DE3743765A1 - Optischer empfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger mit ei­ nem Transimpedanzverstärker, an dessen Eingang ein Photo­ element und eine gesteuerte Lastimpedanz angeschlossen sind.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z.B. aus der US-PS 44 15 803 bekannt. Es ist eine Photodiode mit dem Eingang eines Transimpedanzverstärkers verbunden. Der Transimpedanzverstärker ist ein Strom-Spannungswandler, welcher den Photostrom der Photodiode in eine proportio­ nale Spannung wandelt. Transimpedanzverstärker bieten we­ gen eines niedrigen Eingangswiderstandes den Vorteil ei­ ner hohen Frequenz-Bandbreite. Damit die Empfangsschal­ tung mit unterschiedlichen Eingangspegeln betrieben wer­ den kann, ist eine Dynamikregelung vorgesehen. Durch die­ se wird das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers sowohl bei kleinen Eingangspegeln als auch bei hohen Ein­ gangspegeln konstant gehalten.

Hierzu wird das Ausgangssignal des Transimpedanzverstär­ kers einem Regelverstärker zugeführt. Dieser Regelver­ stärker bildet aus der Spitzenspannung des Eingangssig­ nals eine Gleichspannung. Überschreitet diese Gleichspan­ nung einen vorgebbaren Spannungspegel, so wird eine am Eingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossene Last­ impedanz so gesteuert, daß mit steigender Spitzenspannung des Eingangssignals der Widerstandswert der Lastimpedanz sinkt. Da die Photodiode mit der Lastimpedanz zusätzlich belastet wird, wird ein vom Verhältnis Eingangswiderstand des Transimpedanzverstärkers zu Widerstand der Lastimpe­ danz abhängiger Anteil des Photostroms durch die Lastim­ pedanz abgeleitet. Hierdurch wird der Eingangsstrom des Transimpedanzverstärkers begrenzt. Die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers steigt nur unterproportional zur Ausgangsleistung der Photodiode.

Diese Schaltungsanordnung erlaubt eine Dynamikerweiterung des Transimpedanzverstärkers über einen weiten Bereich. Bei sehr großen Differenzen der optischen Eingangspegel sind jedoch Signalverzerrungen, z.B. durch Übersteuerung des Transimpedanzverstärkers, nicht gänzlich auszu­ schließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Dynamikbereich vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Eingang des Transimpedanzverstärkers eine Stromsenkenschaltung ange­ schlossen ist, welche durch ein aus dem Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers abgeleitetes Steuersignal gesteuert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und er­ läutert.

Die Zeichnung zeigt einen optischen Empfänger, welcher moduliertes Licht in elektrische Signale wandelt. Das mo­ dulierte Licht wird über eine nicht dargestellte Glasfa­ ser einer Photodiode 1 zugeführt. Die Anode der Photodio­ de 1 ist mit einer negativen Vorspannung -U 1 vorge­ spannt. Die Kathode der Photodiode 1 ist mit dem Ein­ gang -E eines Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Der Ausgang A des Transimpedanzverstärkers 2 ist einem Regel­ verstärker 3 zugeführt. Der Regelverstärker 3 besteht im wesentlichen aus einem invertierenden Vorverstärker 31 und einem ersten, als Integrator beschalteten, Operati­ onsverstärker 32. Überschreitet die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers einen mit einer Vergleichsspan­ nung am Operationsverstärker 32 vorgebbaren Spannungspe­ gel, so wird das Ausgangssignal des Regelverstärkers 3 positiv. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers ist dem Steuereingang einer steuerbaren Lastimpedanz 4 zuge­ führt. Die Lastimpedanz liegt zwischen dem Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 und einer positiven Betriebs­ spannung +U 3. Die Lastimpedanz ist im Ausführungsbeispiel die Basis-Emitter-Strecke eines Lasttransistors 40 mit Hochfrequenzeigenschaften, der Steuereingang der Basisan­ schluß dieses Lasttransistors 40. Die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers 2 ist dem Eingang einer Steuerschaltung 5 zugeführt, welche die Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers konstant halten soll. Hierzu ist der Eingang eines zweiten invertierenden Verstärkers 51 über einen Koppelkondensator C mit dem Ausgang A des Transimpedanzverstärkers verbunden. Der Ausgang dieses Verstärkers 51 ist über eine Diode mit dem Eingang eines zweiten Integrators verbunden, dessen aktives Bauelement ein zweiter Operationsverstärker 52 ist. Zwischen Diode und Bezugspotential liegt ein Ladekondensator. Mittels dieser Schaltungsanordnung wird die Wechselspannungskom­ ponente der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstär­ kers 2 gleichgerichtet und mit einer am nicht-invertie­ renden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 52 an­ liegenden zweiten Vergleichsspannung U 2 verglichen. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 52 ist zugleich der Ausgang der Steuerschaltung 5 und ist mit dem Steuer­ eingang einer steuerbaren Stromsenkenschaltung 6 verbun­ den. Der Ausgang der Stromsenkenschaltung 6 ist mit dem Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Bei An­ steuerung der Stromsenkenschaltung mit einem negativen Steuerpegel liefert die Stromsenkenschaltung 6 keinen Ausgangsstrom. Wird die Stromsenkenschaltung 6 hingegen mit einer positiven Eingangsspannung angesteuert, so ist der Ausgangsstrom proportional zu dieser Steuerspannung. Im Ausführungsbeispiel besteht die Stromsenkenschaltung 6 aus einem Transistor 60, dessen Basis den Steuereingang der Stromsenkenschaltung 6 bildet. Der Kollektor dieses Transistors 60 ist mit dem Eingang -E des Transimpedanz­ verstärkers 2, sein Emitter mit einer negativen Betriebs­ spannung -U 4 verbunden.

Bei kleinen Signaleingangspegeln ist sowohl die Lastimpe­ danz als auch die Stromsenkenschaltung nicht ausgesteu­ ert. Übersteigt die Gleichspannungskomponente des Aus­ gangssignals des Transimpedanzverstärkers die am nicht­ invertierenden Eingang des ersten Operationsverstär­ kers 32 eingestellte Vergleichsspannung, so wird der Wi­ derstandswert der Lastimpedanz verringert. Bei mittleren Signalpegeln ist der Gleichstromanteil des Photostroms noch so gering, daß auf einen Koppelkondensator zwischen der Photodiode und dem Transimpedanzverstärker verzichtet werden kann. Bei hohen Eingangspegeln hingegen steigt dieser Gleichstromanteil, so daß der Transimpedanzver­ stärker durch ihn übersteuert werden würde. Die Ver­ gleichsspannung ist daher so eingestellt, daß die Regel­ schaltung anspricht und durch einen Steuerstrom den Wi­ derstandswert der steuerbaren Lastimpedanz 4 verringert. Hierdurch wird die Photodiode 1 zusätzlich belastet und der Eingangsstrom des Transimpedanzverstärkers auf diese Weise verringert.

Da als steuerbare Lastimpedanz häufig die Basis-Emitter- Strecke eines Transistors verwendet wird, ist der klein­ ste Widerstandswert, den die Basis-Emitter-Strecke ein­ nimmt, begrenzt. Ab einem bestimmten Eingangspegel ist die Dämpfung des Eingangssignals durch die Basis-Emit­ ter-Strecke selbst bei erhöhter Aussteuerung der Lastim­ pedanz nicht mehr zu steigern.

Bei hohen Wechselstromanteilen des Eingangssignals über­ schreitet die gleichgerichtete Wechselspannungskomponen­ te der Ausgangsspannung die Vergleichsspannung U 2. Die Steuerschaltung 5 erzeugt in Abhängigkeit der Wechsel­ spannungskomponente mittels der Stromsenkenschaltung ei­ nen Strom, welcher vom Eingang -E des Transimpedanzver­ stärkers wegfließt. Dieser Strom fließt hauptsächlich über die Basis-Emitter-Strecke des Lasttransistors 40.

Ein höherer Strom durch die Lastimpedanz verschiebt den Arbeitspunkt auf der nichtlinearen Kennlinie des Last­ transistors 40 und dessen dynamischer Arbeitswiderstand sinkt. Wegen des niedrigeren differentiellen Arbeitswi­ derstandes wird der Anteil des Photostromes, der durch den steuerbaren Lastwiderstand 4 abgeleitet wird, ver­ größert und so einer Übersteuerung des Transimpedanzver­ stärkers 2 vorgebeugt. Hierdurch wird auch das Potential am Eingang des Transimpedanzverstärkers konstant gehal­ ten, so daß auf einen Koppelkondensator zwischen Photodi­ ode und Transimpedanzverstärker verzichtet werden kann.

Der Einsatzpunkt der Regelschaltung 5 liegt über dem Ein­ satzpunkt der Steuerschaltung 3, da bei niedrigem Ein­ gangspegel ein durch die Stromsenkenschaltung 6 abgeführ­ ter Strom das Eingangssignal mit einem Rauschen überla­ gert bei höheren Eingangspegeln ist diese Rauschleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung vernachlässigbar.

Der Regelverstärker 5 wird vorzugsweise als Integrator ausgebildet, da hierdurch keine Regelfehlspannung entste­ hen kann. Gleichzeitig kann mit der Zeitkonstante der In­ tegratoren die untere Eckfrequenz des optischen Empfän­ gers festgelegt werden.

Claims (5)

1. Optischer Empfänger mit einem Transimpedanzverstärker, an dessen Eingang ein Photoelement und eine gesteuerte Lastimpedanz angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Transimpedanzverstärkers eine Strom­ senkenschaltung angeschlossen ist, welche von einem aus dem Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers abgelei­ tetem Steuersignal gesteuert ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des Steuersignals ein Regelverstärker verwendet wird, dessen Eingang mit dem Ausgang des Trans­ impedanzverstärkers und dessen Ausgang mit dem Steuerein­ gang der Stromsenkenschaltung verbunden ist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker ein Integrator ist.

4. Optischer Empfänger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker eine Eingangsschwelle aufweist.

5. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsenkenschaltung 6 aus einem Transistor 60 besteht.