DE3623135A1

DE3623135A1 - Optical amplifier

Info

Publication number: DE3623135A1
Application number: DE19863623135
Authority: DE
Inventors: Stefanos Dipl Ing Dermitzakis; Jasbeer-Singh Suri
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1986-07-09
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1988-01-28

Abstract

In an optical amplifier, a transimpedance amplifier is provided as amplifier, the input stage of which exhibits a field-effect tetrode and the first stage of which is followed by a second stage having a bipolar transistor in a common-base circuit, which, together with the field-effect tetrode, forms the first stage of a cascode. In addition, a third stage is provided which forms the output of the amplifier and exhibits a bipolar transistor in common-emitter circuit.

Description

Optische Signale werden beispielsweise durch Fotodioden in elektrische Signale umgesetzt. Die von Fotodioden ge lieferten Signale (Fotoströme) sind im allgemeinen sehr schwach und müssen in geeigneten Verstärkern auf eine für die Weiterverarbeitung erforderliche Größe verstärkt werden.Optical signals are, for example, by photodiodes converted into electrical signals. The ge of photo diodes delivered signals (photocurrents) are generally very weak and need to be used in a suitable amplifier the size required for further processing is increased will.

An optische Verstärker, die im allgemeinen mit einer Foto diode direkt gekoppelt sind, werden je nach Anwendungs fall besondere Anforderungen hinsichtlich Bandbreite, Dynamik und Rauschen gestellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Verstärker mit relativ großer Bandbreite und großem Signal-Rausch-Verhältnis anzugeben. Diese Aufgabe wird bei einem optischen Ver stärker mit mehreren Stufen nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verstärker ein Transimpedanz-Verstärker ist, daß die erste Stufe eine Feldeffekt-Tetrode aufweist, daß der ersten Stufe eine zweite Stufe mit einem bipola ren Transistor in Basisschaltung nachgeschaltet ist, daß der Transistor der zweiten Stufe mit der Tetrode der ersten Stufe eine Kaskode bildet und daß der zweiten Stufe eine dritte Stufe mit einem bipolaren Transistor in Emitterschaltung nachgeschaltet ist. To optical amplifiers, generally with a photo diode are directly coupled, depending on the application if there are special bandwidth requirements, Dynamics and noise posed. The invention is the Task based on an optical amplifier with relative large bandwidth and large signal-to-noise ratio specify. This task is in an optical Ver stronger with multiple stages according to the invention solved that the amplifier is a transimpedance amplifier is that the first stage has a field effect tetrode, that the first stage is a second stage with a bipola ren transistor is connected in the basic circuit that the transistor of the second stage with the tetrode of the first stage forms a cascode and that the second Stage a third stage with a bipolar transistor is connected in an emitter circuit.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ein gangskapazität C _e am Eingang eines optischen Verstärkers, der ein Transimpedanz-Verstärker ist, sehr wesentlich die Bandbreite und das Signal-Rauschverhältnis des Ver stärkers bestimmt. Die Eingangskapazität C _e ergibt sich aus der BeziehungThe invention is based on the finding that the input capacitance C _e at the input of an optical amplifier, which is a transimpedance amplifier, very significantly determines the bandwidth and the signal-to-noise ratio of the amplifier. The input capacitance C _e results from the relationship

C _e = C _p + C _s + V _o · C _r, C _e = C _p + C _s + V _o · C _r ,

wobei C _p die Sperrschichtkapazität der Fotodiode, V _o die Spannungsverstärkung der ersten Stufe und C _r die Rück wirkungskapazität ist. C _s setzt sich aus den parasitären Schaltkapazitäten zusammen.where C _{p is} the junction capacitance of the photodiode, V _{o is} the voltage gain of the first stage and C _{r is} the reaction capacitance. C _s is made up of the parasitic switching capacitances.

Die Eingangskapazität C _e wird im wesentlichen durch die sogenannte Miller-Kapazität V _o · C _r bestimmt. Die Rückwir kungskapazität C _r ist bei einem bipolaren Transistor die Kollektor-Basis-Kapazität bzw. bei einem Feldeffekttran sistor die Gate-Drain-Kapazität. C _r kann einige pF groß sein, und da V _o meistens größer als 10 ist, ergibt sich eine beträchtliche Gesamt-Kapazität am Eingang des Ver stärkers.The input capacitance C _e is essentially determined by the so-called Miller capacitance V _o · C _r . The feedback capacitance C _r is the collector-base capacitance in the case of a bipolar transistor and the gate-drain capacitance in the case of a field-effect transistor. C _r can be a few pF in size, and since V _{o is} usually greater than 10, there is a considerable total capacitance at the input of the amplifier.

Durch den Einsatz von Tetroden wie z. B. Si-MOS-Tetroden bzw. GaAs-MESFET-Tetroden wird jedoch die Rückwirkungs kapazität reduziert und damit auch die Eingangskapazität wesentlich verringert.Through the use of tetrodes such. B. Si-MOS tetrodes or GaAs MESFET tetrodes, however, is the reaction capacity reduced and thus also the input capacity significantly reduced.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß durch das zweite Gate der Tetrode der Arbeitspunkt verändert werden kann, eine Modulation durchgeführt werden kann und der Verstärker gesperrt oder allgemein geregelt werden kann. The invention has the further advantage that second gate of the tetrode the working point can be changed can, a modulation can be carried out and the Amplifier can be locked or regulated in general.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbei spiel erläutert.The invention is illustrated below in one embodiment game explained.

Die Fig. 1 zeigt die Prinzip-Schaltung eines Transimpe danz-Verstärkers. Ein Transimpedanz-Verstärker ist ein Verstärker, bei dem der Quotient aus Ausgangsleerlaufspan nung und Eingangsstrom im wesentlichen durch einen Wider stand zwischen dem Ein- und Ausgang des Verstärkers be stimmt wird. Dieser Widerstand ist in der Fig. 1 der Widerstand R _F. U _s ist die Versorgungsspannung der Foto diode FD und C _e ist die wirksame Gesamt-Kapazität am Ein gang des Verstärkers. Fig. 1 shows the basic circuit of a transimpedance amplifier. A transimpedance amplifier is an amplifier in which the quotient of the output idle voltage and the input current is essentially determined by a resistance between the input and output of the amplifier. This resistance is the resistance R _F in FIG. 1. U _s is the supply voltage of the photo diode FD and C _e is the effective total capacitance at the input of the amplifier.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung nach der Erfindung. Die Schaltung der Fig. 1 weist eine erste Stufe mit einer Si- MOS-Feldeffekt-Tetrode Q 1 auf. Die zweite Stufe enthält einen bipolaren Transistor Q 2 in Basisschaltung. Die dritte Stufe weist einen bipolaren Transistor Q 3 in Emit terschaltung auf. Fig. 2 shows a circuit according to the invention. The circuit of FIG. 1 has a first stage with a Si-MOS field effect tetrode Q 1 . The second stage contains a bipolar transistor Q 2 in the basic circuit. The third stage has a bipolar transistor Q 3 in emitter circuit.

Bei der Schaltungsanordnung der Fig. 2 ist das zweite Gate der Feldeffekt-Tetrode Q 1 mit der Basis des bipola ren Transistors Q 2 verbunden. Mittels des Spannungstei lers R 1/R 2 können gleichzeitig die Arbeitspunkte des PNP- Transistors Q 2 und der MOS-Tetrode Q 1 eingestellt werden. An das erste Gate G 1 der Tetrode ist die Fotodiode FD und der Rückkopplungswiderstand R _F angeschlossen. G 1 ist der Signaleingang des Verstärkers. Die Fotodiode FD kann mit ihrer Anode oder Kathode an das Gate G 1 angeschlossen sein, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das Gate G 1 mit einer positiven oder negativen Vorspannung U _Rbetrieben wird. In the circuit arrangement of FIG. 2, the second gate of the field effect tetrode Q 1 is connected to the base of the bipolar transistor Q 2 . By means of the voltage divider R 1 / R 2 , the operating points of the PNP transistor Q 2 and the MOS tetrode Q 1 can be set simultaneously. The photodiode FD and the feedback resistor R _{F are} connected to the first gate G 1 of the tetrode. G 1 is the signal input of the amplifier. The anode or cathode of the photodiode FD can be connected to the gate G 1 , depending on whether the gate G 1 is operated with a positive or negative bias voltage U _R.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung mit einer GaAs-MESFET-Tetrode in der Eingangs stufe. Das Gate G 1 ist auch bei dieser Schaltung der Sig nal-Eingang. Die beiden Dioden D 1 und D 2 werden verwen det, um die für das Gate G 1 der Tetrode erforderliche Vorspannung gegen Masse zu erzeugen. Anstelle der Dioden kann auch eine RC-Kombination eingesetzt werden. Fig. 3 shows a second embodiment of the invention with a GaAs MESFET tetrode in the input stage. The gate G 1 is also the signal input in this circuit. The two diodes D 1 and D 2 are used to generate the bias to ground required for the gate G 1 of the tetrode. An RC combination can also be used instead of the diodes.

Die Vorspannung des Gate G 2 der Tetrode und damit der Ar beitspunkt der Tetrode Q 1 wird mittels des Spannungstei lers R 3/R 5 erzeugt. Das Gate G 2 kann aber auch am Punkt B angeschlossen werden. In diesem Fall wird der Widerstand R 5 eingesetzt, die Widerstände R 3 und R 5 entfallen und die Arbeitspunkte der Tetrode Q 1 und des bipolaren Tran sistors Q 2 werden durch eine geeignete Dimensionierung von R 1, R 5 und R 2 gemeinsam eingestellt.The bias of the gate G 2 of the tetrode and thus the working point of the tetrode Q 1 is generated by means of the voltage divider R 3 / R 5 . The gate G 2 can also be connected at point B. In this case, the resistor R 5 is used, the resistors R 3 and R 5 are omitted and the operating points of the tetrode Q 1 and the bipolar transistor Q 2 are set together by suitable dimensioning of R 1 , R 5 and R 2 .

Claims

1. Optical amplifier, characterized in that the amplifier is a transimpedance amplifier, that its input stage has a field effect tetrode, that the first stage is followed by a second stage with a bipolar transistor in the basic circuit, which with the field effect tetrode first stage forms a cascode, and that a third stage is provided, which forms the output of the amplifier and has a bipolar transistor in emitter circuit.

2. Optical amplifier according to claim 1, characterized records that the field effect tetrode is a Si-MOS field effect tetrode or a GaAs MESFET tetrode.

3. Optical amplifier according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the second gate of the field effect Tetrode with the base of the downstream bipolar Transistor is connected.

4. Optical amplifier according to one of claims 1 to 3, characterized in that to the first gate of the field effect tetrode, a photodiode and the feedback resistor R _{F are} connected.