DE69219359T2

DE69219359T2 - Transimpedanzverstärker

Info

Publication number: DE69219359T2
Application number: DE69219359T
Authority: DE
Inventors: Michael Wyatt
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2012-11-25
Also published as: EP0617859B1; WO1993013593A2; DE69219359D1; US5216386A; JPH07504070A; EP0617859A1; WO1993013593A3

Description

Transimpedanzverstärker werden zur Umwandlung von Strom in Spannung benutzt. Bei einem typischen Transimpedanzverstärker wird der von einer Photodiode gelieferte Strom einer Transistoreingangsstufe zugeführt. Der Transistor ist im allgemeinen entweder ein bipolarer Transistor oder ein Verbindungsfeldeffekttransistor JFET. Der Transistor hat eine sogenannte Miller-Kapazität (Cm), die effektiv zwischen der Steuerelektrode und der Senke des FET liegt. Die Miller-Kapazität Cm wird mit 1 plus der Spannungsverstärkung der Eingangsstufe des Transimpedanzverstärkers multipliziert. Folglich wird durch Cm die Bandbreite stark beschränkt, wenn man einen Transimpedanzverstärker mit hohem Verstärkungsgrad haben möchte.
Es ist deshalb erwünscht, einen Transimpedanzverstärker hoher Verstärkung zu schaffen und gleichzeitig eine große Bandbreite und stabilen Betrieb auftechtzuerhalten.
Ein Transimpedanzverstärker mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus einem Artikel "Digitale Übertragung mit Lichtwellenleitern" von W. S. Ludolf und veröffentlicht in der Zeitschrift "Elektronik", Band 14, Heft 15 vom 23.7.1991 bekannt. In der Schaltung gemäß Figur 13 dieses Aufsatzes ist die Basiselektrode des bipolaren Transistors über ein Widerstands/Kondensator-Netzwerk an Masse angeschlossen. Der Ausgang des FET steht nicht nur mit dem Emitter des bipolaren Transistors, sondern auch über einen Widerstand mit der Spannungsversorgung in Verbindung.
GB-2 064254 A zeigt einen Photorückkopplungs-Vorverstärker mit Photodioden im Rückkopplungszweig für einen Verstärker.
Die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung beschreibt einen verbesserten Transimpedanzverstärker mit einer großen Bandbreite, stabilem Betrieb und hoher Verstärkung. Die Eingangstransistorstufe des verbesserten Transimpedanzverstärkers wird durch eine Kaskode-Eingangsstufe gebildet. Die Kaskode-Eingangsstufe umfaßt einen

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JFET-Transistor, der an den Ausgang einer Photodiode angeschlossen ist, welche den Eingangsstrom ftir den Transimpedanzverstärker liefert. Der Ausgang des JFET-Transistors ist nur mit dem Emiffer eines bipolaren Transistors verbunden, dessen Basis direkt geerdet ist. Der JFET verringert das Stromrauschen im Transimpedanzverstärker und der bipolare Transistor sorgt flir die geforderte hohe Verstärkung, während er die Miller-Kapazität Cm direkt an Masse legt. Der Ausgang des bipolaren Transistors ist an die Basis eines zweiten bipolaren Transistors angeschlossen, welcher einen Puffer für den Transimpedanzverstärker darstellt.
Bevorzugte Ausführungsformen und Einzelheiten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung leicht verständlich, wobei:
Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Transimpedanzverstärkers gemäß der Erfindung darstellt.
Dieser Transimpedanzverstärker gemäß der Erfindung ist generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Transimpedanzverstärker 10 umfaßt eine Photodiode 12, welche bei Belichtung einen Ausgangsstrom liefert, der von der Lichtintensität abhängig ist und über eine Leitung 14 einem JFET-Transistor 16 zugeleitet wird. Dieser verringert das Stromrauschen im Transimpedanzverstärker 10 auf ein Minimum. Ein solches Stromrauschen ist die vorherrschende Rauschquelle in einem Transimpedanzverstärker hohen Verstärkungsgrades. Das Stromrauschen wird über einen Rückkopplungswiderstand 18 angekoppelt und in eine Ausgangsrauschspannung umgewandelt.
Der Ausgang des JFET-Transistors 16 steht mit dem Emitter eines bipolaren Transistors 20 in Verbindung. Der Ausgang des bipolaren Transistors liegt zwischen Emitter und Kollektor. Der Kollektor des bipolaren Transistors 20 ist über eine Leitung 24 an die Basis eines zweiten bipolaren Transistors 22 angeschlossen. Dieser bipolare Transistor 22 ist eine Emitterfolgeschaltung, die flir die Ausgangsleitung 26 des Transimpedanzverstärkers 10 eine niedrige Ausgangsimpedanz darstellt.
Das durch die hybride Kaskode-Eingangsstufe bestehend aus JFET 16 und bipolarem Transistor 20 gelöste Problem ist die praktische Beseitigung der Miller-Kapazität Cm. Wie zuvor bemerkt, liegt diese effektiv zwischen dem Eingang des JFET 16 und dem Ausgang. Im Betrieb wird die Kapazität Cm mit 1 plus Spannungsverstärkung der Stufe multipliziert. Wenn folglich der JFET 16 eine hohe Verstärkung hat, ist die Bandbreite des Transimpedanzverstärkers 10 stark eingeschränkt.
Dies vermeidet man durch Begrenzen der Spannungsverstärkung des JFET 16 auf einen niedrigen Wert. Damit hält man praktisch Cm vom JEET 16-Teil der Eingangsstufe fern. Der Emitter des bipolaren Transistors 20 stellt für den JFET 16 eine niedrige Eingangsimpedanz dar. Der bipolare Transistor 20 wird mit hoher Verstärkung ausgewählt. Der bipolare Transistor 20 hat gleichwohl das erwähnte Cm-Problem. Im bipolaren Transistor 20 ist die Kapazität Cm zwischen Kollektor und geerdeter Basis wirksam. Folglich wird Cm des bipolaren Transistors praktisch nach Masse kurzgeschlossen.
Die Stromversorgungsspannung Vcc wird dem bipolaren Transistor 20 über einen Widerstand 28 zugeführt. Der bipolare Transistor 22 mit hoher Eingangs- und niedriger Ausgangsimpedanz verhindert ein Belasten des Widerstands 28. Eine Zenerdiode 30 ist vom Ausgang 26 über einen Widerstand 32 an die negative Versorgungsspannung Vee geschaltet. Die Zenerdiode 30 sorgt für eine Gleichstrompegelverschiebung, welche auch durch einen für Wechselstrom überbrückten Widerstand erzielt werden könnte. Der Widerstand 32 steuert den Emitterstrom des bipolaren Transistors 22.
Der Gleichstrom-Rückkopplungswiderstand 18 liegt zum Kondensator 34 parallel und beide zusammen steuern die Schleifenbandbreite des Transimpedanzverstärkers 10. Die Werte der Versorgungsspannungen Vcc, Vee, die Bandbreite und der Verstärkungsgrad des Transimpedanzverstärkers 10 hängen voneinander ab und werden für eine bestimmte Betriebsweise entsprechend ausgewählt. Kondensator 34 und Widerstand 18 bilden einen Gleichstrom- und einen Wechselstrom-Rückkopplungsweg, um den Transimpedanzverstärker 10 praktisch auf den Arbeitspunkt zu steuern. Der Transimpedanzverstärker 10 ist folglich relativ unempfindlich für Fluktuationen der Spannungen Vcc und Vee und arbeitete bei einer Ausführungsform von + oder -8 bis + oder -15 Volt Gleichspannung.
Die nominelle Vorspannung des Transimpedanzverstärkers 10 wird vom Widerstand 36 eingestellt, der zwischen -Vee und dem JEET 16 liegt. Ein Kondensator 38 bildet bei der Betriebsfrequenz des Transimpedanzverstärkers 10 eine Überbrückung. Damit erhält man den maximalen Verstärkungsgrad für den Transimpedanzverstärker 10.
Ausschlaggebend flir die große Bandbreite und die Stabilität des Transimpedanzverstärkers 10 ist die Übergangszeit in der geschlossenen Schleife. Die Schleifen-Zeitverzögerung oder Übergangszeit des Transimpedanzverstärkers 10 wird dadurch auf einem Minimum gehalten, daß man eine minimale Anzahl aktiver Bauteile in der Rückkopplungsschleife vorsieht, nämlich den JFET 16, den bipolaren Transistor 20, den bipolaren Transistor 22 sowie die Zenerdiode 30. Diese minimale Anzahl aktiver Elemente erweitert auch die Bandbreite und erhöht die Stabilität des Transimpedanzverstärkers 10. Der Eingang des JFET 16 ist an einen Summierpunkt angeschlossen, welcher die Stabilität herstellt. Würde man eine weitere Verstärkerstufe hinzufligen, so würde sich die Übergangszeit erhöhen, was sowohl die Bandbreite als auch die Stabilität des Transimpedanzverstärkers 10 beeinflussen würde.
Bei der Auslegung des Transimpedanzverstärkers 10 hat man eine bipolare Transistoreingangsstufe verworfen, weil trotz der hierdurch erzielten Erweiterung der Bandbreite das Stromrauschen sehr hoch ist. Wählt man einen Silizium-JFET, so würde das Stromrauschen zwar minimiert, jedoch auch die Bandbreite verkleinert. Der JFET zeigt zwar ein größeres Spannungsrauschen, jedoch dominiert in einem Transimpedanzverstärker 10 hoher Verstärkung das Stromrauschen. Der an Masse gelegte bipolare Transistor 20 wurde der Eingangsstufe hinzugefügt, um die gewünschte Verstärkung des Transimpedanzverstärkers 10 zu erzielen.
Die Zenerdiode 30 dient der Pegelverschiebung, um eine Gleichstrom- Rückkopplungsspannung von weniger als oder gleich der Quellenspannung Vcc zu erzielen. Falls gewünscht, könnte die Pegelverschiebung auch durch einen Widerstand oder eine Reihenschaltung von Dioden erreicht werden.

Claims

1. Transimpedanzverstärker mit:

a) einer bei Belichtung einen Ausgangsstrom liefernden Photodiode (12);

b) einem zusammen mit einem bipolaren Transistor (20) eine Kaskode-Eingangsstufe für den Transimpedanzverstärker bildenden Feldeffekttransistor FET (16), welcher an den Ausgang der Photodiode angeschlossen ist und mit einem Ausgang am Emitter des bipolaren Transistors liegt, sowie ferner einen Basisanschluß sowie einen mit seinem Kollektor verbundenen Ausgangsanschluß (24) hat;

c) einem an den Ausgang (24) des bipolaren Transistors angeschlossenen, einen Spannungsausgang des Transimpedanzverstärkers bildenden Puffer (22);

d) einer an den Puffer (22) angeschlossenen, eine Rückkopplungsspannung flir die Kaskode-Eingangsstufe (16, 20) liefernde Gleichstrompegel-Verschiebeschaltung (30); sowie

e) einer zwischen die Pegelverschiebeschaltung (30) und die Kaskode-Eingangsstufe eingeschalteten Vorspannungsschaltung (18, 34), welche den Transimpedanzverstärker auf einen ausgewählten Arbeitspunkt vorspannt, dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Feldeffekttransistor (16) ein Verbindungsfeldeffekttransistor (JFET) ist;

g) die Basiselektrode des bipolaren Transistors (20) unmittelbar an Masse liegt; und

h) der Ausgang des JFET-Transistors nur an den Emitter des bipolaren Transistors (20) angeschlossen ist.

2. Transimpedanzverstärker nach Anspruch 1, bei dem die Pegelverschiebeschaltung eine Zenerdiode (30) aulweist und der JFET (16), der bipolare Transistor (20) sowie die Zenerdiode (30) die Übergangszeit des Transimpedanzverstärkers bestimmen, um die Bandbreite zu erweitern und die Stabilität des Transimpedanznverstärkers zu erhöhen.

3. Transimpedanzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Puffer einen bipolaren Transistor (22) in Emitterfolgeschaltung aufweist.