DE9306498U1 - Amplifier unit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verstärkereinheit. 5The invention relates to an amplifier unit. 5
Verstärkereinheiten, die für die Verstärkung von von Photodioden erzeugten Signalen geeignet sind, sind bekannt. So ist es bekannt, für die Verstärkung von von Photodioden erzeugten Signalen Transimpedanzverstärker (Z.B. Receiver Modul ARM 21 000 von Thomson Hybrides) zu verwenden. Bei derartigen Transimpedanzverstärkern arbeitet der von der Photodiode erzeugte Photostrom auf den Rückkopplungswiderstand eines Verstärkers, wobei der für die Photodiode wirksame Lastwiderstand gleich dem Rückkopplungswiderstand, geteilt durch die Verstärkung des Verstärkers, ist. Dies hat zur Folge, daß der Lastwiderstand, mit dem die Photodiode belastet wird, sehr niedrig ist. Dementsprechend hoch ist der abgebbare Photostrom der Photodiode zu hohen Frequenzen hin (hohe Bandbreite).Amplifier units suitable for amplifying signals generated by photodiodes are known. It is known to use transimpedance amplifiers (e.g. receiver module ARM 21 000 from Thomson Hybrides) to amplify signals generated by photodiodes. In such transimpedance amplifiers, the photocurrent generated by the photodiode works on the feedback resistance of an amplifier, whereby the load resistance effective for the photodiode is equal to the feedback resistance divided by the amplifier gain. This means that the load resistance with which the photodiode is loaded is very low. The photocurrent that can be delivered by the photodiode is correspondingly high at high frequencies (high bandwidth).
0 Daraus ergibt sich der Vorteil eines hohen Signal/Rauschabstandes. 0 This results in the advantage of a high signal-to-noise ratio.
Transimpedanzverstärker haben jedoch den Nachteil einer ungenügenden Linearität der Verstärkungskennlinie, so daß das Ausgangssignal verzerrt ist. Desweiteren neigen derartige Schaltungsanordnungen zu Eigenoszillationen und geeignete Module sind darüberhinaus teuer.However, transimpedance amplifiers have the disadvantage of insufficient linearity of the gain characteristic, so that the output signal is distorted. Furthermore, such circuit arrangements tend to self-oscillate and suitable modules are also expensive.
Bekannt sind weiterhin Hybridverstärker (Z.B. Philips BGX 0 885) zum Verstärken der von Photodioden erzeugten Ströme.Hybrid amplifiers (e.g. Philips BGX 0 885) are also known for amplifying the currents generated by photodiodes.
Diese haben jedoch den Nachteil eines immer noch vergleichsweise hohen Innenwiderstandes von meist 75 Ohm, was eine vergleichsweise schlechte Stromabgabe der Photodioden bzw. eine kleine Bandbreite und einen schlechteren Rauschabstand bedingt. Darüberhinaus zeigen derartige Verstärker für zahlreiche Anwendungen zu geringe Span-However, these have the disadvantage of a still relatively high internal resistance of usually 75 ohms, which results in a relatively poor current output from the photodiodes and a small bandwidth and a poorer signal-to-noise ratio. In addition, such amplifiers have voltages that are too low for many applications.
nungsverStärkungen, sodaß ein weitere Hybridverstärker nötig ist, der zu hoch ausgesteuert wird und damit zu hohe Verzerrungen verursacht. Weiterhin ist die Verlustleistung von zwei Verstärkern groß.voltage gains, so that another hybrid amplifier is required, which is driven too high and thus causes excessive distortion. Furthermore, the power loss of two amplifiers is high.
Durch die EP-A-O 372 742 ist es bekannt, Verstärkerhybride über frequenzgang-angepaßte Hochfrequenzübertrager an Photodioden anzukoppeln. Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil einer sehr rauscharmen Stromverstärkung.From EP-A-O 372 742 it is known to couple amplifier hybrids to photodiodes via frequency-matched high-frequency transformers. This circuit arrangement has the advantage of very low-noise current amplification.
Nachteilig erweist sich der erhöhte Lastwiderstand der Photodiode, der sich als Produkt des Windungsverhältnisses des Übertragers zum Quadrat und dem Innenwiderstands des Hybridverstärkers ergibt. Demgemäß hat diese Schaltungsanordnung den Nachteil, daß aufgrund des so erhöhten Spannungsabfalls an der Photodiode die Linearität der photo-elektrischen Umsetzung ungenügend ist.The increased load resistance of the photodiode, which is the product of the turns ratio of the transformer squared and the internal resistance of the hybrid amplifier, is a disadvantage. This circuit arrangement therefore has the disadvantage that the linearity of the photoelectric conversion is insufficient due to the increased voltage drop at the photodiode.
Mit der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Verstärkereinheit zu schaffen, die eine gute Linearität, einen großen Rauschabstand und einen hohen Verstärkungsgrad bei geringem Schaltungsaufwand und geringen Kosten aufweist.The invention solves the problem of creating an amplifier unit that has good linearity, a large signal-to-noise ratio and a high degree of amplification with little circuit complexity and low costs.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Verstärkereinheit mindestens zwei parallel geschaltete Breitbandverstärker aufweist.This is achieved according to the invention in that the amplifier unit has at least two broadband amplifiers connected in parallel.
Durch die erfindungsgemäße Verstärkereinheit wird erreicht, daß die Aussteuerung der parallel geschalteten Breitbandverstärker sehr klein sein kann, so daß sehr 0 kleine Verzerrungswerte und eine hohe Dynamik erreicht werden. Da sich der Gesamteingangswiderstand mit der Anzahl der parallel geschalteten Breitbandverstärker verkleinert, wird erfindungsgemäß eine hochlineare Verstärkungseinheit realisiert. Da für die Prallelschaltung Ver-5 Stärkereinheiten mit sehr niedriger Rauschzahl eingesetzt werden können, ist eine rauscharme VerstärkungseinheitThe amplifier unit according to the invention ensures that the control of the broadband amplifiers connected in parallel can be very small, so that very low distortion values and high dynamics are achieved. Since the total input resistance decreases with the number of broadband amplifiers connected in parallel, a highly linear amplifier unit is realized according to the invention. Since amplifier units with a very low noise figure can be used for the parallel circuit, a low-noise amplifier unit is required.
realisiert. Aufgrund der Vorteile der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit ist diese hochgradig geeignet, einen nachgeschalteten Hybridverstärker zu betreiben.Due to the advantages of the amplifier unit according to the invention, it is highly suitable for operating a downstream hybrid amplifier.
Alternativ können die Ausgänge auch über angepaßte Koppelglieder verknüpft werden, wobei die Ausgangsimpedanz gleich bleibt.Alternatively, the outputs can also be linked via adapted coupling elements, whereby the output impedance remains the same.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Verstärkereinheit aus drei parallel geschalteten Breitbandverstärkern zusammengesetzt.Preferably, the amplifier unit according to the invention is composed of three broadband amplifiers connected in parallel.
Die Breitbandverstärker weisen vorteilhafterweise eine niedrige Rauschzahl auf, um die Rauschzahl der Verstärkereinheit insgesamt ebenfalls niedrig zu halten, da sich das Rauschen der Verstärkereinheit insgesamt aus dem Rauschen der parallel geschalteten Breitbandverstärker zusammensetzt. The broadband amplifiers advantageously have a low noise figure in order to keep the noise figure of the amplifier unit as a whole low, since the noise of the amplifier unit as a whole is made up of the noise of the broadband amplifiers connected in parallel.
Vorzugsweise weisen die parallel geschalteten Breitbandverstärker eine niedrige Leistungsaufnahme auf.Preferably, the broadband amplifiers connected in parallel have a low power consumption.
Die Breitbandverstärker haben vorzugsweise einen inneren Widerstand von 75 Ohm. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit treten ebenso auf, wenn Breitbandverstärker mit einem inneren Widerstand von 50 Ohm Verwendung finden.The broadband amplifiers preferably have an internal resistance of 75 ohms. The advantages of the amplifier unit according to the invention also occur when broadband amplifiers with an internal resistance of 50 ohms are used.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ausgang der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit dem Eingang eines Hybridverstärkers als zweiter Verstärkerstufe zugeführt. Dies hat den Vorteil, daß ein hoher Verstärkungsgrad bei hoher Linearität und geringem Rauschabstand erzielt wird. 35According to a further preferred embodiment of the invention, the output of the amplifier unit according to the invention is fed to the input of a hybrid amplifier as a second amplifier stage. This has the advantage that a high degree of amplification is achieved with high linearity and a low signal-to-noise ratio. 35
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Photostrom einer PIN-Photodiode an den Eingang der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit gelegt. Die erfindungsgemäße Verstärkereinheit eignet sich deshalb insbesondere zum Verstärken des von einer PIN-Photodiode gelieferten Photostroms, da sich PIN-Photodioden durch extrem kleines Rauschen und hohe Linearität auszeichnen. Diese Eigenschaften bleiben durch Nachschalten der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit erhalten. 10According to a further preferred embodiment of the invention, the photocurrent of a PIN photodiode is applied to the input of the amplifier unit according to the invention. The amplifier unit according to the invention is therefore particularly suitable for amplifying the photocurrent supplied by a PIN photodiode, since PIN photodiodes are characterized by extremely low noise and high linearity. These properties are retained by connecting the amplifier unit according to the invention. 10
Zur Verbesserung des Rauschabstands ist vorzugsweise ein der Verstärkereinheit vorgeschalteter Übertrager vorgesehen. To improve the signal-to-noise ratio, a transformer is preferably provided upstream of the amplifier unit.
Die erfindungsgemäße Verstärkereinheit ist insbesondere für die amplitudenmodulierte Fernseh-Breitbandübertragung geeignet.The amplifier unit according to the invention is particularly suitable for amplitude-modulated television broadband transmission.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert, die in den Figuren dargestellt ist. Es zeigen:The invention is explained below using an advantageous embodiment, which is shown in the figures. They show:
Fig. 1: das Blockdiagramm eines Optoempfängers, in dem die erfindungsgemäße Verstärkereinheit die erste Verstärkerstufe darstellt undFig. 1: the block diagram of an opto receiver in which the amplifier unit according to the invention represents the first amplifier stage and
Fig. 2: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit.Fig. 2: an embodiment of the amplifier unit according to the invention.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung werden die Lichtsignale, die von einer optoischen Signalwelle, z.B. einer Laser-Photodiode, erzeugt werden, über einen Lichtwellenleiter 110 dem Eingang 101 des opto-elektrischen Wandlers 100 zugeführt. Die am Ausgang 102 des opto-elektrischen Wandlers 100 liegenden elektrischen Signale werden dem Eingang 201 einer ersten Verstärkerstufe bzw. -In the arrangement shown in Fig. 1, the light signals generated by an optical signal wave, e.g. a laser photodiode, are fed to the input 101 of the opto-electrical converter 100 via an optical waveguide 110. The electrical signals at the output 102 of the opto-electrical converter 100 are fed to the input 201 of a first amplifier stage or -
einheit 200 zugeführt. Diese erste Verstärkerstufe 200 ist als eine erfindungsgemäße Verstärkereinheit, wie sie weiter unten in Fig. 2 näher beschrieben wird, ausgeführt. Das am Ausgang 202 der ersten Verstärkerstufe 200 liegende elektrische Signal wird dem Eingang 301 einer zweiten Verstärkerstufe 300 zugeführt. Die zweite Verstärkerstufe 300 ist eine Leistungsstufe und als handelsüblicher Hybridverstärker vom Typ CA 900 ausgeführt. Am Ausgang 3 02 der zweiten Verstärkerstufe 3 00 liegt das verstärkte elektrische Signal an. Die weiter unten ausgeführte erfindungsgemäße erste Verstärkerstufe 200 dient als hochlinearer Vorverstärker zum Betreiben der zweiten Verstärkerstufe 3 00, wobei ihre Ausgangsspannung noch klein genug ist für ein verzerrungsarme Verstärkung beim Betreiben der zweiten Verstärkerstufe 3 00 und somit eine verzerrungsarme Gesamteinheit ermöglicht wird.unit 200. This first amplifier stage 200 is designed as an amplifier unit according to the invention, as described in more detail below in Fig. 2. The electrical signal at the output 202 of the first amplifier stage 200 is fed to the input 301 of a second amplifier stage 300. The second amplifier stage 300 is a power stage and designed as a commercially available hybrid amplifier of the CA 900 type. The amplified electrical signal is present at the output 3 02 of the second amplifier stage 3 00. The first amplifier stage 200 according to the invention described below serves as a highly linear preamplifier for operating the second amplifier stage 3 00, with its output voltage still being small enough for low-distortion amplification when operating the second amplifier stage 3 00, thus enabling a low-distortion overall unit.
In Fig. 2 wird das am Ausgang 102 des in Form einer Photodiode vorliegenden opto-elektrischen Wandlers 100 anliegende elektrische Signal dem Eingang 201 der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit 200 zugeführt. Zwischen dem opto-elektrischen Wandler 100 und der Verstärkereinheit befindet sich ein Übertrager 203. Über die der Wechselstrom-Kopplung dienenden Kondensatoren 211, 221 und 231 wird das Signal zu gleichen Teilen an die Eingänge 1 der Breitbandverstärker 214, 215 und 216 gelegt. Der Kondensator 212 dient zur Frequenzkompensation. Das an den Ausgängen 5 der Breitbandverstärker 214, 215 und 216 anliegende verstärkte Signal wird über die Kondensatoren 213, 223 und 233 additiv zusammengelegt und liegt am Ausgang 202 der Verstärkereinheit 200 an. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Kondensatoren 211, 221, 231, 213, 223 und 233 jeweils ein Kapazität von 10 Nanofarad. Kondensator 212 hat eine Kapazität von 1 Picofarad. Die Speisespannung von + 12 V liegt an den Eingängen 4 der Breitbandverstärker 214, 215 und 216 an. Sie sind überIn Fig. 2, the electrical signal present at the output 102 of the opto-electrical converter 100 in the form of a photodiode is fed to the input 201 of the amplifier unit 200 according to the invention. A transformer 203 is located between the opto-electrical converter 100 and the amplifier unit. The signal is applied in equal parts to the inputs 1 of the broadband amplifiers 214, 215 and 216 via the capacitors 211, 221 and 231 used for alternating current coupling. The capacitor 212 is used for frequency compensation. The amplified signal present at the outputs 5 of the broadband amplifiers 214, 215 and 216 is additively combined via the capacitors 213, 223 and 233 and is applied to the output 202 of the amplifier unit 200. In this embodiment, the capacitors 211, 221, 231, 213, 223 and 233 each have a capacitance of 10 nanofarads. Capacitor 212 has a capacitance of 1 picofarad. The supply voltage of + 12 V is applied to the inputs 4 of the broadband amplifiers 214, 215 and 216. They are connected via
den Kondensator 250, dessen Kapazität 100 Nanofarad beträgt, mit der Masse verbunden. Die Breitbandverstärker sind vom Typ OM 2045 der Fa. Philips (Rauschzahl F = 3,6 dB, Verstärkungsfaktor &ngr; = 12 dB). Die Stromverstärkung der Verstärkereinheit 200 beträgt 6 dB bei 0,4 W Leistungsaufnahme. Der innere Widerstand eines Breitbandverstärkers beträgt 75 Ohm. Aufgrund der Parallelschaltung der drei Breitbandverstärker reduziert sich der Gesamtwiderstand der Verstärkereinheit auf 25 Ohm. Dadurch wird die Signalsquelle extrem niederohmig belastet, wodurch hohe Linearität insbesondere bei der Stromerzeugung dieser Signalquellen gewährleistet ist, deren Leistungsabgabe sehr begrenzt ist, wie dies z.B. bei einer PIN-Photodiode der Fall ist. Desweiteren gewährleistet die extrem niederohmige Belastung (25 Ohm) der Siganlquelle eine hohe Grenzfrequenz der Diodenanbindung, da parasitäre Kapazitäten an Einfluß verlieren, wodurch die Schaltungsanordnung stark vereinfacht wird. Aufgrund der additiven Zusammenlegung der Ausgänge der drei Breitband-0 verstärker ist die Ausgangsleistung der erfindungsgemäßen Verstärkereinheit 200 so hoch, daß die Breitbandverstärker jeweils mit geringer Aussteuerung betrieben werden können, so daß die Verstärkereinheit verzerrungsarm arbeitet. Die erfindungsgemäße Verstärkereinheit nach Fig.the capacitor 250, whose capacity is 100 nanofarads, is connected to ground. The broadband amplifiers are of the type OM 2045 from Philips (noise figure F = 3.6 dB, gain factor ν = 12 dB). The current gain of the amplifier unit 200 is 6 dB at 0.4 W power consumption. The internal resistance of a broadband amplifier is 75 ohms. Due to the parallel connection of the three broadband amplifiers, the total resistance of the amplifier unit is reduced to 25 ohms. This places an extremely low-impedance load on the signal source, which ensures high linearity, particularly in the power generation of these signal sources, whose power output is very limited, as is the case with a PIN photodiode, for example. Furthermore, the extremely low-impedance load (25 ohms) of the signal source ensures a high cut-off frequency of the diode connection, since parasitic capacitances lose their influence, which greatly simplifies the circuit arrangement. Due to the additive combination of the outputs of the three broadband amplifiers, the output power of the amplifier unit 200 according to the invention is so high that the broadband amplifiers can each be operated with low control, so that the amplifier unit operates with little distortion. The amplifier unit according to the invention according to Fig.
2 ist preiswert zu realisieren (drei Verstärker zu je ca. 4 DM) .2 can be realized inexpensively (three amplifiers at about 4 DM each).
In Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten 0 Schaltungsanordnung, bei der die in Fig. 2 dargestellte Verstärkereinheit die erste Verstärkerstufe 200 darstellt, ergibt sich eine Gesamtstromverstärkung von 2 3 dB. Die Bandbreite beträgt 40 ...860 MHz. Der auf eine Photodiode als optoelektrischen Wandler 100 bezogene äquivalente Rauschstrom beträgt 20 pA/VHz.In conjunction with the circuit arrangement shown in Fig. 1, in which the amplifier unit shown in Fig. 2 represents the first amplifier stage 200, a total current gain of 2 3 dB results. The bandwidth is 40 ... 860 MHz. The equivalent noise current related to a photodiode as optoelectric converter 100 is 20 pA/VHz.
Eine Systemabschatzung mit einem Distributed Feedback-(DFB)-Laser-Sender ergibt folgendes:A system assessment using a Distributed Feedback (DFB) laser transmitter results in the following:
Die Laserquelle ist ein CATV-tauglicher DFB-Laser (13 nm) mit einer Ausgangsleistung von 5 mW und einem Modulationsgrad m von 0,05/Kanal.The laser source is a CATV-compatible DFB laser (13 nm) with an output power of 5 mW and a modulation depth m of 0.05/channel.
Nach 10 dB optischer Dämpfung ergibt sich nach der PIN-Diode ein Photostrom/Kanal (Responsivity R der PIN-Diode = 0,9) von 16 &mgr;&Agr;. Der Schrotrauschstrom der Photodiode beträgt is = V(2*e*PL*R) = 12pA/VHz. Der Gesamtrauschstrom, bezogen auf 4 MHz, beträgtAfter 10 dB of optical attenuation, a photocurrent/channel (responsivity R of the PIN diode = 0.9) of 16 μα results after the PIN diode. The shot noise current of the photodiode is i s = V(2*e*P L *R) = 12pA/VHz. The total noise current, related to 4 MHz, is
iR = v(122+ 202)*V4MHZ pA/VHz = 46,6 nA 15i R = v (12 2 + 20 2 )*V4MHZ pA/VHz = 46.6 nA 15
Daraus ergibt sich der auf 4 MHz bezogene Träger/Rauschabstand This results in the carrier-to-noise ratio referred to 4 MHz
C/N = 20*log (16&mgr;&Agr;/46,6&eegr;&Agr;) = 50.7 dB 20C/N = 20*log (16μα/46.6ηα) = 50.7 dB 20
Der Ausgangspegel beträgt dabei 84.5 &agr;&Bgr;&mgr;&ngr; pro Kanal an 75&OHgr;.The output level is 84.5 αβμν per channel at 75Ω.
Die gemessenen Verzerrungswerte entsprechen in etwa den Laser-Datenblattwerten, was zeigt, daß der Empfänger keinen Einfluß auf die Verzerrungswerte der Übertragungsstrecke hat.The measured distortion values correspond approximately to the laser data sheet values, which shows that the receiver has no influence on the distortion values of the transmission path.
Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten direkten Ankopplung 0 des optoelektrischen Wandlers an die erfindungsgemäße erste
Verstärkerstufe ist auch ein Ankopplung mittels Übertrager möglich, wobei sich dadurch der Signal/Rauschabstand
linear zum Windungsverhältnis des Überträgers verbessert.
35As an alternative to the direct coupling 0 of the optoelectric converter to the first amplifier stage according to the invention shown in Fig. 1, coupling by means of a transformer is also possible, whereby the signal-to-noise ratio is thereby improved linearly to the turns ratio of the transformer.
35
Bei ausreichend hoher Verstärkung der Einzelverstärker kann auf einen nachfolgenden Hybridverstärker verzichtet werden. In diesem Fall hätte man also durch mehrere parallel geschaltete preisgünstige Verstärker einen teuren mit dem Vorteil geringer Eingangsimpedanz ersetzt. Werden die Ausgänge parallel geschaltet, so ergibt sich eine um die Anzahl der Verstärker verringerte Ausgangsimpedanz.If the individual amplifiers have a sufficiently high gain, a subsequent hybrid amplifier is not required. In this case, several inexpensive amplifiers connected in parallel would replace an expensive one with the advantage of low input impedance. If the outputs are connected in parallel, the output impedance is reduced by the number of amplifiers.
Claims (12)
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