DE3320801C2 - Optischer Empfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Empfänger gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Ein solcher Empfänger ist aus der DE-AS 28 11 726 bekannt. Die­ ser optische Empfänger weist einen Verstärker mit einem Feld­ effekttransistor auf, dessen Source-Elektrode über eine Konstantstromquelle mit einem Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, während der andere Pol der Versorgungsspannung über eine Konstantspannungsquelle mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors verbunden ist. Die Gateelektrode ist über einen Vorspannungswiderstand mit dem einen Anschluß der Ver­ sorgungsspannung verbunden, und die Fotodiode ist mit dem an­ deren Pol der Spannungsversorgung und der Gate-Elektrode derart verbunden, daß sie in Sperrichtung betrieben wird, wodurch ihre Eigenkapazität herabgesetzt wird. Hierdurch wird die Antwortge­ schwindigkeit der Fotodiode erhöht.

Durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors in der Ein­ gangsstufe des Verstärkers wird ein unbeabsichtigtes Entladen der Eigenkapazität der Fotodiode verhindert, da derartige Feld­ effekttransistoren eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen. Ein optimales Rauschverhalten eines derartigen Verstärkers kann je­ doch nur mit erheblichem Schaltungsaufwand erzielt werden, wobei immer noch das Problem verbleibt, daß der Dynamikbereich eines derartigen Feldeffekttransistors verglichen mit Verstärkern mit bipolaren Transistoren verringert ist, so daß der Verstärker gegenüber Übersteuerungen empfindlich ist. Bei hoher Spannungs­ verstärkung des Verstärkers können selbst relativ kleine Spannungsänderungen an der Diode zu einer Übersteuerung des Verstärkers führen.

Aus der Literaturstelle Schmidt-Feustel: Optoelektronik, Kamprath-Reihe: kurz & bündig, Technik, Vogel-Verlag, Würzburg 1975, Seiten 213-125′ ist weiterhin ein optischer Empfänger bekannt, bei dem die in Sperrichtung betriebene Fotodiode über einen Kondensator an den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers angeschaltet ist, der mit Hilfe einer Kapazität gegengekoppelt ist, um eine Schwingneigung zu unterdrücken. Diese Unterdrückung der Schwingneigung führt je­ doch andererseits zu einer Verringerung der Antwortgeschwindig­ keit des optischen Empfängers, so daß der durch den Betrieb der Fotodiode in Sperrichtung erzielte Vorteil teilweise wieder zunichte gemacht wird. Ohne diese Gegenkopplungskapazität ist jedoch die erzielbare Stabilität des Verstärkers zu gering und auch hier dürfte sich eine erhebliche Übersteuerungsempfindlich­ keit ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Em­ pfänger anzugeben, der auch bei hohen Bitraten arbeiten kann und der ein stabiles Verhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des optischen Empfängers weist dieser ein stabiles Betriebsverhalten und eine hohe Sicherheit gegen Übersteuerungen auf, weil durch die Anordnung der Fotodiode in dem Rückkopplungsweg die Ausgangsspannung durch die negative Rückkopplung bei größerem Pegel des Eingangssignals reduziert wird, so daß der optische Empfänger vor Übersteuerun­ gen geschützt wird. Diese Erhöhung der Stabilität ergibt sich ohne Verringerung der Betriebsgeschwindigkeit und ohne Ver­ schlechterung des Rauschverhaltens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Fotodiode;

Fig. 2 schematisch die Anschaltung der Fotodiode an einen Verstärker;

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform des optischen Empfängers;

Fig. 4 eine Transformation der Schaltung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig 3 und

Fig. 6 ein Schaltbild des optischen Empfängers gemäß Fig. 5.

Bei Betrieb einer Fotodiode in Sperrichtung wird ihre Eigen­ kapazität herabgesetzt. Es bleibt aber immer noch eine Eigen­ kapazität C_D übrig. Die Fotodiode D verhält sich dann wie eine von der Belichtung abhängige Stromquelle I_S, der die Kapazität C_D parallel geschaltet ist.

Die empfindlichste Art, den durch die Fotodiode erzeugten Strom zu erfassen, ist, ihn zum Laden der Eigenkapazität C_D zu benutzen und dann die Spannung der Eigenkapazität zu verstärken, wie es in Fig. 2 mit Hilfe eines Verstärkers A dargestellt ist. Die Ausgangsspannung V ist durch folgende Gleichung beschrieben:

wobei mit A die Verstärkung des Verstärkers bezeichnet ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des optischen Empfängers ist der eine Anschluß der Fotodiode D mit dem Ausgang und der andere Anschluß mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. Die Fotodiode bildet einen negativen Rückkopplungsweg vom Ausgang des Verstärkers zu seinem Eingang.

In Fig. 4 ist eine Umwandlung der Schaltung gemäß Fig. 3 in eine äquivalente Anordnung dargestellt. Der kapazitive Rück­ kopplungsweg ist durch die Eigenkapazität C_D der Fotodiode D gebildet. Die einzige Stromquelle I_S in der Fig. 3 ist in Fig. 4 durch zwei in Reihe geschaltete Generatoren I′_S er­ setzt worden, die je gleich der Stromquelle I_S sind und deren gemeinsamer Mittenanschluß mit dem Erdpotential des Ver­ stärkers verbunden ist. Diese bekannte Umwandlung einer Schal­ tung hat keinen Einfluß auf den Erdstrom, weil die beiden Gene­ ratoren I′_S den gleichen Strom abgeben bzw. aufnehmen. Der eine der Generatoren I′_S ist in bekannter Weise an den Eingang des Verstärkers geschaltet und der andere Generator I′_S ist an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen. Dieser Generator I′_S kann außer Betracht bleiben, da die Stromverstärkung des Verstärkers normaler­ weise so groß ist, daß der Effekt dieses Generators un­ bedeutend ist. Die Schaltung in Fig. 4 stellt also eine Verstärkerschaltung mit einer negativen Rückkopplung dar, bei der die Kapazität C_D den Rückkopplungsweg bildet und der Generator I′_S das Eingangssignal liefert. Es ist be­ kannt, daß eine negative Rückkopplung die Verstärkung ver­ ringert und stabilisiert. Die Ausgangsspannung V¹ bei einer Rechteckwelle ergibt sich nun aus der folgenden Formel

für große Werte der Verstärkung A. Hieraus folgt, daß die Ausgangsspannung gegen Änderungen der Verstärkung des Verstärkers durch die Kapazität C_D stabilisiert ist. Zu­ sätzlich kann ein größerer Pegel des Eingangssignales er­ laubt werden, weil die negative Rückkopplung die Ausgangs­ spannung reduziert und diese vor Übersteuerungen schützt.

Einige Verstärkertypen haben mehr als einen Ausgang. Dies kann ein nichtinvertierender und ein invertierender Aus­ gang sein. Bei einem solchen Verstärker ist die Fotodiode D an den invertierenden Ausgang anzuschließen, um eine ne­ gative Rückkopplung zu erreichen. Zur Abnahme der Ausgangs­ spannung kann jeder Ausgang benutzt werden. Eine Schaltung mit einem derartigen Verstärker ist in Fig. 5 dargestellt.

In der Fig. 6 ist das Schaltbild einer typischen Ausführung des optischen Empfängers dargestellt. Der Verstärkereingang ist durch den Feldeffekttransistor T₁ gebildet und der invertierende Aus­ gang wird durch den Emitter des Transistors T₂ gebildet. Hieran ist die Fotodiode angeschlossen, um die negative Rückkopplung zu bilden. Die Spannung beträgt an diesem Punkt:

Ein Kondensator C, vom Emitter des Transistors T₂ zum Erdpotential geschaltet, verursacht einen Strom

I = jωCV¹

durch den Transistor T₂. Dieser Strom kann vom Kollektor des Transistors T₂ an eine weitere Schaltung geliefert werden, wobei der Kollektor den nichtinvertierenden Aus­ gang darstellt. Der Kondensator C bringt auch eine ein­ fache Frequenzunabhängigkeit zwischen den Strömen I und I_S, deren Formel lautet:

Claims (3)

1. Optischer Empfänger mit einer in Sperrichtung betriebenen Fotodiode und einem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (D) zur Bildung eines Rückkopplungsweges zwischen einem invertierenden Ausgang und dem Eingang des Verstärkers (A) geschaltet ist, so daß die Übertragungsfunktion des Verstärkers bei der Betriebs­ frequenz im wesentlichen durch die Eigenkapazität (C_D) der Fotodiode (D) bestimmt ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Eingangsstufe mit einem Feldeffekttransistor (T₁) aufweist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen bipolaren Transistor aufweist.