DE3204839C2 - Fotodiodenverstärker mit großem Dynamikbereich - Google Patents

Abstract

Lichtwellenleiterstrecken enthalten in bestimmten Abständen eingesetzte Zwischenverstärkerstationen, in denen die Lichtsignale in elektrische Signale umgeformt und erneut verstärkt werden. Da die von der Lichtwellenleiterstrecke abgegebene Lichtleistung vergleichsweise sehr gering ist und außerdem in einem gewissen Bereich schwanken kann, wird ein entsprechender Verstärker vorgeschlagen, dessen Verstärkungsgrad in Abhängigkeit von einer extern angelegten Steuerspannung veränderbar ist. Der Aufbau des Verstärkers erfolgt mittels zweier Verstärkerstufen, wobei dem Kollektorwiderstand der ersten Verstärkerstufe eine Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors parallelgeschaltet ist, so daß der wirksame Kollektorwiderstand und damit die Verstärkung in Abhängigkeit von der der am Gateanschluß des Feldeffekttransistors anliegenden Spannung veränderbar ist. Die Erfindung wird insbesondere in den Eingangsverstärkern von Lichtwellenleiterstrecken eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung zum Anschluß an ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere eine Fotodiode, mit zwei Verstärkerstufen und einem Feldeffekttransistor.

Die Übertragung von Lichtimpulsen über Lichtwellenleiterstrecken erfordert ähnlich der Übertragung von Impulssignale'n über Kupferkabel in bestimmten Abständen in die Lichtwellenleiterstrecke eingesetzte Zwischenverstärkerstationen. Wegen der großen Modulationsbandbreite der als Lichtwellenleiter verwendeten Gradienten- oder Monomodefasern bei den zur Anwendung kommenden Übertragungsgeschwindigkeiten von beispielsweise 34 Mbits/s erfolgt eine Impulsverzerrung durch den Lichtwellenleiter nur in sehr geringem Maße. Daher sind im allgemeinen in den Zwischenverstärkerstationen aufwendige einstellbare oder adaptive Entzerrer mit Vorverstärker nicht erforderlich. Damit entfällt aber die Möglichkeit, die Verstärkung in den Eingangsverstärkern unterschiedlichen Eingangsleistungen anpassen zu können. Ursachen für die schwankende Eingangsleistung sind hauptsächlich Schwankungen in der Sendeleistung der im Signalweg vorher angeordneten Zwischenverstärkerstation, unterschiedliche Länee der Lichtwellenleiter und unterschiedliche Dämpfung im Lichtwellenleiter durch Strahlung dei verwendeten Sendediode bei einer etwas anderen als der vorgesehenen Wellenlänge; außerdem ist zum Ausgleich von beispielsweise durch Spleiße verursachten Dämpfungen eine Systemreserve bei derartigen Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken vorgesehen, die im Lauf der Zeit aufgebraucht wird und zu einer veränderten Eingangsleistung in den Zwischenverstärkerstationen führt

ίο Eine Anpassung des Fotoempfängers an die Lichtwellenleiterstrecke erfolgte bisher durch Zwischenschaltung von Dämpfungsgliedern, insbesondere beim Aufbau der Strecke. Eine derartige Lösung ist nachteilig, da eine individuelle Anpassung der einzelnen Zwischenverstärkerstelle an die Strecke notwendig ist und sich zusätzlich Störungen durch mechanische Steckverbindungen im Lichtweg ergeben können, weitere Nachteile ergeben sich durch ein zusätzliches Modenrauschen bei Laserbetrieb und dadurch, daß die Dämpfung nur schlecht reproduzierbar, ist. Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Eingangsdynamik ergibt sich bei Verwendung von Lawinenfotodioden dadurch, daß durch Änderung der Speisespannung der Fotodiode der Vervielfachungsfaktor und damit der optoelektrische Wirkungsgrad der Fotodiode veränderbar ist. Diese Änderung des optoelektrischen Wirkungsgrades der verwendeten Fotodiode ermöglicht aber lediglich einen Bereich iür die Eingangsdynamik von etwa 1OdB, sie ist außerdem bei PIN-Fotodioden nicht möglich.

Aus der DE-PS 28 11 726 ist bereits ein Empfänger für Lichtimpulse bekannt, der eingangsseitig eine PIN-Fotodiode mit einem nachgeschalteten zweistufigen Verstärker mit mindestens einem Feldeffekttransistor enthält. Eine Anpassung an unterschiedliche Eingangsleistungen ist bei diesem bekannten Empfänger für Lichtimpulse auf die bereits erwähnten Maßnahmen beschränkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art mit einem großen Bereich für die Eingangsdynamik zu schaffen, die außerdem die üblichen Ansprüche hinsichtlich rauschoptimalei· Auskopplung der vom Fotoempfänger abgegebenen elektrischen Signale, hoher Verstärkung und geringer Stromaufnahme zusammen mit einem mögliehst hohen Eingangswiderstand und einem möglichst kleinen Eigenrauschen aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Transistor vorgesehen ist, dessen Basisanschluß mit dem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement verbunden ist, dessen Emitteranschluß mit Bezugspotential verbunden ist, dessen Kollektoranschluß über einen Kollektorwiderstand mit einer Speisespannungsquelle mit dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors und mit einem Basisanschluß eines zweiten Transistors verbunden ist, daß es sich beim ersten und beim zweiten Transistor um bipolare Transistoren handelt, daß der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors mit der Speisespannungsquelle und dessen Gate-Anschluß über einen ersten Widerstand mit einer Steuerspannungsquelle verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des zweiten Transistors mit der Speisespannungsquelle verbunden ist, daß der Emitteranschluß des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand mit Bezugspotential, mit einem Ausgangsanschluß und über einen dritten Widerstand mit dem Basisanschluß des ersten Transistors verbunden ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dadurch, daß der Eingangs-

anschluß der Verstärkeranordnung über einen vierten Widerstand mit Bezugspotential und über einen Koppelkondensator mit dem BasisanschluB des ersten Transistors verbunden ist und daß der Eingangsanschluß außerdem mit dem einen Anschluß einer Lawinendiode als lichtempfindliches Halbleiterbauelement verbunden ist, deren anderer Anschluß an eine weitere Steuerspannungsquelle angeschlossen ist

Die in der F i g. 1 dargestellte Verstärkerano-dnung enthält einen Eingangsanschluß E, an den über einen Koppelkondensator C der Basisanschluß eines ersten Transistors Ti vom npn-Typ angeschlossen ist Während der Emitteranschluß dieses Transistors mit Bezugspotential UO verbunden ist, ist der Kollektoranschluß dieses Transistors mit dem Source-Anschluß eines Feldeffekttransistors 7*2, über einen Kollektorwiderstand Äcrnit der Speisespannungsquelle UB und mit dem Basisanschluß eines zweiten Transistors 7*3 vom npn-Typ verbunden. Der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors 7*2 ist mit der Speisespannungsquelle verbunden, der Gate-Anschluß dieses Transistors ist über einen ersten Widerstand R 1 mit einer Steuerspannungsquelle US verbunden.

Die zweite Stufe des Verstärkers nach der F i g. 1 wird durch den Transistor 7"3 gebildet, der als Emitterfolger geschaltet ist und dessen Kollektoranschluß deshalb direkt mit der Speisespannungsquelle UB verbunden ist, während an den Emitteranschluß dieses Transistors der Ausgangsanschluß UA, über einen zweiten Widerstand R 2 Bezugspotential UO und über einen dritten Widerstand R 3 der Basisanschluß des ersten Transistors 7Ί angeschlossen sind. Der Widerstand R 2 kann auch als Spannungsteiler ausgebildet sein (R 2IR 2'), um ein geeignetes Gleichpotential am KoI-lektoranschluß von Π zu erzeugen. Außerdem ist es zweckmäßig, eine Diode D1 vorzusehen, um den Temperaturgang vom Transistor TX auszugleichen.

Die beschriebene Verstärkeranordnung ist als sogenannter Transimpedanzverstärker aufgebaut, so daß sich ein vergleichsweise sehr hoher Eingangswiderstand und ein vergleichsweise niedriger Ausgangswiderstand ergibt. Der hohe Eingangswiderstand wird im Hinblick auf eine optimale Ankopplung an die als Fotoempfänger verwendete Lawinendiode PD benötigt, diese Diode ist einerseits mit einer Quelle für eine regelbare Vorspannung UD und andererseits über einen vierten Widerstand RA mit Bezugspotential UO und außerdem mit dem Eingangsanschluß £der Verstärkeranordnung verbunden.

Der vom Eingang E des Verstärkers aufgenommene Strom Ie fließt zusammen mit dem, den Widerstand R 3 durchfließenden Rückkopplungsstmm in die Basis des Transistors 7*1 und bewirkt eine Kollektorstromänderung dieses Transistors, die zu einer Änderung der KoI-lektoi spannung an diesen Transistor führt. Die Änderung der Kollektorspannung ergibt sich an der Parallelschaltung des Kollektorwiderstandes Rc und der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 7*2, der in diesem Falle nur als veränderlicher Widerstand wirkt

ίο Der effektive Kollektorwiderstand ändert sich dabei in weiten Grenzen, da der Source-Drain-Widerstand des Feldeffekttransistors zwischen einigen MJ2 und ca. 20 Ω veränderbar ist

Der fiktive Rückkopplungswiderstand Rk, an dem schließlich nach Verstärkung der Fotostrom, also der Eingangsstrom Ie, die Ausgangsspannung UA erzeugt ergibt sich dabei in folgender Weise.

Rk =

rl+R3 R_t-ß

UA Ie

wobei unter r 1 der wechselstrommäßige Basis-Emitterwiderstand des Transistors Ti und unter β die wirksame Stromverstärkung dieses Transistors verstanden werden soll. Wird der Widerstand R 3 so dimensioniert, daß der Eingangswiderstand r 1 gegenüber diesem Widerstand vernachlässigt werden kann, dann kann davon ausgegangen werden, daß der fiktive Rückkopplungswiderstand Rk direkt vom wirksamen Kollektorwiderstand des Transistors T1 und damit von der Steuerspannung t/Sdes Feldeffekttransistors 7*2 abhängig ist. Damit ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit einer externen Einstellung des Verstärkungsgrades der ersten Verstärkerstufe innerhalb eines weiten Dynamikbereichs.

Wegen der sehr geringen Ströme durch die Lawinenfotodiode PD kann zur Vereinfachung sowohl der Koppelkondensator CaIs auch der Widerstand R 4 entfallen. Anstelle der Lawinenfotodiode PD können in üblicher Weise auch andere Lichtempfänger, also beispielsweise PIN-Dioden oder Fototransistoren, Verwendung finden.

Die Verwendung einer derartigen Verstärkeranordnung ist neben dem beschriebenen Einsatz in Lichtwellenleiter-Übertragungsstreck jn auch in Schalteinrichtungen, beispielsweise mit Licht betriebenen Koppelfeldern, von Vorteil, da auch in diesen Fällen erhebliche Schwankungen hinsichtlich der Lichteingangsleistung auftreten und deshalb auch dort ein großer zulässiger

so Eingangsdynamikbereich von Vorteil ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verstärkeranordnung zum Anschluß an ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere eine Fotodiode, mit zwei Verstärkerstufen und einem Feldeffekttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Transistor (Tl) vorgesehen ist, dessen Basisanschluß mit dem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement verbunden ist, dessen Emitteranschluß mit Bezugspotential verbunden ist, dessen Kollektoranschluß über einen Kollektorwiderstand (Rc) mit einer Speisespannungsquelle (UB), mit dem Source-Anschluß (S) des Feldeffekttransistors (T2) und mit einem Basisanschluß eines zweiten Transistors (T2) verbunden ist, daß es sich beim ersten und beim zweiten Transistor (Tl, T3) um bipolare Transistoren handelt, das der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors mit der Speisespannungsquelle und dessen Gate-Anschluß (G) über einen ersten Widerstand (R I) mit einer Steuerspannungsquelle (US) verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des zweiten Transistors (T3) mit der Speisespannungsquelle (UB) verbunden ist, daß der Emitteranschluß des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand (R 2) mit Bezugspotential (UO), mit einem Ausgangsanschluß (UA) und über einen dritten Widerstand (R 3) mit dem Basisanschluß des ersten Transistors (Tl) verbunden ist.

2. Verstärkeranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (E) der Verstärkeranordnung über einen vierten Widerstand (R 4) mit Bezugspotential (UO) und über einen Koppelkondensator (C) mit dem Basisanschluß des ersten Transistors (Tl) verbunden ist und daß der Eingangsanschluß (E) außerdem mit dem einen Anschluß einer Lawinendiode (PD) als lichtempfindliches Halbleiterbauelement verbunden ist, deren anderer Anschluß an eine weitere Steuerspannungsquelle (UD) angeschlossen ist.