DE10145203A1

DE10145203A1 - Transimpedanz-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE10145203A1
Application number: DE10145203A
Authority: DE
Inventors: Tsz-Lang Chen; Guang-Ching Leu; Chun-Yo Hsu
Original assignee: TELECOMM LAB CHUNGHWA TELECOM
Current assignee: TELECOMM LAB CHUNGHWA TELECOM
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: DE10145203B4

Abstract

Eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung weist eine Pufferschaltung (2), eine Äquivalenz-Widerstandsschaltung (3) und eine Verstärkerschaltung (4) auf. Die Pufferschaltung (2) zum Einkoppeln von Signalströmen weist einen ersten Feldeffekttransistor (J¶1¶), einen zweiten Feldeffekttransistor (J¶2¶) und einen Widerstand (R¶J¶) auf und hat einen hohen Wirkungsgrad für die Stromeinkopplung und ein breites Frequenzband für die Stromsignale. Die Äquivalanz-Widerstandsschaltung (2) weist einen Widerstand (R¶1¶), einen Koppelkondensator (C¶2¶), einen Bias-Widerstand (R¶b¶), eine erste Puffereinheit (U¶1¶) und eine zweite Puffereinheit (U¶2¶) auf. Bei einem niederfrequenten Betrieb ermöglicht die Äquivalenz-Widerstandsschaltung (2) einen hohen Durchfluss an Hintergrund-Gleichstrom, während sie bei einem hochfrequenten Betrieb eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Signalkopplung und eine Reduzierung der Spannung von Rauschsignalen ermöglicht. DOLLAR A Zusammenfassend ermöglicht die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkerschaltung eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit und des Verstärkungsgrads bei der Detektion von Signalströmen (Is).

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Transimpedanz- Verstärkerschaltung, insbesondere eine Transimpedanz- Verstärkerschaltung mit hoher Frequenzbreite, hohem Signalkopplungswirkungsgrad, geringem Rauschen und hoher Hintergrund-Gleichstrom-Festigkeit.

Eine herkömmliche Transimpedanz-Verstärkerschaltung zum Separieren von Hintergrund-Gleichstrom wird häufig während der Signaldetektion von elektrischem Strom benutzt. Beispielsweise wird in einem optischen Kommunikationssystem eine Photosensorschaltung als Empfangsschaltung verwendet. In der Photosensorschaltung werden Lichtsignale mittels einer Photodiode in elektrischen Strom verwandelt, welcher dann mittels eines Transimpedanz-Verstärkers in ein Ausgangsspannungssignal umgewandelt wird. Die Hauptstruktur einer solchen Photosensorschaltung wird in Fig. 1 gezeigt. In einer Verstärkerschaltung 1 ist ein Koppelkondensator C vorgesehen, um zu verhindern, dass Gleichstrom in die Verstärkerschaltung 1 fließt. Der Kopplungswirkungsgrad für den Signalstrom Is bestimmt sich aus R₁/(R₁ + Za). Za bezeichnet dabei eine Äquivalenzimpedanz für die gesamte Verstärkerschaltung 1 am Signaleingang der Verstärkerschaltung 1. Die Spannung Vs der Ausgangssignale ist mittels Vs = Is × [R₁ × R₂/(R₁ + Za)] darstellbar. Dabei ist die Spannung Vn der Rauschsignale am Ausgang mittels Vn = In × R₂ + Vn (1 + R₂/R₁) darstellbar. Darin bezeichnet In den elektrischen Strom der Rauschsignale, welcher so gering ist, dass er vernachlässigbar ist. Es wird anhand der voranstehenden Formeln deutlich, dass sich bei Erhöhung des R₁- Wertes ein höherer Signalkopplungswirkungsgrad und eine niedrigere Ausgangsspannung für die Rauschsignale ergeben. Wenn jedoch der Hintergrund-Gleichstrom Ia berücksichtigt wird, wobei Ia × R₁ kleiner als Vcc gilt, kann die Verstärkerschaltung 1 bei zu großen Werten für Ia sowie R₁ nicht mehr arbeiten.

Von daher ist es Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Mängel zu beseitigen und eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung mit hoher Frequenzbreite, hohem Signalkopplungswirkungsgrad, geringem Rauschen und hoher Hintergrund-Gleichstrom-Festigkeit.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.

Eine erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkerschaltung weist eine Pufferschaltung, eine Äquivalenz-Widerstandsschaltung und eine Verstärkerschaltung auf. Die Pufferschaltung, welche zum Einkoppeln eine Signalstroms vorgesehen ist, weist zwei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) und einen Widerstand auf und hat einen hohen Wirkungsgrad für die Stromkopplung und eine hohe Frequenzbreite. Die Äquivalenz-Widerstandsschaltung weist einen Widerstand, zwei Puffereinheiten, einen Koppelkondensator und einen Bias-Widerstand auf. Bei einem niederfrequenten Betrieb gestattet die Äquivalenz- Widerstandsschaltung einen großen Durchfluss an Hintergrund- Gleichstrom; andererseits ermöglicht die Äquivalenz- Widerstandsschaltung bei einem hochfrequenten Betrieb eine Verbesserung des Wirkungsgrades für die Signalkopplung und eine Reduzierung der Ausgangsspannung von Rauschsignalen.

Zusammenfassend werden mittels der erfindungsgemäßen Transimpedanz-Verstärkerschaltung sowohl die Detektionsempfindlichkeit als auch der Verstärkungsfaktor für den Signalstrom erheblich verbessert.

Im Vergleich mit dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkerschaltung die folgenden Vorteile auf:

1. Mittels der Pufferschaltung zum Einkoppeln eines Signalstromes können der Wirkungsgrad der Stromeinkopplung und die Frequenzbreite erhöht werden.
2. Die Äquivalenz-Widerstandsschaltung erlaubt bei einem niederfrequenten Betrieb einen großen Durchfluss an Hintergrund-Gleichstrom, während bei einem hochfrequenten Betrieb der Koppel-Wirkungsgrad des Transimpedanz- Verstärkers erhöht und die Spannung von Rauschsignalen reduziert werden kann.
3. Der erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärker ermöglicht einen hohen Konversionsverstärkungsgrad für Spannungen und Ströme und eine große Empfindlichkeit bei der Detektion von Signalströmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan einer herkömmlichen Transimpedanz- Verstärkerschaltung zum Separieren von Hintergrund- Gleichstrom; und

Fig. 2 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Transimpedanz-Verstärkerschaltung.

Bezugnehmend auf Fig. 2 weist die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkerschaltung im Wesentlichen eine Pufferschaltung 3, eine Äquivalenz-Widerstandsschaltung 2 und eine Verstärkerschaltung 4 auf. Die Pufferschaltung 3 zum Einkoppeln eines Signalstroms Is weist auf einen ersten Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) J₁, einen zweiten Sperrschicht-Feldeffekttransistor J₂ und einen Widerstand R_J. Die Hauptfunktion der Pufferschaltung 3 liegt darin, einen Signalstrom Is effizient auf den Eingangsknoten A der Transimpedanz-Verstärkerschaltung zu übertragen, wobei eine von der Signalquelle möglicherweise verursachte parasitäre kapazitive Wirkung ausgekoppelt wird, wodurch die Frequenzbreite der Schaltung erhöht wird.

Der Feldeffekttransistor J₁ und der Widerstand R_J bilden eine Konstant-Stromquelle, so dass die Spannung am Source-Kontakt S₁ des Feldeffekttransistors J₁ konstant bleibt und somit eine konstante Spannung am Gate-Kontakt G₂ des Feldeffekttransistors J₂ ermöglicht wird. Daher wird ein Einfluss einer am Source- Kontakt S₂ des Feldeffekttransistors J₂ anliegenden Kapazität auf den Drain-Kontakt D₂ des Feldeffekttransistors J₂ verhindert. Diese Konfiguration wird als Strom-Source- Konfiguration bezeichnet. Um einen hohen Wirkungsgrad für die Stromeinkopplung und ein breites Frequenzband für die Stromsignale zu erhalten, dient in der erfindungsgemäßen Strom- Source-Konfiguration der Verbindungspunkt zwischen dem Drain- Kontakt D₁ des Feldeffekttransistors J₁ und dem Source-Kontakt S₂ des Feldeffekttransistors J₂ als Eingangsknoten E für den Signalstrom.

Die Äquivalenz-Widerstandsschaltung 2 weist auf einen Widerstand R₁, zwei Puffereinheiten U₁, U₂, einen Koppelkondensator C₂ und einen Bias-Widerstand R_b. Die erste Puffereinheit U₁ nimmt die am Eingangsknoten A anliegende Spannung auf, während der Ausgang der zweiten Puffereinheit U₂ die Spannung am Eingangsknoten A nach Durchgang durch den Bias- Widerstand R_b steuert. Der Ausgang der ersten Puffereinheit U₁ ist mit dem Eingang der zweiten Puffereinheit U₂ über den Koppelkondensator C₂ gekoppelt, wodurch eine Schleifen- Konfiguration gebildet wird. Wenn die Äquivalenz- Widerstandsschaltung 2 bei niederen Frequenzen betrieben wird, befindet sich der Koppelkondensator C₂ im Leerlauf, wodurch eine konstante Spannung V_b am Knoten B des Widerstands R₁ anliegt. Daher gleicht zu diesem Zeitpunkt der Impedanzwert am Eingangsknoten A des Transimpedanz-Verstärkers dem Wert des Widerstands R₁, sodass ein großer Durchfluss an Hintergrund- Gleichstrom ermöglicht wird. Andererseits, wenn die Äquivalenz- Widerstandsschaltung 2 bei hohen Frequenzen betrieben wird, befindet sich der Koppelkondensator C₂ in einem Kurzschlusszustand. Die Spannung an dem Knoten B des Widerstands R₁ verändert sich somit gemäß der am Eingangsknoten A des Transimpedanz-Verstärkers anliegenden Spannung, wobei die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlussknoten des Widerstands R₁ konstant bleibt. Dies stellt für hochfrequente Signalströme einen sehr hohen Äquivalenzimpedanzwert dar, wodurch der Wirkungsgrad der Signalkopplung für den Transimpedanz-Verstärker verbessert und die Spannung von Rauschsignalen reduziert werden. Die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkerschaltung ermöglicht somit einen hohen Konversionsverstärkungsgrad für Spannungen und Ströme und eine große Empfindlichkeit bei der Detektion von Signalströmen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Insbesondere wird der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.

Claims

1. Transimpedanz-Verstärkerschaltung mit hoher Frequenzbreite, hohem Signalkopplungswirkungsgrad, geringem Rauschen und hoher Hintergrund-Gleichstrom-Festigkeit, welche aufweist:
eine Pufferschaltung (3) zum Einkoppeln eines Signalstroms (Is), mittels welcher der Signalstrom (Is) effizient auf einen Eingangsknoten (A) der Transimpedanz- Verstärkerschaltung übertragbar ist, wobei eine von der Signalquelle möglicherweise verursachte parasitäre kapazitive Wirkung ausgekoppelt werden kann, wodurch die Frequenzbreite der Schaltung erhöht wird;
eine Äquivalenz-Widerstandsschaltung (2), welche bei einem niederfrequenten Betrieb einen hohen Durchfluss an Hintergrund-Gleichstrom ermöglicht, während sie bei einem hochfrequenten Betrieb eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Signalkopplung und eine Reduzierung der Spannung von Rauschsignalen ermöglicht, wodurch eine große Empfindlichkeit und ein großer Verstärkungsgrad bei der Detektion von Signalströmen (Is) ermöglicht werden; und
eine Verstärkerschaltung (4), welche zum Verstärken von Signalen dient.

2. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Pufferschaltung (3) einen ersten Feldeffekttransistor (J₁), einen zweiten Feldeffekttransistor (J₂) und einen Widerstand (R_J) aufweist.

3. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 2, bei welcher eine Stromquelle für die Pufferschaltung (3) dadurch gebildet ist, dass der erste Feldeffekttransistor (J₁) und der Widerstand (R_J) in Serie geschaltet sind.

4. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei die Source-Spannung des ersten Feldeffekttransistors (J₁) in der Pufferschaltung (3) bei einem festen Wert konstant bleibt, und wobei die Source-Spannung des ersten Feldeffekttransistors (J₁) die Gate-Spannung des zweiten Feldeffekttransistors (J₂) konstant halten kann, wodurch eine Reihenschaltung gebildet wird.

5. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 3, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Drain-Kontakt (D₁) des ersten Feldeffekttransistors (J₁) und dem Source-Kontakt (S₂) des zweiten Feldeffekttransistors (J₂) als Eingangsknoten (E) des Signalstroms (Is) dient.

6. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Äquivalenz-Widerstandsschaltung (2) einen Widerstand (R₁), einen Koppelkondensator (C₂), einen Bias-Widerstand (R_b), eine erste Puffereinheit (U¹) und eine zweite Puffereinheit (U₂) aufweist.

7. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 6, wobei die Äquivalenz-Widerstandsschaltung (2) derart eingerichtet ist, dass die erste Puffereinheit (U₁) die am Eingangsknoten (A) der Transimpedanz-Verstärkerschaltung anliegende Spannung aufnimmt, während der Ausgang der zweiten Puffereinheit (U₂) die Spannung des Eingangsknotens (A) des Transimpedanz-Verstärkers nach Durchgang durch den Bias-Widerstand (R_b) steuert, und wobei der Ausgang der ersten Puffereinheit (U₁) mittels des Koppelkondensators (C₂) mit dem Eingang der zweiten Puffereinheit (U₂) gekoppelt ist.

8. Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 6, wobei in der Äquivalenz-Widerstandsschaltung (2) die erste Puffereinheit (U₁) und die mittels des Koppelkondensators (C₂) mit der ersten Puffereinheit (U₁) gekoppelte zweite Puffereinheit (U₂) eine Schleifen-Konfiguration bilden.