DE4140975A1 - Breitbandig verstaerkende schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine breitbandig verstärkende Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Solche Schaltungsanordnungen dienen z. B. in optischen Breitbandempfängern zur Umwandlung von optischen Breitbandsignalen in elektrische Breitbandsignale und zur Vorverstärkung dieser elektrischen Breitbandsignale.

Bekannte breitbandig verstärkende Schaltungsanordnungen werden z. B. für optische Breitbandempfänger in optischen CATV- und Digitalen-Kommunikationssystemen verwendet. Ein kostengünstiger optischer Breitbandempfänger für analoge amplitudenmodulierte Signale mit dem Bandbereich von 50 Mhz bis 550 Mhz ist aus der Schrift EP 03 72 742 A2 bekannt. Der bekannte Empfänger besteht aus einem lichtempfindlichen Bauelement, das, zur Impedanzanpassung über einen Übertrager, mit einem breitbandigen, niederohmigen Verstärker verbunden ist.

Der Nachteil des bekannten Empfängers liegt nun darin, daß das lichtempfindliche Bauelement trotz Impedanzanpassung einen schlechten Ausgangsreflexionsfaktor zeigt, der im Verstärker starkes Klirren höherer Ordnung bewirkt.

Aus einer eigenen, unveröffentlichten, am 27.06.1991 beim Deutschen Patentamt eingereichten, deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 41 21273.8 ist eine breitbandig verstärkende Schaltungsanordnung in Form eines optischen Empfängers mit einem lichtempfindlichen Bauelement bekannt, bei dem der Verstärker niederohmig und das lichtempfindliche Bauelement mit dem Verstärker über einen abgestimmten λ/4-Kreis angepaßt ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine breitbandig verstärkende Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der nichtlineare Verzerrungen, wie Klirren zweiter Ordnung, weitgehend verhindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 die Reduzierung des Klirrens unter dem Einfluß des λ/4-Kreises über der Frequenz aufgetragen.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 41 21273.8 ist eine erfinderische Maßnahme zur Anpassung eines lichtempfindlichen Halbleiterbauelements an einen niederohmigen Verstärker bekannt. Diese Maßnahme, die Anordnung eines abgestimmten λ/4-Kreises zwischen einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement und einem niederohmigen Verstärker, kann bei schmalbandigen Empfängern ausreichen. Diese Maßnahme stellt lediglich eine von mehreren Maßnahmen zur Impedanzanpassung eines lichtempfindlichen Bauelements an einen niederohmigen Verstärker dar.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine vorteilhafte Ausgestaltung, zur Impedanzanpassung einer Signalquelle mit hochohmiger komplexer Ausgangsimpedanz an einen niederohmigen Verstärker einer breitbandigen, verstärkenden Schaltungsanordnung.

Im Ausführungsbeispiel ist als breitbandig verstärkende Schaltungsanordnung ein optischer Breitbandempfänger in Fig. 1 abgebildet. Der gezeigte Breitbandempfänger E besteht aus einem PIN-Modul PM, einem λ/4-Kreis K und einem niederohmigen Breitbandverstärker BK. Im PIN-Modul ist eine PIN-Photodiode als lichtempfindliches Bauelement PD zur Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal angeordnet. Das lichtempfindliche Bauelement PD ist über eine Induktivität L mit einem Übertrager UE verbunden. Die Induktivität L dient zur Anhebung des Frequenzganges des umgewandelten Signales zu höheren Frequenzen hin. Im Übertrager UE erfolgt der erste Teil der Impedanzanpassung zwischen der PIN-Photodiode PD und dem niederohmigen Verstärker BK durch eine dem Fachmann bekannte Weise, wie dies z. B. in der Schrift EP 03 72 742 A2 beschrieben ist. Das Übertragungsverhältnis läßt sich aus der Eingangsimpedanz des niederohmigen Verstärkers BK und dem komplexen Innenwiderstand der PIN-Photodiode PD für ein jeweils zu empfangendes Frequenzband herleiten. Eine Impedanzanpassung bei einem Übertragungsband mit einer unteren Grenzfrequenz f_G1 = 40 MHz und einer oberen Grenzfrequenz f_G2 = 550 MHz, einer für dieses Band angenommenen dynamischen Impedanz Z_D = 1 KOhm der PIN-Photodiode und einer Eingangsimpedanz Z_E = 75 Ohm des niederohmigen Verstärkers läßt sich z. B. durch ein Übertragungsverhältnis von 1 zu 3,6 erreichen. Der abgebildete Übertrager UE ist als Spartransformator ausgebildet. An seinem Abgriff liegt das Ausgangssignal des PIN-Moduls PM an. Der Arbeitspunkt der PIN-Photodiode wird über einen Kondensator C₁ in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise eingestellt.

Als niederohmiger Verstärker BK wird ein als solcher bekannter symmetrischer Gegentaktverstärker in Form eines Moduls, mit dem breitbandige analoge Signale in Kabelfernsehanlagen verstärkt werden können, angeordnet. Solche Verstärker werden z. B. von der Firma Valvo unter der Bezeichnung BGY 584 A, BGY 585 A als Breitbandverstärker-Module in Gegentaktschaltung für Kabelfernanlagen angeboten. Laut Datenblatt 6.88 beträgt die Eingangsimpedanz Z_E = 75 Ohm.

Solche Gegentaktverstärker weisen in der Regel zwei symmetrische Verstärkerzweige auf, in denen jeweils ein gleiches, aber um 180° phasenverschobenes, Signal verstärkt wird. Nach der Verstärkung werden die beiden phasenverschobenen Signale wieder phasengleich zusammengeführt. Durch die 180°-Verschiebung in den Verstärkerzweigen und der anschließenden phasengleichen Zusammenführung werden durch die Verstärkung hervorgerufene nichtlineare Verzerrungen, wie Klirren zweiter und höherer Ordnung, verringert. Eine maximale Verringerung des Klirrens wird erreicht, wenn die Signalamplituden in den beiden Verstärkerzweigen gleich groß sind.

Liegt nun eine Fehlanpassung am Eingang des Gegentaktverstärkers vor, führt dies zu unterschiedlichen Signalamplituden in den zwei Verstärkerzweigen und bewirkt hierdurch ein stärkeres Klirren.

Gerade diese Anpassung des komplexen Anteils der Ausgangsimpedanz des PIN-Moduls PM an den Eingang des Verstärkers BK erfolgt durch den λ/4-Kreis. Der Wellenwiderstand Z_W des λ/4-Kreises und die Eingangsimpedanz Z_E des niederohmigen Verstärkers sollten dabei möglichst gleich groß sein. Eine Abweichung von z. B. 5 Ohm führt dabei noch zu keiner spürbaren Verschlechterung.

Wenn das PIN-Modul PM und der niederohmige Verstärker BK jeweils als Module aufgebaut sind, ist der λ/4-Kreis vorteilhafterweise als λ/4-Leitung in Form einer Mikrowellen-Koaxialleitung mit lösbaren Anschlüssen ausgebildet.

In einer anderen Ausführung kann der λ/4-Kreis als symmetrische, umkehrbare Vierpolschaltung realisiert werden. Dies bietet sich inbesondere dann an, wenn die Elemente des PIN-Moduls PM und des niederohmigen Verstärkers BK in einer gemeinsamen integrierten Schaltung realisiert sind.

In einer weiteren Ausführung ist der Verstärker BK als isoliertes Modul ausgebildet. Neben der PIN-Photodiode und dem Übertrager UE ist dabei auch der λ/4-Kreis in Form einer Vierpolschaltung im PIN-Modul PM angeordnet. Da bei dieser Ausführung ein Mikrowellenleiter als Verbindung zwischen dem PIN-Modul PM und dem Verstärkermodul BK notwendig ist, empfiehlt es sich, die Leitungslänge dieses Mikrowellenleiters in die Dimensionierung des λ/4-Kreises miteinzubeziehen, so daß der λ/4-Kreis insgesamt aus der Kombination eines Vierpols mit einem Leitungsstück besteht.

Die Vierpolschaltung kann auch vor dem Übertrager UE angeordnet werden und dabei noch die Aufgabe der Spule L übernehmen.

Als integrierte Ausführung eines λ/4-Kreises kann alternativ zur Vierpolschaltung auch eine in Streifenleitertechnik ausgebildete λ/4-Leitung angeordnet sein.

In Fig. 2 ist die Reduzierung des Klirrens aufgrund des λ/4-Kreises in einem Breitbandverstärker über der Frequenz aufgetragen. Die Bandbreite ist durch die beiden Grenzfrequenzen, einer unteren Grenzfrequenz f_Gl = 40 MHz und einer oberen Grenzfrequenz f_G2 = 550 MHz, eingezeichnet. Das Maximum der Klirreduzierung ist auf 1 nomiert und hat seinen höchsten Wert bei der Frequenz f₀, die der Wellenlänge λ₀ entspricht, auf die der λ/4-Kreis abgestimmt ist.

Im Ausführungsbeispiel ist die λ/4-Leitung derart abgestimmt, daß Klirren bei einer Frequenz f₀=375 MHz maximal unterdrückt wird. Die mechanische Länge L_m der λ/4-Leitung ergibt sich dabei aus der Gleichung

L_m = L₀ · V (1)

mit L₀ als elektrische Länge, wobei sich der Wert der Dielektrizitätskonstante der λ/4-Leitung im Verkürzungsfaktor V, der beim Ausführungsbeispiel V = 0,7 beträgt, niederschlägt. Durch die Bezeichnung

in Verbindung mit Gleichung (1) ergibt sich für die Frequenz f₀=375 MHz, einem Verkürzungsfaktor V=0,7 und C=3 10⁸m/s, eine mechanische Länge L_m=140 mm. Die elektrische Länge beträgt L₀=200 mm.

Da das Klirren bei solchen Anordnungen mit zunehmender Frequenz zunimmt und eine maximale Reduzierung des Klirrens, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, nur für die abgestimmte Frequenz vorliegt, und die Unterdrückung des Klirrens für Frequenzen mit zunehmender Entfernung zur abgestimmten Frequenz f₀ geringer wird, ist der λ/4-Kreis nicht auf die Mittenfrequenz des Bandes, sondern auf eine Frequenz, die in der höherfrequenten Bandhälfte liegt, abgestimmt. Dies ermöglicht einen Kompromiß zwischen einer maximalen selektiven Reduzierung des Klirrens bei der oberen Grenzfrequenz f_G2 und einer maximalen integralen Reduzierung des Klirrens bei einer Abstimmung auf einer Mittenfrequenz. Der λ/4-Kreis wird je nach Anforderung und Ausgestaltung des Empfängers E auf einen vorteilhaften Wert abgestimmt.

Als Signalquelle können neben, als lichtempfindliche Bauelemente ausgebildete PIN-Photodioden auch andere Photodioden, wie z. B. Avalanche-Photodioden, oder z. B. auch Empfangsanschlüsse von Mikrowellenantennen, verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Erfindung in rein passiven optischen Empfangsmodulen, d. h. in Empfangsmodulen, die keine aktive verstärkende Halbleiterbauelemente enthalten.

Claims (9)

1. Breitbandige Schaltungsanordnung mit einer eine hochohmige komplexe Ausgangsimpedanz aufweisenden Signalquelle, einem niederohmigen Verstärker und einem Übertrager, über den die Signalquelle an den niederohmigen Verstärker angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (UE) durch einen λ/4-Kreis (K) mit dem niederohmigen Verstärker (BK) verbunden ist, wobei λ eine Wellenlänge im Bandbereich des zu verarbeitenden Signals darstellt.

2. Breitbandige Schaltungsanordnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge λ in derjenigen Hälfte des Bandes mit den kürzeren Wellenlängen liegt.

3. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der λ/4-Kreis eine λ/4-Mikrowellenleitung darstellt.

4. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Signalquelle (PD) und der Übertrager (UE) in einem Modul (PN) befinden, das durch die λ/4-Mikrowellenleitung mit dem ebenfalls in einem Modul befindlichen niederohmigen Verstärker (BK) lösbar verbunden ist.

5. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz des niederohmigen Verstärkers (BK) mit dem Wellenwiderstand des λ/4-Kreises übereinstimmt.

6. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des λ/4-Kreises (K) Z_W = 75 Ohm beträgt.

7. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenzfrequenz (f_G2) des zu empfangenden Bandes größer als 500 MHz ist.

8. Breitbandige Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (PD) eine Signalquelle für Analogsignale ist.

9. Breitbandige Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem optischen Breitbandempfänger (E) angeordnet ist und die Signalquelle (PD) als lichtempfindliches Bauelement (PD) ausgebildet ist.