Optischer Empfänger

ONT - Übung 5
Optische Empfänger
Technische Universität Berlin
Fachgebiet Hochfrequenztechnik
Rechenübung zur Vorlesung
Einführung in die optische Nachrichtentechnik
Aufgaben zum Vorlesungskapitel
Optischer Empfänger
OE 1:
Diskussion verschiedener Empfängerkonzepte
Es sollen folgende Empfänger-Eingangsstufen für eine Anwendung in der analogen Übertragungstechnik bei einer elektrischen Trägerfrequenz von f = 100 MHz mit einer Übertragungsbandbreite von ∆f = 5 MHz (1 Fernsehkanal) analysiert und miteinander verglichen werden:
– hochohmiger Empfänger
– niederohmiger Empfänger
– Empfänger mit Transimpedanzverstärker
Dabei beziehen sich Analyse und Vergleich auf folgende Kenngrößen:
– 3 dB-Bandbreite
– Empfängerempfindlichkeit
– Dynamik
1. Berechnen Sie die 3 dB-Bandbreite der jeweiligen Empfängerschaltung.
di2
2. Berechnen Sie für die 3 Schaltungsarten die spektrale Rauschleistungsdichte dfä
3. Berechnen Sie die minimale optische Empfangsleistung für ein SNR = 50 dB.
4. Berechnen Sie die maximal zulässige optische Leistung für die 3 Schaltungsarten, so
daß der FET nicht übersteuert wird.
5. Bestimmen Sie aus den Ergebnissen 1.3 und 1.4 den Dynamikbereich der Schaltungen
bezüglich der empfangenen optischen Leistung.
Folgende Daten sind gegeben:
Konstanten:
Elementarladung:
Boltzmann-Konstante:
Temperatur:
e = 1.602 · 10−19 As
kB = 1.38 · 10−23 Ws/K
T = 300 K
Schaltungsdaten:
Kapazität:
Eingangswiderstand:
Rückkoppelwiderstand:
(nur Transimpedanzverstärker)
CG + CD = 1 pF
R = 10 MΩ / 1kΩ
RF = 10 kΩ
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ONT - Übung 5
Optische Empfänger
FET:
Steilheit:
Gatestrom:
Spannungsverstärkung:
Schwellenspannung:
Gate-Source-Sättigungsspannung:
Drain-Source-Sättigungsstrom:
S = 35 mS
IG = 1 nA
v=9
Us = −1 V
UGSmax = 0.7 V
IDSS = 30 mA
PIN-Photodiode:
Systemdaten:
Empfindlichkeit:
Modulationsindex:
Ep = 0.5 A/W
m = 0.5
Lösung:
1. 3 dB-Bandbreite
– hochohmiger Empfänger: fg = 15.9 kHz
– niederohmiger Empfänger: fg = 159 MHz
– Empfänger mit Transimpedanzverstärker: fg = 159 MHz
2. Spektrale Rauschleistungsdichte
2
di2ä
−12 )2 A
df = (0.43 · 10
Hz
di2
A2
niederohmiger Empfänger: dfä = (4.09 · 10−12 )2 Hz
di2
Empfänger mit Transimpedanzverstärker: dfä = (1.36
– hochohmiger Empfänger:
–
2
A
· 10−12 )2 Hz
–
3. Minimale Empfangsleistungen
– hochohmiger Empfänger: Pmin = 3.43 µW= −24.7 dBm
– niederohmiger Empfänger: Pmin = 17.609 µW= −17.5 dBm
– Empfänger mit Transimpedanzverstärker: Pmin = 6.868 µW= −21.6 dBm
4. Maximale Empfangsleistungen
– hochohmiger Empfänger: Pmax = 140 nW= −38.5 dBm
– niederohmiger Empfänger: Pmax = 1.4 mW= +1.5 dBm
– Empfänger mit Transimpedanzverstärker: Pmax = 1.4 mW= +1.5 dBm
5. Dynamik
– hochohmiger Empfänger: Pmax − Pmin = −13.8 dB (unbrauchbar)
– niederohmiger Empfänger: Pmax − Pmin = +19 dB
– Empfänger mit Transimpedanzverstärker: Pmax − Pmin = +23.1 dB
Bandbreite
hochohmiger
Verstärker
niederohmiger
Verstärker
TransimpedanzVerstärker
Empfindlichkeit
Dynamik
klein
groß
klein
groß
klein
groß
groß
mittel
groß
2
ONT - Übung 5
Optische Empfänger
Hausaufgabe
HA OE 1: Es soll ein Empfänger Dimensioniert werden, der bei einer Wellenlänge von λ =
0.8µm arbeitet. Zur Detektion des optischen Signals soll eine Avalanche Photodiode (APD)
verwendet werden. Die Empfängerschaltung ist in Abb. (1) gegeben und wir besitzen folgende
Daten:
Konstanten:
Elementarladung:
e = 1.602 · 10−19 As
Temperatur:
T = 25◦ C
Schaltungsdaten:
Kapazität:
Kapazität:
Eingangswiderstand:
Rückkoppelwiderstand:
FET:
Steilheit:
Gatestrom:
Spannungsverstärkung:
Γ = 32
APD:
Raumladungsdunkelstrom:
Oberflächenleckstrom:
Photostrom:
CG + CD = 1 pF
C1 , C2 → ∞
R1 = 100 MΩ
Rf = 20 kΩ
S = 35 mS
IG = 1.5 nA
UA
UE = v = 12
IDV = 1 nA
ID0 = 10 nA
Iph = 1, 5µA
1. Wie groß muss der Multiplikationsfaktor M an der APD gewählt werden, damit der RIN
(dB/Hz) minimal wird?
2. Wie groß ist das SNR wenn wir annehmen, das wir 1 Fernsehkanal empfangen? Gehen
Sie dabei davon aus, das das Fernsehsignal analog ist und eine Bandbreite von ∆f = 10
MHz hat, bei einer Trägerfrequenz von f = 120 MHz. Der Modulationsindex beträgt mi =
50%
Abbildung 1: Transimpedanz Empfänger
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