DE2811726C2

DE2811726C2 - Empfänger für Lichtimpulse

Info

Publication number: DE2811726C2
Application number: DE19782811726
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dipl.-Ing. 8190 Wolfratshausen Vollnhals
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1980-03-20
Also published as: DE2811726B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger für Lichtimpulse mit einer lichtempfindlichen Diode und einer an diese angekoppelten Verstärkeranordnung.

Durch die Entwicklung dämpfungsarmer Gläser und daraus hergestellter dämpfungsarmer Lichtwellenleiter ergibt sich die Möglichkeit, in impulsförmiger Form vorliegende Nachrichten optisch zu übertragen. Die Länge der Übertragungsstrecke hängt dabei neben der durch Lebensdaueranforderungen begrenzten Strahlungsleistung von Sendedioden von der Dämpfung des verwendeten Lichtwellenleiters und vom Empfängerrauschen des Fotoempfängers ab. Verbesserungen im Hinblick auf eine größere Streckenlänge sind neben der Verringerung der Streckendämpfung insbesondere durch Verwendung rauscharmer Fotodioden und eines entsprechend rauscharmen Empfängers möglich.

Aus der »Internationale Elektronische Rundschau«, 1968, Nr. 3, Seiten 74 und 75, sind, beispielsweise aus deren Bild 2, Fotodiodenempfänger bekannt, die zwei mittels pnp-Transistoren aufgebaute Verstärkerstufen enthalten. Aus dem genannten Stand der Technik geht hervor, daß eine PIN-Fotodiode eiae Stromquelle ist, deren extrem hoher Innenwiderstand in der Größenordnung von 10 GOhm liegt und der eine Parallelkapazität von 2 bis 5 pF parallel geschaltet ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Verstärkeranordnung anzugeben, die zur rauschoptimalen Auskopplung und Verstärkung der von der PIN-Fotodiode abgegebenen elektrischen Signale einen möglichst hohen Eingangswiderstand und daneben ein möglichst kleines Eigenrauschen aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verstärkeranordnung aus wenigstens zwei Verstärkerstufen besteht, daß die erste Verstärkerstufe einen ersten Feldeffekttransistor enthält und der Drain-Ruhestrom des ersten Feldeffekttransistors durch einen Stromkonstanter als Source-Widerstand bestimmt wird, daß die Wirkung des Stromkonstanters wechselstrommäßig durch Überbrückung mit einer ausreichend großen Kapazität verringert wird, daß die Drain-Source-Ruhespannung des ersten Feldeffekttransistors durch einen Spannungskonstanter als Drain-Widerstand bestimmt wird und die wirksamen reellen Widerstände des Spannungskonstanters sehr hochohmig sind, daß die Funktion des Spannungskonstanters wechselstrommSßig durch Zufügen einer ausreichend großen Kapazität am Regelort aufgehoben

und in die eines Strom konstanters überführt wird und daß die zweite Verstärkerstufe einen weiteren Feldeffekttransistor enthält. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß es für die frequenzlineare Verstärkung breitbandiger Signale notwendig ist, den Drain-Widerstand eines eingangsseitig angeordneten Feldeffekttransistors so groß zu tvählen, daß eine zweite Feldeffekttransistorstufe rauschoptimal bei ausreichender Verstärkung angekoppelt werden kann. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungranordnung liegt darin, daß zwar der wechselstrommäßig wirksame Drain-Widerstand der ersten Feldeffekttransistorstufe sehr hochohmig ist, daß aber die Versorgungsspannung den für den Feldeffekttransistor zulässigen Einschaltwert nicht überschreitet.

Um im interessierenden Übertragungsbereich eine möglichst frequenzlineare Verstärkung zu erreichen, ibt es zweckmäßig, daß die verwendeten Feldeffekttransistoren eine möglichst kleine Gate-Source-Kapazität aufweisen.

Um dabei eine möglichst hohe Verstärkung zu erreichen, sollte bei den verwendeten Feldeffekttransistoren das Verhältnis zwischen Gate-Source-Kapazität zur Drain-Gage-Kapazität möglichst groß sein.

Eine zweckmäßige Ausführungsform des Fotoempfängers nach der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die wirksamen reellen Widerstände des Spannungskonstanters im Bereiche einiger 10' Q liegen.

Weitere zweckmäßige Ausführungsformen des Fotoempfängers nach der Erfindung sind in den Patentansprüchen 5, 6 und 7 beschrieben.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild der Eingangsstufe eines Fotodiodenempfängers nach der Erfindung, und

Fig. 2 einen ausgeführten Fotodiodenempfänger.

Die in der Fig. 1 dargestellte Eingangsstufe eines Fotodiodenempfängers enthält eine PIN-Fotodiode FD, der ein optisches Signal So zugeführt wird. Der Anodenanschluß der Fotodiode FD ist mit dem Anschluß für die positive Betriebsspannung + Ub verbunden, während die Kathode mit dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors FET und über einen Widerstand R mit Bezugspotential verbunden ist. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors FET ist über einen Stromkonstanter Stk mit Bezugspotential verbunden, wobei der Stromkonstanter durch eine ausreichend grcße Kapazität Cs überbrückt ist. Durch diesen Stromkonstanter wird der Drain-Ruhestrom des Feldeffekttransistors bestimmt. Der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors ist über einen Koppelkondensator Ck mit dem Ausgangsanschluß für das elektrische Signal Se und über einen Spannungskonstantlr Spk i'iit dem Anschluß für die positive Betriebsspannung + Ub verbunden. Der Spannung;;-konstanter enthält eine ausreichend große Kapazität, durch diQ die Wirkung des Spannungskonstanteirs wechselstrommSßig aufgehoben und in die eines Stromko^stantei-s überführt ist. Dadurch ergibt sich für WecPSelsign&le ein sehr hoher Widerstand, der in der Größenordnung einiger 10* Ohm liegt und als Arbeitswidi-rstand für den Feldeffekttransistor FET wirkt. Da die dem Spannungskonstanter zugefügte Kapazität gleichstrommäßig nicht wirksam ist, ergibt sich ein gegenüber dem Wechselstromwiderstand vergleichsweise niedriger Gleichstromwiderstand des Spannungskonstanters, so daß die Betriebsspannung

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+ Ub keinen hohen Wert annehmen muß und die für den Feldeffekttransistor zulässigen Einschaltwerte der Betriebsspannung nicht überschritten werden.

Der in der Fig. 2 dargestellte Fotodiodenempfänger enthält zusätzlich zu der in der Fig. 1 dargestellten Eingangsstufe eine weitere, ebenfalls mit einem Feldeffekttransistor bestückte Verstärkerstufe, die das eigentliche Ausgangssignal erzeugt. Der Fotodiodenempfänger nach der Fig. 2 enthält eine die optischen Signale So aufnehmende PIN-Fotodiode FDl, deren Anodenanschluß mit der positiven Betriebsspannung + Ub und deren Kathodenanschluß mit dem Gate-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors FETl und über einen Widerstand RO mit Bezugspotential verbunden ist. Der Drain-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors FETl ist über den Koppelkondensator CS mit dem Gate-Anschluß eines zweiten Feldeffekttransistors FETl und außerdem über den Spannungskonstanter Spjfcmitder Betriebsspannung Ub verbunden. Der Spannungskonstanter Spk enthält einen ersten und einen zweiten pnp-Transistor 71, 72, wobei der Basisanschluß des ersten pnp-Transistors Tl über eine aus einem impedanzarmen Kondensator und einem Kondensator großer Kapazität gebildete Kondensatoranordnung Cl mit dem Anschluß für die Betriebsspannung verbunden ist. Durch den aus den beiden Widerständen Rl und R2 gebildeten Basisspannungsteiler wird die Basis vorspannung des Transistors 71 eingestellt, während der Kollektoranschluß des Transistors mit Bezugspotential und der Emitteranschluß über einen Widerstand mit parallelgeschaltetem Kondensator mit dem Anschluß für die Betriebsspannung und außerdem mit dem Basisanschluß des zweiten pnp-Transistors Tl verbunden ist. Der Emitteranschluß dieses zweiten Transistors ist über einen Widerstand an den Anschluß für die positive Betriebsspannung + UB geführt, während der Kollektoranschluß dieses Transistors mit dem Drain-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors FETi verbunden ist, so daß die Transistorstrecke des Transistors Tl in Reihe mit dem vierten Widerstand A4 den Lastwiderstand des Feldeffekttransistors FETX darstellt.

Der Source-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors FZ71 ist über den dritten Kondensator C3 mit Masse und außerdem mit dem Kollektoranschluß eines dritten Transistors 73 vom npn-Typ verbunden, dessen Emitteranschluß über einen fünften Widerstand RS und dessen Basisanschluß über die Parallelschaltung eines vierten Kondensators CA und eines sechsten Widerstandes 6 mit Bezugspotential und über einen siebten Widerstand 7 mit dem Anschluß für die positive Betriebsspannung verbunden ist, so daß sich dadurch ein Stromkonstanter zur Einspeisung eines Stromes in den ersten Feldeffekttransistor zur Bestimmung des Drain-Ruhestroms dieses Feldeffekttransistors ergibt.

Durch den hohen Widerstand des Spannungskonstanters ergibt sich eine optimale Anpassung hinsichtlich Verstärkung und Rauschen der den zweiten Feldeffekttransistor enthaltenden zweiten Verstärkerstufe. Der mit dem Koppelkondensator CS verbundene Gate-Anschluß des zweiten Feldeffekttransistors FET2 ist über einen achten Widerstand Ä8 mit Berugspotential verbunden, während der Drain-Anschluß dieses Transistors über einen neunten Widerstand ÄS· mit dem Anschluß für die positive Betriebsspannung und mit dem Anschluß für das Ausgangssi-

gnal A verbunden ist. Der Sourceanschluß dieses Transistors ist mit einem zweiten Stromkonstanter verbunden, der durch den sechsten Kondensator C6 wechselstrommäßig überbrückt ist und durch den Transistor 74 mit zugeschalteten passiven Bauelementen gebildet wird. Der Aufbau dieses Stromkonstanters entspricht dem der ersten Stufe. Zusätzlich ist jedoch zwischen den Kollektoranschluß des Transistors 74 und Bezugspotential die Reihenschaltung eines siebten Kondensators C7 und eines zehnten Widerstandes Ä10 zur Erzeugung einer frequenzabhängigen Gegenkopplung eingefügt.

Die vom Drain-Anschluß des zweiten Feldeffekttransistors FETT, abgegebenen Ausgangssignale A können direkt weiteren Einrichtungen zur Signalverarbeitung zugeführt werden, zur Pegelanpassung ist gegebenenfalls die Einschaltung einer weiteren, mittels eines bipolaren Transistors aufgebauten Verstärkerstufe zweckmäßig.

Durch die günstige Anpassung der zweiten Verstärkerstufe des Fotodiodenempfängers ergibt sich insgesamt eine hohe Verstärkung und ein vergleichsweise geringes Verstärkerrauschen, das im wesentlichen durch das Rauschen der ersten Stufe bestimmt ist. Die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe ist praktisch nur noch durch das Verhältnis der Gate-Source-Kapazität zur Drain-Gate-Kapazität auf Grund der sich ergebenden kapazitiven Rückkopplung bestimmt und dadurch im interessierender Übertragungsbereich frequenzlinear.

Der Fotodiodenempfänger konnte an einer Betriebsspannung von 24 Volt betrieben werden, dabei > ergaben sich zweckmäßige Widerstandswerte für der ersten und den zweiten Widerstand Rl, Rl zu je 2 MOhm, für den dritten Widerstand R3 zu 68 kOhm und für den vierten Widerstand A4 zu 2,7 kOhm. während der Widerstand RO einen Wert vor in 10 MOhm aufwies.

Zusammenfassung
Empfänger für Lichtimpulse

Empfängeranordnung mit einer PIN-Fotodiode mii '.") nachgeschaltetem zweistufigen FET-Verstärker, wo bei der Drain-Ruhestrom des Eingangs FET durch einen kapazitiv überbrückten Stromkonstanter unc dessen Drain-Source-Ruhespannung durch einer Spannungskonstanter mit zusätzlichem Speicherkon -'Ii densator bestimmt wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer hinsichtlich Verstärkung und Rauscher optimalen Anpassung der zweiten Verstärkerstufe, se daß das Gesamtrauschen der Empfängeranordnuni durch das Rauschen der Fotodiode und das Rauscher -Ι der Eingangsstufe bestimmt wird. Die Anwendung eines derartigen Empfängers erfolgt bei der Ubertra gung von PCM-Signalen mit hoher Bitrate über Lichtwellenleiter größerer Länge (Fig. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Empfänger für Lichtimpulse mit einer lichtempfindlichen Diode und einer an diese angekoppelten Verstärkeranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung aus wenigstens zwei Verstärkerstufen besteht, daß die erste Verstärkerstufe einen ersten Feldeffekttransistor (FET) enthält und der Drain-Ruhestrom des ersten Feldeffekttransistors durch einen Stromkonstanter (Stk) als Source-Widerstand bestimmt wird, daß die Wirkung des Strcmkonstanters wechselstrommäßig durch Überbrückung mit einer ausreichend großen Kapazität verringert wird, daß die Drain-Source-Ruhespannung des ersten Feldeffekttransistors durch einen Spannungskonstanter (Spk) als Drain-Widerstand bestimmt wird und die wirksamen reellen Widerstände des Spannungskonstanters sehr hochohmig sind, daß die Funktion des Spannungskonstanters wechselstrommäßig durch Zufügen einer ausreichend großen Kapazität am Regelort aufgehoben und in die eines Stromkonstanters überführt wird und daß die zweite Verstärkerstufe einen weiteren Feldeffekttransistor enthält.

2. Empfänger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Feldeffekttransistoren eine möglichst kleine Gate-Source-Kaparität (Cg) aufweisen.

3. !Empfänger nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den verwendeten Feldeffekttransistoren das Verhältnis zwischen Gate-Source-Kapazität (Cg) zur Drain-Gate-Kapazität (Cg) möglichst groß ist.

4. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen reellen Widerstände des Spannungskonstanters in Bereiche einiger ΙΟ⁶ Ω liegen.

5. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskonstanter einen ersten und einen zweiten pnp-Transistor (Tl, Tl) enthält, daß der Basisanschluß des ersten pnp-Transistors ( 71) über einen ersten hochohmigen Widerstand (Al) mit dem Drain-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors (FETV) und über eine Parallelschaltung eines ersten Kondensators und einen zweiten hochohmigen Widerstandes (Rl) mit dem Betriebsspannungsanschluß und mit dem einen Anschluß der Fotodiode verbunden ist, daß der Kcillektoranschluß des ersten pnp-Transistors

(71) mit Bezugspotential und der Emitteranschluß über einen dritten Widerstand (Λ3) und einen zweiten Kondensator (Cl) mit dem Betriebsspannungsanschluß und außerdem direkt mit dem Basisanschluß des zweiten pnp-Transistors

(72) verbunden ist, dessen Kollektoranschluß mit dem D rain-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors (,FETl) und dessen Emitteranschluß über einen vierten Widerstand mit eiern Betriebsspannungssmschluß verbunden ist und daß der Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors mit dem anderen Anschluß der Fotodiode verbunden ist.

6. Eimpfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom konstanter einen dritten Transistor (T) vom npn-Typ enthält, daß der Basisanschluß dieses Transistors (73) mit dem

Mittelpunkt eines zwischen Bezugspotential und Betriebsspannung geschalteten Basisspannungsteilers und über einen vierten Kondensator (C4) mit Bezugspotential verbunden ist, daß der Emitteranschluß dieses Transistors über einen fünften Widerstand (RS) mit Bezugspotential und der Kollektoranscbluß dieses Transistors über einen dritten Kondensator (C3) mit Bezugspotential und außerdem mit dem Source-Anschluß des ersten Feldeffekttransistors (FET) verbunden ist.

7. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Source-Anschluß des zweiten Feldeffektransistors (FET2) ein weiterer Stromkonstanter verbunden ist.