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Elektrooptische Verstärkereinriehtung Die Erfindung bezieht sich auf
eine elektrooptische Verstärkereinrichtung für insbesondere im Bereich der sehr
kurzen elektronagnetischen '..Pellen gelegene Schwingungen nit einer Eingangsvorrichtung,
die die 'Schwingungen in optische ;Pellen umwandelt und einer damit optisch gekoppelten
Ausgangsvorrichtung, in der die optischen Wellen in elektrische Schwingungen zurückgeführt:
werden. Im Hauptpatent ist eine solche elektrooptische Verstärkereinrichtung angegeben,
bei dem als Eingangsvorrichtung wenigstens eine in Flußrichtung vorgespannte Halbleitc:r-Emissionsdiode
und als Auagangsvorrichtung wenigcteno eine in Sperrichtung vorgespannte Halbleiter-Photodielr-:
vorgesehen sind. Die Emissiönsdiode und die PhatuAiod@2
sind dabei
nur optisch miteinander gekoppelt. Die Versendung einer solchen elektrooptischen
Verstärkereinrichtung bietet den Vorteil, daß der Eingangskreis vom Ausgangskreis
entkoppelt ist.
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Der Wert der erzielbaren Verstärkung einer solchen elektrooptischen
Verstärkereinrichtung hängt vors alert des ausgangsseitigen Arbeitsvriderstandes
ab. fie bereits im Hauptpatent ausgeführt ist, läßt sich die maximale #eistungsverstärkung
(das bedeutet, die Photodiode mit ihrem Innenwiderstand abzuschließen) wegen der
im Mikrowellenbereich störenden Kapazität der Photodiode im wesentlichen nur bei
relativ niedrigen Frequenzen ausnutzen. Es gibt jedoch viele Anriendungsgebiete
in diesem Frequenzbereich, z.B. die rückwirkungsfreie Verstärkung vom Telegraphiezeichen,
wo ein hoher, eine maximale Leistungsverstärkung ermöglichender Widerstand verwendet
werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben,
die es auf einfache Weise gestattet, einerseits die Photodiode mit dem geforderten
,Widerstand abzuschließen und andererseits einen ausgangsseitigen Verbraucher an
die Verstärkereinrichtung anzupassen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Photodiode auf den Eingang eines Feldeffekt-Transistors arbeitet,
dessen Steuerspannung@durch zusätzliche I.Iittel auf den höchstzulässigen Wert begrenzt
ist.
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Durch den extrem hohen Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistors
wird der als Arbeitswiderstand für die Photodiode benötigte.Widerfltand durch eine
zusätzliche
Parallelschaltung eines ohmschen ;'liderstandes in der
Größenordnung 1 I,LR zum Steuereingang des Feldeffekt-Transistors erzeugt.
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Um die Steuerspannung des Feldeffekt-Transistors auf den für den Feldeffekt-Transistor
zulässigen ;'lert zu begrenzen, ist es zweckmäßig, parallel zum Steuereingang des
Feldeffeht-Transistors eine Zenerdiode zu schalten. Zur Versteilerung der übertragenen
Impulsflanken ist es günstig, daß dem Feldeffekt-Transistor ein Transistor nachgeschaltet
ist, der hierzu mit seinem Basisanschluß mit der Zugelektrode und mit seinem Emitteran--schluß
mit der Quellelektrode des Feldeffekt-Transistors verbunden ist, daß ferner die
beiden letztgenannten Elektroden über einen ihnen gemeinsamen Widerstand am Bezugspotential
angeschaltet sind, daß außerdem dem Steuereingang des Feldeffekt-Transistors die
Reihenschaltung eines hochohmigen Widerstandes mit einer Gleichspannungsquelle parallel
angeschaltet ist, deren Gleichspannuy.:;sv;ert im wesentlichen den Gleichspannungsabfall
am er: .genannten Widerstand ltompensiert, und daß dem Transistor Basis- und kollektorseitig
eine Betriebsgleichspannung über r'iiderstände zugeführt ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführung5-beispieles
seil die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer elektrooptischen Verstärkereinrichtung nach dem Hauptpatent,
Fig.2
eine Ausführungsform einer elektrooptischen Verstärkereinrichtung nach der Erfindung.
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Fig.1 zeigt eine Emissionsdiode 2, die mit einer Photodiode 6 optisch
gekoppelt ist. Durch diese Art der Kopplung sind die Eingangsklemmen 1, 1' von den
Ausgangsklerrimen 7, 7' galvanisch entkoppelt. Die Gleichspannungsquelle 4 dient
der Festlegung des Arbeitspunkte; der Emissionsdiode 2. Die Gleichspannungsquelle
4 ist in Reihe mit einer sYechselspannungsquelle 5 geschaltet, die das zu verstärkende
Signal liefert. Die Spannung der ';lechselspannungsquelle 5 überlagert sich der
Spannung der Gleich:pannungsquelle 4. Durch die Spannung der Wechselspannungsquellc
5 wird eine entsprechende Intensitä.ts-:..odulation der ausgesendeten Strahlung
hervorgerufen.
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Die elektromagnetische Strahlung j wird nach Durchlaufen eines geeigneten
Mediums in der Photodiode 6 absorbiert. In der Photodiode 6 wird durch Absorption
von Lichtquanten (Photonen) eine entsprechende Anzahl elektrischer Ladungsträger
gebildet. Diese Ladvngsträger machen sich in dem Ausgangskreis der Verstärkeranordnung
(lusgangsklemmen 7,,7', Gleichspannungsauelle 8, Lastwiderstand 9) in einen entsprechenden
Strom 1 2 bemerkbar. Die Gleichspannungsquelle 8 ist so gepolt,- de.ß durch sie
die Photodiode 6 in Sperrichtung vorgespannt ist. Das Verhältnis von Ausgangsstron
1 2 zu Eingangsstrom 1
1 ist bestimmt durch die Gleichung
Hierin bedeute i; 7jQ der Quantenwirkungsgrad der Emissionsdiode und @P der Quantenwirkungsgrad
der Photodiode. Der Quantenwirkungsgrad der Emissionsdiode liegt im allgenciiien
bei Raunternperatur in der Grüßenordnunr 10-
| so daß selbst mit ilP :.; 1 für das Verhältnis |
| resultiert. |
| Wiegen des großen Ausgangswiderstandes der Photodiode |
| sind große y'lerte des Lastviiderstandes möglich. Die lei-- |
| stungsverstärkung T' der in Fig.1 gezeigten Anordnung |
| kann daher mit hinreichend großen Lastriiderständen |
| größer als 1 werden: |
R9 ist der Lastwiderstand, R1 der dynamische Widerstand der in Flußrichtung gepolten
Emissionsdiode. Mit R1 = 1 Ohm und 17Q # 9P = 10-3 erhält man die Bedingung R9 >
10 Ohm für T°> 1 .
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Fig.2 zeigt eine Schaltungsanordnung in der die Photodiode 6 auf den
Eingang eines Feldeffekt-Transistors 10 arbeitet. Der Eingangsiriderstand des Feldeffekt-Transistors
10 ist im allgemeinen so hoch, daß dieser durch den geringen Sperrstrom der Photodiode
6 bereits voll durchgesteuert ist. Es empfiehlt sich daher, einen Yliderstand 12
in der Größe des dynamischen Innenwiderstandes der Photodiode 6 (Größenordnung 1
M.n.) den Eingangselektroden des Feldeffekt-Transistors 10 parallel zu schalten.
Dieser Widerstand bewirkt auch zusätzlich, daß die Eingangszeitkonstante verringert
wird. Diese ist gegeben zu
Hierin bedeutet 0D die Sperrschichtkapazität der Photodiode 6, 0F die Eingangskapazität
des Feldeffekt-Transistors 10 und R tot der resultierende ""lideratand der Parallelschaltung
aus dem Ausgangswiderstand der Photodiode
6, dem Eingangsvriderstand
des Feldeffekt-Transistors 10 und dem Wert des fiderstandes' 12.
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.Bei sehr starken Eingangssignalen, die der Ecaissionsdiode 2 zugeführt
werden, wächst die Spannung am Yliderstand 12 sehr stark an. Dies hat zwei Nachteile:
Erstens kann die zulässige Steuerspannung des Feldeffekt-Transistors 10 überschritten
werden, zweitens verharrt der Feldeffekt-Transistor 10 auch nach dem Aufhören des
Eingangspulses eine gewisse Zeit im Ein-Zustand und zwar so lange, bis die Spannung
am Widerstand 12 auf einen hinreichend kleinen ,"lert abgefallen ist. Durch entsprechende
Verringerung der Spannung der Spannungsquelle 8 ließe sich der Endvrert der Spannung
am Widerstand 12 begrenzen. Dieses Verfahren ist jedoch unzweckmäßig, weil mit abnehmender
Batteriespannung nicht nur der Quantenwirkungsgrad der Photodiode 6 schlechter wird,
sondern'es wird auch die Sperrsehichtkapazität größer, was eine größere Zeitkonstante
zur Folge hat: Dem Yliderstand 12 ist in Serie zu der Spannungsduelle 17, deren
Aufgabe weiter unten beschrieben wird, eine Zenerdiode 11 parallelgeschaltet. Diese
Zenerdiode 11 verhindert, daß die Spannung am Eingang des Peldeffekt--Transistors
10 einen unerwünscht hohen Wert annimmt. Vorteil-. haft bei dieser Anordnung ist,
daß sich die Auswirkungen der Sperrströme der Photodiode 6 und der Zenerdiode 11
bezüglich der Eingangsspannung des Feldeffekt-Transistors 10 kompensieren, was sich
besonders auf das Temperaturverhalten der Anordnung günstig auswirkt. Der zusätzliche
differentielle Widerstand der Zenerdiode 11 parallel zum Steuereingang des Feldeffelct-Transistors
10 wirkt sich nicht störend aus, ereil der aus der Parallelschaltung dieses Widerstandes
und des Eingangswiderstandes des Feldeffekt-Transistors 10 sich ergebende resultierende
,'diderutand.sicher
höher liegt, als der differentielle Innenwiderstand der Photodiode 6.
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Der Feldeffekt-Transistor 10 bildet zusammen mit dem Transistor 13
eine Trigger-Schaltung. ,7ird der Emissionsdiode 2 kein Signal zugeführt,-so ist
der Transistor 13 über den i`liderstand 1£3 im leitenden Zustand. .Auch am Widerstand
16 tritt, entsprechend der Spannungsteilung . zwischen den YTider: tänden 1 4 und
16, eine Spannung auf. Der Feldeffekt-Transistor 10 ist über den Widerstand 12 und
die Gleichcpannungsquelle 17 etwas vorgespannt. Sobald die Photodiode 6 einen Strom
liefert (weil sie von der Emissionsdiode 2 angestrahlt asrd), wird die Eingangsspannung
des Feldeffekt-Transistors 10 so groß, daß dieser einen nennenswerten Teil des über
den Vliderstand 18 fließenden Stromes übernimmt. Der Transistor 13 führt iNeniger
Stror. Der Spannungsabfall am Uiderstand 16 geht zurück und der Feldeffekt-Transistor
10 ist entsprechend weiter in den@leitenden Zustand gesteuert. Dadurch ergibt sich
bei Überschreiten einer Schwellspannung am Steuereingang des Feldeffekt-Transistors
10 ein rasches Ansteigen der Spannung am ,Viderstand 14, dessen Anschlüsse zugleich
Ausgangsklemmen der Verstärkereinrichtung bilden.