Elementos básicos de um link óptico FONTE: adaptação – Prof. Corradi

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1 Elementos básicos de um link óptico FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf adaptação – Prof. Corradi www.corradi.junior.nom.brhttp://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf www.corradi.junior.nom.br Transmissor  Receptor Sinal óptico: gerado por um LED ou laser. Meio de propagação: ar ou um guia de ondas como uma fibra óptica. Receptor: fotodetector  converte sinal óptico em uma corrente elétrica.

2 Fotodetectores FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Dispositivos semicondutores que convertem a luz incidente em uma corrente elétrica (ex: fotodiodos, fototransistores). Fotodiodos: Melhor resposta em freqüência  comunicações ópticas de alta freqüência. Usualmente são operados na polarização reversa. Modelo equivalente para pequenos sinais.

3 Fotodiodos FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf is: Fotocorrente principal  gerada pela criação de pares elétron-lacuna quando a luz incidente penetra no diodo. http://electronics.howstuffworks.com/led1.htm http://electronics.howstuffworks.com/led2.htm http://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbase/electronic/optelcon.html#c1 Espectro eletromagnético: http://science.howstuffworks.com/light3.htm

4 Fotodiodos (2) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf A sensibilidade do fotodetector é uma função do comprimento de onda  para maximizar a eficiência de potência, o comprimento de onda da fonte óptica deve ser “casada” no sentido espectral (em freqüência) ao fotodiodo. Fotodiodos de silício (aplicações de baixo custo) possuem um pico de eficiência espectral na região do infra-vermelho.

5 Fotodiodos (3) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf

6 Pré-amplificador óptico FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Fornece a interface para o fotodiodo com o restante do circuito. Tipicamente, o pré-amplifiador converte a fotocorrente recebida em um sinal de tensão. Pré-amplificador  papelo crucial na determinação de vários aspectos do desempenho geral do receptor, incluindo velocidade, sensibilidade e intervalo dinâmico.

7 Pré-amplificador óptico (2) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Pré-amplificador óptico: tipicamente baseados em um resistor de terminação ou um amplificador de transimpedância. No primeiro caso: o fotodiodo é conectado a um resistor de carga R L. O sinal de corrente, i s, é convertido em um sinal de tensão por um resistor de carga, e a tensão resultante é “buffered” pelo amplificador de tensão. A capacitância C T representa a capacitância total associada com o fotodiodo e o amplificador.

8 Pré-amplificador óptico (3) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf A escolha da resistência de carga afeta a tanto a resposta em freqüência quanto o desempenho do pré-amplificador em relação ao ruído. A largura de banda intrínseca do pré-amplificador é igual a 1 / (2  R L C T ), devido à rede RC. O ruído pode ser analisado usando o modelo de pequenos sinais da figura. – vide “Fonte”.

9 Pré-amplificador óptico (4) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Pré-amplificadores ópticos baseados no amplificador de transimpedância: mais populares  evitam o problema do intervalo dinâmico associado a projetos de elevada impedância;  fornecem um bom compromisso entre elevadas larguras de banda associadas a um projeto de baixa impedância e o desempenho de baixo ruído associado a um projeto de alta impedância. O resistor R F é conectado nos terminais do estágio de ganho. Ganho de transimpedância de malha fechada:

10 Pré-amplificador óptico (5) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Desafio de projeto de pré-amplificadores ópticos: otimização de condições conflitantes relativas à sensibilidade, à velocidade e ao ganho de transimpedância. Aplicações recentes de comunicações ópticas têm introduzido especificações adicionais ao receptor, como elevado intervalo dinâmico, rejeição à luz ambiente e operação a tensões baixas. Elevado intervalo dinâmico: acomodar distâncias variáveis dos links. Por exemplo, padrões IrDA especificam um intervalo dinâmico de 51dB de modo a suportar distâncias nos links de 0cm a 100cm.

11 Intervalo dinâmico – extensão FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Técnicas principais para a extensão do intervalo dinâmico do pré-amplificador.

12 Rejeição à luz ambiente FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Em um link óptico sem fio (wireless), o receptor deve operar no ambiente do usuário, e deve ser capaz de detectar sinais mesmo na presença de forte luz ambiente. A luz ambiente afeta o receptor por gerar ruído no fotodiodo e por sobrepor um sinal de luz adicional ao sinal desejado. Há várias fontes de luz ambiente, tanto natural quanto artificial. Para receptores ópticos sem fio que tipicamente utilizam fotodiodos Si, o interesse principal é na caracterização de fontes de luz ambiente nas proximidades do infravermelho.  A luz solar direta é a fonte mais intensa de luz ambiente com potência significativa no infravermelho.

13 Rejeição à luz ambiente (2) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf No entanto, sua intensidade varia lentamente (seu efeito pode, portanto, ser filtrado, desde que esta variação seja a uma freqüência muito menor do que a do sinal desejado). Luz ambiente artificial  lâmpadas incandescentes e fluorescentes. Lâmpadas incandescentes também radiam potência significativa na região do infravermelho. Como esta lâmpada é alimentada diretamente da rede elétrica, sua intensidade é modulada na freqüência da linha (50Hz ou 60Hz) e em suas harmônicas maiores. Por sua vez, lâmpadas fluorescentes costumam emitir níveis relativamente baixos de luz infravermelha, mas produzem flutuações luminosas periódicas com componentes harmônicos significativos até 1MHz.

14 Rejeição à luz ambiente (3) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Duas alternativas principais para a rejeição de luz ambiente no pré-amplificador: Acoplamento ac do fotodiodo ao pré-amplifiador: o sinal de corrente de alta freqüência i s é acoplado, enquanto que o componente dc, I dc, é bloqueado e desviado pelo resistor shunt (paralelo) R. Existem, no entanto, desvantagens nesta abordagem. – vide Fonte.

15 Rejeição à luz ambiente (4) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Alternativa à rede RC passiva  utilização de uma malha de realimentação ativa em torno do amplificador de transcondutância

16 Operação a baixas tensões FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Motivação: integração dos sistemas (CIs) e baixo consumo de potência, principalmente em aplicações portáteis e aquelas que necessitam de um backup a bateria. Sistemas de fibra óptica tradicionais não tiveram de lidar com tensões de alimentação de valor baixo uma vez que seu projeto visava prioritariamente desempenho do que custo. Deste modo, muito precisa ser feito ainda no desenvolvimento de transmissores e receptores de baixa tensão.

17 Operação a baixas tensões (2) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Transmissor  desafios envolvem principalmente a geração e a modulação da luz. À medida que a tensão da fonte descresce, ela se aproxima da tensão de polarização direta necessária hoje para ligar LEDs e diodos laser. A modulação da luz para codificar informação é também um desafio, e novas técnicas que permitem uma modulação a altas velocidades mesmo frente a baixas tensões estão em estudo. – vide Fonte.

18 Operação a baixas tensões (3) FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf Receptor  desafios de uma operação a baixas tensões incluem uma excursão reduzida do sinal ac que limita o intervalo dinâmico, e uma tensão de polarização baixa para o fotodiodo diminui a eficiência quântica e aumenta a capacitância do dispositivo. O pré-amplificador, em particular, deve ser capaz de maximizar a tensão de polarização reversa do fotodiodo enquanto mantém simultaneamente uma elevada excursão do sinal.  Objetivos conflitantes em muitos projetos de amplificadores de transimpedância. – exemplos: vide Fonte.

19 Links interessantes http://www.national.com/onlineseminar/2004 /photodiode/PhotodiodeAmplifers.pdf, em:http://www.national.com/onlineseminar/2004 /photodiode/PhotodiodeAmplifers.pdf http://www.national.com/onlineseminar/2004 /photodiode/photodiode.html - Photodiode amplifiers: Changing light to electricity.http://www.national.com/onlineseminar/2004 /photodiode/photodiode.html http://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbase/electronic/led.htmlhttp://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbase/electronic/led.html