В сборках фотоприемных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.

Схема интегрирующего усилителя приведена на рисунке 5.6.

Рисунок 6.6. Упрощенная схема интегрирующего усилителя ФПУ

Рисунок 6.6. Упрощенная схема интегрирующего усилителя ФПУ

Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора (рисунок 6.7).

Элементы входной цепи ФПУ представлены на рисунке 6.6 как эквивалентные (RЭ, СЭ). Эквивалентное сопротивление определяется

(6.6)

где RТ – сопротивление "затвор – исток", RД - сопротивление фотодиода, R1 - сопротивление смещения фотодиода, R2 - сопротивление смещения транзистора.

Рисунок 6.7. Принципиальная схема входной цепи ФПУ с высоким сопротивлением усилителя

Рисунок 6.7. Принципиальная схема входной цепи ФПУ с высоким сопротивлением усилителя

Эквивалентная емкость определяется:

(6.7)

где СД – емкость фотодиода, СТ – входная емкость транзистора, СП – паразитная емкость соединений. Разделительная емкость СР (или СР1 и СР2) во внимание не принимается, т.к. имеет очень большую величину (СР >> СЭ) и на частотных свойствах входной цепи для информационных сигналов не играют роли.

Напряжение на входе усилителя без учета СЭ

(6.8)

где IФ – фототок, G – коэффициент усиления фотодиода (ЛФД).

Напряжение на входе усилителя с учетом СЭ

(6.9)

Напряжение на выходе усилителя

(6.10)

где К – коэффициент усиления усилителя.

Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи ФПУ

(6.11)

Такой корректор может быть включен после усилителя и обеспечить условие

(6.12)

Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции (рисунок 6.8) [11].

Рисунок 6.8. Схема противошумового корректора

Рисунок 6.8. Схема противошумового корректора

Достоинства схемы ФПУ с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в следующем:

  • может быть получена благодаря коррекции любая полоса пропускания;
  • малые шумы;
  • простота схемы для реализации;
  • интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном сигнала и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рисунок 6.9).

На рисунке 6.10 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Рисунок 6.9. Упрощенная схема трансимпедансного усилителя ФПУ

Рисунок 6.9. Упрощенная схема трансимпедансного усилителя ФПУ

Рисунок 6.10. Принципиальная схема ТИУ

Рисунок 6.10. Принципиальная схема ТИУ

Полоса частот пропускания ФПУ с ТИУ определяется из простого соотношения [8, 11, 15, 28]:

(6.13)

при условии, что ROC << RЭ.

Таким образом, выбором значений К и RОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами ФПУ с ТИУ являются:

  • большой динамический диапазон входных сигналов;
  • простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;
  • простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

  • возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;
  • уменьшенное соотношение сигнал/шум на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления RОС.

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n ФД порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах G (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности ФПУ.

Рассмотренным схемам ФПУ с ИУ и ТИУ можно поставить в соответствие эквивалентную электрическую схему (рисунок 6.11) и амплитудную частотную характеристику, по которой оценивается полоса пропускания (рисунок 6.12).

Рисунок 6.11. Эквивалентная электрическая схема ФПУ

Рисунок 6.11. Эквивалентная электрическая схема ФПУ

Завалы АЧХ на нижних и верхних частотах обусловлены наличием в схеме разделительной емкости СР и емкостей СВХ УС, СВ, СД.

Со значением эквивалентной индуктивности LВ обычно не считаются, т.к. значение jw LВ << 1/(jw CЭ).

Рисунок 6.12. Амплитудно-частотная характеристика входной цепи ФПУ

Рисунок 6.12. Амплитудно-частотная характеристика входной цепи ФПУ

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприемным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос.

Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:

(6.14)

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

(6.15)

Таким образом, можно сравнить:

(6.16)

Уменьшение величины фототока в два раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ. На рисунке 6.13 соотношение между полосами пропускания показано графически. При этом влияние разделительной емкости не учитывается.

Рисунок 6.13. Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ

Рисунок 6.13. Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ

Установлено, что для импульсных сигналов, передаваемых в ВОСП, имеется следующее соотношение между скоростью передачи, электрической и оптической полосами пропускания [8, 82]:

(6.17)

(6.18)

где FЭ – электрическая полоса пропускания, FО – оптическая полоса пропускания, а соотношения (6.17) и (6.18) соответственно относятся к форме импульсов прямоугольной и гауссовской (колоколообразной).