Ngõ vào của bộ thu bao gồm bộ tiền khuếch đại và photodiode. Tín hiệu quang được ghép vào photodiode và photodiode sẽ biến đổi chuỗi bit quang thành tín hiệu điện. Vai trị 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 bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp, bộ tiền khuếch đại trở kháng cao, bộ tiền khuếch đại hồi tiếp,và bộ tiền khuếch đại tốc độ cao thì bộ tiền khuếch đại trở kháng cao thường được sử dụng.
4.4.1 Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp
Đối với bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp, điện trở điển hình là 50Ω, cịn đối với bộ tiền khuếch đại trở kháng cao thì giá trị này phải lớn hơn 50Ω.
Xét bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp, điện trở 50Ω biến đổi dịng điện photon ở ngõ ra của photodiode IP thành áp V0 theo định luật Ohm: V0 = RIp = 50ΩIp. Lưu ý rằng mạch thụ động đơn giản này làm trở kháng ngõ vào của bộ khuếch đại. Nhược điểm dễ thấy của mạch tiền khuếch đại trở kháng thấp là cấp giá rị trở kháng ngõ vào cho bộ khuếch đại thấp, do đĩ điện áp được ra sẽ nhỏ. Một nhược điểm nữa là dịng nhiễu sẽ ảnh hưởng đáng kể trên điện trở R nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở.
146 V+ R Photodiode Ánh sáng AMP Tín hiệu ra Hình 4.18 Khuếch đại trở kháng thấp
Để khắc phục nhược điểm này chúng ta sử dụng bộ tiền khuếch đại trở kháng cao. 4.4.2 Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao
Phương pháp thường sử dụng để chuyển đổi dịng cĩ cường độ yếu thành áp được minh họa ở hình 4.19. Kỹ thuật trở kháng cao sử dụng một điện trở để tăng áp tỷ lệ với dịng điện ngõ ra của photodidoe. Tuy nhiên, mạch này cĩ nhiều nhược điểm. Nếu điện trở của mạch trở kháng cao quá lớn thì dịng tối của photodidoe cĩ thể gây cho photodiode bảo hồ, cản trở quá trình tách sĩng của photodiode. Sự bảo hồ xảy ra khi áp rơi trên điện trở bằng áp phân cực cho photodiode. Để trách sự bảo hồ, PIN phải duy trì áp phân cực ít nhất vài vơn.
V+ R Photodiode Ánh sáng AMP Tín hiệu ra
Hình 4.19 Khuếch đại trở kháng cao.
Xét ví dụ sau. Giả sử PIN cĩ dịng tối vài mA. Nếu áp phân cực là 12V, điện trở của photodiode sẽ phải nhỏ hơn 10kΩ để tránh bảo hồ. Với điện trở 10kΩ, nĩ cĩ thể chuyển 1µA dịng tối thành 10mV. Nhưng với tín hiệu cĩ thể yếu hơn mức dịng tối vài triệu lần, nên điện trở này phải cao để cĩ thể chuyển đổi dịng thành áp tốt nhất. Hai điều này tranh chấp nhau trong kỹ thuật trở kháng cao.
G
Ip RL CT
Tiền khuếch đại
Hình 4.20: Mạch tương đương bộ tiền khuếch đại trở kháng cao.
Trong đĩ RL là điện trở tải, là giá trị điện trở tương đương của R và điện trở nội của photodiode, CT =Cp + CA là điện dung tổng cộng bao gồm điện dungcủa photodiode Cp và điện dung của bộ khuếch đại. Băng thơng của bộ tiền khuếch đại này là ∆f = 1/(2πRLCT). Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao sẽ khơng được sử dụng nếu băng thơng của nĩ nhỏ hơn tốc độ bit. Nhược điểm của loại khuếch đại này là băng thơng nhỏ. Để tăng băng thơng, chúng ta cĩ thể sử dụng kết hợp với bộ equalizer. Đồng thời nếu khơng quan tâm đến độ nhạy chúng ta cĩ thể giảm RL để tăng băng thơng.
4.4.3 Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp
Sự cải tiến của khuếch đại trở kháng cao là khuếch đại hồi tiếp hình 4.21. Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp cĩ đặc điểm là độ nhạy cao và băng thơng lớn.
V+ R Photodiode Ánh sáng AMP Tín hiệu ra
Hình 4.21 Khuếch đại hồi tiếp
Điện trở R đĩng vai trị chuyển đổi dịng thành áp, nĩ được nối từ ngõ ra đến ngõ vào của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại như thế này thực hiện đệm và tạo áp ở ngõ ra tỉ lệ với dịng photon. Sự cải tiến quang trọng nhất của bộ khuếch đại phối hợp trở kháng là loại bỏ ảnh hưởng điện dung ký sinh của dây dẫn và của diode.
148
G
Ip CT
Tiền khuếch đại RL
Hình 4.22 Sơ đồ tương đương của bộ tiền khuếch đại hồi tiếp.