NL8006375A - Optische teruggekoppelde voorversterkerketen. - Google Patents

Description

* « r* VO 12^7

Titel: Optische teruggekoppelde voorversterkerketen

De uitvinding heeft betrekking op voorversterkers en meer in het bijzonder op een camerabuis voorversterkerketen -waarin gebruik gemaakt is van een optische terugkoppelbaan.

Een van de basisproblemen bij het ontwerpen van een voorversterker 5 voor bijvoorbeeld het ingangsgedeelte van een camera, is het regelen van de frequentieresponsie daarvan of, meer in het bijzonder, het vaststellen van de frequentieresponsie.

In het ideale geval zou de stroom welke wordt toegevoerd door de beeldopneembuis (bijvoorbeeld plumbicon, vidicon en dergelijke) ver-10 sterkt of omgezet moeten worden in een spanning zonder enig verlies in frequentieresponsie. De responsie zou bijvoorbeeld vlak moeten zijn van d.c. tot ongeveer 5 of 6 megahertz (MHz). The probleem is niet gelegen in het vlakmaken van de responsie, maar in het bepalen of de responsie in feite vlak is. Om de frequentieresponsie van de voorversterker vast 15 te stellen moet de voorversterker over het gebied van de werkingsfre-quenties gezwaaid worden, hetgeen erg moeilijk uit te voeren is zonder de werkingskarateristieken van de voorversterker te verstoren, omdat het aanleggen van een test-zwaaisignaal aan de ingang daarvan als inherent gevolg een vervorming van de frequentieresponsiekromme heeft.

20 Het bovenstaande probleem bij klassieke terugkoppelversterkers voor opneembuizen wordt gedeeltelijk veroorzaakt doordat ter wille van het minimaliseren van de ruis het nodig is om belastingsweerstanden met een grote waarde te gebruiken,welke loopt van een half tot twee of drie megaohm. De lastweerstanden .met .een. grote waarde-ihebhen op hun . .

25 beurt zeer aanzienlijke eigen capaciteiten als ook verdeelde capaciteit naar - aarde, hetgeen er voor zorgt dat de terugkoppeling bij variaties in de frequentie varieert. Verder zijn deze parasitaire capaciteiten niet voorspelbaar dus is het noodzakelijk om binnen de voorversterker te voorzien in een instelbare compensatie. Om echter deze instellingen tema-30 ken is het, zoals bovenstaand vermeld, noodzakelijk amde voorversterker ever het van belang zijnde frequentiegebied te zwaaien. Iedere poging om dit te doen verstoort gewoonlijk de karakteristieken van de voorversterker, waardoor de instellingen onbruikbaar worden.

8006375 -* 2 —

Een verder probleem bij klassieke voorversterkers ontstaat bij het gebruik: van buizen van het "anti-komeetstaart" type. Bij het ontladen van zeer sterke lichten, kunnen deze buizen signaalstromen opwekken ter grootte van 80 microampere, waardoor pulsen van 80 volt ontstaan in een 5 voorver sterker welke gebruik maakt van een terugkoppelweer stand met een waarde van 1 megaohm. Het is van groot belang dat de voorver sterker in staat is om deze pulsen te verwerken zonder in verzadiging te raken, omdat anders aanzienlijke hersteltijden onvermijdelijk zijn. Er zijn derhalve hoge voedingsspanningen nodig, en de vermogens opname van de 10 voorversterker kan aanzienlijk worden.

Een verder nadeel van klassieke voorversterkers is het feit dat hun uitgangsgelijkspanning welke overeenkomt met een signaalstroom nul (zwart niveau) niet goed gedefinieerd is en met de temperatuur varieert. Dit heeft tot gevolg dat er een bepaalde vorm van zwart-niveauklem 15 nodig is om voor de onderdrukking het zwart niveau nauwkeurig weer in te stellen.

De onderhavige uitvinding ondervangt de bovengenoemde bezwaren van de bestaande voorversterkers door te voorzien in een verbeterde, voorver sterker keten welke bijvoorbeeld gebruikt kan worden in camerabuis-20 systemen. In het algemeen is de keten toepasbaar in situaties waarin stroom wordt omgezet in spanning over een brede band met lage ruis.

Meer in het bijzonder maakt de voorversterker gebruik van een veldeffecttransistor (E.E.T.) versterker met ingangs- en uitgangsklemmen, waarbij stroomterugkoppeling wordt verkregen door een lichtemitterende 25 diode (LED) in reactie op het uitgangssignaal van de F.E.T. versterker via een uitgangstransistor te moduleren en door het resulterende lichtsignaal terug te voeren naar de ingangsklem via een optische vezel en een lichtdetecterende fotodiode. De optische terugkoppelbaan heeft een zeer vlakke frequentieresponsie over de gehele bandbreedte, hetgeen de 30 responsiepr.oblemen welke inherent zijn aan voorversterkers met een hoog-ohmige terugkoppeling, ondervangt. Bij gebruik met buizen van het "anti-komeetstaart" type, is een referentiespanning gekoppeld met de uitgangs-klem via een diode om het uitgangssignaal af te snij den zender het terugkoppel signaal te onderbreken. De signaalspanningen in de voorversterker 35 keten behoeven nooit een paar volt te boven te gaan, waardoor alleen 8006375 O» 47+ - 3 - laagspanningsvoedingen nodig zijn.

De onderhavige uitvinding heeft derhalve het doel te voorzien in een stroomterugkoppelvoorversterker:. welke een "békende vlakke frequentie-responsie bezit met een lage ruis over de volledige bandbreedte daarvan.

5 Een verder doel is te voorzien in een voorversterker met een opti sche stroomterugkoppelbaan wélke van zichzelf een vlakke frequentie-responsie bezit en ongevoelig is voor het oppikken van uitwendige ruis.

Weer een doel van de uitvinding is te voorzien in een stroomterug-koppelvoorversterker voor opneembuizen en ketens van het "anti-komeet-10 staart" type welke gemakkelijk het hoge stroomniveau van de "anti-komeet-staart” pulsen 'kan' ··. verwerken met een lage voedingsspanning.

Wog een doel van de uitvinding is te voorzien in een stroomterug-koppelversterker welke voorziet in een nauwkeurig voorspelbare uitgangs-gelijkspanning welke overeenkomt met een signaalstroom 0 (d.w.z. het 15 zwart niveau) waardoor de noodzaak van een zwart niveau klemschakeling volgend op de voorversterker vervalt.

De uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden beschreven aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening. Hierin toont: 20 Fig.1..een vereenvoudig schematisch diagram welke de combinatie volgens de uitvinding toont.

Fig.2 een schematisch diagram van een uitvoeringsvorm van de keten volgens fig. 1.

Alhoewel de uitvinding beschreven is bij het gebruik bij een camera-25 buissysteem, zal het duidelijk zijn dat de keten ook gebruikt kan worden voor andere toepassingen waarbij het gewenst is om stroom om te zetten in spanning over een grote bandbreedte met lage ruis en met een goed gedefinieerde frequentieresponsie, een lage verschuifspanning en wanneer een werking bij een lage spanning gewenst is.

30 Hiertoe is een veldeffecttransistor (F.E.T.) ingangsversterker 12 met de negatieve ingang ervan gekoppeld met de trefplaat van de camerabuis (welke niet getoond is) via ingangsklem 1U. De negatieve ingang is ook gekoppeld met de anode van een (PIïï) fotodiode 16. The kathode van de fotodiode 16 is gekoppeld met een positieve voedingsspanning (bijv. +12 35 volt) zoals bij 18. De positieve ingang van de F.E.T. versterker 12 is met aarde gekoppeld.

8006375 -1).-

De uitgang van de F.E.T. versterker 12 is gekoppeld met de basis van een uit gangs ver sterker 20, waarvan-dé.\ collector gekoppeld is met de kathode van een lichtemitterende diode (LED) 22. De anode van deze laatste is gekoppeld met een positieve voedingsspannings (bijv. +12 volt) 5 zoals bij 2k. Een uit lichtstralen bestaand signaal 2kt dat is opgewekt door de LED 22 is gekoppeld naar de fotodiode 16 via een optische vezel 26.

De emitter van transistor 20 is met aarde gekoppeld via een belastingsweerstand 28 en met een referentiespanningsbron 30 via een 10 afsnijdiode 32 en weerstand 3^ en met een videouitgangsklem 36.

Bij het in werking zijn wordt stroomterugkoppeling verkregen door de LED 22 te moduleren met het uitgangssignaal dat wordt toegevoerd viai de collector van de transistor 20 en door het resulterende uit lichtstraling bestaande signaal 25 via de optische vezel 26 naar de 15 fotodiode 16 te koppelen. De fotodiode 16 is gekoppeld met de ingang van de F.E.T. versterker 12 samen met de inkomende ingangssignaalstroom daarvoor op ingangsklem 1U.

Het uitgangssignaal wordt door de diode 32 en de referentie-spanning 30 afgesneden op een daardoor bepaald gekozen afsnijniveau.

20 De weerstand 3^ bepaalt de mate waarin wordt afgesneden.

Fig. 2 toont een meer gedetailleerd schematisch diagram van de keten uit fig. 1, waarin gelijke componenten zijn aangegeven met gelijke verwijzingscijfers. Het videoingangssignaal 1U is dus naar een veld-effecttransistor (F.E.T.) 38 gevoerd en daarvandaan naar de ingangs-25 transistor Uo, waardoor een cascode netwerk bepaald is dat het Miller-effect verkleint. Het uitgangssignaal van de ingangstransistor Uo is gekoppeld met een operationele versterker met terugkoppeling 1+2, waarbij de componenten 38, b-0 en 1+2 de F.E.T. versterker 12 uit fig. 1 bepalen.

De F.E.T. 38 is uitgekozen op zeer goede ruiseigenschappen. De uitgang 30 van de operationele versterker 1+2 is, uitsluitend vanwege de bijzondere gelijkspanningseigenschappen ervan, in gelijkspanningsniveau verschoven naar de aardpotentiaal via een zener diode/weerstandcombinatie kb en toegevoerd aan de uitgangstransistor 20. Een condensator k6 verhindert dat storingen in de voedings spanning aan de kathode van de fotodiode 16 35 overspraak in de keten veroorzaakt.

8 0 06 37 5 9 -« - 5 -

De optische terugkoppelbaan "bezit een zeer vlakke frequentie-responsie, de LED 22 bezit bijvoorbeeld een vlakke responsie van d.c. tot ten minste 20. MHz en de fotodiode 16 is vlak tot in het megahertz-gebied. Verder is de optische terugkoppelbaan niet gevoelig voor het 5 oppikken van ruis omdat er geen banen naar aarde zijn tussen de uitgang___ van de versterker 12 en het ingangspunt ervan voor terugkoppeling, zo lang men er ten minste voor zorgt dat uitwendig licht niet binnen kan komen in de optische vezel 26.

Pulsen van het "anti-komeetstaartn type met een aanzienlijk grootte 10 worden gemakkelijk verwerkt met een lage voedingsspanning omdat de relatief kleine belastingsweerstand 28 het gebruik van een lage uitgangs-spanning mogelijk maakt gedurende de normale werking van de buis, bijvoorbeeld 10 millivolt. Gedurende de aanwezigheid van een puls van het ”ant i-komeet staart" type van een bijvoorbeeld 100 maal groter signaal, 15 is het opgewekte uitgangssignaal slechts in de orde van grootte van 1 volt, hetgeen binnen het ontwerpgebied voor een laagspanningsvoorver-sterker gelegen is.

Bovendien maakt het gebruik van een optische terugkoppelbaan een nauwkeurige voorspelling van het zwart niveau, dat wil zeggen een uit-20 gangs spanningsniveau 0 mogelijk, omdat een videoniveau 0 (het zwart niveau) aan ingang .14 altijd een overeenkomstig videoniveau 0 aan de uitgang 36 van de voorversterker opwekt. Meer in het bijzonder is er een nul-signaal 0 van de fotodiode 16 wanneer er een ingangsspanning 0 bij 1^· is, hetgeen een collectorstroom 0 veroorzaakt in de uitgangstransistor 20 en geen 25 signaal van de LED 22, geen lichtsignaal in de optische vezel 26, en een uitgangsspanning 0 (d.w.z. een voorspelbaar zwart niveau) aan de uitgangsklem 36.

8006375

Claims (10)

1. Voorverst erkerketen met stroomterugkoppeling met een ingangssignaal aan een ingang ervan, en een uitgangssignaal aan een uitgang ervan gekenmerkt door een optische terugkoppelbaan welke gekoppeld is van de uitgang naar de ingang voor het opwekken van een stroomt erug- 5 koppelsignaal in reactie op het uitgangssignaal.

2. Versterker volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de optische terugkoppelbaan lichtopwekkende middelen omvat voor het opwekken van een lichtsignaal in reactie op het uitgangssignaal en middelen welke werkzaam gekoppeld zijn met de lichtopwekkende middelen voor het aan de 10 ingang toevoeren van het stroomterugkoppelsignaal.

3. Versterker volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de lichtopwekkende middelen een lichtemitterende diode omvatten welke werkzaam gekoppeld is met de uitgangsklem en dat de middelen voor het toevoeren van het stroomterugkoppelsignaal fotodiodemiddelen omvatten welke met de 15 ingangsklem gekoppeld zijn en optische vezelmiddelen welke gekoppeld zijn tussen de lichtemitterende diodemiddelen en de fotodiodemiddelen. k. Versterker volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat deze omvat een veldeffecttransistor waarvan de de ingang de ingang van de voor-versterker bepaalt, een uitgangstransistor welke gekoppeld is met de 20 veldeffecttransistor en met de lichtemitterende diodemiddelen en belas-tingsweerstandsmiddelen welke gekoppeld zijn met de uitgangstransistor.

5. Versterker volgens conclusie k met het kenmerk, dat deze omvat spanningsafsnijmiddelen welke gekoppeld zijn van de uitgangstransistor naar de referent iespanning en belast ingsweerstandsmiddélen met een weer- 25 stand ter grootte van 1000 ohm.

6. Voorversterkerketen voor het opwekken van een uitgangssignaal in reactie op het ingangssignaal gekenmerkt door (veldeffecttransistor) versterkingsmiddelen met een ingang en een uitgang en ingericht voor het ontvangen van het ingangssignaal aan de ingang daarvan en foto- 30 terugkoppelmiddelen welke werkzaam van de uitgang terug naar de ingang van de (veldeffecttransistor) versterkingsmiddelen gekoppeld zijn voor het opwekken van stroomterugkoppelsignalen dat een maat is voor het 80 06 37 5 - 7 - uitgangssignaal van de (veldeffeetransistor) versterkingsmiddelen. T. Keten volgens conclusie 6 verder gekenmerkt door fototerugkoppel-middelen omvattende lichtemitterende diodemiddelen voor het toevoeren van een lichtsignaal dat evenredig is met het uitgangssignaal van de 5 versterker.

8. Keten volgens conclusie 7 met het kenmerk dat de lichtemitterende diodemiddelen in reactie op het uitgangssignaal van de versterker worden gemoduleerd en dat de fototerugkoppelmiddelen verder lichtdetecterende fotodiodemiddelen omvatten welke gekoppeld zijn met de ingang en optische 10 vezelmiddelen welke gekoppeld zijn tussen de lichtemitterende diodemiddelen en de lichtdetecterende fotodiodemiddelen. 9« Keten volgens conclusie 8 gekenmerkt door een uitgangstransistor welke gekoppeld is met de uitgang van de (veldeffecttransistor) versterkingsmiddelen en met de lichtemitterende diode en welke dient voor 15 het verschaffen van het uitgangssignaal van de voorversterkerketen.

10. Keten volgens conclusie 9 gekenmerkt door een helastingsweerstand in de ordegrootte van 100 ohm gekoppeld met de uitgangstransistor naar aarde.

11. Keten volgens conclusie 10 gekenmerkt door afsnijorganen welke 20·’ gekoppeld zijn met de uitgangstransistor voor het selectief afsnijden aan het uitgangssignaal en omvattende een referentiespanning, een diode welke gekoppeld is met het uitgangssignaal en een weerstand welke gekoppeld is van de diode naar de referentiespanning.

12. Keten volgens conclusie 11 met het kenmerk dat de veldeffect-25 transistor-versterkingsmiddelen een negatieve ingang omvatten welke gekoppeld is met de ingangssignaalstroom en een positieve ingang welke met aarde gekoppeld is.

13. Keten volgens conclusie 12 met het kenmerk dat de uitgangstransistor een basis omvat welke gekoppeld is met de veldeffecttransistor- 30 versterkingsmiddelen, een collector welke gekoppeld is met de lichtemitterende diode en een emitter welke gekoppeld is met de afsnijorganen en met de belastingsweerstand en welke voorziet in het uitgangssignaal van de voorversterkerketen. 8006375