DE102007012295A1

DE102007012295A1 - Elektronische Schaltung zum Übertragen hochfrequenter Signale

Info

Publication number: DE102007012295A1
Application number: DE102007012295A
Authority: DE
Inventors: Günter UNTERBÖRSCH; Christoph Leonhardt; Jörg HONECKER
Original assignee: U2T Photonics AG
Current assignee: U2T Photonics AG
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-11
Also published as: US20100289550A1; WO2008107210A3; EP2135350A2; WO2008107210A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Übertragen hochfrequenter Signale, umfassend eine Verstärkungsschaltung (2) mit einer frequenzabhängigen Verstärkung, die in einer Umgebung einer Schwellenfrequenz (f<SUB>th</SUB>) zu höheren Frequenzen hin abfallend verläuft, wobei die elektronische Schaltung ferner eine der Verstärkungsschaltung (2) nachgeschaltete Entzerrerschaltung (3) umfasst, die einen in der Umgebung der Schwellenfrequenz (f<SUB>th</SUB>) zu höheren Frequenzen hin ansteigenden Frequenzdurchlass aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung trifft eine elektronische Schaltung zum Übertragen hochfrequenter Signale, die eine Verstärkungsschaltung mit einer frequenzabhängigen Verstärkung umfasst, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bei einer solchen elektronischen Schaltung kann es sich beispielsweise um einen Photoempfänger handeln, der zum Empfangen hochfrequenter digitaler optischer Signale und zum Umwandeln dieser optischen Signale in elektrische Signale geeignet sein soll. Aufgrund der unvermeidbaren Eigenschaft der in solchen elektronischen Schaltungen verwendeten Verstärkungsschaltungen, eine in einer Umgebung einer Schwellenfrequenz (hier: Frequenzbandbreite der Verstärkungsschaltung) zu höheren Frequenzen hin abfallend verlaufende frequenzabhängige Verstärkung zu haben, tritt bei gat tungsgemäßen elektronischen Schaltungen nach dem Stand der Technik das Problem auf, dass Signale, die durch hohe Frequenzanteile (jenseits der genannten Schwellenfrequenz) geprägt sind, stark verzerrt werden. Wenn eine solche elektronische Schaltung zum Übertragen und Verstärken ausgesprochen hochfrequenter digitaler Signale verwendet werden soll, kann das insbesondere eine Verrundung der Signale in einer Umgebung steiler Flanken zur Folge haben, aufgrund derer unter Umständen nicht mehr zwischen zwei verschiedenen Werten der digitalen Signale unterschieden werden kann.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde, eine Entzerrerschaltung beschriebener Art zu entwickeln, mit der ein Abflachen von Signalen mit steilen Flanken zumindest soweit vermeidbar ist, dass sie auch digitale Signale in einer Umgebung und wenn möglich jenseits der Schwellenfrequenz übertragen und dabei noch in lesbarer Form ausgeben kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Schaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Dadurch, dass die elektrische Schaltung neben der Verstärkungsschaltung eine der Verstärkungsschaltung nachgeschaltete, also eine sich schaltungstechnisch einen Ausgang der Verstärkungsschaltung anschließende Entzerrerschaltung aufweist, die einen in der Umgebung der Schwellenfrequenz zu höheren Frequenzen hin ansteigenden Frequenzdurchlass aufweist, kann der in der Umgebung der Schwellenfrequenz abfallende Verlauf der frequenzabhängigen Verstärkung der Verstärkungsschaltung zumindest teilweise kompensiert werden, wodurch die elektronische Schaltung verglichen mit der Verstärkungsschaltung höherfrequente Signale in lesbarer Qualität zu übertragen in der Lage ist. Verglichen mit einer vergleichbaren elektronischen Schaltung ohne Entzerrerschaltung ergeben sich daher durch die vorliegende Erfindung deutlich bessere Augendiagramme. Die Entzerrerschaltung sei dabei durch die beschriebene Funktion definiert, wobei der Frequenzdurchlass so definiert werden kann, dass ein durch die Entzerrerschaltung verursachter zusätzlicher Spannungsabfall an einem Ausgangswiderstand der Verstärkungsschaltung als Eigenschaft der Entzerrerschaltung berücksichtigt wird.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass ein die Verstärkungsschaltung und die Entzerrerschaltung umfassender Teil der elektronischen Schaltung eine in der Umgebung der Schwellenfrequenz zu höheren Frequenzen hin gleichbleibende oder besser noch ansteigende frequenzabhängige Verstärkung aufweist. Das kann dadurch erreicht werden, dass eine Entzerrerschaltung mit einem in der Umgebung der Schwellenfrequenz hinreichend steil ansteigenden Frequenzdurchlass gewählt wird. Ein zu höheren Frequenzen hin abfallender Verlauf der frequenzabhängigen Verstärkung der die Verstärkungsschaltung und die Entzerrerschaltung umfassenden elektronischen Schaltung wird dadurch gegenüber der Verstärkungsschaltung selbst zu höheren Frequenzen hin verschoben.
Eine typische Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die elektronische Schaltung zum Übertragen hochfrequenter digitaler Signale geeignet ist, hier beschrieben für eine Datenübertragungsrate von etwa 40 Gbit/s. Insbesondere in diesem Fall kann die genannte Schwellenfrequenz in einem von zwischen 15 GHz bis 30 GHz, vorzugsweise in einem Bereich von zwischen 20 GHz und 25 GHz liegen. In diesen Bereichen geraten übliche Hochfrequenzverstärker nach dem Stand der Technik an eine Grenze, so dass sich bei einer über einen der genannten Bereiche für die Schwellenfrequenz definierten elektronischen Schaltung der hier vorgeschlagenen Art die oben genannten Vorteile der Erfindung besonders effektiv nutzen lassen.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Verstärkungsschaltung Bestandteil eines Photoempfängers, wobei der Verstärkungsschaltung mindestens ein lichtempfindliches Element vorgeschaltet ist. Als lichtempfindliches Element kann dabei beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor zum Einsatz kommen. Auch ist es möglich, dass mehrere Photoempfänger vor einem Eingang oder vor mehreren Eingängen der Verstärkungsschaltung vorgesehen sind. Ebenso kann die Verstärkungsschaltung mehrere miteinander und mit dem Photoempfänger oder mit den Photoempfängern verschaltete Verstärker umfassen. Typischerweise wird es sich bei der Verstärkungsschaltung um einen Strom-Spannungs-Wandler des Photoempfängers handeln. Sie kann aber auch durch einen einem solchen Strom-Spannungs-Wandler nachgeschalteten Verstärker gegeben sein. Im Zusammenhang mit einem Photoempfänger entfaltete die vorgeschlagene Erfindung ihre Vorteile besonders nutzbringend, weil durch Licht übertragene Signale, insbesondere optische digitale Signale, schon bei einer optischen Übertragung und in einem sie empfangenden lichtempfindlichen Element Verrundungen erfahren können, die eine saubere Verstärkung um so wichtiger machen, wenn keine wesentlichen Informationen verloren gehen sollen.
Damit die elektronische Schaltung ihren Zweck erfüllen kann, hochfrequente Signale so zu transportieren, dass sie möglichst wenig verzerrt werden oder zumindest lesbar bleiben, sollte die Entzerrerschaltung auf von der Verstärkungsschaltung aus einlaufende Signale eine dispersionsfreie Wirkung oder zumindest eine weitestgehend dispersionsfreie Wirkung haben. Durch den zu höheren Frequenzen hin ansteigenden Frequenzdurchlass der Entzerrerschaltung sollte also zwar eine entsprechende Manipulation einer Signalamplitude erfolgen, Laufzeitdifferenzen zwischen Signalanteilen verschiedener Frequenzen sollten dagegen vermieden werden. Problemlos realisierbare Entzerrerschaltungen, die in dieser Hinsicht noch befriedigende Ergebnisse zeigen, können beispielsweise so ausgeführt sein, dass sie in einem Frequenzbereich von zwischen 0,5 f_th und 1,5 f_th Laufzeitdifferenzen oder Phasenverschiebungen von höchstens π/8, vorzugsweise höchstens π/16, zeigen, wobei die Schwellenfrequenz als f_th bezeichnet und die Laufzeitdifferenz als Phasenwinkeldifferenz eines Signals der jeweiligen Frequenz verglichen mit der Laufzeit eines monofrequenten Referenzsignals auf dem genannten Intervall ausgedrückt sei.
Eine dispersionsfreie Wirkung der Entzerrerschaltung und eine Vermeidung unerwünschter Rückkopplungseffekte lässt sich besonders einfach realisieren, wenn die Entzerrerschaltung als passive Schaltung ausgeführt ist, also nur passive Bauelemente enthält. Dabei ist es unschädlich, wenn ein verhältnismäßig geringer Frequenzdurchlass in einem Frequenzbereich unterhalb der Schwellenfrequenz insgesamt zu einer Abschwächung eines die elektronische Schaltung passierenden Signals führt, weil das der Erfindung zugrunde liegende Problem unabhängig von einer absoluten Amplitude eines Ausgangssignals der elektronischen Schaltung ist und sich durch eine Vermeidung einer Abflachung steiler Flanken auch dann lösen lässt, wenn insgesamt eine Abschwächung oder vergleichsweise schwächere Verstärkung des Signals erfolgt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Entzerrerschaltung einen von einem Hauptsignalpfad abzweigenden zusätzlichen Signalpfad aufweist, wobei der Hauptsignalpfad einen Ausgang der Verstärkungsschaltung mit einem Ausgang der Entzerrerschaltung verbindet. Die erwünschte Wirkung der Entzerrerschaltung lässt sich dann dadurch erreichen, dass der Signalpfad einen zu größeren Frequenzen hin abnehmenden Anteil einer den Hauptsignalpfad passierenden Signalleistung abzweigt. Der zusätzliche Signalpfad hat dabei vorzugsweise außer einem durch eine Abzweigung am Hauptsignalpfad gegebenen Eingang lediglich einen Ausgang und insbesondere keine Rückkopplung zum Verstärker.
Eine besonders einfach zu realisierende Gestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zusätzliche Signalpfad eine Induktivität und einen Widerstand umfasst, vorteilhafter Weise aber ohne Kondensator ausgeführt ist, um Reflexions- und Dispersionseffekte zu vermeiden. Der Widerstand und die Induktivität kann dabei in einfacher Weise in Reihe geschaltet werden, wodurch die Induktivität als Drossel wirken und den zusätzlichen Signalpfad zu höheren Frequenzen hin zunehmend vom Hauptsignalpfad abkoppeln kann, während der Widerstand eine zu starke Abschwächung des Hauptsignals bei niedrigen Frequenzen verhindert.
Damit die Entzerrerschaltung ihre Wirkung gerade in kritischen Frequenzbereichen entfalten kann, kann die Induktivität dabei beispielsweise mit einem Wert von zwischen 0,1 nH und 3 nH gewählt werden und vorzugsweise einen Wert von zwischen 1 nH und 1,5 nH haben. Die Induktivität kann z. B. durch einen Bonddraht oder eine Leiterbahn auf einem zumindest einen Teil der elektronischen Schaltung tragenden Schaltungsträger gegeben sein. Um unnötige Streukapazitäten zu vermeiden, sollte ein die Induktivität realisierendes Element dabei vorzugsweise keine Windung oder nur wenige Windungen aufweisen. Bei einer Realisierung der Induktivität durch einen Bonddraht oder einer Leiterbahn, kann der Bonddraht bzw. die Leiterbahn je nach Dicke beispielsweise eine Länge von zwischen 0,5 mm und 4 mm haben.
Der Widerstand kann bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung durch ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD) oder durch eine auf einer Leiterbahn integrierte Widerstandsschicht gegeben sein. Dadurch lässt sich sowohl ein kompakter Aufbau als auch eine Vermeidung schädlicher langer Verbindungsleitungen erreichen.
Um bei einer Verstärkungsschaltung mit einem üblichen Ausgangswiderstand eine Abschwächung niedrigerer Frequenzanteile in einem für die erwünschte Wirkung günstigen Ausmaß zu erreichen, kann der zusätzliche Signalpfad mit einem ohmschen Widerstand von zwischen 20 Ω und 200 Ω oder zwischen 50 Ω und 200 Ω, vorzugsweise zwischen 70 Ω und 150 Ω, ausgeführt werden.
Zur Vermeidung unerwünschter Reflexionen und Laufzeitdifferenzen sollte der Hauptsignalpfad keinen für die Entzerrerschaltung notwendigen zusätzlichen Kondensator enthalten. Auch der zusätzliche Signalpfad sollte zur Vermeidung von Phasenverschiebungen keinen Kondensator aufweisen. Ein Kondensator kann jedoch als Bestandteil einer vollständigen Empfängerstufe der Entzerrerschaltung vor- oder nachgeschaltet sein, um einen gleichstromlosen Ausgang sicherzustellen.
Bei einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung kann der zusätzliche Signalpfad eine Abzweigung des Hauptsignalpfads mit einem Nullleiter der elektronischen Schaltung verbinden und insbesondere beispielsweise mit Masse verbunden sein. Dadurch kann eine unerwünschte Rückkopplungswirkung besonders gut verhindert werden.
Für einen insgesamt kompakten Aufbau und eine Vermeidung langer Verbindungsleitungen, die störende Sekundäreffekte haben können, kann es vorteilhaft sein, die ganze elektronische Schaltung in einem einzigen Gehäuse und/oder auf einem gemeinsamen Leitungsträger unterzubringen, bei dem es sich üblicherweise um eine Leiterplatte handeln wird. Je nach Anwendung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass ein der Verstärkungsschaltung vorgeschaltetes lichtempfindliches Element außerhalb des Gehäuses oder nicht auf demselben Leitungsträger angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert. Es zeigt
1 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung in einer einfachen Ausführung der Erfindung,
2 als Diagramm eine frequenzabhängige Verstärkung einer in der elektronischen Schaltung aus 1 enthaltenden Verstärkungs schaltung,
3 als Diagramm einen Frequenzdurchlass einer in der elektronischen Schaltung aus 1 enthaltenden Entzerrerschaltung,
4 in einem Diagramm eine resultierende frequenzabhängige Verstärkung der elektronischen Schaltung aus 1 und
5 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung in einer anderen Ausführung der Erfindung.
Die in 1 abgebildete elektronische Schaltung weist ein als Photodiode ausgeführtes lichtempfindliches Element 1, eine Verstärkungsschaltung 2 und eine der Verstärkungsschaltung 2 nachgeschaltete Entzerrerschaltung 3 auf. Dabei ist das lichtempfindliche Element 1 der Verstärkungsschaltung 2 vorgeschaltet und mit einem Eingang der Verstärkungsschaltung 2 verbunden.
Bei der Verstärkungsschaltung 2 handelt es sich hier um einen einfachen Strom-Spannungs-Wandler, wobei das wiedergegebene Schaltbild als Ersatzschaltbild verstanden werden kann, das durch beliebige andere zum Übertragen hochfrequenter digitaler Signale geeignete Verstärkungsschaltungen ersetzt werden kann. Auch können bei anderen Ausführungen der Erfindung anstelle der Verstärkungsschaltung 2 mehrere Verstärker vorgesehen sein, die miteinander und/oder mit weiteren lichtempfindlichen Elementen 1 verbunden sein können.
Die hinter einen Ausgang der Verstärkungsschaltung 2 geschaltete Entzerrerschaltung 3 ist als passive Schaltung ausgeführt und weist neben einem den Ausgang der Verstärkungsschaltung 2 mit einem Ausgang 4 der elektronischen Schaltung verbindenden Hauptsignalpfad einen von diesem Hauptsignalpfad abzweigenden zusätzlichen Signalpfad 5 auf, der den Hauptsignalpfad mit einer Null-Leitung – typischerweise mit Masse identisch – der elektronischen Schaltung verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zusätzliche Signalpfad dabei durch einen Widerstand 6 und eine Induktivität 7 realisiert, die in Reihe geschaltet sind. Dabei hat die als etwa 1 mm langer Bonddraht oder als Leiterbahn gleicher Induktivität auf einer als Schaltungsträger dienenden Leiterplatte ausgeführte Induktivität 7 einen Wert von etwa 1 nH, während der als oberflächenmontiertes Bauteil ausgeführte Widerstand 6 so dimensioniert ist, dass der zusätzliche Signalpfad 5 insgesamt einen ohmschen Widerstand (Gleichstromwiderstand) von etwa 100 Ω hat. Der die Induktivität 7 bildende Bonddraht oder die alternativ zur Bildung der Induktivität 7 verwendete Leiterbahn hat dabei einen möglichst geraden Verlauf.
Der Hauptsignalpfad der Entzerrerschaltung 3 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch keinen zusätzlichen Kondensator geführt, wobei die Entzerrerschaltung 3 auch keinen weiteren Kondensatoren umfassenden Pfad aufweist.
Die elektronische Schaltung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist in einem einzigen Gehäuse und dort auf einer gemeinsamen Leiterplatte untergebracht, auf der neben dem Widerstand 6 auch alle zum Aufbau der Verstärkungsschaltung 2 verwendeten elektronischen Bauteile montiert sind, beispielsweise im Form oberflächenmontierter Bauelemente. Bei einer leicht abge wandelten Ausführung der Erfindung kann das lichtempfindliche Element auch nur indirekt mit dem Leiterplatte verbunden und eventuell in einem anderen Gehäuse untergebracht sein.
In 2 ist zu erkennen, dass eine frequenzabhängige Verstärkung der Verstärkungsschaltung 2, die hier als Verhältnis einer Amplitude U_a einer Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 2 zu einer Amplitude I eines Eingangsstroms der Entzerrerschaltung 3 definiert ist, in einer Umgebung einer Schwellenfrequenz f_th, die hier ungefähr einen Wert von 20 GHz hat, zu höheren Frequenzen hin abfallend verläuft.
In 3 ist ein Frequenzdurchlass der Entzerrerschaltung 3 als Funktion von einer Frequenz f dargestellt. Der Frequenzdurchlass ist hier durch das Verhältnis einer Amplitude U_a' einer Ausgangsspannung zur Amplitude U_a definiert, wobei ein Spannungsabfall an einem inneren Widerstand oder Ausgangswiderstand der Verstärkungsschaltung 2 von der Amplitude U_a noch nicht abgezogen ist. 3 zeigt, dass der Frequenzdurchlass der Entzerrerschaltung 3 in der Umgebung der Schwellenfrequenz f_th zu höheren Frequenzen hin ansteigt. Dabei ist die Entzerrerschaltung 3 so ausgeführt, dass sie auf von der Verstärkungsschaltung 2 aus einlaufende Signale eine nahezu dispersionsfreie Wirkung hat.
Das in der 4 gezeigte frequenzabhängige Verhältnis U_a'/I veranschaulicht eine resultierende frequenzabhängige Verstärkung der elektronischen Schaltung aus 1 mit der der Verstärkungsschaltung 2 nachgeschalteten Entzerrerschaltung 3. Es ist zu erkennen, dass diese resultierende frequenzabhängige Verstärkung einen in der Umgebung der Schwellenfre quenz f_th zu höheren Frequenzen hin ansteigenden Verlauf hat, was sich durch eine Abschwächung in einem niedrigen Frequenzbereich ergibt, so dass die elektronische Schaltung verglichen mit der Verstärkungsschaltung 2 einen zu höheren Frequenzen hin verschobenen Verstärkungsabfall zeigt, was sie für eine Übermittelung besonders hochfrequenter digitaler Signale geeignet macht. Eine Umgebung der Schwellenfrequenz f_th, für die das Gesagte gilt, ist in den 2 bis 4 beispielhaft durch zwei die Umgebung begrenzende Markierungen sichtbar gemacht.
Die hier vorliegende Erfindung bringt Vorteile insbesondere im Zusammenhang mit optischen Nachrichtensystemen mit sich in denen Informationen mittels Licht übertragen werden. Bei der Signalverarbeitung wird das Licht durch einen Photoempfänger in elektrische Signale umgewandelt, um anschließend die übertragenen Informationen weiter zu verarbeiten.
Der Photoempfänger besteht in einer einfachen Version aus einer Kombination eines oder mehrerer Photodetektoren und eines oder mehrerer nachgeschalteter elektrischer Verstärker, die in einem Gehäuse untergebracht und miteinander verschaltet sind. Bei sehr hohen Bitraten wird es zunehmend schwieriger, Photoempfänger mit ausreichend hoher Bandbreite und gleichzeitig sehr hoher Verstärkung zu realisieren. Dies hat folgende Ursache: Der nachgeschaltete Hochfrequenzverstärker wird in seiner Frequenzbandbreite durch die Kapazität des Photodetektors an seinem Eingang begrenzt. Diese Kapazität wirkt als Eingangsimpedanz und bildet zusammen mit dem Rückkoppelwiderstand des Verstärkers, der die Verstärkung mitbestimmt, ein RC-Glied mit einer RC-Zeitkonstante. Dieses RC-Glied hat grundsätzlich eine Tiefpasscharakte ristik mit einer Übertragungsfunktion, deren Durchlassbereich von einer unteren Grenzfrequenz (hier 0) bis zu einer oberen Grenzfrequenz reicht, welche durch die RC-Zeitkonstante bestimmt wird. Damit ist die erreichbare Bandbreite des Photoempfängers bestimmt. Der Photoempfänger wird daher of nur über eine gerade noch ausreichende Bandbreite verfügen.
Eine hohe Bandbreite ist notwendig, um bei einer Signaländerung von einer logischen Null auf eine logische Eins und umgekehrt die Anstiegs- und Abfallszeit möglichst kurz zu halten. Bei niedrigen Bitraten (z. B. 1 Gbit/s) sind die übertragenen optischen Signale (betrachtet als Funktionen der Zeit) relativ steilflankig und rechteckig. Die durch den Photoempfänger aus dem optischen in den elektrischen Bereich gewandelten Signale werden daher durch dessen bandbegrenzende Charakteristik nur leicht verrundet. Bei hohen Bitraten können jedoch die optischen Eingangssignale am Photoempfänger bereits stark verrundet sein. Wenn jetzt der Photoempfänger die Signale weiter verrundet, erhält man eine deutlich schlechtere Qualität und damit schlechtere Empfangsempfindlichkeit (höhere Bildfehlerrate).
Diesem Problem wird in der vorliegenden Erfindung mit der Entzerrerschaltung 3 entgegengewirkt. Die Übertragungsfunktion der Entzerrerschaltung 3 wirkt derart, dass Signale mit tieferer Frequenz als der Schwellenfrequenz f_th abgeschwächt werden, Signale höherer Frequenzen jedoch unbeeinflusst bleiben. Für die Kombination aus Photoempfänger und Entzerrerschaltung 3 werden damit höhere Frequenzanteile relativ zu den tieferen angehoben, so dass bei der Übertragung insbesondere von Pulsen oder Bitfolgen die Flankensteilheit der Signale (als Funktionen der Zeit) deutlich verbessert werden kann.
Als Folge ergeben sich deutlich bessere Augendiagramme und damit einer bessere Empfangsempfindlichkeit. Der Grad der Absenkung des Signals bei tieferen Frequenzen und eine Grenzfrequenz, bei der das Signal nicht mehr merklich beeinflusst wird, lässt sich durch Wahl der Elemente der Entzerrerschaltung 3 bestimmen und damit auf den Photoempfänger bzw. auch auf das Verhalten der Übertragungsstrecke optimal anpassen. Die beschriebene Entzerrerschaltung beeinflusst nicht die Phase und damit die Gruppenlaufzeit des Signals. Somit wird das Signal als Funktion der Zeit nicht zusätzlich verzerrt. Durch die Absenkung der tieferen Frequenzanteile des Signals reduzieren sich auch die Rauschanteile in diesem Bereich und damit der Anteil am Gesamtrauschpegel gegenüber dem Photoempfänger ohne Entzerrerschaltung.
In der einfachsten Version der Erfindung kann die Entzerrerschaltung 3 rein passiv aufgebaut werden. Bei komplexeren Schaltungen kann die notwendige Übertragungsfunktion auch direkt in eine dem Photoempfänger nachgeschaltete Begrenzer-Verstärker-Schaltung mit integriert werden. Eine einfache passive Variante der Entzerrerschaltung 3 beruht darauf, hinter dem Photoempfänger einen Anteil des elektrischen Signals über einen zusätzlichen Signalpfad 5 (Impedanzpfad, hier mit Widerstand 6 und Induktivität 7) abzuführen, wodurch eine Bedämpfung des Hauptpfads (Hauptsignalpfads) gewünschter Stärke erfolgt. Bei höheren Frequenzen wird der Impedanzpfad über die Induktivität 7 abgekoppelt, so dass der Hauptpfad unbeeinflusst bleibt. Negative Effekte in der Phase bzw. Gruppenlaufzeit des Signals durch zusätzliche passive Bauelemente im Hauptpfad werden damit vermieden. Parasi täre Effekte durch Reflektionen im Impedanzpfad werden nicht berücksichtigt.
Der Photoempfänger mit einem oder mehreren Photodetektoren und einem oder mehreren nachfolgenden Verstärkern für digitale optische Datenübertragung mit hohen Bitraten wandelt ankommende optische Signale in elektrische Signale. Um die Steilheit der Flanken der elektrischen Signale zu erhöhen wird nach der O/E-Wandlung die Entzerrerschaltung 3 in den Signalpfad gebaut, die den Anteil der hohen Frequenzen gegenüber tiefen Frequenzen im Ausgangssignal erhöht. Die Entzerrerschaltung 3 ist einstellbar, so dass das Verhältnis der Frequenzanteile gesteuert werden kann. Die Phase und Gruppenlaufzeit des Signals bleibt unbeeinflusst. Denkbar ist auch eine Erweiterung der Schaltung hin zur positiven Beeinflussung der Phase. Damit wird es möglich die Dispersion der optischen Übertragungsstrecke weitgehend auszugleichen, um die Steilheit der Flanken noch weiter zu erhöhen.
Das modifizierte Signal folgt dadurch Änderungen schneller. Damit steigt der Zeitraum in dem das Signal auf dem zu detektieren Level liegt an. Eine nachfolgende Entscheiderschaltung hat damit mehr Zeit und macht demzufolge weniger Fehler. Damit sinkt die Bitfehlerrate. Es ist damit auch möglich, die Übertragungsstrecke, welche die Flanken des Signals durch Dispersion abflacht, bei gleichbleibender Bitfehlerrate zu verlängern.
Die Entzerrerschaltung 3 arbeitet dabei so, dass sie tiefere Frequenzen bis zu der Schwellenfrequenzen f_th teilweise über den zusätzlichen Signalpfad 5 abführt und somit das Hauptsignal in diesen Frequenzen bedämpft. Das geschieht, ohne die Phase des Ausgangs signals zu beeinflussen, da sonst die Laufzeitdifferenz unterschiedlicher Frequenzgruppen steigt und die erreichte Verbreitung des Auges nach der O/E-Wandlung zunichte macht.
Bei der beschriebenen elektronischen Schaltung kann es sich insbesondere um ein optisches Übertragungssystem STM 256/OC-768 oder höher handeln.
Die Entzerrerschaltung 3 besteht vorzugsweise aus einem Impedanz-Netzwerk mit einem frequenzabhängigen Widerstandsanteil. Der nicht frequenzabhängige Widerstand des Impedanz-Netzwerkes regelt das Verhältnis des über den zusätzlichen Signalpfad 5 abgeführten Signalanteils gegenüber dem verbleibenden Anteil des Signals im Hauptpfad. Damit wird die Bedämpfung des Hauptsignals eingestellt. Je kleiner der Widerstandswert ist, um so stärker ist die Dämpfung. Der frequenzabhängige Widerstand sorgt dafür, dass hauetsächlich Frequenzen unterhalb f_th den zusätzlichen Signalpfad 5 passieren und damit im Hauptpfad gedämpft werden. Der frequenzabhängige Widerstand übersteigt dagegen für Frequenzen über der Schwellenfrequenz f_th den Wert des nicht frequenzabhängigen Widerstands deutlich, so dass hohe Frequenzen nicht den zusätzlichen Signalpfad 5 passieren können. Mit Netzwerken höherer Ordnung kann die Übertragungsfunktion der Entzerrerschaltung 3 so angepasst werden, dass die Empfindlichkeit des Photoempfängers optimiert wird. Das erwähnte Impedanz-Netzwerk besteht vorzugsweise aus Widerständen 6 und Induktivitäten 7. Im Gegensatz zu anderen Schaltungen wird hierbei bewusst ein Teil der Signalamplitude geopfert. Dieser Verlust in der Verstärkung und damit im Ausgangspegel ist hinnehmbar, da der begrenzende Faktor für die Empfangsempfindlichkeit bei den beschriebenen Datenraten nicht die Amplitude sondern die Qualität des Signals (definiert durch seine Form als Funktion der Zeit) ist.
Die Entzerrerschaltung 3 arbeitet bei der einfachsten Ausführung der Erfindung so, dass sie tiefere Frequenzen bis zu einer Schwellenfrequenz f_th teilweise über den parallelen zusätzlichen Signalpfad 5 abführt. Die Entzerrerschaltung 3 besteht also aus dem Widerstand 6 und der Induktivität 7 als Verbindung zur Masse. Der Wert des Widerstandes 6 regelt das Verhältnis des über den parallelen Signalpfad 5 abführten Signalanteils gegenüber dem verbleibenden Anteil des Signals im Hauptpfad. Damit wird die Bedämpfung des Hauptsignals eingestellt. Je kleiner der Widerstand 6 ist, um so stärker ist die Dämpfung. Die Induktivität 7 ist in Reihe zum Widerstand 6 geschaltet und sorgt dafür, dass bevorzugt Frequenzen unterhalb f_th den parallelen Signalpfad 5 passieren und damit im Hauptpfad gedämpft werden. Der frequenzabhängige Widerstand der Induktivität 7 übersteigt für Frequenzen oberhalb von f_th den Wert des Widerstandes 6 deutlich, so dass hohe Frequenzen nicht gegen Masse abgeleitet werden können.
Man kann das Verfahren auch auf die Senderseite anwenden, um das zu übertragende Signal vorzuformen. Nach der Übertragung über eine unter Umständen längere Strecke erhält man wieder ein optimiertes Signal für den Photoempfänger. Vorstellbar ist es z. B., die Entzerrschaltung 3 in einen Vorverstärker oder eine Treiberschaltung für die elektrische Modulation eines Senders einzubauen, um damit die Übertragungskennlinie wie oben beschrieben zu beeinflussen.
Ein detaillierter ausgeführter Schaltplan eines ande ren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auch bei der hier abgebildeten elektronischen Schaltung handelt es sich um einen Photoempfänger mit Verstärker zum Verarbeiten hochfrequenter digitaler optischer Signale. Einem als Photodiode ausgeführten lichtempfindlichen Element 1, dem bei diesem Ausführungsbeispiel optische Daten durch eine optische Faser 8 zugeführt werden, ist auch hier eine Verstärkungsschaltung 2 nachgeschaltet. Eine hinter die Verstärkungsschaltung 2 geschaltete Entzerrerschaltung 3 ist auf einer eigenen Platine untergebracht, die außerdem für jeden von zwei Ausgängen der Verstärkungsschaltung 2 jeweils einen Blockkondensator trägt. Für jeden der beiden genannten Ausgänge der Verstärkungsschaltung 2 weist die Entzerrerschaltung wieder einen zusätzlichen Signalpfad 5 mit jeweils einem Widerstand 6 und einer dazu in Reihe geschalteten Induktivität 7 auf. Die Entzerrerschaltung 3 wirkt damit – abgesehen davon, dass statt eines einzigen Hauptsignalpfads zwei Hauptsignalpfade für jeweils einen der Ausgänge vorgesehen sind – analog zu der zuvor beschriebenen Entzerrerschaltung 3 aus 1. Die abgebildete Schaltung umfasst schließlich auch zwei DC-Platinen 9, die zum Entkoppeln von einem Versorgungsnetz dienen.

Claims

Elektronische Schaltung zum Übertragen hochfrequenter Signale, umfassend eine Verstärkungsschaltung (2) mit einer frequenzabhängigen Verstärkung, die in einer Umgebung einer Schwellenfrequenz (f_th) zu höheren Frequenzen hin abfallend verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung ferner eine der Verstärkungsschaltung (2) nachgeschaltete Entzerrerschaltung (3) umfasst, die einen in der Umgebung der Schwellenfrequenz (f_th) zu höheren Frequenzen hin ansteigenden Frequenzdurchlass aufweist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschaltung (2) Bestandteil eines Photoempfängers ist, wobei der Verstärkungsschaltung (2) mindestens ein lichtempfindliches Element (1) vorgeschaltet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Übertragen hochfrequenter digitaler Signale geeignet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Verstärkungsschaltung (2) und die Entzerrerschaltung (3) umfassender Teil der elektronischen Schaltung eine in der Umgebung der Schwel lenfrequenz (f_th) zu höheren Frequenzen hin gleichbleibende oder ansteigende frequenzabhängige Verstärkung aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schwellenfrequenz (f_th) im Bereich der halben Datenübertragungsrate liegt.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzerrerschaltung (3) eine passive Schaltung ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzerrerschaltung (3) auf die Transmissionscharakteristik eine dispersionsfreie Wirkung hat.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzerrerschalung (3) einen von einem Hauptsignalpfad abzweigenden zusätzlichen Signalpfad (5) aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Signalpfad (5) eine Induktivität (7) und einen Widerstand (6) umfasst.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (6) und die Induktivität (7) in Reihe geschaltet sind.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (7) einen Wert von zwischen 0,1 nH und 3 nH hat.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (7) durch einen Bonddraht oder eine Leiterbahn gegeben ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (6) durch ein oberflächenmontiertes Bauelement oder ein auf einer Leiterbahn integriertes Element gegeben ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Signalpfad (5) einen ohmschen Widerstand zwischen 20 Ω und 200 Ω hat.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass weder der Hauptsignalpfad der Entzerrerschaltung (3) noch der zusätzliche Signalpfad (5) innerhalb der Entzerrerschaltung durch einen zusätzlichen Kondensator geführt ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Signalpfad (5) eine Abzweigung des Hauptsignalpfads mit einem Nullleiter der elektronischen Schaltung verbindet.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie oder ein die Verstärkungsschaltung (2) und die Entzerrerschaltung (3) umfassender Teil der elektronischen Schaltung in einem einzigen Gehäuse und/oder auf einem gemeinsamen Leitungsträger untergebracht ist.