DE3806283A1 - Optoelektronischer transimpedanz-verstaerker - Google Patents

Description

Transimpedanz-Verstärker werden häufig für die Vorver­ stärkung optoelektronischer Signale aus Fotodioden ver­ wendet. Aufgebaut werden Transimpedanz-Verstärker aus Operationsverstärkern oder aus diskreten Bauelementen (bipolar oder FET). Dabei werden Schaltungen aus dis­ kreten Bauelementen (bipolar oder FET) bei höheren Fre­ quenzen und kleinem Rauschen Schaltungen aus Operations- Verstärkern vorgezogen.

Bei allen Fotodioden-Vorverstärkern und besonders bei Transimpedanz-Verstärkern stellt die große Dynamik, welche das auf die Fotodiode einfallende optische Signal haben kann, ein erhebliches Problem dar. Die Leistung des einfallenden optischen Signals kann je nach Abstand vom Sender oder der Art der optischen Kopplung zwischen 10 nW und einigen mW liegen. Entsprechend groß ist die Dynamik der in der Fotodiode erzeugten Fotoströme, wel­ che das Eingangssignal der Vorverstärker bilden. Da Vorverstärker für sehr kleine Eingangsströme optimiert werden und eine begrenzte Dynamik haben, werden die Vorverstärker relativ schnell von den Fotoströmen über­ steuert. Dadurch wird die Funktion von Vorverstärkern stark beeinträchtigt oder sogar zunichte gemacht.

Die Fig. 1 zeigt eine Lösung für einen Transimpedanz- Verstärker mit Übersteuerungsschutz. Beim Transimpe­ danz-Verstärker der Fig. 1 ist parallel zum Rückkopp­ lungs-Widerstand RF eine Diode D geschaltet. Wenn der Spannungsabfall über den Widerstand RF größer als etwa 0,5 Volt wird, schaltet die Diode D ein und überbrückt den Widerstand RF durch den wesentlich kleineren Dioden- Flußwiderstand. Da der Widerstand RF die Verstärkung (Transimpedanz) bestimmt, wird dadurch die Verstärkung verkleinert und damit die Übersteuerung vermieden. Auf diese Art läßt sich ein Übersteuerungsschutz um den Fak­ tor 30 bis 50 erreichen.

Nachteile der Anordnung der Fig. 1 sind die relativ kleine Bandbreite, die Signalverzerrungen, welche bei großen Signalen und hohen Frequenzen auftreten, sowie der relativ kleine erreichbare Übersteuerungsfaktor.

Da der Übersteuerungsschutz nur auf die Rückkopplung (RF) und nicht auch auf den Lastwiderstand Rc wirkt, wächst der Spannungsabfall über Rc mit dem Kollektor­ strom von Q 1 sehr schnell an, so daß der Transistor Q 1 in die Sättigung geht. Durch die Sättigung werden Ver­ zögerungen und Verzerrungen im Signal erzeugt, d. h. der Übersteuerungsschutz wird praktisch zunichte gemacht und auf kleine Werte der optischen Leistung begrenzt. Weitere Nachteile entstehen durch die verwendete Schutz­ diode D 1 selbst. Die Diode D 1 entspricht nämlich einer Kapazität parallel zum Widerstand RF, die die Bandbreite des Verstärkers beträchtlich verkleinert. Zudem wird die gesamte Kapazität besonders bei impulsförmigen Signalen und Übersteuerung von der wechselnden Spannung über RF stark umgeladen, was unerwünschte Speicherschalt-Effekte und zusätzliche Verzerrungen im Signal erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen opto­ elektronischen Transimpedanz-Verstärker anzugeben, der einen Schutz gegenüber Übersteuerungen liefert. Durch den Übersteuerungsschutz sollen die dynamischen Eigen­ schaften des Transimpedanz-Verstärkers möglichst wenig geändert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem optoelektronischen Trans­ impedanz-Verstärker nach der Erfindung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen optoelektronische Transimpe­ danz-Verstärker nach der Erfindung. Beim optoelektroni­ schen Transimpedanz-Verstärker der Fig. 2 wird der Übersteuerungsschutz durch den Transistor Q 3 mit den Widerständen Rc 1, Rc 2 gebildet. Der Transistor Q 3 mit den Widerständen Rc 1, Rc 2 entspricht einem aktiven Last­ widerstand für den Transistor Q 1, welcher den Eingangs­ verstärker bildet. Der Spannungsteiler aus den Wider­ ständen Rc 1 und Rc 2 wird so dimensioniert, daß im nor­ malen Betrieb die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q 3 kleiner als etwa 0,4 Volt bleibt. Damit ist der Transistor Q 3 gesperrt und der Laststrom für die Transistoren Q 1 und Q 2 fließt durch den Spanungsteiler Rc 1, Rc 2. Die Summe beider Wider­ stände Rc 1 + Rc 2 ist der Lastwiderstand für den Tran­ sistor Q 1.

Wenn der Fotodioden-Strom Ip die Übersteuerungs-Grenzen (festgelegt durch die Dimensionierung von Rc 1, Rc 2 und die Arbeitspunkte der Transistoren Q 1 und Q 2), über­ schreitet, dann ist der Strom durch den Spannungsteiler Rc 1, Rc 2 und damit auch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q 3 soweit gewachsen, daß der Transistor Q 3 einschaltet und den überhöhten Kollektor-Strom von Q 1 liefert. Da die Basis-Emitter-Spannung von Q 3 im aktiven Betrieb zwischen 0,7 und 1 Volt liegt, ist der gesamte Spannungs­ abfall über Rc 1 und Rc 2 konstant und weitgehend unab­ hängig vom Gesamtstrom IL so daß der Transistor Q 1 (und auch der Transistor Q 2) nicht in die Sättigung gehen kann. Durch die Sättigung hervorgerufene Verzerrungen und Verzögerungen des Signals werden damit weitgehend vermieden. Der maximale Strom der Verstärkertransisto­ ren Q 3 und Q 1, welcher die Übersteuerung festlegt, ist nur noch durch die Temperatur-, (Leistungs-) Festigkeit dieser Transistoren begrenzt. Man erreicht leicht Über­ steuerungsfaktoren von 200 und mehr.

Im aktiven Zustand entspricht der Transistor Q 3 einem sehr kleinen Widerstand, welcher parallel zu den Wider­ ständen Rc 1, Rc 2 geschaltet ist. Dieser Widerstand ist der Kollektor-Lastwiderstand des Transistors Q 1. Da der Rückkopplungswiderstand RF für den Übersteuerungsschutz nicht benutzt wird (keine zusätzliche kapazitive Be­ lastung) und der Lastwiderstand des Eingangs-Transistors sogar kleiner wird, tritt keine Verschlechterung der Bandbreite auf.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante des Transimpedanz-Ver­ stärkers der Fig. 2. Diese Variante ist mit vier Bi­ polar-Transistoren (Q ₁ . . . Q ₄) aufgebaut. Der Transistor Q ₄ dient zur Verschiebung des Kollektorpotentials des Transistors Q ₁ sowie zur Signalverstärkung. Der Tran­ sistor Q ₄ ist in Basis-Grundschaltung geschaltet.

Die Fig. 4 zeigt einen Transimpedanz-Verstärker mit einem FET am Eingang. Auch hier ist der Lastwiderstand des FET mit einem aktiven Widerstand aus Q 3, Rc 1, Rc 2 ersetzt worden.

Claims (6)

1. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker für die Verstärkung optischer Signale, die von einem Fotoelement geliefert werden, mit einem Transistor als Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß als Lastwiderstand des Ver­ stärker-Transistors ein Transistor sowie zwei ohmsche Widerstände vorgesehen sind, deren Reihenschaltung paral­ lel zur Emitter-Kollektorstrecke des Lastwiderstand-Tran­ sistors liegt und deren Verbindungspunkt mit der Basis des Lastwiderstand-Transistors verbunden ist.

2. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wider­ stände des Lastwiderstandes derart dimensioniert sind, daß im Normalbetrieb die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Lastwiderstand-Transistors kleiner als 0,4 Volt bleibt.

3. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor als Ausgangstransistor vorgesehen ist und daß dieser dritte Transistor vom Fotoelement angesteuert wird.

4. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des dritten Transistors mit dem Betriebspotential verbunden ist.

5. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Transistor vorgesehen ist, dessen Emitter mit dem Kollektor bzw. der Drainelektrode des Verstär­ ker-Transistors verbunden ist.

6. Optoelektronischer Transimpedanz-Verstärker nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungstei­ ler vorgesehen ist, dessen Abgriff mit der Basis des vierten Transistors verbunden ist.