DE3620931A1 - Empfaenger fuer optische digitalsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger für optische Di­ gitalsignale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Empfänger für optische Digitalsignale enthalten meist einen an eine Fotodiode angekoppelten Transimpe­ danz-Verstärker, sowie einen nachgeschalteten Komparator, der entsprechend den empfangenen Lichtimpulsen Spannungs­ impulse abgibt. Hierbei nimmt beispielsweise der Kompara­ torausgang die logische "1" an, wenn die Fotodiode be­ lichtet wird, bzw. umgekehrt.

Aus der Europäischen Patentanmeldung 00 52 221 ist ein Transimpedanz-Verstärker bekannt, der durch einen Opera­ tionsverstärker realisiert ist. Zur Umwandlung in binäre Spannungssignale ist diesem Operationsverstärker ein Kom­ parator nachgeschaltet.

Aus dem Aufsatz "Transimpedanz Optical Preamplifier Having A Common Collector Front End" abgedruckt in elektronics letters Vol. 18 no. 23, vom 11. 11. 82 ist ein diskret aufgebauter Tranzimpedanz-Verstärker bekannt, der drei jeweils einen Transistor aufweisende Verstär­ kerstufen aufweist.

Bei solchen gleichstromgekoppelten Empfängern für opti­ sche Digitalsignale ist das Umschalten des vom Komparator abgegebenen Ausgangssignales von dem Absolutwert des Stro­ mes abhängig, der durch die Fotodiode fließt. Der Kompa­ rator kann hierbei nicht unterscheiden, ob der durch die Fotodiode fließende Strom ein Fotostrom aufgrund einer Belichtung der Fotodiode ist, oder der durch eine Tem­ peraturerhöhung anwachsende Dunkelstrom der Foto­ diode.

Der Dunkelstrom der Fotodiode, der bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 1 bis 10 nA liegt, wächst exponentiell mit der Temperaturerhöhung an, und er­ reicht bei 80°C Werte von ca. 100 nA. Dies bedeutet, daß ein Empfänger durch einen solch hohen Fotodioden- Dunkelstrom bereits in seiner Funktion gestört wird.

Es ist möglich, die Umgebungstemperatur des Empfängers auf Werte zu begrenzen, bei denen der Dunkelstrom der Fotodiode noch hinreichend klein ist.

Es ist weiter möglich, die Fotodiode mit einer Ver­ spannung O zu betreiben, d. h. es kann kein Dunkelstrom fließen. Hierdurch ist allerdings die Übertragungsrate für die optischen Digitalsignale begrenzt, sowie die Empfindlichkeit der Fotodioden reduziert.

Es ist weiter möglich, die Empfindlichkeit des Empfän­ gers soweit zu reduzieren, daß auch bei der höchsten auftretenden Umgebungstemperatur der Dunkelstrom der Fotodiode viel kleiner ist als der zum Schalten er­ forderliche Fotostrom.

Aus dem "Telecommunications Databook" der National Semi­ conductor Corporation 1984, Seite 5-23, ist ein optischer Empfänger bekannt, der zwei jeweils mit einer Fotodiode gekoppelte Verstärker aufweist. Hierbei wird nur eine der Fotodioden beleuchtet. Die Ausgänge der Verstärker sind an einem Komparator angeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Empfänger für optische Digitalsignale anzugeben, der bei hoher Ein­ gangsempfindlichkeit gegen große Temperaturerhöhungen un­ empfindlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

In der einzigen Figur ist ein Transimpedanz-Verstärker TIV dargestellt, der drei Verstärkerstufen aufweist, die je­ weils einen Transistor enthalten. Die Transistoren sind hierbei nicht näher bezeichnet. Der erste Transistor ist in Kollektor-Basisschaltung betrieben und in seinen Ba­ siskollektoreingangskreis ist eine aktive Fotodiode FD eingefügt, über die der erste Transistor über einen Ein­ gang E zunehmend Basisstrom enthält, wenn die Fotodiode FD durch ein optisches Signal belichtet wird. Am Eingang E ist eine erste Spannung U 1 abgreifbar.

Der zweite Transistor ist in Emitter-Basisschaltung be­ trieben, und wird daher synchron zum ersten Transistor, mit dessen emitterseitigem Anschluß die Basiselektrode des zweiten Transistors verbunden ist, zunehmend leitend, wenn die Intensität des auf die Fotodiode Diode FD ein­ wirkenden optischen Signals zunimmt.

Der dritte Transistor ist in Kollektor-Basisschaltung betrieben und mit seiner Basiselektrode an einem kollek­ torseitigen Abgriff des zweiten Transistors angeschlos­ sen. An einem emitterseitigen Abgriff des dritten Tran­ sistors wird über einen Ausgang A als Ausgangsspannung des Transimpedanz-Verstärkers TIV eine zweite Spannung U 2 abgegeben.

Der Ausgang A, der über einen Rückkopplungswiderstand RK mit dem Eingang E verbunden ist, ist mit dem invertieren­ den Eingang eines Komparators K verbunden.

Der Eingang E des Transimpedanz-Verstärkers TIV ist über einen ersten Widerstand R 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist erfindungsgemäß über die Anoden/Kathodenstrecke einer weiteren Fotodiode FDO mit einer Betriebsspannung UB verbunden. Diese weitere Fotodiode FDO wird nicht be­ lichtet, und ist daher in der Darstellung schwarz einge­ färbt. Zwischen die Eingänge des Operationsverstärkers OP ist ein Kondensator C geschaltet.

Am Ausgang des Operationsverstärkers OP, der über einen zweiten Widerstand R 2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden ist, ist eine dritte Spannung U 3 abgreifbar. Diese dritte Spannung U 3 wird über einen aus einem dritten und einem vierten Wider­ stand R 3, R 4 bestehenden Spannungsteiler auf eine vierte Spannung U 4 reduziert. Diese vierte Spannung U 4 liegt am nichtinvertierenden Eingang des Komparators K an, von dessen Datenausgang DA die in digitale Spannungssignale umgewandelten optischen Datensignale abgreifbar sind.

Bei einer Erhöhung der Umbegungstemperatur für die Foto­ diode FD und die weitere Fotodiode FDO steigt der Dunkel­ strom durch beide Dioden an. Hierdurch steigt sowohl die zweite Spannung U 2 am Ausgang A des Transimpedanz-Ver­ stärkers TIV, als auch die vierte Spannung U 4 an, die als Referenzspannung am Komparator K anliegt. Die vierte Spannung U 4 liegt üblicherweise 50 mV unterhalb der zweiten Spannung U 2. Diese Spannungsdifferenz bleibt auch bei einer größeren Temperaturerhöhung erhalten, wenn die beiden Fotodioden FD und FDO ein gleicharti­ ges Temperaturverhalten aufweisen. Auf diese Weise bleibt die Empfindlichkeit des Empfängers erhalten.

Der Transimpedanz-Verstärker TIV kann auch durch einen rückgekoppelten Operationsverstärker realisiert sein, wie er in der eingangs zitierten Europa-Patentanmel­ dung beschrieben ist.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers für optische Digitalsignale weisen die Fotodiode FD und die weitere Fotodiode FDO gleiche Abmessungen auf, und sind benachbart auf einem Halbleiterchip untergebracht. Sie weisen daher annähernd gleichen Sperrstrom und glei­ che Temperaturabhängigkeit bei gleicher Temperatur auf.

Die beiden Fotodioden FD und FDO können auch in ein Ge­ häuse eingebaut werden, wobei beide Chips elektrisch kontaktiert sind, aber nur der aktive Chip, d. h. die Fotodiode FD, belichtet wird. Hierbei kann die weitere Fotodiode FDO mit einer strahlungsundurchlässigen Me­ tallschicht abgedeckt sein.

Claims (3)

1. Empfänger für optische Digitalsignale mit einem Trans­ impedanz-Verstärker (TIV), dessen Eingangsklemme (E) über eine aktive Fotodiode (FD) mit einer Betriebsspan­ nung (UB) verbunden ist, und dessen Ausgangsklemme (A) an einem Eingang eines Komparators (K) angeschaltet ist, gekennzeichnet durch einen Operationsverstärker (OP) , dessen einer Eingang mit der Eingangsklemme (E), und dessen anderer Eingang über eine weitere, unbelichtete Fotodiode (FDO) mit der Betriebsspannung (UB) verbunden sind, und aus dessen Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler (Wider­ stände R 3, R 4) eine am anderen Eingang des Komparators (K) anliegende Referenzspannung (U 4) erzeugt wird.

2. Empfänger für optische Digitalsignale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fotodioden (FD, FDO) in einem Halbleiter- Chip integriert sind und gleiche Abmessungen aufweisen.

3. Empfänger für optische Digitalsignale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fotodiode (FDO) mit einer strahlungsun­ durchlässigen Metallisierung abgedeckt ist.