RU2058661C1

RU2058661C1 - Photo current amplifier

Info

Publication number: RU2058661C1
Authority: RU
Inventors: В.Л. Соловьев
Original assignee: Соловьев Владимир Леонидович
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: devices for communications. SUBSTANCE: photo current amplifier has photo diode 1, input two- stage amplifier with parallel feedback by voltage, output generating circuit, which has Schmidt-flip-flop. In addition device has units for biasing photo diode 1, which have transistors 7-9 and resistors 6, 17, circuit, which has transistors 5 and 6, direct-bias diode 10 and resistor 14, parallel RC-circuit which is inserted between emitter of transistor 2 and base of transistor 6. When optical signal is detected, current, which runs through photo diode 1, is amplified by transistors 8 and 9, which currents are added and result is base current for transistor 7. Signal current of transistor 7 serves as biasing current at resistor 12. Potential at base of transistor 2 is decreased and collector current at transistor 2 is increased. This results in decreased impedance at resistors 16 and 17. Biasing voltage of current amplifier at transistors 7-9 is increased in order to balance increased impedance at emitter junctions of transistors 7-9 and to keep constant value of negative biasing of photo diode 1 and potentials at its terminals with respect to power supply lines and device wiring. EFFECT: increased sensitivity. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в приемных устройствах оптических систем связи. The invention relates to communication technology and can be used in receivers of optical communication systems.

Известен усилитель фототока, содержащий фотодиод, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, выполненный на первом, втором и третьем транзисторах, первом, втором и третьем резисторах, а также выходной формирующий каскад, выполненный на триггере Шмитта, при этом коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первой шиной питания, а эмиттер подключен к коллектору и базе третьего транзистора и через второй резистор к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй шиной питания. A known photocurrent amplifier containing a photodiode, an input two-stage amplifier with parallel voltage feedback, made on the first, second and third transistors, first, second and third resistors, as well as an output forming stage made on a Schmitt trigger, while the collector of the first transistor is connected with the first output of the first resistor and the base of the second transistor, the collector of which is connected to the first power bus, and the emitter is connected to the collector and the base of the third transistor and through the second resistor to ba From the first transistor, the emitter of the third transistor is connected through a third resistor to a second power bus.

В данном усилителе из условия обеспечения его максимально возможного динамического диапазона начальный ток базы первого транзистора выбирают значительно больше сигнального тока фотодиода, что определяет преобладание дробовых шумов усилителя, а также влечет за собой преобладание его тепловых шумов, что существенно ограничивает предельную чувствительность анализируемого усилителя фототока. Причем рассматриваемый усилитель фототока является усилителем напряжения, которое возникает при протекании фототока через резистор смещения, при этом изменяется и само смещение фотодиода. Изменение потенциала на выводах фотодиода приводит как к процессу перезаряда паразитных емкостей во входной цепи усилителя, так и к процессу перезаряда барьерной емкости собственно фотодиода, которая при увеличении фототока (уменьшении напряжения обратного смещения) увеличивается и наоборот. Все это происходит во входной цепи усилителя, поэтому частотная коррекция слабых сигналов, маскируемых собственными шумами усилителя, не может быть осуществлена в последующих каскадах. Этим и ограничиваются потенциальные возможности данного усилителя. In this amplifier, from the condition of ensuring its maximum possible dynamic range, the initial base current of the first transistor is chosen much more than the signal current of the photodiode, which determines the predominance of shot noise of the amplifier, and also entails the predominance of its thermal noise, which significantly limits the maximum sensitivity of the analyzed photocurrent amplifier. Moreover, the photocurrent amplifier under consideration is a voltage amplifier that occurs when the photocurrent flows through a bias resistor, and the bias of the photodiode itself changes. A change in the potential at the terminals of the photodiode leads to both a process of recharging stray capacitances in the input circuit of the amplifier and to a process of recharging the barrier capacitance of the photodiode itself, which increases with increasing photocurrent (decreasing reverse bias voltage) and vice versa. All this happens in the input circuit of the amplifier, so the frequency correction of weak signals masked by the intrinsic noise of the amplifier cannot be carried out in subsequent stages. This limits the potential capabilities of this amplifier.

Технический результат заявленного технического решения выражается в повышении чувствительности усилителя фототока при осуществлении изобретения. The technical result of the claimed technical solution is expressed in increasing the sensitivity of the photocurrent amplifier in carrying out the invention.

Повышение чувствительности усилителя фототока достигается тем, что в усилитель фототока, содержащий фотодиод, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, выполненный на первом, втором и третьем транзисторах, первом, втором и третьем резисторах, а также выходной формирующий каскад, выполненный на триггер Шмитта, при этом коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первой шиной питания, а эмиттер подключен к коллектору и базе третьего транзистора и через второй резистор к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй шиной питания, введены четвертый, пятый, шестой и седьмой транзисторы, а также восьмой транзистор, имеющий другую структуру, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы, прямосмещенный диод и параллельная RC-цепь, при этом база четвертого транзистора соединена с базой третьего транзистора, коллектор с первой шиной питания, а эмиттер через прямосмещенный диод с входом выходного формирующего каскада и коллектором пятого транзистора, база которого через параллельную RC-цепь подключена к эмиттеру первого транзистора, а эмиттер через четвертый резистор подключен к второй шине питания, эмиттер шестого транзистора через пятый резистор подключен к эмиттеру первого транзистора, а через шестой резистор к второй шине питания, база шестого транзистора соединена с эмиттером седьмого и коллектором восьмого транзисторов, между базами которых включен фотодиод, причем эмиттер восьмого и коллектор седьмого транзисторов соединены с вторым выводом первого резистора и через седьмой резистор с первой шиной питания. Increasing the sensitivity of the photocurrent amplifier is achieved by the fact that the photocurrent amplifier containing the photodiode has an input two-stage amplifier with parallel voltage feedback, made on the first, second and third transistors, first, second and third resistors, as well as an output forming stage made on the trigger Schmitt, while the collector of the first transistor is connected to the first output of the first resistor and the base of the second transistor, the collector of which is connected to the first power bus, and the emitter is connected to the collector to the base and the base of the third transistor and through the second resistor to the base of the first transistor, the emitter of the third transistor is connected to the second power bus through the third resistor, the fourth, fifth, sixth and seventh transistors are introduced, as well as the eighth transistor having a different structure, fourth, fifth, sixth and seventh resistors, a forward-biased diode and a parallel RC circuit, the base of the fourth transistor connected to the base of the third transistor, a collector with a first power bus, and the emitter through a forward-biased diode with an input of the output formatively of the cascade and collector of the fifth transistor, the base of which is connected through a parallel RC circuit to the emitter of the first transistor, and the emitter is connected to the second power bus through the fourth resistor, the emitter of the sixth transistor is connected to the emitter of the first transistor through the fifth resistor, and to the second bus through the sixth resistor power supply, the base of the sixth transistor is connected to the emitter of the seventh and the collector of the eighth transistor, between the bases of which a photodiode is connected, and the emitter of the eighth and the collector of the seventh transistor are connected to the second direct output of the first resistor and through the seventh resistor with the first power bus.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема усилителя фототока. The drawing shows a circuit diagram of a photocurrent amplifier.

Усилитель фототока содержит фотодиод 1, первый 2, второй 3, третий 4, четвертый 5, пятый 6, шестой 7, седьмой 8 и восьмой 9 транзисторы, прямосмещенный диод 10, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14, пятый 15, шестой 16 и седьмой 17 резисторы параллельную RC-цепь 18 и выходной формирующий каскад 19 на транзисторах 20, 21, 22 и на резисторах 23, 24, 25. The photocurrent amplifier contains a photodiode 1, first 2, second 3, third 4, fourth 5, fifth 6, sixth 7, seventh 8 and eighth 9 transistors, forward biased diode 10, first 11, second 12, third 13, fourth 14, fifth 15, sixth 16 and seventh 17 resistors parallel RC circuit 18 and the output forming stage 19 on transistors 20, 21, 22 and on resistors 23, 24, 25.

Усилитель фототока работает следующим образом. The photocurrent amplifier operates as follows.

Малое сопротивление перехода эмиттер-база и большое сопротивление коллекторного перехода восьмого транзистора 9, с одной стороны, большое сопротивление коллекторного перехода и малое сопротивление перехода база-эмиттер седьмого транзистора 8, с другой стороны, образуют два делителя напряжений, с которых к фотодиоду 1 прикладывается обратное смещение. The low resistance of the emitter-base junction and the high collector junction resistance of the eighth transistor 9, on the one hand, the high collector junction resistance and the low base-emitter junction resistance of the seventh transistor 8, on the other hand, form two voltage dividers, from which the opposite is applied to photodiode 1 bias.

При отсутствии оптического сигнала через фотодиод 1 протекает темновой ток, который при правильно подобранных седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах компенсируется обратными токами их коллекторных переходов. Седьмой и восьмой транзисторы оказываются закрытыми, а базовый и соответственно коллекторный токи шестого транзистора 7 минимальны. Через седьмой 17, первый 11, пятый 15 и шестой 16 резисторы протекает достаточно большой исходной большой исходный рабочий ток первого транзистора 2. Потенциал с соответствующих выводов седьмого 17 и шестого 16 резисторов через эмиттерные переходы шестого 7, седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов, подается на фотодиод 1, задавая величину отрицательного смещения. Одновременно относительно низкий потенциал с коллектора первого транзистора 2 поступает на базу второго транзистора 3 и задает относительно небольшой ток этого транзистора. Третий транзистор 4 совместно с третьим резистором 13 пропускает основную часть эмиттерного тока второго транзистора 3 и небольшой разностный ток поступает на базу четвертого транзистора 5. Потенциал, который образуется на эмиттере второго транзистора 3, используется для задания через второй резистор 12 рабочей точки первого транзистора 2 в области больших токов. Одновременно второй резистор 12 является нагрузкой шестого транзистора 7, минимальный ток которого практически не оказывает влияния на задание исходной рабочей точки первого транзистора 2. Эмиттерный ток первого транзистора 2 создает на пятом 15 и шестом 16 резисторах исходный потенциал, который через резистор параллельной RC-цепи 18 подается на базу пятого транзистора 6. Сопротивление этого резистора выбирается таким, чтобы исходный ток пятого транзистора 6 находился в области средних-больших токов, при этом на коллекторе этого транзистора устанавливается низкий потенциал. Прямосмещенный диод 10 служит для создания дополнительного смещения на эмиттере четвертого транзистора 5. Низкий потенциал с коллектора пятого транзистора 6 подается на базу транзистора 20 выходного формирующего каскада 19 и определяет его минимальный ток. Высокий потенциал с коллектора транзистора 20 через составной эмиттерный повторитель на транзисторах 6,7 передается на выход усилителя фототока. Большая часть эмиттерного тока транзистора 21, протекая по цепи, образованной резисторами 25, 24, образует на резисторe 24 пороговый потенциал, запирающий эмиттерный переход транзистора 20, в результате чего на его коллекторе и соответственно на выходе усилителя фототока устанавливается максимально возможный потенциал (исходное устойчивое состояние). In the absence of an optical signal, a dark current flows through photodiode 1, which, with correctly selected seventh 8 and eighth 9 transistors, is compensated by the reverse currents of their collector junctions. The seventh and eighth transistors are closed, and the base and, respectively, collector currents of the sixth transistor 7 are minimal. Through the seventh 17, first 11, fifth 15 and sixth 16 resistors, a sufficiently large initial large initial operating current of the first transistor 2 flows. The potential from the corresponding terminals of the seventh 17 and sixth 16 resistors through the emitter junctions of the sixth 7, seventh 8 and eighth 9 transistors is supplied to photodiode 1, setting the magnitude of the negative bias. At the same time, a relatively low potential from the collector of the first transistor 2 enters the base of the second transistor 3 and sets a relatively small current of this transistor. The third transistor 4 together with the third resistor 13 passes the main part of the emitter current of the second transistor 3 and a small differential current is supplied to the base of the fourth transistor 5. The potential that is generated on the emitter of the second transistor 3 is used to set the operating point of the first transistor 2 through the second resistor 12 high current areas. At the same time, the second resistor 12 is the load of the sixth transistor 7, the minimum current of which practically does not affect the initial operating point of the first transistor 2. The emitter current of the first transistor 2 creates an initial potential on the fifth 15 and sixth 16 resistors, which through the resistor is parallel to the RC circuit 18 fed to the base of the fifth transistor 6. The resistance of this resistor is selected so that the initial current of the fifth transistor 6 is in the region of medium-high currents, while on the collector of this transistor low potential is set. The forward-biased diode 10 serves to create additional bias on the emitter of the fourth transistor 5. The low potential from the collector of the fifth transistor 6 is supplied to the base of the transistor 20 of the output forming stage 19 and determines its minimum current. High potential from the collector of transistor 20 through a composite emitter follower on transistors 6.7 is transmitted to the output of the photocurrent amplifier. Most of the emitter current of transistor 21, flowing along the circuit formed by resistors 25, 24, forms a threshold potential on resistor 24, blocking the emitter junction of transistor 20, as a result of which the maximum possible potential is established at its collector and, accordingly, at the output of the photocurrent amplifier (initial steady state )

При наличии оптического сигнала через фотодиод 1 начинает протекать фототок, который усиливается седьмым 8 и восьмым 9 транзисторами. Каждый транзистором фототок усиливается примерно в h₂₁ раз. Далее сигнальные токи этих транзисторов складываются и образуют базовый ток шестого транзистора 7, который усиливается этим транзистором еще в h₂₁раз. Сигнальный ток коллектора шестого транзистора 7 (I_K7 ≈ 2h $\binom{2}{21}$ I_S, где I_S сигнальный ток фотодиода 1) образует ток смещения на втором резисторе 12, в результате чего потенциал на базе первого транзистора 2 уменьшается, соответственно уменьшается и выходной ток этого транзистора. Уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к уменьшению падения напряжения на седьмом 17 и шестом 16 резисторах 17, 16, соответственно напряжение, подаваемое на усилитель тока, выполненный на шестом 7, седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах, увеличивается с таким расчетом, чтобы скомпенсировать увеличение падений напряжения на эмиттерных переходах шестого 7, седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов и сохранить величину отрицательного смещения фотодиода 1.In the presence of an optical signal, a photocurrent begins to flow through photodiode 1, which is amplified by the seventh 8 and eighth 9 transistors. Each transistor increases the photocurrent approximately h ₂₁ times. Next, the signal currents of these transistors are added and form the base current of the sixth transistor 7, which is amplified by this transistor an additional ₂₁ h. Signal current of the collector of the sixth transistor 7 (I _K7 ≈ 2h $\binom{2}{21}$ _IS , where _{IS is the} signal current of the photodiode 1) generates a bias current on the second resistor 12, as a result of which the potential on the basis of the first transistor 2 decreases, and the output current of this transistor also decreases. The decrease in the operating current of the first transistor 2 leads to a decrease in the voltage drop across the seventh 17 and sixth 16 resistors 17, 16, respectively, the voltage supplied to the current amplifier made on the sixth 7, seventh 8 and eighth 9 transistors increases in such a way as to compensate for the increase voltage drops at the emitter junctions of the sixth 7th, seventh 8th and eighth 9 transistors and save the magnitude of the negative bias of photodiode 1.

Сумма падений напряжений на соответствующих элементах цепи подачи смещения на фотодиод 1

U₁₇ +

U_ЭБ9 + U_фД +

U_ЭБ8 +

U_БЭ7+

U₁₆ E.The sum of the voltage drops on the corresponding elements of the bias supply circuit to the photodiode 1

U ₁₇ +

U _EB9 + U _fD +

U _EB8 +

U _BE7 +

U ₁₆ E.

Стрелки указывают на изменения абсолютной величины падения напряжения на элементах цепи при увеличении фототока. При этом величина сопротивления седьмого резистора 17 выбирается так, чтобы Δ U₁₇ ≈Δ U_ЭБ9(Δ I_K2R₁₇ ≈Δ I_фД, r_ЭБ9), а величина сопротивления шестого резистора 16 выбирается так, чтобы Δ U₁₆≈Δ U_ЭБ8 + U_БЭ7 ( Δ I_K2R₁₆ ≈Δ I_фД·r_БЭ8 + 2h₂₁ Δ I_фД ·r_БЭ7 при условии I_K7 << I_K2). Тогда напряжение смещения на фотодиоде 1 при увеличении сигнального фототока остается постоянным. Возможная несбалансированность связана лишь с нелинейностью сопротивления эмиттерных переходов транзисторов при больших перепадах сигнального тока.The arrows indicate changes in the absolute value of the voltage drop across the circuit elements with increasing photocurrent. In this case, the resistance value of the seventh resistor 17 is selected so that Δ U ₁₇ ≈Δ U _EB9 (Δ I _K2 R ₁₇ ≈Δ I _fD , r _EB9 ), and the resistance value of the sixth resistor 16 is selected so that Δ U ₁₆ ≈Δ U _EB8 + U _BE7 (Δ I _K2 R ₁₆ ≈Δ I _{fD ·} r _BE8 + 2h ₂₁ Δ I _fD · r _BE7 provided I _K7 << I _K2 ). Then the bias voltage on the photodiode 1 with increasing signal photocurrent remains constant. A possible imbalance is associated only with the nonlinearity of the resistance of the emitter transitions of transistors at large drops in signal current.

Одновременно со стабилизацией смещения фотодиода 1 достигается и стабилизация потенциалов выводов фотодиода 1 относительно шин питания и монтажа устройства. Simultaneously with the stabilization of the bias of the photodiode 1, stabilization of the potentials of the terminals of the photodiode 1 is achieved relative to the power supply and installation of the device.

Далее уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к повышению потенциала на базе второго транзистора 3 и увеличивает его ток. Приращение этого тока приводит к увеличению рабочих токов третьего 4 и четвертого 5 транзисторов и повышению потенциала на соответствующем выводе второго резистора 12. При этом частично компенсируется падение потенциала на базе первого транзистора 2. Последнее обеспечивает работу усилителя фототока в более широком динамическом диапазоне входного сигнала. Further, a decrease in the operating current of the first transistor 2 leads to an increase in the potential on the basis of the second transistor 3 and increases its current. The increment of this current leads to an increase in the working currents of the third 4 and fourth 5 transistors and an increase in the potential at the corresponding output of the second resistor 12. In this case, the potential drop on the basis of the first transistor 2 is partially compensated. The latter ensures the operation of the photocurrent amplifier in a wider dynamic range of the input signal.

Одновременно уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к уменьшению потенциала на его эмиттере и соответственно к уменьшению рабочего тока пятого транзистора 6. At the same time, a decrease in the operating current of the first transistor 2 leads to a decrease in the potential at its emitter and, accordingly, to a decrease in the operating current of the fifth transistor 6.

Ток рассогласования, который образуется в результате увеличения рабочего тока четвертого транзистора 5 и уменьшения рабочего тока пятого транзистора 6, открыват транзистор 20 выходного формирующего каскада 19. Появление коллекторного тока этого транзистора увеличивает падение напряжения на резисторе 23. Уменьшение потенциала на коллекторе транзистора 20 приводит к соответствующему уменьшению потенциала на выходе составного эмиттерного повторителя на транзисторах 21,22. Таким образом, увеличение сигнального тока фотодиода 1 вызывает падение потенциала на выходе выходного формирующего каскада 19. The mismatch current, which is formed as a result of an increase in the operating current of the fourth transistor 5 and a decrease in the operating current of the fifth transistor 6, opens the transistor 20 of the output forming stage 19. The appearance of the collector current of this transistor increases the voltage drop across the resistor 23. A decrease in the potential at the collector of the transistor 20 leads to a corresponding reduce the potential at the output of the composite emitter follower on transistors 21,22. Thus, an increase in the signal current of photodiode 1 causes a potential drop at the output of the output forming stage 19.

Параллельная RC-цепь 18 обеспечивает коррекцию частотной характеристики усилителя фототока в области верхних частот. Parallel RC circuit 18 provides correction of the frequency response of the photocurrent amplifier in the high frequency region.

Таким образом, введение предварительного усилителя тока, выполненного на шестом 7, седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах, с коэффициентом усиления тока М ≈ 2h $\binom{2}{21}$ и минимальным коэффициентом собственных шумов F (работа с минимальными рабочими токами, отсутствие в цепи передачи сигнального тока пассивных элементов) позволяет снизить влияние собственных шумов исходного трансимпедансного усилителя на величину отношения сигнал/шум и существенно повысить чувствительность усилителя фототока.Thus, the introduction of a preliminary current amplifier made on the sixth 7th, seventh 8th and eighth 9 transistors, with a current gain of M ≈ 2h $\binom{2}{21}$ and the minimum coefficient of intrinsic noise F (operation with minimal operating currents, the absence of passive elements in the signal current transmission circuit) can reduce the influence of intrinsic noise of the original transimpedance amplifier on the signal-to-noise ratio and significantly increase the sensitivity of the photocurrent amplifier.

Введение авторегулировки смещения фотодиода 1 за счет обратной связи по напряжению с седьмого 17 и шестого 16 резисторов с развязкой на шестом транзисторе 7 цепей подачи смещения и передачи сигнального тока на вход исходного трансимпедансного усилителя позволяет в первом приближении стабилизировать смещение фотодиода 1, уменьшить перезаряд его барьерной и паразитных емкостей, уменьшить приращение диффузионной составляющей тока p-n-перехода фотодиода, возникающей при колебаниях внешнего смещения фотодиода и направленной против приращения сигнального фототока, и тем самым повышает потенциальную чувствительность и быстродействие усилителя фототока. The introduction of auto-adjustment of the bias of photodiode 1 due to voltage feedback from the seventh 17th and sixth 16 resistors with isolation on the sixth transistor 7 of the bias supply circuit and the transmission of the signal current to the input of the original transimpedance amplifier makes it possible to stabilize the bias of photodiode 1 as a first approximation, reduce its barrier overcharge and parasitic capacitance, reduce the increment of the diffusion component of the pn junction current of the photodiode that occurs when the external bias of the photodiode oscillates and is directed against the increment I photocurrent signal, and thus increases the potential sensitivity and speed of the photocurrent amplifier.

Введение остальных элементов обусловлено необходимостью задания соответствующих режимов работы и согласования основных элементов, а также повышения общего коэффициента усиления усилителя фототока. The introduction of the remaining elements is due to the need to set the appropriate operating modes and coordination of the main elements, as well as to increase the overall gain of the photocurrent amplifier.

Claims

A PHOTO AMPLIFIER containing a photodiode, an input two-stage amplifier with parallel voltage feedback, made on the first, second and third transistors, first, second and third resistors, as well as an output forming stage made on a Schmitt trigger, while the collector of the first transistor is connected to the first output of the first resistor and the base of the second transistor, the collector of which is connected to the first power bus, and the emitter is connected to the collector and the base of the third transistor and through the second resistor to the base of the first about the transistor, the emitter of the third transistor is connected through the third resistor to the second power bus, characterized in that the fourth seventh transistors are inserted into it, as well as the eighth transistor having a different structure, the fourth seventh resistors, a forward biased diode and a parallel RC circuit, with the base the fourth transistor is connected to the base of the third transistor, the collector with the first power bus, and the emitter through a forward-biased diode with the input of the output forming stage and the collector of the fifth transistor, the base of which is parallel The main RC circuit is connected to the emitter of the first transistor, and the emitter is connected to the second power bus through the fourth resistor, the emitter of the sixth transistor is connected to the emitter of the first transistor through the fifth resistor, and the base of the sixth transistor is connected to the seventh and the collector of the eighth transistor, between the bases of which a photodiode is connected, and the emitter of the eighth and the collector of the seventh transistor are connected to the second terminal of the first resistor and through the seventh resistor to the first bus pi tania.