ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНОГО ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ. ОПТИМАЛЬНЫЙ И КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМЫ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПРЯМЫМ ФОТОДЕТЕКТИРОВАНИЕМ

21.1 Эквивалентная схема фотодетектора для расчета льношения С/Ш

Минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе ПРОМ, при которой обеспечиваются заданные отношения сигнал/шум или вероятность ошибки, называется порогом чувствительности. Для определения порога чувствительности, а также таких параметров ПРОМ, как помехоустойчивость и эквивалентная шумовая мощность (ЭШМ), необходимо представить эквивалентную схему фотодетектора ПРОМ с указанием источника полезного сигнала и основных источников шумов. Далее следует рассчитать ток (напряжение) полезного сигнала и сравнить его с током (напряжением) источников шумов, определить МДМ при действии шумов различного вида и рассмотреть возможность реализации оптимального приема.

Обобщенная эквивалентная схема фотодетектора ПРОМ приведена на рис. 21.1, где приняты следующие обозначения: Р_ос - мощность оптического сигнала (излучения), поступающая на вход ФД из ОВ; I_с - ток полезного сигнала (фототек) на выходе ФД (20.1); R_ф - динамическое сопротивление ФД; С_ф - емкость переходов фотодиода; - ток дробового итемновых шумов на входе ФД (20.1) и (20.3); R_вх и С_вх - входные сопротивления и емкость предварительного усилителя (ПУс) с коэффициентом усиления К; I_сш - ток тепловых шумов сопротивления (нагрузки ФД) и собственных шумов усилителя.

В фотоприемных устройствах (ФПУ) ВОСП в основном находят применение два типа предварительных усилителей фототоков: интегрирующие и с обратной связью (трансимпедансные).

Эквивалентная обобщенная схема интегрирующего усилителя (ИУ) приведена на рис. 19.2, где I_с - ток ФД, возникающий под воздействием мощности оптического излучения; С - эквивалентная емкость, учитывающая емкость переходов ФД, входную емкость усилителя и паразитные емкости монтажа элементов фотодетектора и усилителя; R - эквивалентное сопротивление, учитывающее динамическое сопротивление фотодиода, его цепей смещения и входное сопротивление усилителя; К - коэффициент усиления усилителя; С_к, R_к1 и R_к2 - элементы корректирующего четырехполюсника.

Основным недостатком ИУ является их насыщение при работе в ЦВОСП при приеме цифровых последовательностей с длинными сериями «1». Поэтому ИУ предпочтительно применять в ФПУ аналоговых систем передачи.

Применение ИУ с высоким входным сопротивлением помогает уменьшить шумы ФПУ, но при этом возникает необходимость осуществления значительной по величине коррекции. Такая коррекция должна выполняться для каждой схемы соединения «фотодиод - усилитель» и не может быть выполнена заранее, так как значения R и С изменяются от прибора к прибору (фотодиод, операционный усилитель и т. д.), от схемы к схеме и часто зависят от температуры. В результате каждая схема должна настраиваться индивидуально.

При выполнении условия R<1/(2пВС) нет необходимости в применении корректирующего четырехполюсника с большим перепадом затухания на крайних частотах полосы пропускания, следовательно, отпадает потребность в усилителе с большим коэффициентом усиления К.

В зависимости от значения R и выполнения условия R<1/(2пВС) различают ИУ с низким и высоким входными сопротивлениями. Наименьшими шумами обладают ИУ с высоким входным сопротивлением. Поэтому в схемах ПРОМ с р-i-n ФД предпочтение отдается ИУ с высоким входным сопротивлением.

Обобщенная эквивалентная схема усилителя с обратной связью (ОС) показана на рис. 19.3. Здесь в основном использованы такие же обозначения I_с, R и С,что и для схемы ИУ; R_ос - сопротивление ОС; VD - туннельный диод.

Трансимпедансные усилители (ТИУ), усилители с глубокой ОС по напряжению, можно рассматривать как преобразователи «ток - напряжение» с коэффициентом преобразования U_вых/I_вх, имеющим размерность сопротивления. По сравнению с ИУ эти усилители схематически проще. Сопротивление обратной связи R_ос определяется из условия, что шумы ТИУ не превышают шумов фотодиода.

Сопротивление R_ос определяет входное и выходное сопротивления усилителя, его динамический диапазон и полосу пропускания на уровне 3 дБ. Практически все параметры передачи ТИУ зависят от сопротивления ОС.

Благодаря действию ОС в ТИУ происходит снижение входного сопротивления и может отпасть необходимость в высокочастотной коррекции. Основной недостаток ТИУ - уменьшение динамического диапазона с увеличением входного тока. Для расширения динамического диапазона ТИУ при большом значении фототека сопротивление R_ос шунтируется туннельным диодом VD.

Для ТИУ характерно снижение устойчивости при работе в широкой полосе частот и ухудшение частотных характеристик за счет паразитных емкостей цепей ОС, для компенсации которых требуется включение индуктивностей, что в целом приводит к увеличению шумов ТИУ.

Оба рассмотренных типа усилителей, как правило, выполняются в интегральном исполнении.

При проектировании волоконно-оптических линии связи одним из главных критериев является необходимость поддержания на входе ПРОМ минимально допустимого отношения С/Ш. Для цифровых систем передачи защищенность должна быть не хуже 20..30 дБ, в то время как для аналоговых систем передачи требуются значения не менее 50...60 дБ.