FI106679B - Optinen vastaanotin - Google Patents

Description

1 106679

Optinen vastaanotin

Keksinnön ala

Keksintö liittyy yleisesti optiseen vastaanottimeen. Tarkemmin sa-5 nottuna keksintö koskee optisessa vastaanottimessa käytettävää menetelmää ja piirikytkentää, joiden avulla kasvatetaan tulovahvistimen dynamiikka-aluetta.

Tekniikan tausta 10 Optinen siirtojärjestelmä käsittää optisen lähettimen, joka muuttaa lähetettävän sähköisen signaalin optiseen muotoon, (b) optisen kuidun, joka j toimii optisen signaalin johtimena, ja (c) optisen vastaanottimen, joka ilmai see lähetetyn optisen signaalin ja muuttaa sen sähköiseen muotoon.

Tyypillinen optinen vastaanotin käsittää tuloasteessaan valoilmaisi-15 men ja transimpedanssivahvistimen, jonka tulo on kytketty valoilmaisimelle. Valoilmaisin muuttaa vastaanottamansa optisen signaalin sähkövirraksi, joka syötetään transimpedanssivahvistimelle. Viime mainittu tuottaa lähtöönsä jännitteen, joka on verrannollinen sisään tulevaan virtaan, joten vahvistimen lähdöstä saadaan valoilmaisimen virtaan verrannollinen jännite. Valoilmaisin . .·. 20 on yleensä joko vyöryvalodiodi (APD, Avalanche Photo Diode) tai optinen :·'· PIN-diodi. Vyöryvalodiodilla saavutetaan paremmat suoritusarvot kuin ΡΙΝΙ I diodilla, mutta se on kalliimpi kuin PIN-diodi ja sen käyttö on lisäksi selvästi :*V hankalampaa (johtuen sen vaatimasta suuresta bias-jännitteestä, jota on sää- dettävä lämpötilan mukaan). Transimpedanssivahvistimia käytetään yleisesti : 25 mm. siksi, että niiden avulla saavutetaan suhteellisen yksinkertaisella raken- • « : teella suhteellisen hyvät herkkyysominaisuudet.

Optisten vastaanotinratkaisujen eräänä ongelmana on niiden riittämätön dynamiikka: hyvä herkkyys merkitsee usein huonoa tehonsietoa ja hyvä tehonsieto puolestaan huonoa herkkyyttä. Huono dynamiikka heikentää puo-30 testaan vastaanottimen käytön joustavuutta; esim. siirryttäessä käyttämään !·:· lyhyempää kuitua on lisättävä ylimääräinen vaimennin lähettimen ja vastaan- • · / · ottimen väliin.

V\ Koska vastaanottimeen tulevan optisen signaalin tehotaso voi käy- tännössä vaihdella huomattavastikin (riippuen siitä, kuinka pitkää kuitua käy-. .· 35 tetään), transimpedanssivahvistimen yhteydessä käytetään tyypillisesti jonkin- 2 106679 laista automaattista vahvistuksen säätöä (AGC), jonka avulla vahvistimen läh-töjännite pidetään oleellisesti vakiona, kun sisään tuleva signaali on ennalta valittua kynnysarvoa suurempi.

Kun pyritään hyvään herkkyyteen, ovat vahvistimen tulonavassa vai-5 kutiavat hajakapasitanssit oleellisia; jo pienikin kapasitanssi heikentää vastaanottimen herkkyyttä. Näin ollen on myös oleellista, että vahvistimen tulossa vaikuttavat hajasuureet (parasitics) saadaan mahdollisimman pieniksi.

Vastaanottimen dynamiikka-aluetta on yritetty laajentaa käyttämällä säädettävää resistiivistä elementtiä transimpedanssivahvistimen edessä.

10 Elementin resistanssia säädetään vasteena vahvistimelle tulevan signaalin voimakkuuteen siten, että suuremmilla tasoilla resistanssia pienennetään, jolloin vahvistimen tuloon kytketty virta pienenee (osan virrasta kulkiessa re-sistiivisen elementin kautta), eikä vahvistin kyllästy. Tällaisesta perusratkaisusta tunnetaan useita erilaisia variaatioita, joita kuvataan lyhyesti seuraa-15 vassa.

US-patentissa 5,012,202 ja EP-patenttijuikaisussa 433 646-B1 esitetään säätöpiiri, jossa resistiivisenä elementtinä käytetään kanavatran-sistoria (FET). Jotta kanavatransistorin nielun (drain) kapasitanssi ei pienentäisi vahvistimen herkkyyttä, täytyy se kompensoida kanavatransistorin . .· 20 yli olevalla takaisinkytkennällä. Tällainen takaisinkytkentä tekee piiristä kui- • · » :·.· tenkin entistä monimutkaisemman. Lisäksi takaisinkytkentä hankaloittaa » '· * vastaanottimen suunnittelua.

» · * » · “V Kanavatransistoria parempi vaihtoehto on käyttää säädettävänä re- sistiivisenä elementtinä diodia, jolla on luonnostaan pieni kapasitanssi. Dio- • » [ 25 diin perustuvia ratkaisuja on useita erilaisia.

GB-patenttihakemuksessa 2 247 798-A on esitetty diodiin perustuva ratkaisu, jossa vastuksen (r, kuvio 1) yli muodostuvan jännitteen perusteella ohjataan kytkintransistoria (TR1, kuvio 1) käyttäen diodin (D, kuvio 1) yli olevaa jännitettä ja näin ollen diodin dynaamista resistanssia. Jotta säätö- ·’·. 30 piiri ei häiritsisi transimpedanssivahvistimen DC-toimintapistettä, on se jou- • ^ .·:· duttu erottamaan kondensaattorilla (C2, kuvio 1) vahvistimesta. Konden- .· * saattorin käyttö aiheuttaa kuitenkin takaisinkytkentäsilmukkaan ylimääräisen • · ’· '· aikavakion, joka hankaloittaa suunnittelua. Lisäksi kondensaattorit ja em.

vastus tekevät piirin monimutkaisemmaksi, jolloin myös piirilevyltä vaaditaan * · t « · « · • · · 3 106679 entistä enemmän tilaa. Kaikki lisäkomponentit aiheuttavat myös hajasuureita suurilla taajuuksilla, mikä heikentää vastaanottimen herkkyyttä.

US-patentissa 4,415,803 kuvataan myös diodiin perustuva ratkaisu, jossa käytetään säädössä huipputason ilmaisinpiiriä (peak-hold), joka tark-5 kailee transimpedanssivahvistimen lähdön huippuarvoa. Tämän huippuarvon perusteella säädetään diodin yli olevaa jännitettä niin, että osa vahvistimen tulovirrasta kulkee diodin kautta. Tämän ratkaisun epäkohtana on se, että suurilla siirtonopeuksilla tarkan peak-hold-piirin toteuttaminen on vaikeaa. Suuren tarkkuuden saavuttaminen huippuarvon mittauksessa on vaikeaa ja 10 vaatii lisäksi kalliiden erikoiskomponenttien käyttöä.

EP-patenttihakemuksesta 402 044-B1 tunnetaan ratkaisu, jossa ilmaisimen virta kulkee vastuksen (R1, kuvat 4a ja 4b) läpi ja aiheuttaa jännitteen diodin (D0, kuvat 4a ja 4b) yli. Kun tämä jännite on riittävän suuri, diodi alkaa johtaa, jolloin se toimii vaimentimena. Tällaisen ratkaisun epä-15 kohtana on mm. se, että vastus aiheuttaa kohinaa, joka puolestaan pienentää vastaanottimen herkkyyttä. Takaisinkytkentä hankaloittaa myös toteutusta, koska sen on oltava stabiili kaikissa olosuhteissa.

Vastaanottimen dynamiikka-aluetta on yritetty laajentaa myös toteuttamalla transimpedanssivahvistimen takaisinkytkentävastus säädettävä-. .· 20 nä. Tällaisella ratkaisulla on kuitenkin samat ongelmat kuin edellä kuvatuilla :*.· ratkaisuilla; säätö aiheuttaa helposti hajakapasitanssia vahvistimen tuloon ja j s, säädössä joudutaan tekemään kompromissi dynamiikan ja herkkyyden suh- *'Y teen.

·<·>· • · : ’ 25 Keksinnön lyhyt yhteenveto

Keksinnön tarkoituksena on päästä eroon edellä kuvatuista epäkohdista ja saada aikaan ratkaisu, jonka avulla vastaanottimen dynaamista aluetta pystytään kasvattamaan niin, että piiriratkaisu pysyy mahdollisimman yksinkertaisena ja lisäksi niin, että vastaanottimen herkkyyden heikkenemi- ·’·. 30 nen on minimaalista.

• .·:· Tämä päämäärä saavutetaan ratkaisulla, joka on määritelty itsenäi- ./ · sissä patenttivaatimuksissa.

*· ’ Keksinnön ajatuksena on suorittaa säätö kokonaan transimpedans- : sivahvistimen tulopuolella säätämällä vahvistimen tuloon kytketyn impedans- ; 35 sielementin impedanssia suoraan vastaanottimeen tulevan optisen tehon pe- t I » t • · 4 106679 rusteella. Toisin sanoen, ajatuksena on suorittaa säätö ilman takaisinkyt-kentää transimpedanssivahvistimen lähdöstä. Koska takaisinkytkentää ei tarvita, vähenee suunnittelu- ja komponenttitarve tältä osin.

Keksinnön mukaisen ratkaisun lisäetuna on, että kytkennässä voi-5 daan käyttää tavanomaisia, taloudellisesti edullisia komponentteja.

Kuvioluettelo

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia toteutustapoja kuvataan tarkemmin esimerkinomaisesti viitaten kuvioihin 1-3 oheisessa piirustuksessa, 10 jossa kuvio 1 havainnollistaa keksinnön mukaista ratkaisua yleisellä tasolla, kuvio 2 havainnollistaa kuvion 1 mukaisen piirin toimintaa, ja kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisen piirin erästä yksityiskohtaisempaa toteu-15 tusta.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on havainnollistettu keksinnön mukaista periaatetta yleisellä tasolla esittämällä optisen vastaanottimen etupäätä, joka käsittää . 20 transimpedanssivahvistimen TA. Kuten tunnettua, transimpedanssivahvistin on invertoiva (180 asteen vaihesiirto) jännitevahvistin, jossa on sisäinen ta-| ! kaisinkytkentävastus (ei esitetty kuvioissa). Optiselta kuidulta OF saapuva (optinen) signaali muutetaan virraksi valoilmaisimessa PD, joka voiperiaat- • · » teessä olla mitä tahansa tunnettua tyyppiä. Tässä esimerkissä oletetaan va- • · ' 25 loilmaisimen olevan optinen PIN-diodi. PIN-diodin anodi on kytketty transim- pedanssivahvistimen tuloon ja katodi biasointijännitteeseen +V1. Keksinnön mukainen säätöyksikkö CU mittaa vastaanottimeen tulevaa optista tehoa ja säätää sen perusteella vahvistimen tulopisteeseen P1 kytketyn impedans- sielementin ZU impedanssia. Tulevan tehon mittaus tapahtuu mittaamalla :*·, 30 diodin läpi kulkevaa virtaa, joka on tässä tapauksessa suoraan verrannolli- * .·:* nen tulevan optisen tehon keskiarvoon. Tehon tunnistus on edullista suorit- / · taa valodiodin katodilta, jotta mittaus ei vaikuta epäedullisesti transimpe- ’· * danssivahvistimen herkkyyteen.

Keksinnön mukaisen piirin toimintaa on havainnollistettu kuviossa • ♦ . .· 35 2, jossa on pystyakselilla kuvattu optisen tulotehon keskiarvoa ja vaaka-

»M

5 106679 akselilla transimpedanssivahvistimen tulopisteessä (P1) näkyvää impedanssia. Pienillä tulotasoilla impedanssielementin ZU impedanssi on suuri ja tulo-pisteessä näkyvällä impedanssilla on jokin vastuksen R2 ja transimpedanssivahvistimen tuloimpedanssin rinnankytkennästä riippuva (suuri) arvo (Z1).

5 Kun optinen tuloteho kasvaa tiettyä kynnysarvoa P^ suuremmaksi, impedanssielementin ZU impedanssi alkaa pienentyä. Pieneneminen on joko lineaarista (käyrä C1) tai epälineaarista (käyrä C2), käyrämuoto riippuu käytetyn impedanssielementin ominaisuuksista.

Kuviossa 3 on esitetty kuvioiden 1 ja 2 mukaisen piirin erästä tar-10 kempaa toteutustapaa, jossa impedanssielementti muodostuu peräkkäin kytketyistä PIN-diodeista D1 ja D2 ja säätöyksikkö differentiaalivahvistinkytken-nästä, jolla ohjataan impedanssielementin läpi kulkevaa virtaa. Mainittakoon vielä selvennykseksi, että diodit ovat suurtaajuusdiodeja (engl. RF PIN diode).

15 Kuvion 3 mukaisessa piirissä valoilmaisimen PD anodi on kytketty kondensaattorin C4 kautta transimpedanssivahvistimen TA tuloon ja vastuksen R2 kautta maahan. Kondensaattorin C4 avulla suoritetaan DC-erotus, jolla varmistetaan se, ettei säädöllä vaikuteta transimpedanssivahvistimen DC-toimintapisteeseen. Kondensaattori ei ole keksinnön kannalta oleellinen, . .· 20 ja sen tarve riippuu käytetystä transimpedanssivahvistimesta. Vastus R2 : v (jonka arvo on suuri), määrää yhdessä transimpedanssivahvistimen tuloim- *. /. pedanssin kanssa pisteen P1 impedanssin pienillä tulotasoilla (kun impe- :danssielementin läpi ei kulje virtaa), vrt. Z1 kuviossa 2.

4 0

Valoilmaisimen katodi on puolestaan kytketty kondensaattorin C1 * « '· 1 25 kautta maahan ja vastuksen R1 kautta biasointijännitteeseen +V1. Konden- saattori C1 toimii signaalia suodattavana komponenttina, jonka avulla saadaan keskiarvoistettu jännite valoilmaisimen katodille (jännite U1). Vastuksen R1 avulla muodostetaan puolestaan optiseen tulotehoon verrannollinen jännite Um, josta muodostetaan vahvistinkytkennän avulla ohjausjännite (U2) ·1·. 30 impedanssielementtiä varten.

.·:1 Vastuksen R1 valoilmaisimen puoleinen napa on kytketty vastuk- . 1· · sen R7 kautta differentiaalivahvistimen A1 ensimmäiseen (ei-invertoivaan) *· ' tuloon, kun taas biasointijännitteen puoleinen napa on kytketty vastuksen R5 *” kautta differentiaalivahvistimen toiseen (invertoivaan) tuloon. Tämä tulonapa • • 0 0 9 0 0 · · 999 9 6 106679 on lisäksi kytketty vastuksen R3 kautta maahan ja takaisinkytkentävastuksen R4 kautta vahvistimen lähtöön.

PIN-diodit D1 ja D2 muodostavat virtaohjatun impedanssielementin ZU, jonka dynaamista impedanssia ohjaamalla kasvatetaan transimpedans-5 sivahvistimen dynamiikka-aluetta. Diodit on kytketty peräkkäin siten, että diodin D1 anodin ja diodin D2 katodin muodostama yhteinen napa muodostaa transimpedanssivahvistimen tulopisteen P1, joka muodostaa samalla vastuksen R2 ja valoilmaisimen yhteisen navan, joka kytketty kondensaattorin C4 kautta transimpedanssivahvistimen tuloon.

10 Diodin D2 anodi on kytketty esiasetusjännitteeseen Vi ja konden saattorin C3 kautta maahan. Diodin D1 katodi on puolestaan kytketty vastuksen R6 ensimmäiseen napaan ja kondensaattorin C2 kautta maahan. Vastuksen R6 toinen napa on kytketty differentiaalivahvistimen A1 lähtöön. Mainitut kondensaattorit eivät ole varsinaisen keksinnöllisen ajatuksen kannalta 15 oleellisia; C2 ja C3 muodostavat pieni-impedanssisen virtatien maahan, jolloin diodit ovat piirin toiminnan kannalta keskenään rinnakkain pisteestä P1 maahan. Vastus R6 toimii puolestaan rajoittimena, joka rajoittaa impedanssielementin läpi kulkevaa maksimivirtaa.

Kuvion 3 mukainen piiri toimii seuraavasti. Kun optinen tuloteho on . 20 nolla, diodit D1 ja D2 ovat estosuuntaisia ja pisteessä P1 näkyy impedanssi, ;’]1 jonka arvon määrää vastuksen R2 ja transimpedanssivahvistimen tuloimpe- *. /. danssin rinnakkainkytkentä. Kun optista tehoa tulee vastaanottimeen, vas-

* tuksen R1 yli vaikuttava jännite Um on suoraan verrannollinen valodiödiin PD

I · tulevan optisen tehon keskiarvoon. Näin ollen jännite U1 pienenee optisen • % * \ 25 tulotehon kasvaessa. Differentiaalivahvistimen A1 lähtöjännite U2 muuttuu jännitteen U1 funktiona, ja kun U1 on riittävän pieni (verrattuna vastusten R3 ja R5 muodostaman jännitteenjakajan avulla asetettuun kynnysarvoon), myös U2 on riittävän pieni verrattuna esiasetusjännitteeseen Vi, jolloin diodit D1 ja D2 muuttuvat päästösuuntaisiksi ja niiden läpi alkaa kulkea virta.

»'·, 30 Diodit D1 ja D2 ovat siis estosuuntaisia optisen tulosignaalin pienillä .1:1 tehotasoilla. Suurilla tehotasoilla diodit ovat päästösuuntaisia ja niiden läpi kulkee virta, joka on verrannollinen (keskimääräiseen) tulotehoon. Toisin sa- « · noen, diodien D1 ja D2 (impedanssielementin ZU) dynaaminen impedanssi pienenee ja transimpedanssivahvistimen tulosignaalin amplitudi pienenee. ; 35 Tämän seurauksena transimpedanssivahvistimen dynamiikka-alue kasvaa.

a » s 1 t » 7 106679

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Käytännössä vastaavan toiminnallisuuden toteutta-5 vat piiriratkaisut voivat vaihdella monin tavoin. Näin ollen voidaan sekä im-pedanssielementin että säätöpiirin toteutusta vaihdella monin tavoin ilman, että poiketaan edellä kuvatusta periaatteesta. Eräitä variaatioita kuvataan seuraavassa lyhyesti.

Impedanssielementti voi koostua yhdestä tai useammasta kom-10 ponentista, ja elementti voidaan toteuttaa eri tyyppisillä komponenteilla. PIN-diodin käyttö impedanssielementtinä on kuitenkin edullista, koska sillä on luonnostaan pieni kapasitanssi. Edellä esitetty toteutus on sikäli edullinen, että kahden diodin komponentteja on valmiina kaupallisina komponentteina ja ko. komponentille on helppo toteuttaa edellä kuvatun kaltainen jänniteoh-15 jaus. Impedanssielementti voidaan toteuttaa vain yhtä diodia käyttäen, mutta silloin ei yhtä helposti pystytä, hajakapasitanssia aiheuttamatta, syöttämään ohjausvirtaa pisteeseen P1. Säätöpiiri voidaan toteuttaa myös esim. virtapeilillä, joka tuottaa valodiodin läpi menevään virtaan verrannollisen virran, jolla ohjataan impedanssielementin impedanssia. Virtapeili on kuitenkin toteutet-. .·. 20 tava niin, että sillä on tietty kynnysarvo, joka valoilmaisimen virran pitää ylit- ;1·[· tää ennen kuin virtapeili generoi ulostuloonsa virtaa. Impedanssielementti voi • · j I koostua myös usean komponentin muodostamasta verkosta, mutta edellä :2V kuvatuista syistä johtuen on parempi, mitä vähemmän komponentteja tarvi- taan. Esiasetusjännitteellä ei myöskään tarvitse olla etukäteen määrätty va-: *** 25 kioarvo, vaan se voidaan tehdä säädettäväksi, esim. jännitteen U2 perus- ; teella.

• · • « - · «< • · · • · • · « · 2 « ·

Claims (6)

8 106679

1. Menetelmä optisen vastaanottimen dynamiikka-alueen laajentamiseksi, joka vastaanotin käsittää transimpedanssivahvistimen (TA), joka käsittää tulon ja lähdön, valoilmaisimen (PD) vastaanottimeen tulevan optisen 5 tehon muuttamiseksi sähkövirraksi, jonka valoilmaisimen lähtö on toiminnallisesti kytketty transimpedanssivahvistimen tuloon, ja säädettävän impedanssielementin (ZU), joka on toiminnallisesti kytketty transimpedanssivahvistimen tuloon, jonka menetelmän mukaisesti vastaanottaessa muodostetaan tulevan optisen signaalin tehoon 10 verrannollinen signaali, ja dynamiikka-aluetta laajennetaan impedanssielementin impedanssia säätämällä siten, että impedanssi pienenee keskimääräisen tehon kasvaessa, tunnettu siitä, että 15 impedanssin säätö suoritetaan kokonaan transimpedanssivahvisti men tulopuolella säätämällä impedanssia suoraan mainitun signaalin perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impedanssielementti käsittää PIN-diodin, jonka läpi kulkevaa virtaa sää- 20 detään valoilmaisimen läpi kulkevasta virrasta riippuvan jännitteen (U2) avulla.

3. Optinen vastaanotin, joka käsittää : v. - transimpedanssivahvistimen (TA), joka käsittää tulon ja lähdön, ! ! - valoilmaisimen (PD) vastaanottimeen tulevan optisen tehon muut- 25 tamiseksi sähkövirraksi, jonka valoilmaisimen lähtö on toiminnallisesti kytket- ··· ·//: ty transimpedanssivahvistimen tuloon, ja • · • “ - säädettävän impedanssielementin (ZU), joka on toiminnallisesti • · · ; kytketty transimpedanssivahvistimen tuloon, ja - säätöelimet (CU) impedanssielementin impedanssin säätämiseksi, 30 jotka säätöelimet käsittävät elimet tulevan optisen signaalin tehoon verran- ·***: nollisen ohjaussignaalin muodostamiseksi ja kytkemiseksi impedanssiele- ·« ♦ mentille, ’"·1 tunnettu siitä, että • · · · * » · • · • · 9 106679 säätöelimet on kytketty toiminnallisesti valoilmaisimen ja impedans-sielementin väliin niin, että ne ovat kokonaan transimpedanssivahvistimen tulopuolella.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, 5 että mainitut elimet käsittävät vastuksen (R1), jolla synnytetään tulotehosta riippuva jännite ja differentiaalivahvistimen (A1), joka synnyttää mainittuun jännitteeseen verrannollisen ohjausjännitteen (U2).

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että impedanssielementti käsittää ainakin yhden PIN-diodin.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen vastaanotin, tunnettu siitä, että impedanssielementti käsittää kaksi PIN-diodia, jotka on kytketty keskenään peräkkäin ja joiden yhteinen napa on toiminnallisesti kytketty transimpedanssivahvistimen tuloon, ja että impedanssielementin ensimmäinen napa on kytketty esiasetusjännitteeseen (Vi) ja toiseen napaan on kytketty mainittu 15 ohjausjännite. «< « I < 11· « ·«· • · · · • · • · • · # • · · • · · • · « • » · • · • · Ml 4 · ♦ • · • · · lii • « • · · • · 1 · 10 106679