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An eine Foto diode angekoppelter Transimpedanz-Verstär-
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ker Die Erfindung bezieht sich auf einen an eine Fotodiode angekoppelten
Transimpedanz-Verstärker mit drei, jeweils einen Transistor aufweisenden Verstärkerstufen,
von denen die erste in Kollektor-Basisschaltung und die zweite in Emitter-Basisschaltung
betrieben ist, und bei dem der Transistor der dritten Verstärkerstufe wenigstens
emitterseitig eine Lastimpedanz aufweist und zwischen dem eingangsseitigen Basisanschluß
des Verstärkers und einem Schaltungspunkt des Verstärkers, der zu einem Verstärkereingangssignal
ein gegenphasiges Signal führt, ein Gegenkopplungswiderstand vorgesehen ist.
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Ein solcher Verstärker ist aus dem Aufsatz mit dem Titel "TRANSIMPEDANCE
OPTICAL PREAMPLIFIER HAVING A COMMON COLLECTOR FRONT END", abgedruckt in ELECTRONICS
LETTERS Vol. 18, No. 23, vom 11. November 82, bekannt. Die von solchen Verstärkern
empfangenen optischen Signale kommen meist mit unterschiedlich großem Leistungspegel
an, da sie z.B.
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unterschiedlich lange LWL-Übertragungsstrecken und/oder Lichtwellenleiter
mit voneinander verschiedener Dämpfung durchlaufen haben. Auch kann die Strahlungsleistung
der jeweils verwendeten Sendedioden voneinander abweichen.
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Jedenfalls ist es erwünscht, daß ein solcher Verstärker im Leistungspegel
stark voneinander abweichende optische Signale so verarbeiten kann, daß dabei keine
Übersteuerung des Verstärkers auftritt.
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Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist es aus der DE-PS 32 04
839 schon bekannt, den Kollektorwiderstand
des Transistors der ersten
Verstärkerstufe eines solchen Transimpedanz-Verstärkers mittels eines diesem Widerstand
parallel geschalteten Feldeffekt-Transistors so zu verändern, daß dadurch der Verstärkungsgrad
des Verstärkers dem Pegel der jeweils empfangenen optischen Impulse angepaßt werden
kann.
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Dies ist jedoch eine relativ aufwendige Methode, da dem Gate des Feldeffekt-Transistors
hierzu eine Steuerspannung zugeführt werden muß, die in Abhängigkeit vom Pegel der
optischen Signale schwankt.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Verstärker der
eingangs genannten Art derart auszubilden, daß mit einer relativ einfachen Schaltungsmaßnahme
verhindert werden kann, daß der Verstärker durch Eingangssignale mit großem Pegel
übersteuert wird.
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Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß
der Gegenkopplungswiderstand an den emitterseitigen Anschluß des dritten Transistors
angeschlossen ist und daß der kollektorseitige Anschluß des zweiten Transistors
über eine Diode, die im Ruhezustand des Verstärkers durch die Speisespannung des
zweiten Transistors in Sperrichtung gepolt ist, mit dem Basisanschluß des ersten
Transistors verbunden ist.
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Durch den Anschluß der Diode an den Kollektor des zweiten Transistors,
der in Emitter-Basisschaltung betrieben wird, ist die Diode im Ruhezustand, also
beim optischen Eingangspegel Null sicher gesperrt, da am Kollektor des zweiten Transistors
im Ruhezustand des Verstärkers nahezu der volle Wert der Speisespannung liegt. Je
größer der Pegel der optischen Eingangssignale ist, desto stärker wird der zweite
Transistor leitend. Die Diode wird dadurch rasch zunehmend Strom führen. Der Diodenstrom
wirkt am Eingang des ersten Transistors dem Strom durch die Fotodiode umso
stärker
entgegen, je größer der Eingangspegel der optischen Signale ist. Infolgedessen wird
eine Übersteuerung des Verstärkers durch optische Signale mit großem Pegel sicher
vermieden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß
eine weitere Diode dem Gegenkopplungswiderstand parallel geschaltet ist und mit
ihrer Kathode mit dem Basisanschluß des ersten Transistors verbunden ist.
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Besonders vorteilhaft wird auf diese Weise ein Eingangsverstärker
für optische Signale bereitgestellt, der weitgehend störungsfrei sogenannte dreistufige
optische Signale verarbeiten kann. Diese dreistufigen optischen Signale gehen von
einem optischen Ruhepegel aus, der etwa das 0,5-fache des optischen Maximalpegels
beträgt.
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Optische Impulse können hierbei dadurch gebildet werden, daß für die
Zeitspanne eines Impulses der optische Pegel den maximalen Wert oder den Wert Null
annimmt. Die eine Diode übernimmt dabei die Verminderung des Verstärkungsgrades
beim Auftreten der optischen Signale in der einen Richtung, ausgehend vom Pegel
0,5, und die andere Diode wird bei optischen Signalen wirksam, die vom Pegel 0,5
ausgehend zu den erstgenannten optischen Signalen gegengerichtet sind. Zugleich
sorgen die beiden Dioden dafür, daß, bei geeigneter Bemessung des Verstärkers, der
optische Ruhepegel, unabhängig von seiner absoluten Größe, jeweils am Verstärkerausgang
denselben elektrischen Pegel verursacht.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß als Dioden
Schottky-Dioden vorgesehen sind.
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Die Verwendung solcher Dioden sorgt für ein rasches Ansprechen der
Kompressionswirkung, da solche Dioden eine relativ sehr geringe Schwellspannung
haben.
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Weiter kann vorgesehen sein, daß der dritte Transistor eine kollektorseitige
Lastimpedanz aufweist und daß ein Kondensator zwischen dem Kollektoranschluß des
dritten Transistors und dem vom Emitteranschluß abgewandten Ende des Gegenkopplungswiderstandes
vorgesehen ist.
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Dadurch wird vorteilhaft die Kapazität der beiden Dioden kompensiert,
wodurch die Ansprechzeit der Kompressionswirkung verkürzt wird.
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Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, daß der Emitterwiderstand des
dritten Transistors in zwei Serienwiderstände aufgeteilt ist und daß eine Shunt-Diode
dem masseseitigen Serienwiderstand parallel geschaltet ist.
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Diese Schaltung ist besonders vorteilhaft, wenn der letzte Transistor
neben dem Emitterwiderstand einen Kollektorwiderstand aufweist, um z.B. das Ausgangssignal
des Verstärkers am Kollektor abzugreifen. Die wirksame Emitterimpedanz wird durch
die stromdurchflossene Shunt-Diode verringert, wodurch letztlich die am Kollektor
abgegriffene Spannung erhöht wird.
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Zur weiteren Erhöhung der Kollektorimpedanz des dritten Transistors
kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß die kollektorseitige Lastimpedanz des dritten
Transistors durch einen aperiodisch gedämpften Schwingkreis realisiert ist.
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Schließlich kann noch vorgesehen sein, daß die Emitter-und Kollektoranschlüsse
des dritten Transistors durch nachgeschaltete RC-Glieder als Signalabgriffe für
jeweils ein dem mittleren Eingangsignal des Verstärkers proportionales Signal ausgebildet
sind.
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Hierdurch können z.B. für Überwachungs- und Regelaufgaben bezüglich
der optischen Übertragungsstrecke geeignete Signale gewonnen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von sieben
Figuren noch näher erläutert.
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Dabei zeigen die Figuren jeweils unter Weglassung aller nicht unbedingt
zum Verständnis der Wirkungsweise des Verstärkers nach der Erfindung erforderlichen
Einzelheiten, Fig. 1 ein Schaltbild des Verstärkers, der zum Empfang von optischen
Signalen, die von einem Nuilpegel ausgehen, geeignet ist, Fig. 2 das Schaltbild
eines Verstärkers, der ein Differenzierglied aufweist, um aus den Signalflanken
der optischen Signale Nadelimpulse abzuleiten.
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die Figuren 3 bis 6 mögliche Modifikationen der in den Figuren 1 und
2 dargestellten Verstärkerschaltungen und Fig. 5 das Diagramm eines dreistufigen
optischen Signals.
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Im einzelnen ist Figur 1 zu entnehmen, daß der Transimpedanz-Verstärker
drei Verstärkerstufen aufweist, die jeweils einen Transistor enthalten. Der erste
Transistor 1 ist in Kollektor-Basisschaltung betrieben und in seinen Basis-Kollektoreingangskreis
ist eine PIN-Photodiode 2 eingefügt, über die der Transistor 1 zunehmend Basisstrom
erhält, wenn die PIN-Photodiode 2 durch ein optisches Signal belichtet wird. Der
Transistor 3 der zweiten Verstärkerstufe des Transimpedanz-Verstärkers ist in Emitter-Basisschaltung
betrieben und wird daher synchron zum Transistor 1
der ersten Verstärkerstufe,
mit dessen emitterseitigem Anschluß 4 die Basiselektrode des Transistors 3 verbunden
ist, zunehmend leitend, wenn die Intensität des optischen Signals, das auf die PIN-Photodiode
2 einwirkt, ebenfalls zunimmt.
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Der Transistor 5 der dritten Verstärkerstufe ist bei dem in Fig. 1
dargestellten Beispiel in Kollektor-Basisschaltung betrieben und mit seiner Basiselektrode
an einen kollektorseitigen Abgriff 6 des Transistors 3 der zweiten Verstärkerstufe
angeschlossen. An einem emitterseitigen Abgriff 7 des Transistors 5 der dritten
Verstärkerstufe wird die Ausgangsspannung Ua des Verstärkers abgenommen. Die Ausgangsspannung
Ua ist dabei die an dem Emitterwiderstand 8 liegende Spannung, der zwischen den
Schaltungspunkt 7 und Masse eingefügt ist.
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Der Schaltungspunkt 7 ist außerdem über einen Widerstand 9 mit dem
Basisanschluß 10 des Transistors 1 der ersten Verstärkerstufe verbunden. Schließlich
ist noch zwischen den Schaltungspunkten 6 und 10 eine Diode 11 vorgesehen. Die Diode
11 ist dabei so gepolt, daß sich durch die gewählten Arbeitspunkte der drei Transistoren
im Ruhezustand für die Diode 11 eine Sperrspannung ergibt.
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Bei zunehmendem optischem Pegel der optischen Signale, die auf die
PIN-Photodiode 2 einwirken, wird der Transistor 3 zunehmend stromführend. Das Potential
des Schaltungspunktes 6 nähert sich dabei immer mehr dem Massepotential, wobei der
rasch sich vergrößernde Strom durch die Diode 11, die vorteilhaft durch eine Schottky-Diode
gebildet wird, verhindert, daß der von der PIN-Photodiode 2 gelieferte Basisstrom
für den Transistor 1 bei großen Pegeln der optischen Signale den Transistor 1 übersteuern
kann.
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Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines gegenüber dem anhand von Fig. 1
erläuterten Verstärker modifizierten Verstärkeraufbaus. Bei dem Verstärker nach
Fig. 2 ist zusätzlich zur Diode 11 eine weitere Diode 12 zwischen den Schaltungspunkt
7 und den Schaltungspunkt 10 geschaltet. Die Diode 12 ist so gepolt, daß sie mit
ihrer Kathode am Basisanschluß 10 des ersten Transistors 1 liegt.
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Auf diese Weise ist der Verstärker nach Fig. 2 besonders dazu geeignet,
um optische Eingangssignale zu verarbeiten, die dreistufig sind. Solche optischen
Signale, vergleiche hierzu insbesondere Fig. 7, gehen von einem optischen Ruhepegel
aus, der etwa den Wert 0,5 des maximalen optischen Pegels aufweist. Die optischen
Signale werden dabei dadurch realisiert, daß für die Dauer eines Signalimpulses
der optische Pegel entweder den Wert Null annimmt, ein solches Signal ist in Fig.
7 mit 13 bezeichnet oder den maximalen Pegelwert, vergleiche hierzu in Fig.l das
Signale4.
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Bei der Verstärkerschaltung nach Fig. 2 tritt die Diode 11 in Aktion,
wenn die optischen Signale 14 einen so großen Leistungspegel aufweisen, daß sie
den Verstärker zu übersteuern drohen und die Diode 12 für die optichen Signale 13.
Beide Dioden sind vorteilhaft an niederohmige Strompfade angeschlossen, denn der
Strompfad der Diode 11 verläuft über den Transistor 3 nach Masse und der Strompfad
der Diode 12 über den Transistor 5 zu dem von Masse abgewandten Pol der Betriebsspannungsquelle.
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Die Schaltung nach Fig. 2 kann auch vorteilhaft bei optischen Signalen
verwendet werden, die nur zweistufig sind, also von einem Nullpegel ausgehen. In
diesem Fall ist dafür zu sorgen, daß die Wirkung der optischen Signale auf den Verstärker
durch ein Differenzierglied beeinflußt wird,
das bei jeder Signalflanke
des optischen Signals bewirkt, daß ein bei einer Anstiegsflanke in der einen Richtung
und bei einer Abstiegsflanke des optischen Signals in der anderen Richtung gepolter
Nadelimpuls auftritt. Ein solches Differenzierglied ist in Fig. 2 durch zwei in
Serie geschaltete Widerstände 15, 16 realisiert, die dem Widerstand 9 parallel geschaltet
sind und deren Verbindungspunkt 17 über einen Kondensator 18 an Masse angeschlossen
ist. Die Dioden 11 und 12 verhindern dabei, daß bei der Erzeugung der Nadelimpulse
eine Übersteuerung des Verstärkers infolge zu großer optischer Eingangspegel auftreten
kann. Die Wirkungsweise der Dioden 11, 12 ist dabei dieselbe wie bei einem dreistufigen
optischen Eingangssignal.
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Fig. 3 zeigt, wie durch die Einfügung eines Kondensators 19 zwischen
einen kollektorseitigen Anschlußpunkt 20 des Transistors 5 der dritten Verstärkerstufe
und den Schaltungspunkt 10 die Kapazität der Dioden 11 und 12 kompensiert werden
kann.
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Außerdem ist aus Fig. 3 zu ersehen, daß zwischen den Schaltungspunkt
20 und den von Masse abgewandten Pol der Speisespannungsquelle + UB ein Kollektorwiderstand
21 eingefügt werden kann, so daß eine Ausgangsspannung Ua am Schaltungspunkt 20
abgegriffen werden kann.
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Zur Verminderung der wirksamen Emitter-Impedanz des Transistors 5
der dritten Verstärkerstufe kann auch der Emitterwiderstand 8 in zwei Serienwiderstände
8a und 8b aufgeteilt, vergleiche hierzu Fig. 4, und einem der beiden Teilwiderstände
8b eine Diode 22 parallel geschaltet werden, so daß der Teilwiderstand 8b durch
die Diode 22, deren Widerstandswert im leitenden Zustand sehr gering ist, überbrückt
wird. Bei nur schwach leitendem Tran-
sistor 5 ist die Diode 22
stromlos und der für den Transistor 5 resultierende Emitterwiderstand ist dann durch
die Reihenschaltung der Widerstände 8a und 8b gegeben.
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Zur Erhöhung der Kollektorimpedanz des Transistors 5 der dritten Verstärkerstufe
kann der Kollektorwiderstand 21 des Transistors 5 auch durch einen vom Widerstand
21 aperiodisch gedämpften Schwingkreis 23 gebildet sein, wie Fig. 5 zeigt.
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Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß an die emitter- und kollektorseitigen
Schaltungspunkte 7, 20 jeweils RC-Glieder 24 angeschlossen werden können. Bei geeigneter
Bemessung dieser Glieder kann am Ausgang dieser RC-GLieder ein Signal abgegriffen
werden, das dem mittleren optischen Eingangspegel proportional ist.