Розробка блоку управління фотоприймачем для волоконно-оптичних систем передачі інформації

Введення

У сучасних системах зв'язку все більше потрібні швидкісні широкосмугові канали зв'язку для передачі інформації. Відповідати зростаючим обсягам переданої інформації можна, використовуючи оптичне волокно.

Оптичне волокно в даний час вважається найдосконалішою, а також найбільш перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на великі відстані.

Волоконна оптика забезпечила собі гарантійне розвиток у цьому і майбутньому.

У міжрегіональному масштабі слід виділити будівництво волоконно-оптичних мереж синхронної цифрової ієрархії (SDH).

Економічні аспекти оптичного волокна також говорять в його користь. Волокно виготовляється з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеної, а тому не дорогого матеріалу, на відміну від міді. Вартість волокна по відношенню до мідній парі співвідноситься як 2:5. По всьому світу в даний час постачальники послуг зв'язку за рік прокладають десятки тисяч кілометрів волоконно-оптичних кабелів. Ведуться інтенсивні дослідження в області волоконно-оптичних технологій такими найбільшими компаніями як Lucent Technologies, Norton, Siemens, IBM, Corning, Alcoa Fujikura.

Великим виробником оптичних з'єднувачів в Росії є фірма «Перспективні Технології». Основними постачальниками оптичних шнурів в Росії є фірми «Вимк-Оптик», «Телеком Комплекс Сервіс». Багато споживачів оптичних шнурів мають власну збірку (РОТЕК, Елокім).

У процесі експлуатації ВОСП можна відзначити ряд їх переваг:

- Висока перешкодозахищеність від зовнішніх електромагнітних впливів, яка вирішує проблеми електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів.

- Широка смуга пропускання. Обумовлюється високою несучою частотою (можливість передачі по одному оптичному волокну інформації в кілька терабіт).

- Мале згасання світлового сигналу в волокні. В даний час промислове оптичне волокно має згасання 0,2 - 0,3 дБ на довжині хвилі 1,55 мкм в розрахунку на 1 км. Мале згасання і невелика дисперсія дозволяють будувати ділянки ліній без ретрансляції протяжністю до 100 км і більше.

- Низький рівень шумів.

- Мала вага і об'єм.

- Висока захищеність від несанкціонованого доступу (важко підслухати інформацію, не порушуючи прийому-передачі).

- Тривалий термін експлуатації. Процес деградації волокна значно уповільнений і термін служби ВОК становить приблизно 25 років.

Волоконно-оптичні мережі мають недоліки:

1. Висока вартість інтерфейсного обладнання. Також потрібно високонадійне комутаційне обладнання, оптичні з'єднувачі, розгалужувачі, атенюатори.

2. Дорогий монтаж і обслуговування оптичних ліній.

3. Потрібна спеціальна захист волокна.

1. Волоконно-оптичні системи передачі інформації

1.1 Принципи побудови ВОСП

Оптичні волокна виробляються різними способами, вони забезпечують передачу оптичного випромінювання на різних довжинах хвиль, мають різні характеристики і виконують різні завдання. Всі оптичні волокна поділяються на дві основні групи: багатомодові MMF і одномодові SMF.

Найбільш очевидним шляхом збільшення інформаційної ємності волоконно-оптичних систем зв'язку є розширення спектральної області для передачі інформації. Практично всі сучасні системи зв'язку працюють в діапазонах довжин хвиль λ = 1, 3 мкм і λ = 1, 55 мкм. Використання всього спектрального діапазону волокна дозволяє різко збільшити інформаційну ємність волоконно-оптичних систем із спектральним ущільненням каналів. З урахуванням подальшого прогресу волоконно-оптичних технологій можна припустити, що використовуючи тільки спектральний інтервал 1,2 - 1,7 мкм, в майбутньому можна буде передавати по одному волокну інформацію зі швидкістю в 1000 Тбіт / с. Для реалізації таких систем зв'язку будуть потрібні нові дослідження та розробка нової елементної бази.

Інформація, яка повинна бути передана у вигляді електричного сигналу, модулює світловий потік, який передається по волоконним световодам або через атмосферу.

Шумовий характер випромінювання джерел світла, як правило, обмежує вживані види модуляції випромінювачів і в практично використовуваних системах, знаходять місце модуляції по інтенсивності випромінювання. На приймальному кінці передана інформація демодулируется. Основним елементам побудови ВОСП відповідає структурна схема, наведена на рис. 1.1.

1. Джерело сигналу

2. Підсилювач-модулятор

3. Лазерний випромінювач

4. ВОК (волоконно-оптичний кабель)

5. Фотодіод

6. Підсилювач

Малюнок 1.1 - Структурна схема ВОСП

Передавальні оптичні модулі РОМ-3155 випускаються на основі імпортних MQW InGaAsP / InP Фабрі Перо лазерних діодів, інтегрованих із схемою управління з диференціальним PECL - входом. Модулі мають TTL - вхід включення лазерного випромінювання і вихід аварійного стану лазерного діода (відкритий колектор). Призначені для роботи в цифрових волоконно-оптичних лініях зв'язку зі швидкістю передачі інформації 2 .. 155 Мбіт / с. Технічні характеристики наведено в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Технічні характеристики передавачів

При передачі на великі відстані, коли відношення сигнал / шум на виході приймача стає недостатнім, в тракт включають ретранслятори. Для передачі сигналу зазвичай використовують світлові імпульси. При цьому застосовують два види модуляції: аналогова, при якій інформація передається зміною амплітуди, ширини або положення імпульсів і цифрова - з кодуванням інформації комбінацією групи імпульсів.

У даному дипломному проекті розробляється ФПУ для ВОСП, що використовує аналогову модуляцію. При аналогової передачі, інформаційний сигнал модулює піднесе частоту, як правило, НВЧ діапазону, яка у свою чергу управляє потужністю випромінювача. Прийом у всіх випадках здійснюється за допомогою фотоелектричних напівпровідникових приймачів випромінювання, що перетворюють енергію коливань оптичного діапазону в електричну енергію. Електричний сигнал посилюється до необхідного рівня підсилювачем низької частоти.

При розробці радіооптичні перетворювачів, використовуваних в аналогових ВОСП, які є оптичними лініями зв'язку між аналоговим фотоусілітелем (АФУ) і входом приймача ДЦВ діапазону, необхідно виконати дві основні вимоги:

- При введенні оптичної лінії між АФУ і приймачем, електрична порогова чутливість всієї системи не повинна погіршуватися, тобто відношення сигнал / шум повинно залишатися колишнім;

- Динамічний діапазон зміни переданого корисного радіосигналу не повинен бути менше 60 дБ для КВ діапазону і не менше 40-45 дБ для ДЦВ діапазону.

Для задоволення цих вимог всій ВОСП, необхідно забезпечити їх виконання кожним елементом ВОСП: УМ, лазерним випромінювачем, ВОК, ФПУ.

В аналоговій ВОСП між АФУ і радіоприймачем використовуються два радіооптичні перетворювача: передавальний радіооптичні перетворювач, розташований безпосередньо в АФУ і виконує пряме радіооптичні перетворення сигналу; приймальний радіооптичні перетворювач, що знаходиться на приймальному кінці ВОСП перед входом радіоприймача і здійснює зворотні перетворення оптичного сигналу в радіосигнал.

В якості прямого радіооптичні перетворювача виступає підсилювач-модулятор, що порушується від радіосигналу з АФУ і модулирующий цим посиленим радіосигналом струм лазерного випромінювача.

Лазерні модулі для ВОЛЗ

Лазерні модулі з оптичним волокном виготовляються на основі імпортних MQW InGaAsP / InP Фабрі Перо лазерних діодів. Випускаються в неохолоджуваному виконанні, а також у корпусі DIL - 14 з вбудованому елементом Пельтье і в корпусі типу «оптична розетка». Технічні характеристики наведено в табл. 1.2.

Таблиця 1.2 - Технічні характеристики.

Радіооптичні перетворювач, який здійснює зворотне перетворення оптичного сигналу в радіосигнал, складається з фотодіода і підсилювача, тобто представляє з себе фотоприймальний пристрій.

Фотоприймальні модулі для ВОЛЗ

Фотоприймальні модулі серій PD -1375 - ip / ir для спектрального діапазону 1100 .. 1650 нм виготовляються на основі імпортних InGaAs PIN - фотодіодів. Випускаються в неохолоджуваному виконанні, а також у корпусі типу «оптична розетка» для стикування з одномодовим волокном, оконцованним роз'ємом «FC / PC».

1.2 Втрати і спотворення ВОСП

Волоконно-оптичні лінії зв'язку, що використовуються для передачі інформації, не повинні погіршувати характеристики електричних сигналів, тобто повинні задовольняти заданому динамічному і частотного діапазонам. Для задоволення всієї ВОСП необхідно забезпечити їх виконання кожним елементам ВОСП: підсилювачем - модулятором; лазерним випромінювачем; оптичним кабелем; фотоприймальні пристроєм

Втрати оптичної потужності у волоконно-оптичних системах передачі відбуваються в основному на неоднорідностях оптичного волокна і з'єднаннях. Крім них існують різні види допусків на погіршення характеристик.

Розглянемо їх вплив на параметри ВОСП:

- Зазвичай між напівпровідниковим лазером і роз'ємом ВОК ставиться оптичний ізолятор, що послабляє відбитий від торця волокна сигнал. Крім цього ослаблення він вносить загасання і в прямому напрямку. Величина цього загасання близько 1 дБ;

- З плином часу відбувається деградація лазерного діода і вихідна оптична потужність знижується. Щоб система не припинила своє нормальне функціонування, повинен бути залишений запас на величину цього зниження. У середньому для напівпровідникового лазера вона становить 0,8 дБ;

- Як відомо в оптичному волокні існує дисперсія - залежність фазової швидкості поширення хвилі, від якого або параметра (у загальному випадку).

Розглянемо дисперсні характеристики одномодового волокна, як найбільш оптимального за параметром погонного загасання.

У одномодовом волокні існує два види дисперсії: волноводная і матеріальна - залежність фазової швидкості моди від частоти при розповсюдженні коливань у матеріалі. Сумарна дисперсія такого одномодового волокна визначається як сума двох видів дисперсій:

δ τ Σ = δ τ B + δ τ м

Величина цих складових має однаковий порядок, а функціональна залежність від довжини хвилі у них має різний знак. У результаті цього на деякій частоті сума цих двох величин дає нуль - дисперсія відсутня.

Графік зміни дисперсії в залежності від довжини хвилі представлений на рис. 1.3.

Малюнок 1.2 - Графік зміни дисперсії в залежності від довжини хвилі

Виходячи з графіка в даній системі, обрана довжина хвилі 1,3 мкм. Величина дисперсії в зв'язку з розкидом спектральних параметрів волокна, звичайно дорівнює 2-5 нс / м.км. Відповідно до цього відчутного ослаблення сигналу через повну дисперсії не очікується.

Для запасу на можливе погіршення провідних властивостей волоконно-оптичного кабелю внаслідок старіння відводиться величина 1 дБ.

На оптичний дистанційний контроль вводиться запас 0,2 дБ.

Втрати на перехідних з'єднувачах кінцевого обладнання оцінюються величиною 3 дБ.

Крім відбиття від вхідного торця оптичного волокна існує відбиття від всіх рознімних з'єднань, що вносить в оптичний сигнал додаткові шуми. І відповідає еквівалентному зменшення потужності сигналу на 0,8 дБ.

Інші, невраховані втрати приймаються рівними 3 дБ.

Вихідна оптична потужність лазера з оптичним ізолятором становить 3 дБ. Ці параметри беруть участь у складанні запасу потужності ВОСП.

Розробляється ВОСП повинна забезпечити передачу електричного сигналу без або з допустимими рівнями спотворень. До основних спотворення, які можуть виникнути в аналоговій ВОСП, відносяться нелінійні та лінійні спотворення.

Нелінійні спотворення в наших умовах призводять до погіршення ставлення сигнал / шум, тобто до погіршення чутливості, а також до появи хибних сигналів прийому.

Лінійні спотворення призводять також до погіршення ставлення сигнал / шум. Найбільш небезпечними спотвореннями є нелінійні, якими і буде визначатися динамічний діапазон ВОСП, особливо інтермодуляційні спотворення, що створюють перешкоди з частотами (mf i + nf j). Тому вибір структури ВОСП, схематичних рішень складових вузлів буде спрямовуватися на забезпечення мінімізації власних шумів і нелінійних спотворень всій ВОСП. Дуже великі вимоги, пред'являти до ВОК.

1.3 Спотворення сигналів у одномодової аналогової ВОСП

Структура побудови ВОСП в цьому випадку відповідає варіанту: лазерний випромінювач одномодової ВОК.

При цій структурі, виникнення спотворень полягає в тому, що при порушенні одномодового волокна одномодовим, особливо одночастотних лазером, режим роботи такого лазера дуже сильно залежить від величини відбитого від неоднорідності волокна (оптичні роз'єми, з'єднання, оптична майданчик фотодіода на приймальному кінці) оптичного сигналу.

Цей відбитий оптичний сигнал приводить до появи додаткового шуму випромінювання лазера, перескок мод лазера, релаксаційні режиму роботи, що в кінцевому підсумку виявляється в збільшенні нелінійності ват / амперної характеристиці лазера.

При коротких довжинах ВОСП, що характерно для нашого випадку, і малому затуханні оптичного сигналу в волокні, ці спотворення виявляються дуже чутливими.

Допустима потужність зворотного оптичного сигналу, що надходить на вихід лазера повинна бути Р _обр. ≤ (0,3 ÷ 1,0)% від потужності випромінювання лазера. У цьому випадку режим роботи лазера не порушується і не виникає додаткових шумів і нелінійних спотворень.

Спотворення в тракті розповсюдження оптичного сигналу та режим роботи лазерного випромінювача сильно залежать від умов експлуатації ВОК. Якщо при експлуатації відбуваються механічні коливання обертання кабелю то це призводить до зміни загасання оптичного сигналу через появу місцевої неоднорідності і, отже, до зміни інтенсивності зворотного відбитого оптичного сигналу, що приводить до зміни режими роботи лазера. Для усунення цього впливу лазерні випромінювачі повинні виконуватися з оптичним ізолятором на виході з розгорткою Д _разв. ≥ 30 ÷ 40 дБ по оптичної потужності.

1.4 Експериментальні спостереження і вимірювання спотворень сигналів в аналогових ВОСП

Експериментальні дослідження спотворень сигналу вироблялися двухмодовим і одномодовим методами. Як реєструючої апаратури використовувався осцилограф, селективний мікровольтметр В6-10, а також вимірник радіозавад SMV - 8,5. Спостереження та вимірювання спотворень сигналу проводилися як в КВ, так і ДЦВ діапазонах. Досліджувався при цьому вплив як ВОК, так і лазерних випромінювачів на якісну і кількісну картину спотворень радіосигналів.

1.5 Визначення основних характеристик оптичних випромінювачів і фотоприймачів

Крім перерахованих вище спотворень в аналоговій ВОСП можливе виникнення спотворень сигналу в ФПУ при використанні як фотодіодів лавинних фотодіодів (ЛФД), які володіють малими власними шумами, але створюють значні нелінійні спотворення при невеликому рівні сигналу. У ЛФД динамічний діапазон досягає величини не більше 40 дБ. Для досягнення більшого динамічного діапазону зміни сигналу, лазерні випромінювачі повинні мати дуже малими власними шумами, а також мати строго лінійну ват / амперну характеристику, що забезпечує динамічний діапазон зміни сигналу, особливо для КВ діапазону, більше 60 дБ. по інтермодуляційні спотворень другого порядку.

Всі ці вимоги лазерні випромінювачі і фотодіоди повинні забезпечувати у всьому необхідному діапазоні радіосигналу, тобто від f _н = 60 кГц. до f _в = 500 МГц.

Крім спотворення сигналу, що виникають у ВОСП через вплив оптоелектронних елементів (ВОК, лазерні випромінювачі, фотодіоди) в аналогових ВОСП використовуються і чисто електронні елементи (транзистори, діоди, мікросхеми), які в свою чергу, створюють додаткові спотворення, частотні спотворення. Для виключення їх впливу, динамічний діапазон пристроїв, створених на цих елементах - підсилювачів, модуляторів для модуляції лазерних випромінювачів, а також підсилювачів для фотоприймальних пристроїв, повинен бути більше, ніж динамічний діапазон самих лазерних випромінювачів, тобто більше 70 дБ. в КВ діапазоні і більше 56 дБ. в ДЦВ діапазоні.

1.6 Волоконно-оптичний кабель

В даний час в якості лінії оптичного сигналу використовується ВОК. Для наших цілей, так як сигнал вузькосмуговий, може бути використаний як багатомодовий, так і одномодовий ВОК. Розглянемо загасання сигналу в цих ВОК. Величина погонного загасання дуже сильно залежить від довжини хвилі, що застосовується для передачі інформації ВОК.

Як видно з графіків, раціональніше використовувати одномодовий ВОК, працюючи на хвилях 1300 нм.

Виходячи з умов експлуатації (постійні механічні дії з різною частотою і посиленням) у ВОСП можуть виникати додаткові спотворення сигналу залежно від того, яким лазерним випромінювачем збуджується яке оптичне волокно.

При порушенні одномодовим випромінювачем одномодового волокна, додаткових нелінійних спотворень при механічних впливах на волокно не відбувається (оскільки не відбувається ефекту перемішування мод) тобто не з'являються додаткові хибні сигнали з частотами f = (mf ₁ ± nf _2), а також не змінюється рівень прийнятого сигналу (це явище відсутній і при порушенні багатомодовим випромінювачем багатомодового волокна). Таким чином, для виключення впливу механічних впливів, необхідна побудова аналогової ВОСП за структурою: одномодовий випромінювач - одномодовий ВОК.

Рекомендований варіант побудови ВОСП має свої переваги і недоліки: одномодовий випромінювач - одномодовий кабель, мале затухання, але потрібна висока точність настройки роз'ємів.

У нашому випадку не потрібно частих роз'єднань, а необхідно тільки початкове підключення. Тому обмеження на монтировку нас особливо не стискують.

1.7 Випромінювачі

Виконання вимог технічного завдання по частотному діапазону (F _у ≤ 400 МГц) призводить до того, що в якості випромінювача може бути використаний випромінювач ІЛПН - 206 з ОІ.

Джерело оптичного випромінювання повинен випромінювати світловий потік на довжині хвилі, що відповідає одному з мінімумів повних втрат у ВВ, забезпечувати ефективний введення випромінювання у ВВ, мати малі габарити, вага і споживану потужність, відрізнятися простотою, надійністю та довговічністю. Для збудження лазерного випромінювача необхідний підсилювач - модулятор. До УМ пред'являються вимоги: відношення сигнал / шум на виході, повинно бути рівним сигналу / шуму на його вході; динамічний діапазон по оптичному, а тим більше по електричному сигналу повинен бути D ≥ 60 дБ.

1.8 Фотоприймальні пристрої (ФПУ)

Одним з головних функціональних елементів схеми серед блоків волоконно-оптичної системи передачі є фотоприймальний пристрій. Фотоприймач виготовляється з напівпровідникових матеріалів. Існують певні вимоги до його якості і надійності, оскільки відмова будь-якого елементу даного ФПУ призводить до порушення правильної роботи усього стовбура лінії.

Якість роботи ФПУ характеризується наступними основними параметрами: чутливістю, динамічним діапазоном, коефіцієнтом помилок.

Фотодетектор повинен вносити мінімальні шуми в приймальну систему, відрізнятися стабільністю робочих характеристик, мати невеликі розміри, бути високонадійним і недорогим.

Приймальні оптичні модулі серії PD -155 - ip і PROM -155 випускаються на основі імпортних InGaAs / InP PIN - фотодіодів, інтегрованих з малошумливим трансімпедансним підсилювачем з вбудованою системою АРУ і диференційним виходом. Модель PROM -155 додатково має вбудований підсилювач-обмежувач і PECL - вихід відсутності сигналу в лінії. Модулі призначені для роботи в цифрових волоконно-оптичних лініях зв'язку зі швидкістю передачі інформації 2 .. 155 Мбіт / c.

Технічні характеристики оптичних модулів наведено в табл. 1.3.

Таблиця 1.3 - Технічні характеристики оптичних модулів (Т = 25 ⁰ С)

У зв'язку з тим, що ВОСП повинна функціонувати постійно, а на приймальній стороні буде використаний автономне джерело живлення, для збільшеного безперервного часу роботи лінії необхідно мати ФПУ з можливо меншим рівнем споживання потужності.

Таким чином, метою даного дипломного проекту є розробка ФПУ для прийому аналогових оптичних сигналів з ​​довжиною хвилі λ = 1,3 мкм, що задовольняє всім перерахованим вище вимогам, виходячи з даних до дипломного проекту.

Як відомо чутливість будь-якого підсилюючого пристрою потенційно обмежується власними шумами.

Підсилювач розроблюваного ФПУ не є винятком. Для того, щоб була можлива стійка робота пристрою, рівень сигналу повинен перевищувати рівень шуму в кілька разів.

ФПУ має забезпечувати задану якість прийому сигналу при мінімально можливому рівні вхідної потужності. Задоволення цієї вимоги дозволить збільшити довжину ділянки зв'язку при фіксованій потужності передавача або при тій же довжині знизити необхідну потужність передавача. Зменшення потужності передавача в свою чергу створює передумову для збільшення терміну служби лазера - найнадійнішого і дорогого елементу ВОСП.

ФПУ має зберегти необхідну якість прийому при зміні рівня вхідного сигналу (ФПУ повинна мати необхідний динамічний діапазон роботи).

Динамічний діапазон - відношення максимальної середньої потужності оптичного сигналу на вході приймального оптичного модуля, при якому характеристики модуля не виходять за допустимі межі.

У розробляється фотоприймальний пристрій задано значення динамічного діапазону по електросигнали ≥ 50 дБ.

Таким чином, фотоприймальний пристрій характеризується системою параметрів, найважливішими з яких є:

- Робоча довжина хвилі, для якої нормовані параметри пребагато оптичного модуля;

- Смуга пропускання, тобто інтервал частот, в якому модуль коефіцієнта передачі більше або дорівнює половині його максимального значення;

- Напруга шуму, тобто середньоквадратичного значення флуктуації вихідної напруги в заданій смузі частот у відсутність оптичного сигналу на його вхідному оптичному торці;

- Відношення сигнал / шум - відношення амплітуди змінної складової вихідної напруги при заданих характеристиках прийнятого оптичного сигналу до середньоквадратичного значенням флуктуацій вихідної напруги при прийомі немодулированного оптичного випромінювання тієї ж середньої потужності;

- Поріг чутливості - мінімальна середня потужність оптичного сигналу на вході при заданих характеристиках цього сигналу, при якому забезпечується заданий відношення сигнал / шум або заданий коефіцієнт помилок. Усереднення зазвичай проводиться протягом інтервалу часу в багато разів перевищує період модулирующей частоти або тривалості світлового імпульсу.

Фотоприймальні пристрої також повинні дозволяти здійснювати стикування з каналообразующей або інший оконечной апаратурою.

Разом з тим, у ВОСП виникають специфічні перешкоди, пов'язані з поширенням сигналів по світловода.

Режими роботи ФПУ ВОСП істотно відрізняються від режимів ФПУ, застосовуваних в атмосферній зв'язку або оптичної локації. Головна відмінність полягає в стабілізації каналу і відсутності фонової засвітки.

Техніка фотоприймальних пристроїв розвивається в напрямках підвищення швидкодії, освоєння нових спектральних діапазонів, вдосконалення технології виготовлення, конструкції та поліпшення основних параметрів відповідно до приведених вимог.

2. Вибір і обгрунтування структурної схеми

ФПУ є складовою частиною лінійного тракту і служить сполучною ланкою між ВОК і приймачем.

Фотодіоди виготовляються з різних матеріалів. Робочі діапазони довжин хвиль, в яких досягається максимальна ефективність фотодіодів для різних напівпровідникових матеріалів, наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Робочі діапазони довжин хвиль

Розглянемо більш детально це важливий вузол ВОСП.

Фотоприймач служить для прийому (детектування) і перетворення оптичних сигналів в електричні. Фотоприймач має оптичний вхід (керуюча ланцюг) і електричний вихід (сигнальна ланцюг). Параметри ФПУ повинні бути узгоджені з джерелом випромінювання і оптичною лінією зв'язку, з одного боку, і з електричним навантаженням, що включає в себе будь-який необхідний перетворювач електричних сигналів: підсилювач, модулятор, декодер, з іншого боку. Як елемент оптичної ланцюга фотоприймач може працювати як в аналоговому, так і в цифровому режимах, що визначається формою оптичного сигналу, що надходить на його вхід.

Фотоелектричне перетворення дозволяє отримати параметри сигналу, при яких апаратура, підключена до виходу ФПУ, може нормально функціонувати.

Особливості ВОСП визначають вибір принципу оптичного детектування, його приладову і апаратурну реалізацію.

Переважно поширений принцип прямого детектування, основу якого складають напівпровідникові фотоприймачі. Йому притаманні простота реалізації, схемна мінімізація, можливість мікромініатюризації та інтеграції на рівні фотопреобразованій, високу швидкодію.

Конструктивно ФПУ складається з фотодіода і широкосмугового високочутливого підсилювача.

Підсилювачі ФПУ традиційно діляться на попередній і крайовий підсилювач.

Фотоелектричний напівпровідниковий приймач випромінювання перетворює оптичний сигнал в електричний. Як приймач випромінювання найчастіше використовують фотодіод або лавинний фотодіод.

Попередній підсилювач (ПР) - посилює сигнал, забезпечуючи найбільше відношення сигнал / шум. Головним завданням проектування ФПУ є досягнення мінімального порогу чутливості. Чим менше цей поріг, тим більше довжина регенераційної або підсилювального ділянки. Тому ПУ повинен бути добре узгоджений з ФЕППІ, забезпечуючи ефективну передачу енергії сигналу та малий рівень шуму. Вхідний каскад ПУ виконується на біполярному транзисторі і має вхідний опір, рівний внутрішньому опору ФЕППІ.

Кінцевий підсилювач (ОП) - здійснює посилення, що знижує вихідний опір ФПУ, необхідне для роботи пристрою обробки сигналу.

ФПУ, як правило, працює при рівнях вхідної потужності, що перевищують поріг чутливості. Запас вхідної потужності необхідний для забезпечення надійності зв'язку, тому що з плином часу, внаслідок старіння лазера, потужність передавача зменшується.

Приймач випромінювання та його робочий режим вибирається виходячи із заданих спектрального діапазону порогу чутливості, швидкодії і необхідного динамічного діапазону.

У більшості випадків доводиться робити вибір між p - i - n - фотодіодів і лавинних фотодіодів. Останній, хоч і дозволяє виграти у порозі чутливості, працює в меншому діапазоні температур, часто вимагає підвищеної напруги живлення, стабілізації режиму. Надійність ЛФД, включеного в конкретну схему, може виявитися менше надійності p - i - n - фотодіода. Поступається ЛФД, p - i - n - діоду і в межах лінійності характеристики детектування. Як фотодіода в аналогових ВОСП з великим динамічним діапазоном використовується p - i - n - діод. ЛФД не використовується, тому що має малий динамічний діапазон через сильну залежності коефіцієнта множення від сигналу.

Наступним вузлом ФПУ є попередній підсилювач (ПУ). Шумові властивості передпідсилювача, залежать від багатьох чинників: схеми реалізації, типу фотодетектора, робочої смуги частот, типу використовуваних транзисторів, коефіцієнта шуму транзистора, вибору його робочої точки, технології виготовлення, наявності та виду корректируемого фільтра. Для необхідного частотного діапазону шумові параметри біполярного та польового транзистора сумірні.

Після вибору приймача випромінювання і типу транзистора вхідного каскаду необхідно проектування схеми попереднього підсилювача. Попередній підсилювач (ПУ) посилює електричний сигнал, забезпечуючи найбільше відношення сигналу до шуму. ПУ повинен бути добре узгоджений з приймачем випромінювання, забезпечуючи одночасно ефективну передачу енергії сигналу та малий рівень шуму. Для = отримання
малошумящего посилення застосовуються схеми самої різної структури: підсилювачі можуть бути диференціальними і недіфференціальнимі, містити або не містити ланцюга зворотного зв'язку і погоджують ланцюга.

Класифікація схем здійснюється по декількох напрямках. За способом перетворення сигналу у вхідному ланцюзі розрізняють підсилювачі фотонапряженія, фотоструму, перетворювачі токонапряженія та інші. За величиною вхідного опору підсилювачі поділяються на високоімпендансние і нізкоімпендансние. Підсилювачі з глибокої зворотним зв'язком за напругою називають трансімпенданснимі.

Розглянемо докладніше властивості кожної схеми. Основні переваги диференціальних підсилювачів - це низькі вимоги до абсолютній величині номіналів елементів і висока перешкодозахищеність. Разом з тим, диференціальні підсилювачі поступаються звичайним за шумовим характеристикам: рівень шуму в них на 3-5 дБ вище. Диференціальні підсилювачі застосовуються в монолітних інтегральних схемах і в тих випадках, коли вельми важливою вимогою може виявитися перешкодозахищеність, наприклад в обчислювальних (схемах) мережах.

Серед схем без зворотного зв'язку найбільшого поширення набули високоімпендансние підсилювачі на польових транзисторах. Нізкоімпендансние підсилювачі застосовуються головним чином на НВЧ.

Нізкоімпендансним підсилювачем прийнято називати підсилювач з вхідним опором 50 Ом. Перевагою підсилювача першого типу є можливість досягнення мінімального порогу чутливості, а недоліками: порівняно низький динамічний діапазон, висока чутливість до дії електромагнітних завад, необхідність індивідуальної настройки, використання високого вхідного опору (одиниці, десятки МОм), які призводять до інтегрування сигналу у вхідному ланцюзі, викликають частотні спотворення. При цьому зростає відношення сигналу до шуму першого каскаду підсилювача.

Хоча використання великого вхідного опору допомагає максимізувати відношення сигнал / шум в приймачі оптичних сигналів, проте воно одночасно породжує незручності, викликані необхідністю здійснювати значну за розміром корекцію.

Перше незручність полягає в тому, що корекція повинна бути індивідуально пристосована для кожної схеми. Вона не може бути встановлена ​​заздалегідь. Причина в тому, що коефіцієнт посилення повинен змінюватися за законом: G (f) = G ₀ · (1 + j · 2 p · f · З · R), а значення С _вх і R _вх змінюються від приладу до приладу від схеми до схемою і часто залежать від температури. У результаті кожна схема повинна налаштовуватися індивідуально.

Друга проблема в тому, що значна зміна коефіцієнта підсилення з частотою означає зменшення динамічного діапазону підсилювача.

Позитивний зворотний зв'язок вводиться для компенсації вхідний ємності. Величина опору навантаження розраховується за формулою

(2.1)

Тільки вхідна ємність (С _вх) береться компенсованій. Активний, як правило, фільтр K (jw), формує необхідну частотну характеристику.

Схема з низьким вхідним опором не потребує корекції АЧХ.

Використання хорошого лавинного фотодіода з коефіцієнтом посилення М = 20, і більше гарантує забезпечення режиму детектування, обмеженого дробовим шумом.

Однак, це справедливо для фотодетектора на p - i - n - фотодіоді і збільшення шуму у цьому випадку може бути значним.

Такий підсилювач вимагає тільки розрахунку опору навантаження R _н за відомою, в загальному випадку, вхідний ємності і необхідної смузі частот:

.

Хоча вхідний імпульс малої величини і забезпечує великий динамічний діапазон, теплові шуми обмежують можливості застосування в системах зв'язку.

Зазвичай вважають за краще використовувати підсилювач зі зворотним зв'язком. Його основна перевага - відсутність необхідності здійснювати будь-яку корекцію. Шуми такого підсилювача можуть бути набагато меншим, ніж у звичайного підсилювача напруги без корекції.

Такий підсилювач розглядається як перетворювач фототокнапряженіе. Його коефіцієнт перетворення, що дорівнює відношенню , Має розмірність опору. З опором передачі «трансімпедансом» і пов'язана назва схеми на рис. 2.4. При досить великому (нескінченному) посиленні у відсутності зворотного зв'язку опір передачі дорівнює R _ос. На відміну від схеми без зворотного схеми, де резистор навантаження має те ж опір передачі (R _н = R _ос), навантаження у вигляді трансімпедансного підсилювача посилює потужність. Завдяки дії зворотного зв'язку відбувається зниження вхідного опору і може зникнути необхідність високочастотної корекції, збільшується динамічний діапазон. Виграш у динамічному діапазоні приблизно дорівнює співвідношенню коефіцієнтів підсилення при розімкнутому і замкнутому ланцюзі зворотного зв'язку.

Використання загальної паралельної негативного зворотного зв'язку дозволяє одержати дуже хорошу стабільність режимів роботи по постійному струмі всіх транзисторів, а також одночасно здійснити корекцію частотної характеристики ФПУ, виконане застосуванням даної структури забезпечує динамічний діапазон на 10 дБ більше, ніж підсилювач високоімпедансний, при збільшенні шумів приблизно на 1 дБ.

Основна проблема підсилювачів даного типу - забезпечення їх стійкості. Використання протяжної ланцюга зворотного зв'язку, що охоплює підсилювач з великим коефіцієнтом підсилення і високим вхідним імпедансом, робить схему підсилювача схильної до самозбудження на високих частотах, внаслідок виникнення позитивного зворотного зв'язку через транзисторну ємність.

Щоб уникнути самозбудження, потрібна ретельна, продумана компонування і ефективна екранування елементів схеми. Так найменшими шумами володіють високоімпедансний підсилювачі з інтегруванням у вхідному ланцюзі. По динамічному діапазону на першому місці виявляється трансімпедансний підсилювач, за ним слідує нізкоімпедансний і високоімпедансний. За робочому діапазону частот першість належить нізкоімпедансному підсилювача. У меншому діапазоні частот можливе застосування високоімпедансний і особливо трансімпедансного підсилювачів.

Враховуючи всі переваги і недоліки схем підсилювачів, вибираємо схему трансімпедансного підсилювача.

У даному дипломному проекті розробляється фотоприймальний пристрій для короткої лінії зв'язку (1 км.).

Припускаємо, що на виході ФПУ знаходиться професійний радіоприймач. ФПУ в нашому випадку без системи автоматичного регулювання посилення (АРУ), так як є ймовірність, що пристрій АРУ буде відгукуватися на перешкоду.

3. Вибір та обгрунтування принципової схеми ФПУ

3.1 Вибір та обгрунтування принципової схеми попереднього підсилювача ФПУ

У відповідності зі структурною схемою наведеної раніше, ФПУ конструктивно ділиться на два функціонально незалежних підсилювача: попередній і крайовий.

Розглянемо попередній підсилювач. Основною вимогою, при дотриманні інших умов (заданої смуги пропускання) пред'являються до попереднього підсилювача є забезпечення заданого відношення сигнал / шум.

Динамічний діапазон фотоприймального пристрою за мінімальним сигналу визначається власними шумами ФПУ, які складаються з шумів фотодіода і шумів підсилювача.

Від вибору типу транзистора, використовуваного у вхідному каскаді, залежить шум підсилювальної схеми.

Для необхідного частотного діапазону шумові параметри біполярного транзистора (БП) і польового транзистора (ПТ) сумірні, тому вибираємо біполярний транзистор при використанні якого простіше здійснити заданий частотний діапазон.

Ці струми визначаються з наступних виразів (3.1) - (3.4)

; (3.1)

; (3.2)

; (3.3)

; (3.4)

де I _ф0 - постійний струм засвічення; RIN = - 155дБ / Гц - відносна інтенсивність шуму; - Діапазон частот, що приймаються; К - постійна Больцмана, Т - температура (в Кельвіна).

Постійна оптична потужність, величина яка визначається вихідної робочої точкою на вольт - амперної характеристики лазера для одержання мінімальних нелінійних спотворень (комбінаційні спотворення) і втратами в ВОК, падаюча на фотодіод, створює фотострум сигналу і фотострум фонової засвітки, обумовленими постійної оптичної потужністю, визначається співвідношенням

i _ф = l · P _св / η · h · ν або i _ф = А · Р _св, А = l / η · h · ν,

де

Р _св - падаюча на ФД оптична потужність;

η - квантовий вихід;

h - 6,63 · 10 ^-34 - постійна Планка;

ν - частота світла.

При Р _св на виході НЛПН рівному 0,5 мВт на ФПУ будемо мати

I _ф0 = А · Р _св / D, де D - втрати в лінії.

З урахуванням втрат на двох оптичних роз'ємах (α = 1 дБ / км) і загасанням ОК (α = 1 дБ / км) сумарні втрати D = 3дБ/км, що становить 10 lgD = 10 lg 3 = 0,5 разів.

,

А = 0,7 Вт / А.

Підставляючи фотострум I _ф0 у вираз (1) і (2) отримаємо наступні співвідношення

i ² _{ш, ф 0} = 2 I _{ф 0} Δ f = 32 · 10 ^-19 · 1,75 · 10 ^-4 = 5,6 · 10 ^-15 А ^2,

i ² _{ф, ш} = I ² _{ф 0} · 10 ^{RIN / 10} · Δ f = (0,175 · 10 ^{-3) 2} · 10 ^-15 · 106 = 3,06 ^-1 · 10 ^-17 A ^2.

тобто ми з'ясували, що шумовий струм, створюваний постійної оптичної потужністю за рахунок RIN на два порядки менше шумового струму, створюваного постійної фонової засвіченням і, відповідно, його впливом у нашому випадку можна знехтувати.

Таким чином, чим менше струм бази, тим менше шуми транзистора, але при малих струмах погіршується h _21, а також погіршуються частотні властивості, погіршується f _т, тому для вищесказаного частотного діапазону компромісним рішенням буде використання НВЧ транзистора при струмах спокою (I _до ≈ 1 ÷ 2 мА).

Формула коефіцієнта шуму показує справедливість цих припущень.

Наприклад, при R _г = 1 кОм (еквівалентний опір навантаження ФД по змінному струмі), більш небажано із-за великих частотних спотворень.

При f _в ≥ 400МГц необхідно використовувати НВЧ транзистор 2Т3114В-6, у якого f _{р н} ≈ 4,7 ГГц при I _до = 2мА

,

де

r _'б - опір тіла бази;

r _б'е - опір бази-емітер;

h _21е - 100;

r _'б - 5 Ом (для транзистора 2Т382А);

R _г = R 1 | | R 2 | | R 4 ≈ 1кОм;

r _б'е = 26 / I _до · h _21.

При струмі I _к = 2мА, h _21е = 100, r _'б = 10 Ом.

При цих даних r _б'е = 1,3 кОм; F = 1,45 еквівалентний шумовий струм, що враховує R транзистора, дорівнює

для f = 1МГц

При мінімізації власних шумів ФПУ і максимізації динамічного діапазону до побудови електричної принципової схеми ФПУ та вибору режимів транзисторів його каскадів, особливо вихідних, пред'являються суперечливі вимоги.

По-перше, транзистори вибираються НВЧ діапазону, наприклад 2Т3114В-6, малопотужні, з f _гр ≥ 4 ГГц.

Струм спокою вхідного каскаду нами вже вибраний з умови мінімізації шумів.

Транзистор 2Т3114В-6 має наступні параметри:

P _{до доп} = 25 мВт;

I _{до доп} = 15 мА;

U _{до доп} = 5 В;

f _р = 4,7 ГГц;

h ₂₁ = 100;

C _до = 0,4 пФ;

r _розр = 6 нс.

Щоб поєднати ці суперечливі вимоги (мінімальні шуми, максимальний частотний і динамічний діапазон), вхідний каскад виконується за схемою емітерного повторювача, який володіє цими властивостями.

Другий каскад для забезпечення заданого частотного і динамічного діапазонів виконується за каскадної схемою з місцевою зворотним зв'язком (ОС). В якості 2-го і 3-го каскадів використовується НВЧ мікросхема типу М 45121-2.

Наявність у другому каскаді ФПУ зворотного зв'язку збільшує особливо динамічний діапазон, а також і частотний, при цьому не погіршуються шумові властивості ФПУ, так як перший каскад створює потрібне посилення по потужності.

Це ж дозволяє струм спокою каскадної схеми вибрати досить великим, що в свою чергу збільшує глибину зворотного зв'язку і тим самим зменшує нелінійні і частотні спотворення.

Електричні параметри мікросхеми наведено в табл. 3.1.

Таблиця 3.1 - Електричні параметри мікросхеми

3.2 Вихідний каскад

Вихідний каскад для узгодження з зовнішнім навантаженням виконаний за схемою емітерного повторювача. При цьому R _н = 50 Ом і струм спокою вибирається досить великим.

В якості вихідного транзистора VT 2 можна використовувати той же транзистор, що і в попередньому підсилювачі: 2Т3114В-6.

Облік всіх цих рекомендацій дозволив реалізувати схему ФПУ, яка зображена на рис. 3.2 та 3.3.

Перші три транзистори охоплені загальною негативним зворотним зв'язком (ТОВзІІ), що дозволяє збільшити частотний і динамічний діапазони без погіршення чутливості.

Аналіз принципової схеми ФПУ показує, що використання в якості вхідного каскаду емітерного повторювача дозволяє вирішити одночасно багато завдань:

- Зменшити нелінійні спотворення вхідного каскаду;

- Збільшити його частотний діапазон;

- Зменшити нелінійні спотворення другого каскаду шляхом збільшення глибини місцевої ОС за рахунок малого вихідного опору емітерного повторювача.

Все це не погіршує чутливості ФПУ, так як вхідний каскад в h ₂₁ разу підсилює потужність сигналу.

Визначимо граничну частоту посилення ФПУ

U ₂ (p) = τ ₁ (p) · K (p) = Ј _ф · Z _вх · F · K (p),

де

U ₂ (p) - напруга на вході ФПУ;

U ₁ (p) - напруга на навантаженні ФД, тобто комплексному опорі за змінним струмом, чинному між базою вхідного транзистора і загальним проводом;

К (р) - загальний коефіцієнт посилення всіх каскадів ФПУ, крім вихідного;

Ј _ф - фотострум сигналу;

Z _вх - вхідний опір ФПУ при дії загальної ОС, що охоплює перші два каскаду.

У нашому випадку К (р) = К ₁ (р) · До ₂ (р) ≈ До ₁ · К ₂ ≈ К _2, так як К ₁ = ₁ і посилення цих каскадів можна вважати в нашому частотному діапазоні постійним.

Тоді, при Z _{вх, F} = Z _{вх ,} F _кз = 1, F _хх = 1 + КВ (р),

де В (р) = ; = R _г · З _вх; Z _вх = ;

отримаємо

1 + B ₀ K = F _0, , K ₂ = 4

Частота верхнього зрізу для вхідних каскадів ФПУ (першого і другого) при дії загальної ООС дорівнює

,

_,

_.

ФПУ може бути виконаний і на дискретних транзисторах, за наведеною вище схемотехніці, але при цьому повинні використовуватися транзистори з f _р> (4 ÷ 5) ГГц.

Технологія використання можлива гібридно-плівчаста.

4. Розрахунок фотоприймального пристрої

4.1 Розрахунок вихідного підсилювача

Розрахунок К - ланцюга по постійному струму включає вибір режимів транзисторів і розрахунок опорів резисторів, що забезпечують обрані режими та їх стабільність. При цьому потужності, споживані, від джерел живлення та сигналу повинні бути мінімальними.

Режим роботи транзистора, визначається положенням вихідної робочої точки (точки спокою) на вихідних характеристиках транзистора (рисунок 4.1), тобто значеннями струму спокою колектора I _до до постійної складової напруги між колектором і емітером U _к, повинно бути таким, щоб на зовнішній навантаженні забезпечувалося задана (номінальна) потужність сигналу і параметри граничних режимів роботи транзистора не перевищували максимально допустимих значень.

Беручи до уваги втрати потужності сигналу у вихідному ланцюзі, що вносяться ланцюгом зворотного зв'язку, вихідний ланцюгом транзистора, максимальний робочий значення потужності, що розсіюється на колекторі транзистора становить

Р _{кр макс} <i _k,

Р _{до доп} = 100 мВт.

Визначимо режим роботи вихідного транзистора. Струм колектора вихідного транзистора був обумовлений при виборі принципової схеми.

Для зменшення нелінійних та частотних спотворень струм спокою вибрали рівним 10 мА виходячи з того що

R _{кр макс} ≈ U _ке · I _до,

де U _ке - напруга між колектором і емітером ((5 ÷ 6) У).

Напруга, гасимо на опорі R 19 знаходимо, як різницю напруги джерела живлення і падінням напруги на резисторі R 20 і між колектором і емітером.

= 6,5 В,

Визначимо струми вихідного каскаду

де h ₂₁ = середнє значення коефіцієнта посилення по струму, ; I _д - струм протікає через дільник напруги. Для достатньої стабільності режиму транзистора I _д повинен бути значно більше I _б, звичайно приймають I _д ≥ (5 ÷ 10) I _б

Нехай I _д = 10 I _б, тоді

,

I _е = 10.10 ^-3 + 0,1 · 10 ^-3 = 10,1 (мА),

I _д = 10.0, 1мА = 1 (мА).

Опір резисторів дільника напруги в колі бази транзистора розраховується за формулою

U _б0 = U _бе + U _е0 = U _бе + I _до · R _{е. (21).}

При використанні в підсилювачі кремнієвих транзисторів, значення напруг база - емітер можна прийняти рівним:

U _бе = 0,6 В, тоді

,

.

За номіналах

R 18 = 10 (кому),

R 19 = 1,1 (кОм).

Нелінійні спотворення підсилювача визначається вихідним каскадом, до входу якого прикладено найбільша напруга сигналу, точніше нелінійністю характеристик транзистора цього каскаду

R ₂₁ = R _вих = 50 (Ом).

4.2 Розрахунок попереднього підсилювача (ПУ)

ПУ підсилює електричний сигнал, забезпечуючи найбільше відношення сигнал / шум. Основні вимоги, які пред'являються до ПУ - мінімальні шуми, максимальний частотний і динамічний діапазони. Як вже розглядалося раніше, для задоволення цих вимог вхідний каскад виконаний за схемою емітерного повторювача, який володіє цими властивостями.

Другий і третій каскади для забезпечення заданого частотного і динамічного діапазонів виконуються за каскодне схемою. Весь ПУ охоплений загальною ООС, що дозволяє збільшити частотний і динамічний діапазони без погіршення чутливості.

Проведемо розрахунок каскадів посилення по постійному струму. Розрахунок К - ланцюга по постійному струму включає вибір режимів транзисторів мікроскладені і вхідного каскаду, а також розрахунок опорів резисторів, що забезпечують обрані режими і їх стабільність, при цьому потужності споживані від джерела живлення та сигналу повинні бути мінімальними.

Як вже було зазначено, вхідним вибирається малопотужний транзистор НВЧ діапазону з f _m > (4 ÷ 5) ГГц, наприклад, 2Т 3114 В-В.

Він, а також транзистори, що входять до складу НВЧ мікроскладені М45121-2, мають такі основні параметри

Р _{до доп} = 100 мВт,

I _{до доп} = 20 мА,

U _{до доп} = 15 В,

τ _к = 1,5 нс,

f _г = 5 ГГц,

h ₂₁ = 40 - 330,

С _до = 0,6 пФ.

З раніше розглянутих міркувань щодо широкосмуговості і власних шумів ФПУ струм колектора I каскаду дорівнює 2 мА. До II і III каскадам менш жорсткі шумові вимоги та з метою поліпшення частотних властивостей, струм колектора обраний в межах 5 мА. Для розрахунку шумів величина опору навантаження фотодіода по змінному струмі R _г у даній схемі розраховується як

R _г = R 2 | | R 4 | | R 1 = 1кОм.

При R _г = 1кОм шуми R _г і струму бази транзистора сумірні, якщо

I _б = 20мкА

При прирівнювання

,

отримаємо

, При R _Г = 1кОм,

I _б = 20мкА.

Знаходимо і наносимо на схему (рис. 4.2) значення напруги на всіх вузлах схеми щодо загального (заземленого) полюси джерела живлення. При цьому слід врахувати, що величина навантажувальних резисторів II - го та III - го каскадів (R 7 і R 15) повинні бути не більше 75Ом. Інакше погіршаться частотні властивості підсилювача. Виходячи з цього, при колекторних токах 5мА, на цих резисторах буде падіння напруги близько 0,5 В.

Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку по постійному струмі обчислюється за наступною формулою

, Де

R _вх (VT 4) - вхідний опір каскаду з ОК.

R _вх = h ₁₁ + R _е. (1 + h _21).

Так як R _вх »R 1 і їм можна знехтувати, тоді

.

Напруга на базі VT 1

U _{б0, 1} = U _к2 · У

U _{б0, 1} = 11,5 · 0,37 = 4,2 В, де

U _{б0, 1} = U _{бе, 1} + U _{бе, 3} + U _{е, 3.}

При використанні в підсилювачі кремнієвих транзисторів, значення напруги база - емітер можна прийняти рівним (0,6 ÷ 0,7) В.

Вибираємо: U _{бе, 1} = 0,6 В, U _{бе1, 3} = 0,7 В. Тоді U _{е, 3} = 4,2-1,3 = 2,9 В.

Напруга на емітер першого транзистора знаходимо наступним чином

U _{е, 1} = τ _{б0, 1} - τ _{бе, 1,}

U _{е, 1} = 4,2-0,6 = 3,6 В.

Для широкосмугового підсилювача вибираємо U _{е, 2} = 4В

Отже

U _Е3 = U _{к, 2} = U _{ке, 2} - U _{е, 3,}

U _{ке, 3} = 11,5 - 4 - 2,9 = 4,6 В.

Напруга на базі другого транзистора

U _{б0, 2} = U _{к, 3} + U _{бе, 2} = (U _{е, 3} + U _{ке, 3)} + U _{бе, 2,}

U _{б0, 2} = (2,9 + 4,6) + 0,7 = 8,2 В.

Так як каскади II і III однотипні то постійні напруги транзисторів T 4 і T 5 відповідають постійним напруженням транзисторів T 2, T 3 ІМС.

Знаючи всі напруги в схемі і струми каскадів опір резисторів схеми

.

За номіналом приймаємо R 9 = R 16 = 510 Ом

.

Для достатньої стабільності режиму транзисторів Т 2, Т 4, Т 5 струм, що протікає через дільник напруги в ланцюзі бази I _д беремо рівним 1мА.

Опір дільника в ланцюзі бази VT 1 повинні з одного боку задовольняти умові R _г = R 2 | | R 4 | | R 1 = 1кОм, а з іншого боку, забезпечувати необхідну напругу зміщення (4,2 В).

Величина R 2, виходячи з зсуву на T 3 та струму колектора, VT 1 обрана 1,8 кОм, отже

(R 1 | | R 4 = x)

x · 1,8 = x + 1,8;

0,8 x = 1,8;

x = 2,25.

Вирішивши систему рівнянь, знайдемо необхідні величини резисторів R 1 і R 4

Виберемо: R 1 = 3,6 кОм і R 4 = 6,2 кОм.

Опору резисторів дільника напруги в ланцюзі бази Т 2, Т 6 розраховуються за такими формулами

.

Ці резистори виберемо рівними 7,5 кОм,

.

Приймемо номінали цих резисторів рівними 3,9 кОм.

Для розрахунку базового подільника транзистора Т 5 використовується аналогічна методика. Струм дільника виберемо рівним 1 мА, що відповідає номіналах резисторів

Найближчими до цим будуть номінали: 8,2 кОм і 3,6 кОм, відповідні резисторам R 11 і R 12.

Місцеву ОС в ланцюзі емітера Т 3 створює ланцюжок R 10; C 5, а також R 17; C 7 в III - му каскаді ФПУ.

Необхідне значення ОС: F = 1 + S · R _Еос.

Коефіцієнт підсилення підсилювача без ОС (К) повинен бути достатнім для забезпечення заданого значення К, при необхідній величині F

За номіналом R _ЕОС (R 10) = 22 Ом, тоді потрібна глибина місцевої зворотного зв'язку рівною

F = 1 + 0,2 · 2,2 = 5,5.

Ланцюг Г - подібних RC фільтрів в ланцюзі живлення використовується за умови виконання двох вимог:

- Мінімальні втрати напруги джерела живлення;

- Забезпечення усунення самозбудження через паразитного зворотного зв'язку між каскадами на опорі живлять проводів і внутрішнім опором джерела живлення.

4.3 Розрахунок частотних характеристик ланцюга підсилювача

Визначимо граничну частоту посилення ФПУ. Коефіцієнт посилення До ланцюга, як функцію передачі інформації лінійного ланцюга, представити в операторної формі:

де U _{2 (p)} - напруга на виході фотоприймального пристрої; U _{1 (p)} - напруга на навантаженні ФД тобто на комплексному опорі за змінним струмом, чинному між базою вхідного транзистора і загальним проводом; К _(р) - загальний коефіцієнт посилення всіх каскадів ФПУ, крім вихідного; J _ф - фотопоток сигналу; Z _{вх, F} - Вхідний опір ФПУ при дії загальної ОС, яка охоплює перших 2 каскаду.

У нашому випадку К _(р) = К _{1 (р)} · До _{2 (р)} і К _(р) = К ₁ · К ₂ = К _2, так як К ₁ = ₁ і посилення цих каскадів можна вважати в нашому частотному діапазоні постійним.

Тоді при використанні формули Блейман, знайдемо Z _{вх, F}

,

F _кз = 1, F _xx = 1 + до β _(р), де

У результаті отримаємо

.

1 + B ₀ · K = F ₀ - глибина місцевої гальванічної зворотного зв'язку.

В ₀ - коефіцієнт передачі по петлі зворотного зв'язку.

Частота верхнього зрізу для вхідних каскадів ФПУ (першого і другого) при дії ООС дорівнює

Визначимо напругу шумів на виході ФПУ

,

I = I _{R Г} + I _б + I _д0 = 50мкА + 20мкА + 180мкА = 0,25 мА /

Щоб знехтувати шумами вимірювального приймача, які в смузі частот 20 кГц складає 0,5 мкВ, збільшимо напруга шумів на виході ФПУ в 3 рази

4.4 Оптимізація характеристик ланцюга ПУ

Програми моделювання електричних ланцюгів (такі як OrCAD PSPICE, Micro-Cap, Electronics Workbench) у багатьох задачах забезпечують задовільний аналіз перехідного процесу. Проте в деяких випадках розрахунок займає дуже багато часу і точність може бути значно нижче, ніж необхідно, тому що безліч точок перехідного процесу необхідно обчислити за допомогою традиційної процедури інтегрування.

У програмі FASTMEAN використовуються нові рішення матричних рекурентних рівнянь. Цей алгоритм зовсім відрізняється від зазвичай використовуються в програмах. Замість окремих точок функції перехідного процесу обчислюються коефіцієнти розкладання в ряд Тейлора в матричній формі. Це дозволяє знайти значення функції для будь-якого моменту часу усередині заданого кроку, який може бути більше (у сотні, тисячі разів і більше), ніж звичайний крок в широко використовуваних програмах. У деяких випадках, перехідний процес в усьому часовому інтервалі може бути розрахований за один крок.

Збільшення числа членів розкладання в ряд Тейлора замість збільшення кількості маленьких кроків дозволяє істотно зменшити час розрахунку і, в той же час, збільшити його точність. Однак, максимальне число членів ряду Тейлора обмежено можливостями сучасного комп'ютера і становить 70-80 членів. Обчислення більшого числа членів може призвести до більшої помилку, ніж очікується, або до зовсім невірного результату (при обчисленні більше 100 членів), але це відбувається не з вини методу, а через обмеженість розрядної сітки комп'ютера і, отже, через помилки округлення.

Математичні основи цих рішень розроблені проф. Артимом А.Д. і проф. Пугач В.А. (Росія, м. Санкт-Петербург, Державний Університет Телекомунікацій ім. Проф. М. А. Бонч-Бруєвича, кафедра Теорії електричних ланцюгів). Згодом, проф. Артим, проф. Філін та їх колеги розробили абсолютно нову програму і застосували її для вирішення серйозних практичних завдань. Дана версія FASTMEAN призначена для залучення уваги фахівців і наукових колективів ВНЗ, які цікавляться проблемами аналізу складних перехідних процесів в ланцюгах (також з перемиканнями), які важко розрахувати з великою точністю і швидкістю традиційними методами.

На панелі інструментів є 3 групи елементів: Основні, Джерела та Активні. Виберіть одну з них, і з'явиться вікно з доступними елементами. Виберіть потрібний натисканням на відповідну кнопку і помістіть його на схему клацанням лівої кнопки миші. Після того, як ви закінчили додавати елемент, натисніть праву кнопку миші або відповідну кнопку у вікні.

Ви можете легко змінити параметри елемента, двічі клацнувши на ньому мишкою та ввівши необхідні значення у вікні діалогу. Ви можете обертати і відображати елемент: виділіть його та натисніть потрібну кнопку на панелі інструментів. Використовуйте команди Вирізати (Ctrl + X), Копіювати (Ctrl + C), Вставити (Ctrl + V) для роботи з буфером обміну. Коли Ви виділяєте елементи і натискаєте Вирізати або Копіювати, програма поміщає їх в буфер обміну, використовуючи свій формат, і як крапковий малюнок, так що Ви можете використовувати зображення схеми в інших додатках.

Ви можете поєднати елементи проводами з допомогою миші, перетягуючи вказівник від одного виводу до іншого. Щоб з'єднати більше двох проводів разом, використовуйте З'єднувач (група Основних елементів). Можна підтягти дріт від виведення до іншого проводу - програма автоматично з'єднає їх, додавши З'єднувач.

Щоб змінити масштаб, використовуйте команди: Збільшити масштаб (Ctrl + +) і Зменшити масштаб (Ctrl + -).

Після того, як Ви створили схему, її можна зберегти, використовуючи команди меню Файл.

Групи елементів: Основні, Джерела та Активні елементи (лінійні моделі).

Основна група включає:

- Резистор. Параметри: опір (R) в Омах;

- Індуктивність. Параметри: індуктивність (L) в Гн; початкові умови (НУ) в А;

- Конденсатор. Параметри: ємність (C) у Ф; початкові умови (НУ) в В;

- Унистор. Параметри: крутість (S) в См;

- Ідеальний трансформатор. Параметри: коефіцієнт трансформації (n);

- З'єднувач. Для з'єднання більше двох проводів разом;

- «Земля». Для позначення нульового вузла. Ви повинні приєднати «Землю» до схеми, щоб виконати аналіз.

Група джерел включає:

- Джерело напруги. Параметри: Тип джерела - постійний, гармонійний або меандр.

Залежно від типу джерела доступні різні параметри:

а) Для постійного: напруга (U 0) в В;

б) Для гармонічного: амплітуда (U 0) в В; частота (f) в Гц; початкова фаза (phi 0) в градусах; Час закінчення радіоімпульсу в сек (за вибором).

в) Для меандру: частота (f) в Гц; тривалість у%; напруга (U 0) в В; зміщення у В.

- Джерело струму. Параметри: Тип джерела - постійний або гармонічний. Залежно від типу джерела доступні різні параметри. Для постійного: струм (I 0) в А. Для гармонічного: амплітуда (I 0) в А; частота (f) в Гц; початкова фаза (phi 0) в градусах; Час закінчення радіоімпульсу в сек (за вибором).

- Джерело струму керований напругою (Ітуні). Параметри: провідність (g) у См;

- Джерело напруги керований напругою (ІНУН). Параметри: коефіцієнт управління (k) в В / В;

- Джерело струму керований струмом (ІТУТ). Параметри: коефіцієнт управління (h) в А / А;

- Джерело напруги керований струмом (ІНУТ). Параметри: опір (r) у Омах;

- Гиратора. Параметри: крутість (Sg) в Див

Група активних елементів включає:

а) Лампа. Параметри: крутість (S) в См; внутрішній опір (Ri) у Омах;

б) Біполярний транзистор n - p - n типу. Параметри: коефіцієнт передачі струму (alpha); омічний опір емітера (Re); омічний опір колектора (Rc); омічний опір бази (Rb);

в) Ідеальний операційний підсилювач (ОП). Параметри: коефіцієнт посилення (k) в В / В.

Для всіх елементів, крім резистора, за позитивний напрямок відліку струму приймається напрямок від вузла з великим номером до вузла з меншим номером.

Для всіх елементів за позитивний напрямок відліку напруги приймається напрям від вузла з меншим номером до вузла з великим номером.

Зауваження. Приймається, що нульовий вузол має найбільший номер.

Програма показує повідомлення про помилку в наступних випадках:

- «Схема фізично некоректна», якщо Ваша схема некоректна (наприклад, 2 джерела струму, 2 індуктивності або індуктивність і джерело струму, з'єднані послідовно);

- «Помилка: Джерело напруги з'єднаний паралельно з конденсатором»;

- «Помилка: 2 джерела напруги з'єднані паралельно»;

- «Помилка: 2 конденсатора з'єднані паралельно», якщо з'єднати паралельно 2 джерела напруги, 2 конденсатора або конденсатор і джерело напруги;

- "...: Елемент закорочений», якщо елемент закорочений. Оскільки він не впливає на струми або напруги в ланцюзі, його слід прибрати;

- "...: Елемент не з'єднаний», якщо елемент розімкнутий. Ви можете уникнути цього повідомлення, приєднавши висновки елемента до З'єднувачі, але тільки в тому випадку, якщо це буде фізично коректно (так можна зробити з резистором, але не можна з індуктивністю);

- «Додайте землю до Вашої схемою.», Якщо в схемі немає землі. Ви повинні приєднати землю до схеми, щоб виконати аналіз.

5. Конструктивна розробка фотоприймального пристрої

Розробка конструкції ФПУ проводилася з метою отримання необхідних технічних характеристик пристрою найдоцільнішим способом з точки зору техніки та економіки.

У результаті обрана наступна конструкція: пристрій розміщується під фрезерованою латунному корпусі розмірами 70 × 55 × 30 мм, що забезпечує міцність конструкції, надійну екранівку від перешкод і наведень, грає роль тепловідводу.

На сучасному етапі розвитку РЕА монтують на друкованих платах, що дає можливість механізувати й автоматизувати процес складання РЕА, підвищує її надійність, полегшує ремонт, забезпечує повторюваність монтажу від зразка до зразка.

Електрична схема розміщується на платі, яка виготовляється з листового електроізоляційного матеріалу з наклеєною з одного боку мідною фольгою.

Процес виділення струмоведучих провідників здійснюється шляхом травлення в спеціальних розчинах. Необхідна топологія друкованої плати задається малюнком лакового шару, що наноситься на фольгу і що оберігає окремі її ділянки (майбутні струмоведучі доріжки) від зіткнення з реагентом.

Схема виконується за гібридно-плівкової технології.

Опору напилюється, а напівпровідникові прилади і ємності виконуються навісними. Для ізоляційного підстави виберемо склотекстоліт, як досить міцний в механічному плані і має низьку провідність в електричному плані матеріал.

Товщина плати 2,5 мм, що достатньо для одержання механічної жорсткості готової друкованої плати та її розмірів. Діаметр отворів у друкованій платі повинен бути більше діаметра вставляється в нього виведення радіо деталі, що забезпечує можливість вільної установки радіо елементів. Отвори на платі розташовуються таким чином, щоб відстань між краями отворів було не менше товщини плати. Інакше ця перемичка не буде мати достатньої механічної міцності. Контактні майданчики, до яких будуть припаюватися висновки високочастотних транзисторів, необхідно робити прямокутними.

Розводка друкованих провідників робиться таким чином, щоб вони мали мінімальну довжину. При розробці підсилювача, що працює на частотах вище 100 МГц необхідно передбачати максимальне видалення один від одного вхідних і вихідних радіоелементів. Така технологія виготовлення дозволяє знизити трудомісткість складання підсилювача, підвищити термін служби.

Фотодіод і високочастотні контакти перебувають в ущільнювальних отворах у стінках корпусу.

Готова друкована плата встановлюється у корпусі, який наглухо закривається жерстяної кришкою. Стик пропоювати, що забезпечує надійний захист від наведень і перешкод. На цьому корпусі також встановлено прохідний конденсатор, який би введення в конструкцію живлячої напруги.

6. Безпека життя і діяльності людини

6.1 Аналіз умов праці

Лабораторія, яка використовується для виконання дипломного проекту, знаходиться на 4 поверсі 5 поверхового будинку та має розміри 8 × 6 × 4 м. У приміщенні встановлені 5 ПЕОМ і лазерний принтер.

Кількість працюючих: 3 розробника і 2 оператора ЕОМ. Використовуване електроживлення лабораторії: електромережу трифазна чотирипровідна напругою 380/220В з глухозаземленою нейтраллю, змінного струму частотою 50Гц.

Площа приміщення складає 48 м ^2, об'єм - 192 м ^3. При цьому, на кожне робоче місце з ПЕОМ доводиться 9.6 м ² площі і 38.4 м ³ об'єму, що відповідає нормам ДНАОП 0.00-1.31-99, 6 м ² і 20 м ³ відповідно.

Приміщення, коли в ньому устаткуванням і персоналом, являє собою систему «людина - машина - середовище» (ЧМС). Елементи системи ЧМС умовно розділені на функціональні частини, відповідно до тих дій або операцій, які вони виконують.

Виділимо систему «людина-машина-Середовище» (ЧМС), обмежену приміщенням лабораторії, елементами якої є:

«Людина» - 5 працюючих -3 розробника і 2 оператора ЕОМ;

«Машина» - 5 ПЕОМ, до складу однієї з яких входить принтер, що знаходяться в лабораторії;

«Середовище» - виробниче середовище в приміщенні лабораторії.

Кожен елемент «людина», що складається з 3 розробників і 2 операторів ЕОМ ділиться на три функціональні частини:

- Ч1 - розглядається як людина, що керує машиною;

- Ч2 - людина, яка розглядається з точки зору його впливу на навколишнє середовище (за рахунок тепло-і вологовиділення, споживання кисню та ін);

- Ч3 - людина, яка розглядається з точки зору його психофізіологічного стану під впливом факторів, що впливають на нього у виробничому процесі.

Елемент «машина» ділиться на три частини:

М1 - виконує основну технологічну функцію (вплив на предмет праці);

М2 - виконує функцію аварійного захисту;

М3 - служить джерелом шкідливих впливів на людину і навколишнє середовище.

Елемент «середовище» розглядається з точки зору змін, які виникають під впливом зовнішніх факторів (температура, вологість, шум, освітленість, та ін.)

Структура системи «Ч-М-С» для розглянутого приміщення представлена ​​нижче на рис. 6.1. У таблиці 6.1 наведені зв'язку в системі «Ч-М-С».

Відповідно до ГОСТ 12.0.003-74 в даній системі «ЧМС» мають місце фізичні і психофізіологічні небезпечні та шкідливі виробничі фактори, біологічні та хімічні чинники відсутні.

Фізичні ОВПФ:

• підвищена або знижена вологість повітря, обумовлена ​​джерелами надлишкового тепла в приміщенні (обладнання, люди, освітлювальні прилади), призводить до відчуття дискомфорту, погіршення самопочуття оператора.

• підвищена або знижена температура повітря робочої зони є причиною дискомфорту, знижується продуктивність праці;

• підвищений рівень шуму на робочому місці, призводить до головного болю, послаблення уваги, відчуття дискомфорту, а значить зниження продуктивності праці;

• недолік природного світла, обумовлений недостатньою площею світлових прорізів, призводить до погіршення зору, зменшення працездатності людини;

• недостатня освітленість робочої зони, що залежить від системи освітлення, викликає швидке стомлення і знижує працездатність людини;

• підвищене значення напруги в електричному ланцюзі, замикання якого може пройти через тіло людини, може призвести до ураження людини електричним струмом;

- Підвищений рівень іонізуючих випромінювань (рентгенівське випромінювання) в робочій зоні, викликаний роботою ЕПТ ПЕОМ, є причиною виникнення головних болів, хвороби периферійної кровоносної системи.

Психофізіологічні ОВПФ:

• емоційні перевантаження, зумовлені дефіцитом часу та інформації з підвищеною відповідальністю, призводять до швидкої стомлюваності;

• монотонність праці, обумовлена ​​повторюваними операціями на клавіатурі, зменшує продуктивність праці і призводить до стомлення;

• перенапруження зорових аналізаторів призводить до погіршення зору, викликає швидке стомлення і знижує працездатність людини;

• статичні перевантаження, зумовлені тривалим перебуванням в одній позі, призводять до зниження працездатності, стомлення, емоційним перевантаженням.

Таблиця 6.1 - Напрям і зміст зв'язків у системі Ч-М-С

У табл. 6.2 поміщені результати оцінки факторів виробничого середовища трудового процесу в лабораторії.

Таблиця 6.2 - Оцінка факторів виробничого середовища і трудового процесу в науково-дослідній лабораторії.

виробничого середовища

і трудового процесу