DE4212934A1 - Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, der in optischen Nachrichtenübertragungssystemen als opto-elektrischer Wandler eingesetzt wird. Derartige Empfänger bestehen üblicherweise im wesentlichen aus einer Photodiode und einem nachgeschalteten Verstärker mit Gegenkopplungswiderstand, einem sogenannten Transimpedanzverstärker. Lichtquanten, die auf die Photodiode auftreffen, erzeugen einen Photostrom, der vom Transimpedanzverstärker verstärkt und als dessen Ausgangsspannung weiterverarbeitet wird. In erster Näherung bestimmt das Produkt aus Photostrom und Gegenkopplungswiderstand des Transimpedanzverstärkers den Wert der Ausgangsspannung.

In optischen Nachrichtenübertragungssystemen können die Leistungspegel der zu verarbeitenden optischen Signale sehr unterschiedliche Werte annehmen. Der optische Empfänger muß deshalb in der Lage sein, relativ niedrige wie auch sehr hohe Leistungspegel fehlerfrei zu detektieren. Die untere Grenze wird als Empfängerempfindlichkeit bezeichnet. Sie wird wesentlich von den Rauscheigenschaften der Photodiode und des Transimpedanzverstärkers bestimmt. Der obere Leistungspegel wird durch die Übersteuerung des Transimpedanzverstärkers begrenzt. Zwischen den durch diese Bedingungen bestimmten minimalen und maximalen Leistungspegeln des Empfangssignals liegt der sogenannte Dynamikbereich des optischen Empfängers. Oft ist es wünschenswert, diesen Dynamikbereich nach oben zu erweitern, so daß der optische Empfänger auch bei großen optischen Empfangsleistungen zu betreiben ist. Zur Lösung dieses Problems sind bereits eine Vielzahl von Schaltungsvarianten angegeben worden. So ist es beispielsweise bekannt, zum Eingang des Transimpedanzverstärkers eine Diode parallel zu schalten, vgl. DE-32 18 439. Ebenso ist eine Anordnung mit parallel geschaltetem Feldeffekttransistor bekannt, vgl. EP 0 181 146. Bei großem Leistungspegel der optischen Signale und entsprechend großem elektrischem Photostrom werden diese Zusatzelemente leitend, so daß ein Teil des Photostromes vom Eingang des Transimpedanzverstärkers abgeleitet wird. Dabei kann die Widerstandsänderung selbststeuernd oder fremdgesteuert erfolgen. Eine solche Zusatzbeschaltung am Eingang des Transimpedanzverstärkers bedingt immer auch eine zusätzliche Kapazität und damit eine Verschlechterung der Rauscheigenschaften, so daß die Empfängerempfindlichkeit abnimmt.

Eine weitere Möglichkeit der Erweiterung des Dynamikbereichs besteht darin, den Gegenkopplungswiderstand in Abhängigkeit vom Eingangsphotostrom zu variieren. Es ist bekannt, zu dem Gegenkopplungswiderstand eine Diode parallel zu schalten bzw. zur Gegenkopplung ein Widerstands-Dioden-Netzwerk zu verwenden, vgl. EP 0 177 217. Weiterhin ist es bekannt, als Gegenkopplungswiderstand direkt ein aktives Bauelement einzusetzen, beispielsweise einen Feldeffekttransistor, vgl. DE 32 33 146. Bei den genannten Schaltungsanordnungen wird mit steigendem Eingangsstrom der wirksame Gegenkopplungswiderstand verringert, indem das aktive Element zunehmend leitend wird. Das wirkt zwar einer weiteren Erhöhung der Ausgangsspannung entgegen, die Übersteuerung des Transimpedanzverstärkers wird verhindert, aber bei den bisher bekannten Anordnungen treten durch das stromabhängige Zweipolübertragungsverhalten Signalverzerrung auf, wie beispielsweise bei einer Diode aufgrund ihres stromabhängigen differentiellen Widerstandes. Eine Fremdsteuerung der Diode läßt sich nur bei wechselspannungsmäßiger Kopplung an den Transimpedanzverstärker verwirklichen. Bei Gleichspannungskopplung erfolgt eine Selbststeuerung der Diode, wobei sich dann besonders die relativ hohe Diffusionskapazität störend auswirkt. Dadurch wird das Rauschen des Empfängers vergrößert und seine Bandbreite herabgesetzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen monolithisch integrierbaren Vorverstärker mit erweitertem Dynamikbereich anzugeben, der in Siliziumbipolartechnologie realisierbar ist und dabei die oben genannten Nachteile bekannter Schaltungsanordnungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Schaltungsanordnung gelöst. In dieser Schaltungsanordnung wird ein mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke zu dem Gegenkopplungswiderstand parallel geschalteter Siliziumbipolartransistor als variabler Widerstand eingesetzt. Da der Siliziumbipolartransistor mit Kollektor-Emitter-Spannungen unterhalb der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U_CEsat betrieben wird, ist der Kollektor-Emitter-Widerstand über den Basisstrom einstellbar.

Es ist möglich, den Gegenkopplungswiderstand in zwei Teilwiderstände aufzuteilen und mit dem Siliziumbipolartransistor nur den am Verstärkerausgang liegenden zweiten Teilwiderstand zu überbrücken. Bei dieser Variante entsteht einerseits der Vorteil, daß stets ein Teil des Gegenkopplungswiderstandes wirksam bleibt und damit der Schwingneigung des Verstärkers bei zu starker Gegenkopplung entgegenwirkt. Andererseits wird durch den ersten Teilwiderstand die Kapazität der Kollektor-Basis-Diode vom Verstärkereingang ferngehalten, so daß dadurch eine Verschlechterung der Rauscheigenschaften vermieden wird.

Mit einer weiteren Schaltungsvariante ist eine Vergrößerung des Ausgangsspannungsbereichs möglich. Bei der Parallelschaltung eines Siliziumbipolartransistors zum Gegenkopplungswiderstand ist die Ausgangsspannung des optischen Verstärkers bei der vorliegenden Lösung auf die Sättigungsspannung U_CEsat des Transistors begrenzt. Durch Aufteilung des Gegenkopplungswiderstandes in mehrere Teilwiderstände kann zu jedem Teilwiderstand jeweils ein Siliziumbipolartransistor parallel geschaltet werden, so daß die Ausgangsspannung dann je nach Anzahl der Transistoren ein Vielfaches der Sättigungsspannung betragen kann.

Somit wird ein optischer Empfänger mit einem großen Dynamikbereich angegeben, der vollständig gleichspannungsgekoppelt ist und in Siliziumbipolartechnologie monolithisch integrierbar ist und bei dem die Erweiterung des Dynamikbereichs ohne nennenswerten Verlust an Empfängerempfindlichkeit ermöglicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unterteiltem Gegenkopplungswiderstand und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger aus einer Photodiode PD und einem Verstärker 1 mit Gegenkopplungswiderstand R_F mit einem zu diesem parallel geschalteten Transistor T1 sowie aus einer Steuerschaltung 2, die einen Differenzverstärker 3 und einen Spannungsbewerter 4 enthält.

Die Größe der Ausgangsspannung U_a des Verstärkers 1 wird von einem Spannungsbewerter 4 überwacht. Dieser besteht entweder aus einem Tiefpaß, mit dem aus dem Mittelwert der Ausgangsspannung U_a eine Steuerspannung gewonnen wird oder aus einem Gleichrichter, mit dem aus dem Spitzenwert der Ausgangsspannung U_a eine Steuerspannung gewonnen wird. Diese detektierte Spannung wird in einem Differenzverstärker 3 mit einer Referenzspannung U_ref verglichen. Die Referenzspannung U_ref wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie der detektierten Spannung bei einem Eingangssignalspitzenstrom I_ph = U_CEsat/R_F entspricht.

Bei Lichtleistungen, die mittels der Photodiode PD in Photoströme I_ph < U_CEsat/R_F umgewandelt werden, liefert die Steuerschaltung 2 keinen Basisstrom, die Basisspannung liegt unterhalb des Kollektor- bzw. Emitterpotentials und der Transistor T1 ist somit gesperrt. Es wirkt dann der volle Gegenkopplungswiderstand R_F. Der Transistor T1 beeinflußt die Rauschleistung und die Bandbreite des optischen Empfängers nur geringfügig, da durch ihn kein Strom fließt und die Zusatzkapazitäten aufgrund der gesperrten Basis-Kollektor- und Basis-Emitter-Dioden relativ gering sind.

Überschreitet die Lichtleistung einen Wert, der in der Photodiode PD Photoströme I_ph < U_CEsat/R_F erzeugt, so unter- bzw. überschreitet die durch den Spannungsbewerter generierte Spannung die Referenzspannung U_ref am Differenzverstärker 3 und die Ausgangsspannung der Steuerschaltung 2 wird soweit erhöht, bis ein Basisstrom in den zum Gegenkopplungswiderstand R_F parallel geschalteten Transistor T1 fließt. Damit wird der Transistor T1 leitend und und ein Teil des Photostromes I_ph am Eingang des Verstärkers 1 fließt über seine Kollektor-Emitter-Strecke. Der differentielle Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ist nun zum Gegenkopplungswiderstand R_F parallel geschaltet. Eine weitere Erhöhung des Photostromes I_ph bewirkt über die Steuerschaltung 2 eine Vergrößerung des Basisstromes und damit eine Verringerung des differentiellen Widerstandes und folglich auch eine Verringerung des gesamten Gegenkopplungswiderstandes. Damit wird einer Erhöhung der Ausgangsspannung U_a des Verstärkers 1 und somit einer Übersteuerung des Verstärkers 1 entgegengewirkt.

Die maximale Ausgangsspannung U_a des Verstärkers 1 ist auf den Wert U_CEsat begrenzt. Größere Ausgangsspannungen U_a sind erreichbar, wenn der Gegenkopplungswiderstand R_F aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände R_F1, R_F2, R_Fn besteht und jedem Widerstand jeweils die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T1, T2, Tn parallel geschaltet wird, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Möglichkeit, den Gegenkopplungszweig aus zwei Teilwiderständen R_F1, R_F2 zu bilden und nur einen Teilwiderstand R_F2 mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors zu überbrücken. Dadurch ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit der Schaltungsanordnung für den Fall, daß ein Mindestwiderstandswert im Gegenkopplungszweig nicht unterschritten werden soll.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Varianten sind auch anwendbar, wenn bei anderer Polarität der Versorgungsspannungen die Kathode der Photodiode PD mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Es müssen dann lediglich die Anschlüsse von Kollektor und Emitter des Transistors T1 am Gegenkopplungswiderstand R_F vertauscht werden.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, die eine Photodiode (PD) und ein Verstärker (1) enthält, wobei die Photodiode (PD) in einem Gleichstromkreis aus Versorgungsspannungsquelle (U_B) und Eingang des Verstärkers (1) liegt und zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers (1) ein Gegenkopplungswiderstand (R_F) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Gegenkopplungswiderstand (R_F) die Kollektor-Emitter-Strecke eines Siliziumbipolartransistors (T1) parallel geschaltet ist und daß zwischen Ausgang des Verstärkers (1) und Basis des Siliziumbipolartransistors (T1) eine Steuerschaltung (2) liegt.

2. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumbipolartransistor (T1) unterhalb seiner Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung betrieben wird.

3. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (2) einen Differenzverstärker (3) enthält, an dessen erstem Eingang ein Spannungsbewerter (4) liegt, dessen Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers (1) verbunden ist und an dessen zweitem Eingang eine Referenzspannung (U_ref) liegt, deren Größe so gewählt wird, daß sie der detektierten Spannung bei einem Eingangssignal-Spitzenstrom des optischen Empfängers entspricht.

4. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbewerter (4) zur Auswertung des Mittelwertes der Ausgangsspannung des Verstärkers (1) aus einem Tiefpaß besteht oder daß der Spannungsbewerter (4) zur Auswertung des Spitzenwertes der Ausgangsspannung des Verstärkers aus einem Spitzenwertdetektor besteht.

5. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (R_F) aus einer Reihenschaltung aus mindestens zwei Teilwiderständen (R_F1, R_F2,. . ., R_Fn) besteht und daß zu einer bestimmten Anzahl von Teilwiderständen jeweils die Kollektor-Emitter-Strecke eines Siliziumbipolartransistors (T1, T2,. . ., Tn) parallel geschaltet ist und daß die Basisanschlüsse der Siliziumbipolartransistoren mit einer Steuerschaltung (2) verbunden sind.