DD222748A1

DD222748A1 - Optoelektronische empfangsanordnung

Info

Publication number: DD222748A1
Application number: DD26148284A
Authority: DD
Inventors: Andreas Heinzmann; Hartmuth Netz
Original assignee: Elektro App Werke Veb
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1985-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Empfangsanordnung mit breitbandiger Uebertragungscharakteristik fuer die Uebertragung digital modulierter Signale. Ziel der Erfindung ist es eine hohe Empfindlichkeit und Uebersteuerungsfestigkeit zu erreichen und Schrittverzerrungen gering zu halten. Aufgabe der Erfindung ist es eine einfache Empfangsanordnung zu entwickeln. Geloest wird die Aufgabe durch eine nichtlineare gleichspannungsgekoppelte Empfangsanordnung unter Verwendung uni- und bipolarer Transistoren. Als optoelektronischer Wandler dient eine Fotodiode, die direkt mit einem Dual-Gate-MOSFET vom n-Kanal Anreicherungstyp, der als Sourcefolger geschaltet ist, verbunden ist. Ein erstes Gate des MOSFET ist mit der Katode der Fotodiode und ueber einen Arbeitswiderstand mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der zwischen den Kollektor eines Transistors und positiver Betriebsspannung geschaltet ist. Die Source ist mit der Basis dieses Transistors sowie der Anode der Fotodiode verbunden. Dem Transistor ist eine Verstaerkerstufe nachgeordnet. Von dieser Stufe ausgehend sind Mittel zur Gegenkopplung sowie zur wechselspannungsmaessigen Mitkopplung vorgesehen. Anwendungsgebiet - Lichtleiter-Kurzstreckenuebertragung. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen . ^λ . -

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Empfangsanordnung mit breitbandiger Übertragungscharakteristik für die V Übertragung digital modulierter Signale und findet insbesondere Anwendung bei der Lichtleiter-Kurzstreckenübertragung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen . .

Die bekannten optoelektronischen Empfangsanordnungen kann man in 3 Gruppen einteilen ν 1. Empfänger mit Operationsverstärker

2. Empfänger mit bipolaren Transistoren ^ .

3. Empfänger mit unipolaren Transistoren . Die I.Gruppe ist gekennzeichnet durch, hohe Gieichtalctuhterdruckung, Arbeitspünktstabiiität und Gleichlichtübertragung. Kritisch sind hierbei der Frequenzgang bei Großsignalaussteuerung und die Slew-Rate des Operationsverstärkers. Die 2. Gruppe zeichnet sich durch eine höhe Grenzfrequenz aus.Infolge kleiner Arbeitswiderstände, die durch den Eingangswiderstand des bipolaren.Transistors herabgesetzt sind, benötigt man höhere Verstärkungen, um auf gleiche Ausgangspegel zu kommen. Daraus resultiert eine Drift des Ärbeitspunktes, so daß diese Schaltungen in der Regel wechselspannungsgekoppelt aufgebaut werden. Das führt zu Einschwingverhalten Und zu Einschränkungen des Tastverhältnisses der zu übertragenden Daten. Durch den Einsatz diskreter Bauelemente ergibt sich oftmals" eine komplizierte Schaltungstechnik, die durch komplementäre Bauelemente und Konstantstromquellen gekennzeichnet ist. Außerdem erweisen sich bipolare Transistoren bis zu einer Gr.enzfrequenz von ca. 50MHz im Rauschverhalten ungünstiger gegenüber unipolaren Transistoren. Empfänger mit unipolaren Transistoren lassen höhere Arbeitswiderstände und demzufolge eine höhere Empfindlichkeit zu. Meist werden sie im Zusammenhang mit bipolaren Transistoren in Eingangsstufen von optischen Empfängern eingesetzt und sind übersteuerungskritisch.

Zu 1: In der Erfindurigsbesehreibung DD156753 wird eine optoelektronische Empfangsschaltung beschrieben, die einen Operationsverstärker verwendet, zwischen dessen Eingängen der optoelektronische Wandler, eine Fotodiode, angeordnet ist. Der Einfachheit dieser Schaltung steht gegenüber, daß Probleme der Frequenzkompensation des Operationsverstärkers nicht betrachtet werden, wobei die Slew-Rate und die Aussteuerbarkeit den Frequenzbereich stark einschränken. Die Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen und die Schwingneigung üblicher Operationsverstärker bringen zusätzliche Probleme. Bei großen Eingangspegeln geht der Operationsverstärker in die Begrenzung, wobei mit Verzerrungen gerechnet werden muß. Der Empfindlichkeit des Empfängers sind durch das Eigenrauschen des Operationsverstärkers Grenzen gesetzt.

Zu 2: Der in der DE-AS 2720614 beschriebene Breitbandverstärker für Fotodioden ist bipolarer Struktur und verwendet am . Eingang einen Transistor in Basisschaltung. Diese schwingfreudige Betriebsart des Transistors besitzt einen sehr kleinen Eingangswiderstand, so daß der wirksame Arbeitswiderstand der Empfängerdiode gering ist, was zu einer kleinen/. : Eingangsspannung führt. Man erreicht dadurch sehr hohe Betriebsfrequenzen, jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit. Die hohe erforderliche Spannungsverstärkung bringt zwangsläufig Arbeitspunktstabilisierungsprobleme mit sich, die durch Differenzverstärker gelöst wurden.

Die Basisschaltung kann außerdem nur bei relativ hohen Fotoströmen verwendet werden, weil sonst der Stromverstärkungsfaktor bipolarer Transistoren wesentlich sinkt oder das Stromverteilungsrauschen des ersten Transistors /überwiegt.

Die vorgestellte Schaltung bietet keine Möglichkeit den Arbeitswiderstand oder die Verstärkung zu variieren, ohne dadurch Arbeitspunktezu verändern. Des weiteren sind die Ausgänge des Empfängers nicht kurzschlußfest. ,

Zu 3: Die in der Patentschrift DD 146780 vorgestellte Erfindung, einer galvanisch gekoppelten temperaturstabilisierten Fotoempfängerschaltung, erreicht durch' ihren FET-Eingang einen großen Arbeitswiderstand. Die Schaltung benutzt einen Source-und einen Emitterfolger, so daß die erreichbare Spannungsverstärkung kleiner 1 ist. Damit ist die Verwendbarkeit . eingeschränkt, da nachfolgende Verstärkerstufen benötigt werden, die nicht vorgestellt wurden. Diverse Konstantstromquellen verursachen einen hohen Bauelementeaufwand, wobei komplementäre Strukturen Anwendung finden. Infolge eines .hochohmigen Abschlusses des eingesetzten Sourcefolgers ist mit unterschiedlichen Fiankensteilheiten der Impulse und somit mit Schrittverzerrungen zu rechnen. .

-3- 261 482 5

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine hohe Empfindlichkeit und Übersteuerungsfestigkeit für binäre Signale mit breitbandiger Übertragungscharakteristik zu erreichen und Schrittverzerrungen auch bei großen Signalen gering zu halten.

Wesen der Erfindung '

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache optoelektronische Empfangsanordnung mit breitbandiger Übertragungscharakteristik und großem Dynamikbereich zu entwickeln, die kein Einschwingverhalten aufweist und an ihrem Ausgang kurzschlußsicher ist. Als optoelektronischer Wandler dient eine Fotodiode.

,Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine nichtlineare gleichspannungsgekoppelte Empfängeranordnung, unter Verwendung bipolarer Transistoren, gelöst. Eingangsseitig ist ein MOSFET, als Sourcefolger geschaltet, angeordnet. Beispielsweise ist dies ein Dual-Gate-MOSFET vom n-Kanal Anreicherungstyp. Ein erstes Gate des MOSFET ist mit der Katode der Fotodiode und über einen Arbeitswiderstand mit dem Abgriff eines ersten Spannungsteilers verbunden. Zur weichen Pegelbegrenzung sind parallel zum Arbeitswiderstand eine Schottky-Diode und ein Serienwiderstand angeordnet. Der Spannungsteiler ist zwischen dem Kollektor eines npn-Transistors und einem Pol der positiven Betriebsspannung geschaltet, auf den auch der Drain- und ein zweiter Gateanschluß des MOSFET geführt sind. Die Source ist mit der Anode der Fotodiode, der Basis des npn-Transistors sowie einem Widerstand verbunden, dessen zweiter Anschluß, wie auch der eines Emitterwiderstandes des Transistors, mit dem Pol der negativen Betriebsspannung verknüpft ist. Der Kollektor des Transistors ist auf den Eingang einer Verstärkerstufe geschaltet. Diese Stufe ist vorteilhaft eine zweistufige bipolare Anordnung, deren Kollektor- und Emitterausgänge offen sind. Der invertierende Emitterausgang der Verstärkerstufe ist über einen Gegenkopplungswiderstand mit dem Emitter des npn-Transistor und über einen zweiten Spannungsteiler mit Masse verbunden. Der Abgriff dieses zweiten Spannungsteilers ist über ein Kondensator mit dem ersten Gate des MOSFET verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, kann die Fotodiode anodenseitig nicht mit der Source sondern mit dem Emitter des Transistors verbunden sein. Im lichtlosen Zustand liegt die am ersten Spannungsteiler abgegriffene Spannung am ersten Gate des MOSFET an, wobei Restströme vernachlässigt werden. Der Arbeitspunkt des MOSFET bei lichtlosem Zustand ist gekennzeichnet durch ein Maximum der Gatespannung, der Sourcespannung und des Drainstromes. Bei Lichtansteuerung der Fotodiode verursacht diese einen Stromfluß durch ihren Arbeitswiderstand, so daß die wirksame Gatespannung um den resultierenden Spannungsabfall absinkt. Dieser negative Spannungshub erscheint auch am Source des MOSFET, wodurch ein Mitkopplungseffekt erzielt wird, weil dort der Fußpunkt der Fotodiode (Anode) tiegt. Das am Source entnommene Signal wird von dem nachgeordneten Transistor Und der bipolaren Verstärkerstufe in Richtung Ausgang insgesamt invertierend verstärkt.

Der verwendete Dual-Gate-MOSFET gewährleistet einen günstigen Signai-Rauschabstand und eine geringe Eingangskapazität bei hohem Eingangswiderstand. Die mögliche Verwendung eines hohen Arbeitswiderstandes bei kleinen optischen Eingangspegeln führt zu hoher Empfindlichkeit. Weiterhin verhindert die pegelabhängige Reduzierung des Arbeitswiderstandes die Übersteuerung des Empfängers. Gleichzeitig wird die Flankensteilheit erhöht und geringe Schrittverzerrungen des Datensignals werden erreicht. Unabhängig davon kann der maximale Arbeitswiderstand bei kleinen Pegeln frei gewählt werden, wodurch Flankensteilheit und Empfindlichkeit programmiert werden können.

Ausführungsbeispiel ' . ...—--·

Die optoelektronische Empfängeranordnung nach Fig. 1 verwendet an ihrem Eingang als MOSFET 1, einen Dual-Gate-MOSFET vom n-Kariäl Anreicherungstyp. Zwischen einem ersten Gate und Source ist eine PIN-Fotodiode 2 so geschaltet, daß die Katode der Diode 2 mit dem Gate und ihre Anode mit Source verbunden sind. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, gemäß Fig. 2, kann es zweckmäßig sein, die Anode der Fotodiode 2 direkt mit dem Emitter des, dem Sourcefolger nachgeordneten, Transistors 7 zu verbinden. Für den Arbeitspunkt des MOSFET ist eine positive Gate-Source-Spannung erforderlich, die über einen Arbeitswiderstand 3, dem eine Schottky-Diode 5 mit einem Serienwiderstand 4 parallel geschaltet ist, erzeugt wird. Liegt der am Arbeitswiderstand 3 durch den Diodenstrom verursachte Spannungsabfall oberhalb der Flußspannung der Schottky-Diode 5, so reduziert sich der wirksame Arbeitswiderstand durch den zunehmenden Einfluß der Parallelschaltung des Serienwiderstandes 4. Das führt zu einem gleitenden Übergang, der eine weiche verzerrungsarme Begrenzung des Eingangssignals bewirkt. Diese wird von einem ersten Spannungsteiler 8, der zwischen einem Pol der positiven Betriebsspannung IL und dem Kollektor eines npn-Transistors 7 angeordnet ist, abgegriffen. Für den Spannungsteiler 8 kann ein Dickschichteinsteller verwendet werden, um die Schwankungen der Pinch-off-Spannung verschiedener MOSFET zu korrigieren. Mit der positiven Betriebsspannung IL sind auch das zweite Gate und der Drain des MOSFET 1 verbunden. Die Source ist mit der Basis des npn-Transistors 7 und über einen Widerstand 6 mit einem Pol der negativen Betriebsspannung IL verknüpft, auf den auch der zweite Anschluß des Emitterwiderstandes 9 des Transistors 7 geführt ist. Am Kollektor des Transistors 7 liegt der Eingang einer zweistufigen bipolaren Verstärkerstufe (Fig. 3), die das dem Sourcefolger entnommene Signal in Richtung Ausgang positiv verstärkt. Diese Stufe besteht aus zwei npn-Transistoren 21 und 22. Ihr Eingangsserienwiderstand 20 verhindert eine basisseitige Übersteuerung des ersten Transistors 21 dieser Stufe. Der parallel zum Eingangsserienwiderstand 20 entstandenen Leerlaufverstärkungsverlust zu hohen Frequenzen hin. Der Widerstand 24 zwischen dem Kollektor des Transistor 21 und positiver Betriebsspannung IL und der Widerstand 22 zwischen dem Emitter dieses Transistors 21 und negativer Betriebsspannung LL bestimmen seine Verstärkung. Der Transistor 22 verstärkt das Signal weiter entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Außenbeschaltung. Der invertierende offene Emitterausgang der Verstärkerstufe 11 ist über einen Gegenkopplungswiderstand 10 auf den Emitter des npn-Transistors 7 geführt. Außerdem ist dieser Ausgang mit einem zweiten Spannungsteiler 17 verbunden, dessen zweiter Anschluß auf Masse liegt. Parallel zu diesem. Spannungsteiler 17 kann extern ein weiterer Widerstand 18 geschaltet sein, um im Zusammenhang mit einem Widerstand 12 eine wirksame Nachverstärkung der Anordnung einzustellen. Emitterwiderstand 9 und Gegenkopplungswiderstand 10 legen die Verstärkung bis zum Emitter des Transistors 22 (offener Emitterausgang der Verstärkerstufe 11) fest, die durch den Transistor 7 und die Verstärkerstufe 11 erzeugt wird.

-4-261482 5

Über einen Kondensator 13, der zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers 17 und dem ersten Gate des MOSFET1 angeordnet ist, wird die verstärkte Signalspannung abgeschwächt wechselspannungsmäßig rückgeführt. Diese Mitkopplung ist so eingestellt, daß oszülografisch eine optimale Signalform am Ausgang erzielt wird. Hierbei ist auf Grund der Verstärkungsreserven eine Überkompensation möglich. Durch diese Kompensation wird eine breitbandige Übertragungscharakteristik zu hohen Frequenzen hin erreicht. Die einstellbare Frequenzkompensation ermöglicht es, im Zusammenhang mit der frequenzunabhängigen Eingangsschaltung, Kapazitätstoleranzen der Empfangsdioden bzw. Eingangskapazitäten zu neutralisieren. Der offene Kollektor der Verstärkerstufe 11 ist über den Widerstand 12 mit dem Pol der positiven Betriebsspannung U₊ und schließlich mit der Basis eines Emitterfolgers 16 verbunden, dereinen geringen' Quellwiderstand garantiert. Sein Kollektorwiderstand 14 gewährleistet durch Begrenzung des maximal möglichen Kollektorstromes die Kurzschlußfestigkeit des Ausgangs der optoelektronischen Empfangsanordnung. Die Schaltungsstruktur vermeidet Konstantstromquellen und beinhaltet galvanisch gekoppelte npn-Transistoren hoher Transitfrequenz. Hieraus ergibt sich ein breitbandiger Anwendungsbereich. Die erfindungsgemäße Lösung stellt keine Ansprüche an das Tastverhältnis des Datensignals. Sie enthält keine zeitabhängigen Regelmechanismen und vermeidet Einschwingvorgärrge. Durch die Verwendung von npn-Transistoren mit Transitfrequenzen von größer 400MHz und eines VHF-MOSFET sind die Voraussetzungen für eine hohe Leerlaufverstärkung gegeben, die eine vorteilhafte Dimensionierung der geschlossenen Schleifenverstärkung ermöglicht. Im Zusammenhang mit der Bootstrapeingangsstruktur und der Frequenzkömpensatioh, die ihren Bezugspunkt aus dem verstärktem Signal bekommt, wird eine hohe Übertragungsbandbreite von 0 bis 10MHZ erreicht. Die hohe Empfindlichkeit erlaubt es, optische Signale ab 50>W Lichtleistung zu verarbeiten. Die internen Begrenzungsmechanismen erlauben eine hohe Aussteuerbarkeit bis zu einer Lichtleistung von 500μ.W, so daß der Dynamikbereich 4OdB umfaßt.

Claims

. -2- 261 482

Erfindungsansprüche:

T. Optoelektronische Empfangsanordnung mit breitbandiger Übertragungscharakteristik, welche eingangsseitig eine Fotodiode aufweist, die zwischen Anschlüsse eines MOSFET geschaltet ist, dem ein Verstärker nachgeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß ein erstes Gate eines MOSFET mit der Katode der Fotodiode (2) und über einen Arbeitswiderstand (3), dem eine Schottky-Diode (5) und ein Serienwiderstand (4) parallel geschaltet ist, mit dem Abgriff eines ersten Spannungsteilers (8) verbunden ist, der zwischen dem Kollektor eines npn-Transistors (7) und einem Pol der positiven Betriebsspannung (U₊) geschaltet ist, auf den auch ein zweites Gate und Drain des MOSFET (1) geführt sind, daß die Source des MOSFET(I) mit der Anode der Fotodiode (2), mit der Basis des npn-Transistors (7) sowie einem Widerstand

(6) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß, wie auch der eines Emitterwiderstandes (9) der Transistors (7), auf einen Pol der negativen Betriebsspannung (LL) geführt sind,, und daß der Kollektor des Transistors (7) auf eine Verstärkerstufe (11) geführt ist, deren invertierender Emitterausgang über einen Gegenkopplungswiderstand (10) mit dem Emitter des Transistors

(7) und über einen zweiten Spannungsteiler (17) mit Masse verbunden ist, wobei der Abgriff dieses Spannungsteilers (17) übereinenKondensator (13) auf das erste Gate des MOSFET geführtist. ^Λ

2. Optoelektronische Empfangsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode der Fotodiode (2) auf das erste Gate des MOSFET (1) und ihre Anode auf den Emitter des npn-Transistors (7) geschaltet sind.

3. Optoelektronische Empfangsanordnung nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Dual-Gate-MOSFET vom η-Kanal Anreicherungstyp angeordnet ist.
4. Optoelektronische Empfangsanordnung nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Verstärkerstufe (11) als eine zweistufige bipolare Stufe mit.offenem Kollektor-und Emitterausgang aufgebaut ist. '
5. Optoelektronische Empfangsanordnung nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß parallel zum zweiten Spannungsteiler (17) ein Widerstand (18) geschaltet ist.