DE3735568A1 - Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker zur Verwendung in einem Empfänger eines optisch-elektrischen Kreises. Sie betrifft insbesondere einen Verstärker gemäß den Oberbe­ griffen der Patentansprüche 1 und 7.

Eine Eigenschaft von Verstärkern oder Vorverstärkern für mit Hilfe eines Umformers, namentlich einer Fotodiode, auf­ genommene Signale ist das Rauschen, das die Wiedergabe des Signals beeinträchtigt. Umformer, wie Germanium-, Silizium- und InGaAs-Fotodioden, haben eine elektrische Kapazität als wesentliches Impedanz-Glied. Es ist bekannt, daß die Bandbreite des Verstärkers umgekehrt proportional zur Ein­ gangskapazität und zum Lastwiderstand des Umformers ist. Es ist daher wünschenswert, sowohl die effektive Eingangs­ kapazität als auch den Lastwiderstand zu vermindern, um die Betriebsbandbreite des Verstärkers zu verbessern. Diese Verminderungen beeinträchtigen jedoch sowohl das Rausch­ verhalten als auch die Empfindlichkeit des Systems.

Es wurde eine Reihe von Schaltungen entwickelt, um die von den Eingangskapazitäten herrührenden Effekte, insbesondere bei Eingangsniveaus mit niedriger Signalspannung, zu neu­ tralisieren. Eine solche Vorrichtung wird in der US-PS 39 27 383 beschrieben. In der bekannten Anordnung wird die Fotodiode parallel zu Gate und Source eines Feldeffekt­ transistors (FET) geschaltet. Die Source-Elektrode des FET wird mit dem Eingang eines Gegenkopplungsverstärkers ver­ bunden, welcher über einen mit dem Gate des FET verbundenen Lastwiderstand Spannung rückkoppelt. Durch Schalten des Fotodetektors parallel zu den Gate- und Source-Elektroden des FET wird eine Mitkopplung erreicht, welche die dem Foto­ detektor innewohnende Eingangskapazität neutralisiert, in­ dem die von auf den Fotodetektor fallenden Eingangswellen­ energien herrührenden Spannungen bzw. Potentialvariationen am Fotodetektor minimiert werden. Weiterhin vermindert die Gegenkopplung die effektive Impedanz des Lastwiderstandes.

Eine ähnliche Schaltung wird in der US-PS 35 45 233 ange­ geben; es wird jedoch ein zusätzlicher Pufferverstärker nach dem Rückkopplungsverstärker vorgesehen. Diese bekann­ ten Transimpedanz-Verstärker besitzen zwar einen sehr emp­ findlichen und ausgedehnten Breitbandbetrieb, sie haben jedoch einen beschränkten Dynamik- bzw. Aussteuerungsbe­ reich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die Anwendung in einem faseroptischen Empfänger geeigneten Ver­ stärker zu schaffen, dessen Dynamikbereich durch Schalten des Verstärkers aus einer Niederleistungs-Transimpedanz- Betriebsweise in eine Hochleistungs-Folger-Betriebsweise zu verbessern ist. Insbesondere soll ein für die Anwendung in einem faseroptischen Empfänger geeigneter Verstärker geschaffen werden, der zwischen einer Transimpedanz-Be­ triebsart und einer Folger-Verstärker-Betriebsart hin- und herzuschalten ist. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 und/oder 7 beschrieben. Verbesserun­ gen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird ein Verstärker geschaffen, der zwischen einer Transimpedanz-Betriebsweise mit großer Band­ breite und einer verbesserten Dynamik-Bereich-Folger-Be­ triebsweise zu schalten ist und dazu dient, Signale, die in Wellenform von einem Umformer empfangen und in elektri­ sche Signale umgewandelt sind, zu verstärken.

Der erfindungsgemäße Verstärker umfaßt erste Verstärker­ mittel mit einem Eingang, der auf eine Verbindungsstelle zwischen dem Umformer und einer ersten Umformer-Lastimpe­ danz geschaltet wird. Zum Verstärker gehören ferner zweite Verstärkermittel, die mit dem Ausgang der ersten Verstär­ kermittel verbunden werden und deren eigener Ausgang mit der ersten Umformer-Lastimpedanz gekoppelt wird. Die zwei­ ten Verstärkermittel besitzen eine erste Betriebsweise zum Liefern einer Spannungsrückkopplung über die erste Umfor­ mer-Lastimpedanz zum Eingang der ersten Verstärkermittel. Zu dem gesamten Verstärker gehört ferner ein Ausgangsglied, das auf den Ausgang der ersten Verstärkermittel zu schalten ist, um ein Ausgangssignal als Antwort auf den Empfang des durch den Umformer aufgenommenen Wellenenergiesignals bzw. Wellensignals zu liefern.

Eine durch die Erfindung zu erzielende Verbesserung besteht darin, daß der Verstärker eine zweite Umformer-Lastimpedanz besitzt, die auf die Verbindungsstelle zwischen Umformer, erster Umformer-Lastimpedanz und dem Eingang der ersten Verstärkermittel geschaltet wird. Die Größe der zweiten Umformer-Lastimpedanz soll kleiner sein als diejenige der ersten Umformer-Lastimpedanz. Ein weiteres Merkmal des er­ findungsgemäßen Verstärkers besteht darin, daß die zweiten Verstärkermittel nicht nur auf die oben beschriebene erste Betriebsweise sondern alternativ auch in einer zweiten Be­ triebsweise arbeiten können, in der sie die Spannungsrück­ kopplung auf den Eingang der ersten Verstärkermittel wirk­ sam vermindern. Schließlich besteht ein Merkmal des erfin­ dungsgemäßen Gesamtverstärkers darin, daß mit der zweiten Umformer-Lastimpedanz verbundene Schaltmittel vorgesehen werden, die dazu dienen, die zweite Lastimpedanz in den Kreis oder aus dem Kreis des Umformers zu schalten, um die gesamte Lastimpedanz des Umformers wirksam zu verändern und entsprechend die zweiten Verstärkermittel in der ersten oder der zweiten Betriebsweise arbeiten zu lassen, wodurch der Gesamtverstärker in seine Transimpedanz-Betriebsweise oder in seine Folger-Betriebsweise zu schalten ist.

Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zwischen einem Breitband-Transimpedanz-Betrieb und ei­ nem verbesserten Dynamikbereich-Folger-Betrieb schaltbarer Verstärker zum Verstärken von Wellenenergiesignalen ge­ schaffen. Der Verstärker enthält eine Feldeffekt-Halblei­ ter-Vorrichtung mit einer Gate-, einer Drain- und einer Source-Elektrode. Die Vorrichtung arbeitet in einem stabi­ len Betriebszustand bei einer Verstärkung nahe Eins. Der Verstärker enthält einen Umformer zum Erzeugen eines elek­ trischen Stroms als Antwort auf den Empfang einer Wellen­ energie. Eine Seite des Umformers wird mit der Gate-Elektro­ de und die andere Seite mit einem Umformer-Vorspannungs­ potential verbunden. Der Gesamtverstärker enthält ferner einen mit der Source-Elektrode der Halbleiter-Vorrichtung verbundenen Gegenkopplungsverstärker. Dieser kann in einer ersten Betriebsweise zum Erzeugen einer durch den elektri­ schen Strom des Umformers ausgelösten Gegenkopplungsspan­ nung betrieben werden. Eine erste Umformer-Lastimpedanz wird zwischen die Gate-Elektrode der Halbleitervorrichtung und den Gegenkopplungsverstärker geschaltet. Ferner wird ein Ausgangs-Pufferglied auf die Source-Elektrode der Halb­ leitervorrichtung geschaltet, um ein Ausgangssignal zu er­ halten, das der im Umformer empfangenen Wellenenergie ent­ spricht.

Ein wesentliches Merkmal dieser Abwandlung des Verstärkers besteht darin, daß eine zweite Umformer-Lastimpedanz mit einer Seite auf die Gate-Elektrode der Feldeffekt-Halblei­ tervorrichtung geschaltet wird, während das andere Ende der zweiten Lastimpedanz mit einem Vorspannungspotential verbun­ den wird. Die zweite Umformer-Lastimpedanz soll kleiner sein als die erste Umformer-Lastimpedanz. Ferner soll der Gegenkopplungsverstärker wiederum in einer zweiten Betriebs­ weise arbeiten können, um dann die Gegenkopplungsspannung an der ersten Umformer-Lastimpedanz wirksam vermindern zu können. Ein weiteres Merkmal dieses Gesamtverstärkers be­ steht darin, daß mit der zweiten Umformer-Lastimpedanz kom­ binierte bzw. vereinigte Schaltmittel vorgesehen werden, die dazu dienen, die zweite Umformer-Lastimpedanz wirksam in den Kreis und aus dem Kreis mit der Gate-Elektrode der Halbleitervorrichtung zum Ändern der gesamten Lastimpedanz am Umformer zu schalten, und die ferner dazu dienen, die Vorspannung des Gegenkopplungsverstärkers zu ändern, um den letzteren wahlweise in seiner ersten oder zweiten Betriebs­ weise zu betreiben und damit den Gesamtverstärker in seine Transimpedanz-Betriebsweise oder seine Folger-Betriebsweise zu bringen.

Wenn im folgenden von einer Verbindung, Kopplung oder (Zu­ sammen-)Schaltung von zwei Komponenten gesprochen wird, ist darunter zu verstehen, daß die Komponenten entweder direkt oder indirekt über ein oder mehrere Zwischenkomponenten verbunden werden.

Ferner wird im vorliegenden Zusammenhang unter dem Begriff "Folger-Betriebsweise" ein Folger-Verstärker verstanden, der das jeweilige Signal invertiert bzw. umkehrt oder nichtinvertiert.

Im Rahmen der Erfindung ergibt sich ein Vorteil durch Schal­ ten der zweiten Umformer-Lastimpedanz in den Kreis und aus dem Kreis. Wenn die zweite Umformer-Lastimpedanz in den Kreis eingeschaltet wird, verursacht sie eine Verminderung des effektiven Lastwiderstandes des Umformers, wodurch der Verstärker in die Lage versetzt wird, energiereichere Sig­ nale nachzuweisen, weil sein Dynamikbereich vergrößert wird. Das Schalten der kleineren, zweiten Lastimpedanz par­ allel zur höheren, ersten Lastimpedanz verändert auch die Gleich-Vorspannung, die über die ersten Verstärkermittel an den zweiten Verstärkermitteln anliegen. Als Ergebnis der Änderung der an den zweiten Verstärkermitteln anliegen­ den Vorspannung wird deren Verstärkung wesentlich vermin­ dert oder die zweiten Verstärkermittel können in der zwei­ ten Betriebsart ausgeschaltet werden. Im Ergebnis wechselt der erfindungsgemäße Gesamtverstärker zwischen einem Trans­ impedanz-Verstärker mit guter Empfindlichkeit auf einem Breitbandbereich zu einem Folger-Verstärker mit verbesser­ tem Dynamikbereich.

Während also der erfindungsgemäße Verstärker in seiner Transimpedanz-Betriebsart besonders gut geeignet ist zum Verstärken von durch den Umformer aufgenommenen niederener­ getischen Signalen, wird der Verstärker nicht gesättigt, wenn hochenergetische Signale empfangen werden, weil der Verstärker in seine Folger-Betriebsweise umzuschalten ist, in der wegen der Änderung der Umformer-Lastimpedanz die Verstärkerempfindlichkeit vermindert und das Sättigungs­ energieniveau des Verstärkers vergrößert ist. Wegen der Möglichkeit, den Verstärker in seiner Folger-Betriebsart arbeiten zu lassen, wird er als einen verbesserten Dynamik­ bereich besitzend angesehen.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbei­ spielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Verstärkers mit großem Dyna­ mikbereich;

Fig. 2 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels des Verstärkers;

Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels des Verstärkers.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen, schaltbaren Verstärkers 9. Der Verstärker 9 ent­ hält einen Umformer in Form eines Fotodetektors 15 zum Emp­ fang von Wellenenergiesignalen und zum Umwandeln der Wellen­ signale in elektrische Signale. Mit dem Ausgang des Foto­ detektors 15 werden eine erste Lastimpedanz in Form eines Rückkopplungswiderstandes 17 und eine zweite Lastimpedanz in Form eines Widerstandes 19 verbunden. Der Widerstand 19 kann mit Hilfe eines zu einer Klemme 23 mit passender Vorspannung führenden Schalters 21 zu der Gesamtschaltung nach Fig. 1 zugeschaltet oder von ihr getrennt werden.

Das durch den als Fotodiode 15 ausgebildeten Umformer emp­ fangene und umgewandelte Signal wird zunächst durch den ersten Verstärker 25 geleitet. Das Signal wird über einen Koppelkondensator 27 positiv zur anderen Seite der Fotodi­ ode 15 derart zurückgekoppelt, daß die der Fotodiode 15 innewohnende Eingangskapazität neutralisiert und dadurch die Bandbreite des Verstärkerbetriebs vergrößert wird. Als erster Verstärker 25 wird vorzugsweise ein Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor Eins eingesetzt.

Das Signal wird dann vom ersten Verstärker 25 kommend durch einen zweiten Verstärker 29 geleitet. Der zweite Verstärker 29 enthält einen Umkehrverstärker 31 mit veränderbarem Ver­ stärkungsfaktor und wahlweise einen Pufferverstärker 33 mit dem Verstärkungsfaktor Eins. Das Signal kann vom Umkehrver­ stärker 31 bzw. Pufferverstärker 33 über den Rückkopplungs­ widerstand 17 zum Eingang des ersten Verstärkers 25 rückge­ koppelt werden. Falls erwünscht, kann das Signal letztlich durch einen weiteren Pufferverstärker 35 mit Verstärkungs­ faktor Eins geleitet werden. Das Ausgangssignal kann also wahlweise an den Ausgängen Vo, Vo′ oder Vo′′ je nach Betriebsweise der Schaltung abgenommen werden.

Bei Empfang eines Signals niedriger Energie arbeitet der Verstärker als Transimpedanz-Verstärker, wenn der Schalter 21 von Fig. 1 geöffnet ist. In dieser Betriebsweise wird das Signal über den Rückkopplungswiderstand 17 zurückge­ führt, und die Lastimpedanz, gesehen von der Fotodiode (Fo­ todetektor) 15, ist genau diejenige des Rückkopplungswider­ stands 17 geteilt durch den kombinierten Verstärkungsfaktor der Verstärker 25, 31 und 33.

Bei Empfang eines Signals hoher Energie arbeitet der Ver­ stärker 9 als Folger-Verstärker, wenn der Widerstand 19 durch Schließen des Schalters 21 dem Kreis zugeschaltet wird. Wenn der Widerstand 19 in den Kreis eingeschaltet ist, besteht die effektive Lastimpedanz, gesehen vom Foto­ detektor 15, aus der Parallelschaltung von Widerstand 19 und Widerstand 17. Es wird darauf hingewiesen, daß der Wert des Widerstands 19 niedriger sein soll als derjenige des Widerstands 17, vorzugsweise soll der Wert des Widerstands 19 wesentlich niedriger als derjenige des Widerstands 17 sein, insbesondere soll nämlich der Unterschied wenigstens zwei Größenordnungen betragen.

Durch das Zuschalten des Widerstands 19 wird der vom Foto­ detektor 15 aus gesehene Lastwiderstand vermindert, dadurch wird das Ausgangssignal um größenordnungsmäßig 40 dB herab­ gesetzt, so daß der dynamische Energiebereich, auf dem der Verstärker zu betreiben ist, entsprechend größer ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Werte der Lastwiderstände 17 und 19 so gewählt werden können, daß der Verstärker 9 unter erwünschten Verstärkungsfaktor/Bandweite-Bedingungen arbeitet. Auch die über den ersten Verstärker 25 an den Umkehrverstärker 31 angelegte Gleichvorspannung ändert sich, wenn der Widerstand 19 zum Kreis zugeschaltet wird. Durch Änderung der an den Umkehrverstärker 31 angelegten Vorspannung kann der Verstärkungsfaktor des Umkehrverstär­ kers 31 wirksam vermindert werden, so daß die Rückkopplung durch den Widerstand 17 reduziert oder der Umkehrverstärker 31 ausgeschaltet wird. Wenn der Umkehrverstärker 31 abschal­ tet, wird das Ausgangssignal bei Vo′′ abgenommen. Für den Fall, daß die Verstärkung von irgendwo her in der Größenord­ nung von 10 bis 50 auf etwa 0,5 vermindert wird, kann das Ausgangssignal bei Vo′ oder bei Vo abgenommen werden. Bei einer Verminderung der Verstärkung in dieser Größenordnung kann der Dynamikbereich des Verstärkers um einen Betrag von 40 dB vergrößert werden.

In Fig. 2 wird eine bevorzugte Schaltung für einen Verstär­ ker mit großem Dynamik- bzw. Aussteuerungsbereich angege­ ben, der dazu dient, Wellenenergiesignale zu empfangen und zu verstärken. Der insgesamt mit 11 bezeichnete Verstärker enthält einen Fotodetektor bzw. eine Fotodiode 10, deren Anodenklemme über einen Vorspannungswiderstand 12 mit einer Vorspannung V 1 verbunden wird. Die Kathode der Fotodiode 10 wird mit der Gate-Elektrode 13 eines ersten Verstärkers, der vorzugsweise einen Feldeffekttransistor (FET) 14 ent­ hält, verbunden. Ebenfalls mit der Gate-Elektrode 13 des FET 14 werden eine erste Lastimpedanz bzw. ein Widerstand 16 und eine zweite Lastimpedanz bzw. ein Widerstand 18 ver­ bunden. Die Source-Elektrode 20 des FET 14 wird über einen Vorspannungswiderstand 24 an Spannung V 2 angelegt. Ferner wird die Source-Elektrode 20 des FET 14 mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers, der die Basis eines bipolaren Rückkopplungstransistors 22 enthält, verbunden. Die Drain- Elektrode 28 des FET 14 wird über einen passenden Vorspan­ nungswiderstand 30 an Spannung V 3 gelegt.

In der Schaltung nach Fig. 2 wird eine positive Rückkopp­ lung zur Drain-Elektrode 28 von Source 20, Verstärker 26 und Siebkondensator 34 erreicht. Die Source-Elektrode 20 des FET 14 wird außerdem über den Transistor 26, den Sieb­ kondensator 34 mit Vorspannungswiderstand 36 und den Sieb­ kondensator 32 positiv mit der Anode der Fotodiode 10 ver­ bunden. Durch dieses positive "Bootstrapping" der Fotodi­ odenkapazität sowie der Kapazität von Gate zu Drain und Gate zu Source des FET 14 zurück zur Anode der Fotodiode 10 werden die Kapazität der Fotodiode 10 und die parallel zur Gate-Source-Strecke des FET 14 entwickelte Kapazität wirksam neutralisiert. Sowohl der FET 14 als auch der Tran­ sistorverstärker 26 besitzen Verstärkungsfaktoren nahe Eins.

Die zweiten Verstärkermittel oder Rückkopplungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen in der mit dem Transistor 22 kombinierten Schaltung. Der Rückkopplungs­ transistor 22 besitzt einen Verstärkungsfaktor, der durch einen insgesamt mit 38 bezeichneten, variablen Impedanz­ kreis gesteuert wird. Dieser Impedanzkreis enthält eine Parallelschaltung zwischen einem ersten Widerstand 40 und einer Zweigimpedanz 42. Die Zweigimpedanz 42 enthält einen Widerstand 44, der mit der Kathode einer Schottkydiode 48 verbunden ist. Die Anode der Schottkydiode 48 wird über einen Widerstand 50 an die Spannungsquelle V 3 angelegt und mit zwei gleich orientierten, in Reihe liegenden Dioden 52 und 54 verbunden. Die Anode der Diode 52 wird mit der Anode der Schottkydiode 48 und die Kathode der Diode 54 wird mit Erde verbunden. Die mit 56 bezeichneten Gesamtkapazitäten des Kreises liefern Filterung und Stabilität für den Ver­ stärker. Der Betrieb des Impedanzkreises 38 wird im Zusam­ menhang mit der Beschreibung des Verstärkers von Fig. 2 im einzelnen erläutert werden.

Der Kollektor des Rückkopplungstransistors 22 besitzt einen Vorspannungswiderstand 58, der an die Spannungsquelle V 2 angelegt wird. Der Ausgang des Signals wird vom Kollektor abgenommen und tritt durch die Basis eines Transistors oder eines den Verstärkungsfaktor Eins aufweisenden Pufferver­ stärkers 60 ein. Der Emitter des Pufferverstärkers 60 wird in passender Weise über einen Widerstand 62 vorgespannt. Ein allgemein mit 64 bezeichneter Rückkopplungspfad zum Widerstand 16 (erste Umformer-Lastimpedanz) geht von dem Emitter des Pufferverstärkers 60 aus. Der Emitter des Tran­ sistors bzw. Pufferverstärkers 60 wird mit einem weiteren Pufferverstärker 66 mit einem Verstärkungsfaktor Eins ver­ bunden. Der Pufferverstärker 66 besitzt einen mit ihm kombi­ nierten Vorspannungswiderstand 68. Der Ausgang 80 des Ge­ samtverstärkers 11 wird auf den Emitter des Pufferverstär­ kers 66 geschaltet.

Am extrem linken Rand der Schaltung gemäß der Zeichnung nach Fig. 2 werden zwei Schottkydioden 70 und 76 darge­ stellt, die an ihrer Verbindungsstelle mit einem zweiten Lastwiderstand 18 verbunden werden. Diese Dioden stellen den Empfindlichkeitsschalter des erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsbeispiels nach Fig. 2 dar. Die erste Schottkydiode 70 wird mit ihrer Anode über einen passenden Vorspannungs­ widerstand 72 auf einen variablen oder automatischen Ver­ stärkungsregler (AGC) 74 geschaltet. Die Kathode der Schott­ kydiode 70 wird mit der Anode der Schottkydiode 76 und dem zweiten Lastwiderstand 18 verbunden. Die Kathode der Schott­ kydiode 76 wird geerdet.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den Schaltungen nach den Fig. 1 bis 3 Standardbauelemente verwendet und die Werte der Bauelemente so ausgewählt werden können, daß sie den Anforderungen des Verstärkers nach Verstärkungsfaktor und Bandweite gerecht werden.

Beim Betrieb des Verstärkers nach Fig. 2 wird die Energie von auf die Fotodiode 10 auftreffenden Lichtwellen in elek­ trischen Strom umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird durch den FET 14 geleitet, der annähernd den Verstärkungs­ faktor Eins besitzt. Das Signal wird dann von der Source des FET 14 durch das Rückkopplungsverstärkersystem mit den Transistoren 22 und 60 geleitet. Der Transistor 60 wirkt als ein Puffer, der den Rückkopplungskreis gegenüber dem Transistor 22 puffert. Das Signal wird zurück durch den Eingang bzw. die Gate-Elektrode des FET 14 längs des Rück­ kopplungspfades 64 und des Widerstandes 16 geleitet. Das Signal wird außerdem durch den Transistor 66 zu dem Ausgang 80 geleitet. Der Transistor 66 wirkt grundsätzlich als Puffer, der den Ausgang vom übrigen Teil der Schaltungs­ anordnung isoliert. Wenn in dieser Betriebsweise das Signal durch den Widerstand 16 zurückgeführt wird, arbeitet der Verstärker 11 nach Fig. 2 als ein Transimpedanz-Verstärker und die Schottkydioden 70 und 76 als ein Schalter, der den Widerstandswert des zweiten Lastwiderstandes 18 wirksam aus der Schaltung heraushält. Der Verstärker hat typisch einen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 20 bis 35 Deci­ bel (dB). Der Lastwiderstand wird durch den effektiven Wi­ derstandswert des Widerstands 16 bestimmt. Da der FET 14 und der Verstärker 60 Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor Eins sind, bestimmt sich der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers zum größten Teil durch den mit dem Transistor 22 kombinierten Verstärkungsgrad.

Wenn der die Schottkydioden 70 und 76 enthaltende Schalter am Spannungseingang bzw. Verstärkungsregler 74 niedrig be­ aufschlagt wird, sind die Schottkydioden 70, 76 nicht lei­ tend, so daß der Lastwiderstand 18 als offener Kreis mit unendlicher Ladung erscheint. Hierdurch wird die zum Rück­ kopplungstransistor 22 gehörige Vorspannung auf einen Wert gebracht, bei dem die Schottkydiode 48 des variablen Impe­ danzkreises 38 leitet. Als Ergebnis wird der zum Rückkopp­ lungstransistor 22 gehörige Verstärkungsfaktor annähernd gleich dem effektiven Kollektorwiderstand dividiert durch den effektiven Emitterwiderstand. Der Emitterwiderstand ergibt sich dabei aus dem Widerstand 40 parallel zu dem Widerstand 44 und dem effektiven Widerstand der Schottky­ diode 48. Vorzugsweise werden die Widerstände 40 und 58 so gewählt, daß ihre Werte in derselben Größenordnung lie­ gen. Der Widerstand 44 und der effektive Widerstand der Schottkydiode 48 können beträchtlich kleiner sein als der Wert des Widerstandes 40. Es kann auch vorkommen, daß der Widerstand 44 nicht gebraucht wird. Wenn der Widerstand 40 beispielsweise etwa 2200 Ohm, der Widerstand 44 etwa 22 Ohm, der Widerstand der Schottkydiode 48 etwa 25 Ohm und der Widerstand 58 etwa 1000 Ohm beträgt, liegt der Ver­ stärkungsfaktor des Transistors 22 bei etwa 22, wenn die Schottkydiode 48 leitet, und bei etwa 0,45, wenn die Schott­ kydiode 48 nicht leitet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Werte der Komponenten so gewählt werden können, daß der Verstärkungsfaktor des Transistors 22 vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bis 50 liegt, wenn die Schottky­ diode 48 leitet, und vorzugsweise bei etwa 0,45 liegt, wenn die Schottkydiode 48 nicht leitet.

Wenn die Energie des von dem auf die Diode 10 auffallenden Lichts herrührenden Signals auf einen Wert oberhalb eines vorbestimmten, durch den Verstärkungsregler 74 erfaßten Werts ansteigt, wird der Verstärker 11 aus seiner Trans­ impedanz-Betriebsweise in seine Folger-Betriebsweise umge­ schaltet. Der Verstärkungsregler 74 gibt eine höhere Vor­ spannung auf die Schottkydioden 70 und 76 und macht diese Dioden dadurch leitend. Als Ergebnis wird der zweite Last­ widerstand 18 (zweite Lastimpedanz) über die leitende Schottkydiode 76 mit einer scheinbaren Erde verbunden. Der zweite Lastwiderstand 18 befindet sich nun im Schaltkreis mit dem ersten Lastwiderstand 16 (erste Lastimpedanz). Die zweite Lastimpedanz beträgt vorzugsweise etwa 1 Kiloohm, während die effektive erste Lastimpedanz etwa 100 Kiloohm hat. Eine Parallelkombination dieses Schaltungswiderstandes liefert einen effektiven Widerstand für die Fotodiode 10 in der Größenordnung von 1 Kiloohm. Der Abfall der effekti­ ven Lastimpedanz des Fotodetektors wirkt dahingehend, daß der Anstieg des durch den Fotodetektor als Folge vermehr­ ter auf den Detektor auftreffender Wellensignale erzeugten Stroms unschädlich gemacht wird. Im Ergebnis bleibt der Spannungsausgang des Verstärkers innerhalb akzeptabler Gren­ zen.

Wenn der zweite Lastwiderstand 18 in den Kreis eingeschal­ tet wird, steigt die Gleich-Vorspannung durch den den Ver­ stärkungsfaktor Eins aufweisenden FET 14 zur Basis des Rück­ kopplungstransistors 22 an. Dadurch wird die Gleich-Emit­ ter-Spannung des Rückkopplungstransistors 22 vergrößert und die Schottkydiode 48 nicht leitend, wodurch der Wider­ stand 44 aus der Schaltung genommen wird. Als Ergebnis wird der effektive Emitterwiderstand des Rückkopplungstransi­ stors 22 vergrößert, und der Verstärkungsfaktor dieses Tran­ sistors fällt auf vorzugsweise etwa 0,45. Diese Sachlage repräsentiert eine Gesamtverstärkung im Dynamikbereich von etwa 25 bis 40 dB. Mit der Verminderung des Verstärkungs­ faktors des Rückkopplungstransistors 22 wird auch die Rück­ kopplung über den Widerstand 16 beträchtlich herabgesetzt. Letztlich arbeitet der Verstärker 11 als Umkehr-Folger-Ver­ stärker, wenn der Rückkopplungstransistor 22 in seiner zwei­ ten Betriebsart mit vermindertem Verstärkungsfaktor arbei­ tet.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß die Schaltung nach Fig. 2 ein kapazitives "Bootstrapping" über den Transistor 26 liefert, bei dem die mit der Fotodiode 10 verbundene Kapazi­ tät neutralisiert wird. Durch das Schalten der Schottky­ dioden 70 und 76 wird ferner der effektive Lastwiderstand bzw. die Lastimpedanz der Fotodiode 10 geschaltet, die ef­ fektive Vorspannung des Verstärkers wird geschaltet und folglich wird die Empfindlichkeit des Verstärkers zwischen der Transimpedanz- und der Folger-Betriebsweise und damit der Dynamikbereich bzw. Aussteuerungsbereich um etwa 40 dB geschaltet.

In Fig. 3 wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaltung entsprechend der Erfindung dargestellt. Darin wird die Fotodiode mit 100 bezeichnet. Die Anode der Fotodiode 100 liegt über einem Vorspannungswiderstand 102 an einer Vorspannung V 1. Die Kathode der Fotodiode 100 wird mit der Kathode einer Schaltdiode oder Schottkydiode 104 verbunden. Ein zweiter Lastwiderstand 106 wird geeignet vorgespannt an ein Schaltspannungspotential V 2 angelegt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die Schottkydiode 104 die erfindungsgemäßen Schaltmittel. Die Kathoden der Dioden 100 und 104 werden mit der Gate-Elektrode 108 eines den Einheits-Verstärkungsfaktor aufweisenden FET 110 verbun­ den. Das Gate 108 des Transistors 110 wird mit einem ersten Lastwiderstand 112 und über die Schottkydiode 104 mit dem zweiten Lastwiderstand 106 (zweite Lastimpedanz) gekoppelt.

Die Drain des FET 110 wird über einen passenden Vorspan­ nungswiderstand 114 an eine Vorspannung V 3 gelegt. Die Vor­ spannung V 3 wird mit einem passenden Siebkondensator 118 verbunden. Die Source-Elektrode 120 des FET 110 wird direkt mit einem den Einheitsverstärkungsfaktor aufweisenden Puf­ ferverstärker 122 gekoppelt. Der Emitter des Transistors bzw. Pufferverstärkers 122 besitzt einen passenden Vorspan­ nungswiderstand 124, der ihn mit einer Spannungsquelle V 4 verbindet. Das Ausgangssignal des Emitters des Pufferver­ stärkers 122 ist zugleich Ausgang 142 des Gesamtverstärkers 111. Die Source 120 des FET 110 wird positiv durch den Siebkondensator 126 auf die Anode der Fotodiode 110 geschal­ tet. Mit der Source-Elektrode 120 wird auch die Basis eines zweiten Verstärkers bzw. Transistors 128 verbunden. Die Basis des Transistors 128 wird mit der Source über eine Parallelverbindung aus einem Siebkondensator 130 und einer Z-Diode 132 verbunden. Die Z-Diode und die Basis des Transi­ stors 128 werden über einen Vorspannungswiderstand 134 pas­ send vorgespannt.

Kollektor und Emitter des Transistors 128 werden über ent­ sprechende Widerstände 136 und 114 passend vorgespannt. Die Source 120 des FET 110 wird über einen Widerstand 138 an die Spannungsquelle V 4 angelegt. Letzterer wird ein Sieb­ kondensator 140 zugeordnet.

Der Verstärker 111 nach Fig. 3 arbeitet normalerweise als Transimpedanz-Verstärker, wenn die Schottkydiode 104 nicht leitend ist und damit die Betriebsweise mit offenem Schalt­ kreis definiert. Hierbei wird der Lastwiderstandswert der Fotodiode 100 durch den ersten Lastwiderstand 112 bestimmt. Das durch die Fotodiode 100 empfangene Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches den Gate/Source- Übergang des FET 110 passiert und durch den Basis/Emitter- Übergang des Transistors im Pufferverstärker 122 zum Aus­ gang 142 läuft. Während dieser Zeit wird eine Rückkopplung geschaffen über die Z-Diode 132, welche in ihrem Sperr- Durchbruch-Betrieb den Transistor 128 (zweiter Verstärker) leitend hält, um einen Rückkopplungspfad durch dessen Kol­ lektor und den Widerstand 112 zu schaffen.

Die zur Fotodiode 110 gehörige Kapazität und die Gate/ Source-Kapazität des FET 110 werden durch den Siebkondensa­ tor 126 positiv zur Anode der Fotodiode 100 zurückgeführt, um die Kapazitätswerte zu neutralisieren und die Bandbreite des Betriebs des Verstärkers 111 nach Fig. 3 zu vergrößern. Wenn sich das vom Fotodetektor 100 aufgenommene Eingangs­ signal bis zu einem Punkt vergrößert, bei dem die Schal­ tung dieses Signal nicht mehr ordnungsgemäß verstärken kann, wird eine Spannung an die Klemme V 2 gelegt, um die Schottkydiode 104 einzuschalten. Dadurch wird der Lastwi­ derstand 106 parallel zum Lastwiderstand 112 in die Schal­ tung gebracht. Da der Lastwiderstand 106 beträchtlich klei­ ner ist als der Lastwiderstand 112 wird die effektive Last­ impedanz annähernd gleich der Impedanz des Lastwiderstandes 106. Da der Widerstand 112 vorzugsweise einen Wert in der Größenordnung von 100 Kiloohm besitzt und der Widerstand 106 einen Wert in der Größenordnung von 1 Kiloohm haben soll, ergibt sich eine Verminderung des Verstärkungsfaktors von insgesamt etwa 20 dB. Wenn der zweite Widerstand 106 durch die Schottkydiode 104 in den Kreis eingeschaltet wird, steigt die Gleich-Vorspannung an der Gate-Elektrode des FET 110, wodurch die Gleich-Vorspannung an der Z-Diode 132 ebenfalls ansteigt. Das rührt daher, daß die Z-Diode in einen nicht leitenden Zustand eintritt und den Transi­ stor 128 abklemmt bzw. ausschaltet. Hierdurch wird eine Rückkopplung von Spannung über den Lastwiderstand 112 wirk­ sam unterbunden, und der Widerstand 112 wirkt nicht als Rückkopplungswiderstand sondern als Vorspannungswiderstand der Fotodiode 100. Der Verstärker 111 nach Fig. 3 arbeitet dann also in der Folger-Betriebsweise mit verminderter Emp­ findlichkeit aber verbessertem Dynamikbereich.

Aus der Beschreibung des Betriebs der Schaltungen nach Fig. 1 bis 3 ergibt sich ein Verstärker, dessen Gesamtverstär­ kungsfaktor oder Empfindlichkeit durch Schalten aus einer Transimpedanz-Betriebsart in einer Folger-Betriebsart, das heißt von einem Transimpedanz-Verstärker in einen invertie­ renden oder nicht invertierenden Folger-Verstärker, zu ver­ mindern ist.

Claims (16)

1. Vorrichtung (9, 11, 111) zum Verstärken von durch ei­ nen Umformer (10, 15, 100) empfangenen und in elektri­ sche Signale umgewandelter Energie von Wellensignalen, welche folgende Elemente umfaßt: erste Verstärkermit­ tel (14, 25, 110) mit einem auf eine Verbindungsstelle zwischen dem Umformer (10, 15, 100) und einer ersten Umformerlastimpedanz (16, 17, 112) geschalteten Ein­ gang (13, 108); auf den Ausgang (20, 120) der ersten Verstärkermittel (14, 25, 110) geschaltete zweite Ver­ stärkermittel (22, 29, 128), deren Ausgang mit der ersten Umformerlastimpedanz (16, 17, 112) verbunden ist und die eine erste Betriebsart zum Erreichen einer Spannungsrückkopplung über die erste Umformerlastimpe­ danz zum Eingang der ersten Verstärkermittel (14, 25, 110) besitzen; und ein mit dem Ausgang (20, 120) der ersten Verstärkermittel (14, 25, 110) gekoppeltes Aus­ gangsglied (35, 66, 122) zum Liefern eines dem durch den Umformer (10, 100) empfangenen Wellensignal ent­ sprechenden elektrischen Ausgangssignals, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zweite Umformerlastimpedanz (18, 19, 106), die kleiner als die erste Umformerlast­ impedanz (16, 17, 112) ist, auf die Verbindungsstelle zwischen dem Umformer (10, 15, 100), der ersten Umfor­ merlastimpedenz und dem Eingang (13, 108) der ersten Verstärkermittel (14, 25, 110) geschaltet ist; daß die zweiten Verstärkermittel (22, 29, 128) eine zweite Betriebsart zum wirksamen Vermindern der Spannungsrück­ kopplung zum Eingang (13, 108) der ersten Verstärker­ mittel (14, 25, 110) besitzen; und daß Schaltmittel (21, 70, 76, 104) zum Zu- und Ausschalten der zweiten Umformerlastimpedanz (18, 19, 106) in den Kreis bzw. aus dem Kreis des Umformers (10, 15, 100) derart vorge­ sehen sind, daß die gesamte Lastimpedanz des Umformers zum Betreiben der zweiten Verstärkermittel (22, 29, 128) in deren erster oder zweiter Betriebsart wirksam zu verändern und damit der Verstärker (9, 11, 111) zwischen einem Breitband-Transimpedanzbetrieb und ei­ nem Dynamikfolgebetrieb entsprechend hin- und herzu­ schalten ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Verstärkermittel (22, 29, 128) mit einer Vorspannung beaufschlagt sind, die zu ändern ist, wenn die zweite Umformerlastimpedanz (18, 19, 106) in den Kreis eingeschaltet ist, um die zweiten Verstärkermittel (22, 29, 128) wirksam in ihre die Spannungsrückkopplung auf die ersten Verstärkermittel (14, 25, 110) vermindernde, zweite Betriebsart zu schalten.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgang (20, 120) der ersten Verstärker­ mittel (14, 25, 110) positiv mit dem Umformer (10, 15, 100) gekoppelt ist.

4. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Verstär­ kermittel (31, 128) in ihrer zweiten Betriebsart abge­ schaltet sind.

5. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ver­ stärkermittel (22, 31) eine durch die Schaltmittel (21, 70, 76) zum Vermindern der Spannungsrückkopplung kontrollierte Verstärkung besitzen und daß das Aus­ gangsglied (35, 60, 66) über die zweiten Verstärkermit­ tel (22, 31) auf den Ausgang (20) der ersten Verstär­ kermittel (14, 25) geschaltet ist.

6. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den zweiten Verstär­ kermitteln (26, 128) ein variabler Impedanzkreis (38, 132) zugeordnet ist und daß der variable Impedanzkreis auf die Vorspannung anspricht, die an die zweiten Ver­ stärkermittel zum Verändern der Impedanz des variablen Impedanzkreises und damit zum Verändern der Verstär­ kung der zweiten Verstärkermittel angelegt ist.

7. Vorrichtung zum Verstärken von Wellensignalen beste­ hend aus: einer in einem stabilen Betriebszustand bei einer Verstärkung nahe Eins arbeitenden Feldeffekt- Halbleiter-Vorrichtung (14, 110) mit einer Gate-Elek­ trode (13, 108), einer Drain-Elektrode (28, 121) und einer Source-Elektrode (20, 120); einem Umformer (10, 100) zum Erzeugen eines elektrischen Stroms, durch den Empfang der Wellensignale ausgelösten Stroms, wo­ bei ein Ende des Umformers mit der Gate-Elektrode (13, 108) und das andere Ende des Umformers mit einem ihn vorspannenden Potential (V 1) gekoppelt ist; einem mit der Source-Elektrode (20, 120) der Feldeffekt-Halblei­ ter-Vorrichtung (14, 110) verbundenen negativen Gegen­ kopplungsverstärker (22, 128), der auf eine erste Be­ triebsart zum Erzeugen einer durch den elektrischen Strom des Umformers (10, 100) ausgelösten Gegenkopp­ lungsspannung zu betreiben ist; einer zwischen die Gate-Elektrode (13, 108) der Feldeffekt-Halbleitervor­ richtung (14, 110) und den Gegenkopplungsverstärker (22, 128) geschalteten ersten Umformerlastimpedanz (16, 112); und einem mit der Source-Elektrode (20, 120) der Feldeffekt-Halbleiter-Vorrichtung (14, 110) gekoppelten Ausgangs-Pufferglied (60, 66, 122) zum Lie­ fern eines durch den Empfang des Wellensignals im Umformer (100) ausgelösten Ausgangssignals, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zweite Umformer-Lastimpedanz (18, 106) mit einem Ende auf die Gate-Elektrode (13, 108) der Feldeffekt-Halbleiter-Vorrichtung (14, 110) geschaltet ist; daß die zweite Umformerlastimpedanz (18, 106) kleiner ist als die erste Umformerlastimpe­ danz (16, 112) und daß sie mit ihrem anderen Ende auf ein Vorspannungs-Potential (V 2) geschaltet ist; daß der Gegenkopplungsverstärker (22, 128) eine zweite Be­ triebsart zum wirksamen Vermindern der Gegenkopplungs­ spannung an der ersten Umformerlastimpedanz besitzt; und daß Schaltmittel (70, 74, 76, 104) zum wirksamen Zu- oder Ausschalten der zweiten Umformerlastimpedanz (18, 106) in den Kreis bzw. aus dem Kreis der Gate- Elektrode (13, 108) der Feldeffekt-Halbleiter-Vorrich­ tung (14, 110) derart vorgesehen sind, daß die gesamte Lastimpedanz des Umformers (10, 100) und die Vorspan­ nung des Gegenkopplungsverstärkers so zu ändern sind, daß der Gegenkopplungsverstärker in seiner ersten oder zweiten Betriebsart arbeitet und entsprechend die Ge­ samtvorrichtung in einen Breitband-Transimpedanz-Be­ trieb bzw. in einen Dynamikbereich-Folgerbetrieb um­ schaltet.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umformerlastimpedanz (18, 106) beträcht­ lich kleiner als die erste Umformerlastimpedanz (16, 112) ist.

9. Verstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gegenkopplungsverstärker einen Transistor (128) enthält, daß die Basis dieses Transistors (128) mit der Source-Elektrode (120) der Feldeffekt-Halblei­ ter-Vorrichtung (110) verbunden ist und daß der Kollek­ tor des Transistors (128) mit dem ersten Umformerlast­ widerstand derart gekoppelt ist, daß der Transistor (128) in der zweiten Betriebsart abschaltet und eine Gegenkopplung ausschließt.

10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (128) eine zwischen seiner Basis und der Source-Elektrode (120) der Halbleitervorrich­ tung eingeschaltete Zener-Diode (132) besitzt und daß die Z-Diode zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand entsprechend den Änderungen der Vor­ spannung zu betreiben ist, um den Gegenkopplungsver­ stärker zwischen seiner ersten und seiner zweiten Be­ triebsart hin- und herzuschalten.

11. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gegenkopplungs­ verstärker (22) ein auf die zum Kontrollieren der Ver­ stärker-Betriebsweise vorgesehene Vorspannungsänderung ansprechender, variabler Impedanzkreis (38) zugeordnet ist.

12. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungs­ verstärker einen Transistor (22) enthält, daß die Ba­ sis dieses Transistors mit der Source-Elektrode (20) der Feldeffekt-Halbleiter-Vorrichtung (14) gekoppelt ist und daß der Kollektor des Transistors mit der er­ sten Umformerlastimpedanz (16) und dem Ausgangs-Puffer­ glied (60, 66) der Gesamtschaltung des schaltbaren Verstärkers verbunden ist.

13. Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektor des Rückkopplungstransistors (22) ein Widerstandselement (58) und mit dem Emitter dieses Rückkopplungstransistors (22) ein variabler Impedanzkreis (38) verbunden ist, daß der Impedanz­ kreis (38) einen parallel zu einem Impedanzzweig (42) zwischen Emitter des Rückkopplungstransistors und ei­ ner Spannungsquelle (V 3) eingeschalteten, ersten Wider­ stand (40) besitzt, daß der Impedanzzweig (42) eine erste Diode (48) enthält, daß die Anode der ersten Diode (48) mit einer Verbindungsstelle eines auf die Spannungsquelle geschalteten, zweiten Widerstandes (50) und einer Anode der einen Reihendiode (52) eines Paars von Reihendioden (52, 54) gekoppelt ist, daß die Reihendioden (52, 54) bei Erdung der Kathode der zweiten Reihendiode (54) gleich orientiert sind und, daß die erste Diode (48) zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand entsprechend der am Rück­ kopplungstransistor angelegten Vorspannung umschaltbar ist, um die wirksame Impedanz des Impedanzzweiges (42) und damit die Betriebsweise des Rückkopplungsverstär­ kers (22) zu ändern.

14. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Umformers mit den Source- und Drain-Elektroden (20, 28) der Feldeffekt-Halbleiter- Vorrichtung (14) verbunden ist.

15. Verstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kreis zwischen dem anderen Ende des Umfor­ mers (10) und der Source-Elektrode (20) der Halbleiter­ vorrichtung (14) ein zweiter Transistor (26) einge­ schaltet ist und daß die Basis des zweiten Transistors mit der Source-Elektrode (20) sowie der Emitter des zweiten Transistors (26) mit dem anderen Ende des Um­ formers (10) verbunden sind.

16. Verstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (44) in Reihe mit der er­ sten Diode (48) geschaltet ist.