DE3204839C2 - Photodiode amplifier with a large dynamic range - Google Patents
Photodiode amplifier with a large dynamic rangeInfo
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Abstract
Lichtwellenleiterstrecken enthalten in bestimmten Abständen eingesetzte Zwischenverstärkerstationen, in denen die Lichtsignale in elektrische Signale umgeformt und erneut verstärkt werden. Da die von der Lichtwellenleiterstrecke abgegebene Lichtleistung vergleichsweise sehr gering ist und außerdem in einem gewissen Bereich schwanken kann, wird ein entsprechender Verstärker vorgeschlagen, dessen Verstärkungsgrad in Abhängigkeit von einer extern angelegten Steuerspannung veränderbar ist. Der Aufbau des Verstärkers erfolgt mittels zweier Verstärkerstufen, wobei dem Kollektorwiderstand der ersten Verstärkerstufe eine Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors parallelgeschaltet ist, so daß der wirksame Kollektorwiderstand und damit die Verstärkung in Abhängigkeit von der der am Gateanschluß des Feldeffekttransistors anliegenden Spannung veränderbar ist. Die Erfindung wird insbesondere in den Eingangsverstärkern von Lichtwellenleiterstrecken eingesetzt.Optical fiber lines contain repeater stations inserted at certain intervals, in which the light signals are converted into electrical signals and amplified again. Since the light output emitted by the optical waveguide section is comparatively very low and can also fluctuate within a certain range, a corresponding amplifier is proposed, the gain of which can be changed as a function of an externally applied control voltage. The amplifier is built up using two amplifier stages, with a drain-source path of a field effect transistor connected in parallel with the collector resistance of the first amplifier stage, so that the effective collector resistance and thus the gain can be varied as a function of the voltage applied to the gate terminal of the field effect transistor. The invention is used in particular in the input amplifiers of optical waveguide lines.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung zum Anschluß an ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere eine Fotodiode, mit zwei Verstärkerstufen und einem Feldeffekttransistor.The invention relates to an amplifier arrangement for connection to a light-sensitive semiconductor component, in particular a photodiode, with two amplifier stages and a field effect transistor.
Die Übertragung von Lichtimpulsen über Lichtwellenleiterstrecken erfordert ähnlich der Übertragung von Impulssignale'n über Kupferkabel in bestimmten Abständen in die Lichtwellenleiterstrecke eingesetzte Zwischenverstärkerstationen. Wegen der großen Modulationsbandbreite der als Lichtwellenleiter verwendeten Gradienten- oder Monomodefasern bei den zur Anwendung kommenden Übertragungsgeschwindigkeiten von beispielsweise 34 Mbits/s erfolgt eine Impulsverzerrung durch den Lichtwellenleiter nur in sehr geringem Maße. Daher sind im allgemeinen in den Zwischenverstärkerstationen aufwendige einstellbare oder adaptive Entzerrer mit Vorverstärker nicht erforderlich. Damit entfällt aber die Möglichkeit, die Verstärkung in den Eingangsverstärkern unterschiedlichen Eingangsleistungen anpassen zu können. Ursachen für die schwankende Eingangsleistung sind hauptsächlich Schwankungen in der Sendeleistung der im Signalweg vorher angeordneten Zwischenverstärkerstation, unterschiedliche Länee der Lichtwellenleiter und unterschiedliche Dämpfung im Lichtwellenleiter durch Strahlung dei verwendeten Sendediode bei einer etwas anderen als der vorgesehenen Wellenlänge; außerdem ist zum Ausgleich von beispielsweise durch Spleiße verursachten Dämpfungen eine Systemreserve bei derartigen Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken vorgesehen, die im Lauf der Zeit aufgebraucht wird und zu einer veränderten Eingangsleistung in den Zwischenverstärkerstationen führtThe transmission of light pulses via optical fiber links requires similar transmission of pulse signals over copper cables at certain intervals in the fiber optic line Repeater stations. Because of the large modulation bandwidth used as optical waveguides Gradient or single mode fibers at the transmission speeds used of 34 Mbits / s, for example, there is only very little pulse distortion through the optical waveguide Dimensions. Therefore, expensive adjustable or adaptive ones are generally in the repeater stations Equalizer with preamplifier not required. This eliminates the possibility of reinforcement in the To be able to adapt input amplifiers to different input powers. Causes of the fluctuating Input power are mainly fluctuations in the transmission power of those previously arranged in the signal path Repeater station, different lengths of fiber optics and different Attenuation in the optical waveguide due to radiation from the transmitter diode used with a slightly different than the intended wavelength; it is also used to compensate for those caused by splices, for example Attenuation is a system reserve in fiber optic transmission links of this type provided, which is used up over time and to a changed input power in the repeater stations leads
ίο Eine Anpassung des Fotoempfängers an die Lichtwellenleiterstrecke erfolgte bisher durch Zwischenschaltung von Dämpfungsgliedern, insbesondere beim Aufbau der Strecke. Eine derartige Lösung ist nachteilig, da eine individuelle Anpassung der einzelnen Zwischenverstärkerstelle an die Strecke notwendig ist und sich zusätzlich Störungen durch mechanische Steckverbindungen im Lichtweg ergeben können, weitere Nachteile ergeben sich durch ein zusätzliches Modenrauschen bei Laserbetrieb und dadurch, daß die Dämpfung nur schlecht reproduzierbar, ist. Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Eingangsdynamik ergibt sich bei Verwendung von Lawinenfotodioden dadurch, daß durch Änderung der Speisespannung der Fotodiode der Vervielfachungsfaktor und damit der optoelektrische Wirkungsgrad der Fotodiode veränderbar ist. Diese Änderung des optoelektrischen Wirkungsgrades der verwendeten Fotodiode ermöglicht aber lediglich einen Bereich iür die Eingangsdynamik von etwa 1OdB, sie ist außerdem bei PIN-Fotodioden nicht möglich.ίο An adaptation of the photo receiver to the fiber optic line was previously done by interposing attenuators, especially during construction the way. Such a solution is disadvantageous because it requires individual adaptation of the individual intermediate amplifier points to the route is necessary and there are additional disturbances due to mechanical plug connections in the light path, further disadvantages result from an additional mode noise at Laser operation and the fact that the attenuation is difficult to reproduce. One more way to increase the input dynamics results from the use of avalanche photodiodes that by changing the supply voltage of the photodiode, the multiplication factor and thus the optoelectrical factor The efficiency of the photodiode can be changed. This change in the opto-electrical efficiency of the used However, the photodiode only allows a range for the input dynamics of about 1OdB, it is also not possible with PIN photo diodes.
Aus der DE-PS 28 11 726 ist bereits ein Empfänger für Lichtimpulse bekannt, der eingangsseitig eine PIN-Fotodiode mit einem nachgeschalteten zweistufigen Verstärker mit mindestens einem Feldeffekttransistor enthält. Eine Anpassung an unterschiedliche Eingangsleistungen ist bei diesem bekannten Empfänger für Lichtimpulse auf die bereits erwähnten Maßnahmen beschränkt. From DE-PS 28 11 726 a receiver for light pulses is already known which has a PIN photodiode on the input side with a downstream two-stage amplifier with at least one field effect transistor contains. An adaptation to different input powers is in this known receiver for Light pulses limited to the measures already mentioned.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art mit einem großen Bereich für die Eingangsdynamik zu schaffen, die außerdem die üblichen Ansprüche hinsichtlich rauschoptimalei· Auskopplung der vom Fotoempfänger abgegebenen elektrischen Signale, hoher Verstärkung und geringer Stromaufnahme zusammen mit einem mögliehst hohen Eingangswiderstand und einem möglichst kleinen Eigenrauschen aufweist.The object of the invention is therefore to provide an arrangement of the type mentioned with a large To create an area for the input dynamics, which also meets the usual requirements with regard to optimal noise. Decoupling of the electrical signals emitted by the photo receiver, high gain and low power consumption together with the highest possible input resistance and a has little self-noise.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Transistor vorgesehen ist, dessen Basisanschluß mit dem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement verbunden ist, dessen Emitteranschluß mit Bezugspotential verbunden ist, dessen Kollektoranschluß über einen Kollektorwiderstand mit einer Speisespannungsquelle mit dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors und mit einem Basisanschluß eines zweiten Transistors verbunden ist, daß es sich beim ersten und beim zweiten Transistor um bipolare Transistoren handelt, daß der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors mit der Speisespannungsquelle und dessen Gate-Anschluß über einen ersten Widerstand mit einer Steuerspannungsquelle verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des zweiten Transistors mit der Speisespannungsquelle verbunden ist, daß der Emitteranschluß des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand mit Bezugspotential, mit einem Ausgangsanschluß und über einen dritten Widerstand mit dem Basisanschluß des ersten Transistors verbunden ist.According to the invention, the object is achieved in that a first transistor is provided, the base terminal of which is connected to the light-sensitive semiconductor component, the emitter connection of which has reference potential is connected, the collector terminal of which is connected to a supply voltage source via a collector resistor with the source connection of the field effect transistor and with a base connection of a second Transistor is connected, that the first and second transistor are bipolar transistors, that the drain connection of the field effect transistor to the supply voltage source and its gate connection is connected via a first resistor to a control voltage source that the collector terminal of the second transistor is connected to the supply voltage source that the emitter terminal of the second transistor via a second resistor with reference potential, with an output terminal and via a third resistor is connected to the base terminal of the first transistor.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dadurch, daß der Eingangs-A preferred development of the arrangement according to the invention results from the fact that the input
anschluß der Verstärkeranordnung über einen vierten Widerstand mit Bezugspotential und über einen Koppelkondensator mit dem BasisanschluB des ersten Transistors verbunden ist und daß der Eingangsanschluß außerdem mit dem einen Anschluß einer Lawinendiode als lichtempfindliches Halbleiterbauelement verbunden ist, deren anderer Anschluß an eine weitere Steuerspannungsquelle angeschlossen istconnection of the amplifier arrangement via a fourth Resistance with reference potential and via a coupling capacitor with the base connection of the first transistor is connected and that the input terminal also with one terminal of an avalanche diode as light-sensitive semiconductor component is connected, the other terminal of which is connected to a further control voltage source
Die in der F i g. 1 dargestellte Verstärkerano-dnung enthält einen Eingangsanschluß E, an den über einen Koppelkondensator C der Basisanschluß eines ersten Transistors Ti vom npn-Typ angeschlossen ist Während der Emitteranschluß dieses Transistors mit Bezugspotential UO verbunden ist, ist der Kollektoranschluß dieses Transistors mit dem Source-Anschluß eines Feldeffekttransistors 7*2, über einen Kollektorwiderstand Äcrnit der Speisespannungsquelle UB und mit dem Basisanschluß eines zweiten Transistors 7*3 vom npn-Typ verbunden. Der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors 7*2 ist mit der Speisespannungsquelle verbunden, der Gate-Anschluß dieses Transistors ist über einen ersten Widerstand R 1 mit einer Steuerspannungsquelle US verbunden.The in the F i g. 1 includes an input terminal E to which the base terminal of a first transistor Ti of the npn type is connected via a coupling capacitor C. While the emitter terminal of this transistor is connected to reference potential UO , the collector terminal of this transistor is connected to the source terminal of a Field effect transistor 7 * 2, connected to the supply voltage source UB via a collector resistor and to the base terminal of a second transistor 7 * 3 of the npn type. The drain connection of the field effect transistor 7 * 2 is connected to the supply voltage source, the gate connection of this transistor is connected to a control voltage source US via a first resistor R 1.
Die zweite Stufe des Verstärkers nach der F i g. 1 wird durch den Transistor 7"3 gebildet, der als Emitterfolger geschaltet ist und dessen Kollektoranschluß deshalb direkt mit der Speisespannungsquelle UB verbunden ist, während an den Emitteranschluß dieses Transistors der Ausgangsanschluß UA, über einen zweiten Widerstand R 2 Bezugspotential UO und über einen dritten Widerstand R 3 der Basisanschluß des ersten Transistors 7Ί angeschlossen sind. Der Widerstand R 2 kann auch als Spannungsteiler ausgebildet sein (R 2IR 2'), um ein geeignetes Gleichpotential am KoI-lektoranschluß von Π zu erzeugen. Außerdem ist es zweckmäßig, eine Diode D1 vorzusehen, um den Temperaturgang vom Transistor TX auszugleichen.The second stage of the amplifier according to FIG. 1 is formed by the transistor 7 "3, which is connected as an emitter follower and whose collector terminal is therefore directly connected to the supply voltage source UB , while the output terminal UA on the emitter terminal of this transistor, reference potential UO via a second resistor R 2 and a third resistor R 3 are connected to the base terminal of the first transistor 7Ί. The resistor R 2 can also be designed as a voltage divider (R 2IR 2 ') in order to generate a suitable DC potential at the connector of Π. It is also advisable to use a diode D 1 to be provided to compensate for the temperature drift from the transistor TX .
Die beschriebene Verstärkeranordnung ist als sogenannter Transimpedanzverstärker aufgebaut, so daß sich ein vergleichsweise sehr hoher Eingangswiderstand und ein vergleichsweise niedriger Ausgangswiderstand ergibt. Der hohe Eingangswiderstand wird im Hinblick auf eine optimale Ankopplung an die als Fotoempfänger verwendete Lawinendiode PD benötigt, diese Diode ist einerseits mit einer Quelle für eine regelbare Vorspannung UD und andererseits über einen vierten Widerstand RA mit Bezugspotential UO und außerdem mit dem Eingangsanschluß £der Verstärkeranordnung verbunden.The amplifier arrangement described is constructed as a so-called transimpedance amplifier, so that there is a comparatively very high input resistance and a comparatively low output resistance. The high input resistance is required for optimal coupling to the avalanche diode PD used as a photo receiver, this diode is connected on the one hand to a source for a controllable bias voltage UD and on the other hand via a fourth resistor RA to reference potential UO and also to the input terminal £ of the amplifier arrangement .
Der vom Eingang E des Verstärkers aufgenommene Strom Ie fließt zusammen mit dem, den Widerstand R 3 durchfließenden Rückkopplungsstmm in die Basis des Transistors 7*1 und bewirkt eine Kollektorstromänderung dieses Transistors, die zu einer Änderung der KoI-lektoi spannung an diesen Transistor führt. Die Änderung der Kollektorspannung ergibt sich an der Parallelschaltung des Kollektorwiderstandes Rc und der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 7*2, der in diesem Falle nur als veränderlicher Widerstand wirkt The current Ie absorbed by the input E of the amplifier flows together with the Rückkopplungsstmm flowing through the resistor R 3 into the base of the transistor 7 * 1 and causes a change in the collector current of this transistor, which leads to a change in the KoI-lektoi voltage to this transistor. The change in the collector voltage results from the parallel connection of the collector resistor Rc and the source-drain path of the field effect transistor 7 * 2, which in this case only acts as a variable resistor
ίο Der effektive Kollektorwiderstand ändert sich dabei in weiten Grenzen, da der Source-Drain-Widerstand des Feldeffekttransistors zwischen einigen MJ2 und ca. 20 Ω veränderbar istίο The effective collector resistance changes within wide limits, since the source-drain resistance of the field effect transistor can be changed between a few MJ2 and approx. 20 Ω
Der fiktive Rückkopplungswiderstand Rk, an dem schließlich nach Verstärkung der Fotostrom, also der Eingangsstrom Ie, die Ausgangsspannung UA erzeugt ergibt sich dabei in folgender Weise.The fictitious feedback resistance Rk, at which the photocurrent, that is to say the input current Ie, the output voltage UA is finally generated after amplification, results in the following way.
Rk = Rk =
rl+R3 Rt-ß rl + R3 R t -ß
UA Ie UA Ie
wobei unter r 1 der wechselstrommäßige Basis-Emitterwiderstand des Transistors Ti und unter β die wirksame Stromverstärkung dieses Transistors verstanden werden soll. Wird der Widerstand R 3 so dimensioniert, daß der Eingangswiderstand r 1 gegenüber diesem Widerstand vernachlässigt werden kann, dann kann davon ausgegangen werden, daß der fiktive Rückkopplungswiderstand Rk direkt vom wirksamen Kollektorwiderstand des Transistors T1 und damit von der Steuerspannung t/Sdes Feldeffekttransistors 7*2 abhängig ist. Damit ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit einer externen Einstellung des Verstärkungsgrades der ersten Verstärkerstufe innerhalb eines weiten Dynamikbereichs.where r 1 should be understood to mean the ac base-emitter resistance of the transistor Ti and β the effective current gain of this transistor. If the resistor R 3 is dimensioned so that the input resistance r 1 can be neglected compared to this resistance, then it can be assumed that the fictitious feedback resistance Rk is directly derived from the effective collector resistance of the transistor T 1 and thus from the control voltage t / S of the field effect transistor 7 * 2 is dependent. This results in the advantageous possibility of an external setting of the gain of the first amplifier stage within a wide dynamic range.
Wegen der sehr geringen Ströme durch die Lawinenfotodiode PD kann zur Vereinfachung sowohl der Koppelkondensator CaIs auch der Widerstand R 4 entfallen. Anstelle der Lawinenfotodiode PD können in üblicher Weise auch andere Lichtempfänger, also beispielsweise PIN-Dioden oder Fototransistoren, Verwendung finden. Because of the very low currents through the avalanche photodiode PD , both the coupling capacitor CaIs and the resistor R 4 can be omitted for simplification. Instead of the avalanche photodiode PD , other light receivers, for example PIN diodes or phototransistors, can also be used in the usual way.
Die Verwendung einer derartigen Verstärkeranordnung ist neben dem beschriebenen Einsatz in Lichtwellenleiter-Übertragungsstreck jn auch in Schalteinrichtungen, beispielsweise mit Licht betriebenen Koppelfeldern, von Vorteil, da auch in diesen Fällen erhebliche Schwankungen hinsichtlich der Lichteingangsleistung auftreten und deshalb auch dort ein großer zulässigerThe use of such an amplifier arrangement is in addition to the described use in optical waveguide transmission links jn also in switching devices, for example light-operated switching matrices, This is an advantage, since in these cases too there are considerable fluctuations in terms of the light input power occur and therefore a large permissible there as well
so Eingangsdynamikbereich von Vorteil ist.so input dynamic range is beneficial.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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