DE2459496C3 - Schaltungsanordnung zur Verstärkung von impulsförmigen Signalen - Google Patents

Description

Entladeströme der Speicherschaltdioden einen gemeinsamen Lastwiderstand (Rl) durchfließen.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Regenerierung von impulsförmigen Signalen,

F i g. 2 einen Signalplan zur Schaltung nach F i g. 1,

F i g. 3 einen bekannten Auf- bzw. Entladevorgang bei einer Speicherschaltdiode,

Fig.4 eine Meßschaltung mit der Verstärkerstufe nach F ig. 1,

Fig.5 in der Schaltungsanordnung nach Fig.4 auftretende Signalformen,

F i g. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vier Verstärkerstufen,

Fig.7 einen Signalplan des prinzipiell in der Schaltungsanordnung nach Fig.6 zu erwartenden Signalverlaufs,

F i g. 8 eine Meßschaltung mit der Schaltungsanordnung nach F ig. 6,

Fig.9 eben Signalplan des in der Schaltung nach F i g. 8 gemessenen Signalverlaufs,

F i g. 10 eine im wesentlichen der F i g. 6 entsprechende Schaltungsanordnung mit einem Injektionslaser L als Lastwiderstand.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es zweckmäßig, zunächst auf die Wirkungsweise der einzelnen Verstärkerstufen nahes einzugehen, deren Ausgänge bei der erfindungsgemäßen Lösung parallel geschaltet sind.

F i g. 1 zeigt eine solche Verstärkerstufe. An Hand des Signalplans von F i g. 2 wird die Funktionsweise dieser Schaltung beschrieben. Am Eingang der Schaltung liegt eine Signalquelle mit der Leerlaufspannung ujt) und dem inneren Widerstand R». Di ist eine Speicherschaltdiode. Di und Lh sind schnelle Schaltdioden, beispielsweise Schottkydioden mit Schaltzeiten unter 100 psec. Die Speicherschaltdiode Dz wird während der positiven Impulse der Quelle u, (F i g. 2a) über D\ aufgeladen. Während dieser Zeit ist u_p (F i g. 2b) leicht negativ, so daß der Ladestrom Ober D₂ und nicht Ober Oj fließt Mit der negativen Vorspannung u_p wird weiterhin erreicht, daß Di und D₁ in Flußrichtung vorgespannt sind. Die Ladung Q(t) (Fig.2c) nimmt nach dem Ende des Ladeimpulses leicht ab. Ein Grund dafür ist die in D₂ stattfindende Rekombination und ein weiterer ein kurzer Rückstrom durch D₁ bis zum Abschalten von Di. Wird Up positiv, so wird Di geöffnet und durch D₁ fließt so lange ein Strom in Sperrichtung bis die Ladung q(t) wieder auf den Wert Null abgesunken ist Da die Spannungen, die an den Dioden Di und Di abfallen, entgegengesetzt gerichtet sind, ist während der Zeit der Entladung die Spannung ul am Lastwiderstand Ri, (F i g. 2d) etwa gleich u_p (t). Die Spannung u_p wird als Pumpspannung bezeichnet, da sie die Ladung von D₂ auf ein höheres Potential pumpt Die erzielbare Spannungsverstärkung ist in erster Linie durch die Höhe von u_p μ gegeben. Rl bestimmt die Stärke des Entladesiromes und somit, da die Ladung vorgegeben ist, die Breite der Ausgangsimpulse. Die Fläche der Ausgangsimpulse ist proportional der Flache der Eingangsimpulse, wobei bei den Ausgangsimpulsen in erster Linie die Breite variiert FQr die Änderung des Ausgangsimpulses spielt es keine Rolle, ob die Breite oder die Höhe des Eingangsimpulses vergrößert wird. Erst wenn das Eingangssignal so klein wird, daß die Breite des Ausgangssignals die Summe von Anstiegs- und Abfallzeit erreicht, nimmt bei weiterer Verkleinerung des Eingangssignals die Höhe des Ausgangssignals ab.

Rl ist nach oben dadurch begrenzt, daß die maximale Breite der Ausgangsimpulse kleiner als die Breite der positiven Pumpimpulse sein muß und weiterhin dadurch, daß bei breiten Ausgangsimpulsen die Verluste durch die Rekombination der Ladungsträger ansteigen. Macht man R_L zu klein, so werden die Spannungsabfälle an D₂ und Di und an dem in F i g. 1 nicht berücksichtigten Innenwiderstand der Pumpquelle größer und die Spannungsverstärkung sinkt

Wie man aus Fig.2 erkennt, hat die Lage des Eingangssignals keinen Einfluß auf die Lage der vorderin Flanke des Ausgangsimpulses, solange das Eingangssignal zwischen dem zum Ausgangssignal gehörenden Pumpimpuls und dem vorhergehenden Pumpimpuls liegt

Im Gegensatz zur Spannungsverstärkung ist die Ladungsverstärkung immer kleiner als 1. Für den in F i g. 3 dargestellten vereinfachten Fall soll die Ladungsverstärkung berechnet werden. Die Speicherschaltdiode wird während des Intervalls 71 mit einem konstanten Strom /1 aufgeladen. Während des darauffolgenden Intervalls T₂ fließt kein Strom. Hernach wird ein konstanter Entladestrom — h eingeprägt der so lange fließt, bis die Diode völlig entladen ist

Die Ladung q der Speicherschaltdiode gehorcht der Differentialgleichung

(D

wobei v_s die Speicherzeit der Diode ist Ist die Diode zum Beginn des Zeitintervalls Ti vollständig entladen, so ist die Ladung am Ende dieses Zeitinvervalls

(2)

(3)

Am Ende des Zeitintervalls T₂ ist die Ladung

<fc =

Aus der Bedingung, daß am Ende von T₃ die Ladung Null ist folgt

^τ> ^{= τ}Η^{ι +} τύ· ⁽⁴⁾

Die Ladungsverstärkung « ist durch

'.T₁
definiert und man erhält aus den GIn. (2)—(5)

(5)

Für Ti, Tb T₃<v„ gilt die Näherungsformel

(6)

Um eine Ladungsverstärkung möglichst nahe dem Wert 1 zu erreichen sollen die Intervalle T_x und T₂ klein

gegen τ* sein und weiters h nicht klein gegen I\ sein. Die letzte Bedingung ist gleichbedeutend mit Ts < τ,*

F i g. 4 zeigt eine Meßschaltung mit der Verstärkerschaltung nach Fig. 1. Die aus drei Dioden und drei Widerständen bestehende Verstärkereinheit wurde in Dünnfilmtechnik auf Keramiksubstrat hergestellt

Oz ist eine AEG-Teiefunken Speicherschaltdiode BXY 49. D_x und D₃ sind Schottkydioden 5082-2837 von Hewlett Packard Der 250-Mbit/s-Wortgenerator liefert RZ-Worte negativer Polarität mit einer Länge von 32 bit und einer Impulshöhe von 0,75 V. Die 250-M Hz-Taktfrequenz des Wortgenerators wird verstärkt und einem Impulsformer zugeführt, in dem eine Speicherschaltdiode Ober eine Induktivität angesteuert wird und auf diese Weise Nadelimpulse negativer Polarität is erzeugt werden. Mit der variablen Verzögerungseinrichtung kann die Pumpspannung so gegen die Eingangsspannung verschoben werden, daß die Eingangsimpulse zwischen die Pumpimpulse zu liegen kommen.

Der Lastwiderstand besteht aus der Serienschaltung des noch auf dem Verstärkersubstrat untergebrachten 68-Ohm-Widerstandes und der Eingangsimpedanz von 50 Ohm des Abschwächers vor dem Samplingoszillografen. Sowohl dem Eingangssignal als auch der 2s Pumpspannung wird ein variabler Gleichspannungsanteil hinzugefügt, so daß D\ und Ch in Rußrichtung vorgespannt sind und D₂ bereits durch kleine Eingangssignale aufgeladen werden kann. Fig.5a zeigt die Ausgangsspannung des Wortgenerators, Fig.5b die Pumpspannung U_p am Eingang P der Verstärkerschaltung. Die Pumpimpulse besitzen eine Halbwertbreite von 700 ps. Sie gelangen über den Spannungsteiler aus 33 Ohm und 10 Ohm an die Speicherschaltdiode D₂. Die Ausgangsspannung wurde am Anschluß A an 50 Ohm gemessen. Fig.5c zeigt die Ausgangsimpulse des Verstärkers, wobei der Spannungsmaßstab auf den Gesamtlastwiderstand von 118 Ohm umgerechnet wurde.

liegt am Eingang des Verstärkers eine logische 1, so folgt am Ausgang ein Impuls mit einer Amplitude von 3,9 V und einer Halbwertsbreite von 500 ps; liegt am Eingang eine logische 0, so folgt beim nächsten Pumpimpuls am Ausgang ein kleiner Impuls mit einer Halbwertsbreite von 200 ps. Der Amplitudenunterschied beträgt am Ausgang zwischen beiden Zuständen 3 V, der Verstärker hat daher eine etwa vierfache Spannungsverstarkung. Die kleinen Ausgangsimpulse bei fehlender Eingangsspannung sind eine Folge der leichten Vorspannung von D, und Di in Flußrichtung. so

Der Verstärker ist in erster linie zur Spannungsverstärkung taktsynchroner Impulse geeignet Mit verfügbaren Bauelementen sind vermutlich Taktfrequenzen oberhalb 1 GHz erreichbar. Neben der Verstärkung der Impulse tritt gleichzeitig eine Regeneration der ss Impulsform und des Flankenzeitpunktes ein.

Die in Fig.5c dargestellten Ausgangsimpulse der Verstärkerschaltung haben eine Halbwertsbreite vor. nur etwa 500 psec.

Im Hinblick auf eine optimale Auslastung der Übertragungskapazität von optischen Wellenleitern ist es vorteilhaft, die Ausgangssignale mehrerer Verstarkerstufen nach Fig. 1 zu einem Signal mit noch höherer Bitrate zusammenzufügen. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig.6 dargestellt

Die in Fig.6 gezeigte Schaltungsanordnung mit SDeicherschaltdioden besteht im wesentlichen aus vier identischen Verstärkerstufen gemäß Fig. 1, deren Ausgänge parallel geschaltet sind, und die mit einem gemeinsamen Lastwiderstand Ri belastet sind. In F i g. 7 ist dazu der prinzipiell in dieser Schaltungsanordnung zu erwartende Signalverlauf dargestellt Die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ist als Vierfachmultiplexer einsetzbar. Der Multiplexer faßt die von vier digitalen Signalquellen u_s\... u* kommenden Signale zusammen. Die vier Signalspannungen sind ebenso wie die vier Pumpspannungen u_p\... Upt, im Zeitraster jeweils um ein viertel Taktintervall gegeneinander versetzt. Die ausgangsseitigen Schaltdioden D_n ... Dm wirken gemeinsam als Oder-Gatter, so daß die Ausgangssignale der vier Speicherschaltdiodenverstärker am Lastwiderstand Rl addiert werden. Als Speicherschaltdioden und Schottkydioden wurden die gleichen Typen wie beim Verstärker nach F i g. 1 verwendet Die Schaltung wurde für niedrigen Lastwiderstand und Impulse negativer Polarität ausgelegt, da sie in erster Linie zur Ansteuerung von Injektionslasern vorgesehen ist Die Eingänge der Verstärkerschaltung können mit ECL-Pegel angesteuert werden; die Stromamplitude der Ausgangssignale beträgt bis zu hundert Milliampere, so daß die Schaltungsanordnung unmittelbar als Endstufe zur direkten Modulation von Injektionslasern im Gigabitbereich verwendet werden kann. Injektionslaser sind im Gbit/sec-Bereich nur dann direkt modulierbar, wenn sie oberhalb der Schwelle vorgespannt sind. Dabei liegt ihr differentieller Innenwiderstand — Lastwiderstand Rl der Schaltungsanordnung — dann unter 1 Ohm. Die Widerstände Ä1...4 liegen bei etwa 50 Ohm und dienen zur groben wellenwiderstandsmäßigen Anpassung der Pumpspannungseingänge an die Pumpspannungszuleitungen. Durch die individuelle Auswahl der Vorwiderstände R\... 4 wurden vorhadnene Streuungen der Diodenparameter ausgeglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Multiplexerschaltung wurde auf einem 1" χ 1 "-Keramiksubstrat in Dünnfilmtechnik realisiert Unmittelbar in der Schaltungsgrundplatte wurde eine Ausnehmung vorgesehen zur Anordnung einer Fassung mit einem darin befindlichen Injektionslaser und einem Steckanschluß für einen Monomode-Wellenleiter. Der unmittelbare Zusammenbau des Injektionslasers mit der Endstufe ist wegen der relativ niedrigen elektrischen Impedanz des Lasers unbedingt erforderlich.

F i g. 8 zeigt eine Meßschaltung zur Untersuchung der Schaltungsanordnung nach Fig.6. An den Signaleingängen liegt im logischen Zustand 0 eine Spannung von lh=03 Volt und im logischen Zustand 1 eine Spannung t/i=03 Volt Während an den Eingang Si das auf — 1,4 V Impulsamplitude verstärkte Signalwort des 250-Mbit/sec-Wortgenerators gelangt, wird an die Signaleingange 52, S3 und 54 des Multiplexers konstant die Spannung Lk oder U\ gelegt Aus dem verstärkten Wortgeneratortakt werden mit einem Impulsformer Pumpimpulse mit einer Amplitude von -15 V und einer Halbwertsbreite von 500 psec erzeugt Mit einem breitbandigen Leistungsteiler wird das Pumpsignal auf vier 50-Ohm-Leitimgen, deren Länge sich um jeweils 20 cm voneinander unterscheidet, aufgeteilt Die Pumpspannungen an den vier Eingängen Pi...P4 sind um jeweils lnsec gegeneinander versetzt. Fig.9a zeigt einen Ausschnitt des am Wortgenerator eingestellten Signalwortes. In den Fig.9b—9e ist das gemessene Ausgangssignal des Multiplexers wiedergegeben. Am Eingang 51 liegt in allen Fallen das vom Wortgenerator abgegebene

Signalwort. An den Eingängen 52... 54 liegt bei der Kurvenform von F i g. 9b jeweils die Spannung i/o.

Wird schrittweise an die Eingänge 52... 54 die Spannung U\ gelegt, so erhält man den in den F i g. 9c, 9d, 9e dargestellten Laststromverlauf. Es tritt keine gegenseitige Beeinflussung der Impulse auf. Die Amplitude von ca. 10OmA reicht zur direkten Modulation eines Halbleiterinjektionslasers mit Vorspannung aus. In der Stellung U\ wurde an den Eingängen 52...54 ein Strom mit einem Mittelwert von 16 mA gemessen. Durch die Akkumulation der in die Speicherschaltdiode hineinfließenden Ladung ist zur Ansteuerung des Multiplexers ein im Vergleich zum Ausgangsstrom wesentlich geringerer Strom erforderlich.

F i g. 10 zeigt nochmals die bereits schon an Hand von F i g. 6 erläuterte Schaltungsanordnung mit vier identischen Verstärkerstufen, die zur Verwendung als Multiplexer geeignet ist, wobei der Lastwiderstand Ri. von F i g. 6 durch einen Halbleiterinjektionslaser ersetzt ist. Eine Gleichstromquelle /₀ dient zur Vorspannung des Injektionslasers oberhalb der Schwelle.

Hierzu 8 Bkill

Claims (6)

Nachrichtenübertragungssysteme, in denen die NachPatentansprüche: richten in Form von Lichtimpulsen über optische Wellenleiter (Lichtleiter) geführt werden. Als Lichtsen-

1. Schaltungsanordnung zur Verstärkung von der sollen direkt modulierte Halbleiterlaser und als impulsförmigen elektrischen Signalen, wobei eine 5 Lichtempfänger Avalanche-Photodioden verwendet Speicherschaltdiode vorgesehen ist, die bei Anliegen werden. In bestimmten Abständen sind im Übertravon impulsförmigen Signalen einer Signalquelle gungsweg sogenannte Repeaterstationen angeordnet über eine in Flußrichtung gepolte Diode aufgeladen zur Verstärkung und Regeneration der übertragenen wird, die von Taktimpulsen einer Pumpquelle derart Impulsfolgen. In einer derartigen Repeaterstation angesteuert wird, daß über eine durch die Taktim- io werden eingehende Lichtimpulse über einen Lichtemppulse der Pumpquelle geöffnete Diodenstrecke fänger zunächst in elektrische Signale umgewandelt; durch einen in Sperrichtung der Speicherschaltdiode diese werden dann regeneriert und verstärkt Mit den fließenden Strom die dort durch einen dem aufgearbeiteten elektrischen Impulsen wird anschlie-Taktimpuls vorangehenden Signalimpuls der Signal- Bend erneut ein Lichtsender angesteuert, so daß am quelle angesammelte elektrische Ladung abgebaut 15 Ausgang der Repeaterstation wieder Lichtsignale zur wird, und mit diesem in Sperrichtung fließenden Weiterleitung auf einem optischen Wellenleiter bereit-Strom ein Lastwiderstand beaufschlagt wird, d a - stehen. Optische Wellenleiter sind sehr breitbandig; es durch gekennzeichnet, daß mehrere können voraussichtlich Datenflüsse von mehreren Speicherschaltdioden (D21...D24) vorgesehen Gigabit pro Sekunde auf einem einzigen optischen sind, die von impulsförmigen Signalen zugeordneter 20 Wellenleiter in Form einer haarfeinen Glasfaser Signalquellen (u_s\... Um) über in FluBrichtung übertragen werden. Dabei treten jedoch bei der gepolte Dioden (Du... Dm) aufladbar sind, die von Signalverarbeitung in den Repeaterstationen Probleme zugeordneten Taktimpulsquellen (u_p\... Upi) derart auf, weil die Schnelligkeit herkömmlicher elektronischer ansteuerbar sind, daß die von Taktimpulsen ausgelö- Schaltungen zur Verarbeitung dieser Datenflüsse nicht sten Entladeströme der Speicherschaltdioden einen 25 ausreicht

gemeinsamen Lastwiderstand (Ri) durchfließen. Aus IRE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVI-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch CES, 6 (1959), 341—347, sind bereits Verstärkerschalgekennzeichnet, daß sie in Dünnfilmtechnik herge- tungen mit Halbleiterdioden bekannt die jedoch eine stellt ist relativ niedrige obere Grenzfrequenz aufweisen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch so Weiterhin ist aus der INTERNATIONALEN ELEK-gekennzeichnet, daß als Lastwiderstand ein durch TRONISCHEN RUNDSCHAU, 12 (1969) eine Schaleine Gleichstromquelle (Iq) bis oberhalb der tungsanordnung zur Formung von impulsförmigen Laserschwelle vorgespannter Injektionslaser (L) elektrischen Signalen bekannt, bei der eine Speichervorgesehen ist schaltdiode vorgesehen ist, die bei Anliegen von

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 35 impulsförmigen Signalen einer Signalqueile über eine in und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionsla- Flußrichtung gepolte Diode aufgeladen wird. Hierbei ser (L) unter Verwendung möglichst kurzer Zulei- tritt eine gewisse Verstärkung auf.

tungen unmittelbar mit der Schaltungsanordnung Aus der DE-OS 22 38 173 ist weiterhin ein Verfahren

verbunden ist zur Verstärkung von impulsförmigen Signalen bekannt,

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch 40 wobei eine Schaltspeicherdiode durch einen eingangsgekennzeichnet, daß sowohl die Signalspannungen seitigen Signalimpuls in Rußrichtung aufgeladen und (Us\ ■ ■. Um) als auch die Pumpspannungen danach zur Ladungsgewinnung über einen relativ (Upi... LAp₄) im Zeitraster jeweils um ein viertel hochohmigen Lastkreis mit Hilfe eines Impulses in Taktintervall gegeneinander versetzt sind. Sperrichtung entladen wird. Mit Hilfe der hierbei

6. Schaltungsanordnung nach jedem der vorherge- 45 verwendeten Schaltungsanordnung sind rückwirkungshenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre freie Impulsverstärker im GHz-Bereich realisierbar, da Verwendung in Repeaterstationen von breitbandi- die verwendeten Bauelemente für höchste Frequenzen gen optischen Nachrichtenübertragungssystemen. geeignet sind und Ein- und Ausgangssignale zeitlich

entkoppelt sind.

so Alle diese bekannten Schaltungsanordnungen oder

Verfahren sind jedoch zur Übertragung eines Signals mit hoher Bitrate noch nicht geeignet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Verstärkung von impulsförmigen elektrischen Signalen, Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Regenerie-

wobei eine Speicherschaltdiode vorgesehen ist, die bei 55 rung von in Repeaterstationen breitbandiger optischer

Anliegen von impulsförmigen Signalen einer Signal- Nachrichtensysteme auftretenden impulsförmigen Si-

quelle über eine in Flußrichtung gepolte Diode gnalen anzugeben, die geeignet ist, Datenflüsse in der

aufgeladen wird, die von Taktimpulsen einer Pumpquel- Größenordnung einiger Gigabit pro Sekunde zu

Ie derart angesteuert wird, daß über eine durch die verarbeiten und mit der eine optimale Auslastung der

Taktimpulse der Pumpquelle geöffnete Diodenstrecke 60 Übertragskapazität eines optischen Wellenleiters er-

durch einen in Sperrichtung der Speicherschaltdiode reichbar ist

fließenden Strom die dort durch einen dem Taktimpuls Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, vorangehenden Signalimpuls der Signalquelle angesam- daß mehrere Speicherschaltdioden (D₂₁... Du) vorgemelte elektrische Ladung abgebaut wird, und mit diesem sehen sind, die von impulsförmigen Signalen zugeordnein Sperrichtung fließenden Strom ein Lastwiderstand 65 ter Signalquellen (u_s\... Um) über in Flußrichtung beaufschlagt wird. gepolte Dioden (Du... Dm) aufladbar sind, die von Zur Übertragung ständig wachsender Nachrichten- zugeordneten Taktimpulsquellen (u_p\... up) derart mengen eignen sich insbesondere breitbandige optische ansteuerbar sind, daß die von Taktimpulsen ausgelösten