DE4107849A1 - Schaltungsanordnung fuer einen photoempfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Photoempfänger.

Durch den zunehmenden Einsatz von Lichtwellenleitern zur digitalen Signalübertragung kommt Photoempfängern, die op­ tische Signale in elektrische Signale umwandeln, besondere Bedeutung zu. Zur photoelektrischen Signalumwandlung wird beispielsweise eine Photodiode eingesetzt, die bei Licht­ einfall einen Photostrom erzeugt. Dieser wird in einem eingangsseitig mit der Photodiode verbundenen Transimpe­ danzverstärker in eine Signalspannung umgesetzt.

Bei optischen Bussystemen, insbesondere bei Bussystemen in Kraftfahrzeugen mit mehreren an verschiedenen Koppelstel­ len des Bussystems angeordneten Sendern und Empfängern kann die Signalamplitude der digitalen optischen Signale erheblich variieren, wobei vor allem von Bedeutung ist, daß die Photoempfänger auch bei großer Intensitätsdynamik der optischen Signale auch intensitätsschwache Signale bei sehr hohen Taktfrequenzen noch erfassen sollen. Zur Erfas­ sung intensitätsschwacher Signale ist auch die genaue Be­ stimmung des durch das Detektorelement fließenden Dunkel­ stroms wichtig, der stark temperaturabhängig ist und daher insbesondere bei Kfz-Anwendungen über einen großen Bereich variieren kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, die bei großer Intensitätsdynamik der optischen Signale auch intensitäts­ schwache Signale, insbesondere auch bei hohen Taktfrequen­ zen noch zuverlässig erfaßt.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Der maximale Empfängereingangsstrom fließt bei verschwin­ dendem Photostrom, so daß für diesen Fall eine Arbeits­ punkteinstellung hoher Empfindlichkeit des Verstärkers vorgenommen werden kann, die insbesondere für intensitäts­ schwache Signale wichtig ist. Für besonders intensitäts­ starke Signale reicht der Strom durch den Gegenkopplungs­ pfad nicht mehr aus, und eine Klemmschaltung am Empfän­ gereingang liefert einen zusätzlichen Strom durch das De­ tektorelement. Die elektrischen Ausgangssignale des Ver­ stärkers sind daher für intensitätsstarke optische Signale begrenzt. Wesentlich ist aber, daß keines der Verstärkere­ lemente in den Sättigungsbereich gelangt und damit die Grenzfrequenz des Verstärkers hoch bleibt. Die Schaltungs­ anordnung weist vorzugsweise Transistoren nur des npn-Typs auf.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Abbildung noch ein­ gehend veranschaulicht.

Der Transimpedanzverstärker der skizzierten Schaltungsan­ ordnung enthält als Eingangsstufe eine zweistufige Emit­ terfolgeranordnung mit Transistoren T2 und T3 nebst zuge­ hörigen Stromquellen I2 bzw. I3, nachfolgend eine Kasko­ denstufe mit Transistoren T4, T5, Lastwiderstand R2 und Referenzpotential VK und als Ausgangsstufe eine weitere Emitterfolgerstufe mit Transistor T6 und Stromquelle I6. Vom Ausgang des Verstärkers führt ein Gegenkopplungspfad mit einem ohmschen Widerstand RG auf den Eingangsanschluß E des Empfängers zurück. Die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung liegt zwischen den mit U_B und U_EE be­ zeichneten Leitungen.

Mit dem Empfängereingang verbunden sind eine mit dem ande­ ren Anschluß z. B. auf dem Grundpotential U_EE liegende Photodiode PD, vorzugsweise eine PIN-Photodiode und eine später noch detailliert erläuterte Klemmschaltung mit Transistor T1, Widerstand R1 und Dioden D1, D2, D3, D4.

Ohne Berücksichtigung eines Photostroms durch die Photodi­ ode PD stellt sich im gegengekoppelten Transimpedanzver­ stärker ein Arbeitspunkt mit gegenüber im Betrieb mit an­ geschlossener Photodiode auftretenden Zuständen minimaler Ausgangsspannung U_A und maximalem Empfängereingangsstrom ein. Über den Gegenkopplungswiderstand RG kann der Ar­ beitspunkt vorteilhaft eingestellt werden. Für hohe Emp­ findlichkeit des Verstärkers ist der Gegenkopplungswider­ stand RG hochohmig und vorzugsweise als extern angeschlos­ sener Widerstand zu dem ansonsten monolithisch integrier­ baren Verstärker vorgesehen.

Ein durch die Photodiode fließender Photostrom, wozu für die Beschreibung der Funktion des skizzierten Schaltungsanordnung auch der temperaturabhängige Dunkel­ strom der Photodiode gerechnet werden soll, zieht einen entsprechenden Stromanteil vom Eingang E des Transimpe­ danzverstärkers ab, so daß sich ein neuer Gleichgewichts­ zustand mit verringertem Empfängereingangsstrom, höherer Ausgangsspannung, höherem Strom im Gegenkopplungspfad und damit auch höherem Spannungsabfall am Gegenkopplungswider­ stand RG einstellt. Der Anstieg des Potentials am Ausgang A ist begrenzt auf einen Wert, der etwa um die Basis-Emit­ ter-Spannung von T6 unter U_B liegt. Der gesamte Strom im Gegenkopplungspfad fließt dann vom Verstärkereingangsan­ schluß durch die Photodiode.

Ein weiterer Anstieg des Photostroms durch die Photodiode PD und den Gegenkopplungswiderstand KG führt wegen des größeren Spannungsabfalls an RG zu einem Absinken des Po­ tentials am Empfängereingang E.

Der Widerstand R1 der Klemmschaltung ist hochohmig, so daß der Spannungsabfall an den als Dioden geschalteten Transi­ storen D1, D2, D3, D4 kleiner ist als die Summe der Basis-Emitter­ spannungen von T1, T2, T3 und T4 bei einem Be­ triebszustand des Verstärkers vor der Begrenzung der Aus­ gangsspannung und der Transistor T1 sperrt. Wenn durch An­ stieg des Photostroms die Ausgangsspannung ihren Grenzwert erreicht, geht die Summe der Basis-Emitterspannungen an T2, T3 und T4 zurück, und das Emitterpotential von T1 sinkt soweit, daß der Transistor T1 leitend wird und den Stromanteil des Photostroms, der den Strom durch den Ge­ genkopplungspfad übersteigt, liefert und damit das Poten­ tial am Verstärkereingang E bei der Ansprechschwelle des Emitterfolgers hält. Dadurch wird eine Verringerung der Schaltgeschwindigkeit der Anordnung, die vor allem beim abrupten Übergang von Signalen hoher Lichtintensität zu intensitätsschwachen Lichtsignalen an der Photodiode wich­ tig ist, vermieden.

Durch die Verwendung von als Dioden geschalteten Transi­ storen ist die Wirkung der Klemmschaltung auch über einen weiten Temperaturbereich gewährleistet.

Bei keinem der möglichen Betriebszustände der Schaltungs­ anordnung gerät einer der Transistoren in den Zustand der Sättigung, so daß die Schaltungsanordnung immer kurze An­ sprechzeiten zeigt und damit auch für optische Signalüber­ tragung mit sehr hohen Taktfrequenzen und großer Intensi­ tätsdynamik geeignet ist.

Abwandlungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, z. B. für Bauteile anderer Polarität, sind dem Fachmann an­ hand der vorstehenden Erläuterungen ohne weiteres im Rah­ men der Erfindung möglich.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für einen Photoempfänger mit einem einen Photostrom erzeugenden Detektorelement, das an den Eingang eines Transimpedanzverstärkers angeschlossen, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Verstärkerausgang über einen Gegenkopplungspfad mit dem Empfängereingang verbunden ist,
• - daß bei Fehlen eines Photostroms sich ein Verstärkerar­ beitspunkt hoher Empfindlichkeit einstellt und der über dem Gegenkopplungspfad fließende Verstärkereingangsstrom einen maximalen Wert annimmt,
• - daß ein auftretender Photostrom durch das Detektorele­ ment den Verstärkereingangsstrom reduziert und
• - daß eine ebenfalls mit dem Verstärkereingang verbundene Klemmschaltung für den Strom im Rückkopplungspfad über­ steigende Photoströme einen Ergänzungsstrom durch das Detektorelement abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle Transistoren vom npn-Typ sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe des Transim­ pedanzverstärkers einen mehrstufigen Emitterfolger ent­ hält.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement eine PIN-Pho­ todiode ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Transimpedanzverstär­ kers über eine Dunkelstrom-Kompensationsschaltung mit ei­ ner weiteren Verstärkerstufe verbunden ist.