前置放大器的分析与设计-Read.PDFVIP

硕士论文 第二章 前置放大器的分析与设计 第二章 前置放大器的分析与设计 2.1引言 作为光接收机的关键部分，前置放大器的性能在很大程度上决定了整个光接收机的性 能。前置放大器的作用是将光检测器输出的微弱电流脉冲信号转换成一定的电压脉冲信号。 由于信号到达接收端时通常非常微弱，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身会引入 较人噪声，后一级放大器对前一级放大器输出的信号和引入的噪声同时进行放人，因此，信 噪比不会得到改善。为了克服上述问题，需要一个低噪声、高增益的前置放大器，以获得较 高的信噪比。 设计光接收机前置放大器时需要注意以 卜几点 (1)尽量减小等效输入噪声电流，提高灵敏度; (2)带宽与信号速率相适应: (3)产生足够大的增益，以克服后续电路噪声的影响。 这三个要求是相互矛盾和相互影响的，例如带宽的增加将导致噪声的增加和增益的下 降。此外，当温度变化时，前置放大器的增益、带宽和灵敏度应该保持相对稳定。输入阻抗 要足够的小，以减小光检测器寄生电容对带宽的影响。 由于前置放大器和光检测器是密切关联的，因此在介绍前置放大器的分析与设计之前， 有必要先了解光检测器的基本特性。 ，， 汽华太奈训“另足 ‘.‘7LT1刀.石467 光检测器的作用是把接收到的光信号转换成电流信号。光纤通信中最常用的光电检测器 是光电二极管 ((PD)和雪崩光电二极管 (APD). 卜面主要介绍PD的工作原理及主要特性 参数间。 2.2.1PD的工作原理 PD是一个工作在反向偏压 卜的PN二极管，它的工作原理可以用光电效应来解释。 当PN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里的方向相同，外电场使势 垒加强，PN结的能带如图2.1所示。由于光电二极管加有反向电压，因此在空间电荷区里 载流子基本上耗尽了，这个区域称为耗尽区。 当光束入射到PN结上且光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带上的电子可以吸 硕士论文 超高速并行光接收机电路设计 收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子一空穴对。如果光生的电子一空穴对在耗尽区里产生， 那么在电场的作用F，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流。当 入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。然而当入射 光子能量小于半导体的禁区宽度时，不论入射光多强，光电效应也不会发生。 价带 一专耗尽区争: 图2.1光电二极管能带图 2.2.2PD的特性参数 (1)PD的波氏响应 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的PD,都有}截1上波氏，定义为: 只。=he/Eh=1.24/E (2.1) 式中Eg为半导体材料的禁带宽度，h是普朗克常量，。是真空中光速。 (2)PD的光电转换效率 工程上常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。PD的量子效率表示入射光子能够 转换成光电流的概率。当入射功率中含大量光子时，量子效率可用转换成光电流的光子数与 入射的总光子数的比来表示。响应度即为光生电流与入射功率之比。为得到高量子效率，光 电二极管往往采用PIN结构，PIN光电二极管是全耗尽型的，不仅量子效率高，而且响应速 度快。 (3)PD的}1音电流 PD的另一个里要参数是它的暗电流。暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流。Si 材料制作的PIN光电二极管的暗电流可小于1nA，但Ge的光电二极管的暗电流经常达到几 百纳安。 硕士论文 第二章 前置放大器的分析与设计 2.3前置放大器的噪声特性 接收机不是对任何微弱的信号都能正确接收的。这是因为信号在传输、检测及放大的过 程中总会收到一些无用的干扰，并不可避免的引进一些噪声。噪声主要来自于两个方面，一 方面是来自外部的噪声，另一方面是光接收机的内部噪声。外部噪声可以可以通过屏蔽等方 法减弱或防止。但接收机内部噪声是伴随光信号的接收、检测与放大过程产生的，只能通过 电路的设计和工艺尽量减小它，却不能完全