5. Схема электрическая принципиальная

Ранее, при составлении структурной и функциональной схем, была выбрана следующая структура оптического передающего устройства: система АРУ /нормализующая уровень телевизионного сигнала/ ® корректирующий каскад ® частотный модулятор ® усилитель светодиода ® светоизлучающий диод. Выбор узлов передатчика начнем с частотного модулятора. Затем, когда будут известны параметры входных и выходных сигналов модулятора определимся с входной частью /корректирующим каскадом и системой АРУ/ и с усилителем светодиода.

Модулятор должен обеспечивать линейную частотную модуляцию в диапазоне примерно от 5 до 20MHz. С точки зрения искажений, возникающих в процессе модуляции и простоты схемы модулятора было бы лучше выбрать большее значение несущей частоты, но при этом потребуется труднодостижимое расширение полосы частот канала связи. Частотные модуляторы, подобные нашему широко применяются в технике магнитной видеозаписи, откуда мы и можем заимствовать опыт. По сравнению с высокочастотными ЧМ системами там используется большее количество разнообразных модуляторов.

 

 

Эта проблема может быть решена, например, с помощью применявшихся в профессиональных видеомагнитофонах высокочастотных модуляторов и преобразователей частоты /см. рис./.

Рис. 5.1 Гетеродинный ЧМ модулятор.

Частота генератора 1- 100 MHz, а генератора 2- 108MHz. Частоты генераторов с помощью варикапов VD1 и VD2 модулируются телевизионным сигналом в противофазе; таким образом, на выходе смесителя 3 имеется неискаженный ЧМ- сигнал. Фильтр нижних частот 4 пропускает полезный разностный сигнал. Девиация каждого из ЧМ сигналов находится в пределах 0.5 .. 0.75MHz. При этом линейность ЧМ значительно улучшена по сравнению с каждым из ЧМ генераторов за счет взаимной компенсации нечетных гармоник с помощью противофазного управления частотами. Два высокочастотных ЧМ сигнала после ограничения по амплитуде подаются на смеситель, на выходе которого после ограничения полосы получается желаемый ЧМ сигнал. Ограничение по амплитуде применяется для устранения амплитудной модуляции. Необходимость подавления амплитудной модуляции вызвана тем, что смеситель восстанавливает из амплитудно - модулированного сигнала модулирующий телевизионный сигнал, который, попадая в полосу ЧМ сигнала, является помехой.

В современных профессиональных устройствах используются ЧМ модуляторы, принцип действия которых показан на рисунке:

Рис. 5.2. ЧМ модулятор с сигналом треугольной формы.

Конденсатор C заряжается током I от генератора тока 2 до тех пор, пока напряжение не достигнет верхнего уровня срабатывания компаратора 4. При этом переключатель K, управляемый компаратором, замыкается и конденсатор разряжается током I - 2*I = -I от генераторов тока 3 и 2 до нижнего уровня срабатывания компаратора, при котором переключатель К размыкается, и процесс повторяется. Ток генераторов прямо пропорционален мнговенному значению телевизионного сигнала. В компараторе могут быть использованы туннельные диоды [SALTER, M.: "C- format"- the fourth dimension. International Broadcast Engineer. 12. 1981. No. 176. 8..12]. На выходе модулятора производится деление частоты на два. За счет устранения несимметрии ЧМ сигнала на выходе модулятора, он не содержит четных гармоник. На входе профессиональных модуляторов используются схемы фиксации уровня, в модуляторах- автоматическая подстройка частоты /АПЧ/, которая служит для стабилизации частоты, соответствующей уровню гащения. ЧМ сигнал, соответствующий уровню гашения выделяется и сравнивается с сигналом кварцевого генератора, имеющего частоту, равную номинальной частоте уровня гашения. Уровень фиксации в схеме фиксации уровня управляется сигналом, пропорциональным разности частот. Остаточная расстройка обычно находится в пределах ± 12 kHz при номинальной частоте 7 .. 8 MHz.

В качестве ЧМ модулятора в бытовых аппаратах используется стабилизированный мультивибратор, который за счет замены сопротивления R во времязадающей RC- цепи управляемым генератором тока /см. рис./ обеспечивает хорошую линейность в широких пределах.

Рис. 5.3. ЧМ модулятор на мультивибраторе. Упрощенная схема.

Рис. 5.4. ЧМ модулятор на мультивибраторе. С целью улучшения линейности сопротивления в базовой цепи заменены управляемым генератором тока.

В качестве примера практической схемы частотного модулятора на дискретных эементах приведем фрагмент схемы видеомагнитофона НВМ "Электроника - 501 - видео"

Рис. 5.5. Практическая схема ЧМ модулятора на дискретных элементах.

Здесь управляемый мультивибратор выполнен на транзисторах Т15 и Т16. Мультивибратор составлен из двух усилительных каскадов, через хронирующие конденсаторы С29 и С30 охваченных положительной обратной связью, необходимой для возбуждения и поддержания незатухающих колебаний. Схема мультивибратора подобна рассмотренным ранее. Диоды здесь необходимы для устойчивой генерации на высоких частотах. Поскольку модулирующий сигнал подводится в базовые цепи транзистров, то, очевидно, он, усиленный, появится в их коллекторных цепях. Разделить телевизионный сигнал и ЧМ- сигнал в коллекторных цепях при помощи фильтра может оказаться невыолнимой задачей, поскольку, как было сказано выше, их спектры могут перекрываться. Поэтому здесь применен трансформатор L9 с отводом от первичной обмотки. Поскольку схема мультивибратора симметрична, то составляющие коллекторных токов, соответствующие видеосигналу взаимно уничтожаются в трансформаторе. Поскольку токи, обусловленные процессом генерации в мультивибраторе протекают через обмотки трансформатора поочередно, то, как в двухтактном усилителе, они свободно трансформируются во вторичную обмотку. Таким образом, во вторичной обмотке трансформатора L9 действует только ЧМ- сигнал. Замечу, что во время экспериментов с этой схемой достаточно хорошие результаты удавалось получить, присоединив к коллекторам транзисторов мультивибратора дифференциальный усилитель. При хорошей балансировке схемы удавалось подавить прохождение видеосигнала на выход дифференциального усилителя, но для построения дифференциального усилителя необходимо введение минимум двух "лишних" транзисторов. Поскольку при простой схеме дифференциального усилителя полного подавления видеосигнала на выходе модулятора не получалось, то требовалось либо чрезмерно усложнить схему передатчика, либо оставить весьма неудобный в изготовлении трансформатор. Поэтому этот вариант модулятора не был применен.

В настоящее время промышленностью выпускается ряд микросхем, при помощи которых можно построить достаточно простой частотный модулятор.

Одной из таких микросхем является 531ГГ1. Она содержит два независимых генератора, управляемых напряжением /ГУНа/ на кристалле. Частота вырабатываемых ими колебаний может доходить до 60MHz и более, поэтому микросхема может быть использована и в высокочастотных системах связи. Выходная частота каждого ГУНа устанавливается единственным внешним компонентом, кварцевым резонатором или емкостью Ct , в сочетании с двумя входами, чувствительными к напряжению: "Управление частотою - УЧ" /Frequency control/ и "диапазон регулирования - Д" /Range/. Эти входы могут быть использованы для изменения частоты. Существенным недостатном микросхемы 531ГГ1 является большое потребление от источников питания /до 150mA/, но она имеет аналог с уменьненным потреблением от источника притания 555ГГ1. Частота колебаний определяется из выражения:

F[Hz] = 0.0001 / Ct [F] для 531ГГ1

F[Hz] = 0.0005 / Ct [F] для 555ГГ1

Вход "Enable" разрешает или запрещает выходные импульсы при низком или высоком потенциале на нем, соответственно. Внутренний генератор 555ГГ1 продолжает работать даже если выход запрещен, в то время как внутренний генератор 531ГГ1 стартуется и останавливается входом "Еnable". Внутрення схема синхронизации действует так, что первый же выходной импульс не укорачивается и не удлиняется. Скважность выходных колебаний равна 2.

Несмотря на то, что в схеме предприняты меры для ослабления взаимного влияния генераторов /например, для питания задающих генераторов и выходных усилителей используются разные выводы/, полностью избавиться от него не удалось. Наблюдаются явления синронизации и захвата частоты одного генератора другим. Поэтому предприятие- изготовитель не рекомендует использование обоих генераторов микросхемы в режиме ГУН. Замечу, что при опытах с микросхемой 531ГГ1, когда частота одного генератора была установлена равной 1MHz, а другого 10MHz, на осцилолограмме взаимное влияние генераторов выглядело, как ступенчатое /а не плавное/ изменение периода колебаний одного из генераторов при плавном изменении управляющего напряжения скачками, определяемыми периодом колебаний второго генератора. Таким образом, второй генератор микросхемы для получения качественной модуляции следует отключить.

На микросхеме 531ГГ1 был изготовлен и опробован частотный модулятор, схема которого приведена на рисунке:

Рис. 5.6. Частотный модулятор на микросхеме 531ГГ1.

Здесь цепочка R9Д1 представляет собою параметрический стадилизатор, при помощи которого получается необходимое для микросхемы питающее напряжение +5V. Конденсатор C5- блокирующий, для подавления наводок, по цепи питания. Частота кодебаний ГУН задается присоединяемым к микросхеме конденсатором С6 /выводы 12 и 13 "Ct "/. Электронное управление частотой можно осуществить при помощи выводов 1 "управление частотой /УЧ/" и 14 ''диапазон /Д/". При больших значениях напряжения на входе "Д" оказавается возможной частотная модуляция в более широкой полосе частот. Поэтому на вход "Д" было решено подать напряжение питания микросхемы, т. е., + 5 V. Характеристики модулятора представлены на рисунке:

Рис. 5.7. Семейство статических модуляционных характристик ГУН на микросхеме 531ГГ1 для разных значениях емкости времязадающего конденсатора.

Из рассмотрения этого семейства кривых следует, что характеристика часстотного модулятора достаточно линейна в диапазоне 3-4V и для получения частоты порядка 10 MHz требуется емкость порядка 30 pF.

Как выяснилось позднее, микросхема 531ГГ1 имеет ограниченный дапазон частот модулирующего напряжения, т. е. при частотах модуляции более 1 MHz начинает искажать сигнал. Поэтому она, вероятно, может быть использована для целей передачи звуковой или какой- либо другой информации, но качественной передачи телевизионного сигнала эта микросхема обеспечить не способна. Для нашего устройства оказалась более подходящей другая мкросхема, 1005ХА4, с помощью которой удалось осуществить качественную частотную модуляцию в широкой полосе частот. Модулятор на этой микросхеме будет описан позднее.

Рассмотрим теперь узлы коррекции видеосигнала, стоящие перед модулятором. Здесь над телевизионным сигналом проделывают ряд операций, позволяющих улучшить отношение сигнал- шум. Во- первых, уровень видеосигнала приводится к некоторому нормальному значению. Здесь в технике видеозаписи часто используют систему автоматической регулировки усиления. Наилучшие результаты получаются при использовании ключевой АРУ, не искажающей передачу контраста. Затем видеосигнал поступает на цепь предыскажений /подъем АЧХ/, чтобы после обратной коррекции /спад АЧХ/ на приемной стороне получить лучшее отношение сигнал- шум. Частотные характеристики цепи предыскажения и обратной коррекции представлены на рисунке:

Рис. 5.8. АЧХ цепей предыскажения и обратной коррекции

Получить АЧХ такой формы можно включив в тракт видеосигнала корректирующие цепочки:

Рис. 5.9. Цепочки предыскажения и обратной коррекции

В высококачественных видеомагнитофонах используют еще нелинейную коррекцию видеосигнала /подъем высокочастотных составляющих сигнала яркости с малым уровнем для повышения четкости воспроизводимого изображения/ с обратной коррекцией на приемной стороне, но ради упрощения схемы мы ее использовать не будем.

В качестве примера узла коррекции видеосигнала перед частотным модулятором на дискретных элементах приведем часть схемы видеомагнитофона НВМ "Электроника - 501 - видео":

Рис. 5.10 Практическая схема усилителя с цепями предыскажения на дискретных элементах

Здесь телевизионный сигнал от системы АРУ через разделительный конденсатор С21 поступает на устройство фиксации уровня. Во время передачи синхронизирующих импульсов диод Д3 открывается и заряжает конденсатор С21. За нескольно строк на правой по схеме обкладке С21 накапливается положительный заряд, диод оказывается заперт и уровень синхроимпульсов получается "привязанным" к напряжению на аноде диода Д3. Затем сигнал через эмиттерный повторитель на транзисторе Т12 и цепочку R31R32C24 поступает на каскад, выполненный на транзисторе Т13. Входное сопротивление этого каскада мало, поскольку транзистор Т13 включен по схеме с общей базой. Поэтому ток в эмиттере, а, значит, и в коллекторе Т13 определяется сопротивлением цепочки R31R32C24. На высоких частотах полное сопротивление этой цепочки падает и общий коэффициент передачи схемы возрастает.

Сейчас разработаны и выпускаются микросхемы для видеоаппаратуры. Отечественной промышленностью освоена схема 1005ХА4 /аналог AN6310/, использованная в видеомагнитофоне "ВМ-12". На ней можно сделать частотный модулятор с корректирующим узлом и системой АРУ при сравнительно небольшом числе внешних элементов.

Рис. 5.11. Частотный модулятор, узлы коррекции и АРУ на микросхеме 1005ХА4.

На рисунке приведена схема, использованная в нашем устройстве. С входного разъема телевизионный сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на вход устройства АРУ. Работу системы АРУ обеспечивают селектор синхроимпульсов, детектор и усилитель АРУ. Поскольку примененная здесь ключевая схема АРУ ориентируется на уровень видеосигнала во время передачи синхроимпульсов, выделяемых селектром, то их размах она и поддерживает постоянным. В другие моменты времени, когда уровень видеосигнала определяется сюжетом изображения, селектор синхроиспульсов "заперт", и контраста изображения /т. е. относительного размаха видеосигнала/ система АРУ не изменяет. В результате система АРУ поддерживает на выходе такой уровень сигнала, что размах сихроимпульсов равен примерно 0.25V. При помощи установочного сопротивления R2 подстраивают режим работы АРУ так, чтобы на выводе 24 получился видеосигнал размахом 1V. С вывода 6 микросхемы могут сниматься синзронизирующие импульсы размахом 6V. С движка установочного резистора R10 через разделительный конденсатор С10 сигнал постурает на усилитель и, затем, через разделительный конденсатор С12, на вход устройства фиксации. После сигнал подается на ограничитель- предкорректор. Здесь поднимается уровень высокочастотных составляющих при помощи подключенных к выводу 11 элементов С5R3R4. Для предотвращения перемодуляции служат цепочки ограничения пиков. Ограничитель с одной стороны выполнен в микросхеме и управляется напряжением с движка установочного резистора R8 через вывод 10. Уровень ограничения пиков с другой стороны устанавливается сопротивлением R7. Когда они превышают допустимый уровень, открывается диод VD1 и сигнал шунтируется малым выходным сопротивлением эмиттерного повторителя на транзисторе VT. Затем скорректированный сигнал подается на частотный модулятор. Частота может подстраиваться конденсатором С13. ЧМ сигнал с вывода 9 поступает на установочное сопротивление R13 и далее в канал связи. Схема питается напряжением 9V от стабилизатора R12VD2. Для фильтрации помех по цепи питания служат конденсаторы С14, С11, С9 и дроссели L1 и L2. Конструктивно узел выполнен на печатной плате.

Частотно- модулированный видеосигнал или сигнал с дополнительного входа поступает на вход усилителя светодиода. Усилитель состоит из трех ступеней /см. рис./.

Рис. 5.12. Усилитель светодиода

Первая выполнена на транзисторах VT1 и VТ2 и представляет собою каскодную схему. Транзистор VТ1 включен по схеме с общим эмиттером. Входной сигнал поступает ему на базу через разделительный конденсатор С1 и сопротивление R11, установленное для предотвращения самовозбуждения. В эмиттерной цепи транзистора VТ1 установлено сопротивление R4, на котором за счет протекающего через него тока транзистора происходит падение напряжения отрицательной обратной связи. На высоких частотах емкостное сопротивление конденсатора С4 падает и шунтирует R4, поэтому обратная связь становится слабее, а усиление ступени возрастает. Коллекторный ток транзистора VТ1 поступает в эмиттер транзистору VТ2, включенному по схеме с общей базой. Поскольку входное сопротивление транзистора в схеме с общей базой мало, переменная составляющавя коллекторного тока транистора VТ1 почти не создает падения напряжения на его коллекторе. Поэтому устраняется влияние паразитной емкости коллектор- база транзистора. Ступень нагружена на сопротивление R5. Питание на первую ступень подается через фильтр R6C12. Выходное сопротивление транзистора VТ2, включенного по схеме с общей базой, велико, поэтому для согласования с оконечной ступенью применен эмиттерный повторитель на транзисторе VТ3. Питание на него подается через цепочку R7C5. Оконечная ступень представляет собою источник тока, управляемый напряжением /ИТУН/. Поскльку мощность оптического излучения светодиодов /как, впрочем, и лазеров/ пропорциональна протекающему через них току, такой способ включения позволяет получить достаточно линейную характеистику сигнал ® свет. Анод светодиода подключен к фильтру питания оконечной ступени R9C6. Падение напряжения на светодиодах мало зависит от протекающего через них тока и примерно равно 2V. Поэтому во время работы усилителя переменное напряжение на коллекторе транзистора VТ4 очень мало и паразитная емкость коллектор - база не ухудшает высокочастотные параметры ступени. Усилитель выполнен на печатной плате и питается сразу от источника 12V. Конденсатор С8 подавляет помехи, наводимые в проводах питания.

Для преобразования электрического сигнала в оптическое излучение использован суперлюминисцентный светодиод ИЛПН-301-1.

 

Приемное устройство состоит из услителя светодиода, корректирующего усилителя, частотного детектора и видеоусилителя- корректора.

Оптическое излучение из волоконно-оптической линии связи /ВОЛС/ воздействует на фотодиод /ФД/. Фотоприемники волоконно- оптических систем описаны в книге [О. К. Скляров. "Современные волоконно- оптические системы передачи"]. В настоящее время в волоконно- оптических системах преимущественно используют лавинные /ЛФД, APD/ и pin- фотодиоды, имеющие хорошую чувствительность в широкой полосе частот. Фотодетектор представляет собою полупроводниковый обратносмещенный p-n- переход. В таком переходе имеется область поглощения, в которой поглощаются фотоны. Обедненная носителями область концентрирует сильное электрическое поле. Она существует благодаря наличию в ней неподвижных положительных ионов /донор/ в n- области перехода и неподвижных отрицательных ионов - акцептор в p- области. Ширина обедненной области /зоны/ обратно пропорциональна концентрации примесей и зависит от частоты падающего света и от материала, из которого изготовлен этот полупроводниковый переход. Процесс поглощения фотонов в поглощающей зоне сопровождается переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости, образуя при этом электронно- дырочную пару. В результате этого процесса, если электроды p-n- перехода замкнуть электрической цепью, в ней потечет электрический ток. Для повышения преобразования фотон- электрон необходимо, чтобы свет поглощался в обедненной области. Для этого она должна иметь достаточно большую ширину. Для увеличения зоны поглощения слаболегированную область с большим удельным сопротивлением помещают между зонами p и n. Эта зона с малой концентрацией примесей и малой проводимостью поллучила название "I", а вся полупроводниковая структура- это pin- фотодиод. На такой диод подается обратное смещение. Величина напряжения выбирается достаточной для обеднения I- слоя свободными носителями. При падении фотонов в эту зону, в результате их поглощения, свободные носители разделяются на (p) и (n), т. е. на "дырки" и "электроны" и под воздействием сильного электрического поля устремляются к соответствующим зонам проводимости, вызывая тем самым электрический ток. Если обратное напряжение смещения повышать, то при некоторой величине, называемой пороговым напряжением, в обедненной зоне поглощения возникает так называемое явление ударной ионизации. Суть этого явления состоит в том, что носители, проходящие через зону поглощения "i", порождают новых носителей, которые в свою очередь также вызывают порождение очередных носителей. Таким образом, происходит умножение числа носителей, т. е. усиление фототока. Явление ударной ионизации носит лавинный характер, приводящий к лавинному пробою. Фотодиоды с умножением фототока называются лавинными фотодиодами - ЛФД /APD/. В системах ВОЛС применяются оба типа фотодиодов- pin- фотодиоды и APD- фотодиоды. Следует отметить, что при взаимодействии обедненной зоны поглощения с фотонами не каждый фотон порождает электронно- дырочную пару, т. е. можно говорить о квантовой эффективности h фотон- электронного преобразования. Величина h зависит прежде всего от материала /химической структуры/, из которого изготовлен фотодиод, а также от величины напряжения смещения /для pin- фотодиодов в малой степени/ и от температуры. Последние два фактора особенно значимы для ЛФД и в меньшей степени- для pin- фотодиодов. Кроме того, движение носителей в обедненной зоне наблюдается и без поглощения фотонов, вызывая при этом так называемый "темновой ток". Известно, что при определении чувствительности системы связи важнейшим фактором являются шумы фотоприемного устройства. Как отмечалось выше, фотодиод выполняет функцию преобразования потока фотонов в поток электронов- электрический ток IPD. Ток фотодетектора определяется из выражения:

IPD = (h * q * Popt) / (h*n ),

где: h - квантовая эффективность

q= 1.6 * 10-19 C

C- заряд электрона

Квантовая эффективность h <1, так как она определяется отношением среднего числа электронов, рожденных поглощением фотонов, к среднему числу падающих на поглощающую зону фотонов. Поскольку этот процесс статистический, он характеризуется дисперсией, определяющей шумовые свойства детектора. В соответствии с этим среднеквадратическое значение шумового тока фотодиода

Inoise = (2 * q * IPD * B)0.5,

где B- полоса детектируемых частот, т. е. полоса частот модуляции оптического излучения по интенсивности. Ток фотодиода в общем случае состоит из трех составляющих:

IPD = IS + IB + Idark,

где IS- ток, обусловленный детектированием сигнала, IB- ток, обусловленный попаданием на фотодетектор постороннего /фонового/ оптического излучения, Idark- темновой ток. Анализ приведенных выше выражений показывает, что шум фотоприемника определяется всеми тремя составляющими. Отметим, что шум в нагрузке фотодиода будет даже в том случае, когда IB+Idark=0, и называется этот шум дробовым. Хотя в волоконнооптических системах передачи оптические сигналы распространяются в световодах, помещенных в оптический кабель, покрытый светонепроницаемой оболочкой, в них все же имеется некоторое фоновое излучение. Существуют несколько причин наличия фонового излучения в ВОЛС: 1) спонтанное излучение лазерных диодов в допороговой области ватт- амперной характеристики /естественно, если на передатчике в качестве излучателя использован лазер/; 2) спонтанное излучение оптических усилителей /ASE/ /что для нашей системы не актульно, поскольку линия у нас достаточно короткая и усилителей в ней нет/; 3) остаточное излучение при коэффициенте модуляции излучения по интенсивности менее 100%. Определяющей компонентой в формировании шума фотоприемника является темновой ток, так как первая и вторая составляющие /если иметь в виду ВОЛС/ вносят шумы намного меньше, чем темновой ток /при условии, что коэффициент модуляции излучения близок к 100%./. Поэтому величина Idark для фотодиодов является одним из важнейших параметров. Для фотодиодов с диаметром чувствительной площадки 50 .. 200m m величина Idark для кремниевых фотодиодов равна 10-9, для германиевых ФД- 10-7 и для четвертных структур- 10-9. Основными параметрами фотодиодов являются:

1. Спектральный диапазон чувствительности для кремниевых фотодиодов- видимый диапазон 750 .. 1100nm; для ФД на основе германия и четвертных структур- видимый диапазон 750 .. 1700nm.

2. Квантовая эффективность h : для кремниевых и германиевых ФД h @ 0.4 ... 0.6; для ФД на четвертных структурах - 0.9.

3. Темновой ток Idark: для кремниевых с диаметром площадки 200m m- 10-9A, для германиевых- 10-7A, для ФД на четвертных структурах- 10-9A.

4. Чувствительность: зависит от скорости передачи данных.

5. Напряжение смещения Ebias /типовое значение- 5V, для ЛФД- 25..50V/

6. Диаметр чувствительной площадки: для ВОЛС в зависимости от скорости передачи d @ 10..200 m m.

7. Максимально допустимое значение фототока: обычно не превосходит 10-3A.

8. Электрическая емкость: в зависимости от назначения фотодиода CPD @ 0.5 .. 10 pF.

В современных системах ВОЛС применяются фотодиоды, чувствительность которых сохраняется в очень широком диапазоне длин волн- во всех окнах прозрачности ОВ /оптических волокон/, точнее 3ОП- 5ОП. В настоящее время создаются селективные по длине оптические приемники. Такие приемники были созданы в физико - техническом институте им. А.Ф.Иоффе /г. С.-Петербург/. На поверхности полупроводника в них сформирована рельефная дифракционная решетка. С такими фотодиодами можно будет создавать ВОЛС с многоволновым разделением каналов без дополнительных элементов- оптических демультиплексоров и оптических фильтров.

Рссмотрим теперь способы использования фотодиодов. Конструкции, принципы действия, варианты применения и характеристики большого числа фотоприборов описаны в работе Н.В. Пароль, С.А. Кайдалова "Фоточувствительные приборы и их применение". Возможны два принципиально разных варианта: генераторный /фотогальванический/ режим и режим диода с управляемой светом утечкой /фотодиодный/. Способ использования определяется назначением устройства. В генераторном режиме не нужен источник напряжения смещения. Такой режим находит применение в ИК приемниках дистанционного управления, оптических измерительных приборах /например, в оптическом тестере ОТ-6 фотодиод ФД-11к использован в режиме без смещения/, но из-за повышенной инерционности фотодиоды волоконно- оптических систем в генераторном режиме не используют. По сравнению с генераторным, режим с управляемой утечкой обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широким диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима- наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. В ряде случаев при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника генераторный режим может оказаться более выгодным, чем режим с управляемой утечкой. Поскольку в нашей системе передается широкополосный сигнал, был выбран режим с управляемой светом утечкой. В этом режиме на фотодиод подается некоторое запирающее напряжение /обычно от 5V и более, в лавинных фотодиодах, описанных выше используются напряжения порядка 45 V и больше/. Применение фотодиодов и других детекторов оптического излучения в системах связи хорошо изложено в [David A. Johnson "Handbook of Optical Through the Air Communications"]. С точки зрения схемотехники, через фотодиод, на который подано запирающее напряжение, как и через любой другой диод протекает некоторый небольшой ток утечки. У обычных выпрямительных диодов этот ток зависит, в основном, от температуры. У фотодиодов он зависит еще и от освещенности кристалла. Ток утечки прямо пропорционален мощности /интенсивности/ света. При детектировании света с длиной волны 900 нанометров, соответствующей максимуму спектральной чувствительности через кремниевый фотодиод будет протекать ток утечки порядка 0.5m A на микроватт мощности падающего на него света. Это соотношение не зависит от размера фотодетектора. Размер pin- фотодиода должен выбираться в зависимости от требуемой ширины полосы частот и типа оптической части системы связи. pin- фотодиоды с большей площадью действуют медлеенне, чем диоды с меньшей площадью. Например, диоды с площадью 1cm*1cm не могут использоваться при частотах модуляции света, превышающих 200kHz, в то время как диоды с размером 2.5mm*2.5mm будут работать на частотах до 50 MHz. Обычно ток фотодиода преобразуется в напряжение до усиления. Преобразователь ток ® напряжение является важнейшей частью оптического приемника. Известны два основнх типа преобразователей тока фотодиода в напряжение: схема в высоким входным сопротивлением и трансимпедансная схема. Метод преобразования фототока в напряжение, использованный во многих опубликованных схемах, представлен на рисунке:

Рис. 5.13. Усилитель фотодиода с высоким входным сопротивлением

Здесь фототок создает пропорциональное падение напряжения, протекая через сопротивление R. Одним из недостатков этой схемы является склонность к насыщению, когда на фотодиод вместе с несушим информацию излучением попадает свет от какого- либо достаточно сильного источника. Если сопротивление R будет слишком велико, то за счет протекающего через него фототока на нем получится падение напряжения, близкое к напряжению смещения фотодиода V+. Поэтому напряжение смещения выбирают порядка нескольких вольт и выше. К сопротивлению R здесь предъявляются противоречивые требования: чтобы получить большое выходное напряжение, сопротивление нужно установить тоже большое, но, чтобы избежать насыщения, сопротивление приходится ставить малое. Поэтому в литературе встречаются разные рекомендации по выбору нагрузочного сопротивления: от 5 MW в волоконно- оптических системах [Н. В. Пароль, С. А. Кайдалов "Фоточувствительные приборы и их применение"] до 10kW и менее в воздушных оптических системах связи, работающих в условиях сильных внешних засветок [David A. Johnson "Handbook of Optical Through the Air Communications"]. Другим недостатком схемы с высоким входным сопротивлением является завал частотной характеристики, вызванный влиянием паразитной емкости фотодиода, емкостью монтажа и прочими паразитными емкостями. Схема с высоким входным сопротивлением имеет еще один крупный недостаток: поскольку она не обладает частотной избирательостью, то чувствительна к любому попадающему на фотодиод свету. Поэтому схема с высоким входным сопротивлением не рекомендуется к использованию в воздушных оптических линиях связи. В волоконно- оптических системах, где меньше проблем с внешними засветками, такая схема находит применение. Другой распространенной схемой включения фотодиода является трансимпедансная схема. Вариант этой схемы приведен на рисунке:

Рис. 5.14. Трансимпедансный усилитель фотодиода

Здесь сопротивление включено в цепь обратной связи инвертирующего усилителя. Данная схема может быть использована на более высоких частотах, чем схема с высоким входным сопротивлением, поскольку в ней устраняется влияние паразитных емкостей. При трансимпедансной схеме включения фотодиода легко построить избирательный усилитель. Для этого в цепь обратной связи включают реактивные эленменты. Так, если вместо сопротивления в цепь обратной связи включить катушку индуктивности, фотоприемник будет чувствителен только к несущей информацию переменной составляющей тока фотодиода. На постоянном токе и низких частотах сопротивление катушки очень мало, усилитель охвачен глубокой обратной связью и, поэтому ток фотодиода практически не изменяет напряжение на выходе усилителя.

С ростом частоты полное сопротивление катушки возрастает, отрицательная обратная связь ослабевает и схема эффективно преобразует ток фотодиода в выходное напряжение. Здесь нужно учесть, что катушка индуктивности обязательно имеет некоторую собственную емкость, поэтому на высоких частотах цепь обратной связи с катушкой будет представлять собою параллельный колебательный контур /катушку, которую с ее же собственной емкостью используют как контур называют настроенным дросселем/. В литературе [David A. Johnson "Handbook of Optical Through the Air Communications"] приводятся типичные собственные резонансные частоты для различных катушек. Параллельно катушке можно специально подключить конденсатор и настроить получившийся колебательный контур на нужную частоту. Такая схема может обладать очень высокой избирательностю.

 

Рис. 5.15. Избирательный усилитель фотодиода с высокой добротностью

 

Полоса пропускания схемы зависит от добротности колебательного контура в цепи обратной связи. С увеличением добротности полоса пропускания будет уменьшаться. Избирательные свойства схемы с реактивными элементами в цепи обратной связи видны из рисунка:

Рис. 5.16. Избирательные свойства усилителя фотодиода при различных значениях добротности цепи обратной связи.

В ряде случаев избирательные свойства схемы с контуром в цепи отрицательной обратной связи могут быть полезны, но для широкополосных сигналов такая схема не подходит. При работе с импульсными сигналами в схеме могут возникать нежелательные колебания.

Рис. 5.17. Искажения импульсных сигналов в усилителе с высокой добротностью

Для широкополосных сигналов добротность колебательного контура должна быть порядка единицы. Для этого параллельно контуру в цепь обратной связи включают сопротивление.

Рис. 5.18. Избирательный усилитель фотодиода с ограниченной добротностью

Добротность, равная единице получается, когда реактивное сопротивление катушки /или конденсатора/ на резонансной частоте равно сопротивлению, шунтирующему контур.

Рис. 5.19. Проходждение импульсных сигналов через усилитель с ограниченной добротностью /Q=1/

Из сказанного выше видно, что к усилителю фотодиода предъявляется ряд требований: с одной стороны, он должен иметь частотную избирательность, а с другой - достаточное усиление. При помощи одной ступени усиления выполнить их практически невозможно. Поэтому в нашей системе усиление фототока осуществлено следующим образом: сначала сигнал поступает на усилитель, где его уровень доводится до десятков милливольт /далее - усилитель фотодиода/. Затем следует усилитель с коррекцией частотной характеристики.

Усилитель фотодиода, как было сказано выше, доводит сигнал до уровня, многокрано превышающего наводки. Он выполнен на небольшой печатной плате и помещен с фотодиодом в общий экранирующий кожух. Функции коррекции частотной характеристики в нашем устройстве на усилитель фотодиода не возлагаются. Схема приведена на рисунке:

Рис. 5.20. Усилитель фотодиода на микросхеме 224УР3

Фотодиод использован в режиме с управляемой светом утечкой. Запирающее напряжение смещения подается на него через фильтр R4C6. Усилитель выполнен на микросхеме 224УР3. Эта распространенная микросхема использовалась в качестве усилителя промежуточной частоты в телевизионных приемниках. На частоте 35 MHz она обеспечивает усиление 50 .. 155. Напряжение питания микросхемы - 12V при токе потребления не более 25mA. Микросхема выполнена по гибридной технологии и содержит три транзистора. Коллекторной нагрузкой выходного каскада микросхемы служит сопротивление R2. Питание к микросхеме подводится через фильтрующие цепочки R3C3, R1C2, C4.

За усилителем фотодиода в приемнике следует усилитель - корректор. Вследствие инерционности фотодиода /ФД/, неравномерностей АЧХ усилителя светодиода /УСД/ и усилителя фододиода /УФД/, а также прочих факторов АЧХ тракта УСД ® СД ® ФД ® УФД неравномерна и имеет спад на высоких частотах. Амплитуда сигнала на выходе УФД может оказаться недостаточной для работы частотного детектора. Усилитель- корректор доводит амплитуду до сотен mV при коррекции амплитудно- частотной хатактеристики. Схема приведена на рисунке.

Рис. 5.21. Усилитель корректирующий

Усилитель- корректор состоит из двух ступеней: каскодной на транзисторах VТ1, VТ2 и эмиттерного повторителя на транзисторе VТ3. Каскодная ступень обеспечивает усиление по напряжению, а эмиттерный повторитель повышает нагрузочную способность схемы. Коррекция АЧХ осуществляется при помощи частотно- зависимой отрицательной обраной связи /ООС/ R7C5, которой охвачен транзистор VТ1 каскодной ступени. Питание подается через фильтры R4C4, R8C6, C1.

Усиленный ЧМ сигнал поступает на частотный детектор /демодулятор/. Как и в случае с частотным модулятором, детектирование телевизионного ЧМ сигнала имеет свои особенности. Подходящие нам детекторы применяются в видеогнитофонах [З. Вайда "Современная видеозапись"]. В видеоаппаратуре для детектирования широкополосных ЧМ сигналов применяются фазовые дискриминаторы и детекторы типа счетчика импульсов. Фазовые дискриминаторы используются в бытовых видеомагнитофонах. На основной вход дискриминатора подается усиленный ЧМ сигнал, а на другой вход- ЧМ сигнал с задержкой /с фазовым сдвигом, пропорциональным частоте/, задаваемой линией задержки. Таким способом обеспечивается ЧМ детектирование с хорошей степенью линейности и в случае относительно большой по сравнению с несущей девиацией частоты. В высококачественных профессиональных видеомагнитофонах применяют детектор типа счетчика импульсов. В нашей системе использован такой же, как обеспечивающий большее качество. Принцип действия такого детектора основан на том, что из ограниченног по амплитуде ЧМ сигнала в момент его прохождения через нуль формируется последовательность "стандартных" прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и длительностью /сигнал с частотно- импульсной модуляцией/, из которой с помощью фильтра нижних частот выделяют демодулированный сигнал.

Рис. 5.22. Структура частотного детектора типа счетчика импульсов

В простейших демодуляторах типа счетчика импульсов запуск формирователя стандартных импульсов осуществляется при прохождении через нуль только в одном направлении, т. е., частота повторения импульсов совпадает с мнгновенной частотой ЧМ сигнала. Поскольку наименьшая частота ЧМ сигнала находится вблизи верхней граничной частоты модулирующего сигнала, это делает невыполнимыми требования, предъявляемые к фильтру нижних частот, который выделяет телевизионный сигнал. Поэтому в детекторах типа счетчиков импульсов формирователи импульсов запускаются обоими перепадами напряжения ограниченного ЧМ сигнала. Это реализуется двумя способами: после ограничения и дифференцирования производят двухполупериодное выпрямление последовательности разнополярных импульсов и таким образом запускают заторможенный /ждущий/ мультивибратор дважды за период ЧМ сигнала или непосредственно из ограниченного ЧМ сигнала выделяют последовательность импульсов с удвоенной частотой. Последний вариант показан на рисунке:

Рис. 5.23. ЧМ детектор с удвоением частоты на линии задержки

Рис. 5.24. Временные диаграммы ЧМ детектора на линии задержки

Заметим, что в качестве линии задержки на практике часто используют цепочку из нескольких логических элеменов.

Cпектр сигнала на выходе детектора типа счетчика импульсов содержит следующие составляющие:

постоянную составляющую

ue = w carr * t / p ,

демодулированный сигнал

uM = (2 * m / p ) * sin(w M * t / 2)

а также четные гармонические составляющие несущей частоты и их боковые частоты

uln =[2 * Jn(2 * l * m) / (p * l)] * sin[(2 * l * w carr ± n * w M) * (t / 2)] ,

где t - длительность сформированного мультивибратором импульса, 2*l=2, 4, 6,... -номера гармоник несущей частоты; n- порядок боковой частоты. Естественно, что в полосу пропускания могут попадать только нижние боковые частоты гармоник несущей частоты демодулированного сигнала. Для них отношение амплитуд сигналов помехи и полезного сигнала можно определить по следующей приближенной формуле:

uln / uM » (2 * l * fcarr / fM - n) * Jn(2 * l * m) / (l * m).

Эта формула справедлива для малых значений t . В литературе [З. Вайда] приводится и более точное /но более сложное/ соотношение. Отметим, что если w M*t /2<<1, то

ue / uM = fcarr / (m * fM),

т. е. и уровень постоянной составляющей мал, и это создает неудобства, потому что частота несущей fcarr является средней частотой, зависящей от содержания кадра. Таким образом, необходимо заботиться и о восстановлении постоянной составляющей телевизионного сигнала после детектора. В качестве примера частотного детектора на дискретных элементах приведем фрагмент схемы видеомагнитофона "Электроника- 501- видео".

Рис. 5.25. Практическая схема частотного детектора с удвоением частоты на дискретных элементах

От предварительных каскадов сигнал поступает на вход эмиттерного повторителя на транзисторе Т10. Затем сигнал подается на трансформатор L10. Ко вторичной обмотке этого трансформатора водключен двухполупериодный выпрямитель на диодах Д9 и Д10. После усилителя на транзисторе Т11 импульсы /см. рис./ подаются фильтр нижних частот. Выделенный фильтром телевизионный синал поступает на видеоусилитель. Сейчас выпускается много микросхем, содержащих частотный детектор. Для видеоаппаратуры отечественная промышленность производит микросхемы 1005ХА5 /использована в видеомагнитофоне "ВМ12"/, которую мы и применили в нашем устройстве. Она содержит ряд узлов, необходимых для построения тракта воспроизведения видеомагнитофона, из коих мы используем усилитель- ограничитель и частотный детектор.

Рис. 5.26. Частотный детектор на микросхеме 1005ХА5

ЧМ сигнал через разделительный конденсатор C6 поступает на вход /вывод14/ дифференциального усилителя- ограничителя. На его входы через сопротивления R3 и R5 воздействует также напряжение смещения, снимаемое с делителя R2R4. Установочное сопротивление R7 вместе с сопротивлениями R6 и R8 служит для симметрирования ограничителя. Второй вход усилителя - ограничителя /вывод 13/ заземлен по переменному току через конденсатор C2. Ограниченный частотно- модулированный синал поступает на детектор. Конденсатор C4, подключенный к выводу 17 служит зарядно - разрядным в детекторе. На выходе детектора /вывод 16/ формируются калиброванные по амплитуде и длительности импульсы с удвоенной частотой несущей частотно- модулированного сигнала. Они появляются в момент перехода частотно- модулированного сигнала через ноль /т. е., дважды за период/. После выделения из этой последовательности импульсов с помощью фильтра нижних частот постоянной составляющей получается продетектированный телевизионный сигнал. При этом значительно подавляются колебания удвоенной несущей частоты. К фильтру подключена согласованная нагрузка- сопротивление R11. Микросхема питается от параметрического стабилизатора R1VD. Конденсаторы C1 и C3 служат для подавления помех в цепях питания. Заметим, что микросхема содержит также узлы, с помощью которых можно будет при необходимости повысить помехоустойчивость нашей системы- устройство замещения "выпавших" строк /т. е. тех строк, во время передачи которых ЧМ сигнал по каким- либо факторам слишком слаб и не может быть продетектирован/ предыдущими и подавитель шумов.

Продетектированный телевизионный сигнал через видеоусилитель- корректор подается на выход приемного устройства. Видеоусилитель состоит из трех ступеней: входной эмиттерный повторитель /VТ1/, корректирующая ступень /VТ2/ и выходной эмиттерный повторитель /VТ3/.

Рис. 5.27. Видеоусилитель корректирующий

Входной эмиттерный повторитель обеспечивает высокое входное сопротивление усилителя, чтобы он не шунтировал выход фильтра низкой частоты на плате детектора, нагруженного на согласованное сопротивление 1кОм /также на плате детектора/. Усление по напряжению обеспечивает вторая ступень на транзисторе Т2. Коррекция частотной характеристики осуществляется конденсаторами C2 и C3. Емкостное сопротивление конденсатора C2 на высоких частотах уменьшается и он шунтирует сопротивление R4, на котором падает напряжение отрицательной обратной связи, что приводит к увеличению усиления. При помощи этого конденсатора корректируют подъем АЧХ на высоких частотах. Конденсатор C3 шунтирует нагрузочное сопротивление R5 транзистора Т2 и вызывает спад АЧХ на высоких частотах, что позволяет подавить остатки несущей. Подбором конденсаторов C2 и С3 добиваются возможно более ровной АЧХ в полосе пропускания /до 6MHz/ и возможно более полного подавления сигналов вне этой полосы. Выходной эмиттерный повторитель устраняет влияние нагрузки на характеристики корректирующего каскада. Для согласования с коаксиальным кабелем на выходе усилителя включено сопротивление R8. Усилитель питается от параметрического стабилизатора R7VD, помехи в цепи питания подавляются конденсаторами C4 и C6.

Hosted by uCoz