Реферат: Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)

          - уменьшить нелинейные искажения второго каскада путем увеличения глубины местной ОС за счет малого выходного сопротивления эмиттерного повторителя.

         Все это не ухудшает чувствительности ФПУ, так как входной каскад в h21 раза усиливает мощность сигнала.

Определим граничную частоту усиления ФПУ:

         U2(p) = τ1(p)·K(p) = Јф·Zвх·F·K(p),

где               U2(p) - напряжение на входе ФПУ

                     U1(p) - напряжение на нагрузке ФД, т. е. комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.

                       К(р) – общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ ,кроме выходного.

                        Јф – фототок сигнала;

                        Zвх – входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первые два каскада.

         В нашем случае К(р) = К1(р)·К2(р) ≈ К1·К2 ≈ К2 , так как К1 = 1 и усиление этих каскадов можно считать в нашем частотном диапазоне постоянным.

         Тогда, при  Zвх,F = Zвх;                       Fкз = 1,   Fхх = 1+КВ(р)

Где   В(р) =;       = Rг·Свх;    Zвх = ;

Получим: ;

1 + B0K = F0,     ,      K2 = 4

Частота верхнего среза для входных каскадов ФПУ( первого и второго) при действии общей ООС равна:

            ФПУ может быть выполнен и на дискретных транзисторах, по приведенной выше схемотехнике, но при этом должны использоваться транзисторы с fг > (4÷5) ГГц

         Технология использования возможна гибридно-пленочная.

Таблица 3.1

* Для повышения устойчивости и уменьшения паразитных связей свободные выводы и основание корпуса рекомендуется заземлить.

4. Расчет фотоприемного устройства

4.1 Расчет выходного усилителя.

         Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность. При этом мощности, потребляемые, от источников питания и сигнала должны быть минимальными.

         Режим работы транзистора , определяемый положением исходной рабочей точки(точки покоя) на выходных характеристиках транзистора (рис.4.1.)т.е. значениями тока покоя коллектора Iк к постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером  Uк , должно быть таким, чтобы на внешней нагрузке обеспечивалось заданная(номинальная)мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых значений.

         Принимая во внимание потери мощности сигнала в выходной цепи , вносимые цепью обратной связи, выходной цепью транзистора, максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора

Ркр макс < ik

Рк доп = 100 мВт

(Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора не должна превышать допустимую величину).

         Определим режим работы выходного транзистора. Ток коллектора выходного транзистора был оговорен при выборе принципиальной схемы.

         Для уменьшения нелинейных и частотных искажений ток покоя выбрали равным 10 мА исходя из того что:

Rкр макс ≈ Uкэ·Iк

Uкэ – напряжение между коллектором и эмиттером = (5÷6)В.

Рис. 4.1 Выходная характеристика транзистора.

Напряжение гасимое на сопротивлении R19 находим , как разницу напряжения источника питания и падением напряжения на резисторе R20 и между коллектором и эмиттером.

         =6,5 В

Определим токи выходного каскада:

Где h21=среднее значение коэффициента усиления по току

Iд – ток протекаемый через делитель напряжения. Для достаточной стабильности режима транзистора Iд должен быть значительно больше Iб, обычно принимают Iд ≥ (5÷10)Iб

Пусть Iд = 10Iб, тогда:

         Iэ = 10·10-3 + 0,1· 10-3 = 10,1 (мА)

         Iд = 10·0,1мА = 1(мА)

Сопротивление резисторов делителя напряжения в цепи базы транзистора рассчитывается по формуле:

         Uб0 = Uбэ + Uэ0 = Uбэ + Iк · Rэ(21)

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов, значения напряжений база – эмиттер можно принять равным:

         Uбэ = 0,6В, тогда

По номиналам: R18 = 10(кОм)

                            R19 = 1,1(кОм)

         Нелинейные искажения усилителя определяется выходным каскадом, ко входу которого приложено наибольшее напряжение сигнала, точнее нелинейностью характеристик транзистора этого каскада:

         R21 = Rвых = 50(Ом)

4.2           Расчет предварительного усилителя (ПУ).

ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ – минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазоны. Как уже рассматривалось ранее, для удовлетворения этих требований входной каскад выполнен по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.

Второй и третий каскады для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняются по каскодной схеме. Весь ПУ охвачен общей ООС, что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.

Проведем расчет каскадов усиления по постоянному току. Расчет К – цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов микросборки и входного каскада, а также расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность, при этом мощности потребляемые от источника питания и сигнала должны быть минимальными.

Как уже было оговорено, входным выбирается маломощный транзистор СВЧ диапазона с fm > (4÷5)ГГц. Например: 2Т 3114 В-В.

Он, а также транзисторы, входящие в состав СВЧ микросборки

М45121-2 имеют следующие основные параметры:

                   Рк доп = 100 мВт

                   Iк доп = 20 мА

                   Uк доп = 15 В

                   τк = 1,5 нс

                   fг = 5 ГГц

                   h21 = 40 – 330

                   Ск = 0,6 пФ

         Из ранее рассмотренных соображений относительно широкополосности и собственных шумов ФПУ ток коллектора I каскада равен 2 мА. Ко II  и III каскадам менее жестки шумовые требования и с целью улучшения частотных свойств, ток коллектора выбран в пределах 5 мА. Для расчета шумов величина сопротивления нагрузки фотодиода по переменному току Rг в данной схеме рассчитывается как:

         Rг = R2 || R4 || R1 = 1кОм

При Rг = 1кОм шумы Rг и тока базы транзистора соизмеримы, если Iб = 20мкА

                  [9]             

При приравнивании:

 получим:

 при RГ = 1кОм

Iб = 20мкА

         Находим и наносим на схему (рис.3.2) значение напряжения на всех узлах схемы относительно общего (заземленного) полюса источника питания. При этом следует учесть, что величина нагрузочных резисторов II – го и III – го каскадов (R7 и R15) должны быть не более 75Ом. Иначе ухудшатся частотные свойства усилителя. Исходя из этого, при коллекторных токах 5мА, на этих резисторах будет падение напряжения около 0,5В.

         Коэффициент передачи цепи обратной связи по постоянному току вычисляется по следующей формуле:

         , где

Rвх(VT4) – входное сопротивление каскада с ОК.

         Rвх = h11+Rэ(1+h21)

Так как Rвх » R1 и им можно пренебречь, тогда

Напряжение на базе VT1:

         Uб0,1 = Uк2 · В

         Uб0,1 = 11,5 · 0,37 = 4,2(В), где

         Uб0,1 = Uбэ,1 + Uбэ,3 + Uэ,3

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов значения напряжения база – эмиттер можно принять равным (0,6÷0,7)В.

         Выбираем:         Uбэ,1 = 0,6 В

                                      Uбэ1,3 = 0,7 В

Тогда Uэ,3 = 4,2-1,3 = 2,9(В)

Напряжение на эмиттере первого транзистора находим следующим образом:

         Uэ,1 = τб0,1 - τбэ,1

         Uэ,1 = 4,2-0,6 = 3,6(В)

Для широкополосного усилителя выбираем Uэ,2 = 4В

Следовательно:

         Uэ3 = Uк,2 = Uкэ,2 - Uэ,3

         Uкэ,3 = 11,5 - 4 - 2,9 = 4,6(В)

Напряжение на базе второго транзистора

         Uб0,2 = Uк,3 + Uбэ,2 = (Uэ,3 + Uкэ,3) + Uбэ,2

         Uб0,2 = (2,9 + 4,6) + 0,7 = 8,2(В)

Так как каскады II и III однотипны то постоянные напряжения транзисторов T4 и T5 соответствуют постоянным напряжениям транзисторов T2, T3 ИМС.

         Зная все напряжения в схеме и токи каскадов сопротивление резисторов схемы:

по номиналу принимаем R9 = R16 = 510(Ом)

Для достаточной стабильности режима транзисторов Т2, Т4, Т5 ток, протекающий через делитель напряжения в цепи базы Iд берем равным 1мА.

         Сопротивление делителя в цепи базы VT1 должны с одной стороны удовлетворять условию Rг = R2 || R4 || R1 = 1кОм, а с другой стороны, обеспечивать необходимое напряжение смещения (4,2В).

         Величина R2, исходя из смещения на T3 и тока коллектора, VT1 выбрана 1,8 кОм, следовательно:

         (R1||R4 = x)

         x · 1,8 = x + 1,8;

         0,8x = 1,8;

         x = 2,25;

Решив систему уравнений, найдем необходимые величины резисторов R1 и R4:

Выберем: R1 = 3,6 кОм и R4 = 6,2 кОм

Сопротивления резисторов делителя напряжения в цепи базы Т2, Т6 рассчитываются по следующим формулам:

Эти резисторы выберем равными 7,5 (кОм)

Примем номиналы этих резисторов равными 3,9 кОм.

         Для расчета базового делителя транзистора Т5 используется аналогичная методика. Ток делителя выберем равным 1мА, что соответствует номиналам резисторов:

Ближайшими к этим будут номиналы: 8,2(кОм) и 3,6(кОм), соответствующие резисторам R11 и R12.

         Местную ОС в цепи эмиттера Т3 создает цепочка R10;C5, а также R17;C7 в III - ем каскаде ФПУ.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8