光檢測(cè)機(jī)與光接收機(jī)

1、第第5 5章章 光檢測(cè)器與光接收機(jī)光檢測(cè)器與光接收機(jī)5.1 5.1 光光 檢檢 測(cè)測(cè) 器器 v 在光纖傳輸線路的輸出端，必須有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)換光信號(hào)在光纖傳輸線路的輸出端，必須有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)換光信號(hào)的接收裝置即光接收機(jī)。接收機(jī)的首要部件就是光探測(cè)的接收裝置即光接收機(jī)。接收機(jī)的首要部件就是光探測(cè)器（光檢測(cè)器）。器（光檢測(cè)器）。v 光探測(cè)器能檢測(cè)出入射在其面上的光功率，并把這個(gè)光光探測(cè)器能檢測(cè)出入射在其面上的光功率，并把這個(gè)光功率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。由于光信號(hào)在光纖中傳功率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。由于光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有損耗和失真，所以對(duì)光檢測(cè)器的性能要求很高。輸時(shí)會(huì)有損耗和失真，所以對(duì)光檢測(cè)器

2、的性能要求很高。5.1 5.1 光光 檢檢 測(cè)測(cè) 器器v 光探測(cè)器主要有以下幾種不同的類型：光探測(cè)器主要有以下幾種不同的類型：光電倍增管、熱光電倍增管、熱電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器等。電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器等。v 在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，光電二極管體積小，靈活度高，在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，光電二極管體積小，靈活度高，響應(yīng)速度快，在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常響應(yīng)速度快，在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的光電二極管有兩種類型，即用的光電二極管有兩種類型，即 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管( (APD) )。5.1 5.1 光光 檢檢 測(cè)測(cè) 器器1 5.1.1 5

3、.1.1 PIN光電二極光電二極管的工作原理管的工作原理.2 5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極雪崩光電二極管管( (APD) )5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 1 1工作原理工作原理v 光電二極管是一個(gè)工作在反向偏壓下的光電二極管是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，其結(jié)二極管，其工作原理可用光電效應(yīng)來解釋，如圖工作原理可用光電效應(yīng)來解釋，如圖5.15.1所示。所示。 圖圖5.1 5.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 反向偏壓使反向偏壓使PN結(jié)加寬，空間電荷區(qū)的載流

4、子基本耗盡了。結(jié)加寬，空間電荷區(qū)的載流子基本耗盡了。光入射到光入射到PN結(jié)上，如果光子能量結(jié)上，如果光子能量 大于半導(dǎo)體材料的禁大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度帶寬度 ，價(jià)帶上電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶產(chǎn)生，價(jià)帶上電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子電子- -空穴對(duì)?？昭▽?duì)。v 若電子若電子- -空穴對(duì)在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生，在電場作用下，電子向空穴對(duì)在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生，在電場作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向區(qū)漂移，空穴向P P區(qū)漂移，形成光生電流。當(dāng)入射光功區(qū)漂移，形成光生電流。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光生電流隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)化率變化時(shí)，光生電流隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)。成電流信號(hào)。 g

5、E5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 然而，當(dāng)入射光子能量小于然而，當(dāng)入射光子能量小于 時(shí)，無論入射光多么強(qiáng)，時(shí)，無論入射光多么強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生，也就是說，發(fā)生光電效應(yīng)必須滿光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生，也就是說，發(fā)生光電效應(yīng)必須滿足足 。因此，任何半導(dǎo)體材料制作的光電二極管。因此，任何半導(dǎo)體材料制作的光電二極管都有上限截止波長都有上限截止波長 ，其表示式為，其表示式為v (5.1)(5.1)v 對(duì)于材料對(duì)于材料Si ， ；對(duì)于材料；對(duì)于材料Ge， 。v 光電二極管除了具有上限截止波長外，當(dāng)入射波長太短光電二極管除了具有上限截止波長外，當(dāng)入射波長太短時(shí)，材料

6、的吸收系數(shù)變得很大，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大幅時(shí)，材料的吸收系數(shù)變得很大，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大幅度下降。度下降。gEgEhCgg/1.24/ ( m)hc EECC1.06 mC1.6 5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 2 2光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率v 常用量子效率和響應(yīng)度來衡量光電轉(zhuǎn)換效率。入射光在常用量子效率和響應(yīng)度來衡量光電轉(zhuǎn)換效率。入射光在光電二極管的表面有反射，設(shè)入射表面的反射率為光電二極管的表面有反射，設(shè)入射表面的反射率為 R，當(dāng)入射光功率為當(dāng)入射光功率為 P 時(shí)，光生電流可以表示為時(shí)，光生電流可以表示為 式中，式中， 是零電場表面層厚度；是零電場

7、表面層厚度； 是耗盡區(qū)的厚度；是耗盡區(qū)的厚度； 是吸收系數(shù)。是吸收系數(shù)。p1(1)exp()(1exp()ePIR5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 量子效率定義為量子效率定義為 (5.2)(5.2)v R 也可以用響應(yīng)度來表示：也可以用響應(yīng)度來表示： R (5.3) (5.3)p1/(1)exp()(1 exp()/I eRwwPhp0/e /(A/W)IP5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 要得到高的量子效率，必須采取如下措施：要得到高的量子效率，必須采取如下措施：(1) (1) 減小入減小入射表面的反射率；射

8、表面的反射率；(2) (2) 盡量減小光子在表面層被吸收的盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡層的寬度。因此，為了得到高的量子可能性，增加耗盡層的寬度。因此，為了得到高的量子效率，常采用效率，常采用 PIN 結(jié)構(gòu)，如圖結(jié)構(gòu)，如圖5.25.2所示。所示。 圖圖5.2 5.2 PIN 光電二極管光電二極管5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v I 區(qū)是一層接近本征的摻雜很低的區(qū)是一層接近本征的摻雜很低的N 區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中，區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中，零電場區(qū)（零電場區(qū)（ 區(qū)和區(qū)和 區(qū)）非常薄，而低摻雜的區(qū)）非常薄，而低摻雜的 I 區(qū)很區(qū)很厚，耗盡層幾乎占據(jù)了整個(gè)

9、厚，耗盡層幾乎占據(jù)了整個(gè)PN 結(jié)，從而使光子在耗盡區(qū)結(jié)，從而使光子在耗盡區(qū)被充分吸收。被充分吸收。v 對(duì)于對(duì)于 InGaAs 材料的光電二極管，往往還采用異質(zhì)結(jié)結(jié)材料的光電二極管，往往還采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，耗盡區(qū)構(gòu)，耗盡區(qū)( InGaAs )夾在寬帶隙的夾在寬帶隙的 InP 材料之間，而材料之間，而InP 對(duì)于入射光幾乎是透明的。對(duì)于入射光幾乎是透明的。PN5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 圖圖5.35.3給出了幾種不同材料給出了幾種不同材料PIN 光電二極管的響應(yīng)度和量光電二極管的響應(yīng)度和量子效率。子效率。 圖圖5.3 5.3 幾種不同材料幾種不同材料

10、PIN 光電二極管的響應(yīng)度和量子效率光電二極管的響應(yīng)度和量子效率5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v 3響應(yīng)速度響應(yīng)速度v 響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示。影響響應(yīng)速度的主要因素有示。影響響應(yīng)速度的主要因素有 v (1) 光電二極管等效電路的光電二極管等效電路的 RC 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)圖圖5.4 5.4 光電二極管的等效電路光電二極管的等效電路5.1.1 5.1.1 PIN 光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理v (2) 載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間v (3) 耗盡

11、區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲 圖圖5.5 5.5 結(jié)電容、耗盡區(qū)寬度以及零電場區(qū)對(duì)輸出脈沖的影響結(jié)電容、耗盡區(qū)寬度以及零電場區(qū)對(duì)輸出脈沖的影響v 4 4暗電流暗電流v 暗電流是指無光照時(shí)，光電二極管的反向電流。暗電流是指無光照時(shí)，光電二極管的反向電流。v Si 的光電二極管可小于的光電二極管可小于1 nA，Ge 的光電二極管的暗電流的光電二極管的暗電流通常幾百納安。通常幾百納安。5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)v 1 1工作原理工作原理v 與光電二極管不同，雪崩光電二極管能承受高的反向偏與光電二極管

12、不同，雪崩光電二極管能承受高的反向偏壓。在壓。在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)，光生的電子或空穴結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)，光生的電子或空穴經(jīng)過高場區(qū)時(shí)被加速，從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟呓?jīng)過高場區(qū)時(shí)被加速，從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)速運(yùn)動(dòng)中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)新的電子新的電子- -空穴對(duì)，這個(gè)過程稱為空穴對(duì)，這個(gè)過程稱為碰撞電離碰撞電離。v 通過碰撞電離產(chǎn)生的電子通過碰撞電離產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)稱為二次電子空穴對(duì)稱為二次電子- -空穴對(duì)。空穴對(duì)。新生的電子新生的電子- -空穴對(duì)在高場區(qū)內(nèi)再被加速，又可能碰撞新空穴對(duì)在高場區(qū)內(nèi)再被

13、加速，又可能碰撞新的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果是載流子濃度增加，的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果是載流子濃度增加，反向電流增大，稱為反向電流增大，稱為雪崩增益雪崩增益。5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)v 2APD的平均雪崩增益的平均雪崩增益v 雪崩過程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，只能以雪崩過程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，只能以APD的平均雪的平均雪崩增益來表示崩增益來表示APD增益的大小：增益的大?。簐 式中，式中，V是反向偏壓；是反向偏壓； 是反向擊穿電壓；是反向擊穿電壓；m 是是APD結(jié)結(jié)構(gòu)和材料決定的參量。構(gòu)和材料決定的參量。 sB11 ()/mGVIRVBV

14、5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)v 雪崩增益隨反向偏壓變化的非線性十分突出，如圖雪崩增益隨反向偏壓變化的非線性十分突出，如圖5.65.6所所示。要得到足夠的增益，必須在接近擊穿電壓下工作，示。要得到足夠的增益，必須在接近擊穿電壓下工作，而擊穿電壓對(duì)溫度很敏感。而擊穿電壓對(duì)溫度很敏感。 圖圖5.6 5.6 APD的平均雪崩增益的平均雪崩增益5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)v 3APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 在在 850 nm，常用的，常用的APD有保護(hù)環(huán)形有保護(hù)環(huán)形( GAPD )和拉通型和拉通型( RAPD )兩種。兩種。

15、v 圖圖5.7是拉通型是拉通型APD的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部場強(qiáng)分布示意圖。的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部場強(qiáng)分布示意圖。 v 圖圖5.7 5.7 RAPD的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部場強(qiáng)分布示意圖的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部場強(qiáng)分布示意圖5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) v 當(dāng)偏壓加大到某一值后，耗盡層拉通到當(dāng)偏壓加大到某一值后，耗盡層拉通到 區(qū)（本征區(qū)）區(qū)（本征區(qū)）（少量（少量P 摻雜），一直抵達(dá)摻雜），一直抵達(dá) 接觸層，此后若電壓再增接觸層，此后若電壓再增加，電場增量就在加，電場增量就在P區(qū)和區(qū)和 區(qū)分布，高場區(qū)電場隨電壓變區(qū)分布，高場區(qū)電場隨電壓變化相對(duì)緩慢，化相對(duì)緩慢，G-V 曲線的非線性有所改善。曲線的

16、非線性有所改善。v 最后給出一些光探測(cè)器的性能參數(shù)，參見表最后給出一些光探測(cè)器的性能參數(shù)，參見表5.1和表和表5.2。P5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) 表表5.1 Si, Ge, InGaAs PIN5.1 Si, Ge, InGaAs PIN光電二極管的通用工作特性參數(shù)光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長范圍nm4001000800165011001700響應(yīng)度 RA/W0.40.60.40.50.750.95暗電流InnA110505000.52.0上升時(shí)間ns0.51.00.10.50.050.5帶寬 BGHz0.30

17、.70.53.01.02.0偏壓VBV5.1.2 5.1.2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD)v 表表5.2 Si, Ge, InGaAs5.2 Si, Ge, InGaAs雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長范圍nm4001000800165011001700雪崩增益 G-20400502001040暗電流IDnA0.11505001050上升時(shí)間ns0.120.50.80.10.5增益帶寬積 GBGHz10040021020250偏壓VBV5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 光纖通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩

18、種傳輸系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。在這兩種在這兩種不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱為模擬光接收機(jī)和數(shù)不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。字光接收機(jī)。v 相比于數(shù)字光接收機(jī)相比于數(shù)字光接收機(jī)，模擬光接收機(jī)，模擬光接收機(jī)比較簡單，其原理比較簡單，其原理框圖如圖框圖如圖5.8(a)5.8(a)所示。所示。v 數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字光接收機(jī)原理框圖如圖原理框圖如圖5.8(b)5.8(b)所示，可以看出，數(shù)所示，可以看出，數(shù)字接收機(jī)更為復(fù)雜一些，在主放大器后還有均衡濾波器、字接收機(jī)更為復(fù)雜一些，在主放大器后還有均衡濾波器、自動(dòng)增益控制電路、時(shí)鐘恢復(fù)與判決電路。自動(dòng)增益控

19、制電路、時(shí)鐘恢復(fù)與判決電路。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述 圖圖5.8 5.8 光纖通信接收機(jī)原理框圖光纖通信接收機(jī)原理框圖5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 各部分主要功能簡要介紹如下：各部分主要功能簡要介紹如下：v 1 1光檢測(cè)器光檢測(cè)器v 對(duì)光檢測(cè)器的基本要求如下：對(duì)光檢測(cè)器的基本要求如下：v (1) (1) 高的光電轉(zhuǎn)換效率，即對(duì)某一波長入射光信號(hào)，能高的光電轉(zhuǎn)換效率，即對(duì)某一波長入射光信號(hào)，能夠得到盡可能大的光電流；夠得到盡可能大的光電流；v (2) (2) 附加噪聲盡可能?。桓郊釉肼暠M可能?。籿 (3) (3) 響應(yīng)速度要快，線性好及頻帶寬；響應(yīng)速度要快，線性好及

20、頻帶寬；v (4) (4) 可靠性好，壽命長?？煽啃院?，壽命長。v 在光纖通信中，滿足上述要求的光檢測(cè)器有兩種半導(dǎo)體在光纖通信中，滿足上述要求的光檢測(cè)器有兩種半導(dǎo)體光電二極管：光電二極管：PIN光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管( (ADP) )。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 2 2前置放大器前置放大器v 從光檢測(cè)器輸出的光電流信號(hào)十分微弱，必須經(jīng)過前置從光檢測(cè)器輸出的光電流信號(hào)十分微弱，必須經(jīng)過前置放大器放大，前置放大器在光接收機(jī)中起關(guān)鍵作用，要放大器放大，前置放大器在光接收機(jī)中起關(guān)鍵作用，要求它有足夠小的噪聲、適當(dāng)?shù)膸捄鸵欢ǖ脑鲆妗Ｇ笏凶銐蛐〉脑肼?、適當(dāng)

21、的帶寬和一定的增益。v 光檢測(cè)器和前置放大器合起來叫做接收機(jī)前端，其性能光檢測(cè)器和前置放大器合起來叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣直接決定接收的靈敏度。的優(yōu)劣直接決定接收的靈敏度。v 前置放大器有多種類型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器有多種類型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、互阻抗前置放大器等。前置放大器、互阻抗前置放大器等。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 3 3主放大器主放大器v 前置放大器輸出信號(hào)的幅度對(duì)于后續(xù)的信號(hào)處理是不夠前置放大器輸出信號(hào)的幅度對(duì)于后續(xù)的信號(hào)處理是不夠的，因此還需主放大器做進(jìn)一步的放大。的，因此還需主放大器做進(jìn)一步的放大。v 主放大器除了將前置

22、放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路主放大器除了將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平外，還起著調(diào)節(jié)增益的作用。所需要的信號(hào)電平外，還起著調(diào)節(jié)增益的作用。v 輸入信號(hào)越大，增益越小，反之，對(duì)于小的信號(hào)呈現(xiàn)較輸入信號(hào)越大，增益越小，反之，對(duì)于小的信號(hào)呈現(xiàn)較大的增益，這樣主放大器的輸出信號(hào)幅度在一定范圍內(nèi)大的增益，這樣主放大器的輸出信號(hào)幅度在一定范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)的影響。不受輸入信號(hào)的影響。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 4 4均衡濾波電路均衡濾波電路v 由于光纖色散的影響，波形將出現(xiàn)由于光纖色散的影響，波形將出現(xiàn)拖尾拖尾。v 系統(tǒng)中的其他器件，如光放大器、光檢測(cè)器等，因其帶系

23、統(tǒng)中的其他器件，如光放大器、光檢測(cè)器等，因其帶寬的限制和非理想的傳輸特性，都會(huì)使光脈沖發(fā)生寬的限制和非理想的傳輸特性，都會(huì)使光脈沖發(fā)生畸變畸變，同時(shí)同時(shí)加劇碼元間的串?dāng)_加劇碼元間的串?dāng)_，造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。，造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。v 所以，在判決電路所以，在判決電路前必須加均衡濾波器對(duì)已發(fā)生畸變和前必須加均衡濾波器對(duì)已發(fā)生畸變和有嚴(yán)重碼間干擾的信號(hào)進(jìn)行均衡，使其盡可能地恢復(fù)原有嚴(yán)重碼間干擾的信號(hào)進(jìn)行均衡，使其盡可能地恢復(fù)原來的狀況，以利于判決。來的狀況，以利于判決。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 5 5時(shí)鐘恢復(fù)和判決電路時(shí)鐘恢復(fù)和判決電路v 為了能從均衡濾波器的輸出信

24、號(hào)判決出是為了能從均衡濾波器的輸出信號(hào)判決出是“0”0”碼還是碼還是“1”1”碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決，即應(yīng)碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決，即應(yīng)將混合在信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)（又稱為定時(shí)信號(hào)）提取出將混合在信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)（又稱為定時(shí)信號(hào)）提取出來，這是時(shí)鐘恢復(fù)電路應(yīng)該完成的功能；來，這是時(shí)鐘恢復(fù)電路應(yīng)該完成的功能；v 接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時(shí)鐘信號(hào)所接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時(shí)鐘信號(hào)所“指指定定”的瞬間來判決由濾波器送過來的信號(hào)。的瞬間來判決由濾波器送過來的信號(hào)。v 若信號(hào)電平超過判決門限電平，則判為若信號(hào)電平超過判決門限電平，則判為“1”1”碼；若信號(hào)碼

25、；若信號(hào)電平低于判決門限電平，則判為電平低于判決門限電平，則判為“0”0”碼。碼。5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v 衡量接收機(jī)的主要指標(biāo)有：接收靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)衡量接收機(jī)的主要指標(biāo)有：接收靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間以及工作在不同碼速、不同數(shù)據(jù)格式下的能力。時(shí)間以及工作在不同碼速、不同數(shù)據(jù)格式下的能力。v (1) 接收靈敏度接收靈敏度v 接收靈敏度是指接收靈敏度是指達(dá)到指定誤碼率（對(duì)數(shù)字系統(tǒng)）或信噪比達(dá)到指定誤碼率（對(duì)數(shù)字系統(tǒng)）或信噪比（對(duì)模擬系統(tǒng)）時(shí)的最小接收信號(hào)光功率。（對(duì)模擬系統(tǒng)）時(shí)的最小接收信號(hào)光功率。v 靈敏度通常用靈敏度通常用dBm來表示，即以來表示，即以1 mW為基

26、準(zhǔn)，用分貝為基準(zhǔn)，用分貝(dB)表示的相對(duì)光功率。表示的相對(duì)光功率。v 設(shè)滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下的最小接收光功率為設(shè)滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下的最小接收光功率為 ，單位為單位為mW，則接收靈敏度可用，則接收靈敏度可用dBm表示為表示為5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述 (5.4) (5.4) v 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 對(duì)應(yīng)的接收靈敏度為對(duì)應(yīng)的接收靈敏度為0 dBm。v (2) (2) 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍v 在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭的損耗、發(fā)送功率隨溫度的變化及老化等原因，接收接頭的損耗、發(fā)送功率隨溫度的變化及老化

27、等原因，接收光功率會(huì)有一定的波動(dòng)。光功率會(huì)有一定的波動(dòng)。v 定義最大允許的接收光功率與最小可接收光功率之差為定義最大允許的接收光功率與最小可接收光功率之差為光光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。最大光功率決定于非線性失真及前置。最大光功率決定于非線性失真及前置放大器的飽和電平，最小光功率則決定于接收靈敏度。放大器的飽和電平，最小光功率則決定于接收靈敏度。Pr(mW)10lg (dBm)1mWPS1 mWP 5.2 5.2 光接收機(jī)概述光接收機(jī)概述v （3) 3) 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間v 在采用時(shí)分多址在采用時(shí)分多址( (TDMA) )和猝發(fā)異步模式進(jìn)行通信時(shí)，和猝發(fā)異步模式進(jìn)行通信時(shí)，信息以短促的

28、突發(fā)性脈沖串傳輸，通常情況下接收機(jī)處信息以短促的突發(fā)性脈沖串傳輸，通常情況下接收機(jī)處于沒有輸入光功率的空閑狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)脈沖串突然到達(dá)于沒有輸入光功率的空閑狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)脈沖串突然到達(dá)時(shí)，光接收機(jī)應(yīng)盡快建立起穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，且時(shí)鐘時(shí)，光接收機(jī)應(yīng)盡快建立起穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，且時(shí)鐘應(yīng)與輸入的數(shù)據(jù)脈沖串在頻率和相位上同步。應(yīng)與輸入的數(shù)據(jù)脈沖串在頻率和相位上同步。v 接收機(jī)從光信號(hào)到來時(shí)具有上述功能的時(shí)間周期稱為它接收機(jī)從光信號(hào)到來時(shí)具有上述功能的時(shí)間周期稱為它的的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間。5.3 5.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲v 圖圖5.9 5.9 為光接收機(jī)中的各種噪聲源及其分布圖。為光接收機(jī)中的各種

29、噪聲源及其分布圖。v 其中包括：量子噪聲、倍增噪聲、暗電流噪聲、表面漏其中包括：量子噪聲、倍增噪聲、暗電流噪聲、表面漏電流噪聲、電阻熱噪聲和放大器噪聲。電流噪聲、電阻熱噪聲和放大器噪聲。 圖圖5.9 5.9 光接收機(jī)中的各種噪聲源及其分布圖光接收機(jī)中的各種噪聲源及其分布圖 5.3 5.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲v 各種噪聲特性如下：各種噪聲特性如下：v (1) (1) 量子噪聲量子噪聲v 來源于光信號(hào)入射到光檢測(cè)器上時(shí)的隨機(jī)起伏，它與信來源于光信號(hào)入射到光檢測(cè)器上時(shí)的隨機(jī)起伏，它與信號(hào)電平成正比。號(hào)電平成正比。v 相對(duì)于接收機(jī)中的其他噪聲，量子噪聲總是存在且無法相對(duì)于接收機(jī)中的其他噪聲，

30、量子噪聲總是存在且無法消除的。消除的。v (2) (2) 倍增噪聲倍增噪聲v 對(duì)于對(duì)于APD，由于倍增過程的統(tǒng)計(jì)特征而產(chǎn)生附加的散彈，由于倍增過程的統(tǒng)計(jì)特征而產(chǎn)生附加的散彈噪聲，它隨倍增增益的增加而增加。噪聲，它隨倍增增益的增加而增加。5.3 5.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲v (3) (3) 暗電流噪聲暗電流噪聲v 暗電流是沒有光入射時(shí)流過光檢測(cè)器的電流，它是由暗電流是沒有光入射時(shí)流過光檢測(cè)器的電流，它是由PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)形成的。在空穴對(duì)形成的。在APD檢測(cè)器中，檢測(cè)器中，暗電流能被倍增，因此影響更大。暗電流能被倍增，因此影響更大。v (4) (4

31、) 表面漏電流噪聲表面漏電流噪聲v 表面漏電流噪聲是由于器件表面的物理特性不完善（缺表面漏電流噪聲是由于器件表面的物理特性不完善（缺陷及污染）導(dǎo)致的，它與表面積大小及偏置電壓有關(guān)。陷及污染）導(dǎo)致的，它與表面積大小及偏置電壓有關(guān)。v (5) (5) 電阻熱噪聲電阻熱噪聲v 熱噪聲是由熱力學(xué)溫度在零度以上的物體產(chǎn)生的，它具熱噪聲是由熱力學(xué)溫度在零度以上的物體產(chǎn)生的，它具有高斯分布。有高斯分布。5.3 5.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲v 在接收機(jī)電路中，電阻和放大器都會(huì)產(chǎn)生這種噪聲。電阻在接收機(jī)電路中，電阻和放大器都會(huì)產(chǎn)生這種噪聲。電阻的熱噪聲電流譜密度為的熱噪聲電流譜密度為 (5.5)(5.5

32、)v 式中，式中， 為玻爾茲曼常量為玻爾茲曼常量(1.38(1.3810-34J/K)10-34J/K)； 為流過電為流過電阻的熱噪聲電流；阻的熱噪聲電流； 為電阻值；為電阻值； 為電阻工作時(shí)的熱力學(xué)溫為電阻工作時(shí)的熱力學(xué)溫度。度。v (6) (6) 放大器噪聲放大器噪聲v 接收機(jī)中的任何有源器件都會(huì)引入噪聲，放大器也不例外。接收機(jī)中的任何有源器件都會(huì)引入噪聲，放大器也不例外。有關(guān)放大器噪聲在后面的章節(jié)中會(huì)單獨(dú)討論。有關(guān)放大器噪聲在后面的章節(jié)中會(huì)單獨(dú)討論。2Rd4dik TfRkRiRT5.3 5.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲1 5.3.1 5.3.1 量子噪聲和量子噪聲和 倍增噪聲倍增噪

33、聲.2 5.3.2 5.3.2 前置放大器前置放大器 的噪聲的噪聲5.3.1 5.3.1 量子噪聲和倍增噪聲量子噪聲和倍增噪聲v 1 1量子噪聲量子噪聲v 設(shè)入射到設(shè)入射到PINPIN光檢測(cè)器的光功率為光檢測(cè)器的光功率為 ，光檢測(cè)器的響應(yīng)，光檢測(cè)器的響應(yīng)度為度為 ，則產(chǎn)生的平均光電流為，則產(chǎn)生的平均光電流為 (5.6)(5.6)v 則檢測(cè)器輸出的平均電壓為則檢測(cè)器輸出的平均電壓為 (5.7)(5.7)v 式中，式中，Z Z( (t t) )為為Z Z( ( ) )的傅里葉反變換，即系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。的傅里葉反變換，即系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。00( )( )i tR p t( )p t0R 0s0 ( )

34、( )( )( ) ()dv ti tZ tRp t Z 5.3.1 5.3.1 量子噪聲和倍增噪聲量子噪聲和倍增噪聲v 設(shè)接收機(jī)具有理想低通特性，帶寬為設(shè)接收機(jī)具有理想低通特性，帶寬為B B，即，即 v 所以所以v 其積分為其積分為 , , v 輸出電壓的均方值為輸出電壓的均方值為 (5.8) (5.8) 1 2( )0 2BZB 2j21sin(2)( )( )ed2BtBBtZ tZt 22( )d( )d2ZttZfB ( )d1Z tt 222000( )( )()d( ) ()dv tqRp t Z tRpZ 5.3.1 5.3.1 量子噪聲和倍增噪聲量子噪聲和倍增噪聲v 式中，式

35、中， 為電子的電量為電子的電量(1.610-19 C)，則接收機(jī)輸出的噪，則接收機(jī)輸出的噪聲功率為聲功率為 (5.9)(5.9)v 為分析簡單起見，設(shè)入射光功率為分析簡單起見，設(shè)入射光功率 為常數(shù)，則為常數(shù)，則上式可化簡為上式可化簡為 (5.10)(5.10)v 設(shè)設(shè) 為平均信號(hào)光功率，則噪聲功率可寫成為平均信號(hào)光功率，則噪聲功率可寫成 (5.11) (5.11)q 2222000( )( )( )( )()dn tv tv tqRp t Zt0( )p tP 220000( )()d2ntqR PZtqR P BP00IR P2P( )2n tqI B5.3.1 5.3.1 量子噪聲和倍增噪

36、聲量子噪聲和倍增噪聲 噪聲功率的譜密度為噪聲功率的譜密度為 (5.12) (5.12) v 可見，量子噪聲的大小與帶寬和光電流密切相關(guān)?？梢姡孔釉肼暤拇笮∨c帶寬和光電流密切相關(guān)。v 2 2倍增噪聲倍增噪聲v 對(duì)于對(duì)于APDAPD，如果每一個(gè)光生載流子都具有相同倍增增益，如果每一個(gè)光生載流子都具有相同倍增增益G G，則接收機(jī)的量子噪聲譜密度變?yōu)閯t接收機(jī)的量子噪聲譜密度變?yōu)?(5.13)(5.13)v 由式由式(5.13)(5.13)可以看出，與可以看出，與PINPIN相比，相比，APDAPD的量子噪聲譜密的量子噪聲譜密度增加了倍增增益的平方倍。度增加了倍增增益的平方倍。2pd2dntqIf 2

37、p2SqI G5.3.2 5.3.2 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲v 圖圖5.105.10示出了光接收機(jī)的等效電路，包括了光檢測(cè)器、示出了光接收機(jī)的等效電路，包括了光檢測(cè)器、前置放大電路和主放大電路。前置放大電路和主放大電路。v 圖圖5.105.10中，中， 為光電流等效電源；為光電流等效電源； 為光檢測(cè)器量子噪聲為光檢測(cè)器量子噪聲等效電流源；等效電流源； 為暗電流噪聲等效電流源；為暗電流噪聲等效電流源； 為光檢測(cè)器為光檢測(cè)器負(fù)載電阻；負(fù)載電阻； 為前置放大器偏置電阻；為前置放大器偏置電阻； 為前置放大電為前置放大電路輸入電阻；路輸入電阻； 為光檢測(cè)器結(jié)電容；為光檢測(cè)器結(jié)電容； 為前置放大

38、器輸入為前置放大器輸入電容；電容； 和和 分別為前置放大器和主放大器，其幅頻特分別為前置放大器和主放大器，其幅頻特性分別為性分別為 和和 ； 和和 分別是前置放大分別是前置放大器的等效噪聲電流源和等效噪聲電壓源。器的等效噪聲電流源和等效噪聲電壓源。PIsiDiLRBRARjCAC1A2A1(j)A2(j )AAiAu2(j )A5.3.2 5.3.2 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲v 圖圖5.10 5.10 光接收機(jī)等效電路光接收機(jī)等效電路v 為了分析方便，將圖為了分析方便，將圖5.105.10進(jìn)行等效變形，將圖進(jìn)行等效變形，將圖5.105.10中中的的 , , , , , , , , 等效

39、為一個(gè)導(dǎo)納為等效為一個(gè)導(dǎo)納為 的無源的無源RC網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)：v 式中，式中， ； 。LRBRARAC(j )Yeqeq1( j)j2YfCReqLBA/RRRReqjACCCjC5.3.2 5.3.2 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲v 將前置放大器的等效噪聲電壓將前置放大器的等效噪聲電壓 等效到等效到RC 無源網(wǎng)絡(luò)之無源網(wǎng)絡(luò)之前變?yōu)橐浑娏髟辞白優(yōu)橐浑娏髟?，等效后的電路如圖，等效后的電路如圖5.115.11所示。所示。v 圖圖5.11 5.11 等效后的接收機(jī)電路等效后的接收機(jī)電路v 則一般形式的前置放大器電路在通帶則一般形式的前置放大器電路在通帶B B 內(nèi)的總噪聲為內(nèi)的總噪聲為 (5.14

40、(5.14）AuAi 222AAc0dddddBiiifff 22 2AA 0ddd( )ddBiuBfY fff 2322eqAA2eq(2)dddd3CBiuBBffR 5.4 5.4 量子極限靈敏度量子極限靈敏度v 從前面的分析知道，當(dāng)接收機(jī)中的其他噪聲都可以設(shè)法從前面的分析知道，當(dāng)接收機(jī)中的其他噪聲都可以設(shè)法減小到可以忽略不計(jì)時(shí)，量子噪聲就成了光接收機(jī)靈敏減小到可以忽略不計(jì)時(shí)，量子噪聲就成了光接收機(jī)靈敏度的最終限制，下面繼續(xù)討論這一問題。度的最終限制，下面繼續(xù)討論這一問題。v 以數(shù)字接收機(jī)為例，假設(shè)放大器不存在電路噪聲，光檢以數(shù)字接收機(jī)為例，假設(shè)放大器不存在電路噪聲，光檢測(cè)器沒有暗電流

41、，而且光檢測(cè)器的量子效率測(cè)器沒有暗電流，而且光檢測(cè)器的量子效率 。這。這時(shí)，量子噪聲成為它的唯一噪聲源，光接收機(jī)的靈敏度時(shí)，量子噪聲成為它的唯一噪聲源，光接收機(jī)的靈敏度只受到量子噪聲的限制而達(dá)到理想值，稱為只受到量子噪聲的限制而達(dá)到理想值，稱為量子極限靈量子極限靈敏度。敏度。5.4 5.4 量子極限靈敏度量子極限靈敏度 設(shè)在一個(gè)脈沖周期設(shè)在一個(gè)脈沖周期 內(nèi)，光電檢測(cè)器所產(chǎn)生的電子內(nèi)，光電檢測(cè)器所產(chǎn)生的電子- -空穴空穴對(duì)的平均數(shù)目對(duì)的平均數(shù)目 為為 (5.15) (5.15)v 式中，式中， 為為 時(shí)刻入射到光檢測(cè)器上的光功率；時(shí)刻入射到光檢測(cè)器上的光功率； 為光為光檢測(cè)器的量子效率；檢測(cè)器的

42、量子效率； 為一個(gè)光子的能量；為一個(gè)光子的能量； 為光檢測(cè)器為光檢測(cè)器在一個(gè)周期在一個(gè)周期 內(nèi)接收到的光能量。內(nèi)接收到的光能量。v 光檢測(cè)器中產(chǎn)生電子光檢測(cè)器中產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)數(shù)目空穴對(duì)數(shù)目 在平均值在平均值 附近波附近波動(dòng)，這種波動(dòng)實(shí)際上反映的是微觀世界的量子起伏，動(dòng)，這種波動(dòng)實(shí)際上反映的是微觀世界的量子起伏， 0( )dTNp ttEhh( )p tthETnNTN5.4 5.4 量子極限靈敏度量子極限靈敏度v 其概率服從泊松其概率服從泊松(Poisson)(Poisson)分布：分布： (5.16)(5.16)v 對(duì)于理想光接收機(jī)，對(duì)于理想光接收機(jī)，“ 0 ” 碼不會(huì)被誤判為碼不會(huì)被

43、誤判為“ 1” 碼。碼。v 假設(shè)即使只有一個(gè)光子入射，只產(chǎn)生一對(duì)電子假設(shè)即使只有一個(gè)光子入射，只產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)，空穴對(duì)，接收機(jī)也能判決出接收機(jī)也能判決出“ 1 ”碼。碼。v 那么，產(chǎn)生誤碼的唯一可能就是事實(shí)上有光脈沖輸入，那么，產(chǎn)生誤碼的唯一可能就是事實(shí)上有光脈沖輸入，而一對(duì)電子而一對(duì)電子-空穴對(duì)也沒有產(chǎn)生，則將空穴對(duì)也沒有產(chǎn)生，則將 “ 1 ” 碼誤判為碼誤判為 “ 0 ”碼的概率為碼的概率為 (5.17)(5.17)( )e 0, 1, 2, 3, !nNNP nnn(0)eNPv 式式(5.17)(5.17)即為系統(tǒng)誤碼率表達(dá)式。即為系統(tǒng)誤碼率表達(dá)式。v 當(dāng)系統(tǒng)要求誤碼率不大于當(dāng)系

44、統(tǒng)要求誤碼率不大于 時(shí)，由式時(shí)，由式(5.17)(5.17)可以求出，可以求出，N 21，也就是說一個(gè)光脈沖至少要產(chǎn)生，也就是說一個(gè)光脈沖至少要產(chǎn)生 21 個(gè)電子個(gè)電子- -空穴空穴對(duì)才能保證判決時(shí)的誤碼率不大于對(duì)才能保證判決時(shí)的誤碼率不大于 。v 由此可以確定檢測(cè)器需要接收到的最小能量由此可以確定檢測(cè)器需要接收到的最小能量 為為 (5.18)(5.18) 當(dāng)當(dāng) 為為 1 時(shí)，時(shí)， ，即，即 21 個(gè)光子能量。個(gè)光子能量。910minEmin/ENh 9105.4 5.4 量子極限靈敏度量子極限靈敏度5.4 5.4 量子極限靈敏度量子極限靈敏度v 假定傳輸?shù)男盘?hào)中假定傳輸?shù)男盘?hào)中“0”0”碼和

45、碼和“1”1”碼等概率出現(xiàn)，則光碼等概率出現(xiàn)，則光接收機(jī)所需的最小平均光功率為接收機(jī)所需的最小平均光功率為 (5.19)(5.19)v 式中，式中， 為脈沖周期；為脈沖周期； 為碼速；為碼速； 就是滿足一定就是滿足一定誤碼率條件下，僅受量子噪聲限制的最小接收光功率，誤碼率條件下，僅受量子噪聲限制的最小接收光功率，是接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，稱為是接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，稱為量子極限量子極限。v 顯然，量子極限與碼速有關(guān)，碼速越高，靈敏度越低。顯然，量子極限與碼速有關(guān)，碼速越高，靈敏度越低。v 表表5.3 5.3 給出了不同波長和碼速下光接收機(jī)的量子極限靈給出了不同波長和碼速下光接收機(jī)的量

46、子極限靈敏度。敏度。b1/fTminPTbminmin22f hENPT5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì) v 放大器的性能主要由它的輸入電阻和偏置電阻的數(shù)值決定。放大器的性能主要由它的輸入電阻和偏置電阻的數(shù)值決定。v 根據(jù)輸入電阻和偏置電阻的不同，根據(jù)輸入電阻和偏置電阻的不同，通常將前置放大器分為通常將前置放大器分為三種，即低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和互阻抗三種，即低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和互阻抗前置放大器三種前置放大器三種，如圖，如圖5.125.12所示。所示。 圖圖5.12 5.12 常用接收機(jī)前置電路常用接收機(jī)前置電路5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì)v

47、1 1、低阻抗前置放大器低阻抗前置放大器根據(jù)帶寬的要求選取光電檢測(cè)器的根據(jù)帶寬的要求選取光電檢測(cè)器的偏置電阻，使其滿足偏置電阻，使其滿足v (5.20)(5.20)v 其特點(diǎn)是電路簡單，但電路的熱噪聲大大增加，靈敏度其特點(diǎn)是電路簡單，但電路的熱噪聲大大增加，靈敏度降低。降低。v 2 2、高阻抗前置放大器高阻抗前置放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗很高，熱噪聲很的特點(diǎn)是輸入阻抗很高，熱噪聲很小。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故一般只適用于低速率系統(tǒng)使用。小。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故一般只適用于低速率系統(tǒng)使用。beq12RBC5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì)v 3 3、互阻抗前置放大器互阻抗前置放大器是在高阻抗前置放大電路的

48、基礎(chǔ)上是在高阻抗前置放大電路的基礎(chǔ)上引入負(fù)反饋電阻構(gòu)成的，實(shí)際上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大引入負(fù)反饋電阻構(gòu)成的，實(shí)際上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器，其等效輸入電阻為器，其等效輸入電阻為v 輸入電阻可近似為輸入電阻可近似為v 可以看出，與高阻抗前置放大器相比，互阻抗前置放大可以看出，與高阻抗前置放大器相比，互阻抗前置放大器的等效輸入電阻至少減小器的等效輸入電阻至少減小 倍，而其帶寬至少擴(kuò)寬倍，而其帶寬至少擴(kuò)寬 倍，接收機(jī)前端的高頻特性大為改善。倍，接收機(jī)前端的高頻特性大為改善。fiba/1RRRRAif/RRAAA5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì)v 圖圖5.135.13示出了接收靈敏度與不同組態(tài)下輸

49、入等效電阻的示出了接收靈敏度與不同組態(tài)下輸入等效電阻的關(guān)系。關(guān)系。 圖圖5.13 5.13 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系v 由圖由圖5.135.13可見，互阻抗前置放大器的動(dòng)態(tài)范圍較大?？梢姡プ杩骨爸梅糯笃鞯膭?dòng)態(tài)范圍較大。5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì)v 此外，由于它的總電阻小，因而電路的時(shí)間常數(shù)小，可此外，由于它的總電阻小，因而電路的時(shí)間常數(shù)小，可以改善帶寬，減小波形失真。以改善帶寬，減小波形失真。v 另外，由于是電壓負(fù)反饋，故它的輸出電阻較小，放大另外，由于是電壓負(fù)反饋，故它的輸出電阻較小，放大器不易感應(yīng)噪聲、發(fā)生串話和電磁干擾，

50、從而提高了其器不易感應(yīng)噪聲、發(fā)生串話和電磁干擾，從而提高了其穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。v 上述的優(yōu)點(diǎn)使互阻抗前置放大器獲得了廣泛的應(yīng)用。上述的優(yōu)點(diǎn)使互阻抗前置放大器獲得了廣泛的應(yīng)用。v 下面主要就應(yīng)用最多的高阻抗前置放大電器和互阻抗前下面主要就應(yīng)用最多的高阻抗前置放大電器和互阻抗前置放大電路進(jìn)行分析。置放大電路進(jìn)行分析。5.5 5.5 光接收機(jī)設(shè)計(jì)光接收機(jī)設(shè)計(jì)1 5.5.1 5.5.1 高阻抗前置高阻抗前置放大電路放大電路2 5.5.2 5.5.2 互阻抗前置互阻抗前置放大電路放大電路3 5.5.3 5.5.3 高阻抗前置放高阻抗前置放大電路的均衡大電路的均衡5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高

51、阻抗前置放大電路v 1 1雙極型晶體管雙極型晶體管(BJT)(BJT)高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 由雙極型晶體管構(gòu)成的前置放大電路如圖由雙極型晶體管構(gòu)成的前置放大電路如圖5.145.14所示。所示。圖圖5.14 5.14 雙極型晶體管前置放大電路雙極型晶體管前置放大電路5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 根據(jù)前面的分析，根據(jù)前面的分析，BJTBJT前置放大電路的噪聲可以等效為并聯(lián)前置放大電路的噪聲可以等效為并聯(lián)噪聲電流噪聲電流 和串聯(lián)噪聲電壓和串聯(lián)噪聲電壓 ，其中，其中 包括光檢測(cè)器負(fù)載包括光檢測(cè)器負(fù)載電阻電阻 、晶體管等效偏置電阻、晶體管等效偏置電阻

52、和晶體管輸入電阻和晶體管輸入電阻 的的熱噪聲以及晶體管基極電流熱噪聲以及晶體管基極電流 的散彈噪聲。其中的散彈噪聲。其中 ， , , 為管子的基極電流，則前置放大電路的為管子的基極電流，則前置放大電路的等效并聯(lián)噪聲源功率譜密度為等效并聯(lián)噪聲源功率譜密度為B12/RRRiB(/)RkT qIBI2ABbiBd11142dikTqIfRRRAiAuAibRBRiRBI5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 通常情況下，通常情況下，BJTBJT的輸入電阻的輸入電阻 ，所以上式可簡化為，所以上式可簡化為v v (5.21)(5.21)v BJTBJT前置放大電路的等效串聯(lián)電壓源

53、噪聲功率譜密度為前置放大電路的等效串聯(lián)電壓源噪聲功率譜密度為 v (5.22)(5.22) 式中，式中， 為晶體管的集電極電流。由式為晶體管的集電極電流。由式(5.21)(5.21)、式、式(5.22)(5.22)和式和式(5.14)(5.14)可以得可以得到到BJTBJT前置放大電路的總噪聲為前置放大電路的總噪聲為v (5.23)(5.23)v 式中，式中， 為前置放大電路的等效輸入電容。作為高阻抗應(yīng)用時(shí)，為前置放大電路的等效輸入電容。作為高阻抗應(yīng)用時(shí)， 一般很大，一般很大，即即 ，故上式可以變?yōu)椋噬鲜娇梢宰優(yōu)?(5.24) (5.24) 2ABbid1142dikTqIfRRBBb142

54、qIkTqIRkTiBRR222CBd2()2()dAukTkTfqIqICI22223BCBeqbCb42()11623qIkTBkTiqBIBCBRqIRkTeqCbRbiRR22eq2CCB2B8()263k C TBqBIiqBIq I5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路 上式是上式是 的函數(shù)，顯然存在一個(gè)最佳的的函數(shù)，顯然存在一個(gè)最佳的 使噪聲最小。令使噪聲最小。令 ，可，可以得到噪聲最小時(shí)的以得到噪聲最小時(shí)的 ： (5.25)(5.25)v 將式將式(5.25)(5.25)代入式代入式(5.24)(5.24)，得到高阻抗，得到高阻抗BJTBJT前置放大電路的

55、最小噪聲功率為前置放大電路的最小噪聲功率為 (5.26)(5.26)v 由式由式(5.26)(5.26)可以看出，由可以看出，由BJTBJT晶體管構(gòu)成的高阻抗前置放大電路的噪聲功率晶體管構(gòu)成的高阻抗前置放大電路的噪聲功率與帶寬的平方成正比，高阻抗與帶寬的平方成正比，高阻抗BJTBJT前端的帶寬為前端的帶寬為v 要想擴(kuò)大帶寬，由式要想擴(kuò)大帶寬，由式(5.26)(5.26)可以看出，噪聲將大大增加，即接收機(jī)設(shè)計(jì)中帶可以看出，噪聲將大大增加，即接收機(jī)設(shè)計(jì)中帶寬和噪聲是一對(duì)矛盾，應(yīng)綜合考慮。寬和噪聲是一對(duì)矛盾，應(yīng)綜合考慮。eqCopt23331CkTBIqCICI2CCd/d0iI CI2eq2Cop

56、t4 331k C TBi bBieq12 (/)BRRR C5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 2 2場效應(yīng)管場效應(yīng)管(FET)(FET)高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 由于場效應(yīng)管具有非常大的輸入電阻（通常大由于場效應(yīng)管具有非常大的輸入電阻（通常大10106 6），），因此經(jīng)常被用做前置放大級(jí)。由場效應(yīng)管構(gòu)成的光檢測(cè)因此經(jīng)常被用做前置放大級(jí)。由場效應(yīng)管構(gòu)成的光檢測(cè)器前置放大電路如圖器前置放大電路如圖5.155.15所示。所示。 圖圖5.15 5.15 場效應(yīng)管前置放大電路場效應(yīng)管前置放大電路5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v

57、等效輸入并聯(lián)噪聲電流源等效輸入并聯(lián)噪聲電流源 的功率為的功率為 (5.27)(5.27) 由于通常由于通常 Rb, Rb, ，而且柵漏電流，而且柵漏電流 又非常小，故它們的影響可以又非常小，故它們的影響可以忽略不計(jì)，所以等效并聯(lián)噪聲電流源的功率譜密度為忽略不計(jì)，所以等效并聯(lián)噪聲電流源的功率譜密度為 (5.28)(5.28)v FETFET的基本噪聲源是源漏極之間的溝道電導(dǎo)熱噪聲，它在輸入端引起的等效的基本噪聲源是源漏極之間的溝道電導(dǎo)熱噪聲，它在輸入端引起的等效串聯(lián)噪聲電壓源的功率譜密度為串聯(lián)噪聲電壓源的功率譜密度為 (5.29)(5.29)v 式中，式中， 為與為與FETFET材料有關(guān)的數(shù)值因

58、子。對(duì)于材料有關(guān)的數(shù)值因子。對(duì)于Si-FETSi-FET， ；對(duì)于；對(duì)于GaAs-GaAs-FETFET， ， 為為FETFET的跨導(dǎo)。的跨導(dǎo)。2Agbgi11142ikTBqI BRRRAiiRgbRRgI2bd4dAikTfR2Amd4dukT5.5.1 5.5.1 高阻抗前置放大電路高阻抗前置放大電路v 由式由式(5.14)(5.14)、式、式(5.28)(5.28)和式和式(5.29)(5.29)，可得，可得FETFET高阻抗前置放大電路的總噪聲高阻抗前置放大電路的總噪聲功率為功率為 (5.30)(5.30) 式中，式中， 為為FETFET等效輸入電容，等效輸入電容， ， 為雜散電容。

59、當(dāng)負(fù)載電阻為雜散電容。當(dāng)負(fù)載電阻 很大時(shí)，上式可簡化為很大時(shí)，上式可簡化為 (5.31)(5.31)v 可以看出，可以看出，F(xiàn)ETFET高阻抗前置放大電路的噪聲是與高阻抗前置放大電路的噪聲是與 和和 成正比的，接收成正比的，接收機(jī)前置放大電路的帶寬為機(jī)前置放大電路的帶寬為 ，為了增加帶寬，要減小，為了增加帶寬，要減小 ，但，但 的減小會(huì)增加噪聲，因此在選擇的減小會(huì)增加噪聲，因此在選擇 時(shí)需要兼顧噪聲和帶寬兩方面的因素。時(shí)需要兼顧噪聲和帶寬兩方面的因素。v 另外，從式另外，從式(5.31)(5.31)可以看出，噪聲與帶寬的三次方成正比，因此與可以看出，噪聲與帶寬的三次方成正比，因此與BJTBJT

60、接收接收機(jī)相比，機(jī)相比，F(xiàn)ETFET不宜用于高速通信系統(tǒng)中（不宜用于高速通信系統(tǒng)中（50 Mb/s50 Mb/s以上）。以上）。223Ceq2bmb44123kTBkTBiCBRgReqCeqgdgssCCCCsCbR23eq2Cm16()3kTCBig3Beqm/Cgbeq1/(2)BRCbRbRbR5.5.2 5.5.2 互阻抗前置放大電路互阻抗前置放大電路v 雖然高阻抗前置放大電路能夠得到小的電路噪聲，但是雖然高阻抗前置放大電路能夠得到小的電路噪聲，但是它存在兩個(gè)局限：它存在兩個(gè)局限：v (1)(1)帶寬受限，在寬帶應(yīng)用時(shí)需增加均衡；帶寬受限，在寬帶應(yīng)用時(shí)需增加均衡；v (2)(2)動(dòng)態(tài)