DE102014103770B4

DE102014103770B4 - Optischer Differenzverstärker für Avalanche-Photodioden und SiPM

Info

Publication number: DE102014103770B4
Application number: DE102014103770.7A
Authority: DE
Inventors: Frederic Laforce
Original assignee: Excelitas Canada Inc
Current assignee: Excelitas Canada Inc
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: DE102014103770A1; US20140291487A1; US9064981B2; JP2014192895A

Abstract

Photoelektrische Empfängerschaltung (400) zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal für Hochfrequenzanwendungen,
mit einem Differenz-Transimpedanzverstärker (470), der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist,
mit einem als Avalanche-Photodiode oder Halbleiter-Photomultiplier ausgebildeten Photodetektor (450, 550, 650, 750), der mit einem ersten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (470) verbunden ist,
mit einer Hochspannungsversorgungsquelle (410), die konfiguriert ist, um über eine Hochspannungsversorgung eine Vorspannung an den Photodetektor (450, 550, 650, 750) anzulegen,
mit einem Impedanzelement (730), das zwischen der Hochspannungsquelle (410) und der Hochspannungsversorgung verbunden ist, und
mit einem Spannungs-Sensorelement (420, 520, 620), das eine im Wesentlichen gleiche Impedanz wie der Photodetektor (450, 550, 650, 750) darstellt und dessen einer Anschluss mit der Hochspannungsversorgung und dessen anderer Anschluss mit dem zweiten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (470) verbunden ist,
wobei das Impedanzelement (730) konfiguriert ist, die Spannung im fall eines optischen Signals großer Leistung, das auf den Photodetektor (450, 550, 650, 750) auftrifft, herabzusetzen.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lichtsensoren und im Einzelnen auf eine Photodetektorschaltung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Photodetektoren werden verwendet, um Licht einer vorgegebenen Wellenlänge zu detektieren und einen Strom zu erzeugen, der zu der Intensität des detektierten Lichts proportional ist. An einen Photodetektor kann eine Vorspannung angelegt sein. Das Ausgangssignal des Photodetektors kann mit Schwankungen der Vorspannung schwanken.
Eine Photodetektorschaltung 100 gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Die Schaltung weist einen Photodetektor 150 zwischen einer Hochspannungsversorgung 110 und einem Transimpedanzverstärker 170 (TIA) auf, der einen Spannungsverstärker 140 und einen Rückkopplungswiderstand 130 aufweist. Das Signal (Photostrom) von dem Photodetektor wird durch den Transimpedanzverstärker 170 verstärkt, wodurch ein Photostrom von dem Detektor in eine Spannung 160 umgewandelt wird, die für eine Nachbearbeitung, beispielsweise in einer Nachbearbeitungsschaltung (nicht dargestellt) geeignet ist.
Jede Variation der Hochspannungsversorgung 110 wird durch die Impedanz des Photodetektors 150 auf den Eingang des Transimpedanzverstärkers 170 gekoppelt. Beispiele derartiger Schwankungen umfassen Rauschen aus der Spannungsquelle oder eine beabsichtigte Variation der Hochspannungsversorgung zur Steuerung der Verstärkung im Falle einer Avalanche-Photodiode (APD) oder eines Halbleiter-Photomultipliers (Silicon Photomultiplier - SiPM). Prinzipbedingt wird jede Spannungsschwankung von der Hochspannungsversorgung 110 in einen Strom konvertiert, der durch den Transimpedanzverstärker 170 verstärkt und auf das von dem Photodetektor 150 stammende Signal addiert wird. Die von der Schwankung der Hochspannungsversorgung 110 herrührende Spannung kann das Ausgangssignal 160 am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 170 auf verschiedene Weisen beeinflussen. Beispielsweise kann die Schwankung als Rauschen angesehen werden, das die Detektionsfähigkeit eines Nachbearbeitungssystems (nicht dargestellt) beeinträchtigt, das das optische Signal bearbeitet. In ähnlicher Weise kann die Schwankung einen Offset am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 170 verursachen. Zusätzlich kann die Schwankung die Frequenzantwort des Empfängers 100 beeinflussen, wenn die Spannung aus der Hochspannungsquelle 110 mit dem Photostrom korreliert ist.
Eine zweite Schaltung 200 gemäß dem Stand der Technik ist in 2 dargestellt und durch die US-Patentanmeldung 2004/0130397 A1 und das US-Patent 7,561,812 B2 beschrieben. Das Ziel dieser Schaltung besteht darin, Immunität gegenüber Rauschen aus einer Spannungsquelle 210 mit einem Differenz-Transimpedanzverstärker 270 zu erzeugen. Bei der zweiten Schaltung 200 gemäß dem Stand der Technik ist eine Photodiode 250 zwischen der Spannungsquelle 210 und einem invertierenden Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers 270 verbunden, wobei ein Kondensator 220 zwischen der Spannungsquelle 210 und einem nicht-invertierenden Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers 270 angeordnet ist. Der Kondensator 220 weist einen Wert auf, der der Sperrschichtkapazität des Photodetektors 250 entspricht. Wiederstände 230 und 250 sind an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen des Verstärkers 240 vorgesehen. Die US-Patentanmeldung 2004/0130397 A1 und das US-Patent 7,561,812 B2 zielen beide auf Applikationen ab, bei denen die Spannung niedrig ist, und weisen bei Hochfrequenz-Applikationen unter Verwendung von Avalanche-Photodioden (APD) eine eingeschränkte Leistung auf. Für einen Halbleiter-Photomultiplier (SiPM) sind sie nicht ausreichend.
Bei Hochfrequenz-Applikationen unter Verwendung einer Avalanche-Photodiode oder eines SiPM kann ein einfacher Kondensator unter Umständen den Photodetektor nicht akkurat modellieren. Ferner wird eine Hochspannung benötigt, um die APD oder den SiPM vorzuspannen. Dies schränkt den praktischen Nutzen dieser Schaltung gemäß dem Stand der Technik ein.
Außerdem sind beide Schaltungen auf einen Gleichtaktstrom begrenzt (der Strom wird gleichzeitig an den Eingängen des Differenz-Transimpedanz-Verstärkers injiziert) innerhalb des Dynamikbereichs jedes Einganges des Differenz-Transimpedanzverstärkers. Eine große Schwankung in der Spannungsquelle 210 kann den Transsimpedanzverstärker 270 sättigen.
Schwankungen der Hochspannungsversorgung werden durch das US-Patent Nr. 5,696,657 adressiert, wobei die Rate, mit der die Hochspannungsversorgung schwankt, sorgfältig gesteuert wird, um die Größe des durch die APD fließenden Stromes zu minimieren. Dies ist eine wesentliche Beschränkung eines Systemes, wenn es wünschenswert ist, die Verstärkung der APD schnell zu verändern, wie dies beispielsweise bei Entfernungsmess-Applikationen der Fall ist, bei denen ein nahes Ziel einen erheblichen Anteil des Lichtes zurück in den Empfänger reflektiert, was den Empfänger sättigt und ihn in Hinblick auf eine Detektion eines Zieles blind macht, das in größerer Entfernung in der Sichtlinie angeordnet ist. Der Stand der Technik offenbart auch verschiedene Wege, große Ströme zu handhaben, indem der Dynamikbereich des Transimpedanzverstärkers ausgedehnt wird.
Die Pseudo-Differenz-Transimpedanzverstärker, die in US 6,803,825 B2 und US 6,784,750 B2 diskutiert werden, fühlen die Schwankung der Hochspannungsversorgung ab, um einen Anhaltspunkt für den Photostrom zu geben, in dem ein Koppelkondensator an der Hochspannung verwendet wird. Diese Konfiguration verwendet den Koppelkondensator als Möglichkeit, den Wechselanteil des Photostromes unabhängig von der Quelle des Wechselstromes zu messen, der durch den Photodetektor fließt. Diese Schaltungen setzen voraus, dass der Wechselstrom ausschließlich von dem Photostrom herrührt, da sie auf eine große Schwankung der Spannungsversorgung nicht reagieren können. Ferner injizieren diese Schaltungen einen Gleichstrom am Eingang des Transimpedanzverstärkers, der für eine schnelle Veränderung des Signales nicht verwendet werden kann. Dementsprechend besteht in der Industrie ein Bedürfnis danach, diese Nachteile zu adressieren.
(Ergänzungen nach Hauptantrag)
Es ist bereits ein optischer Empfänger mit einem Photodetektor zwischen einer Spannungsversorgung und einem Differenzverstärker bekannt. Eine programmierbare variable Kapazität ist zwischen der Spannungsversorgung und einem Eingang des Differenzverstärkers eingeschaltet ( US 2007/0086790 A1 ). Bei dem Photodetektor handelt es sich um eine PIN-Diode.
Ebenfalls bekannt ist eine Lichtdetektorschaltung mit einer Photodiode, die zwischen einer Spannungsquelle und einem Eingang eines Verstärkers eingeschaltet ist. Zwischen der Spannungsquelle und dem anderen Eingang des Verstärkers ist eine Kapazität eingeschaltet ( EP 0 127 743 A2 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Empfängerschaltung zu schaffen, die gegen eine Schwankung der Hochspannungsversorgung insbesondere bei Avalanche- Photodioden oder Halbleiter-Photomultipliern immunisiert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
(Ergänzungen nach Hauptantrag)
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine photoelektrische Empfängerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
Zur Lösung der genannten Aufgabe schlägt die Erfindung ebenfalls eine photoelektrische Empfängerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vor.
Zur Lösung der genannten Aufgabe schlägt die Erfindung ebenfalls eine photoelektrische Empfängerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 vor.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Andere Systeme, Verfahren und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei Betrachtung der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung deutlich sein oder werden. Alle derartigen zusätzlichen Systeme, Verfahren und Merkmale gelten in die Beschreibung und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einbezogen und als durch die beigefügten Ansprüche geschützt.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen sind in die Anmeldung aufgenommen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Gleichzeitig sind sie in die Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundprinzipien der Erfindung zu erläutern. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung und ihrer Darstellung in der Zeichnung.
Es zeigt:

1: ein Schaltbild einer ersten Photodetektorschaltung gemäß dem Stand der Technik,
2: ein Schaltbild einer zweiten Photodetektorschaltung gemäß dem Stand der Technik,
3: ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles einer Differenz-Verstärkerschaltung für eine APD,
4: ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles einer DifferenzVerstärkerschaltung für einen SiPM,
5: ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles einer Photodioden-Empfängerschaltung
6: ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispieles einer Photodioden-Differenzverstärkerschaltung mit einem Stromspiegel,
7: ein Schaltbild eines fünften Aus führungsbeispieles einer Photodioden-Differenzverstärkerschaltung mit einem Stromspiegel,
8: ein Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispieles einer Photodioden-Differenzverstärkerschaltung,
9: ein Schaltbild eines siebten Ausführungsbeispieles einer Photodioden-Differenzverstärkerschaltung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird im Detail auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Soweit möglich, werden die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung zur Bezeichnung der gleichen oder ähnlicher Teile verwendet.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Photodetektorempfängerschaltung vor, die konfiguriert ist, um zu verhindern, dass Strom, der in dem Photodetektor durch eine Veränderung der Hochspannungsversorgung induziert wird, den Ausgang des Transimpedanzverstärkers erreicht.
Exemplarische Ausführungsbeispiele eines optischen Verstärkers mit einer APD (Avalanche-Photodiode) oder einem SiPM (Silizium-Photomultiplier), die gegen eine Variation der Versorgungsspannung des Photodetektors immun sind, werden dargestellt. Ein Differenz-Transimpedanz-Verstärker weist einen Eingang auf, der mit dem Photodetektor verbunden ist, wobei der andere Eingang mit einer Sensorvorrichtung zum Abfühlen einer Variation der Hochspannungsversorgung verbunden ist. Das Sensorelement weist eine Schaltung auf, die die Impedanz des Photodetektors nachbildet.
Eine optische Verstärkerschaltung zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal verwendet einen Photodetektor, dessen Kathode mit einer Hochspannungsversorgung und dessen Anode mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers verbunden ist. Eine Schwankung der Hochspannungsversorgung induziert einen Wechselstrom, der durch die Avalanche-Photodiode entsprechend ihrer Impedanz fließt und auf den Photostrom aus dem Photodetektor addiert wird. Der durch die Variation der Hochspannung induzierte Strom wird auf den Photostrom aufsummiert und kann Rauschen verursachen, einen Offset der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers verursachen oder die Frequenzantwort des optischen Empfängers beeinflussen, wenn die Spannungsschwankung mit dem Photostrom korreliert ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine photoelektrische Empfängerschaltung bereit, die ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Empfänger weist einen Differenz-Transimpedanzverstärker, eine Photodiode, deren einer Anschluss mit einem Eingang eines Differenz-Transimpedanzverstärkers und deren anderer Anschluss mit einer HochspannungsVersorgungsquelle verbunden ist, die geeignet ist, die Photodiode mit einer benötigten Vorspannung vorzuspannen, ein Spannungssensorelement, dessen einer Anschluss mit der Hochspannungsversorgung und dessen anderer Anschluss mit dem zweiten Eingang des differenziellen Transimpedanzverstärkers verbunden ist, auf. Verschiedene Ausführungsbeispiele sehen Lösungen vor, um einen optischen Verstärker gegen eine Schwankung der Hochspannungsversorgung zu immunisieren.
Das Spannungs-Sensorelement weist im Wesentlichen die gleiche Impedanz wie der primäre Photodetektor auf. Der Strom, der durch das Hochspannungs-Sensorelement fließt, und der Strom, der durch den Photodetektor fließt als Antwort auf eine Schwankung der Hochspannungsversorgung, werden als Gleichtaktstrom angesehen, der durch die Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection Ratio - CMMR) des Differenz-Transimpedanzverstärkers bedämpft wird. Je ähnlicher die Impedanz des Sensorelementes zu derjenigen der Lichtsensorvorrichtung ist, desto besser wird die Gleichtaktunterdrückung sein. Beispielsweise könnte im Idealfall das Sensorelement ein Dummy-Photodetektor sein, der kein Lichtsignal empfängt, oder der gleiche Typ, wie der primäre Photodetektor. Alternativ hierzu kann eine äquivalente Schaltung verwendet werden, um den Photodetektor zu repräsentieren, allerdings auf Kosten einer geringeren Immunität gegen Rauschen der Hochspannungsversorgung.
Eine Impedanz, die zu einer APD (Avalanche-Photodiode) äquivalent ist, kann durch einen Widerstand in Reihenschaltung mit einem Kondensator und einer Induktivität modelliert werden, die den Reihenwiderstand der APD sowie die Sperrschichtkapazität der APD bei der nominalen Betriebsspannung darstellen, wobei eine Induktivität die Verbindung der APD mit der Außenwelt darstellt. Andere mögliche parasitäre Elemente können ferner auch einbezogen werden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängers 400 ist in 3 dargestellt. Das erste Ausführungsbeispiel weist eine APD-äquivalente Impedanz 420 auf, die einen Kondensator 422, der zu der Sperrschichtkapazität der APD 450 äquivalent ist, einen Widerstand 423 mit zu der APD 450 äquivalenten Reihenwiderstand und eine Induktivität 424 aufweist, die zu der Induktivität der APD 450 äquivalent ist, die zwischen einen Transimpedanzverstärker 470 und die Hochspannungsversorgung 410 geschaltet ist. Im Einzelnen ist die APD 450 zwischen der Hochspannungsversorgung 410 und einem ersten Eingang des Differenz-Transimpedanz-verstärkers 470 angeordnet, während die APD-äquivalente Impedanz 420 zwischen der Hochspannungsversorgung 410 und einem zweiten Eingang des Differenz-Transimpedanz-verstärkers 470 verbunden ist, der Ausgänge 460, 465 aufweist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel 500 ist in 4 dargestellt. Für einen SiPM (Halbleiter-Photomultiplier) 550 kann ein Spannungssensorelement 520 aufgebaut werden unter Verwendung der gleichen Schaltung, wie sie von Corsi F. et al, „Modeling a silicon photomultiplier (SiPM) as a signal source for optimum front-end design", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 572 (2007), 416-418, vorgeschlagen wurde, wobei ein SiPM äquivalenter Quench-Widerstand 521, ein Quench-Kondensator 522, eine Netzkapazität 523, eine Sperrschichtkapazität 524 und eine Induktivität 525 verwendet werden, die die Verbindung des SiPM mit dem Transimpedanzverstärker 470 darstellen. Der SiPM 550 ist zwischen der Hochspannungsquelle 410 und dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers 470 angeordnet, während die SiPM-äquivalente Impedanz 520 zwischen der Hochspannungsversorgung 410 und dem zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers 470 verbunden ist.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängers 600, das in 5 dargestellt ist, kann das gesamte Ausgangsrauschen des Verstärkers 600 dadurch verringert werden, dass der zweite Ausgang 465 des Differenz-Transimpedanzverstärkers 470 mittels eines Filters 675 gefiltert wird, um auf das Frequenzspektrum der Schwankung der Hochspannungsversorung 410 anzusprechen. Beispielsweise rührt Rauschen bei einer Hochspannungsversorgung oft von schaltenden DC-DC Wandlern her. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel werden ein Photodetektor 650 und eine Photodetektor-äquivalente Impedanz 620 mit Eingängen des Differenz- Transimpedanz-verstärkers 470 verbunden. Die Photodetektorimpedanz 620 kann beispielsweise als Impedanzlast 420 aus dem ersten Ausführungsbeispiel, Impedanzlast 520 aus dem zweiten Ausführungsbeispiel oder als andere Impedanzlast implementiert werden, die im Wesentlichen an die Impedanz des Photodetektors 650 angepasst ist. Die Schaltung 600 hält Rauschen, das mit dem Single-Ended-Transimpedanzverstärker 470 in Verbindung steht, außerhalb des Bandpasses des Filters 675, wodurch das Hochspannungsrauschen beseitigt wird.
Eine andere Verbesserung gegenüber der Photodetektorschaltung aus 1 gemäß dem Stand der Technik, kann nützlich sein, wenn Avalanche-Photodioden zum Einsatz kommen. Bei Applikationen, bei denen die Entfernung gemessen wird, können starke optische Pulse auf die Avalanche-Photodiode 150 auftreffen. Hierbei kann der Photostrom groß genug sein, um den Transimpdeanzverstärker 140 und/oder den Photodetektor 150 zu beschädigen. Es ist wünschenswert, den Empfänger 100 vor hohen optischen Leistungen zu schützen, und zwar unter Verwendung eines Widerstandes in Reihe mit der APD 150. Wenn der Photostrom durch den Photodetektor 150 ansteigt, verringert sich die Spannung über dem Photodetektor 150 aufgrund der Spannung, die sich über dem Widerstand aufbaut, was die Verstärkung (und den Photostrom) einer APD verringert.
Ein Widerstand in Reihe mit der Avalanche-Photodiode 150 kann die Bandbreite des Verstärkers 110 verringern, was seine Verwendung für Hochfrequenz-Applikationen einschränkt. Um die erforderliche Bandbreite aufrecht zu halten, kann ein großer Entkopplungskondensator (nicht dargestellt) zwischen der Hochspannungsversorgung 110 und Masse angeordnet werden. Diese Technik kann den Gleichstromanteil des Photostromes begrenzen, nicht aber ein schnell transientes Signal.
Die Differenz-Konfiguration, die im Vorhergehenden bei dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, kann verwendet werden, um dieses Problem zu lösen. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Ein Impedanzelement 730, beispielsweise ein Widerstand oder ein anderes Impdedanzelement, das sowohl passiv als auch aktiv sein kann, wird zwischen der Hochspannungsquelle 410 und einer Hochspannungsversorgung 715 angeordnet, ohne die Frequenzantwort des Empfängers 700 zu beeinflussen. Diese Schaltung 700 entspricht dem Stand der Technik, was die Frequenzantwort betrifft. Die Impedanz 730 kann verwendet werden, um die Verstärkung der APD 750 im Falle eines optischen Signales hoher Leistung zu verringern. Da kein großer Kondensator an der Hochspannungsversorgung 715 vorhanden ist, antwortet die Schaltung 700 auf ein schnell transientes Signal. Die einzigen Kapazitäten sind die Sperrschichtkapazität der APD 750 und die äquivalente Kapazität des Sensorelementes 620 zum Abfühlen von Schwankungen der Hochspannungsversorgung.
Die APD-Hochspannungsversorung 715 kehrt zu einem Wert vor dem Puls zurück, wenn die optische Leistung wieder zu null wird. Wiederum bildet der Strom, der in dem Hochspannungs-Sensorelement 620 während des Wiederaufladens (oder des "Wiederauflade-Stromes) induziert wird, ein Gegengewicht zu dem Strom, der in der APD-äquivalenten Impedanz 620 aufgrund der Schwankung der Hochspannungsversorgung 410 induziert wird, was zu einem sauberen Signal am Ausgang des Differenz-Transimpedanz-Verstärkers 470 führt. Wenn dieser Punkt nicht berücksichtigt wird, kann der Wiederaufladestrom als Offset-Spannung am Ausgang des Transimpedanz-verstärkers 470 erscheinen, was schwierig zu handhaben sein kann im Falle eines einfachen Phasenanschnitts-Komparators zur Detektion der Anwesenheit eines Pulses oder aber den Transimpedanzverstärker 470 sättigen kann.
Ein in 7 dargestelltes fünftes Ausführungsbeispiel bietet eine Möglichkeit, den durch eine Schwankung der Hochspannungsversorgung induzierten Strom durch eine Photodetektor-äquivalente Impedanz 823 zu eliminieren, und stellt einen optischen Empfänger 800 mit einem erweiterten Dynamikumfang zur Verfügung, indem ein Pseudo-Differenz-Empfänger verwendet wird. Dies ist besonders interessant bei optischen Empfängern, die eine Avalanche-Photodiode 850 verwenden, bei der die Hochspannungsversorgung 810 verwendet werden kann, um die Verstärkung der APD 850 zu steuern, wobei die Verstärkung den Störabstand (Signal-to-noise ratio - SNR) des Signales am Ausgang des optischen Empfängers 800 beeinflusst. Als solche erlaubt es die Schaltung dem Benutzer des APD-Empfängers 800, die Hochspannungsversorgung 810 der APD aktiv einzustellen, während sich die Schaltung im Betrieb befindet, wobei die Auswirkungen auf die Detektionseigenschaften des Verstärkers verringert sind.
Eine Eliminierung der Schwankung der Hochspannungsversorgung wird erreicht, indem der durch den Photodetektor 850 aufgrund einer Schwankung der Vorspannung fließende Strom mit einem Spannungssensorelement 823 abgefühlt wird, das die Hochspannungsschwankung in einem Strom umwandelt, der eine annähernd gleiche Amplitude aufweist, wie der durch eine Schwankung der Hochspannungsversorgung 810 in dem Photodetektor 850 induzierte Strom, wobei ein Stromspiegel 890 verwendet wird, der mit dem Sensorelement 823 zum Abfühlen der Hochspannungsschwankung am Eingang des Transimpedanzverstärkers 880 verbunden ist. Der an dem Eingang des Transimpedanzverstärkers 880 gespiegelte Strom kann viel größer sein als der Dynamikbereich des Transimpedanzverstärkers 880, was den Dynamikbereich des optischen Verstärkers 880 erweitert hinsichtlich Schwankungen der Vorspannung. Diese Schaltung bildet also einen Pseudo-Differenz-Transimpedanzverstärker hinsichtlich einer Schwankung der Vorspannung des Photodetektors.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel weist bei dem fünften Ausführungsbeispiel eine optische Empfängerschaltung 800 zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal einen Photodetektor 850 auf, dessen Kathode mit einer Hochspannungsversorgung 810 und dessen Anode mit dem Eingang eines Transimpedanz-verstärkers 880 verbunden ist. Eine Schwankung der Hochspannungsversorgung induziert einen Wechselstrom, der durch die Impedanz 823, die zu der Avalanche-Photodiode äquivalent ist, und auf den Photostrom aus dem Photodetektor 850 addiert wird. Der durch die Schwankung der Hochspannung induzierte Strom wird auf den Photostrom aufsummiert und kann Rauschen hinzufügen, einen Offset der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers erzeugen oder die Frequenzantwort des optischen Empfängers 880 beeinflussen, wenn die Spannungsschwankung mit dem Photostrom korreliert ist.
Das Spannungs-Sensorelement 823 ist mit der Hochspannungsversorgung 810 verbunden und wird verwendet, um die Schwankung der Hochspannungsversorgung in einen Strom umzuwandeln, dessen Amplitude annähernd gleich zu der Amplitude des Stromes ist, der in dem Photodetektor 850 induziert wird. Der Strom aus dem Hochspannungs-Sensorelement 823 wird auf den Eingang des Transimpedanzverstärkers 880 gespiegelt, um den Strom auszulöschen, der in der Avalanche-Photodiode 850 aufgrund einer Schwankung der Hochspannungsversorgung induziert wurde.
Der in dem Photodetektor 850 erzeugte Strom wird an den Transimpedanzverstärker 880 gesendet, wo das Photostrom-Signal beispielsweise für eine Weiterverarbeitung an dem Ausgang 860 in eine Spannung gewandelt wird. Das Spannungs-Sensorelement 823, dessen Impedanz gleich der Impedanz des Photodetektors 850 ist, wird verwendet, um die Schwankung der Hochspannung 810 abzufühlen. Der durch die Spannungs-Sensorvorrichtung 823 fließende Strom wird unter Verwendung eines Stromspiegels 890 auf den Eingang des Transimpedanzverstärkers gespiegelt, wobei auf diese Weise jeder Strom beseitigt wird, der in dem Photodetektor 850 durch die Schwankung der Hochspannungsversorgung 810 induziert wird.
Der ohne weiteres erhältliche Transimpedanzverstärker 880 mit einem Ausgang kann eine große Bandbreite und niedriges Rauschen aufweisen. Der Stromspiegel 890 kann die Fähigkeit zur Handhabung hoher Ströme aufweisen und schnell auf eine Schwankung der Hochspannung ansprechen, und zwar aufgrund der begrenzten Verstärkung, die benötigt wird, um diese Funktion zu erreichen. Eine Rückkopplung vom Ausgang des Transimpedanzverstärkers 880 wird nicht benötigt, so dass auf diese Weise die Rückstellzeit im Falle einer großen Schwankung der Hochspannungsversorgung verringert ist. Dies macht den Empfänger 800 ferner weniger anfällig für Oszillation. Eingangsschutz und eine variable Transimpedanz können ferner durch die Schaltung 800 implementiert werden, um einen erweiterten Dynamikbereich des Photostromes zu erzielen.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromspiegels 890, der aus zwei angepassten Transistoren 991 und zwei Konstantstromquellen 992 zur Vorspannung der zwei angepassten Transistoren 991 besteht. Während der in 8 dargestellte Stromspiegel Bipolar-Transistoren 991 verwendet, können auch beliebig geeignete Alternativen zur Bipolar-Technologie, beispielsweise FET, MOSFET, HEMT oder auch ein anderer Typ einer Bipolar-Technologie verwendet werden.
Bemerkenswert ist bei dem Stromspiegel 890 seine Einfachheit. Allerdings ist der Designer gezwungen, hinsichtlich Bandbreite, Eingangsimpedanz, Rauschen und Strombereitstellungsfähigkeiten des Stromspiegels 890 Kompromisse einzugehen. Idealerweise sollte die Eingangsimpedanz des Stromspiegels 890 null sein, und das durch den Stromspiegel 890 erzeugte Rauschen sollte so niedrig wie möglich sein.
Das in 9 dargestellte siebte Ausführungsbeispiel einer Konfiguration einer optischen Empfängerschaltung 1110 verwendet vorteilhafterweise einen Differenz-Transimpedanzverstärker 1180, wobei ein erster Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers 1180 mit einem Photodetektor 1150 und ein zweiter Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers 1180 mit einem Sensorelement 1122 zum Abfühlen einer Schwankung einer Hochspannungsversorgung 1110 verbunden ist, wobei die Impedanz des Spannungs-Sensorelementes 1122 der Impedanz des Photodetektors 1150 gleicht.
Ein zweites Hochspannungs-Sensorelement 1123 ist mit zwei in Reihe geschalteten Stromspiegeln 1191 und 1192 verbunden, die verwendet werden, um eine stromgleiche Amplitude an beiden Eingängen des Differenz-Transimpedanzvestärkers 1180 zu injizieren.
Da das Eingangssignal der Stromspiegel 1191 und 1192 das gleiche ist, wird der an beiden Eingängen des Differenz-Transimpedanzverstärkers 1180 injizierte Strom als Gleichtaktsignal angesehen, das durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenz-Transimpedanzverstärkers 1180 unterdrückt wird.
Die zwei Stromspiegel 1191 und 1192 können einfach durch einen Stromspiegel mit einem Eingang und zwei Ausgängen gebildet werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Rauschen, das durch den Stromspiegel erzeugt wird, gleichzeitig an beiden Eingängen des differenziellen Transimpedanzverstärkers 1180 injiziert wird, so dass es durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenz-Transimpedanzverstärkers beseitigt wird.
Der Differenz-Transimpedanzverstärker 1180 mit dem Photodetektor 1150 und dem ersten Sensorelement 1122 für die Hochspannung kann auf eine geringe Schwankung der Hochspannungsversorgung ansprechen, während das zweite Hochspannungs-Sensorelement mit den Stromspiegeln 1191 und 1192 eine große Schwankung der Hochspannungsversorgung handhaben kann.
Die Hochspannungs-Sensorelemente 1122 und 1123 weisen vorzugsweise die gleiche Impedanz wie der Photodetektor 1150 auf, um einen Strom zu liefern, der soweit wie möglich gleich dem Strom ist, der in dem Photodetektor 1150 induziert wird. Idealerweise können die Hochspannungs-Sensorelemente 1122 und 1123 Dummy-Photodetektoren sein, die also kein Lichtsignal empfangen, und zwar von der gleichen Bauart wie der lichtdetektierende Photodetektor 1150. Alternativ hierzu können die Hochspannungs-Sensorelemente 1122, 1123 durch äquivalente Impedanzen ersetzt werden, wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel diskutiert.
Es sollte beachtet werden, dass der in 7 dargestellte Stromspiegel 890 und die Stromspiegel 1191, 1192 (10) auf verschiedene Weise ausgeführt werden können, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Es ist deutlich, dass diese Ausführungsbeispiele von Stromspiegeln die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht einschränken und das ohne weiteres andere Stromspiegelkonfigurationen verwendet werden können, die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Zusammenfassend ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifikationen und Schwankungen hinsichtlich der Struktur der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dem Umfang und Geist der Erfindung zu verlassen. In Anbetracht des Vorstehenden ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Schwankungen der Erfindung umfasst, sofern sie in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.

Claims

Photoelektrische Empfängerschaltung (400) zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal für Hochfrequenzanwendungen, mit einem Differenz-Transimpedanzverstärker (470), der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, mit einem als Avalanche-Photodiode oder Halbleiter-Photomultiplier ausgebildeten Photodetektor (450, 550, 650, 750), der mit einem ersten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (470) verbunden ist, mit einer Hochspannungsversorgungsquelle (410), die konfiguriert ist, um über eine Hochspannungsversorgung eine Vorspannung an den Photodetektor (450, 550, 650, 750) anzulegen, mit einem Impedanzelement (730), das zwischen der Hochspannungsquelle (410) und der Hochspannungsversorgung verbunden ist, und mit einem Spannungs-Sensorelement (420, 520, 620), das eine im Wesentlichen gleiche Impedanz wie der Photodetektor (450, 550, 650, 750) darstellt und dessen einer Anschluss mit der Hochspannungsversorgung und dessen anderer Anschluss mit dem zweiten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (470) verbunden ist, wobei das Impedanzelement (730) konfiguriert ist, die Spannung im fall eines optischen Signals großer Leistung, das auf den Photodetektor (450, 550, 650, 750) auftrifft, herabzusetzen.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 1, wobei das Spannungs-Sensorelement (420) einen Kondensator (422), einen Widerstand (423) und eine Induktivität (424) aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Kondensator (422), der Widerstand (423) und die Induktivität (424) in Reihe geschaltet sind.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 1, wobei das Spannungs-Sensorelement (420) einen äquivalenten Photodetektor-Quench-Widerstand, einen Quench-Kondensator, eine Netzkapazität und eine Sperrschichtkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 4, wobei der äquivalente Photodetektor-Quench-Widerstand (521) zu dem Quench-Kondensator (522) parallel geschaltet ist und wobei die Sperrschichtkapazität (524) in Reihe mit der Parallelschaltung aus dem Photodetektor-Quench-Widerstand (521) und dem Quench-Kondensator (522).geschaltet ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 4, wobei die Sperrschichtkapazität parallel zu einer ersten Unterkomponente geschaltet ist, die den äquivalenten Photodioden-Quench-Widerstand, den Quench-Kondensator und die Netzkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 4, die ferner eine Induktivität (525) aufweist, die in Reihe mit einer zweiten Subkomponente geschaltet ist, die den äquivalenten Photodioden-Quench-Widerstand, den Quench-Kondensator, die Netzkapazität und die Sperrschichtkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 1, die ferner ein Bandpassfilter (675) aufweist, das mit wenigstens einem Ausgang des Differenz-Transimpedanz-Verstärkers (470) verbunden ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 1, wobei das Spannungs-Sensorelement einen Dummy-Photodetektor aufweist, der im Wesentlichen ähnlich zu dem Photodetektor ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal für Hochfrequenzanwendungen, mit einem Transimpedanzverstärker (880) mit einem Eingang, mit einem Photodetektor (850), der mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers (880) mit einem Eingang verbunden ist, mit einer Hochspannungsversorgungsquelle (810), die konfiguriert ist, um eine Vorspannung an den Photodetektor (850) anzulegen, und mit einem Spannungs-Sensoretement (823), das eine im Wesentlichen gleiche Impedanz wie der Photodetektor darstellt, das zwischen die Hochspannungsversorgung (810) und einen Eingang eines Stromspiegels (890) geschaltet ist, wobei ein Ausgang des Stromspiegels (890) mit dem Photodetektor (850) und dem Eingang des Transimpedanzverstärkers (880) mit einem Eingang verbunden ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 10, die ferner ein Impedanzelement (730) aufweist, das zwischen die Hochspannungsversorgungs-Quelle und den Photodetektor (750) geschaltet ist, wobei das Impedanzelement (730) konfiguriert ist, die Verstärkung des Photodetektors (750) im Fall eines optischen Signals großer Leistung, das auf den Photodetektor (450) auftrifft, herabzusetzen.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 10, wobei das Spannungs-Sensorelement (823) einen Dummy-Photodetektor aufweist, der im Wesentlichen zu dem Photodetektor (850) ähnlich ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 10, wobei das Spannungssensorelement (823) einen Kondensator, einen Widerstand und eine Induktivität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 13, wobei der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität in Reihe geschaltet sind.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 10, wobei das Spannungs-Sensorelement (823) einen äquivalenten Photodetektor-Quench-Widerstand, einen Quench-Kondensator, eine Netzkapazität und eine Sperrschichtkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 15, wobei der äquivalente Photodetektor-Quench-Widerstand parallel zu dem Quench-Kondensator geschaltet ist und wobei die Sperrschichtkapazität in Reihe zu der Parallelschaltung aus dem Photodetektor-Quench-Widerstand und dem Quench-Kondensator geschaltet ist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 15, wobei die Sperrschichtkapazität parallel zu einer ersten Subkomponente geschaltet ist, die den äquivalenten Photodetektor-Quench-Widerstand, den Quench-Kondensator und die Netzkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung nach Anspruch 15, die ferner eine Induktivität aufweist, die in Reihe mit einer zweiten Subkomponente geschaltet ist, die den äquivalenten Photodetektor-Quench-Widerstand, die Quench-Kapazität, die Netzkapazität und die Sperrschichtkapazität aufweist.
Photoelektrische Empfängerschaltung zum Umwandeln eines optischen Signales in ein elektrisches Signal, mit einem Differenz-Transimpedanzverstärker (1180), mit einem Photodetektor (1150), der mit einem ersten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (1180) verbunden ist, mit einer Hochspannungsversorgungsquelle (1110), die konfiguriert ist, um eine Torspannung an den Photodetektor (1150) anzulegen, mit einem ersten Spannungs-Sensorelement, das eine im Wesentlichen gleiche Impedanz wie der Photodetektor darstellt, das zwischen die Hochspannungsversorgung und einen zweiten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, mit einem zweiten Spannungssensorelement (1122), das eine im Wesentlichen gleiche Impedanz wie der Photodetektor darstellt, das zwischen die Hochspannungsversorgung (1110) und einen Eingang eines ersten Stromspiegels (1191) geschaltet ist, und mit einem zweiten Stromspiegel (1192), der zwischen den ersten Stromspiegel (1191) und den zweiten Eingang des Differenz-Verstärkers geschaltet ist, wobei der Ausgang des ersten Stromspiegels (1191) mit dem ersten Eingang des Differenz-Transimpedanzverstärkers (1180) verbunden ist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, die ferner einen einzelnen Stromspiegel aufweist, der den ersten Stromspiegel (1191) und den zweiten Stromspiegel (1192) aufweist, wobei der einzelne Stromspiegel einen Sensoreingang und zwei Ausgänge aufweist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, wobei das erste Spannungs-Sensorelement (1122) und/oder das zweite Spannungs-Sensorelement (1123) einen Dummy-Photodetektor aufweist, der zu dem Photodetektor (1150) im Wesentlichen ähnlich ist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, wobei das Spannungs-Sensorelement einen Kondensator, einen Widerstand und eine Induktivität aufweist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, wobei der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität in Reihe geschaltet sind.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, wobei das Spannungs-Sensorelement einen äquivalenten Photodetektor-Quench-Widerstand, einen Quench-Kondensator, eine Netzkapazität und eine Sperrschichtkapazität aufweist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, die ferner ein Bandpassfilter aufweist, das mit wenigstens einem Eingang des Stromspiegels verbunden ist.
Photoelektrische Verstärkerschaltung nach Anspruch 19, die ferner ein Impedanzelement aufweist, das zwischen die Hochspannungsversorgungs-Quelle und den Photodetektor geschaltet ist.