Date le specifiche, soprattutto dimensioni e velocità di modulazione

TRASMETTITORI E RICEVITORI
Date le specifiche, soprattutto dimensioni e velocità di modulazione, il diodo a
emissione di luce (LED o LD) risulta il dispositivo adatto.
I processi di integrazione consentono di produrre migliaia di diodi sullo stesso
wafer a basso costo e con elevata affidabilità.
I circuiti elettrici di pilotaggio sono i medesimi dei diodi non ottici, eccetto per
la tensione di accensione maggiore.
La capacità di emettere luce dipende dai materiali utilizzati e dalla struttura
del dispositivo, che inoltre distingue i LED dai LD.
LED e LD hanno caratteristiche elettriche V-I simili ai diodi comuni.
Power
Le caratteristiche I-P (potenza ottica in uscita) differiscono per i LED e i LD.
I
Laser
kink
saturazione
LED
V
soglia
I
-141-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il Laser mostra una caratteristica I-P fortemente non lineare con soglia.
LED e Laser mostrano una saturazione per elevate correnti, mentre la
caratteristica del Laser presenta delle “gobbe” (kink) dove la potenza d’uscita
diminuisce localmente per incrementi della corrente.
I diodi Laser hanno una maggiore larghezza di banda di modulazione (adatti
per le applicazioni digitali ad alta velocità), maggiore potenza ottica d’uscita, e
migliore accoppiamento con la fibra.
Power
I diodi LED hanno maggiore linearità (adatti per le applicazioni analogiche),
più elevata linearità e costo minore (eccetto che per i LD dei compact-disk
player).
I
Laser
kink
saturazione
LED
V
soglia
I
-142-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Larghezza dello spettro ottico di potenza d’uscita:
Il Laser mostra uno spettro ottico molto più stretto intorno alla lunghezza
d’onda centrale di quello del LED .
Tipici valori di larghezza spettrale σλ sono 40 nm per un LED operante a 850
nm (80 @ 1300 nm) e 1 nm per un LD operante a 850 nm (3 nm @ 1300 nm).
Power (mW)
Il diagramma di radiazione del LD è molto più direttivo di quello del LED.
Diodo Laser
σλ
LED
λ (nm)
-143-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Cenni su struttura e principio di funzionamento del LED
La struttura fisica su cui si basa il LED ( e il LD) è il diodo a giunzione.
Il comportamento elettrico è qualitativamente il medesimo (VD = 1.0 – 1.5 V).
Una struttura comunemente utilizzata è il diodo a omogiunzione (le regioni p e
n sono ricavate dallo stesso materiale mediante opportuno drogaggio).
La luce viene emessa in tutte le direzioni (n.b. la luce può essere riassorbita
dal semiconduttore prima di giungere all’esterno)
CONTATTI
OHMICI
p
n
DIODO A OMOGIUNZIONE
-144-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Una seconda struttura molto utilizzata è il diodo a eterogiunzione (le regioni p
e n sono separate da una regione di semiconduttore intrinseco).
MATERIALE
INTRINSECO
CONTATTI
OHMICI
p
n
DIODO A ETEROGIUNZIONE
elettroni
Eg1
Eg1
tipo p
Eg2
tipo n
lacune
-145-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Le regioni p e n con bandgap maggiore (Eg1) forniscono lacune ed elettroni
alla regione intrinseca (Eg2).
La generazione di luce avviene all’interno della regione intrinseca, dove
elettroni e lacune hanno un alto tasso di ricombinazione con generazione di
fotoni.
La luce viene emessa dalla regione intrinseca solo dai lati.
La regione attiva di un LED deve essere realizzata con un materiale a
bandgap diretta. In un materiale con badgap indiretta, come il silicio
cristallino, l’energia coinvolta nel processo di ricombinazione elettrone-lacuna
è rilasciata come calore.
elettroni
Eg1
Eg1
tipo p
Eg2
tipo n
lacune
-146-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
In un materiale con bandgap diretta, come l’arseniuro di gallio (GaAs), la
maggioranza delle ricombinazioni produce sia calore che luce.
In un dispositivo ad alta efficienza, la maggioranza delle ricombinazioni
produce luce piuttosto che calore.
In alcuni materiali compositi, come il AlxGa(1-x)As, il valore della frazione
molare x determina se il materiale ha bandgap diretta o indiretta.
In un materiale ideale, un singolo fotone è emesso per ciascun evento di
ricombinazione lacuna-elettrone.
La lunghezza d’onda della luce emessa è determinata dalla bandgap della
regione di ricombinazione, secondo la formula:
Ep= hc/λ = hν
La luce può essere assorbita dallo stesso materiale che l’ha emessa; perciò il
materiale che i fotoni devono attraversare deve essere il più sottile possibile
per prevenire il riassorbimento.
-147-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il problema del riassorbimento è meno importante nei LED a eterogiunzione,
che hanno strati di materiale con bandgap più elevata intorno allo strato
attivo.
Questi strati con bandgap più elevata risultano trasparenti alla luce emessa
dallo strato attivo: non c’è assorbimento perché l’energia dei fotoni non ha il
valore giusto per innescare il processo di generazione di coppie lacunaelettrone.
Inoltre, le regioni intorno allo strato attivo sono realizzate con materiali a
bandgap indiretta, limitando la possibilità di emissione ottica solo allo strato
attivo.
L’emissione di fotoni da una determinata superficie del LED viene migliorata
utilizzando superfici riflettenti come specchi laddove non si desidera
emissione di luce.
-148-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Gli specchi possono essere realizzati tagliando il cristallo semiconduttore con
precisione secondo un asse cristallografico.
Le superfici risultanti sono lisce, piane e parallele.
Le superfici possono essere lucidate ulteriormente con processi chimici
opportuni.
Un’altra tecnica per produrre specchi consiste nel costruire un “sandwich”
(planare o in tutte e tre le dimensioni) circondando l’area attiva con materiali
ad indice di rifrazione minore, ma con bandgap maggiore.
In tal caso è possibile realizzare la riflessione interna totale, incrementando
sensibilmente la luce emessa dal LED dalla superficie desiderata.
Queste tecniche di confinamento della luce vanno sotto il nome di “bandgap
engineering” e “index guiding”.
-149-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Una terza tecnica per produrre specchi consiste nel confinare la corrente di
giunzione in una regione limitata del materiale attivo, mediante una
configurazione opportuna di elettrodi.
L’indice di rifrazione dipende dalla densità di lacune ed elettroni. Se la
corrente è confinata, viene creata una regione con indice di rifrazione diverso
dal restante materiale i cui margini sono riflettenti. Questa tecnica va sotto il
nome di “gain guiding”.
Nei LED ad emissione laterale, la luce riflessa dalle pareti a specchio viene
emessa dal LED parallelamente alla superficie attiva.
Contatto +
Regione di
confinamento
SiO2
SiO2
p
Giunzione attiva
n
Contatto -
-150-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Cenni su struttura e principio di funzionamento del LD
La struttura fisica su cui si basa il LD è il diodo a giunzione ed è molto simile a
quella del LED ad emissione laterale.
Vengono usate una, due o tutte e tre insieme le tecniche di riflessione viste
per il LED.
Contatto +
p - elevato indice di
rifrazione
SiO2
Materiale intrinseco
SiO2
p
n
p – fortemente drogato
(contatto ohmico)
n - elevato indice di
rifrazione
Contatto -
DIODO LASER A ETEROGIUNZIONE
-151-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
L’effetto Laser viene ottenuto attraverso la risonanza ottica.
La regione attiva, con facce e lati riflettenti, forma una cavità risonante (simile
a quella tipo Fabry-Perot dei laser a gas).
All’interno di un laser, i fotoni vengono generati con uguale frequenza,
direzione e fase.
All’interno del semiconduttore, la generazione di fotoni può essere di due tipi:
• Emissione spontanea, con tempi casuali, che dà luogo a fotoni con
direzione e fase qualsiasi. La larghezza spettrale di questa emissione è
relativamente larga.
• Emissione stimolata, composta da fotoni emessi in risposta alla presenza
di un altro fotone. Il fotone emesso ha la stessa direzione e fase di del
fotone che ne ha stimolato l’emissione.
In una cavità risonante, questi fotoni viaggiano lungo l’asse principale,
stimolando a loro volta l’emissione di altri fotoni, in un processo iterativo.
L’emissione spontanea viene superata dall’emissione stimolata, producendo
un consistente raggio di luce in uscita.
-152-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Un Laser polarizzato sotto la soglia di emissione, può essere usato come un
amplificatore ottico.
È l’emissione stimolata di nuovi fotoni in risposta ai fotoni in input che fornisce
il guadagno di potenza ottica, senza bisogno di una conversione otticoelettrica, amplificazione elettronica e riconversione elettro-ottica.
Il guadagno di questi amplificatori ottici è controllato mediante la corrente di
polarizzazione.
-153-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Polarizzazione
Sia il LED che il LD sono polarizzati direttamente.
Per aumentare la velocità o la linearità della risposta ottica, il LED non viene
mai “spento” completamente. La minima tensione utilizzata (per es.
corrispondente allo “0” logico) è tra 0.7 e 1.1 V a seconda del dispositivo.
Questo impedisce alla capacità di giunzione di scaricarsi completamente,
garantendo al contempo una dinamica ottica di uscita sufficientemente larga.
Anche il LD è spesso polarizzato con una corrente DC che mantiene il laser al
limite dell’innesco dell’emissione stimolata. Infatti, la cavità deve raggiungere
un certo minimo di densità di energia prima che l’emissione stimolata (effetto
laser) domini rispetto all’emissione spontanea (effetto LED).
Il guadagno ottico della cavità è funzione della polarizzazione DC. Se la
corrente di polarizzazione è troppo bassa per raggiungere la risonanza, si ha
una emissione LED.
Un LD ad alta velocità non viene mai polarizzato sotto la soglia.
-154-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Altri Effetti
• Packaging
• Sensibilità alle condizioni ambientali o alle caratteristiche del singolo
dispositivo
• Dissipazione del calore e regolazioni termiche
• Affidabilità
• Sia il LED che il LD sono polarizzati direttamente.
-155-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
La caratteristica P-I del LD è fortemente dipendente dalla temperatura.
La corrente di pilotaggio sufficiente a generare la potenza ottica relativa allo
stato logico “1” a 20 °C produce lo “0” 70 °C.
Power
I LD richiedono un controllo aggiuntivo termico.
20 °C
70 °C
PI
P0
I
La corrente di polarizzazione corrispondente alla soglia dell’effetto laser
dipende dalla temperatura approssimativamente secondo la formula:
Ith = Iz eT/T
z
Dove Ith è la corrente di soglia; Tz e Iz sono caratteristici del singolo diodo.
Le temperature sono espresse in K.
-156-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
La sensibilità termica del LD viene compensata in due modi:
• Raffreddamento termoelettrico a cella Peltier.
• Controreazione attraverso un fotodiodo in grado di monitorare la potenza
ottica in uscita (doppia uscita del laser). Questo sistema è anche in grado
di fornire indicazioni su eventuali guasti del LD.
CONTROLLO
FOTODIODO
GENERATORE
I
th
LASER DIODE
ALLA FIBRA
-157-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Esempio: un LD ha una corrente di soglia di 20 mA a 25 °C e di 55 mA a
60 °C. Trovare Iz e Tz.
Facendo il rapporto tra le due correnti (dopo avere trasformato °C in K):
I1/I2 = exp[(T1 - T2)/Tz)].
Quindi:
Tz = (T1 - T2) ln(I1/I2) = 35 ln(55/20) = 35 K.
Similmente:
Iz = I1/[exp(T1/Tz)] = (20 x 10-3)/ exp[(25+273)/35] = 4.01 µA.
-158-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
I laser a semiconduttore hanno più di un modo di risonanza permesso nella
regione attiva.
I picchi nello spettro di potenza sono contenuti nell’inviluppo tipico di un LED.
Un modo solo è dominante, ma quale sia il modo dominante può cambiare
casualmente in funzione della temperatura, della corrente di polarizzazione,
etc.
Il cambio di modo è detto “mode hopping” che è erroneamente interpretato
dal ricevitore come un cambio di ingresso. Ciò può essere prevenuto per es.
regolando la temperatura del laser.
-159-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Affidabilità
La parte più soggetta a guasto in un trasmettitore è il diodo ottico.
LED e LD possono presentare guasti di tipo ottico ed elettrico. Per es. uno
spike di corrente può interrompere i collegamenti in filo metallico interni,
causando un circuito aperto.
L’affidabilità decresce rapidamente con l’aumentare della temperatura.
Il tempo medio prima del guasto (Mean-Time-To-Failure, MTTF) può essere
calcolato con la relazione:
EA
MTTF = Ae kT
Dove T è la temperatura espressa in Kelvin, EA è l’energia di attivazione che
causa il guasto e A è un coefficiente tipico di ciascun dispositivo.
Tipici valori per un LED o un LD sono EA = 0.5 – 1.2 eV (tipicamente ½ Eg).
Dalla relazione si vede che è bene utilizzare il diodo alla temperatura più
bassa possibile (ma anche i sistemi di raffreddamento hanno un loro MTTF).
-160-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il MTTF dipende anche dalla corrente di polarizzazione:
I 
MTTF = MTTF0  0 
 I 
n
dove I0 e MTTF0 sono noti per un valore di corrente, e MTTF è calcolato alla
nuova corrente I. L’esponente n vale tra 1.5 e 2 per diodi ottici tipici.
A temperatura ambiente MTTF può valere 6 anni per un LD e 25 anni per un
LED. Per temperature più elevate o per alte correnti di polarizzazione MTTF è
significativamente più corto.
-161-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Sommario
Un trasmettitore consiste in circuiti di condizionamento e polarizzazione e di
un diodo ottico.
Il diodo ottico può essere un LED o un LD.
Circuiti di multiplexing e codifica possono essere inclusi nel trasmettitore o
possono trovare alloggio su schede o moduli separati.
LED e LD sfruttano la ricombinazione lacuna-elettrone per produrre fotoni la
cui lunghezza d’onda dipende dalle proprietà del semiconduttore utilizzato.
Larghezza di spettro e capacità di modulazione dipendono dalla struttura del
dispositivo e dalla rete di polarizzazione (polarizzazione diretta).
I LD richiedono una polarizzazione in continua e un controllo termico, poiché
la corrente di soglia varia sensibilmente con la temperatura.
Un LD fornisce prestazioni superiori a quelle di un LED in termini di velocità di
modulazione, direttività di radiazione, potenza di uscita e larghezza spettrale.
Il LED ha migliore linearità e più elevata affidabilità, con costi minori.
-162-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Ricevitori
I ricevitori riconvertono i segnali ottici in segnali elettrici. Un fotodiodo
converte il segnale ottico in una corrente. Poiché il segnale ottico ricevuto e la
risultante corrente hanno piccole ampiezze, il ricevitore contiene usualmente
uno o più stadi di amplificazione. Il ricevitore contiene inoltre filtri e/o
equalizzatori per migliorare la qualità del segnale. Il ricevitore digitale
converte il segnale amplificato in un segnale elettrico digitale.
Ricevitore e trasmettitore devono usare lo stesso schema di codifica (NRZ,
Manchester, etc.) e tipicamente hanno anche la stessa interfaccia elettrica
(TTL, ECL, etc.).
Solo con un comune standard elettrico, ottico e di timing consente
l’interoperabilità tra trasmettitori e ricevitori di produttori diversi.
-163-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il ricevitore consiste tipicamente di:
• Fotodiodo
• Rete di polarizzazione
• Pre-amplificatore a basso rumore
Può includere anche stadi aggiuntivi di amplificazione, filtri ed equalizzatori,
raggruppati sullo stesso circuito integrato, oppure in un circuito ibrido o
scheda.
Un sistema completo può prevedere anche altre funzioni di supporto.
La più comune è il recupero della temporizzazione (clock recovery) poiché
nelle comunicazioni in fibra non viene fornito separatamente il clock.
Altre funzioni di supporto sono la decodifica (per es. 4B/5B), la rivelazione e
correzione d’errore, la rivelazione di guasto (perdita di segnale ottico o di
modulazione). Un sistema completo è costituito da numerosi ASIC e occupa
un circuito stampato.
-164-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il fotodiodo converte il segnale ottico direttamente in corrente elettrica usando
il processo fisico inverso del LED.
Quando un fotone penetra in un materiale semiconduttore, può essere
assorbito dal materiale stesso.
L’assorbimento di un fotone libera un elettrone dal suo legame chimico
(elettrone di valenza), dando luogo ad una coppia lacuna-elettrone.
Elettrone e lacuna sono portatori liberi, e si possono muovere nel
semiconduttore in presenza di un campo elettrico.
La minima energia che il fotone deve possedere per creare la coppia lacunaelettrone è l’energia di bandgap Eg. Se il fotone ha energia maggiore,
l’elettrone e la lacuna convertono l’eccesso in energia cinetica (calore).
Un fotone deve avere energia almeno 2 Eg per creare due coppie lacunaelettrone.
-165-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Un fotodiodo è caratterizzato da una finestra in cui può essere utilizzato
(energia di taglio e lunghezza d’onda di taglio).
I fotodiodi al silicio hanno una lunghezza d’onda di taglio di 1100 nm e
possono essere usati solo in I finestra (intorno agli 850 nm). I fotodiodi adatti
per lunghezze d’onda maggiori sono realizzati con i materiali dei gruppi III-V,
anche se per molte applicazioni è possibile usare il germanio (IV gruppo).
I diodi in silicio sono integrabili con transistor su un singolo IC, rendendo
possibile integrare tutto il ricevitore, servendosi di una matura (ed economica)
tecnica industriale. Un sistema totalmente integrato ha costo minore con
affidabilità superiore.
-166-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Esempio: Il silicio ha una energia di bandgap pari a 1.12 eV. Quale è la
minima energia di fotoni che può essere assorbita da un fotodiodo al silicio?
Quale è la massima lunghezza d’onda del fotone?
Emin = Eg = 1.12 eV
λmax corrisponde a Emin
λmax = hc/Eg = (1.240 eVµm)/(1.12 eV) = 1110 nm.
-167-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
p
p+
p
n+
i
i
n
n
PIN
APD (Avalanche Photo Diode)
STRUTTURE DI FOTODIODI
La probabilità che un fotone venga catturato dal materiale semiconduttore
dipende da molti fattori, tra cui: le proprietà del materiale semiconduttore,
l’energia del fotone, lo spessore dello strato di materiale assorbente
(maggiore spessore, maggiore assorbimento).
-168-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
La caratteristica I-V di un fotodiodo PIN mostra come la corrente inversa
aumenti all’aumentare della potenza ottica assorbita.
Il fotodiodi lavorano in polarizzazione inversa, dal momento che le correnti
inverse sono dell’ordine dei 10 nA – 100 µA. Se fossero polarizzati
direttamente, questa corrente sarebbe indistinguibile dal rumore.
I
V
-169-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Quando nessuna luce incide sul fotodiodo, solo la corrente di saturazione
inversa scorre attraverso la giunzione. Le correnti di “buio” sono dell’ordine di
1-10 nA. Le fotocorrenti causate dal segnale ottico si aggiunge alla corrente di
saturazione inversa, e la loro intensità dipende dal materiale, dalla
temperatura e dalla polarizzazione applicata.
La corrente di buio può essere espressa come:
Id = M Idb + Ids
dove Idb e Ids sono misurate a polarizzazione bassa (guadagno per effetto
valanga M = 1).
Tipiche correnti di segnale sono dell’ordine di 1 µA, maggiori della corrente di
buio ma minori della corrente di polarizzazione diretta.
La velocità di risposta del fotodiodo dipende dalla velocità con cui lacune ed
elettroni attraversano la regione intrinseca, che dipende dal campo elettrico
applicato. Tuttavia, la velocità dei portatori satura per valori del campo attorno
ai 104 V/cm (“critical field”, dipendente dal materiale), e incrementi della
tensione inversa di polarizzazione non migliorano la velocità di risposta.
-170-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il fotodiodo Avalanche Photo Diode (APD) ha una struttura più complessa del
diodo PIN, in grado di amplificare all’interno del fotodiodo stesso la corrente di
segnale. I due strati fortemente drogati (p+ e n+) subiscono breakdown di
giunzione per effetto valanga a tensioni relativamente basse. In questa
regione di breakdown i portatori generati dall’assorbimento di fotoni nella
zona intrinseca accelerano sufficientemente per generare a loro volta coppie
lacuna-elettrone aggiuntive (effetto di amplificazione della corrente di
segnale).
Il guadagno M è il rapporto tra il numero medio di portatori che entra nella
regione di breakdown e il numero medio dei portatori in uscita. In Figura M =
3, ma guadagni pratici possono raggiungere il valore 5 – 50 con punte di
1000.
p
p+
n+
r
E
i
-171-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Il fotodiodo APD fornisce un guadagno solo quando la tensione di
polarizzazione inversa Vbr genera il primo breakdown (della regione
fortemente drogata). Al di sotto di Vbr si ha M = 1.
Per molti dispositivi pratici Vbr è tra 25 e 200 V. Aumentando la tensione
inversa si provoca il breakdown delle regioni non fortemente drogate con
malfunzionamento o distruzione del fotodiodo.
La necessità di tensioni di polarizzazione Vbr non comunemente disponibili in
normali circuiti elettronici (25-200 V) e la ridotta affidabilità del diodo APD
rendono l’applicazione di questo dispositivo più costosa rispetto al diodo PIN,
che invece può funzionare con tensioni da 5 a 15 V.
Il vantaggio di 5-10 dB in sensibilità e la maggiore velocità di risposta
dell’APD, rispetto al diodo PIN, diventano convenienti solo per lunghe tratte,
dove il risparmio di ripetitori copre i maggiori costi di sistema e di
manutenzione.
-172-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
La fotocorrente Ip in funzione della potenza ottica incidente P, può essere
calcolata, sia per il fotodiodo PIN che per l’APD, con la seguente relazione:
Ip = M R P
dove R è la responsività, funzione del materiale e della lunghezza d’onda.
Tipici valori vanno da 0.2 a 0.8 µA/µW.
Esempio: Un diodo PIN al silicio ha una responsività di 0.58 A/W a 830 nm.
La potenza incidente è di 800 nW a 830 nm. Quale è la fotocorrente
risultante?
Il diodo PIN ha M = 1.
Ip = M R P = (1) (0.58 A/W) (800 nW) = 464 nA.
Esempio: Un diodo APD al silicio ha una responsività di 0.58 A/W a 830 nm,
ed è polarizzato in modo che il suo guadagno sia 5. La potenza incidente è di
800 nW a 830 nm. Quale è la fotocorrente risultante?
Ip = M R P = (5) (0.58 A/W) (800 nW) = 2.320 µA.
-173-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Un andamento tipico della responsività può essere il seguente:
RESPONSIVITÀ (Si) [A/W]
10
10
10
0
-1
-2
200
400
600
800
1000
1200
1400
LUNGHEZZA D’ONDA [nm]
-174-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Amplificatori
Il primo amplificatore (pre-amp) riceve in ingresso una corrente estremamente
bassa e deve perciò essere a bassissimo rumore. Il fotodiodo, la resistenza di
polarizzazione e il pre-amp sono progettati come una singola unità.
Le interazioni tra questi tre componenti determinano la larghezza di banda, il
SNR e la sensibilità (minimo segnale rivelabile del ricevitore) del ricevitore.
Gli amplificatori possono essere divisi in quattro gruppi, a seconda del tipo di
transistor di ingresso (FET o BJT) e della configurazione (transimpedenza o
P
alta impedenza).
min
-30 dBm
PIN + BJT
-40 dBm
APD + BJT
-50 dBm
PIN + FET
-60 dBm
QUANTUM LIMIT
-70 dBm
APD + FET
-80 dBm
-90 dBm
1
10
100
1000
DATA RATE [Mbit/s]
-175-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Pmin
-30 dBm
PIN + BJT
-40 dBm
APD + BJT
-50 dBm
PIN + FET
-60 dBm
QUANTUM LIMIT
-70 dBm
APD + FET
-80 dBm
-90 dBm
1
10
100
1000
DATA RATE [Mbit/s]
Esempio: Un ricevitore contiene un fotodiodo PIN e un amplificatore FET e
ha le caratteristiche in Figura. Determinare la sensibilità a 10 Mbit/s.
Dalla Figura, Pmin = -56 dBm (quindi è espressa in mW)
Pmin = [10(-56/10)] x 10-3 W = 2.51 nW.
-176-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Pre-amplificatori:
Amplificatore di ad alta impedenza
elevata impedenza di ingresso
Vcc
guadagno Vo/VD (adimensionato)
larghezza di banda 1/ (4 R C)
Rb
IIN
Amplificatore di transimpedenza
PD
+
VD
-
AMPLIFICATORE
A
+
VO
-
bassa impedenza di ingresso
guadagno Vo/IIN (Ohm)
larghezza di banda A/ (4 R C)
A è il guadagno DC dell’amplificatore, R e C sono la resistenza e la capacità
al nodo d’ingresso.
-177-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Pre-amplificatori:
Vcc
Accoppiamento in DC
Necessario se non c’è limite al
numero di bit uguali in una sequenza
(per es. codifica NRZ) (nessun limite
alla banda impegnata). Possibile
deriva del livello di riposo del segnale.
Accoppiamento in AC
Segnale limitato in banda (in
particolare, non c’è la continua).
Rb
IIN
PD
+
VD
-
AMPLIFICATORE
+
VO
-
Vcc
Rb
CC
Eliminazione del rumore a bassa
frequenza e della deriva del livello di
riposo del segnale.
AMPLIFICATORE
PD
-178-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Larghezza di banda del ricevitore
La larghezza di banda del ricevitore è determinata dal fotodiodo, dal
capacitore di accoppiamento, dal preamplificatore e da eventuali filtri ed
equalizzatori.
Vcc
Rb
CC
PD
AMPLIFICATORE
CC
iP
Cj
Rb
RA
CA
AMPLIFICATORE
IDEALE
Ce
Re
-179-
TRASMETTITORI E RICEVITORI
Valori tipici
CA = 1 – 100 pF
Cj = 10 – 1000 pF
RA = 10 MΩ (ingresso a FET), 10 kΩ (ingresso a BJT)
Esempio: Un ricevitore è progettato per velocità dati (Data Rate, DR) da 10 a
40 Mb/s. Qual è l’intervallo di frequenze permesso per il segnale? Assumere
di conservare solo la prima armonica.
fmin = DRmin/2 = 5 MHz (la sequenza “1” “0”, vale 2 Tbit ma solo 1 T
sinusoidale).
fmax = 2 DRmax/2 = 40 MHz (con una codifica tipo Manchester che raddoppia il
DR).
-180-