DE3414450C2

DE3414450C2 - Optischer Sender

Info

Publication number: DE3414450C2
Application number: DE3414450A
Authority: DE
Inventors: Ernst Hugo Nordholt; Jong Leendert Pieter De
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1983-04-27
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2004-04-18
Also published as: GB2140237A; FR2549612B1; ATA135884A; FR2549612A1; DE3414450A1; JPS59207755A; JPH0473656B2; GB8410454D0; CH663869A5; NL8301484A; AT392711B; US4580294A; GB2140237B

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Sender zum Umwandeln elektrischer analoger Basisbandsignale in entsprechende intensitätsmodulierte optische Signale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2.

Ein solcher optischer Sender ist bekannt aus NTC '77, Conference Record, Paper, "An optical fiber system for TV" von Akiyama, S. et al. Ein Ausgleich einer Nichtlinearität der Übertragungskennlinie der Leuchtdiode gelingt bei diesem Sender durch Verwendung eines Generators zur Erzeugung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals. Die Nichtlinearität der Übertragungskennlinie einer Leuchtdiode enthält allgemein im wesentlichen die zweite Harmonische. Die Addition der zweiten Harmonischen des Eingangssignals zur Grundschwingung des Eingangssignals liefert ein Verzerrungssignal, mit dem eine Kompensation der zweiten Harmonischen der Übertragungskennlinie der Leuchtdiode erreicht wird. Die Erzeugung des Verzerrungssignals ist jedoch aufwendig insbesondere wegen der Verwendung eines zusätzlichen Generators.

Es sind andere Ausgleichverfahren bekannt, um den Einfluß von Nichtlinearitäten in der Übertragungskennlinie der genannten Leuchtdioden auszugleichen. So sind aus NEC research & development No. 35, Oktober 1974, Seiten 15 bis 20, "Color TV transmission using light emitting diode" Rückkopplungsverfahren bekannt. Bei diesen Verfahren sind teure optische Elemente, wie beispielsweise Strahlteiler erforderlich. Außerdem ist bei diesem Verfahren ein Teil der gesamten optischen Leistung für Übertragungszwecke nicht verfügbar.

Weiterhin sind Vorwärtskopplungsverfahren bekannt. Bei diesen Verfahren sind optische Leistungskopplungsanordnungen erforderlich, die ebenfalls nicht preisgünstig sind. Die beiden genannten Verfahren sind folglich aufwendig, so daß sie zur Anwendung in preisgünstigen Übertragungssystemen weniger geeignet sind.

Aus US 4,032,802 sind Ausgleichsverfahren bekannt, bei denen eine zweite gleichartige Leuchtdiode verwendet wird, die mit der auszugleichenden Leuchtdiode in Reihe geschaltet wird. Das Ausgangssignal der gleichartigen Leuchtdiode, das z. B. mit Hilfe einer PIN-Diode umgewandelt wird, wird zum Eingang zurückgeführt, wodurch ein Ausgleich der nicht-linearen Übertragungskennlinie der auszugleichenden Leuchtdiode auftritt. Die gegenseitige Gleichheit der Übertragung der beiden Lichtquellen läßt oft zu wünschen übrig, so daß nur ein geringer Ausgleich der Nichtlinearitäten mit Hilfe dieser Verfahren verwirklicht werden kann.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen optischen Sender nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 mit weniger Aufwand an Bauelementen als beim bekannten Sender zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt auf zweifache Weise: Einmal mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, das andere Mal mit denen des Anspruchs 2.

Im ersten Fall funktioniert die Kombination von Differenzverstärker und Widerstand als eine Stromquelle, die einen Strom proportional zum Eingangssignal oder Ansteuersignal für die Leuchtdiode, zugeführt an der Parallelschaltung von Leuchtdiode und Feldeffekttransistor, erzeugt. Zur Kompensation der nichtlinearen Kennlinie der Leuchtdiode muß der Strom durch die Leuchtdiode überproportional abhängig sein von dem Eingangssignal des Senders. Das wird dadurch erreicht, daß der effektive Widerstand des Feldeffekttransistors im Triodengebiet mit dem Strom durch den Feldeffekttransistor zunimmt, wo ein größerer Teil des Gesamtstroms durch die Leuchtdiode fließt.

Im zweiten Fall ist das Eingangssignal ein Strom, der durch die Rückkopplung des Differenzverstärkers völlig durch den Feldeffekttransistor fließt. Weil der effektive Widerstand des Feldeffekttransistors mit dem Strom durch den Feldeffekt zunimmt, nimmt die Spannung, und damit der Strom durch den Widerstand überproportional mit dem Eingangssignal des Senders zu. Da der Strom durch die Leuchtdiode die Summe ist vom Eingangsstrom des Senders und dem Strom durch den Widerstand, nimmt der Strom durch die Leuchtdiode auch überproportional mit dem Eingangssignal des Senders zu.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Senders,

Fig. 2 die statische Übertragungskennlinie einer Leuchtdiode,

Fig. 3 ein Strom-Spannungsdiagramm einer Leuchtdiode,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Senders.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist 1 ein Differenzverstärker, dessen Ausgang über die Reihenschaltung aus einem regelbaren Widerstand 5, der Leuchtdiode 2 und dem Widerstand 3 mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt die Reihen-Schaltung aus der Gleichspannungsquelle 6 und der Hauptstrombahn des Feldeffekttransistors 4. Die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 4 ist über die Gleichspannungsquelle 7 mit seiner Drain-Elektrode verbunden. Der invertierende Eingang dieses Differenzverstärkers 1 ist mit dem Verbindungspunkt von Leuchtdiode 2 und Widerstand 3 verbunden. Der genannte Verbindungspunkt ist ebenfalls mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 8 verbunden, dessen Ausgang mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 1 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Differenzverstärkers 8 ist über eine regelbare Gleichspannungsquelle 9 mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Das Sendesignal U wird über einen Widerstand 11 und einen Kondensator 10 dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 1 zugeführt.

Die statische stromoptische Leistungskennlinie einer Leuchtdiode sieht aus, wie in Fig. 2 dargestellt. Das Gebiet A links von der Linie I=I(0) ist wegen der starken Krümmung für Übertragungszwecke nicht verwendbar. In dem Gebiet B rechts von der Linie I=I(0) ist die Kennlinie mehr oder weniger gerade und dadurch für Übertragungszwecke verwendbar. Die Beziehung zwischen der optischen Leistung und dem Strom I durch die Leuchtdiode in diesem Gebiet B entspricht der Beziehung:

P = P_o + α(1) · I(s) - α(2)I²(s) (1)

worin α(1) und α(2) positive Konstanten sind und I(s) der Signalstrom, z. B. ein Video-Signal ist. Der Bodenpegel der Synchronimpulse entspricht dann I(0) und der Maximalweißpegel entspricht I(max). Die optische Leistung P muß bei richtigem Ausgleich dem Steuerstrom I(1) durch die Kombination der Leuchtdiode 2 und des Feldeffekttransistors 4 proportional entsprechen. Dafür gilt die Beziehung

I(1) = I(0)′ + β(1) · I(s) - β(2) · I²(s) (2)

worin

und I(0)′ der Strom durch den Feldeffekttransistor 4 ist.

Der Feldeffekttransistor 4 ist in dem Triodenbereich eingestellt, d. h. in dem Bereich, in dem die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 4 größer ist als die Differenz zwischen der Spannung zwischen der Drain-Elektrode und der Schwellenspannung bzw. "pinch-off" Spannung U_p. In diesem Gebiet kann die Wirkung des Feldeffekttransistors durch die folgende Formel geschrieben werden:

darin ist:
U_GS die Spannung an der Gate-Elektrode gegenüber der Source-Elektrode,
U_DS die Spannung an der Drain-Elektrode gegenüber der Source-Elektrode,
I_D der Drain-Strom,
U_P die pinch-off Spannung,
mit g_o = U · C_o U(p)
darin ist:
W die Kanalbreite,
L die Kanallänge,
U die Beweglichkeit der Elektronen bei einem N-FET oder die Beweglichkeit von Löchern bei einem P-FET.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Kennlinie geht hervor, daß eine Leuchtdiode als die Reihenschaltung aus einer konstanten Spannungsquelle mit der Spannung U(t) und einem Widerstand, dessen Wert cotg (α) entspricht. Für die Spannung U_DS aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gilt die untenstehende Beziehung:

U_DS = U(t) - U(b) + I(s) · R (4)

worin R der Summenwiderstand des Widerstandes 5 und der Leuchtdiode 2 ist. Weiterhin gilt:

I(1) = I(o) + I(s) + I_D (5)

worin I(s) der Signalstrom durch die Leuchtdiode 2 ist und I_D der Drain-Strom des Feldeffekttransistors 4 ist. Eine Kombination der Beziehungen (3), (4) und (5) liefert die Gleichung:

I(1) = I¹(o) + β(1) · I(s) - β(2)I²(s) (6)

worin

Die beiden Koeffizienten β(1) und β(2) können mit Hilfe der Spannungsquelle 7 und des Widerstandes 5 auf die erwünschten Werte zum Ausgleichen der nicht linearen statischen Übertragungskennlinie der Leuchtdiode 2 eingestellt werden.

Ein Fernsehsignal kann der Leuchtdiode in Form eines Stromes derart zugeführt werden, daß der Bodenpegel der Synchronimpulse dem Wert I(o) entspricht und daß der maximale Weißpegel dem Wert I(max) entspricht, siehe Fig. 2. Dies läßt sich auf bekannte Weise mit Hilfe des Operationsverstärkers 8 und der Quelle der Bezugsspannung 9 verwirklichen. Der Operationsverstärker 8 liefert nur während des Auftritts des Bodenpegels der Synchronimpulse des Videosignals Strom. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 8 wird während des Auftritts des Bodenpegels der Synchromimpulse auf eine derartige Spannung eingestellt, daß durch die Parallelkombination der Leuchtdiode 2 und des Feldeffekttransistors 4 ein Strom I¹(o)=U(9)/R(3) fließt, wobei I¹(o) in der Beziehung (6) definiert ist, U_GS die Spannung an der Bezugsquelle ist und R(3) der Widerstandswert des Widerstands 3 ist. Der Strom I¹(o) entspricht dem Strom I(o) durch die Leuchtdiode 2, wodurch die optische Leistung der Leuchtdiode während des Auftritts der Synchronimpulse auf dem Wert P(o) gehalten wird, siehe Fig. 2.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist 12 ein Transkonduktanzverstärker, der dazu benutzt wird, die Eingangsspannung U in einen Eingangsstrom I umzuwandeln, der dem Eingang (-) des Verstärkers 1 und der Hauptstromstrecke des Feldeffekttransistors 4 zugeführt wird, dessen Gate-Elektrode über die regelbare Spannungsquelle 7 mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist über die Reihenschaltung aus der Leuchtdiode 2 und dem Widerstand 3 mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Der Verbindungspunkt der Diode 2 und des Widerstandes 3 ist über die Hauptstromstrecke des Transistors 4 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1 verbunden. Parallel zu dem Widerstand 3 und zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers 8 liegt die Stromquelle 14. Der Ausgang des Verstärkers 8 ist mit dem Eingang des Verstärkers 12 verbunden.

Der Transkonduktanzverstärker 12 verwandelt das Eingangssignal U in einen Strom gleich: I=U/R(13), worin R(13) der Wert des Widerstandes 13 ist. Wenn die Schleifenverstärkung des Verstärkers 1 groß genug ist, gilt für den Strom I(1) durch die Leuchtdiode 2 die folgende Beziehung:

Darin ist R(4) der Widerstand zwischen den Punkten 15 und 16 aus Fig. 4 und R(3) der Widerstandswert des Widerstandes 3. Normalerweise ist R(4) » R(3). Die optische Ausgangsleistung P der Leuchtdiode 2 und der entsprechende Strom I(1) durch die Leuchtdiode 2 entsprechen auch hier den bereits genannten Beziehungen (1) und (2). Eine einfache Berechnung zeigt, daß in diesem Fall die positiven Konstanten (1) und (2) der folgenden Gleichung entsprechen:

Im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 braucht nun nur die Spannung U_GS der Quelle 7 eingestellt zu werden, um den gewünschten Ausgleich der nichtlinearen statischen Übertragungskennlinie der Leuchtdiode 2 zu erhalten.

Mit Hilfe des Verstärkers 8 wird die Spannung am Kondensator 10 derart eingestellt, daß während des Auftritts der Synchronimpulse die Spannung am Widerstand 3 gleich 0 ist. Dadurch wird während dieser Zeit der Strom I(o) der Stromquelle 14 durch die Leuchtdiode 2 fließen, wie dies erforderlich ist, siehe Fig. 2.

Claims

1. Optischer Sender zum Umwandeln elektrischer analoger Basisbandsignale in entsprechende intensitätsmodulierte optische Signale, mit einem Signaleingang, einem Differenzverstärker (1), einer Leuchtdiode (2), mit einer nicht-linearen Übertragskennlinie zwischen Strom und Leuchtintensität, einem Widerstand (3) und mit Mitteln zur Kompensation der nicht-linearen Übertragungskennlinie der Leuchtdiode (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Signaleingang gekoppelt ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (1),
der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (1) gekoppelt ist mit einem ersten Anschluß des Widerstandes (3),
ein zweiter Anschlußpunkt des Widerstandes (3) gekoppelt ist mit einer Referenzspannung (9),
der Ausgang des Differenzverstärkers (1) gekoppelt ist mit dem Eingang einer Parallelschaltung aus a) einer ersten Serienschaltung eines einstellbaren Widerstandes (5) und der Leuchtdiode (2) und b) einer zweiten Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle (6) und eines Feldeffekttransistors (4) in Source-Schaltung,
daß der Ausgang der Parallelschaltung mit dem ersten Anschluß des Widerstands (3) verbunden ist
und daß die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (4) mit dem Minuspol einer externen Vorspannungsquelle (7) zum Betreiben des Feldeffekttransistors (4) im Triodenbereich (zweiter Quadrant) verbunden ist, deren Pluspol mit dem ersten Anschluß des Widerstands (3) verbunden ist.

2. Optischer Sender zum Umwandeln elektrischer analoger Basisbandsignale in entsprechende intensitätsmodulierte optische Signale, mit einem Signaleingang, einem Differenzverstärker (1), einer Leuchtdiode (2) mit einer nicht-linearen Übertragungskennlinie zwischen Strom und Leuchtintensität, einem Widerstand (3) und Mitteln zur Kompensation der nicht-linearen Übertragungskennlinie der Leuchtdiode (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Signaleingang gekoppelt ist mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (1) und mit einer ersten Hauptelektrode eines Feldeffekttransistors (4),
der Ausgang des Differenzverstärkers (1) gekoppelt ist mit einem ersten Anschluß der Leuchtdiode (2),
der zweite Anschluß der Leuchtdiode (2) gekoppelt ist mit der zweiten Hauptelektrode des Feldeffekttransistors (4) und mit einem ersten Anschluß des Widerstandes (3),
der zweite Anschluß des Widerstands (3) mit dem Pluspol einer einstellbaren Spannungsquelle (7) verbunden ist, deren Minuspol mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (4) verbunden ist zum Betreiben des Feldeffekttransistors (4) im Triodenbereich
und daß dem Widerstand (3) eine Stromquelle (14) parallel geschaltet ist.