DE10145203A1 - Transimpedanz-Verstärkerschaltung - Google Patents
Transimpedanz-VerstärkerschaltungInfo
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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 RJ.
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 RJ 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 Rb. 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 Rb 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 Vb 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 (8)
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.
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 (RJ) 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 (RJ) 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
(Rb), 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 (Rb) 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.
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