Выбор схемы входного каскада фотоприемника

В качестве входных усилителей чаще всего применяют три типа усилительных схем:

1. усилители с низким входным сопротивлением;

2. усилители с высоким входным сопротивлением;

.   трансимпедансные усилители.

Каждая из этих схем имеет свои особенности усиления полезного сигнала и шумовых составляющих.

Усилитель с низким входным сопротивлением требует согласования сопротивления нагрузки фотодетектора с малыми значениями входного сопротивления усилителя. На высоких скоростях величина этого сопротивления выбирается порядка нескольких десятков Ом, что в значительной степени ограничивает чувствительность приемника.

Такие схемы усилителей широко применялись в 80-е гг. прошлого столетия совместно с германиевыми фотодиодами (диапазон 1,3 мкм), лавинными фотодиодами, а также с другими типами фотодетекторов. Преимуществом этих схем является простота их реализации на «россыпных» элементах, на платах печатного монтажа, методом монтажа на поверхность (на скоростях до 150 Мбит/с) и др.

Усилитель с высоким входным сопротивлением позволяет повысить чувствительность за счет возможности применения высокоомной нагрузки фотодетектора и низкого уровня шумов, но этот тип усилителя не обладает широким динамическим диапазоном, что существенно ограничивает область применения таких схем.

Трансимпедансный усилитель(ТрУ) имеет по отношению к усилителю с высоким входным сопротивлением несколько больший уровень собственных шумов, но обеспечивает существенное расширение динамического диапазона, что делает этот тип усилительных схем наиболее часто применяемым в настоящее время в приемных модулях систем связи совместно с InGaAs/InP фотодиодами. Трансимпедансный усилитель с GaAs полевым СВЧ-транзистором на входе является наиболее типичной усилительной схемой, применяемой в диапазоне скоростей 2-500 Мбит/с, позволяющей получить вполне приемлемые для современных условий значения порога чувствительности. Это достигается благодаря низким значениям входной емкости и возможностью работы с высокими значениями сопротивления нагрузки фотодетектора.

Трансимпедансный усилитель - это усилитель с глубокой отрицательной обратной связью, позволяющей варьировать в широких пределах входное сопротивление за счет изменения сопротивления в цепи обратной связи. Входная цепь приемника строится таким образом, что входное сопротивление усилителя является нагрузочным сопротивлением фотодетектора. Величина этого сопротивления выбирается в соответствии с требованиями к максимальной ширине полосы пропускания входной цепи, определяемой скоростью передачи и типом применяемого линейного кода. Термин «трансимпедансный» означает «трансформирующий импеданс», т.е. преобразующий высокое входное сопротивление (сотни килоом) с низкой емкостной составляющей (от долей пикофарада до единиц пикофарад) к низкому (^50-200 Ом) выходному сопротивлению.

Обычно предпочитают использовать усилитель с обратной связью. Его основное преимущество- отсутствие необходимости осуществлять какую-либо коррекцию. Шумы такого усилителя могут быть много меньше, чем у обычного усилителя напряжения без коррекции.

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.

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 R_ОС.

В соответствии с исходными данными необходимо использовать ТрУ.

Примеры подходящих усилителей различных производителей

Выберем усилитель THS3201, так как у него самая маленькая емкость, высокое входное сопротивление и сопротивление обратной связи, а так же относительно низкий шум тока.