DE2504274B2 - Dioden-Differenzverstärker - Google Patents

Description

den Pfad zwischen Pumpquelle P und Last L an Tor A frei, so daß die hohen Pumpströme durch die Last fließen können und eine Verstärkung der geringen Signalströme erreicht wird. Entsprechend der Beziehung

^ Qs,

(D

worin Ql die durch die Last fließende Ladung bedeutet, ist bei hoben Pumpströmen die Pulsdauer an der Last kürzer als die des Signals am Eingang D.

Eine mögliche technische Realisierung der Schaltung nach Fig. 1 ist in Fig.3 dargestellt Als magisches T wurde ein 180°-Hybrid mit einer Bandbreite von 2 MHz bis 2 GHz benutzt

Dieses Hybrid ist in Streifenleitungstechnik mit Leitungen auf einem dielektrischen Träger aufgebaut Die charakteristische Impedanz ist 50 Ohm. Durch die Impedanzen an den Eingängen C und P erfolgt die Wellenführung derart, daß die Eingänge B und A voneinander isoliert sind bei gleichen Impedanzen und gekoppelt sind bei stark ungleichen Impedanzen. Für die Isolation / zwischen den Eingängen B und A läßt sich der Ausdruck

/[dB] = 6+ 20 log

(2)

angeben, worin Qc und Qd die jeweiligen Reflexionsfaktoren bedeuten.

Der Eingang B des Hybrids ist mit einem Sinusgenerator als Pumpquelle P und Eingang A mit einer 50 Ohm-Last beschaltet. An den restlichen Eingängen C und Ό befinden sich die Speicherschaltdioden vom PIN-Typ und an Tor D außerdem noch eine Signalquelle 5. Zusätzliche Netzwerke zum Einstellen von Vorspannungen (z.B. zur Rauschanpassung durch geeignete Wahl der Vorspannung und damit der Impedanz der Speicherschaltdiode an die Fotodiode) und zum Ebnen der Grundlinie des Ausgangsimpulses sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Im Laborversuch bei einer Bitrate von etwa 300 MBit/s wurde mit einer minimalen Signalspannung von etwa 2 mV an der vorgespannten Diode bereits eine Spannungsverstärkung von etwa 5 bei einer Pumpspannungsamplitude von ungefähr 1,5 V_M erzielt. Weder in bezug auf die Bitrate noch auf die Höhe der Spannungsverstärkung ist mit diesen ersten Werten das Optimale erreicht. Je nach Ausführung des magischen T, der Bauweise der Speicherschaltdioden und der Ausführung der übrigen Schaltung werden sich offensichtlich wesentlich höhere Bitraten (Gbit/s-Bereich) mit höheren Verstärkungen erzielen lassen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 4 gezeigt, das besonders geeignet ist für eine Anwendung in einem Laser-Glasfaser-Fotodiode-Nachrichtensystem. Die entsprechend zusätzlich beschaltete und gegebenenfalls vorgespannte Foto-PIN-Diode am Eingang D des magischen T kann, wenn sie von einem optischen Signal getroffen wird, mit einer Ladung beaufschlagt werden. In einer anschließenden Pumpphase kann dann die optisch hervorgerufene Differenzladung zwischen den Fotodioden in der beschriebenen Weise wieder Ursache für einen Ausgangsimpuls und eine Verstärkung sein.

ίο Vorausgesetzt ist dabei, daß die Foto-PIN-Diode bei der Bestrahlung einen deutlichen Speichereffekt und im Anschluß daran einen ausgeprägten Schalteffekt beim Übergang in den sperrenden Zustand zeigt Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Dioden-Differenzverstärkers gegenüber den bekannten Vorschlägen zur Basisband-Regenerierur.g digitaler Signale hoher Folgefrequenz lassen sich wie folgt zusammenfassen.

1. Gegenüber breitbandigen Transistorverstärkern wird

a) durch den Einsatz von Speicherschaltdioden auf wesentlich einfachere Weise ein sehr hohes Verstärkungs-Bandbreite-Produkt erreicht und

b) neben der Pulsverstärkung gleichzeitig eine Regeneration der Pulsform und des Flankenzeitpunktes erzielt.

2. Gegenüber dem bisher bekannten Konzept eines Diodenverstärkers wird

a) durch die Bewertung von Differenzladungen die Möglichkeit zur Verstärkung sehr schwacher Signale geschaffen, ohne daß eine vorhandene Grundladung auf der Diode stört

b) durch den Wegfall von Schottkydioden zur Steuerung von Signal- und Pumpenergie eine wesentliche Vereinfachung der Schaltung erreicht,

c) im Dioden-Differenzverstärker ein symmetrischer Schaltungsaufbau vorgeschlagen, was in schaltungstechnischer Hinsicht vorteilhaft ist

d) durch die Anwendung von Differenzladungen zur Verstärkung die Möglichkeit geschaffen, eine erwünschte Grundladung auf jede Diode zu geben und Arbeitspunkte und Impedanzen nach Wunsch einzustellen, was für die Rauschanpassung z. B. an eine Fotodiode wichtig ist,

e) durch die guten »Isolationseigenschaften« des magischen T ein »Nichtdurchschlagen« der Pumpspannung erreicht,

f) der Ausgangsimpuls in seiner Anstiegs- und Abfallflanke durch Schaltflanken von Speicherschaltdiode bestimmt,

g) größere Unabhängigkeit der Schaltung von Temperaturschwankungen erzielt (wie bei einem Differenzverstärker mit Transistoren).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

wieder entladen. Dabei müssen Signal- und Pumpweg Patentansprüche: bzw. Lastweg durch schnelle Schottkydioden eindeutig geschaltet werden.

1. Dioden-Differenzverstärker für elektrische Außerdem ist von CF. Vasile in dem Aufsatz Signale, vorzugsweise pulscodemodulierte Basis- 5 »Method of Generating Subnanosecond Pulses« in Proc. bandimpulse geringer Amplitude und hoher Bitrate, IEEE (Letters) 54,335 (1966) ein vielseitiger Pulsgeneradadurch gekennzeichnet, daß an zwei tor hoher Pulsfolgefrequenz beschrieben worden, der gegenüberliegenden Eingängen (Q D) von einem mit Speicherschaltdioden an einem magischen T breitbandigen magischen T (180°-Hybrid) jeweils arbeitet Dabei sind die beiden Dioden jedoch nur mit Speicherschaltdioden (SSDi, SSD2) angeschaltet 10 unterschiedlichen Vorspannungen betrieben; es ist sind, die beide eine Grundladung tragen, von denen weder an eine dynamische Ansteuerung einer Diode jedoch eine zusätzlich mit dem zu verstärkenden noch an einen Verstärker gedacht

Signalimpuls beaufschlagt wird, und daß sich an den Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe beiden anderen Eingängen (A, B) des magischen T gestellt unter Ausnutzung der bekannten Schalteigeneine Pumpimpulsquelle (P) bzw. eine Last (L) 15 schäften von Speicherschaltdioden ein einfaches Verbefinden, wobei die Pumpimpulse gegenüber den fahren zur Basisband-Regenenerung digitaler Signale Signalimpulsen zeitlich derart verschoben sind, daß geringer Amplitude (z. B. wenige mV) bezüglich ihrer in die Pavsen zwischen zwei unmittelbar aufeinan- Form und ihrer ursprünglichen Amplitude anzugeben,
dcrfolgenden Signalimpulsen nur ein Pumpimpuls Erfindungsgemäß wird dies durch die im Hauptanfällt, der die Ladung der Speicherschaltdiode mit 20 spruch angegebene Schaltung verwirklicht
einem hohen Rückwärtsstrom absaugt, und daß In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausfühzwischen den Augenblicken des Schaltens der rungsformen dieser Schaltung beschrieben,
beiden Dioden (SSD 1, SSD 2) vom leitenden in den Die bevorzugte Anwendung einer Schaltung gemäß sperrenden Zustand der hohe Pumpstrom durch die der Erfindung ist in einem schnellen Repeater für Last fließt 25 digitale Nachrichtenstrecken mit sehr hohen Bitraten

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn- (z. B. uBit/s) gegeben. Solch ein Nachrichtensystem ist zeichnet, daß die eine Speicherschaltdiode (SSD 1) beispielsweise das Laser-Glasfaser-Fotodiode-Nachdurch eine Fotodiode angesteuert wird. richtensystem. Die von einer Lawinen-Fotodiode als

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn- optischem Empfänger abgegebenen Spannungsimpulse zeichnet daß zur Rauschanpassung an die Fotodiode 30 können von einem derartigen Dioden-Differenzverstärmit Hilfe der Vorspannung an der Speicherschalt- ker mit Speicherschaltdioden als Eingangsverstärker diode (SSD 1) deren Impedanz geeignet eingestellt eines Repeatersystems zunächst vorverstärkt werden, wird. um dann leichter durch andere Schaltungsvarianten

4. Verstärker nach Ansprach 1, dadurch gekenn- weiter aufbereitet zu werden.

zeichnet daß die eine Speicherschaltdiode (SSD 1) 35 In der F i g. 1 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen

durch eine Foto-PIN-Diode verwirklicht wird, die Schaltung in ihren wesentlichen Elementen aufgezeich-

mit dem optischen Signal beaufschlagt ist net Ein breitbandiges magisches T (180°-Hybrid) mit

den vier Eingängen A, B, C und D steht im Mittelpunkt

der Schaltung. Es hat die Eigenschaft zwischen den

40 Eingängen A und B durchzuschalten, wenn die Impedanzen an den Eingängen C und D wesentlich

Die Erfindung betrifft einen Dioden-Differenzver- verschieden sind. Die Eingänge Cund D tragen jeweils stärker für elektrische Signale, vorzugsweise pulscode- eine Speicherschaltdiode SSD1 bzw. SSD 2, die modulierte Basisbandimpulse geringer Amplitude mit geeignet in den Flußbereich vorgespannt sind und hohen Bitraten. Zur Basisband-Regenerierung digitaler 45 deshalb die gleiche Grundladung Qo tragen. Die Signale mit der hier interessierenden hohen Bitfolge Signalquelle ^steuert die eine Speicherschaltdiode 1 der eignen sich prinzipiell eine Reihe bekannter Schaltungs- beiden in ihren elektrischen Eigenschaften möglichst entwürfe, die zum Teil praktisch realisiert wurden. identischen Speicherschaltdioden an. Zu der in der Dabei handelt es sich u. a. um breitbandige Transistor- Speicherschaltdiode 1 gespeicherten Grundladung Qo verstärker, wie sie z. B. in dem Aufsatz »Kettenverstär- 50 kommt während des Anliegens einer Signalspannung ker mit bipolaren Transistoren in Basisschaltung« von S. eine »Signalladung« Qs hinzu. Qb ist so zu wählen, daß Schlosser in der Zeitschrift AEÜ, Band 27, 314 (1973) Qs/Qo einen Mindestwert nicht unterschreitet An beschrieben wurden. Eingang B ist eine Pumpquelle P (Sinus- oder besser Ferner ist bereits durch den Vortrag von R. Schwarte Pulsgenerator) geschaltet Entscheidend ist nun, daß »Ein neues Verfahren zur Basisband-Regenerierung 55 z. B. im Falle eines Pulsgenerators dessen Pulsfolgefredigitaler Signale im GBit/s-Bereich, DFG Kolloquim quenz sowie die Breite und Phasenlage der Pumpimpul- »Digitale Nachrichtenübertragung«, Braunschweig vom se so gewählt werden, daß ein Pumpimpuls zeitlich 23. — 24. 9. 74 eine Seriensamplingleitung zur Signaire- genau in die Pause zwischen zwei unmittelbar generation besprochen worden. aufeinander folgende Signalimpulse fällt (Entkopplung Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht in einem 60 von Signal- und Pumpquelle), wie in F i g. 2 dargestellt Diodenverstärker mit Speicherschaltdioden, wie er z. B. Durch einen Pumpimpuls werden dann durch gleichgrovon H.-W. Kaufmann in dem Aufsatz »Semiconductor ße Rückwärtsströme in den Zweigen Cund D die in den Diode Amplifier-Consideration« in IRE Conv. Rec. 4, Speicherschaltdioden gespeicherten Ladungen abge-(1955) beschrieben wurde. Bei diesen bekannten pumpt Aufgrund der Ladungsdifferenz zwischen den Diodenverstärkern mit Speicherschaltdioden wird eine 65 beiden Speicherschaltdioden schalten diese nacheinaneinzige Speicherschaltdiode zunächst über einen Signal- der (Speicherschaltdiode 1 z.B. später als Speicherpfad mit einer Signalladung aufgeladen und anschlie- schaltdiode 2) vom niederohmigen in den hochohmigen Bend über einen Lastpfad mit einem hohen Pumpstrom d. h. sperrenden Zustand und geben damit kurzzeitig