Разработка оптического приемного устройства, страница 6

Название параметра	Обозначение	Числовое значение
Минимальный коэффициент шума на 1ГГц при Uкб=5В, Iэ=5мА, не более	Dш	3,5дБ
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ при Uкб=7В, Iэ=5мА	Fт	7,5ГГц
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, не более	τ	3псек
Емкость коллекторного перехода при  напряжении Uкб=5В, не более	Cк	0,6пФ
Емкость эмиттерного перехода при Uэб=1В	Cэ	0,46пФ
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при Uкб=7В, Iэ=5мА	β	15…110
Допустимая мощность, рассеиваемая на корпусе	Pк	70мВт
Обратный ток коллектора	Iко	0,5мкА
Предельно допустимое напряжение коллектор-база	Uкб	10В
Ток коллектора	Iк	5 мА
Ток базы	Iб	5мА
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер	Uкэ	5В

При анализе цепей с усилительными элементами (в том числе и с транзисторами) последние заменяются эквивалентными схемами. Для интегрального транзистора упрощенная схема имеет вид, показанный на рисунке 2.1. Это эквивалентная схема четырехполюсника в системе Y – параметров, соответствующая уравнениям:

                                    I₁=Y₁₁U₁ + Y₁₂U₂                                             (2.1)

I₂=Y₂₁U₁ + Y₂₂U₂

где I₁=I_б, I₂= I_k, U₁= U_бэ, U₂= U_кэ.

 

Рисунок 2.1 – Упрощенная эквивалентная схема интегрального транзистора

 Для расчета Y – параметров  воспользуемся их нормированными формулами:

                                                                               (2.2)

                                                                            (2.3)

                                                                                (2.4)

                                                                              (2.5)

где                                                                                        (2.6)

                                                                                  (2.7)

                                                                                    (2.8)

,                                           (2.9)

где    g₁₁, g₁₂, g₂₁, g₂₂ – параметры интегрального транзистора на низкой частоте;

g_э – активная составляющая проводимости эмиттерного перехода;

а – коэффициент, равный  ,                                                 (2.10);

b– коэффициент, зависящий от постоянной времени τ₁,     (2.11);

 - постоянная времени коллекторной цепи;

,                                                                             (2.12);

r_б – распределенное сопротивление между базовым контактом и активной базовой областью, определяемое как                                                (2.13);

С_к – емкость перехода база – коллектор. Из характеристик транзистора С_к = 0,6пФ

τ - постоянная времени цепи обратной связи, τ =3псек;

g_к – активная составляющая проводимости коллекторного перехода;

х – обобщенная частота, определяемая как                          (2.14);

ω – рабочая частота;

r_э - сопротивление эмиттерного перехода, Ом:

,                                                                                      (2.15)

I_э – выбранный ток эмиттера, мА. В интегральных микросхемах транзисторы работают при I_э = 1,5мА.

Определим указанные параметры транзистора.

Сопротивление эмиттерного перехода согласно формуле (2.15) при используемом токе эмиттера составит величину:

Проводимость эмиттерного перехода получается g_э=0,06. Определим величину распределенного сопротивления между базовым контактом и активной базовой областью из соотношения (2.13):

Рассчитаем значение постоянной времени τ₁, подставляя значения в формулу (2.12):

Обобщенная частота, определяемая из соотношения (2.14) составит величину:

а постоянная времени коллекторной цепи:

Тогда коэффициент b, зависящий от величин  τ₁ и  τ_к, определяемый по формуле (2.11) составит:

Рассчитаем параметр g₁₁ из выражения (2.6). В результате расчета получаем:

,

Коэффициент а, определяемый из соотношения (2.10) будет равен:

 Определим параметры интегрального транзистора на низкой частоте исходя из выражений (2.7) – (2.9) и полученных значений остальных параметров. Получаем:

Нормированные Y– параметры, согласно выражениям (2.2) – (2.5)  примут вид:

Для расширения полосы пропускания фотоприемного устройства применяют специальные схемы усилителей, которые усиливают весьма малый по значениям (от единиц до сотен микроампер) фототок.

Чаще всего используют два типа схем предварительных усилителей:

·  Интегрирующий усилитель (ИУ) – усилитель с большим входным сопротивлением, содержащий  корректирующий контур (КК).

·  Трансимпедансный усилитель (ТИУ)  - усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению.

В ФПУ с ИУ коэффициент усиления растет с увеличением частоты. На высоких частотах это может привести к перегрузке усилителя, и как следствие, к возникновению нелинейных искажений и помех. Чтобы этого не произошло, напряжение на выходе ИУ уменьшают, а это ведет к уменьшению динамического диапазона восстановленного сигнала, что и является недостатком данного фотоприемного устройства.

В ФПУ с ТИУ динамический диапазон сигнала велик (30дБ и более). Однако, при больших величинах усиления К и широкой полосе пропускания Δf на одной из частот этой полосы обратная связь может стать положительной, что может привести к самовозбуждению ФПУ. Тем не менее, в настоящее время чаще всего применяют ФПУ с ТИУ, так как введение отрицательной обратной связи (ООС) позволяет получить не только значительный динамический диапазон  и малые нелинейные искажения, но и стабилизацию режима работы усилителя.