4.4 Шумы фотоприемных устройств (фпу)
Приемники ВОСП должны детектировать очень сложные сигналы, так как шумы в приемном устройстве неустранимы. Именно они ограничивают минимальную детектированную мощность. Основными источниками шума являются дробовые и тепловые шумы ФД и шумы предусилителя. Дробовый шум обусловлен дискретной природой преобразований фотон-электрон/дырка. Поэтому в исходный момент времени образуется случайный ток, который влияет на величину фототока. Тепловые шумы появляются в виде случайного тока в нагрузке и обусловлены тепловым движением носителей. Параметр отношения сигнал-шум является общепринятым критерием оценки качества сигнала в системах.
(4.2)
где
-
фототок;
Fш(М) – коэффициент лавинного шума ФД (для pin Fш(М)=1);
К =1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
Т – температура по Цельсию;
Rэ – эквивалентное сопротивление в цепи ПрОМ;
М – коэффициент лавинного умножения;
Дш – коэффициенты шума усилителя;
F – ширина спектра сигнала.
Эквивалентная схема ФПУ приведена на рисунке 4.8.
Рисунок 4.8 - Эквивалентная схема ФПУ
Компоненты схемы:
Iф – источник фототока;
Rд – сопротивление ФД (сопротивление p-n перехода);
Сд – емкость ФД;
Lв, Rв – индуктивность и сопротивление выводов;
Ср – разделительная емкость;
См – емкость монтажа;
Ry,Cу – параметры усилителя
Любое ФПУ характеризуется:
входной оптической полосой;
выходной электрической полосой.
Выходной полосой ФПУ управляют все элементы эквивалентной схемы ФПУ. Необходимо согласовывать ПЧ информационного сигнала с полосой пропускания ФПУ. Для достижения максимального отношения сигнал/шум.
ПП ФПУ определяется по электрической характеристике (рисунок 4.9)
Рисунок 4.9 - Полоса пропускания ФПУ
ПП ФПУ при известном коэффициенте по мощности (Км) и по току (Кт), (дБ) определяется на уровне -3дБ. При этом ΔFФПУвых ограничивается модулирующей частотой электрического сигнала, а ΔFФПУвх ограничивается модулирующей частотой оптического сигнала.
Известны следующие соотношения:
для гауссовского распределения:
(4.3)
для импульса прямоугольной формы:
(4.4)
Определение отношения сигнал/помеха на выходе ФПУ, содержащего интегрирующий усилитель (ИУ). Схема ФПУ с ИУ приведена на рисунке 4.10.
Рисунок 4.10 - Схема ФПУ с ИУ
ИУ обладает большим входным сопротивлением – от 1 до 10 МОм.
Достоинства ИУ:
простота реализации;
большой коэффициент усиления (Кус);
малый шум;
Недостатки ИУ
ограничение по динамическому диапазону усиления;
плохо управляемая полоса пропускания за счет влияния всех элементов схемы (емкостных и индуктивных).
Сэ
Rэ
- Сэ, Rэ – эквивалентные элементы схемы ФД и
усилителя
Uвх
Uвых
Кус
Рисунок 4.11 – Эквивалентная схема
(4.5)
(4.6)
где Rэ, Сэ – эквивалентные элементы схемы ФД;
R*э, С*э – характеризуют параметры самого усилителя.
Для того чтобы получить идеальное значение напряжения. На выходе ФПУ стремятся согласовать параметры усилителя (R*э, С*э), с параметрами ФД (Rэ, Сэ).
Поэтому когда параметры усилителя и ФД совпадают:
(4.7)
Подобрать R*э, С*э очень сложно, поэтому достичь выражения (*) практически невозможно. В этой связи напряжение на выходе ФПУ уменьшается.
Рисунок 4.12 - Шумовая эквивалентная схема ФПУ с ИУ
(4.8)
Для того чтобы получить максимальное отношение сигнал/помеха необходимо применять ЛФД. При этом составляющие а, б, в, г, д уменьшаться. Кроме того в схеме ФПУ с ИУ применяются корректирующие цепочки, которые уменьшают влияние Rэ, Сэ. При этом отношение сигнал/помеха возрастеют.
Определение отношения сигнал/помеха для ФПУ с трансимпендансным усилителем (ТИУ). Отличием этой схемы является наличие отрицательной обратной связи (ООС). При этом Rос должно быть много меньше, чем эквивалентное сопротивление схемы.
Рисунок 4.13- Схема ФПУ с ТИУ
Преимущества ТИУ:
более управляемая полоса частот ФПУ;
возможность работы с сигналами более широкого динамического диапазона.
Недостаток ТИУ:
- возможность самовозбуждения усилителя при переходе отрицательной обратной связи в положительную.
(4.9)