Seção: Teleco español

 

FSO II: Circuito Receptor

 

Introdução

 

Analisaram-se os modelos de transmissores de luz como diodo emissor de luz, diodo laser, e como se transmitem sinais digitais através de modulação PCM. Os dispositivos óptico-eletrônicos produzem uma intensidade do feixe de luz modulada com base no sinal digital codificado. Na detecção, o processo produz uma corrente proporcional à intensidade de luz incidente, através de fotodetectores. Necessita-se de um circuito receptor para dar origem a uma tensão digital adequada.

 

O desempenho do sistema FSO depende de certas características do receptor, como, sensibilidade do receptor, a largura de banda que se quer utilizar, o consumo de energia do sistema, e a área exigida para implantação do mesmo, de acordo com a necessidade do local de implantação, as taxas que se quer do sistema, a robustez do sistema e quanto de energia se pode utilizar, verifica-se quais características são mais importantes para determinada aplicação. Como um exemplo, a comunicação entre satélites, no satélite se tem baixa disponibilidade de energia, área limitada, com estas características o sistema deve ter um baixo consumo, uma boa sensibilidade e ter tamanho e peso reduzido, com estas características pode-se extrair o máximo do sistema de comunicação nesta aplicação.

 

Nesta seção será descrito o receptor, as tecnologias de fotodetectores, com analise das perdas e como o sistema recupera o sinal transmitido, a sua conversão óptico-elétrica e demais fatores para garantir a eficiência da comunicação.

 

Lentes convergentes para detecção do sistema FSO

 

Na transmissão o feixe óptico é concentrado para se propagar no espaço com o menor espalhamento possível, mas conforme a propagação deste feixe, o mesmo sofre espalhamento e interferências. Conforme a distância percorrida tende a se espalhar e a ser atenuado, portanto temos um fator importante nesta lente de recepção que é sua área a fim de captar a maior intensidade deste feixe transmitido para uma maior intensidade de luz no fotodetector. Esta lente deve ser uma lente convergente e em seu foco deve estar o fotodetector.

 

Fotodetectores

 

O fotodetector tem a função de receber o sinal luminoso e converter esta intensidade luminosa que tem certa potência em uma corrente elétrica, para posteriormente ser amplificada e demodulada.

 

Os fotodetectores são feitos de material semicondutor, baseados no mecanismo elétrons-lacuna. Isto significa que quando o material semicondutor é exposto a fótons os mesmos são absorvidos pela camada de valência, portanto temos uma redução em sua resistência ôhmica (), energia absorvida através dos fótons for maior que a energia necessária para romper a banda proibida, com este ocorrência os elétrons absorvem esta energia e passam para a camada de condução, deixando lacunas na camada de valência. Aplicando-se uma tensão externa teremos uma corrente com valores proporcionais à energia luminosa absorvida pela pastilha semicondutora através de uma resistência de carga teremos um valor de tensão com a mesma proporcionalidade da corrente, portanto sendo proporcional a potencia luminosa absorvida [10]. Na figura 9, temos um exemplo de fotodetector.

 

Figura 9: Detector fotossensível, conforme a incidência de luz terá uma corrente proporcional

 

Através destes fatores foram desenvolvidos os fotodetectores. Existem vários tipos de fotodetectores como, por exemplo: fotodiodo, fotodiodo PIN, fotodetector avalanche (ADP), e fotodetector FET.

 

Fotodiodo

 

Os fotodiodos são cristais semicondutores de junção p e n, através de estudos se observou que os fótons de comprimento de onda menores possuem alta energia e em contato com o cristal são rapidamente absorvidos, portanto com pequena profundidade de penetração. Os fótons de comprimento de onda maiores possuem baixa energia, portanto com grande penetração no meio. A incidência de luz comumente é feita sobre o cristal do tipo p, temos um modelo básico na figura 10 [10].

 

Figura 10: Esquema básico de um fotodiodo

 

Fotodiodo PIN

 

O fotodiodo PIN (PPD) se diferencia do fotodiodo convencional, pois o semicondutor é levemente dopado tendo as regiões p e n bem pequenas, consequentemente a região intrínseca tende a ser bem maior, tem a vantagem de responder com comprimentos de onda menores, esta camada entre os cristais pode ser um cristal p ou n pouco dopado na figura 11 temos o exemplo do fotodiodo PIN [10].

 

Figura 11: Esquema básico de um fotodiodo do tipo PIN

 

Fotodetector avalanche (ADP)

 

O fotodiodo de avalanche (APD – avalanche photodiodo) demonstra um ganho bem maior que os fotodiodos, e os fotodiodos PIN em ordem de 30dB, funcionando da seguinte maneira, com a geração dos pares elétrons-lacuna pelo bombardeio de fótons, são geradas novas lacunas, sendo aceleradas em sentidos opostos ao movimento dos elétrons, neste processo novos eletros e lacunas são criados se acumulando gerando o efeito avalanche, gerando uma grande corrente de saída no dispositivo. Na figura 12 temos um exemplo de pastilha semicondutora exemplificando este efeito [10].

 

Figura 12: Esquema de um fotodiodo do tipo avalanche APD

 

Fototransistores

 

O fototransistor é nada mais que a junção de dois diodos, a diferença do fotodiodo é que além de converter o sinal luminoso para um sinal elétrico esta pastilha pode fornecer um ganho para ente sinal elétrico deixando o sistema mais robusto [10].

 

O fototransistor BJT normalmente utiliza a base desligada, ou se necessário para alguma polarização, a corrente circulante será diretamente proporcional a potencia luminosa recebida. Exemplo de ligação com BJT na figura 13 [10].

 

Figura 13: Esquema elétrico de um fotodetector BJT

 

O fototransistor FAT utiliza o gate para recepção dos fótons, este processo gera uma corrente no gate, esta variação de corrente passa por uma carga resistiva, onde podemos obter uma variação de tensão (gate-source), após teremos a multiplicação deste sinal através da transcondutância do fototransistor FAT, gerando uma corrente que alterará a tensão entre dreno e source. Na figura 14 temos um exemplo de um fototransistor FAT [10].

 

Figura 14: Esquema elétrico de um fototransistor FAT

 

Classificação dos pré-amplificadores

 

Classificam-se os receptores ópticos como de alta impedância, transimpedância, baixa impedância, e o integrador (integrate-and-dump), dependendo do projeto do seu pré-amplificador. Na figura 15 ilustram-se os quatro procedimentos [16].

 

Figura 15: Classificação dos pré-amplificadores, (a) baixa impedância, (b) alta impedância,

(c) transimpedância, (d) integrador (integrate-and-dump).

 

Os receptores de baixa impedância possuem uma largura de banda, mas baixa sensibilidade. Os receptores de alta impedância possuem uma sensibilidade melhor, mas não possuem uma largura de banda útil. Os receptores de trans-impedance, possui uma sensibilidade boa e uma boa largura de banda, oferecendo uma boa relação entre os dois fatores. Os receptores integrate-and-dump além de oferecer uma sensibilidade maior que a dos anteriores, com o tempo de bit já é possível fazer a digitalização do sinal recebido através do comparador do capacitor e da chave controlada pelo tempo de bit. Como se tem grande dificuldade e estudos avançam para este receptor pré-amplificador, temos dificuldades com o Glock deste sistema tendo de estar sincronizando o sistema o tempo todo gerando muitas dificuldades e muito trafego de sinalização. Observando estes fatores fica claro que atualmente o melhor sistema de recepção e pré-amplificação esta a cargo do receptor de trans-impedance [16].

 

Podemos observar que nos três primeiros (a, b, c), temos o sinal analógico na entrada e saída do receptor, no receptor integrador temos a entrada do sinal analógico e a saída digital, a partir de um circuito de decisão, isto só é possível através do sincronismo entre transmissor e receptor, para fazer o chaveamento [16].

 

Amplificação

 

O projeto de amplificador mais simples possível é com um inversor CMOS, pois não necessita de nenhuma tensão de polarização sendo utilizados apenas dois transistores, como podemos ver na figura 16 [16].

 

Figura 16: Projeto de amplificador por detector inversor CMOS

 

O projeto corrente invertida no source, substitui a tensão do sinal com um nível de tensão constante. Este tipo de projeto pode ter uma capacidade menor do que o inversor CMOS, mas desde que a transcondutância não seja utilizada, também possui um ganho menor comparado com inversor CMOS. Com a tensão de polarização temos mais liberdade para ajustar o ganho do amplificador que pode excursionar em uma faixa muito maior que o inversor CMOS. Temos exemplo do circuito na figura 17. Estes dois projetos sofrem com a capacitância parasita [16].

 

Figura 17: Projeto de amplificador por corrente invertida no source

 

Podemos evitar esta capacitância parasita utilizando transistores em cascata. Um fator negativo deste sistema é imprecisão no ganho, para se evitar a capacitância parasita temos em detrimento a perda da largura de banda [16].

 

O projeto com inversor source-ratio é visualizado na figura 18. É baseado nos inversores de corrente (FET), incluindo um transistor-diodo ligado na saída, isto serve para deslocar o polo de saída para altas frequências reduzindo a impedância, mais temos a perda do ganho. Isto nos permite um controle mais apurado sobre o ganho e sobre a largura de banda [16].

 

Figura 18: Esquema de montagem do amplificador com transistores em cascata

 

Circuito de decisão

 

Para o circuito de decisão, podemos utilizar um inversor de corrente, como visto na figura 19. Apos a decisão teremos bits, estes bits deverão ser analisados por um processador para se verificar possíveis erros, determinando se a informação transmitida esta correta, se a algum bit errado, se temos a possibilidade de correção, ou se o numero de erros e muito elevado e não é possível com a capacidade do sistema esta correção, então haverá um pedido de novo envio da informação transmitida, através da retransmissão dos pacotes perdidos ou errados [16].

 

Figura 19: Circuito de decisão para detecção de bits, com inversão de corrente

 

Ruídos

 

Um dos principais fatores para a escolha do fotodetector, que torna difícil esta escolha, é o ruído, pois o sinal óptico muitas vezes chega com um nível baixo no receptor, e qualquer influencia neste ponto pode degradar muito o sinal tornando impossível sua decodificação [10].

 

Ruído térmico

 

Ruído térmico, ou ruído branco (AWGN) surge pala agitação térmica aleatória das cargas do material semicondutor. Podemos calcular sua potencia através da equação 5.

 

(5)

 

Onde, Nt é o ruído térmico, K constante de Boltzman igual à 1,38 x 10-23 J/K, T temperatura dada em Kelvins, e B a largura debanda do sistema [10].

 

Ruído de avalanche

 

Com o efeito avalanche temos um problema que este efeito também gera ruído, denominado de ruído de avalanche, sendo o ganho do semicondutor (M) amplificador do ruído de escuro e a corrente de ruído quântico, através da equação 6 temos:

 

(6)

 

Onde temos, para valores de M <= 50, sendo x um parâmetro empírico, com um valor para cada tipo de material: como Ge ~= 1, Si ~= 0,3, InGaAs ~= 06. Para M > 50 temos a equação 7:

 

(7)

 

Sendo Ka a probabilidade de ionização por impacto [1].

 

Ruído corrente de escuro

 

A corrente é oriunda da falta de incidência de luz no semicondutor, aumentando quando o material se aquece, portanto devemos ter um cuidado com estes componentes a corrente é dada pela equação 8:

 

(8)

Onde, q é carga de elétrons, B é a largura de banda, e Is é a corrente média no semicondutor, com estes fatores podemos determinar a corrente de escuro Isd [10].

 

Ruídos de disparo

 

Este tipo de ruído acontece através da flutuação da corrente do seu valor médio e pode ser determinada pela equação 9:

 

(9)

 

Onde, q é a carga do elétron, I é a corrente continua, e B a largura de banda. Portanto se sabemos a corrente que circula no semicondutor podemos calcular a corrente de flutuação Ish.

 

Ruído quântico

 

Sabemos que a geração de luz em um semicondutor é aleatória, portanto um processo probabilístico. Com a irradiação da luz temos a flutuação deste feixe, gerando assim o ruído quântico, como podemos observar na equação 10:

 

(10)

 

Sendo, Po a potência óptica incidente [10].