DE3824494A1 - Optischer empfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger mit ei­ ner Fotodiode, einem Transimpedanzverstärker und einer parallel zur Fotodiode liegenden variablen Lastimpedanz.

Aus US-PS 44 15 803 ist ein optischer Empfänger mit einer Fotodiode, welche mit dem Eingang eines Transimpedanzver­ stärkers verbunden ist, bekannt. Der Transimpedanzver­ stärker ist ein Strom-Spannungs-Wandler, welcher den Fo­ tostrom der Fotodiode in eine proportionale Spannung wan­ delt. Transimpedanzverstärker bieten wegen eines niedri­ gen Eingangswiderstandes den Vorteil einer hohen Fre­ quenzbandbreite. Damit die Empfangsschaltung mit unter­ schiedlichen Eingangsleistungen betrieben werden kann, ist eine Dynamikregelung vorgesehen. Durch diese wird das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers sowohl bei kleinen Eingangsleistungen als auch bei hohen Eingangs­ leistungen konstant gehalten.

Hierzu wird das Ausgangssignal des Transimpedanzverstär­ kers einem Regelverstärker zugeführt. Dieser Regelver­ stärker bildet aus der Spitzenspannung des Eingangssigna­ les 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 Eingangssignales der Widerstandswert der Lastimpedanz sinkt. Da die Fotodiode mit der Lastimpedanz zusätzlich belastet wird, wird ein vom Verhältnis Eingangswiderstand des Transimpedanzverstärkers zum Widerstand der Lastimpe­ danz abhängiger Anteil des Fotostromes durch die Lastim­ pedanz abgeleitet. Hierdurch wird der Eingangsstrom des Transimpedanzverstärkers begrenzt. Die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers steigt nur unterproportional zu dem von der Fotodiode abgegebenen Fotostrom.

Diese Schaltungsanordnung erlaubt eine Dynamikerweiterung des Transimpedanzverstärkers über einen weiten Bereich. Mit größer werdenden Eingangsleistungen an der Fotodiode verringert sich jedoch die Bandbreite des Ausgangssigna­ les des Transimpedanzverstärkers.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Bandbreite des Ausgangssignales des optischen Empfängers unabhängig von der optischen Eingangsleistung auf möglichst einfache Weise konstant gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in Reihe zur Pa­ rallelschaltung von Fotodiode und variabler Lastimpedanz ein Begrenzungswiderstand angeschlossen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Zeichnung zeigt einen optischen Empfänger, welcher moduliertes Licht in elektrische Signale wandelt. Das mo­ dulierte Licht wird über eine nichtdargestellte Glasfaser einer Fotodiode D zugeführt. Die Kathode der Fotodiode ist über einen ersten Widerstand R 1 mit Betriebsspan­ nung UB und über einen ersten Koppelkondensator C 1 mit dem Eingang eines Transimpedanzverstärkers TIV verbun­ den. Der Ausgang A des Transimpedanzverstärkers ist einem Regelverstärker RV zugeführt. Im Regelverstärker RV wird das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers TIV gleichgerichtet und verstärkt. Der Ausgang des Regelver­ stärkers ist mit einem parallel zur Fotodiode D liegenden Lastwiderstand verbunden. Im Ausführungsbeispiel besteht dieser Lastwiderstand aus einem Feldeffekttransistor FET, dessen Source- und Drainanschluß jeweils mit der Kathode und der Anode der Fotodiode D verbunden sind und einem zwischen Regelverstärker RV und Gate-Anschluß des Feldef­ fekttransistors FET liegenden Vorwiderstandes R 2. Die Anode der Fotodiode D und der daran angeschlossene Feld­ effekttransistor FET sind über einen gemeinsamen Begren­ zungswiderstand R 3 mit Bezugspotential verbunden.

Durch den ersten Widerstand R 1 und den Begrenzungswider­ stand R 3 wird die Fotodiode D in Sperrichtung vorge­ spannt. Dadurch bleibt die Kapazität der Fotodiode D klein. Bei kleinen Empfangsleistungen ist die Ausgangs­ spannung des Regelverstärkers RV gering, und der Feldef­ fekttransistor FET ist gesperrt, d.h., der Durchgangswi­ derstand seiner Source-Drain-Strecke ist sehr hochohmig. Hierdurch wird der gesamte in der Fotodiode D gewandelte Wechselstrom einem Eingang E des Transimpedanzverstär­ kers TIV zugeführt und dort in eine Wechselspannung ge­ wandelt. Im Ausführungsbeispiel besteht der Transimpe­ danzverstärker TIV aus einem invertierenden Verstärker V, einem zwischen Eingang und Ausgang des invertierenden Verstärkers liegenden Gegenkopplungswiderstandes R 4 und einem zwischen Eingang E des Transimpedanzverstärkers und Eingang des invertierenden Verstärkers liegenden Koppel­ kondensator C 1.

Bei kleinen optischen Eingangsleistungen verhält sich die Fotodiode D annähernd wie eine Stromquelle. Der Begren­ zungswiderstand R 3 ist so gewählt, daß er im Verhältnis zum Innenwiderstand der Fotodiode D niederohmig ist. Hierdurch hat der Begrenzungswiderstand R 3 bei hochohmi­ ger Lastimpedanz nahezu keinen Einfluß auf das Übertra­ gungsverhalten des gesamten optischen Empfängers.

Bei größer werdenden optischen Eingangssignalen an der Fotodiode erhöht sich die Ausgangsspannung am Transimpe­ danzverstärker TIV. Hierdurch erhöht sich auch die Aus­ gangsspannung am Regelverstärker RV, und der Feldeffekt­ transistor FET wird angesteuert. Hierdurch wird der Durchlaßwiderstand der Source-Drain-Strecke des Feldef­ fekttransistors FET niederohmiger, und durch ihn fließt ein Teil des in der Fotodiode D erzeugten Fotostromes. Hierdurch wird in an sich bekannter Weise der in den Transimpedanzverstärker TIV fließende Fotostrom verrin­ gert und auf diese Weise eine Dynamikregelung realisiert.

Durch die Parallelschaltung der variablen Lastimpe­ danz FET zur Fotodiode D verhält sich die Fotodiode bei nichtohmiger Lastimpedanz wie eine Spannungsquelle mit kleinem Innenwiderstand. Ohne den Begrenzungswider­ stand R 3 würde sich der Verstärkungsfaktor des Transimpe­ danzverstärkers erhöhen, wobei die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers TIV durch die Dynamikregelung konstant gehalten wird. Wegen des konstanten Verstär­ kungsbandbreiteproduktes des Transimpedanzverstärkers würde mit dem Ansteigen des Verstärkungsfaktors die Band­ breite des Transimpedanzverstärkers jedoch in gleichem Maße abnehmen. Durch den Begrenzungswiderstand R 3 jedoch wird der minimale Innenwiderstand der aus der Fotodiode D und angesteuerter variabler Lastimpedanz FET gebildeten Spannungsquelle festgelegt. Hierdurch wird die maximale Verstärkung des Transimpedanzverstärkers bei niederohmi­ ger Ansteuerung begrenzt. Auf diese Weise kann mittels des Begrenzungswiderstandes R 3 das Übertragungsverhalten des optischen Empfängers bei großen optischen Eingangs­ leistungen dem Übertragungsverhalten bei kleinen Ein­ gangsleistungen angepaßt werden. Hierzu wird der Wider­ standswert des Begrenzungswiderstandes R 3 so gewählt, daß er in der Größenordnung eines zwanzigsten bis zweihun­ dertsten des Widerstandswertes des Gegenkopplungswider­ standes R 4 beträgt.

Mit einem solchen optischen Empfänger kann auf diese Wei­ se, bezogen auf eine vorgegebene Bandbreite des gewandel­ ten Signales, ein höherer Dynamikbereich erzielt werden. Hierdurch kann eine sonst zusätzlich notwendige eingangs­ leistungsabhängige Frequenzgangentzerrung entfallen. Auf­ grund dieser Auswertung sind keine begrenzenden Verstär­ ker als Transimpedanzverstärker erforderlich.

Weitere Verbesserungen erzielt man durch Anschließen ei­ nes Kondensators C 2 zwischen dem Gate des Feldeffekttran­ sistors FET und Bezugspotential. Dieser Kondensator C 2 wirkt über die Gate-Source- und Drain-Source-Kapazitäten des Feldeffekttransistors und verbessert so zusätzlich den Frequenzgang des optischen Empfängers. Wahlweise kann diese Verbesserung des Übertragungsverhaltens auch durch Parallelschaltung eines Kondensators zum Begrenzungswi­ derstand R 3 erzielt werden. Vorteilhafte Ergebnisse bei 4-MHz-Signalen lassen sich mit einem Kapazitätswert die­ ses Kondensators C 2 in der Größenordnung von 10 Picofarad erreichen.

Durch diese Beschaltung des Transimpedanzverstärkers kann die 3db-Eckfrequenz des optischen Empfängers im gesamten Dynamikbereich um +/-10% konstant gehalten werden. Durch geeignete Beschaltung kann hierdurch der optische Empfän­ ger gleichzeitig als Bandbegrenzungsfilter arbeiten, so daß eine zusätzliche nachgeschaltete Filterstufe entfal­ len kann.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Bei ansonsten gleichem Aufbau des optischen Empfän­ gers wie in Fig. 1 ist hier die Anode der Fotodiode mit einem Anschluß der variablen Lastimpedanz mit Bezugspo­ tential verbunden. Der Begrenzungswiderstand R 3 liegt nun zwischen der Kathode der Fotodiode D und dem Eingang E des Transimpedanzverstärkers TIV. Auch hier ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Claims (8)

1. Optischer Empfänger mit einer Fotodiode, einem Trans­ impedanzverstärker und einer parallel zur Empfangsdiode liegenden variablen Lastimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Parallelschaltung von Fotodiode (D) und variabler Lastimpedanz ein Begrenzungswiderstand (R 3) an­ geschlossen ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (R 3) mit Bezugspotential verbunden ist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand (R 3) am Eingang (E) des Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist.

4. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Begrenzungswiderstandes (R 3) in der Größenordnung des zwanzigsten bis zweihundertsten Teils des Widerstandswertes eines im Transimpedanzverstär­ ker angeordneten Gegenkopplungswiderstandes (R 4) beträgt.

5. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Lastimpedanz ein Feldeffekttransis­ tor (FET) ist.

6. Optischer Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gate des Feldeffekttransistors (FET) und Be­ zugspotential ein Kondensator angeschlossen ist.

7. Optischer Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Begrenzungswiderstand (R 3) ein Kondensa­ tor liegt.

8. Optischer Empfänger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätswert des Kondensators (C 2) in der Größenordnung 10 Picofarad liegt.