DE3743766A1 - Optischer empfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger mit ei­ nem Transimpedanzverstärker, an dessen Eingang ein Photo­ element angeschlossen ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z.B. in dem Aufsatz "Receiver Design for Optical Fiber Systems" von S. D. PER­ SONICK in PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL 65, NO 12, DECEM­ BER 1977 auf Seite 1676, beschrieben. Eine Photodiode ist mit dem Eingang eines Transimpedanzverstärkers verbun­ den. Der Transimpedanzverstärker besteht aus einem inver­ tierenden Verstärker zwischen dessen invertierendem Ein­ gang und dessen Ausgang ein Rückkopplungswiderstand ange­ schlossen ist. Der Transimpedanzverstärker ist ein Strom-Spannungswandler, welcher den Photostrom der Photo­ diode in eine proportionale Spannung wandelt. Transimpe­ danzverstärker bieten wegen eines niedrigen Eingangswi­ derstandes den Vorteil einer hohen Frequenz-Bandbreite.

Bei Eingangssignalen mit hohem Gleichlichtanteil ist zwi­ schen Photodiode und Eingang des Transimpedanzverstärkers ein Koppelkondensator vorgesehen, welcher den Gleich­ stromanteil des Photostroms der Photodiode abblockt. Die­ ser Koppelkondensator bildet zusammen mit dem Eingangswi­ derstand des Transimpedanzverstärkers einen Tiefpaß. Da der Eingangswiderstand des Transimpedanzverstärkers sehr niederohmig ist, muß der Kapazitätswert des Koppelkonden­ sators sehr groß gewählt werden, um eine ausreichende Bandbreite zu erzielen. Große Kapazitätswerte sind zum einen schlecht zu integrieren, zum anderen als diskretes Bauelement ausgeführt wirken sie als Antenne und begün­ stigen eine Störeinstrahlung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei hohen Gleichsignalanteilen des Eingangssig­ nals auf einen Koppelkondensator verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Transimpedanz­ verstärker als Differenzverstärker ausgebildet und daß am Eingang des Transimpedanzverstärkers eine Stromquellen­ schaltung angeschlossen ist, welche von einem aus dem Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers abgeleitetem Steuersignal gesteuert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und er­ läutert.

Die Zeichnung zeigt einen optischen Empfänger, welcher moduliertes Licht in elektrische Signale wandelt. Das mo­ dulierte Licht wird über eine nicht dargestellte Glasfa­ ser einer Photodiode 1 zugeführt. Die Anode der Photodio­ de 1 ist mit einer negativen Vorspannung -U 1 vorge­ spannt. Die Kathode der Photodiode 1 ist mit dem Ein­ gang -E eines Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Der Transimpedanzverstärker ist als Differenzverstärker mit zwei Transistoren 8, 9 ausgeführt. Dies hat den Vorteil, daß symmetrische Übersteuerungen lediglich zu einer Be­ grenzung des Ausgangssignales führen, ohne daß Signalver­ zögerungen in Folge von Sättigungseffekten der aktiven Bauelemente in Kauf genommen werden müssen, wie dies bei anderen Verstärkertypen bzw. auch bei asymmetrischer Aus­ steuerung eines Differenzverstärkers der Fall wäre.

Bei Differenzverstärkern sind die Emitter zweier Transis­ toren mit einer Stromquelle verbunden. Den Kollektoren dieser Transistoren ist über Kollektorwiderstände eine Betriebsspannung +U zugeführt. Die Basis des ersten Tran­ sistors 8 bildet einen invertierenden Eingang -E des Dif­ ferenzverstärkers, während die Basis des zweiten Transis­ tors 9 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der Kollektor des zweiten Transistors ist mit der Basis eines dritten Transistors, welcher als Emitterfolger ausgeführt ist, verbunden. Der Emitter des Emitterfolgers bildet den Ausgang A des Differenzverstärkers. Hier kann das ver­ stärkte und invertierte Eingangssignal abgenommen wer­ den. Ein Rückkopplungswiderstand R liegt zwischen inver­ tierendem Eingang -E und Ausgang A des Differenzverstär­ kers 8, 9. Durch diese Beschaltung wird der Differenzver­ stärker zum Transimpedanzverstärker, der in den Ein­ gang -E fließende Strom wird zu einer diesem Eingangs­ strom invertierten proportionalen Spannung umgesetzt. Bei auf die Photodiode 1 auftreffendem Licht erhöht sich der Sperrstrom der Photodiode entsprechend. Dieser Sperrstrom fließt vom Ausgang A des Transimpedanzverstärkers 2 über den Rückkopplungswiderstand R zum Eingang -E des Transim­ pedanzverstärkers und von dort zur Photodiode. In bezug auf den Eingang -E ist dieser Sperrstrom ein negativer Eingangsstrom - fließt also aus dem Eingang des Transim­ pedanzverstärkers heraus - und führt wegen des invertie­ renden Eingangs zu einem positiven Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers.

Der Ausgang A des Transimpedanzverstärkers 2 ist mit dem Eingang eines Regelverstärkers 3 verbunden. Der Regelver­ stärker 3 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem mit einem Operationsverstärker 5 aufgebauten invertierenden Integrator und einem vorgeschalteten invertierenden Ver­ stärker 6. Der Regelverstärker 3 ist dadurch nicht-inver­ tierend. Wird ein Differenzverstärker verwendet, welcher zusätzlich einen invertierenden Ausgang besitzt, so kann der invertierende Verstärker 6 entfallen. In diesem Fall ist der Eingang des Integrators an dem invertierenden Ausgang des Differenzverstärkers anzuschließen.

Mit steigender, auf die Photodiode 1 auftreffender Licht­ leistung, erhöht sich der Sperrstrom der Photodiode. Die Regelspannung des Regelverstärkers 3 ist einer Stromquel­ lenschaltung 4 zugeführt. Der Ausgang der Stromquellen­ schaltung 4 ist mit dem invertierenden Eingang -E des Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Bei Ansteuerung der Stromquellenschaltung mit einem negativen Steuerpegel liefert die Stromquellenschaltung 4 keinen Ausgangs­ strom. Wird die Stromquellenschaltung 4 hingegen mit ei­ ner positiven Eingangsspannung angesteuert, so steigt der Ausgangsstrom monoton mit dieser Steuerspannung. Da die Stromquellenschaltung 4 ebenso wie der Regelverstärker 3 nicht-invertierend ist, wird hierdurch für die gesamte Schaltungsanordnung mit dem invertierenden Transimpedanz­ verstärker 2 die Gegenkopplungsbedingung im Regelkreis erfüllt.

Da der Regelverstärker eine Regelspannung abgibt, kann die gesteuerte Stromquelle im einfachsten Fall aus einem zwischen Ausgang des Regelverstärkers und Eingang des Transimpedanzverstärkers liegenden Strombegrenzungswider­ stand bestehen. Damit bei negativer Regelspannung kein Regelstrom fließt, ist in Reihe zu dem Strombegrenzungs­ widerstand eine Diode vorzusehen.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Stromquellenschaltung aus einem Transistor 7, dessen Kollektor positive Be­ triebsspannung +U zugeführt ist. Die Basis des Transis­ tors bildet den Steuereingang und sein Emitter den Aus­ gang der Stromquellenschaltung 4. Dies hat den Vorteil, daß der Ausgang des Integrators nur unwesentlich belastet wird.

Mit steigenden optischen Eingangspegeln steigt der Gleichstromanteil des Photostroms. Ein Integrator als Re­ gelverstärker 3 bietet den Vorteil, daß durch die Inte­ gration des Ausgangssignals die höherfrequenten Signalan­ teile ausgesiebt werden und bevorzugt der Gleichspan­ nungsanteil verstärkt wird. Auf diese Weise wird mit der Zeitkonstanten des Integrators die untere Eckfrequenz des optischen Empfängers festgelegt. Überschreitet der Gleichstromanteil des Photostroms einen durch die Ver­ gleichsspannung U 1 vorgegebenen Grenzwert, so liefert der Regelverstärker 3 eine positive Regelspannung. Diese er­ zeugt durch die Stromquellenschaltung 4 einen positiven Regelstrom. Dieser Regelstrom fließt durch die Photodio­ de 1 ab.

Bei kleinen Lichteingangsleistungen ist die Ausgangsspan­ nung des Transimpedanzverstärkers 2 so klein, daß der Differenzverstärker noch nicht begrenzt ist. Die Ver­ gleichsspannung U 1 ist daher so eingestellt, daß noch kein Regelstrom fließt. Auf diese Weise ist die Regelung bei kleinen optischen Eingangspegeln inaktiv. Dies hat den Vorteil, daß das Signalrauschverhältnis des Eingangs­ signals bei kleinen Eingangspegeln durch die Regelschal­ tung nicht verschlechtert wird. Allerdings wird der Dif­ ferenzverstärker 8, 9 wegen der galvanischen Kopplung von Photodiode und Transimpedanzverstärker auch mit dem Gleichstromanteil des Photostroms ausgesteuert. Der Dif­ ferenzverstärker 8, 9 wird daher nur im positiven Aus­ gangsspannungsbereich, also asymmetrisch, ausgesteuert. Solange die Ausgangsspannung kleiner ist als die Span­ nung, bei welcher eine Begrenzung des Ausgangssignals eintritt, wird das Ausgangssignal durch die asymmetrische Aussteuerung jedoch nicht beeinträchtigt.

Steigt der Eingangsstrom weiter an, so wird das Eingangs­ signal im Differenzverstärker 8, 9 zunehmend begrenzt. Die An- und Abstiegszeiten der Eingangssignale werden verkürzt, da aus dem großpegeligen Wechselstromanteil nur ein kleiner Teil zur Vollaussteuerung des Begrenzers be­ nötigt wird. Dies hat den Vorteil, daß bei verschliffenen Rechteckimpulsflanken die Flankensteilheit verbessert wird. Da jedoch nun die Vergleichsspannung U 1 durch die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers überschrit­ ten ist, wird die Regelschaltung aktiv und speist einen Regelstrom in den Eingang -E des Transimpedanzverstärkers ein. Dieser Regelstrom bewirkt eine Kompensation des Gleichstromanteils des Photostroms, so daß der Arbeits­ punkt auf der Eingangskennlinie des Differenzverstärkers für Großsignale konstant gehalten wird. Hierdurch er­ reicht man eine nahezu symmetrische Aussteuerung des Dif­ ferenzverstärkers, welche eine Ausnutzung der Begrenzer­ eigenschaften eines Differenzverstärkers ohne Inkaufnahme der bekannten Nachteile bei asymmetrischer Aussteuerung erst ermöglicht.

Claims (6)

1. Optischer Empfänger mit einem Transimpedanzverstärker, an dessen Eingang ein Photoelement angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transimpedanzverstärker als Differenzverstär­ ker (8, 9) ausgebildet und daß am Eingang (-E) des Trans­ impedanzverstärkers (2) eine Stromquellenschaltung (4) angeschlossen ist, welche von einem aus dem Ausgangssig­ nal des Transimpedanzverstärkers abgeleitetem Steuersig­ nal gesteuert ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des Steuersignals ein Regelverstär­ ker (3) verwendet wird, dessen Eingang mit dem Aus­ gang (A) des Transimpedanzverstärkers und dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Stromquellenschaltung (4) ver­ bunden ist.

3. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung aus einem zwischen Ausgang des Regelverstärkers (3) und dem Eingang (-E) des Trans­ impedanzverstärkers (2) liegenden Strombegrenzungswider­ stand besteht.

4. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung (4) aus einem Transis­ tor (7) besteht.

5. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (3) eine Eingangsschwelle auf­ weist.

6. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (3) ein Integrator (5, 6) ist.