DE3223218C2

DE3223218C2 - Transimpedanz-Verstärker

Info

Publication number: DE3223218C2
Application number: DE19823223218
Authority: DE
Inventors: Stefanos Dipl.-Ing. 7100 Heilbronn Dermitzakis
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1982-06-22
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3223218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transimpedanz-Verstärker aus zwei Transistorstufen, zwischen denen ein Gegenkopplungszweig angeordnet ist, der zur Vermeidung von Übersteuerungen ein nichtlineares Bauelement enthält. Zur freien Einstellung des linearen Arbeitsbereiches und als Übersteuerungsschutz enthält der Gegenkopplungszweig zumindest einen Spannungsteiler und einen Transistor, wobei der erste Widerstand des Spannungsteilers die Basis-Emitter-Strecke und der zweite Widerstand die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors überbrückt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transimpedanz-Verstärker aus einer ersten Transistorstufe und einer nachgeschalteten zweiten Transistorstufe sowie einem Gegenkopplungszweig zwischen der zweiten Transistorstufe und dem Eingang der ersten Transistorstufe, der zur Verwendung von Übersteuerungen ein nichtlineares Bauelement enthält.

In der Fig. 1 ist der Grundaufbau eines Transimpedanz-Verstärkers mit zwei bipolaren Transistoren Q\ und Qi dargestellt An den Eingang E der Schaltung, der zur Basiselektrode des ersten Transistors Q\ führt ist eine Fotodiode FD angeschlossen, die als Signalquelle dient Der Kollektor des ersten Transistors Q\ ist über den Kollektorwiderstand R\ an einen Pol der Versorgungsspannung Us angeschlossen und ferner direkt mit der Basiselektrode des zweiten Transistors Qi in der zweiten Transistorstufe verbunden. Der Transistor Q₂ der zweiten Transistorstufe enthält den Emitterwiderstand R₂ und bildet zugleich den Ausgangsanschluß A der Verstärkerschaltung. Zwischen dem Eingang E der Verstärkerschaltung und dem Ausgang A ist ein Gegenkopplungszweig mit dem Widerstand Abgeschaltet

Die Fotodiode (FD) wird in der Regel in Sperrichtung betrieben und bildet dann eine Stromquelle. Der Fotostrom ist abhängig von der Intensität der einfallenden Strahlung. Der dargestellte Transimpedanz-Verstärker wird dieser Stromquelle optimal angepaßt So lange der Verstärker in seinem linearen Arbeitsbereich ohne Übersteuerung arbeitet, weist er eine große Bandbreite und Verstärkung sowie geringes Rauschen und kurze Ein- und Ausschaltzeiten bei Ansteuerung mit Impulsen auf.

Bei einer gewünschten hohen Verstärkung muß der Gegenkopplungswiderstand Rf relativ groß sein, so daß der Verstärker bei starker Bestrahlung d<;r Fotodiode übersteuert wird und seinen linearen Arbeitsbereich verläßt Dadurch wird die Ausschaltzeit stark vergrößert so daß insbesondere bei Ansteuerung mit Impulsen eine starke Verzögerung der Ausgangssignale gegenüber dem Eingangssignal auftritt.

Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, den Gegenkopplungswiderstand mit einer Diode zu überbrücken. (Electronics, 8.7. 76, S. 3E). Die Diode begrenzt die Amplitude des Ausgangssignals in positiver bzw. negativer Richtung je nach Polaritätslage der Diode auf ca. 0,7 V, wobei dieser Wert der Durchlaßspannung der Diode entspricht

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, entsprechend der Schaltung gemäß F i g. 2 den Gegenkopplungswiderstand Rf mit zwei antiparallel geschalteten Dioden (Di, D 2) zu überbrücken. Dadurch wird das Ausgangssignal symmetrisch begrenzt. Bei der Schaltung gemäß F i g. 2 kann sowohl der Kollektorstrom des Transistors Q₂ als auch die Spannung am Emitter von Q₂ als Ausgangssignal verwendet werden. Der Transimpedanz-Verstärker gemäß F i g. 2 wird vielfach auch für Sinus-Oszillatoren oder schnelle Impulsgeneratoren verwendet. Die Verwendung für Sinus-Oszillatoren ist aus »IEEE Journal of Solid-State-Circuits Vol. SC-6 No. 6 Dez. 71, S. 406 - 412« bekannt.

Bei den bekannten Schaltungen wird das Ausgangssignal in positiver, negativer oder in beiden Richtungen durch jeweils eine Diode begrenzt. Diese Diode liegt zwischen dem Eingang des Verstärkers und dem Schaltungsausgang. Wenn die Ausgangsspannung in Durchlaßrichtung der Diode einen bestimmten Wert übersteigt, wird die Diode leitend und überbrückt den parallel liegenden Gegenkopplungswiderstand Rf.·. Dadurch wird die durch ^bestimmte Verstärkung sehr klein und die Spannung am Ausgang der Schaltung wird auf die Flußspannung der Diode in der Größenordnung von ca. 0,7 V begrenzt.

Der Nachteil der bekannten Schaltung liegt darin, daß die Dioden schon bei kleinen Spannungen von ca. 100 bis 200 mV zwischen der Anode und Kathode einen endlichen Widerstand darstellen, der parallel zum Gegenkopplungswiderstand Rf liegt. Dadurch wird die

Verstärkung schon bei relativ kleinen Signalen erheblich vermindert, was sich insbesondere dann auswirkt, wenn der Gegenkopplungswiderstand bei hochverstärkenden Schaltungen relativ groß ist DerVerstärker hat somit einen linearen Arbeitsbereich, der nur bjs zu Ausgangssignalen von etwa 200 mV reicht.

In der Schaltung von F i g. 2 wird diese; Effekt durch den endlichen Basisstrom des Transistors Qi, welcher über den Widerstand Abfließt, zusätzlich verstärkt

Je nach der Stromverstärkung von Qi und der Größe von Rf kann über Rf und damit auch zwischen Anode und Kathode der Diode D1, ohne Eingangssignal eine beträchtliche Vorspannung erzeugt werden.

Bei Verwendung nur der Diode D1 wird damit der lineare Arbeitsbereich auf sehr kleine Spannungen begrenzt. Wenn auch die antiparallele Diode D 2 eingesetzt wird, wird der Arbeitsbereich stark unsymmetrisch

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transimpedanz-Schaltung anzugeben, die insbesondere der Ansteuerung durch Fotodioden dient und der lineare Arbeitsbereich des Verstärkers vergrößert ist. Diese Schaltung soll jedoch außerdem einen Übersteuerungsschutz bilden und damit die Vergrößerung der Ausschaltzeiten verhindern. Der Verstärker soll monolithisch integrierbar und bezüglich der Verstärkung und der Bandbreite bekannten Verstärkern ebenbürtig sein. Diese Aufgabe wird bei einem Transimpedanz-Verstärker der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gegenkopplungszweig zumindest einen Spannungsteiler und einen Transistor enthält, wobei der erste Widerstand des Spannungsteilers die Basis-Emitter-Strecke und der zweite Widerstand die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors überbrückt. Dieser Verstärker dient insbesondere als Vorverstärker für Fotodioden, die den strahlungsabhängigen Eingangsstrom des Verstärkers liefern.

Mit der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung läßt sich durch die Dimensionierung des Spannungsteilers der lineare Verstärkungsbereich frei und kontinuierlich einstellen, ebenso wie die Amplitude des Ausgangssignals, bei der die Begrenzung und damit der Übersteuerungsschutz einsetzt. Ferner sind die Ausschaltzeiten kürzer als bei der Verwendung von Dioden im Gegenkopplungszweig.

In der F i g. 3 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltung für den Fall der Begrenzung in positiver Richtung dargestellt. Der Gegenkopplungszweig zwischen dem Eingang E der Verstärkerschaltung und dem Ausgang A am Emitter des Transistors Q2 enthält einen Transistor Q₃ und einen Spannungsteiler aus den Widerständen R_F\ und Rf 2. Der Widerstand Rf 1, an dem die Spannung U_F 1 abfällt, liegt parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q3, während der Widerstand Rf 2, an dem die Spannung U_F 2 abfällt, parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors liegt. Der gewünschte Gegenkopplungswiderstand Äpwird somit in die beiden Teilwiderstände R_F\ und R_F 2 aufgeteilt. Dabei ist Rf ι vorzugsweise kleiner oder gleicn groß wie der Widerstand Rf 2-

Das Verhältnis Rf 2/Rf 1 bestimmt den linearen Arbeitsbereich des Verstärkers sowie die Höhe des Ausgangssignals, bei der die Begrenzung und damit der Übersteuerungsschutz einsetzt. Solange der Transistor Q] gesperrt ist oder sich im Anlaufgebiet des aktiven Kennlinienbereiches befindet, hat er praktisch keinen Einfluß auf den Gesamtgegenkopplungswiderstand R, = Ri 1 + Ri 2.

In diesem Anlaufgebiet, in dem etwa gilt
U_F\ < 100 mV,

ist der Widerstand der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q₃ um das Stromverstärkungsverhältnis B größer als der Widerstand einer äquivalenten Diode bei der gleichen Spannung. Da Rf 1 zudem nur ein Teil des Gesamt-Gegenkopplungswiderstandes Rf ist, ist die den

Gegenkopplungs widerstand reduzierende Wirkung des Transistors bis zum Übergang in den aktiven Kennlinienbereich beträchtlich kleiner als bei einer Diode. Die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Q₂ ist so hochohmig, daß sie keinen Einfluß auf den Widerstand Rf 2 hat

Bezeichnet man die Basis-Emitter-Spannung des Transistors, bei der der Übergang zum aktiven Bereich stattfindet, mit Ubeq. so ist die maximale Amplitude des Ausgangssignals, bis zu der die Schaltung noch linear verstärkt gegeben durch:

U₁

¹BEO

Durch das Verhältnis R_F 2IRf 1 kann somit der lineare Arbeitsbereich des Verstärkers kontinuierlich und frei eingestellt werden.

Nach dem Übergang in den aktiven Bereich wird der Transistor Q₃ schnell leitend und damit niederohmig, so

daß der Widerstand R_F überbrückt und das Ausgangssignal begrenzt wird. Die Amplitude des Ausgangssignals, bei der die Begrenzung und damit der Übersteuerungsschutz voll wirksam wird, ergibt sich zu:

U₁

KGR

0,7

(Volt).

Der in der F i g. 3 andeutungsweise dargestellte Emitterwiderstand Re ₃ in der Emitterzuleitung des Transistors Q₃ kann nach Bedarf eingesetzt werden, um den durch den Transistor Q₃ fließenden maximalen Strom zu begrenzen.

In der F i g. 4 ist eine Variante der in der F i g. 3 dargestellten Grundschaltung gezeichnet, bei der der Kollektor des Transistors Q₃ im Gegenkopplungszweig direkt an die Versorgungsspannung +Us angeschlossen ist. Der Widerstand R_F2 des Spannungsteilers kann dagegen direkt an die Emitterelektrode des Transistors Q₂ angeschlossen werden und bildet den Ausgangsan-Schluß A der Verstärkerschaltung.

In der F i g. 5 ist ein Verstärker mit symmetrischem Übersteuerungsschutz und Begrenzung sowohl in positiver als auch in negativer Richtung dargestellt. Hierzu wird ein zweiter Transistor Q4 verwendet, der antiparal-IeI zum Transistor Q₃ gleicher Polarität geschaltet ist. Die beiden Transistoren Q₃ und Q₄ sind an den Basis-Elektroden miteinander und mit dem Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen Rf 1 unci Rf 2 verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

Transimpedanz-Verstärker aus einer ersten Transistorstufe (Qx) und einer nachgeschalteten zweiten Transistorstufe (Q₂) sowie einem Gegenkopplungszweig zwischen der zweiten Transistorstufe und dem Eingang (E) der ersten Transistorstufe, der zur Vermeidung von Obersteuerungen ein nichtlineares Bauelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig zumindest einen Spannungsteiler (Rf uRft) und einen Transistor (Q₃) enthält, wobei der erste Widerstand (R_F 1) des Spannungsteilers die Basis-Emitter-Strecke und der zweite Widerstand (Rf₂) die Basis-Kollektor-Strekke des Transistors überbrückt.
2. Transsmpedanz-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig zwischen die Basiselektrode des Transistors (Qi) der ersten Transistorstufe und die Emitterelektrode des Transistors (Q2) der zweiten Transistorstufe geschaltet ist
3. Transimpedanz-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Spannungsteiler (Rf h Rf 2) des Gegenkopplungszweiges zwischen die Basiselektrode des Transistors (Qi) der ersten Transistorstufe und die Emitterelektrode des Transistors (Q2) der zweiten Transistorstufe geschaltet ist, während die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors (Qs) im Gegenkopplungszweig zwischen den Kollektor des Transistors (Q₂) in der zweiten Transistorstufe und die Basiselektrode des Transistors (Q\) in der ersten Transistorstufe geschaltet ist.
4. Transimpedanz-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig zwei gegensinnig parallel geschaltete Transistoren (Q₃, Q₄) gleicher Priorität enthält, die an den Basiselektroden miteinander und mit dem Abgriff des Spannungsteilers (Rf i, /?f ?) verbunden sind.
5. Transimpedanz-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (Rf \) des Spannungsteilers kleiner oder gleich groß ist wie der zweite Widerstand (Rf 2) des Spannungsteilers.
6. Transimpedanz-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Transistor (Qj) im Gegenkopplungszweig in der Emitterstrecke einen Strombegrenzungswiderstand (Re 3) enthält.
7. Transimpedanz-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Vorverstärker für Fotodioden (FD), die den strahlungsabhängigen Eingangsstrom des Verstärkers liefern,