DE2940159A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum speisen von vorrichtungen mit nichtlinearer schwellencharakteristik - Google Patents

Description

CSELT 3. Oktober 1979

Ccnt.ro Studi e Laboratori

Tc. lecomunicazioni, S.p.A.

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Vi.ι (Juglielmo K( iss Komoli, 274

T t <i 1 i ρ η

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Speisen von Vorrichtungen mit nichtliriearor .Schwc-llencharak ter i stik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speisen von Vorrichtungen mit Schwellencharakteristik und auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, wobei es sich insbesondere um solche Vorrichtungen mit Schwellencharakteristik handelt, die einen gegebenen Vorbelastungs-Gleichstrom einer Höhe erfordern, die den Arbeitspunkt in einem linearen Bereich oberhalb der Schwelle festlegt, und einen modulierenden Strom benötigen, der sich auf das Informationssignal bezieht. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise lichtemittierende Dioden (LED), Halbleiterlaser, Gunn-Mikrowellendioden und andere.

Bekanntlich ändert sich die Schwellenspannung derartiger Vorrichtungen in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, je nach Komponentenart und Lebensdauer. Es fallen nicht nur die elektrischen Spannungs/Strom-Charakteristiken zwischen verschiedenen oder nominal gleichen Typen verschiedener Hersteller weit auseinander, sondern selbst unter den gleichen Typen eines selben Herstellers. Außerdem verschiebt sich der Arbeitspunkt sowohl mit Temperaturänderungen als auch mit der Alterung. Diese

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Verschiebung kann entweder eine Verschlechterung der Funktion oder duch irreversible Vorrichtungsschäden mit sich bringen, sofern nicht die Treiberschaltung adaptive Charakteristiken hat.

Di< se Nachteil« werden durch d i < 1-Jr f i nduriq überwunden, mil deren Hilft jede beliebig« Cchwe J IeTi- Vo rr i eh t.unq t>etriobfri werden kann und die < i n« au torn, ι L i :;ch< Se I bsi.Jus t i e rung h i ns i eh I I i eh der < I' k l.r i :;rh'T> ι :har ak t.'-r is t i k< π de r Be 1 as t uriq sowie < in« K'eq« lung d< ·.-■ d'-m [ η f ot im t i oriss i qna I , da."· ar di< q< Iranern Vorrichtung a r, /. η 1 < <]' r, ι ·'.' , .: u<ji-or d r.< ι ■ π j I ■ ι chi·: j j. ι tiMuii'j: \> < · t j * lr> · niii >'| i i ■: ii I . Hierbei kann außerdem » in«, .iut. onirit i :;rhe k< tj ι | uruj in netj.itiver kuokkopp] ung q« ■: cha f f ^r: werden, die dif Ani[)lit.ude des IriFor-rnat ionss icjnal s iuf einttn gegeuenen Wert festhalt. Außerdem ist bei der erf'iridungsgemäßeri Schaltung eine Reglung mit Hilfe einer weiteren Rückkopplungsschleife möglich, die auf die Leistungsänderung des Signals anspricht, das von der gespeisten Vorrichtung emittiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Speisen von durch ein Datensignal gespeisten Vorrichtungen mit Schwellencharakteristik ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen Strom von der oder zur Vorrichtung bei Vorliegen des Bits O oder bei Abwesenheit des Datensignals zu O macht, indem man das an die Vorrichtung zu schickende Datensignal verstärkt und mit einer ersten Gleichspannung addiert, deren Amplitude man automatisch so regelt, daß sie proportional einem ersten D i f f e ren/.s igna I gemacht wird, welcnes man dadurch erhält, daß man von einem an den Klemmen der 'jespi ist.en Vorrichtung abgegriffenen .'iiqrial ein erstes Sigrid I subtrahiert, das man durch feststellung und 1 η tegr ierung ein· . .signals erhält-, welches man seinerseits durch die Addition der ersten Gleichspannung mit dem verstärkten Dat .onsigna I er ha I I. .

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Durchführungs- und Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung, deren einzige Figur einen Blockschaltplan der erfindungsgemäßen Schaltungsan-

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Ordnung zeigt.

Der Blockschaltplan zeigt eine Treiberschaltung für einen Halbleiterlaser zu dessen Verwendung in einem Datenübertragungssystem über optische Fasern.

Ein Eingangsleiter 1 für Datensignale dient der Lieferung des Signals für die Modulation des Treiberstroms des Lasers. Dieses SignaL wird von einem Verstärker AM entsprechend verstärkt und weist dann einen angemessenen Le i stungspege 1 für das korrekte Treiben dt.:: !-i'-.^r:; auf. Djl; < π t. sprechend verstärkte Ausgangs-Datensignal des Verstärkers AM wird unter Überlagerung durch eine g^ > i'jnete Gleichspannung auf einem Ausgangs Ie i ter 2 abgegeben, der sich ideell in drei Leiter 3, 4 und 5 verzweigt, von denen der Leiter 5 unmittelbar mit einer Belastung LO verbunden ist. Diese als Block dargestellte Belastung umfaßt beim beschriebenen Beispiel einen Widerstand R und einen Halbleiterlaser U, der einfach durch Diodensymbol dargestellt ist, als die für den Betrieo des Ausführungsbeispiels in der beschriebenen Ausführung wesentliche Komponenten. Der Widerstand R dient der Anpassung der niedrigen Impedanz des Lasers an die Ausgangsimpedanz des Verstärkers AM.

Über einen Leiter 6 liefert ein Stromgenerator GC2 dn den Laser U den Vorbelastungsstrom, der zur Festlegung des Arbeitspunkts im Ruhezustand erforderlich ist und unmittelbar über der von der Kennlinie gezeigten Schwelle liegt.

Der Abzweig Ieiter 4 des Ausgangsleiters 2 legt das Datensignal und die Gleichspannung vom Ausgang des Verstärkers AM an den Eingang einer Detektor- und Integratorschaltung DM von üblichem Aufbau, die ihrerseits über einen Leiter 8 ein Ausgangssignal

zwei/
an eine de r' Ei rigangsk lemmen eines üblichen Da ff erenz Verstärkers AEI anlegt, an dessen zweiten Eingang über einen Leiter 7 das Signal angelegt ist, das der an den vorbelasteten Laser angelegten Gleichspannung entspricht. Dieses SignaL wird unmittelbar am die Belastung darstellenden Verbraucher abgegriffen, also dem Halbleiterlaser. Liegt kein Signal an oder liegt ein

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Bit "O" an, so fällt dieses Signal mit der Schwellenspannung der Belastung zusammen, also im beschriebenen Beispiel des Lasers U, wobei diese Spannung, wie erwähnt wurde, innerhalb eines weiten Wertebereichs in Abhängigkeit vom Gerätetyp, von seiner Alterung, von der Temperatur usw. schwanken kann. Das aus dem Vergleich durch den Differenzverstärker AE1 resultierende Signal trifft über einen Leiter 9 an einem Spannungsgenerator GT ein, der eine auf einem Leiter 10 "liegende Spannung und damit auch den Pegel der am Ausgangsleiter 2 des Verstärkers AM liegenden Spannung steuert.

Spannungsge nerat.oren, die durch tin elektrisches Signal steuerbar sind, sind an sich bekannt. Eine mögliche Ausführung eines selchen Generators kann aus einem üblichen Transistor in kollektorgeerdeter Schaltung bestehen. Das Steuersignal wird dann an die Basis des Transistors als Stromänderung angelegt und die Ausgangsspannung kann am Emitter abgegriffen werden. Bekanntlich ist der Ausgangswiderstand des Transistors bei einer selchen Schaltung sehr niedrig, so daß er den idealen Spannungsgenerator sehr gut annähert.

Der Zweigleiter 3 des Ausgangsleiters 2 überträgt das Ausgangssignal von AM zu einem Spitzen-Spitzen-Detektor DP, der in bekannter Weise ausgangsseitig eine Gleichspannung abgibt, deren Höhe der Spitzen-Spitzen-Spannung des eingangsseitig an ihm anliegenden Signals entspricht. Diese Gleichspannung wird über einen Leiter 11 einem zweiten Differenzverstärker' AE? (-ingespeist, der an seinem zweiten Eingang über einen I,titer 12 eine Bezugsspannung empfängt, mit deren Hilfe der Mcdul 11ionsstrom der Belastung LO auf einer konstanten Höhe fixiert und beibehalten werden kann.

Der Unterschied zwischen den Werten der Spannungen an den Verstärker«: irigängen führt zu einem Fchlersignal auf einem Leiter 13, das einen Stromgenerator GC1 steuert und folglich über einen Leiter 14 den Spitzen-Spitzen-Pegel des ausgangsseitig von AM vorhandenen Dater signals regelt.

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Ebenso wie die Verwirklichung des Spannungsgenerators GT bereitet auch die Verwirklichung des Stromgenerators GC1 dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Beispielsweise kann hierfür ein Transistor mit emittergeerdeter Schaltung den idealen Stromgenerator aufgrund der hohen Kollektor impedanz gut nachahmen, während das Steuersignal in Form vor Stromänderungen an die Basisklemme angelegt wird.

Wie erwähnt, tragen der Stromgenerator GCI und der Spannungsgenerator GT dazu bei, die elektrischen Pegel der Signale am Ausgangs Jciter 2 des Verstärkers AM zu ändern. Im einzelnen hängt die Spitzen-Spitzen-Amplitude des verstärkten Signals von dem vom Stromgenerator GC1 gelieferten Strom ab, während der Spannungspegel bei Vorliegen des Bits 0 oder bei Abwesenheit des Datensignals von dem Wert der ausgangssei tig von GT ausgehenden Spannung abhängt.

Der Verstärker AM kann aus Stufen der Klassen B oder C zusammengesetzt sein, die durch ein oder durch'mehrere aktive Elemente, beispielsweise emittergeerdete Transistoren, gebildet sind, und der· Spannungsgenerator GT kann in Reihe mit dem Emitter geschaltet nein, während der Stromgenerator GC1 in Reihe mit dem Kollektor geschaltet sein kann. Auf diese Weise bewirken Spannungsänderur.gen, dir dem Spannungsgenerator GT eingespeist werden, Spannungsänderungen am Ausgang von AM, während Änderungen des von GC1 gelieferten Stroms Änderungen des Verstärkungsgrads bewi rken

Handelt es sich um einen Verstärker der Klasse A, so können die Verstärkungs- und die Spannungsregelung am Ausgang durch übliche Techniken realisiert werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung der Betrieb des beschriebenen Beispiels erläutert.

Liegt kein Datensignal am mit der Eingangsklemme verbundenen Eingangsleiter 1 an, so wird der Halbleiterlaser U vom Stromgenerator GC1 mit einem Strom, der geringfügig höher ist als der

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Schwellenstrom, vorbelastet. Hierbei wird eine gewisse Spannungsdifferenz an den Laserklemmen errichtet, deren Wert eine Funktion der Vorrichtung, ihrer Alterung, ihrer Temperatur usw. ist. Mit der Schaltung soll erreicht werden, daß die Spannungshöhe an der Ausgangsklemme des Verstärkers AM bei Abwesenheit eines Datensignals oder bei einem Signal mit Bit 0 gleich der Spannungshöhe an den Klemmen der zu treibenden Vorrichtung, also des Laser:; U, ist unabhängig von der Art der Vorrichtung und bei jedem Betriebszustand. Hierdurch qibt ei; weder einen Strom von AM nach U noch in der entgegengesetzten Richtung.

Die beschriebene Schaltung schafft weiterhin die Möglichkeit einer Regelung der Amplitude de:; vom Verstärker AM verstärk ten Da tensignaJs so, daß diese Amplitude über die Zeit und auch bei wechselnden Umweltbedingungen konstant bleibt. Über eine externe Handsteuerung oder über eine automatische Regelung kann die Amplitude des Modulationssignals des Lasers geregelt werden. Diese Funktionen werden über zwei neuartige- kückkopplungskreise erreicht.

Es wird nun der Betrieb des aus den Blöcken AM, LO, DM, AE1 und GT zusammengesetzten Rückkoppiungskreises beschrieben. Die am Laser U als Effekt des vom Stromgenerator GC2 gelieferten Vorbelastungsstroms aufgerichtete Spannung liegt am Leiter 7, während am Leiter 8 die Spannung liegt, die dem Pegel des Bits 0 des Treiber-Datenstroms entspricht. Diese Spannung am Leiter wird über Detektor- und Integrationsvorgänge erhalten, die in der Schaltung DM am vom Verstärker AM gelieferten Signal durchgeführt werden. Der Dif ferenzverstärk<. r AKI empfängt über· die Leiter 7 und 8 die beiden Spannungen an seinen Eingängen und vergleicht ihre Spannungshöhen. Er gibt ausgangsseitig ein verstärktes Signal ab, das dem Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen proportional ist. Dieses Signal, das ein Fehlersignal darstellt, wird zum Spannungsgenerator GT gesendet und bewirkt eine Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers AM so lang, bis der Unterschied zwischen den Eingangsspannungen von AE1 zu 0 wird. In diesem Zustand sind die beschriebenen Spannungen auf den Leitern 5 und 7 gleich, so daß also bei Abwesen-

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heit von Datensignalen oder bei einem Bit O ein Strom weder von AM nach U noch in der entgegengesetzten Richtung fließt.

Mit Hilfe des aus den Blöcken AM, DP, AE2 und GC1 zusammengesetzten Rückkopplungskreises wird die folgende Datensignalverarbeitung durchgeführt mit dem Ziel, eine zeitlich konstante Amplitude zu erhalten und außerdem die Möglichkeit einer leichten manuellen oder automatischen Regelung der Amplitude selbst sicherzustellen.

Der Spitzen-Spitzen-Detektor DP empfängt über den Leiter 3 das vom Verstärker AM verstärkte Datensignal und gibt über seinen mit dem Leiter 11 verbundenen Ausgang an den einen der Eingänge des Differenzverstärkers AE2 eine Gleichspannung einer Höhe ab, die der Spitzen-Spitzen-Leistung des an ihm eingangsseitig anliegenden Datensignals proportional ist. Am Leiter 12 liegt eine von einem Spannungsgenerator kommende Bezugsspannung, deren Höhe manuell oder automatisch durch ein weiteres Steuersignal justiert werden kann. Beispielsweise kann eine Regelung vorgesehen werden, die die vom Laser emittierte optische Leistung konstant hält. Der Verstärker AE2 vergleicht die beiden Spannungen und liefert ausgangsseitig ein der Differenz proportionales verstärktes Signal. Hierdurch steuert er den Stromgenerator GC1 unter Veränderung von dessen geliefertem Strom, der, wie gesagt, die Verstärkung des Verstärkers AM bestimmt. Auf diese Weise zeigt die Amplitude des verstärkten Datensignals am Ausgang des Verstärkers AM ein Verhalten, das genau der Bezugsspannung folgt. Tritt entweder am Eingang der Treiberschaltung oder am Ausgang des Verstärkers AM aufgrund von Verstärkungsgradänderungen dieses Verstärkers eine Änderung der Datensignalamplitude auf, so erfolgt auch eine Änderung der vom Spitzen-Spitzen-Detektor DP gelieferten Spannung, was ein Fehlersignal am Ausgang des Differenzverstärkers AE2 ergibt mit nachfolgender Änderung des von Stromgenerator GC1 gelieferten Stroms. Auf diese Weise wird automatisch eine neue Verstärkungsgradänderung von AM erhalten, die die ursprüngliche kompensiert .

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Die Bezugsspannung kann nicht nur manuell eingestellt werden, sondern auch von der Amplitude des vom Laser angegebenen optischen Signals abhängen. Von diesem Signal wird dann ein kleiner Teil extrahiert, der nach seiner Umwandlung in ein elektrisches Signal mit Hilfe eines üblichen Fotodetektors festgestellt und integriert wird. Die so erhaltene Spannung kann für eine weitere Rückkopplung verwendet werden, so daß auch eine Regelung des von der getriebenen Vorrichtung emittierten Signals möglich ist.

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L e e r s e 11 e

Claims (6)

1. Patentanwalt

   Dipl.-Ing. Anton Freiherr RiedeteY VOn ΡααΤ Müllerstraße 31

   D-8000 München 5

   φ München (089) 266060 Telex 523 903 claim d i claims München

   CSELT 3. Oktober 1979

   Centro Studi e Laboratori

   Telecomunicazioni, S.p.A.

   Via Guglielmo Reiss Romoli, 274

   Turin, Italien

   Patentansprüche

   '1/ Verfahren zum Speisen von Verrichtungen mit nichtlinearer Schwellencharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Strom von der oder zur Vorrichtung bei Vorliegen des Bits 0 oder bei Abwesenheit des Datensignals zu O macht, indem man das an die Vorrichtung zu schickende.-: Datensignal verstärkt und mit einer ersten Gleichspannung addiert, deren Amplitude man automatisch so regelt, daß sie proportional einem ersten Diff erenzsigrial gemacht wird, welches man dadurch erhält, daß man von einem an den Klemmen der gespeisten Vorrichtung abgegriffenen Signal ein erstes Signal subtrahiert, das man durch Feststellung und Integrierung eine::, Signal::; erhält, welches man c,r\ η er st· i t s durch dit Addition der ersten GIr i chsp.innunq mit dem verstärkten Datensignal trhäll.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Amplitude der verstärkten Datensignale von einer Bezugs-Gleichspannung abhängig macht, indem man den Verstärkungsfaktor der Datensignale automatisch so regelt, daß die Datensignale proportional einem zweiten Differenzsignal werden, das man durch Subtraktion der Bezugsspannung von einem zweiten Signal erhält, welches man seinerseits durch Feststellung und Integration des Additionssignals erhält.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs-Gleichspannung eine Gleichspannung von manuell eingestellter Höhe ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bezugs-Gleichspannung durch Umsetzung einer Energie, die von der gespeisten Vorrichtung emittiert wird, in elektrische Leistung, die dann festgestellt und integriert wird, erhält.
5. 5· Treiber-Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 dis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schal tuny3komponenten:

   - einen V< rstarker (AM), der den Leistungspegel des an seinen Eingang angelegter) Informat ionssign-als anhebt und einen variablen Verstarkungsgrad in Funktion eines in eine erste Klemme (14) eingeleiteten Stroms und eine veränderliche Ausgangs-Gleichspannung in Funktion einer an eine zweite Klemme angelegten Spannung aufweist;

   - eine Belastung (LO), die aus einem Impedanzanpassungswiderstand (R) und aus der schwellenvorbelasteten Vorrichtung (U), die in Serie geschaltet sind, zusammengesetzt ist, mit einer Eingangsklemme (6) am Verbindungspunkt des Widerstands mit der Vorrichtung;

   - eine erste Detektor- und Integratorschaltung (DM), die mit dem Ausgang des Verstärkers (AM) verbunden ist;

   - einen ersten Differenzverstärker (AE1 ) mit zwei Eingängen, die mit dem Ausgang der ersten Detektor- und Integratorschaltung (DM) bzw. mit dem Verbindungspunkt (6,7) des Widerstands mit der Vorrichtung in der Belastung (LO) verbunden sind,und der ausgangsseitig das erste Differenzsignal abgibt, das der Differenz zwischen den Spannungshöhen der eingangsseitigen Signale proportional ist;

   - einen Spannungsgenerator (GT), dessen Ausgangsspannung durch das erste vom ersten Differenzverstärker (AE1 ) gelieferte Differenzsignal gesteuert ist und der mit der zweiten Klemme (10) des Verstärkers (AM) zum Erhalten der geforderten Span-

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   nungsvariationen an dessen Ausgang verbunden ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schaltungskomponenten:

   eine zweite Detektor- und Integratorschaltung (DP), die mit dem Ausgang des Verstärkers (AM) verbunden ist; einen zweiten Differenzverstärker (AE2), dessen einer Eingang mit dem Ausgang der zweiten Detektor- und Integratorschaltung (DP) und dessen anderer Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle (12) verbunden ist und der ausgangsseitig ein zweites Differenzsignal abgibt, das der Differenz zwischen den Spannungshöhen der Signale an seinen Eingängen proportional ist;

   einen ersten Stromgenerator (GCI), dessen Ausgangsstrom durch das zweite Differenzsignal, das vom zweiten Differenzverstärker (AE2) geliefert wird, gesteuert ist und dessen Ausgang mit der ersten Klemme (14) des Verstärkers (AM) zum Erhalten der gewünschten Verstärkungsgradänderungen verbunden ist. ·

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