.

       η – квантовый выход.

       h – 6,63·10^-34 – постоянная Планка

       ν – 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(α=1дБ/км) и затуханием ОК(α=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 = 2 I_ф0Δf = 32·10^-19·1,75·10^-4 = 5,6·10^-15А²

 

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

 

т.е. мы получили,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;              f_г= 4,7 ГГц;

     I_{к доп} = 15 мА;                 h₂₁= 100;

     U_{к доп} = 5 В;                    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 каскодной схеме с местной обратной связью(ОС). В качестве 2-го и 3-го каскадов используется СВЧ микросхема типа М 45121-2.

    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 таблице 3.1 в конце главы.

 

 

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.

    Принципиальная схема выходного каскада изображена на рис.3.3.

        

 

Рис.3.3 Принципиальная схема выходного каскада ФПУ.

 

    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) = τ₁(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.

 

Таблица 3.1

Параметры, единицы измерения	Норма
	Не менее	Не более
1. Верхняя частота рабочего диапазона, МГц	1000	-
2. Коэффициент шума в режиме преобразования, дБ	-	10
3. Верхняя граница линейности АЧХ по сжатию Кр на 1дБ, мВт	0,1	-
4. Развязка между каналами, дБ	30	-
5. Коэффициент передачи по мо- щности в режиме усиления, дБ	-	5
6. Допустимая входная мощность, мВт	-	5
7. Минимальная наработка, час	25000	-
8. 90 - процентный ресурс, час	40000	-
9. Масса, г	-	1,5
10. Конструктивное исполнение планарное, 14 гибких ленточных вывода, габариты (мм.)

^* Для повышения устойчивости и уменьшения паразитных связей свободные выводы и основание корпуса рекомендуется заземлить.

 

Предыдущая123456789Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: