Optoeletrônica - corradi.junior.nom.br

Elementos básicos de um link óptico
FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf
adaptação – Prof. Corradi
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.
Fotodetectores
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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.
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.phyastr.gsu.edu/hbase/electronic/optelcon.html#c1
Espectro eletromagnético:
http://science.howstuffworks.com/light3.htm
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.
Fotodiodos (3)
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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.
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 RL. O sinal de corrente, is, é
convertido em um sinal de tensão por um resistor de
carga, e a tensão resultante é “buffered” pelo
amplificador de tensão.
A
capacitância
CT
representa a capacitância
total associada com o
fotodiodo e o amplificador.
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 / (2pRLCT), devido à rede RC.
O ruído pode ser analisado usando o modelo de
pequenos sinais da figura. – vide “Fonte”.
Pré-amplificador óptico (4)
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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 RF é conectado nos
terminais do estágio de ganho.
Ganho de transimpedância de
malha fechada:
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.
Intervalo dinâmico – extensão
FONTE: http://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/PhDthesis.pdf
Técnicas principais para a extensão do intervalo
dinâmico do pré-amplificador.
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.
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.
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 is é acoplado, enquanto que o
componente dc, Idc, é bloqueado e desviado pelo resistor shunt
(paralelo) R. Existem, no entanto, desvantagens nesta
abordagem. – vide Fonte.
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
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.
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.
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.
Links interessantes
• http://www.national.com/onlineseminar/2004
/photodiode/PhotodiodeAmplifers.pdf, em:
• http://www.national.com/onlineseminar/2004
/photodiode/photodiode.html - Photodiode
amplifiers: Changing light to electricity.
• http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/electronic/led.html