Технічні характеристики ФП

Фактори, що впливають на технічні характеристики ФП є складні та дуже взаємопов’язані між собою. На перший погляд може здатися, що досить вибрати тільки три параметри – чутливість, швидкодію, ціну. На практиці ці фактори часто виявляються залежними від інших параметрів: робочої довжини хвилі , типу ОВ і передавача, величини ТС, шумових характеристик, типу кодування сигналу, що передається, ін.. Нижче розглянуто головні з них: струмова чутливість; квантова ефективність; ТС; час наростання і спаду; еквівалентна потужність шуму; співвідношення сигнал/шум і чутливість аналогових систем; частота виникнення помилок і чутливість цифрових систем; максимально допустима зворотня напруга; робочий діапазон температур; термін служби та надійність.

Струмова чутливість (монохромна) (А/Вт) визначається як:

, (6.5)

де –фотострум, –повна оптична потужність випромінювання, яка падає на фоточутливу площадку на довжині хвилі . Струмова чутливість характеризує ФП при низьких частотах модуляції.

Квантова ефективність (безрозмірна величина) визначається як: , (6.6)

де – кількість фотонів, які падають за одиницю часу на ФП; – кількість народжених в результаті цього вільних електронів (або електронно-діркових пар). Квантова ефективність p-i-n ФД не може бути більшою за одиницю (або у відсотках за 100%). Криві для в залежності від довжини хвилі для різних матеріалів наведено на рис.6.13. Між струмовою чутливістю і квантовою ефективністю існує простий зв’язок: , (6.7)

де е – заряд електрона ( К), – довжина хвилі, h – постійна Планка, с – швидкість світла.

З підстановкою значень констант отримуємо:

, (6.8)

Значення струмової чутливості для p-i-n ФД в їх робочих діапазонах складає 0,5 – 0,8 А/Вт, а для лавинних ФД: 20 – 60 А/Вт.

Характеристики і використовують при створенні приймальних оптичних модулей (ПрОМ), коли необхідно узгодити наступний каскад електронних підсилювачів.

Рисунок 6.13 – Залежність квантової ефективності від довжини хвилі для різних матеріалів

Темновий струм ( ТС) протікає при зворотньому зміщенні через навантаження у відсутності падаючого на ФД випромінювання. Його величина залежить від матеріалу НП, температури навколишнього середовища, конструкції ФП. Максимальне значення цей струм має в ФД, які виготовлено із германію. Величина ТС може бути від долей до одиниць мА. Він додається до струму корисного сигналу, коли на ФД надходить світло.

Час наростання і спаду – це найважливіша динамічна характеристика ФП. Ці параметри залежать від геометрії ФД, матеріалу, напруженності електричного поля в слаболегованій області, температури. Максимальна з двох величин, зазвичай , береться в якості характеристики часу відгуку ФП. Зі збільшенням частоти модуляції вхідних оптичних імпульсів максимальне значення фотоструму зменшується. Гранична частота смуги пропускання визначається як частота модуляції, при якій струмова чутливість складає 0,707 від значення струмової чутливості при низьких частотах модуляції. Якщо внутрішні затримки прямо не впливають на смугу пропускання або швидкість передачі, то час наростання і спаду головним чином визначають смугу пропускання. Різні ФП можуть дуже сильно відрізнятися за швидкодією. Найбільш швидкими є p-i-n ФД. У лавинних ФД збільшення коефіцієнта множення супроводжується зменшенням швидкодії у порівнянні з p-i-n ФД. Найбільш повільні фоторезистори (ФР) і фототранзистори (ФТр.).

Потужність еквівалентна шуму (ПЕШ) (Вт) – це одна з найважливіших характеристик, що враховують шумові властивості ФП. Вона визначає мінімальну потужність оптичного сигналу на вході ФП, при якій відношення сигнал/шум дорівнює одиниці, та розраховується за формулою:

, (6.9)

де - повний шумовий струм.

Головна функція ФП – це якомога точніше відтворити оптичний сигнал, що отримується із ОВ. Два фундаментальних параметри впливають на те, наскільки добре ФП справляється з цією задачею: амплітуда вхідного сигналу та рівень шумів.

Співвідношення сигнал/шум та чутливість аналогових систем. Для аналогових систем відношення сигнал/шум вимірюється кількісно. На практиці прийнятне відношення сигнал/шум залежить від застосування – для одних достатнім відношенням може бути величина 50…60 дБ, для інших до 30 дБ. Знаючи еквівалентну потужність шуму Р_n і вимоги до відношення сигнал/шум, можна визначити мінімальний вхідний сигнал Р_{n min} – чутливість аналогового ПрОМ, при якому внесені спотворення і шуми будуть в межах норми. Цей параметр наводиться виробниками для ФП при постачанні мережевого обладнання з цілком визначеною областю застосування. Якщо вхідний сигнал нижче чутливості приймача, то відношення сигнал/шум може бути недостатньо великим, щоб коректно виконувалося дане застосування. Прийнятою одиницею вимірювання чутливості ФП, як і потужності випромінювання у СД, є дБм (дБ відносно потужності в один міліВатт).

Максимально допустима зворотня напруга - це напруга, перевищення якої може призвести до пробою ФП і його руйнації. Нарівні з цим значенням виробники ФП можуть вказувати просто зворотну робочу напругу. Якщо вибрати менше значення робочої напруги, то буде обмежена область лінійної характеристики ФП.

Робочий діапазон температур. Існує дві характеристики, на які сильно впливає зміна робочої температури ФП. По-перше, це квантова ефективність, яка може поводити себе в загальному випадку досить складним чином зі зміною температури. По-друге, зростання температури призводить до експоненційного зростання термічно збуджених електронно-діркових пар, в результаті чого також експоненційно зростає ТС. Витік ТС подвоюється при підвищенні температури на кожні 8 – 10ºС.

Термін служби та надійність також є важливими експлуатаційними параметрами ФП. Всім ФД притаманна деградація – поступове зменшення чутливості при тривалій експлуатації. Деградація зростає зі збільшенням струму навантаження, що протікає через ФД. Для використання в системах зв’язку термін служби повинен складати більш ніж: 10⁵ годин (для наземних) та 10⁶ (для підводних) ліній зв’язку.