DE2445815C2 - Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelementen abgegebenen Signalen - Google Patents

Description

Ce die resultierende Kapazität zwischen dem ersten Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes und dem Bezugspotential

Cd die Kapazität des Halbleiter-Fotobauelementes zwischen ersten und zweiten Ausgangssignalanschluß bedeuten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung größer als eins ist

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung größer als 0,9 und kleiner als eins ist

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprachen 1 bis 47 dadurch gekennzeichnet daß vom ersten Auügangssignalanschluß ein Widerstand nach Masse oder nach einem Punkt mit konstantem Potential geschaltet ist

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelemente abgegebenen Signalen.

Es ist aus der Zeitschrift »radio, fernsehen, elektronik« Bd. 2i, 1972, H. 18, S. 599 bekannt den Fotostrom eines Halbleiter-Fotobauelementes zu verstärken, indem ein erster Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit dem Eingang des Verstärkers verbunden wird. Ein zweiter Anschluß des Halbleiter-Fotobauelementes liegt bei dieser bekannten Schaltung auf einem konstanten Potential

Bei breitbandigen, auf Halbleiter-Fotobauelemente fallenden Lichtsignalen begrenzt bei den bekannten Schaltungen in vielen Fällen das Rauschen des nachgeschalteten Verstärkers die Nachweisgrenze für schwache Signale. Die Ursache ist daß wegen der Kapazität einer Fotodiode bzw. eines Fototransistors nur relativ kleine Arbeitswiderstände für die Fotodiode bzw. den Fototransistor verwendet werden können. Das Nutzsignal am Eingang des Verstärkers ist somit verhältnismäßig klein und der Störabstand entsprechend schlecht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Störabstand von Schaltungen mit Fotodioden oder Fototransistoren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß ein zweiter Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelementes mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und daß der Übertragungsfaktor des Verstärkers positiv ist

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Verstärkerschaltungsanordnung mit einer Fotodiode,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung mit einer Fotodiode,

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung mit einem Fototransistor.

Die F i g. 1 zeigt eine bekannte Verstärkerschaltungsanordnung. Mit 1 bezeichnetes licht das auf eine Fotodiode 2 trifft ist mit einem breitbandigen Signal moduliert Die höchste Modulationsfrequenz beträgt z. B. 10 MHz. An einer Klemme 3 liegt eine positive Gleichspannung. Die Fotodiode 2 ist also in Sperrichtung vorgespannt Der Spannungsabfall des Fotostromes an einem Widerstand 4 ist das Eingangssignal für einen Verstärker 5. An einem Punkt 6 wird die verstärkte Spannung in bezug auf Masse abgenommen.

Der Verstärker 5 liefert unvermeidlich eine Rauschspannung. Um am Ausgang des Verstärkers ein möglichst großes Verhältnis von Signalspannung zu Rauschspannung zu bekommen, muß bei gegebenem Fotostrom der Widerstand 4 und damit die Eingangssignalspannung für den Verstärker möglichst groß gewählt werden. Dieser Widerstandsvergrößerung sind aber Grenzen gesetzt denn parallel zum Widerstand 4 liegt die Eingangskapazität des Verstärkers und eine durch die Leitungen in der Schaltungsanordnung gegebene Kapazität die in Fig. 1 durch eine Kapazität 7 gegeben sind, sowie die Kapazität der Fotodiode 2. Die Grenzfrequenz, die sich aus diesen Kapazitäten zusammen mit dem Widerstand 4 ergibt darf nicht wesentlich niedriger als die höchste Signalfrequenz sein.

F i g. 2, in der entsprechende Elemente wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Der Ausgang eines Verstärkers 8 ist über einen Koppelkondensator 9 mit der Kathode der Fotodiode 2 verbunden. Die Sperrspannung für die Fotodiode wird vom Anschluß 3 über einen Widerstand 10 zugeführt Der Spannungsübertragungsfaktor des Verstärkers 8 ist positiv. Der Betrag des Spannungsübertragungsfaktors 8 ist ungefähr eins. Das bedeutet daß wenn sich die Signalspannung am Eingang des Verstärkers verändert sich die Spannung an der Kathode der Fotodiode nahezu um den gleichen Wert ändert Das aber bedeutet daß sich bei einer Signalstromänderung die Spannung an der Fotodiode praktisch nicht verändert In die Kapazität der Fotodiode 2 fließt kein Ladestrom hinein. Diese Kapazität ist also effektiv in der Schaltung unwirksam. Da die resultierende Kapazität der Schaltungsanordnung durch die Rückkopplung des Ausgangssignals des Verstärkers auf die Kathode der Fotodiode verringert wird, kann der Widerstand 4 vergrößert werden. Im gleichen Maße wie der Widerstand 4 steigt die Eingangssignalspannung des Verstärkers 8 und damit auch der Störabstand.

Für die Praxis ist wesentlich, daß die positive Rückkopplung über den Fußpunkt der den Signalstrom liefernden Fotodiode den Störabstand der Schaltung nicht im gleichen Maße vergrößert wie die Kapazität reduziert wird. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltungsanordnung konnte bei einer Bandbreite von 10 MHz durch diese positive Rückkopplung der Widerstand von 4,7 kil auf 47 Ui erhöht werden. Der Störabstand wurde dabei um 15 dB verbessert

Der Betrag der Verstärkung des Verstärkers 8 darf auch größer als eins sein. In diesem Fall wird die Kapazität der Fotodiode überkompensiert. Diese Kapazität ist dann negativ. Der negative Anteil der Fotodiodenkapazität subtrahiert sich von der Kapazität 7. Die Grenzfrequenz der Schaltung wird also noch weiter erhöht Die maximal zulässige Verstärkung beträgt

IO

Dabei ist Q die resultierende Eingangskapazität der Schaltungsanordnung (also die Kapazität 7) und Q/ die Kapazität der Fotodiode. Bei noch größeren Verstärkungen wird die Schaltung instabil. Die resultierende Kapazität C_rder Fotodiode beträgt

Cr Q₁(V-X),

wobei V die Verstärkung des Verstärkers ist, gemessen vom Eingang des Verstärkers bis zum Fußpunkt (Kathode) der Fotodiode. Bei dem hier beschnebenen Ausführungsbeispiel wird die Spannung für den Punkt 6 und für die Rückkopplung am gleichen Punkt des Verstärkers abgenommen. Grundsätzlich können diese Spannungen aber auch von verschiedenen Ausgängen des Verstärkers geliefert werder. Weiterhin können zwischen dem aktiven Teil des Verstärkers und der Kathode der Fotodiode weitere passive Bauelemente eingefügt werden.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 wird statt der Fotodiode ein Fototransistor 11 verwendet An einem Eingang 12 des Verstärkers 8 liegt eine Gleichspannung, die den Arbeitspunkt des Verstärkers so verschiebt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers positiv in bezug auf Masse ist Darüber hinaus entspricht die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 der der Schaltungsanordnung nach F i g. 2.

In der Schaltungsanordnung nach Fig.2 kann die Fotodiode auch als Fotoelement betrieben werden. Hierzu wird der Anschluß 3 auf Massenpotential gelegt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verstärkung von durch Halbleiter-Fotobauelemente abgegebenen Signalen, bei der ein erster Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelenients mit einem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ausgangssignalanschluß des Halbleiter-Fotobauelement mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und daß der Übertraglingsfaktor des Verstärkers positiv ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Verstärkung größer als Null und kleiner als (1 + CyCy ist, worin is