Разработка оптического приемного устройства, страница 8

Решение уравнения для модуля частотной характеристики (2.29) относительно х при М(х)=1 дает выражение для относительной верхней граничной частоты полосы пропускания усилителя. Учитывая, что оптимальная частотная характеристика получается при выполнении условия (2.27), то получаем выражение для расчета верхней граничной частоты, соответствующее оптимальной частотной характеристике :

,                                                                 (2.30)

Для определения выигрыша в полосе пропускания, определяем верхнюю граничную частоту усилителя без ООС:

Откуда получаем, что относительная верхняя граничная частота полосы пропускания усилителя без ООС составляет:

,   (2.31)

Определим выигрыш в полосе пропускания от введения ООС как отношение величин полученных в результате расчета по формулам (2.30) и (2.31):

Таким образом, расчеты показывают, что удалось увеличить ширину полосы пропускания усилителя в 2,75 раза .

На рисунке 2.4 приведена схема оптического приемного устройства.

	U0

 

Uпит= +15В

                                                                                                     

 

Рисунок 2.4 – Схема оптического приемного устройства

Свет из оптического волокна попадает на германиевый ФД 40Б pin – фотодиод. Для поддержания необходимого напряжения на диоде при включении его в цепь нужно учитывать сопротивление нагрузки фотодиода и его напряжение смещения.

Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Обратная связь осуществляется с помощью резистора R_ос =3кОм. Каскады на этих транзисторах образуют трансимпедансную часть схемы. Третий каскад на VT3 производит дополнительное усиление и развязку. Остальные элементы схемы обеспечивают режимы по постоянному току и необходимое усиление.

Расчет выходного каскада

Схема выходного каскада – схема эмиттерного повторителя (схема с ОК).

Произведем расчет выходного  каскада , показанного на рисунке 2.5.

 

 Так как это схема эмиттерного повторителя (каскад с общим коллектором), то .  Глубина обратной связи достаточно велика, поэтому напряжением на переходе эмиттер – база  (порядка 0,2В) можно пренебречь по сравнению с величиной других напряжений.

Заданными величинами являются: U_пит=15В, U_кэ=5В, I_к=I_э= 5мА.

Определяем, что падение напряжений на сопротивлениях R_э3 и R_к3 составляет , следовательно,

Распределяем суммарное сопротивление на R_эи R_к. Желательно, чтобы R_э было возможно больше, так как это углубляет обратную связь и делает более жесткой стабилизацию режима; в то же время, и R_кжелательно выбрать возможно большим, так как оно шунтирует выход каскада по переменному току. Поэтому принимаем некоторое компромиссное решение, например R_э=400Ом, а R_к=1,6кОм.

Напряжение U_с– напряжение на выходе трансимпедансного усилителя, определяемое как:

R_c– сопротивление источника сигнала, рассчитываемое следующим образом:

Ом

Выходное сопротивление каскада с ОК можно определить  по эквивалентной схеме, показанной на рисунке 2.6, составленной относительно выходного тока. В этой схеме для сохранения прежнего распределения потенциалов по замкнутому контуру сопротивление входной цепи необходимо уменьшить в β раз.

						Rэ3
		Uc
	Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема для расчета выходного сопротивления

 

Тогда

 

Выходное напряжение снимается с R_э3и составляет:

Таким образом, каскад с ОК (эмиттерный повторитель) используется для согласования большого внутреннего сопротивления каскадов, усиливающих напряжение с малым выходным  сопротивлением.  Каскад генерирует стабильное выходное напряжение на нагрузке два вольта, что обеспечивает нормальное функционирование элементов, находящихся в регенераторе .  

Расчет шумов усилителя

Известно, что мощность помех на выходе усилителя определяется его тепловым, дробовым, и полупроводниковым шумами. Кроме того, при передаче сигнала на выходе усилителя появляются нелинейные помехи, которые при дальнейших расчетах учитываться не будут. Так как шум на выходе усилителя существует и при холостом ходе, и при коротком замыкании на его входных зажима х, принято эквивалентную схему усилителя представлять в виде  источника напряжения шума U_шуси источника тока шума i_шус, включенных на входе нешумящего усилителя. В ТИУ шумовая схема содержит еще источник напряжения теплового шума U_шос, появляющегося за счет резистора в цепи обратной связи R_ос. Шумовая схема оптического приемника с трансимпедансным усилителем приведена на рисунке 2.7.

 

Основной вклад в эквивалентный шумовой ток усилителя i_шус для биполярного транзистора вносит слагаемое, порождаемое шумом базового тока, то есть . В то же самое время основной вклад в эквивалентное шумовое входное напряжение U_шус вносит слагаемое ,

где        I_Б– базовый ток транзистора,

I_к – коллекторный ток транзистора,

- коэффициент усиления транзистора по току,

К_В – постоянная Больцмана,

q – заряд электрона,

Т – рабочая температура транзистора в градусах Кельвина.

Рассчитаем значения шумовых компонент i_шус и U_шусдля используемого транзистора:

,

.

Спектральная плотность шума U_ш на выходе усилителя находится следующим образом. Сначала вычисляется спектральная плотность шума на выходе, создаваемая каждым источником шума, а затем, используя принцип суперпозиции, определяется сумма средних квадратов найденных величин. В результате всех преобразований получаем выражение для отношения сигнал/помеха :