DE2445815A1

DE2445815A1 - Schaltungsanordnung zur verstaerkung von durch halbleiter-fotobauelementen abgegebenen signalen

Info

Publication number: DE2445815A1
Application number: DE19742445815
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1974-09-25
Filing date: 1974-09-25
Publication date: 1976-04-15
Also published as: DE2445815C2

Description

Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelemente abgegebenen Signalen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelemente abgegebenen Signalen.
Bei breitbandigen, auf Halbleiter-Fotobauelemente fallenden Lichtsignalen begrenzt in vielen Fällen das Rauschen eines nachgeschalteten Verstärkers die Nachweisgrenze für schwache Signale. Die Ursache ist, daß wegen der Kapazität einer Fotodiode bzw. eines Fototransistors nur relativ kleine Arbeitswiderstände für die Fotodiode bzw. den Fototransistor verwendet werden können. Das Nutzsignal am Eingang des Verstärkers ist somit verhältnismäßig klein und der Störabstand entsprechend schlecht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Störabstand von Schaltungen mit Fotodioden oder Fototransistoren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit einem Eingang eines Verstärkers und ein zweiter Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit dem Ausgang des Verstärker verbunden ist und daß der Übertragungsfaktor des Verstärkers zwischen dem Eingang und Ausgang positiv und der Betrag der Verstärkung größer als Null und kleiner als (1+ Ce/ Cd) ist, worin e die resultierende Kapazität zwischen dem ersten Ausgangssignalanschluß und Bezugspotential und Cd die Kapazität des Ilalbleiter-Fotobauelementes zwischen erstem und zweiten Ausgangssignalanschluß bedeuten.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigt: Figur 1 eine bekannte Verstärkerschaltungsånordnung mit einer Fotodiode Figur 2 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung mit einer Fotodiode Pigur 3 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung mit einem Fototransistor.
Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Verstärkerschaltungsaiiordnung.
Mit 1 bezeichnetes Licht, das auf eine Fotodiode 2 trifft, ist mit einem breitbandigen Signal moduliert. Die höchste Modulationsfrequenz beträgt z ß. 10 Pilz. An einer Klemme 3 liegt eine positive Gleichspannung. Die Fotodiode 2 ist also in Sperrichtung vorgespannt. Der Spannungsabfall des Fotostromes an einem Widerstand 4 ist das Eingangssignal für einen Verstärker 5.
An einem Punkt 6 wird die verstärkte Spannung in bezug auf Masse abgenommen.
Der Verstärker 5 liefert unvermeidlich eine Rauschspannung.
Um am Ausgang des Verstärkers ein möglichst großes Verhältnis von Signalspannung zu Rauschspannung zu bekommen, muß bei gegebenem Fotostrom der Widerstand 4 und damit die Eingangssignalspannung für den Verstärker möglichst groß gewählt werden. Dieser Widerstandsvergrößerung sind aber Grenzen gesetzt, denn parallel zum Widerstand 4 liegt die Eingang kapazität des Verstärkers und eine durch die Leitungen in der Schaltungsanordnung gegebene Kapazität, die in Fig. 1 durch eine Kapazität 7 gegeben sind, sowie die Kapazität der Fotodiode 2. Die Grenzfrequenz, die sich aus diesen Kapazitäten zusammen mit dem Widerstand 4 ergibt, darf nicht wesentlich niedriger als die höchste Signalfrequenz sein.
Fig. 2, in der entsprechende Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Der Ausgang eines Verstärkers 8 ist über einen Koppelkondensator 9 mit der Kathode-der Fotodiode 2 verbunden. Die Sperrspannung für die Fotodiode wird vom Anschluß 3 über einen Widerstand 10 zugeführt. Der Spannungsübertragungsfaktor des Verstärkers 8 ist positiv. Der Betrag des Spannungsübertragungsfaktors ist ungefähr eins. Das bedeutet, daß wenn sich die Signalspannung am Eingang des Verstärkers verändert, sich die Spannung an der Kathode der Fotodiode nahezu um den gleichen Wert ändert Das aber bedeutet, daß sich bei einer Signaletromänderung die Spannung an der Fotodiode praktisch nicht verändert. In die Kapazität der Fotodiode 2 fließt kein Ladestrom hinein. Diese Kapazität ist also effektiv in der Schaltung unwirksam. Da die resultierende Kapazität der Schaltungsanordnung durch die Rückkopplung des Ausgangssignales des Verstärkers auf die Kathode der Fotodiode verringert wird, kann der Widerstand 4 vergrößert werden. Im gleichen Maße wie der Widerstand 4 steigt die Eingangssignalspannung des Verstärkers 8 und damit auch der Störabstand.
Für die Praxis ist wesentlich, daß die positive Rückkopplung über den Fußpunkt der den Signalstrom liefernden Fotodiode den Störabstand der Schaltung nicht im gleichen Maße vergrößert, wie die Kapazität reduziert wird. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltungsanordnung konnte bei einer Bandbreite von 10 FEz durch diese positive Rückkopplung der Widerstand von 4,7 kauf 47 kE,erhöht werden. Der Störabstand wurde dabei um 15 dB verbessert.
Der Betrag der Verstärkung des Verstärkers 8 darf auch größer als eins sein. In diesem Fall wird die Kapazität der Fotodiode überkompensiert. Diese Kapazität ist dann negativ. Der negative Anteil der Fotodiodenkapazität substrahiert sich von der Kapazität 7. Die Grenzfrequenz der Schaltung wird also noch weitet erhöht. Die maximal zulässige Verstärkung beträgt (1 + Cd) Dabei ist Ce die resultierende Eingangskapazität der Schaltungsanordnung (also die Kapazität 7)-und Cd die Kapazität der Fotodiode'. Bei noch größeren Verstärkungen wird die Schaltung instabil. Die resultierende Kapazität Cr der Fotodiode beträgt Cr = Cd (v - 1), wobei V die Verstärkung des Verstärkers ist, gemessen vom Eingang des Verstärkers bis zum Fußpunkt (Kathode) der Fotodiode. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Spannung für den Punkt 6 und für die Rückkopplung am gleichen Punkt des Verstärkers abgenommen. Grundsätzlich können diese Spannungen aber auch von verschiednen Ausgängen des Verstärkers geliefert werden. Weiterhin können zwischen dem aktiven Teil des Verstärkers und der Kathode der Fotodiode weitere passive Bauelemente eingefügt werden.
In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird statt der Fotodiode ein Fototransistor 11 verwendet. An einem Eingang 12 des Verstärkers 8 liegt eine Gleichspannung, die den Arbeitspunkt des Verstärkers so verschiebt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers positiv in bezug auf Masse ist. DarüberhinaUs entspricht die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig.3 der der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.
In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann die Fotodiode auch als Fotoelement betrieben werden. Hierzu wird der Anschluß 3 auf Massenpotential gelegt.
3 Figuren 4 Patentansprüche

Claims

P a pentan n s~r h e rrß Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelemente abgegebenen, insbesondere breitbandigen Signalen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein erster Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit einem Eingang eines Verstärkers und ein zweiter Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und daß der Übertragungsfaktor des Verstärkers zwischen dem Eingang und Ausgang positiv und der Betrag der Verstärkung größer als Null und kleiner als (1+ Ce/Cd) ist, worin Ce die resultierende Kapazität zwischen dem ersten Ausgangssignalanschluß und Bezugspotential und Cd die Kapazität des Halbleiter-Fotobauelementes zwischen erstem und zweiten Ausgangssignalanschluß bedeuten.
2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z ei c h ne t, daß die Verstärkung größer als eins ist.
3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g zu e -k e n n z e i c h n e t, daß die Verstärkung größer als 0,9 und kleiner als eins ist.
4.) Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vom ersten Ausgangssignalanschluß ein Widerstand nach Masse oder nach einem Punkt mit konstantem Potential geschaltet ist.