DE3587285T2 - Optischer empfaenger mit negativer rueckkopplung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen optischen Empfänger mit negativer Rückkopplung zur Umwandlung optischer Signale in elektrische Signale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Schaltkreise werden in optischen Nachrichtenübertragungssystemen verwendet.
• Aus der FR-A 2 180 905 ist ein optischer Empfänger bekannt, welcher einen fotoempfindlichen Detektor aufweist, sowie eine Einrichtung zum Verstärken des elektrischen Ausgangssignals von diesem Detektor. Die Verstärkungseinrichtung umfaßt eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren und einen invertierenden Verstärker, um die Ausgangssignale der genannten Feldeffekttransistoren invers zu verstärken.
• Gemäß der US-A 3 801 933 umfaßt ein Verstärker einen fotoempfindlichen Detektor, welcher mit einem Paar von kaskadierten Feldeffektortransistoren gekoppelt ist, welche so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen mit einer Verstärkung von Eins arbeiten. Die Gesamteingangskapazität eines Verstärkers oder Vorverstärkers für Signale eines Meßwertumwandlers wird durch die Bereitstellung eines positiven Rückkopplungspfades von einem Transistor, welcher sich kaskadiert in Bezug auf einen zweiten Transistor befindet, neutralisiert. Der Rückkopplungspfad umfaßt die Eingangskapazitäten und neutralisiert diese dahingehend, daß die Verstärkung der kaskadierten Verstärker sich dem Wert Eins annähert.
• Aus dem Stand der Technik ist ein Transimpedanzumwandler mit einer Rückkopplung bekannt, welcher gemäß Fig. 2 (Stand der Technik) als ein optischer Empfänger dargestellt ist.
• Die Kathode eines lichtempfangenden Elements 11 ist mit dem positiven Pol einer Spannungsversorgung 12 verbunden, um eine Gegenvorspannung an den Schaltkreis anzulegen. Die Anode des lichtempfangenden Elements 11 ist mit dem Eingangsanschluß eines invertierenden Verstärkers 13 verbunden. Das Licht, welches von dem lichtempfangenden Element empfangen wird, wird in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, welches durch den invertierenden Verstärker 13 invertiert und verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 13 wird an den Eingangsanschluß des invertierenden Verstärkers 13 über einen Rückkopplungswiderstand 14 zurückgekoppelt. Eine parasitäre Kapazität 15 und eine Eingangskapazität 16 sind in dem lichtempfangenden Element 11 und dem invertierten Verstärker 13 entsprechend vorhanden, wie durch die kurzen, gestrichelten Leitungen in Fig. 2 gezeigt ist.
• Wenn man einen Spannungsverstärkungsfaktor A des invertierenden Verstärkers 13 annimmt, einen Widerstand Rf des rückkoppelnden Widerstands, CpD als der Wert der parasitären Kapazität 15 und CA als der Wert der Eingangskapazität in dem optischen Empfänger, wird eine obere Cut-Off-Frequenz fc&sub1; der Frequenzkennlinien des optischen Verstärkers durch die folgende Gleichung angenähert:
• fc&sub1; A /{2π(CpD+CA)Rf} (1)
• Fig. 3 (Stand der Technik) zeigt eine weitere herkömmliche Anordnung eines optischen Empfängers, worin das gleiche Verfahren der Transimpedanz und der negativen Rückkopplung wie dasjenige der Fig. 2 übernommen worden ist. Im Falle des Schaltkreises der Fig. 3 ist ein Verstärker 21, welcher eine Verstärkung von Eins bereitstellt, zwischen der Anode des lichtempfangenden Elements 11 und dem invertierenden Verstärker 13 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 21 wird darüber hinaus an die Kathode des lichtempfangenden Elements 11 über einen Kondensator 22 angelegt. Darüberhinaus ist ein Widerstand 23 zwischen der Kathode des lichtempfangenden Elements 11 und der Spannungsversorgung 12 angeschlossen.
• Das lichtempfangende Element 11 in diesem Schaltkreis ist mit einer positiven Rückkopplung ausgestattet in der Art einer Bootstrap-Rückkopplungsanordnung. Da die Wechselspannung auf der Anodenseite des lichtempfangenden Elements an den Verstärker 21 mit einer Verstärkung von Eins (1) angelegt wird und das Ausgangssignal an die Kathode des lichtempfangenden Elements 11 über den Kondensator 22 angelegt wird, nimmt das Wechselspannungspotential, welches über das lichtempfangende Element 11 angelegt wird, den gleichen Wert an. Infolgedessen wird die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden der parasitären Kapazität immer gleich Null. Daher wird die parasitäre Kapazität 15 nicht die Frequenzkennlinien des optischen Empfängers beeinflussen.
• Wenn man CA' als den Wert der Eingangskapazität 24 des Verstärkers 21, welche mit gestrichelten Leitungen dargestellt ist, annimmt, wird die obere Cut-Off-Frequenz fc&sub2; in der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung durch die folgende Gleichung angenähert.
• fc&sub2; A /(2π CA'Rf) (2)
• Der Vergleich der Gleichungen (1) und (2) zeigt die Tatsache, daß der Wert CpD der parasitären Kapazität 15 in der Gleichung (2) verschwunden ist und daher fc&sub2; > fc&sub1;. Folglich ist der optische Empfänger der Fig. 3 offensichtlich besser geeignet als derjenige der Fig. 2 für breitbandige Anwendungen.
• Fig. 4 (Stand der Technik) zeigt eine Schaltkreisanordnung unter Verwendung eines Feldeffekttransistors 31, welcher dem Verstärker 21 der Fig. 3 entspricht. Der Drainanschluß des Feldeffekttransistors 31 ist mit der Spannungsversorgung 12 und einem Ende des Widerstands 23 verbunden; der Gate-Anschluß ist mit der Anode des lichtempfangenden Elements 11 und einem Ende des Rückkopplungswiderstands 14 verbunden; und der Source- Anschluß ist mit einem Ende eines Source-Widerstands 32, dem Eingangsanschluß des invertierenden Verstärkers 13 und einem Ende des Kondensators 22 verbunden.
• Der Gebrauch eines Source-Folger-Feldeffekttransistors 31 als der Verstärker 21 ist für seine Effizienz bekannt. Die Source- Folgerschaltung eines Feldeffekttransistors besitzt eine Verstärkung in der Nähe von Eins und nebenbei wird die Verstärkung niemals den Wert Eins überschreiten. Darüberhinaus ist der Vorteil derjenige, daß die Eingangskapazität der Source- Folgerschaltung unter Verwendung eines bipolaren Transistors kleiner als diejenige einer Emitter-Folgerschaltung gemacht werden kann und daher ein erweitertes Frequenzband verfügbar ist.
• Die obere cUt-Off-Frequenz fc&sub2; in dem optischen Empfänger vom Typ "Transimpedanz und negative Rückkopplung" unter Verwendung der Bootstrap der Fig. 3 wird durch die Gleichung (2) ausgedrückt, um die Verstärkung des Verstärkers in seiner Eingangsstufe als Eins und die Ausgangsimpedanz als Null zu definieren. Diese Definition ist jedoch auf einen Idealfall beschränkt. Denn die obere Cut- Off-Frequenz fc&sub2; wird in dem tatsächlichen Schaltkreis durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
• f &sub2; = Au· A /[2π{(1-Au)CpD+CA'}Rf] (3-1)
• Au = Gu/{1+ (Zo/Zi)} (3-2)
• wobei Gu = unbelastete Spannungsverstärkung des Verstärkers 21; Zo = Ausgangsimpedanz des Verstärkers 21; und Zi = Eingangsimpedanz des invertierenden Verstärkers 13.
• In der Gleichung (3-2), unter der Annahme Gu = 1, Zo = O, wird Au = 1, und in der Gleichung (3-1),
• c&sub2; A /(2π CA'Rf)
• welche gleich mit fc&sub2; wird, die durch die Gleichung (2) gegeben ist.
• Wenn jedoch die Source-Folgerschaltung durch den Feldeffekttransistor 31 ersetzt wird, wenn der Verstärker 21 verwendet wird, werden keine Bedingungen, welche Gu = 1, Zo = 0 erfüllen, aufgestellt, d. h., wenn Rs als der Wert des Source- Widerstandes 32 der Source-Folgerschaltung und gm als der Gegenleitwert des Feldeffekttransistors 31 angenommen werden, werden die unbelastete Spannungsverstärkung Gu und die Ausgangsimpedanz Zo des Verstärkers 21 durch die folgenden Gleichungen angenähert:
• Gu = gmRs/(1+gmRs) (4-1)
• Zo = Rs/(1+gmRs) (4-2)
• Durch Einsetzen der Gleichungen (4-1) und (4-2) in die Gleichung (3-2) ergibt sich:
• Wenn man gm = 10 mS, Rs = 1KΩ, die Eingangsimpedanz des invertierenden Verstärkers Zi = 200 Ω als ein allgemeines Beispiel eines numerischen Wertes annimmt, ergibt sich Au = 0,63 aus der Gleichung 5. Im Falle, daß die Gleichung (3-1) als eine Referenz verwendet wird, ist der Einfluß des Wertes CpD der parasitären Kapazität des lichtempfangenden Elementes 11 auf die Frequenzkennlinien derart, daß er nicht befriedigend kompensiert werden kann. Insbesondere, wenn die Betriebsfrequenz größer als einige 10 MHz ist, wird die Eingangsimpedanz Zi des invertierenden Verstärkers 13 sich verkleinern, so daß der Effekt der Auslöschung der parasitäten Kapazitäten 15 durch die Source- Folgerschaltung des Feldeffekttransistors 31 zu einem größeren Ausmaß verringert wird.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Empfänger bereitzustellen, welcher mit Hochgeschwindigkeit betrieben werden kann mit einem verringerten Einfluß der parasitäten Kapazität eines lichtempfindlichen Elementes in einem hohen Frequenzbereich von einigen 10 MHz.
• Diese Aufgabe wird von einem optischen Empfänger gelöst, welcher die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist.
• Der Verstärker, welcher den Feldeffekttransistor und den bipolaren dazu komplementären Transistor umfaßt, wie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert, besitzt eine im wesentlichen gleichförmige Spannungsverstärkung, welche noch näher dem Wert 1 ist, und seine Ausgangsimpedanz kann minimiert werden. Aus diesem Grunde ist der Einfluß einer parasitären Kapazität auf das lichtempfangende Element verringert und die obere Cut-Off-Frequenz des optischen Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung wird größer, wodurch der Bootstrap-Effekt sogar bei hohen Frequenzen befriedigend erhalten wird.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Für sämtliche Zeichnungen gilt, daß dieselben Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile kennzeichnen.
• Fig. 1 ist eine schematische diagrammartige Schaltkreisanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 (Stand der Technik) ist ein herkömmlicher optischer Empfänger.
• Fig. 3 (Stand der Technik) ist ein weiterer herkömmlicher optischer Empfänger.
• Fig. 4 ist eine Schaltkreisanordnung unter Verwendung eines Feldeffekttransistors als der Verstärker 21 der Fig. 3 (Stand der Technik).
• Fig. 5(a) ist eine Darstellung, welche vergleichend Frequenzantworten eines herkömmlichen Schaltkreises, eines FET- Schaltkreises und eines FET-Schaltkreises mit einem zusätzlichen bipolaren Transistor zeigt.
• Fig. 5(b) ist eine schematische Darstellung eines FET- Schaltkreises.
• Fig. 5(c) ist eine schematische Darstellung eines FET- Schaltkreises zusätzlich mit einem bipolaren Transistor.
• Fig. 6(a) zeigt einen herkömmlichen optischen Empfänger mit fc = 60 MHz, zusammen mit einer Darstellung seiner Frequenzantwort.
• Fig. 6(b) zeigt einen herkömmlichen optischen Empfänger mit einem hinzugenommenen FET, welcher mit einer fc = 83 MHz betrieben wird und eine Darstellung seiner Frequenzantwort.
• Fig. 6(c) zeigt ein Schaltkreisdiagramm der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines zusätzlichen bipolaren Transistors und eine Darstellung der Frequenzantwort des Schaltkreises.
• Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Diese speziellen Ausführungsbeispiele bilden die beste Ausführungsform, welche dem Erfinder zu dem Zeitpunkt des Einreichens der Anmeldung bekannt war, um die Erfindung auszuführen. Die Beschreibung dieser Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, einschließlich aller ihrer Teile, ist dazu gedacht, den durchschnittlichen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen.
• Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, worin dieselben Bezugszeichen die gleichen Elemente der Fig. 4 kennzeichnen, auf die Beschreibung dieser Teile wird daher verzichtet. In Fig. 1 wird angenommen, daß der Feldeffekttransistor 31 vom n-Kanaltyp ist. Ein pnp-bipolarer Transistor 1, welcher komplementär zum Feldeffektransistor 31 ist, ist direkt mit dem Feldeffekttransistor 31 verbunden; z. B. die Basis des bipolaren Transistors 1 ist mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors 31 und einem Ende eines Widerstands 2 verbunden; der Emitter des bipolaren Transistors 1 ist mit dem positiven Pol einer Spannungsversorgung 12, einem Ende des Widerstands 23 und dem anderen Ende des Widerstands 2 verbunden; und der Kollektor des bipolaren Transistors 1 ist mit dem Source- Anschluß des Feldeffekttransistors 31, einem Ende des Source- Widerstands 32, einem Ende eines Kondensators 22 und einem invertierenden Verstärker 13 verbunden. Der Feldeffekttransistor 31, der bipolare Transistor l, der Source-Widerstand 32 und der Widerstand 2 bilden einen Verstärker 3, welcher durch die kurzen gestrichelten Linien in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Spannungsverstärkung G'u und die Ausgangsimpedanz Z'o des komplementären Source-Folgerverstärkers 3 werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
• worin β = Stromverstärkungsfaktor des bipolaren Transistors 1; r = Eingangswiderstand, wenn der Emitter des bipolaren Transistors 1 geerdet ist; und Rd = Wert des Widerstands 2.
• Ein Vergleich der Gleichungen (6-1), (6-2) und Gleichungen (4-1), (4-2) zeigt, daß der Gegenleitwert g'm des Verstärkers 3 gleich (1+β Rd/Rd+r) mal dem Gegenleitwertes des Feldeffekttransistors 31 der Fig. 4 ist. Unter der Annahme, daß β = 50, Rd = r und gm = 10 ins als ein Beispiel eines numerischen Wertes, wird g'm = 260 mS aus der Berechnung des Gegenleitwertes erhalten und der so erhaltene Wert ist 26 mal gm. Unter der Annahme gm = 260 mS, Rs = 1 KΩ und Zi = 200 Ω, ergibt die Berechnung von Au = 0,98. Dieser Wert ist bei weitem größer als der Wert = Au 0,63, welcher in der gleichen Art von der Berechnung der Fig. 4 erhalten wurde und folglich ist die obere Cut-Off-Frequenz erhöht, wenn die Gleichung (3-1) in Betracht gezogen wird und der aus dem Bootstrapping resultierende Effekt wird verbessert. Wenn die Ausgangsimpedanz Z'o und die Spannungsverstärkung G'u folglich entsprechend erniedrigbar und erhöhbar gemäß den Gleichungen (6- 1) und (6-2) sind, kann der Einfluß der parasitären Kapazität des lichtempfangenden Elements 11 in einem hohen Frequenzbereich, größer als einige 10 MHz, zu Null gemacht werden.
• Wenn man CA als den Wert der Eingangskapazität des invertierenden Verstärkers 13, CA = C'A = 1 pF als den Wert C'A der Eingangskapazität der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung 31 annimmt, sowie CpD = 2 pF als der Wert der parasitäten Kapazität des lichtempfangenden Elements 11, Zi = 200 Ω als die Eingangsimpedanz des invertierenden Verstärkers 13, Rf = 10 KΩ als der Wert des Rückkopplungswiderstandes 14, A = 10 als Verstärkung des invertierenden Verstärkers 13 und die vorher genannten verbleibenden numerischen Werte, wurde die Berechnung der oberen Cut-Off-Frequenz in jedem der optischen Empfänger der Fig. 1, 2 und 4 durchgeführt. Die Ergebnisse waren 150 MHz im Fall der vorliegenden Erfindung der Fig. 1, 53 MHz im Fall der herkömmlichen Schaltung der Fig. 2 und 58 MHz im Fall der herkömmlichen Schaltung der Fig. 4. Von diesen so erhaltenen Ergebnissen ist es offensichtlich, daß der Schaltkreis des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung der Fig. 1 in der Lage ist, die obere Cut-Off-Frequenz auf einen größeren Wert zu erhöhen.
• Obwohl der Verstärker 3 aus einem Feldeffekttransistor 31 vom n- Kanaltyp und dem pnp-bipolare Transistor 1 in dem vorher genannten Beispiel bestand, kann der Verstärker 3 aus einem Feldeffekttransistor vom p-Kanaltyp und einem npn bipolaren und dazu komplementären Transistor bestehen.
• Der optische Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung kann befriedigend die parasitäten Kapazitäten des lichtempfangenden Elements unter Verwendung des Bootstrap-Effekts eliminieren und funktioniert in einem Frequenzbereich, welcher einige 10 MHz oder höher sein kann. Dementsprechend ist der Schaltkreis geeignet, in einem Hochgeschwindigkeitsdaten-Nachrichtenübertragungssystem von hoher Kapazität unter Verwendung von optischen Fasern Verwendung zu finden.
• Fig. 5(a) ist eine Darstellung, welche vergleichend Frequenzantworten eines herkömmlichen Schaltkreises, eines FET- Schaltkreises und eines FET-Schaltkreises mit einem zusätzlichen bipolaren Transistor zeigt.
• Fig. 5(b) ist eine schematische Darstellung eines FET- Schaltkreises.
• Fig. 5(c) ist eine schematische Darstellung eines FET- Schaltkreises mit einem zusätzlichen bipolaren Transistor.
• Fig. 6 (einschließlich der Teile a, b und c) zeigt die vergleichenden Testergebnisse. In Fig. 6(a) ist ein herkömmlicher optischer Empfänger mit einer fc = 60 MHz, zusammen mit einer Darstellung seiner Frequenzantwort, gezeigt. In Fig. 6(b) ist ein herkömmlicher optischer Empfänger mit einem hinzugefügten FET gezeigt, welcher mit einer Frequenz fc = 83 MHz betrieben wird, sowie eine Darstellung seiner Frequenzantwort. In Fig. 6(c) ist ein Schaltkreisdiagrainin der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des zusätzlichen bipolaren Transistors sowie eine Darstellung der Frequenzantwort des Schaltkreises gezeigt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, ist die Antwort über einen weiteren Frequenzbereich flach, verglichen mit einer der Anordnungen aus dem Stand der Technik.
• Andere Ausführungsbeispiele und Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich, welche auch die Vorteile der vorangehend dargestellten Lehre besitzen. Es ist daher klar, daß die Erfindung nicht unzulässigerweise beschränkt sein soll und solche Modifikationen, welche innerhalb der Reichweite der Ansprüche sich befinden, davon umfaßt sind.

Claims (5)

1. Optischer Empfänger mit negativer Rückkopplung, umfassend:

ein lichtempfangendes Element (11) mit einem ersten Ende, welches mit einer Spannungsversorgung (12) über einen Widerstand (23) verbunden ist,

einen Feldeffekttransistor (FET) (31), welcher in Source- Folger-Anordnung gekoppelt ist, mit einem Gate- Eingangsanschluß, welcher mit einem zweiten Ende des lichtempfangenden Elements (11) verbunden ist,

einen invertierenden Verstärker (13) zur inversen Verstärkung des Ausgangssignals des FET,

einen Rückkopplungswiderstand (14), welcher ein Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers (13) dem Gate-Eingangsanschluß des Feldeffekttransistors (31) zuführt,

einen Kondensator (22), welcher eine Wechselspannungsausgangs- Signalkomponente des FET (31) einem Ende des lichtempfangenden Elements (11) zuführt, gekennzeichnet durch einen bipolaren Transistor (1) mit einem Basisanschluß, welcher mit dem Drain-Anschluß des FET (31) verbunden ist und einem Kollektor-Anschluß, der mit dem Source-Anschluß des FET (31) und dem Eingangsanschluß des invertierenden Verstärkers (13) verbunden ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor (1) vom pnp-Typ und der FET vom n- Kanal-Typ ist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisanschluß des bipolaren Transistors (1) mit der Spannungsversorgung (12) über einen zweiten Widerstand (2) angeschlossen ist.

4. Optischer Empfänger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitteranschluß des bipolaren Transistors (1) mit der Spannungsversorgung (12) verbunden ist.

5. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor (1) vom npn-Typ und der FET vom p- Kanal-Typ ist.