Mạch Bộ Thu docx

Trong bài hôm nay, chúng tôi sẽ trình bày cấu trúc tổng quát của bộ thu quang số, các mạch tiền khuếch đại, khảo sát nhiễu trong bộ thu quang và đánh giá chất lượng của hệ thống quang...

Học viện Hàng không Việt Nam

Nhóm 2 – Lớp ĐV2K4

BỘ THU QUANG

Optoelectronic Receiver

Học viện Hàng không Việt Nam Nhóm 2 – Lớp ĐV2K4

BỘ THU QUANG

Nhóm sinh viên thực hiện: Đánh giá

LỜI NÓI ĐẦU

Bộ thu có chức năng nhận tín hiệu quang, chuyển tín hiệu quang thành điện, xử lí và khôi phục dạng tín hiệu Trong bài hôm nay, chúng tôi sẽ trình bày cấu trúc tổng quát của bộ thu quang số, các mạch tiền khuếch đại, khảo sát nhiễu trong bộ thu quang và đánh giá chất lượng của hệ thống quang.

Nội dung chính

Để tìm hiểu về bộ thu quang chúng ta cần tìm hiểu về những nội dung sau:

I Khái niệm cơ bản

II Linh kiện Photodiode

III Đặc tính kỹ thuật của photodiode.

IV Các bộ tiền khuếch đại

V Nhiễu trong bộ thu quang

1 Nguyên lí chung:

Các linh kiện thu quang có nhiệm vụ đón nhận bức xạ quang (năng lượng photon) và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Chúng được chia thành hai nhóm:

• Nhóm 1: năng lượng photon → nhiệt → điện

• Nhóm 2: năng lượng photon → điện (linh kiện tách sóng quang)

Linh kiện tách sóng quang lại chia theo 2 cơ chế:

• Hiệu ứng quang ngoại: các điện tử được phóng thích ra khỏi bề mặt kim loại bằng cách hấp thụ năng lượng từ luồng photon tới.

• Hiệu ứng quang nội : tạo ra các hạt mang điện tự do từ các mối nối bán dẫn bằng việc hấp thụ các photon tới.

• Hoạt động theo nguyên tắc: mối nối P-N phân cực ngược

I Khái niệm cơ bản

Khi có năng lượng photon E = hf chiếu vào, năng lượng này bị hấp thụ và một electron sẽ vượt qua vùng cấm đi từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Electron này bây giờ là dạng tự do Và để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống cũng ở dạng tự

do Electron này sẽ di chuyển xuống vùng hiếm

và lỗ trống sẽ di chuyển lên vùng hiếm Sự di chuyển này gây nên dòng chảy ở mạch ngoài.

I Khái niệm cơ bản

(Mô hình vật lý của một photodiode)

I Khái niệm cơ bản

2 Những thông số cơ bản:

2.1 Hiệu suất lượng tử

Được định nghĩa bằng tỉ số lượng điện tử được tạo ra với số photon tới :

: số photon tới

: số lượng điện tử được tạo ra

: tốc độ electron tương ứng (electron/s)

: tốc độ photon tới (photon/s)

*Lưu ý: Hiệu suất lượng tử là một hàm bước sóng của photon và do đó khi nói ɳ phải kèm theo bước sóng.

I Khái niệm cơ bản

p

e p

e

r

r n

Ở một bước sóng xác định, dòng photon IP được xác định bởi :

P

I = 0 ( 1 − ) 1 − − α0

2.2 Đáp ứng

Biểu thức hiệu suất lượng tử không liên quan đến năng lượng photon Do đó đáp ứng R thường được sử dụng hơn khi biểu thị đặc trưng chỉ tiêu một photodetector R được định nghĩa:

• IP: dòng photon ngõ ra (Ampere)

• P0: công suất quang tới (W)

• h = 6.625.10-34 Js: hằng số Planck

I Khái niệm cơ bản

24 , 1

) /

(

0 0

A P

I

2.3 Độ nhạy

 Độ nhạy là mức công suất quang nhỏ nhất yêu cầu ở đầu thu để đạt được mức chất lượng cho trước.

 Độ nhạy kí hiệu là S, có đơn vị đo là dBm.

 Thường mức chất lượng có thể là S/N hoặc BER.

I Khái niệm cơ bản

2.4 Dải động

Là khoảng chênh lệch giữa mức công suất cao nhất và mức công suất thấp nhất mà linh kiện có thể thu nhận được trong một giới hạn tỉ số lỗi nhất định.

I Khái niệm cơ bản

(Hình minh hoạ dải động của một linh kiện thu quang)

2.5 Nhiễu

a) Nhiễu nhiệt: gây ra do điện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng đầu vào của bộ tiền khuếch

đại, phụ thuộc vào nhiệt độ, bề rộng băng nhiễu và điện trở tải theo công thức:

KT

I p >= 4

<

b) Nhiễu lượng tử : Dòng nhiễu lượng tử được xác định theo biểu thức:

c) Nhiễu dòng tối: Nhiễu do dòng tối được xác định :

• Id: dòng tối

• e: điện tích của electron

I Khái niệm cơ bản

B I

e B

P R

e

I q 2 >= 2 0 = 2 p

<

B I

e

I q 2 >= 2 d

<

3 Sơ đồ khối bộ thu quang:

Là tổ hợp của bộ tách sóng quang, bộ tiền khuếch đại điện và các phần tử xử lí tín hiệu điện Sơ đồ khối của bộ thu quang số được minh họa dưới đây:

I Khái niệm cơ bản

3.1 Nguồn thu quang (tách sóng quang)

Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện O /E

3.2 Bộ tiền khuếch đại :

Do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu trên đường di nên cần có bộ tiền khuếch đại dùng để khuếch đại tín hiệu điện trước khi xử lý (với yêu cầu của bộ khuếch đại là phải có nhiễu thấp)

⇒ Khuếch đại tín hiệu và đảm bảo nhiễu thấp

Bộ tiền khuếch đại bosch -10M2-EU1

Các khối mạch bộ thu quang

3.3 Bộ cân bằng (Equalizer)

Do bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp có băng thông không đủ đáp ứng tín hiệu số có tốc độ cao ,do đó cần đến bộ Equalizer dùng để cân bằng lại băng thông như yêu cầu, ngoài ra bộ equalizer còn được dùng

để làm giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng

⇒ Kết hợp với bộ tiền khuếch đại đảm bảo băng tần cho bộ thu

Hình :Bộ Equalizer trộn âm

Các khối mạch bộ thu quang

3.4 Bộ khuếch đại :

Dùng để xử lý tiếp tín hiệu , bộ này thường dùng bộ AGC (Automatic Gain Control) để điều chỉnh độ lợi phù hợp.

⇒ Khuếch đại và giữ ổn định tín hiệu đầu ra

Hình : bộ khuếch đại truyền hình cáp

Các khối mạch bộ thu quang

3.5 Bộ lọc : Hạn chế nhiễu, loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn

3.6 Mạch quyết định gồm:

• Mạch khôi phục xung đồng hồ : Trong các bộ thu quang tốc độ thấp, người ta thường sử dụng tách sóng

bất đồng bộ sử dụng bộ so sánh để quyết định xung đó có hiện diện hay không (xem là bít 0 hay 1), đối với tuyến thông tin quang tốc độ cao, để đạt được chất lượng tối ưu, xung đồng hồ dữ liệu được mã hóa vào trong tín hiệu phát và được khôi phục ở bộ này.

• Mạch quyết định bit: Quyết định xem mức điện áp là mức 1 hay mức 0 , dựa vào kết quả quyết định ngõ ra của mạch quyết định bit chính là nguồn dữ liệu đã được khôi phục => tái sinh tín hiệu số

Các khối mạch bộ thu quang

Mạch quyết định bit :

-Quyết định là bit 1 nếu I > ID

-Quyết định là bit 0 nếu I < ID

II Linh kiện Photodiode

Sơ lược chung:

Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N, dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode.

II Linh kiện Photodiode

1 Photodiode P-N:

(Sơ đồ photodiode P-N)

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động P-N:

• Xét hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xúc nhau

• Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb

• Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòng điện chạy qua chuyển tiếp i = 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngược chiều:

• Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lượng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để vượt qua hàng rào thế

• Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động dưới tác dụng của điện trường E trong vùng nghèo

II Linh kiện Photodiode

• Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thế thay đổi kéo theo sự thay đổi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo Dòng điện qua chuyển tiếp:

,

Gây ra chiều cao hàng rào thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt cơ bản trở nên rất nhỏ và có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng ngược của điôt, khi đó i = I0

II Linh kiện Photodiode

• Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trường.

sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua.

II Linh kiện Photodiode

2 Photodiode PIN:

Vì khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo Nên để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo người ta nghiên cứu chế tạo diode PIN, với lớp bán dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại điôt này chỉ cần điện áp ngược vài vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I.

II Linh kiện Photodiode

Cấu trúc PIN gồm 3 lớp:

P - type

I - Intrinsic

N - type

a) Cấu tạo bên trong và nguyên lí làm việc:

Giữa hai lớp bán dẫn có độ pha tạp cao p+ và n- là một vùng bán dẫn có độ pha tạp thấp, còn gọi là lớp tự dẫn (lớp i).

II Linh kiện Photodiode

- Khi phân cực ngược tiếp giáp p-n: không có dòng điện chạy qua.

- Khi chiếu một photon có năng lượng hν> Eg => kích thích một điện tử

nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo thành điện tử tự do.

- Năng lượng dải cấm Eg phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode, do

vậy mỗi loại vật liệu có bước sóng cắt khác nhau:

+PIN chế tạo bằng Si có λc = 1.06 µm

+PIN chế tạo bằng Ge có λc = 1.6 µm

II Linh kiện Photodiode

o Độ nhạy thu thấp Khoảng -30 dBm, do 1 photon tới chỉ sinh

ra 1 điện tử

o Băng thông nhỏ

<3 Ghz

b) Ưu – nhược điểm của PIN:

Do đó người ta nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên!

3.Photodiode APD:

a) Cấu trúc: gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+

còn gọi là miền thác, cường độ điện trường trong miền này rất

lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử.

II Linh kiện Photodiode

Việc thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π và n+ nhằm tạo ra một điện trường lớn trên tiếp giáp p-n+ với mục đích:

b) Nguyên lý làm việc của APD:

- Ánh sáng đi vào thiết bị xuyên qua vùng Pt và được hấp thụ trong vùng vật lý i.

- Khi có photon bị hấp thụ nó sẽ truyền năng lượng cho điện tử để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống và chúng bị tách dưới tác động của điện trường trong vùng i

- Các điện tử này qua vùng i đến miền p-n+ thì chúng nhận thêm năng lượng do điện trường mạnh tại đây Năng lượng thêm này

mạnh đến mức các điện tử khi va chạm vào các nguyên tử lại tạo ra các phần tử mang điện mới gọi là Ion hóa do va chạm, số lượng các phần tử mang điện tăng nhanh, dòng điện sinh ra được khuếch đại nhiều lần so với PIN, do đó độ nhạy cũng tăng lên

II Linh kiện Photodiode

Ưu điểm Nhược điểm

o Điện áp hoạt động cao

c) Ưu – nhược điểm của APD:

Vì vậy cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng số

II Linh kiện Photodiode

III Đặc tính kỹ thuật của Photodiode

1 Độ Nhạy:

Độ nhạy là mức công suất quang nhỏ nhất yêu cầu ở đầu thu để đạt được mức chất lượng cho trước Thường mức chất lượng có thể là S/N hoặc BER.

Độ nhạy thường ký hiệu là S, có đơn vị đo là dBm

Theo nguyên lý hoạt động của PIN và APD thì APD nhạy hơn PIN từ 5dB đến 15dB Tuy nhiên nếu dung PIN-FET thì độ nhạy của PIN-FET và APD là xấp xỉ nhau.

III Đặc tính kỹ thuật của Photodiode

2 Hiệu Suất Lượng Tử:

Đại lượng này thường có giá trị nhỏ hơn 1 Tuy nhiên, trong APD có cơ chế thác lũ, vì vậy hiệu suất lượng tử của APD được nhân lên M lần.

3 Đáp Ứng:

Vì có cơ chế thác lũ trong APD nên đáp ứng R của APD rất cao, và cao hơn của PIN gấp trăm lần.

III Đặc tính kỹ thuật của Photodiode

4 Dải Động:

Dải động của APD rộng hơn PIN Cụ thể: đoạn tuyến tính của APD có mức công suất quang thay đổi từ vài phần nW đến vài µW (tức dải động thay đổi với hệ số >1000), còn PIN có dải động với hệ số ~100

5 Dòng tối:

Dòng tối là nhiễu do linh kiện tách sóng quang tạo ra Do APD có cơ chế nhân thác lũ nên dòng tối của APD cũng được nhân lên

Vì vậy dòng nhiễu của APD lớn hơn nhiều so với PIN.

III Đặc tính kỹ thuật của Photodiode

Bảng tóm tắt một số tính chất của PIN và APD

Hiệu suất lượng tử ɳ Mɳ

Hiệu suất lượng tử ɳ Mɳ

Đáp ứng

Dải động >1000 ~100

III Đặc tính kỹ thuật của Photodiode

Dòng tối Id có giá trị từ vài phần nA đến vài trăm nA

Si có dòng tối nhỏ nhất, InGaAs lớn hơn và Ge có

IV Các bộ tiền khuếch đại

Ngõ vào của bộ thu bao gồm bộ tiền khuếch đại và photodiode Tín hiệu quang sẽ được ghép vào photodiode và photodiode sẽ biến đổi chuỗi bit quang thành tín hiệu điện Vai trò của bộ tiền khuếch đại là để khuếch đại tín hiệu điện trước khi xử lý Việc thiết kế tầng này yêu cầu sự trả giá giữa tốc độ hoạt động và độ nhạy Trong số các bộ tiền khuếch đại như trở kháng thấp, trở kháng cao, hồi tiếp, và tốc độ cao thì bộ tiền khuếch đại trở kháng cao thường được dùng nhất

IV Các bộ tiền khuếch đại

1 Bộ khuếch đại trở kháng thấp:

Điện trở điển hình là 50Ω, biến dòng điện photon ở ngõ ra photodiode Ip thành áp V0 theo ĐL Ohm: V0 = RIp = 50ΩIp Lưu ý rằng mạch thụ động đơn giản này làm trở kháng ngõ vào của bộ khuếch đại Nhược điểm là cấp giá trị của trở kháng ngõ vào cho bộ khuếch đại thấp, do đó điện áp ra sẽ nhỏ Một nhược điểm nữa là dòng nhiễu sẽ ảnh hưởng đáng kể trên điện trở R nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ

lệ nghịch với điện trở.

(Để khắc phục nhược điểm này chúng ta sử dụng bộ tiền khuếch đại trở kháng cao).

IV Các bộ tiền khuếch đại

2 Bộ Tiền Khuếch Đại Trở Kháng Cao:

Phương pháp thường được sử dụng để chuyển đổi dòng có cường độ yếu thành áp được minh họa ở hình dưới Kỹ thuật trở kháng cao sử dụng một điện trở để tăng áp tỉ lệ với dòng điện ngõ ra của photodiode Tuy nhiên, mạch này có nhiều nhược điểm Nếu điện trở của mạch trở kháng cao quá lớn thì dòng tối của photodiode có thể gây bão hòa, cản trở quá trình tách sóng của photodiode Sự bảo hòa xảy ra khi áp rơi trên điện trở bằng áp phân cực cho photodiode

Để trách sự bão hòa, PIN phải duy trì phân cực ít nhất vài Vôn.

Khuếch đại trở kháng cao

Mạch tương đương bộ tiền khuếch đại trở kháng cao

IV Các bộ tiền khuếch đại

3 Bộ Tiền Khuếch Đại Hồi Tiếp:

Sự cải tiến của khuếch đại trở kháng cao là khuếch đại hồi tiếp hình sau Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp có đặc điểm là độ nhạy cao

và băng thông lớn.

Điện trở R đóng vai trò chuyển đổi dòng thành áp, nó được nối từ ngõ ra đến ngõ vào của bộ khuếch đại Bộ khuếch đại thực hiện đệm và tạo áp ở ngõ ra tỉ lệ dòng photon Sự cải tiến quan trọng nhất của bộ khuếch đại phối hợp trở kháng là loại bỏ ảnh hưởng điện dung kí sinh của dây dẫn và của diode.

Khuếch đại hồi tiếp

Mạch tương đương bộ tiền khuếch đại hồi tiếp

1 Tổng quan về những nguồn nhiễu:

V Nhiễu trong bộ thu quang

2 Cơ bản vật lí về nhiễu:

• Chúng ta quan tâm đến nhiễu do dao động ngẫu nhiên hơn là nhiễu là đặc điểm của hệ thống đồng trục

• Có 3 loại nhiễu chính do dao động ngẫu nhiên trong tuyến truyền dẫn quang:

2.1 Nhiễu nhiệt:

• Do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của điện tích

• Dao động ngẫu nhiên do tương tác nhiệt giữa:

 Điện tử tự do và ion dao động trong môi trường dẫn

• Dòng nhiễu nhiệt it và trở kháng R được mô tả bằng giá trị trung bình bình phương của nó:

k: hằng số Boltzmann = 1,38.10-23 Ws/K

T: nhiệt độ tuyệt đối

B = ∆f: dải thông sau tách sóng của hệ thống

V Nhiễu trong bộ thu quang

Công suất nhiễu nhiệt Pt tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối T

Pt = k.T.∆f

V Nhiễu trong bộ thu quang

2.2 Nhiễu dòng tối

• Không có công suất quang vào bộ tách sóng, vẫn có một dòng rò

nhỏ chảy từ thiết bị đầu cuối

• Nhiễu dòng tối = nhiễu schottky trên dòng photon

• Nhiễu dòng tối có thể giảm bằng cách thiết kế và chế tạo bộ tách

sóng một cách cẩn thận

V Nhiễu trong bộ thu quang

2.3 Nhiễu lượng tử

• Ánh sáng có bản chất lượng tử

• Năng lượng của lượng tử ánh sáng hoặc photon

W = hvH.v > K.T

 Dao động lượng tử chiếm ưu thế so với dao động nhiệt

Tách sóng ánh sáng bằng photodiode làmột quá trình rời rạc vì việc tạo ra cặp điện tử - lỗ trống bắt nguồn từ việc hấp thụ một photon, và tín hiệu thoát ra từ bộ tách sóng được mô tả bởi sự thống kê của photon tới Vì vậy, sự thống kê cho bức xạ kết hợp đơn sắc tới bộ tách sóng tuân theo phân bố xác suất rời rạc độc lập với số lượng photon đã được tách sóng trước đó

V Nhiễu trong bộ thu quang