DE2720614B2 - Breitbandverstärker für Fotodioden - Google Patents

Breitbandverstärker für Fotodioden

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DE2720614B2 DE19772720614 DE2720614A DE2720614B2 DE 2720614 B2 DE2720614 B2 DE 2720614B2 DE 19772720614 DE19772720614 DE 19772720614 DE 2720614 A DE2720614 A DE 2720614A DE 2720614 B2 DE2720614 B2 DE 2720614B2
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Description

Zum Empfang von sehr schnellen Lichtsignalen im Frequenzbereich von 0 bis über 100 MHz, die beispielsweise von GaAs-Infrarotdioden oder Laseranordnungen ausgesendet werden, verwendet man als Empfänger geeignete Halbleiterfotodioden, Foto-PJN-Dioden, Fotolawinendioden und ähnliche Anordnungen. Zur Weiterverarbeitung dieser Signale werden Breitbandverstärker benötigt, die den besonderen Eigenschaften der Empfängerbauelemente angepaßt sind.
Aus der DE-AS 1122183 ist es bekannt einem Fotoelement das ohne Sperrspannung betrieben wird, einen Transistor in Basisschaltung nachzuschalten. Diese Fotoelemente haben aufgrund der relativ großen Diffusions-Kapazität eine kleine und zudem von der Beleuchtung abhängige Bandbreite.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Breitbandverstärker anzugeben, der einen möglichst kleinen dynamischen Eingangswiderstand aufweist Weiterhin muß der Verstärker sehr rauscharm sein, da die mit den Fotodioden empfangenen Signale meistens sehr schwach sind.
Ferner soll der Breitbandverstärker temperaturstabil sein und möglichst monolithisch integriert werden können. Der Frequenzbereich des Breitbandverstärkers soll möglichst groß sein und mindestens bis 100 MHz reichen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Breitbandverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst
Zwar ist in der Zeitschrift »Elektronik« 1976, Heft 1, S. 53—56 bekannt daß ein breitbandiger rauscharmer Verstärker verwendet werden soll, doch werden über den speziellen Aufbau dieses Verstärkers in der Veröffentlichung keine Angaben gemacht
Dagegen ist der erfindungsgemäße Breitbandverstärker optimal den Eigenschaften einer Fotodiode als Signalquelle angepaßt. Bei Verwendung von Foto-PIN-Dioden oder Fotolawinendioden und Hochfrequenztransistoren für die Verstärkerschaltung kann leicht eine Bandbreite von 100 MHz bei einer relativ hohen Verstärkung erreicht werden. Der Vorverstärker aus dem in Basisgrundschaltung geschalteten Transistor ist rauscharm, temperaturstabil und kann als symmetrischer Differenzverstärker in monolithisch integrierter Technik ausgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung kann mit einer oder auch mit zwei Versorgungsspannungen betrieben werden. An die Basis des Verstärkertransistors wird vorzugsweise zur Temperaturstabilisierung und zur Einstellung des Arbeitspunktes ein als Diode geschalteter weiterer Transistor angeschlossen, der zusammen mit seinem Kollektorwiderstand und seinem
Emitterwiderstand gleichstrommäßig parallel zu der Verstärkerschaltung geschaltet ist Wechselstrommäßig wird dieser zusätzliche Transistor vorzugsweise mit Hilfe einer Kapazität kurzgeschlossen.
An den in Basisgrundschaltung betriebenen ersten Verstärkertransistor ist eine weitere Verstärkerstufe angeschlossen. Um die Eingangskapazität dieser Verstärkerstufe gering zu halten, wird vorzugsweise eine Spannungsgegenkopplung und eine Stromgegenkopplung vorgesehen.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung.
In der F i g. 4 ist eine vorteilhafte Weiterbildung und in der F i g. 5 eine Modifikation der Verstärkerschaltung dargestellt
Die F i g. 6 und 7 zeigen die AusführuiTerscheidung gemäß den Fig.3 und 5 in Form von integrierbaren Differenzverstärkern.
In F i g. 8 ist eine Schaltung dargestellt, bei der die Transistoren mit Ausnahme von T4 komplementär zu denen der vorangegangenen Schaltungen sind.
Bei der Schaltung gemäß der F i g. 1 wird die Fotodiode D derart an ein Potential angeschlossen, daß sie in Sperrichtung betrieben wird. Dies geschieht dadurch, daß die Diode entweder mit einem Pol der Gleichstromversorgungsspannungsquelle (ί/οι) oder mit einem gesonderten Potential (L/02) verbunden wird. Mit ihrem anderen Anschluß ist die Fotodiode D an den Emitter E\ des Vorverstärkertransistors T2 angeschlossen. Dieser Transistor T2 ist ein Hochfrequenzverstärkertransistor und weist einen Emitterwiderstand Re2 und einen Kollektorkistwiderstand Rl auf. Die Reihenschaltung aus Kollektorlastwiderstand Rl. Kollektoremitterstrecke des Transistors 7} und Emitterwiderstand Re2 ist zwischen die Pole der Gleichspannungsquelle U01 geschaltet Die Basis des Transistors T2 ist mit der Basis und mit dem Kollektor eines weiteren Hochfrequenztransistors Ti verbunden, der gleichfalls einen Kollektorwiderstand R0 und einen Emitterwiderstand Rei aufweist Die Reihenschaltung aus Kollektorwiderstand Ro, der Basisemitterdiode des Transistors 71 und dem Emitterwiderstand Rm ist gleichstrommäßig parallel zum Vorverstärker geschaltet Wechselstrommäßig ist dieser Transistor jedoch unwirksam, da er über einen Kondensator G, der parallel zur Basisemitterdiode des Transistors 71 und dem Emitterwiderstand Rm Hegt kurzgeschlossen wird.
In der Fig.2 ist das Wechselstromsersatzschaltbild der Schaltung gemäß F i g. 1 wiedergegeben. Im Sperrzustand kann eine Fotodiode bezüglich ihres elektrischen Verhaltens durch eine Stromquelle K ersetzt werden. Ferner weist diese Fotodiode eine Eigenkapazität Cp auf. Die Fotodiode, die als Stromquelle wirkt prägt dem Emitter des Transistors T2 den Signalstrom Ip auf. Am Eingang der Basisgrundschaltung wirkt der Emitterwiderstand Ra parallel zum dynamischen Eingangswiderstand der Basisschaltung und die Eingangskapazität CE, während am Ausgang des Transistors 7} der Kollektorlastwiderstand Rl und eine Kapazität Ci. wirkt Die Kapazität Cl wird im wesentlichen durch die Kapazität der dem Ausgang A\ (F i g. 1) nachgeschalteten Schaltungsteile bestimmt.
Der Transistor 71 in F i g. 1 dient der Einstellung des Arbeitspunktes von T2 und zur Temperaturstabilisierung des gesamten Verstärkers. Ti und T2 bilden gleichstrommäßig eine Konstantstromquelie, die besonders bei integrierten Schaltungen vorteilhaft ist Diese Schaltung ist gegen Temperaturänderungen durch die Gegenkopplung über die Emitterwiderstände Rb und Ra und aufgrund der Gleichartigkeit der Transistoren Ti und Ti sehr stabil Da der Transistor Ti jedoch über die Kapazität Ci wechselstrommäßig kurzgeschlossen ist hat dieser Transistor keinen Einfluß auf die Verstärkung und Übertragung des Stromsignals Ip aus
ίο der Fotodiode. Das gleiche gilt bezüglich des Rauschens. Die Rauschquellen, die 71 und die Widerstände Rm und Ro darstellen, werden gleichfalls durch die Kapazität Ci kurzgeschlossen und sind somit unwirksam. Für die Einstellung der Emittergleichströme Im und Iq (F i g. 1) der beiden Transistoren gilt:
und
Ra = hu *
I/o, -
ΙΛ — "^T"
^O + RlCl
Die Dimensionierung und Einstellung des Arbeitspunktes ist somit bei der dargestellten Schaltung äußerst einfach.
Der Transistor T2 ist der eigentliche Verstärkertransiitor und arbeitet — wie bereits erwähnt — in Basisgrundschaltung.
jo Die Fotodiode wirkt als Stromquelle und prägt dem Emitter des Transistors T2 den Signalstrom //.ein. Dieser Signalstrom Ip wird etwas vermindert auf den Kollektor des Transistors 7"2 übertragen, da die Stromverstärkung der Basischaltung etwas kleiner als 1 ist Das am j-, Lastwiderstand Rl erzeugte Spannungssignai Ua stellt das Ausgangssignal des Verstärkers dar und ist um die Spannungsverstärkung
V =
R1.
R1Cl
größer als das Eingangssignal am Punkt E\
gleichphasig zu diesem.
4) Entscheidend für die Zeitkonstante der Basisgrundschaltung und damit für die obere Grenzfrequenz ist die Eingangskapazität und der Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung. Der dynamische Eingangswiderstand ist sehr klein und beträgt angenähert
UT
26 mV
Γ>·> Ist Iebeispielsweise 5 mA groß, so ergibt sich daraus ein dynamischer Eingangswiderstand von etwa 5 Ω. Wählt man nun Re2 sehr viel größer als den dynamischen Eingangswiderstand der Basisgrundschaltung, beispielsweise 100Ω, so hat dieser Emitterwiderstand einen vernachlässigbaren Einfluß auf die obere Grenzfrequenz des Verstärkers. Wirksam ist dann nur die dem dynamischen Eingangswiderstand parallel geschaltete Geramtkapazität aus der Eingangskapazität Ce des Verstärkers und der Kapazität Cp der Fotodiode. Das
fcr, Produkt des dynamischen Eingangswiderstandes mit dieser Gesamtkapazität bestimmt die Zeitkonstante am Eingang der Schaltung. Da die Kapazität der Fotodiode in der Regel kleiner ist als die Eingangskapazität des
Verstärkers, ist die Fotodiode mit einem Tiefpaß belastet, dessen obere Grenzfrequenz im wesentlichen nicht mehr von der Kapazität der Fotodiode, sondern von den Eingangsdaten, d. h. Kapazität und Widerstand des Verstärkers bestimmt wird.
Bei Verwendung von geeigneten Hochfrequenztransistoren lassen sich für den Eingangstiefpaß leicht Grenzfrequenzen von einigen hundert MHz erreichen. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß ein weiterer Tiefpaß, welcher gleichfalls die obere Grenzfrequenz des Verstärkers bestimmt, am Kollektor des Verstärkertransistors T2 durch den Lastwiderstand Rl und die Kapazität Cl gebildet wird. Cl wird dabei im wesentlichen von den Eingangskapazitäten der nachfolgenden
Um Cl, also die Kapazität des Ausgangstiefpasses kleinzuhalten, wird der Verstärkerstufe mit dem Transistor T2 vorzugsweise ein stromgegengekopp '-lter Transistor Tj nachgeschaltet, wie dies in der Fig.3 dargestellt ist Der Transistor T3 ist mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors T2 angeschlossen. Zugleich wird die Basiskollektorstrecke dieses Transistors Ts mit einem Stromgegenkopplungswiderstand Rr überbrückt Der Transistor T3 hat einen Kollektorwiderstand Rl und einen Emitterwiderstand Res, wobei die Reihenschaltung dieser Bauelemente zwischen die Pole der Versorgungsspannungsquelle geschaltet ist Das Ausgangssignal wird am Kollektor des Transistors Tj abgegriffen.
Dieser Transistor Tj bewirkt über den Widerstand Ra eine Spannungsgegenkopplung und über den Widerstand Rf eine Stromgegenkopplung. Gleichstrommäßig verschiebt dieser Transistor das Potential am Ausgang so weit nach unten, daß ohne weiteres eine nachfolgende Verstärkerstufe, beispielsweise ein Differenzverstärker, angeschlossen werden kann. Wechselstrommäßig ist der Transistor Ts durch die Doppelgegenkopplung ausgesprochen breitbandig und belastet mit einer sehr kleinen Kapazität Cl, die unter einem Pikofarad liegt, den Kollektor von T2. Für eine Vergrößerung der Verstärkung kann der Widerstand Λα in F i g. 3 durch eine Zenerdiode Zersetzt werden.
In den F i g. 4, 5, 7 und 8 sind Schaltungserweiterungen dargestellt bei denen die Fotodiode D an ein gesondertes Potential Us angelegt wird. Dies ist besonders bei Fotolawinendioden notwendig, die an eine Versorgungsspannung zwischen 50 bis 300 V angelegt werden müssen. Im übrigen entspricht die Schaltung der F i g. 4 im wesentlichen der Schaltung der F i g. 3. Das am Kollektor des Transistors Ti abgenommene Ausgangssignal wird über den Transistor Ta ausgekoppelt Der Emitterwiderstand RA des Emitterfolgers Ta, an dem das Ausgangssigna! abgegriffen wird, kann durch die Reihenschaltung aus < hier Zenerdiode und einem niederohmigen Widerstand Rz ersetzt werden. Die Widerstand Äzhat vorzugsweise die Größe von 50 Ω.
Die Schaltung in der F i g. 5 ist gegenüber der in der F i g. 4 dargestellten Schaltung dadurch erweitert, daß die Transistoren Tj und Ti zusammengeschaltet sind und so zwei weitere Verstärkerstufen bilden. Am Emitter von Ti wird dann das Ausgangssignal abgegriffen und über einen Emitterfolger Tj mit dem Emitterwiderstand R5 ausgekoppelt Bei der Schaltung gemäß der Fig.5 erfaßt die Stromgegenkoppelung durch den Widerstand Rf nicht nur den Transistor Ti sondern auch den Transistor Ti. Dies geschieht dadurch, daß Rf zwischen den Emitter des Transistors Ti und die Basis des Transistors Ts bzw. den Kollektor des Transistors T2 geschaltet ist. Der Vorteil dieser Schaltung gemäß der Fig.5 gegenüber der in der Fig.4 dargestellten Schaltung beruht darin, daß bei gleicher Bandbreite eine ί größere Verstärkung erzielt wird und die Temperaturstabilität verbessert wird. Die übrigen Eigenschaften bleiben in etwa gleich.
Die Schaltungen gemäß den F i g. 4 und 5 wurden mit npn-Transistoren aufgebaut. Es ist jedoch auch möglich, die gleichen Schaltungen mit pnp-Transistoren zu realisieren. Weiterhin kann die Schaltung sowohl aus npn-als auch aus pnp-Transistoren aufgebaut sein. Ein Beispiel dafür ist in der Fig.8 dargestellt Diese Schaltung entspricht der Schaltung gemäß der F i g. 5, nur daß jetzt die Transistoren Tj, T2 und Tj pnp-Transistoren sind, während für den Transistor Ti ein npn-Transistor eingesetzt ist Hierbei müssen dann die Widerstände Rl 3 und Ra, im Gegensatz zu der Schaltung nach F i g. 5, bei der Schaltung nach F i g. 8 mit dem gleichen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden werden. Der Vorteil der Schaltung gemäß F i g. 8 gegenüber der nach der F i g. 5 besteht darin, daß die Gleichspannung am Lastwiderstand Ra klein bleibt Damit kann man für Ra einen niederohmigen Widerstand einsetzen, ohne daß die Verlustleistung des Transistors Ti unzuässig groß wird. Ra hat beispielsweise einen Wert von 50 Ω. Bei Breitbandverstärkern für sehr hohe Frequenzen ist ein derart niederohmiger Lastwiderstand aus mehreren Gründen wichtig. Einmal erhält man eine reflexionsfreie Auskopplung des Signals, ferner können 50 Ω-Koaxialkabel angeschlossen werden oder man kann Kaskadeschaltungen aus mehreren Verstärkern ansteuern.
In der Fig.6 ist die Schaltung entsprechend der Fig.3 als symmetrischer Differenzverstärker ausgeführt. In der F i g. 6 gehört daher zum Verstärker aus den Transistoren T2 und T3 und den Widerständen Rl3, Rb und Rf die symmetrische Anordnung aus den Transistoren Tj und Ts und den gleichwertigen Kollektor- und Emitterwiderständen. Hierbei können die Emitterelektroden der Transistoren T3 und T5 zusammengeschaltet und mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand Res verbunden werden. Zwischen den Ausgängen A1 und A2 an den Kollektoren der Transistoren Tj und Tj erhält man ein erdfreies Ausgangssignal. Um die Vorteile und Möglichkeiten von Differenzverstärkern ausnutzen zu können, müssen die Transistoren T1, T2 und T7 und in der Fig.6 die zusätzlichen Transistoren Tj und Ts in ihren Parametern genau übereinstimmen.
In der F i g. 7 ist die Schaltung gemäß der Fi g. 5 als Differenzverstärker ausgeführt Zu den Transistoren T2, Tj und Ti gehören somit die symmetrisch angeordneten Transistoren Ts, Te und Tj, wobei die beiden Transistoren T2 und T7 eine gemeinsame Basis haben und somit einen basisgekoppelten Differenzverstärker darstellen. Um die Basiskopplung zu gewährleisten, wird die Kapazität Ci am Emitter von Ti angeschlossen oder ganz weggelassen. In gleicher Weise kann auch bei der Schaltung nach F i g. 6 verfahren werden. In der zweiten Stufe bilden die Transistoren Tj und T5 mit dem gemeinsamen Emitterwiderstand Res einen emittergekoppelten Differenzverstärker. Die Transistoren 71 und T6 haben gleiche Emitterwiderstände Ra- Die Ausgänge Ai und A2 hegen an den Emitteranschlüssen der Endstufentransistoren Ti und Te, von denen die Gegenkopplungswiderstände Rf zu den Kollektoren der Eingangstransistoren Ti und Tj abgehen.
Ein zweiter Eingang wird somit über den Emitteranschluß des Transistors Ti gewonnen. Der Verstärker hat dann zwei symmetrische invertierenden Eingänge E\ und Ei sowie Ausgänge A\ und Ai und kann sowohl mit einer als auch mit zwei Versorgungsspannungen betrieben werden.
Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene Verstärkerschaltung unterschiedlich dimensioniert und den Bedürfnissen entsprechend abgewandelt werden kann. Bei den dargestellten Schaltungsbeispielen ging es darum, Verstärkerschaltungen anzugeben, die rauscharm und möglichst breitbandig sind.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Breitbandverstärker für lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, bei dem dem Halbleiterbauele- ment ein Verstärkertransistor in Basisgrundschaltung nachgeschaltet ist, der einen Ideinen dynamischen Eingangswiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement eine in Sperrichtung vorgespannte Fotodiode und der Verstärkertransistor (T2) ein Hochfrequenztransistor ist.
2. Breitband-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Eingangswiderstand klein ist gegenüber dem Emitterwider- stand (Äe) des Verstärkertransistors (T2).
3. Breitband-Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (D) in Sperrichtung betrieben wird und mit einem Pol an den Emitter des in Basisgrundschaltung betriebenen Verstärkertransistors (T2) angeschlossen ist, während der andere Pol mit der Versorgungs-Gleichspannungsquelle der Schaltung oder mit einem gesonderten Gleichspannungspotential verbunden !St
4. Breitband-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des Verstärkertransistors (T2) ein dessen Arbeitspunkt bestimmender und als Diode geschalteter weiterer Transistor 7Ί angeschlossen ist, der mit seinem Emitterwiderstand (Rm) und seinem Kollektorwiderstand (A0) gleichstrommäßig parallel zum Verstärker (T2, Ra, Rl) geschaltet ist.
5. Breitband-Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor 71 und sein Emitterwiderstand (Re\) durch einen parallel geschalteten Kondensator (Ci) wechselstrommäßig überbrückt ist
6. Breitband-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kollektor des Verstärkertransistors T2 eine weitere Verstärkerstufe mit einem Transistor T3 angeschlossen ist der über einen Kollektorlastwiderstand (Ru) bzw. einen Emitterwiderstand (Res) an die Pole der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist.
7. Breitband-Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromgegenkopplung der Kollektor des Transistors Ts über einen Widerstand (Rf) mit seiner Basiselektrode und mit der Kollektorelektrode des Verstärkertransistors T2 verbunden ist
8. Breitband-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal am Kollektor des Endstufentransistors (T3) abgegriffen und über einen Emitterfolger ( Ta) ausgekoppelt wird.
9. Breitband-Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwiderstand (Ra) des Emitterfolgers (T4) durch die Reihenschaltung eines bo niederohmigen Widerstandes (Rz) und einer Zenerdiode (Zj ersetzt wird.
10. Breitband-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stromgegenkoppelnde Widerstand (Rf) zwi- b5 sehen die letzte Verstärkerstufe und die Kollekiiorelektrode des in Basisgrundschaltung betriebenen Verstärkertransistors T2 geschaltet ist.
11. Breiiband- Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als symmetrischer Differenzverstärker ausgebildet ist
12. Breitband-Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung monolythisch in einem Halbleiterkörper integriert ist
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