WO2006099899A1 - Symmetrischer optischer empfänger - Google Patents

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WO2006099899A1
WO2006099899A1 PCT/EP2005/051301 EP2005051301W WO2006099899A1 WO 2006099899 A1 WO2006099899 A1 WO 2006099899A1 EP 2005051301 W EP2005051301 W EP 2005051301W WO 2006099899 A1 WO2006099899 A1 WO 2006099899A1
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photodiode
mos transistor
cathode
anode
input
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PCT/EP2005/051301
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Martin Bossard
Jakub Kucera
Jörg Wieland
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Helix Ag
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
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    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H—ELECTRICITY
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    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit

Definitions

  • the present invention relates to a balanced optical receiver. More particularly, the invention relates to a balanced optical receiver having a photodiode and a balanced transimpedance amplifier.
  • a photodiode For the reception of optical signals, such as for the reception of binary optical signals which are transmitted via a fiber optic cable, a photodiode is often used together with a transimpedance amplifier. In this case, an optical signal is converted into a current signal by means of the photodiode and a current signal by means of the transimpedance amplifier into a voltage signal.
  • a light power that can be detected by a photodiode is thus imaged into a voltage signal that is proportional to this light output.
  • Requirements for an optical receiver include, for example, high bandwidth, high gain, and low noise. These requirements are generally in conflict with each other, so that, for example, the increase in bandwidth can also lead to an increase in noise at the same time. If the optical receiver is implemented wholly or partly in an integrated circuit technology as a semiconductor chip, then often additional difficulties arise to meet determinable requirements for an optical receiver. Such difficulties may relate, for example, to the feasibility of large coupling capacities in a semiconductor chip.
  • an optical receiver as a symmetrical optical receiver as follows.
  • the cathode and the anode of a photodiode are connected via a respective resistor to reference potentials such as supply voltage and ground, which the photodiode is brought into a suitable operating point and can be converted by the photodiode detectable optical signals into corresponding current signals.
  • the cathode and the anode of the photodiode are connected to transmit the current signals to a balanced transimpedance amplifier via a respective coupling capacitance, for example to the non-inverting and the inverting input of the balanced transimpedance amplifier.
  • the balanced transimpedance amplifier converts a determinable input current into a voltage signal proportional to this input current, in a ratio that corresponds in particular to the feedback resistances of the balanced transimpedance amplifier.
  • an output voltage signal is generated across the outputs of the balanced transimpedance amplifier which is proportional to an optical signal detectable by the photodiode.
  • the lower limit frequency of such a balanced optical receiver is approximately inversely proportional to the product of the resistance for connecting the photodiode to a reference potential and the coupling capacitance.
  • the resistance for connecting the photodiode to a reference potential can not be designed arbitrarily large and a determinable low lower limit frequency can only be achieved by a corresponding increase in the coupling capacity.
  • the increase in the coupling capacity encounters limits imposed by the semiconductor chip technology. If, therefore, such a symmetrical optical receiver is constructed, for example, in a semiconductor chip, then it is a disadvantage that the lower limit frequency can not satisfy determinable requirements, such as, for example, a sufficiently low lower limit frequency.
  • US Pat. No. 5,329,115 describes a symmetrical optical receiver for generating a voltage signal proportional to an optical signal.
  • a photodiode is connected via coupling capacitances to a balanced transimpedance amplifier.
  • the receiver comprises suitably interconnected current mirrors as well as low-pass filter-controlled current sources. With the current mirrors as well the controlled current sources are injected before and after the coupling capacitances currents such that a required low lower limit frequency can be realized with smaller coupling capacitances.
  • a disadvantage of such an optical receiver is that corresponding current mirrors and current sources have to match exactly (so-called “matching"), which means that either relatively large components have to be used, which leads, for example, to an increase in parasitic effects It is also a disadvantage that for small supply voltages, for example for supply voltages of less than 5 volts, only an insufficient voltage drop across It is furthermore a disadvantage that a relatively high circuit complexity is required, which leads on the one hand to more noise sources and on the other hand to a higher space requirement, in particular in the case of realization of such a receiver on one Semiconductor chip.
  • a symmetrical optical receiver having a photodiode and a balanced transimpedance amplifier
  • the photodiode comprises a cathode and an anode
  • the balanced transimpedance amplifier comprising a first input and a second input
  • the cathode of the photodiode being connected via a first capacitor to the first input of the balanced transimpedance amplifier
  • the anode of the photodiode being connected via a second capacitor is connected to the second input of the balanced transimpedance amplifier
  • the cathode of the photodiode is connected to first means
  • the first means comprise a low-pass filter for filtering the voltage between the cathode of the photodiode and a reference potential
  • by means of the first means one of the low-pass filtered Voltage corresponding current can be fed into the cathode of the photodiode, wherein the anode of the photodiode is connected to second
  • Such a symmetrical optical receiver has the particular advantage that a determinable low lower limit frequency of the optical receiver with relatively small capacitors, with relatively high accuracy and with a relatively low circuit complexity is realized.
  • a current corresponding to a low-pass filtered voltage of the cathode into the cathode of the photodiode and discharging a current corresponding to a low-pass-filtered voltage of the anode from the anode of the photodiode, in particular the operating point of the photodiode is set.
  • the fact that the supply or the discharge of a current correspond to a high-resistance arrangement, is achieved or forced that low-frequency current signals of the photodiode are transmitted via the coupling capacitances. As a result, current signals can also be transmitted via smaller coupling capacities.
  • the first means of the balanced optical receiver comprise a first MOS transistor, wherein the first MOS transistor comprises a source, a gate and a drain
  • the second means of the balanced optical receiver comprise a second MOS transistor, wherein the second transistor Drain, a gate and includes a source.
  • the cathode of the photodiode is connected via a first resistor to the gate of the first MOS transistor, wherein the drain of the first MOS transistor is connected to the cathode of the photodiode, wherein the gate of the first MOS transistor is connected via a third capacitor to a first reference potential wherein the source of the first MOS transistor is connected to the first reference potential, wherein the anode of the photodiode is connected via a second resistor to the gate of the second MOS transistor, wherein the drain of the second MOS transistor is connected to the anode of the photodiode the gate of the second MOS transistor is connected via a fourth capacitor to a second reference potential, and wherein the source of the second MOS transistor is connected to the second reference potential.
  • This embodiment variant can also be realized by the use of bipolar transistors instead of the use of MOS transistors.
  • the solution according to this embodiment is characterized in particular by a simple and small circuit complexity. This leads to a lower noise power and a smaller space requirement for integration on a semiconductor chip.
  • the first means comprises a first MOS transistor, the first MOS transistor comprising a source, a gate and a drain, and the second means comprising a second MOS transistor, the second MOS transistor having a drain, a gate and a second MOS transistor Source includes.
  • the cathode of the photodiode is connected to a first input of a first OTA (OTA: Operational Transconductance Amplifier), wherein a second input of the first OTA is connected to a first OTA
  • OTA Operational Transconductance Amplifier
  • Reference voltage is connected, wherein an output of the first OTA is connected to the gate of the first MOS transistor, wherein the drain of the first MOS transistor is connected to the cathode of the photodiode, wherein the gate of the first MOS transistor via a third capacitor having a first reference potential is connected, wherein the source of the first MOS
  • Transistor is connected to the first reference potential, wherein the anode of the photodiode is connected to a first input of a second OTA, wherein a second input of the second OTA is connected to a second reference voltage, wherein an output of the second OTA to the gate of the second MOS transistor is connected, wherein the drain of the second MOS transistor is connected to the anode of the photodiode, wherein the gate of the second MOS transistor is connected via a fourth capacitor to a second reference potential, and wherein the source of the second MOS transistor to the second reference potential connected is.
  • This embodiment variant can in turn be realized by the use of bipolar transistors instead of the use of MOS transistors.
  • This embodiment variant can also be realized by the use of operational amplifiers instead of the use of OTAs, wherein the third and the fourth capacitor are omitted or arranged differently.
  • the use of operational amplifiers is particularly advantageous when using bipolar transistors for which a definable base current must be available.
  • the cathode of the photodiode is connected via a first resistor to a first input of a first operational amplifier, a second input of the operational amplifier is connected to a first reference voltage, the first input of the operational amplifier is connected via a capacitor to an output of the operational amplifier, the output of Operational amplifier is connected to the base of a first bipolar transistor, the cathode of the photodiode is connected to the collector of the first bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor
  • Transistor is connected to the first reference potential.
  • a second operational amplifier and a second bipolar transistor are connected to the anode of the photodiode and the second reference potential.
  • OTAs or operational amplifiers ensures that the potential of the cathode or the potential of the anode can be fixed by means of the reference voltages in such a way that they can be applied across the photodiode even for relatively small supply voltages, i. for a relatively small potential difference between the first and the second reference potential, over the photodiode a sufficiently large voltage drop can be established.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the symmetrical optical receiver according to the invention.
  • Figure 2 shows an alternative embodiment of the inventive symmetrical optical receiver with MOS transistors, resistors and capacitors.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of the symmetrical optical receiver with MOS transistors, OTAs and capacitors.
  • reference character Ph refers to a photodiode such as a PIN photodiode (PIN: Positive Intrinsic Negative), the reference character K to the cathode of the photodiode Ph and the reference character A to the anode of the photodiode Ph.
  • the cathode K of the photodiode Ph is connected to the non-inverting input of a capacitor Ci
  • Transimpedance amplifier TIA Transimpedance Amplifier
  • the anode A of the photodiode Ph is connected via a capacitor C 2 to the inverting input of the transimpedance amplifier TIA.
  • the capacitor Ci or C 2 can just as well be connected to the inverting or the non-inverting input of the transimpedance amplifier.
  • reference numeral 1 refers to first means for supplying a current corresponding to the cathode voltage to the cathode K of the photodiode Ph and the reference numeral 2 refers to second means for discharging a current corresponding to the anode voltage from the anode A of the photodiode Ph
  • Reference symbol TIA refers to a transimpedance amplifier for converting and amplifying a current signal which can be transmitted via the capacitors C 1 and C 2 into a voltage signal at the outputs of the transimpedance amplifier.
  • the first means 1, the second means 2, the capacitors Ci and C 2 and the transimpedance amplifier TIA are constructed, for example, as an integrated circuit in a semiconductor chip.
  • the semiconductor chip has, for example via pins for connecting the cathode K and the anode A of a photodiode Ph, via pins for connecting the semiconductor chip to reference potentials V 1 and V 2 , such as a supply voltage between 3 volts to 5 volts and ground, to supply the semiconductor chip with a supply voltage and via pins for measuring the output voltage of the transimpedance amplifier TIA.
  • V 1 and V 2 such as a supply voltage between 3 volts to 5 volts and ground
  • the reference symbols Ti and T 2 refer to MOS transistors such as, for example, an NMOS transistor Ti and a PMOS transistor T 2 . It should be mentioned here that a symmetrical optical receiver according to the invention can also be constructed in bipolar technology. In bipolar technology, the reference symbols Ti and T 2 refer to corresponding bipolar transistors such as a PNP transistor T 1 and an NPN transistor T 2 . In FIG. 2, the reference symbols R 1 and R 2 refer to resistors and the reference symbols C 3 and C 4 refer to capacitors.
  • the cathode K of the photodiode Ph is connected via a series connection of the resistor R 1 and the capacitor C3 to a first reference potential V 1 , such as a supply voltage of 3 volts to 5 volts.
  • the cathode is connected via the resistor R 1 to the gate or the base of a MOS transistor T 1 and a bipolar transistor T 1 .
  • the drain or collector of the MOS transistor T 1 and the bipolar transistor T 1 is connected to the cathode K of the photodiode Ph.
  • the source or the emitter of the MOS transistor T 1 and the bipolar transistor T 1 is connected to the first reference potential V 1 , that is, for example, with a supply voltage of 3 volts to 5 volts.
  • the anode A of the photodiode Ph is connected via a series connection of the resistor R 2 and the
  • Capacitor C 4 with a second reference potential V 2 such as the mass connected.
  • the cathode is connected via the resistor R 1 to the gate or the base of a MOS transistor T 1 and a bipolar transistor T 1 .
  • the drain or collector of the MOS transistor T 2 and the bipolar transistor T 2 is connected to the anode A of the photodiode Ph.
  • the source or the emitter of the MOS transistor T 2 and the bipolar transistor T 2 is connected to the second reference potential V 2 , that is, for example, to ground.
  • Such a symmetrical optical receiver is characterized by the very high-impedance path between the cathode K or the anode A and the supply voltage ⁇ ⁇ or the mass V 2 . Since the lower limit frequency is approximately inversely proportional to the product of these high-impedance paths with the coupling capacitances Ci 1 C 2 , a lower lower limit frequency of the optical receiver can be achieved even for smaller coupling capacitances Ci and C 2 . Instabilities of this circuit can be avoided by parallel to these high-impedance paths additional high-resistance resistors. In Figure 2, such resistors are shown in dashed lines.
  • the reference symbols OTAi and OTA 2 refer to OTAs (OTA: Operational Transconductance Amplifier) with a corresponding determinable transmission value g m .
  • the OTAi or OTA 2 is used instead of the resistor Ri or R 2 from FIG.
  • a first input of the OTAi or of the OTA 2 is connected to the cathode K or to the anode A of the photodiode Ph.
  • a second input of the OTAi or of the OTA 2 is connected to a first reference voltage V r1 or to a second reference voltage V r2 .
  • An output of the OTAi or the OTA 2 is connected to the gate of the transistor Ti or T 2 .
  • the potentials of the cathode and the anode are set to suitable values, so that even for relatively small supply voltages of the circuit across the photodiode a sufficiently large voltage drop can be created.
  • the reference voltages V r1 and Vr 2 can be generated for example by high-impedance voltage dividers by means of resistors. Instabilities of such a circuit with OTAs, transistors and resistors can be achieved by an additional high-impedance resistor between the cathode K and the first reference potential Vi and an additional resistance between the anode A and the second
  • such resistors are shown in dashed lines.
  • the use of OTAs is particularly advantageous if the transistors Ti and T 2 are designed as MOS transistors. If the transistors Ti and T 2 are designed as bipolar transistors, in particular the use of feedback operational amplifiers instead of the use of OTAs is particularly advantageous, wherein a non-inverting input of an operational amplifier is connected via a capacitor to an output of the operational amplifier.
  • the inverting input of a first such feedback operational amplifier is connected to the reference voltage V r i
  • the non-inverting input of the first feedback operational amplifier is connected via a resistor to the cathode K and the output of the first feedback operational amplifier is connected to the base of the first bipolar transistor T 1 connected.
  • the inverting input of a second such feedback operational amplifier is connected to the reference voltage V 12
  • the non-inverting input of the second feedback operational amplifier is connected via a resistor to the cathode K and via a capacitor to the output of the second feedback operational amplifier and the output of the second feedback operational amplifier is connected to the base of the second bipolar transistor T 2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen symmetrischen optischen Empfänger mit einer Photodiode (Ph) und einem symmetrischen Transimpedanzverstärker (TIA). Die Kathode (K) bzw. die Anode (A) der Photodiode (Ph) ist über einen ersten Kondensator (C1) bzw. zweiten Kondensator (C2) mit dem ersten Eingang bzw. zweiten Eingang des symmetrischen Transimpedanzverstärkers (TIA) verbunden. Mittels erster Mittel (1) bzw. zweiter Mittel (2) wird ein der tiefpassgefilterten Kathodenspannung bzw. Anodenspannung entsprechender Strom in die Kathode (K) eingeführt bzw. aus der Anode (A) abgeführt. Mit dem erfindungsgemässen symmetrischen optischen Empfänger lässt sich insbesondere eine tiefe untere Grenzfrequenz mit verhältnismässig kleinen Kopplungskapazitäten (C1, C2) und mit einem schaltungstechnisch kleinen Aufwand realisieren. Zudem kann auch bei kleinen Versorgungsspannungen ein relativ hoher Spannungsabfall über der Photodiode erstellt werden.

Description

Symmetrischer optischer Empfänger
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen symmetrischen optischen Empfänger. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen symmetrischen optischen Empfänger mit einer Photodiode und einem symmetrischen Transimpedanzverstärker.
Stand der Technik
Für den Empfang optischer Signale, wie beispielsweise für den Empfang von binären optischen Signalen welche über ein Glasfaserkabel übertragen werden, wird häufig eine Photodiode zusammen mit einem Transimpedanzverstärker verwendet. Dabei wird mittels der Photodiode ein optisches Signal in ein Stromsignal und mittels des Transimpedanzverstärkers ein Stromsignal in ein Spannungssignal umgewandelt. Mittels eines optischen Empfängers wird somit eine von einer Photodiode erfassbare Lichtleistung in ein zu dieser Lichtleistung proportionales Spannungssignal abgebildet.
Anforderungen an einen optischen Empfänger umfassen beispielsweise hohe Bandbreite, grosse Verstärkung und geringes Rauschen. Diese Anforderungen stehen im Allgemeinen im Gegensatz zueinander, sodass beispielsweise die Erhöhung der Bandbreite zugleich zu einer Vergrösserung des Rauschens führen kann. Wird der optische Empfänger ganz oder teilweise in einer integrierten Schaltungstechnik als Halbleiter-Chip realisiert, dann ergeben sich oft zusätzliche Schwierigkeiten, um bestimmbare Anforderungen an einen optischen Empfänger zu erfüllen. Solche Schwierigkeiten können beispielsweise die Realisierbarkeit grosser Kopplungskapazitäten in einem Halbleiter-Chip betreffen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen optischen Empfänger als symmetrischen optischen Empfänger wie folgt aufzubauen. Die Kathode und die Anode einer Photodiode werden über je einen Widerstand an Bezugspotentiale wie Versorgungsspannung und Masse angeschlossen, womit die Photodiode in einen geeigneten Betriebspunkt gebracht wird und von der Photodiode erfassbare optische Signale in entsprechende Stromsignale umwandelbar sind. Die Kathode und die Anode der Photodiode werden zur Übertragung der Stromsignale an einen symmetrischen Transimpedanzverstärker über je eine Kopplungskapazität beispielsweise mit dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang des symmetrischen Transimpedanzverstärkers verbunden. Der symmetrische Transimpedanzverstärker wandelt einen bestimmbaren Eingangstrom in ein zu diesem Eingangsstrom proportionales Spannungssignal um, und zwar in einem Verhältnis, welches insbesondere den Rückkopplungswiderständen des symmetrischen Transimpedanzverstärkers entspricht. Mit einer solchen Schaltung wird über den Ausgängen des symmetrischen Transimpedanzverstärkers ein Ausgangsspannungssignal erzeugt, welches einem von der Photodiode erfassbarem optischen Signal proportional ist. Die untere Grenzfrequenz eines solchen symmetrischen optischen Empfängers ist ungefähr umgekehrt proportional zum Produkt des Widerstands zur Verbindung der Photodiode mit einem Bezugspotential und der Kopplungskapazität. Um den Betrieb der Photodiode zu gewährleisten, kann der Widerstand zur Verbindung der Photodiode mit einem Bezugspotential nicht beliebig gross ausgelegt werden und eine bestimmbare tiefe untere Grenzfrequenz kann nur durch eine entsprechende Vergrösserung der Kopplungskapazität erzielt werden. Sobald aber die Kopplungskapazität beispielsweise in einem Halbleiter-Chip realisiert werden soll, stösst die Vergrösserung der Kopplungskapazität an durch die Halbleiter-Chip Technologie gegebene Grenzen. Wird also ein solcher symmetrischer optischer Empfänger beispielsweise in einem Halbleiter-Chip aufgebaut, dann ist es ein Nachteil, dass die untere Grenzfrequenz bestimmbaren Anforderungen, wie beispielsweise eine genügend tiefe untere Grenzfrequenz, oft nicht genügt.
In der Patentschrift US 5,329,115 wird ein symmetrischer optischer Empfänger zur Erzeugung eines einem optischen Signal proportionalen Spannungssignals beschrieben. Eine Photodiode ist über Kopplungskapazitäten mit einem symmetrischen Transimpedanzverstärker verbunden. Weiter umfasst der Empfänger geeignet verschaltete Stromspiegel sowie über Tiefpassfilter gesteuerte Stromquellen. Mit den Stromspiegeln sowie den gesteuerten Stromquellen werden vor und nach den Kopplungskapazitäten Ströme derart eingespiesen, dass eine erforderliche tiefe untere Grenzfrequenz mit kleineren Kopplungskapazitäten realisierbar ist. Ein Nachteil eines solchen optischen Empfängers ist es jedoch, dass entsprechende Stromspiegel und Stromquellen exakt übereinstimmen (so genanntes „matching") müssen. Dies führt dazu, dass entweder relativ grosse Bauelemente verwendet werden müssen, was beispielsweise zu einer Zunahme von parasitären Effekten führt, dass zusätzliche Kondensatoren vorgesehen werden müssen, was beispielsweise zu einem erhöhten Platzbedarf führt, oder dass ein relativ hoher Anteil unbrauchbarer optischer Empfänger produziert wird. Es ist zudem ein Nachteil, dass für kleine Speisespannungen, beispielsweise für Speisespannungen kleiner als 5 Volt, nur ein ungenügender Spannungsabfall über der Photodiode erstellbar ist. Es ist weiter ein Nachteil, dass ein verhältnismässig hoher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich ist. Dies führt einerseits zu mehr Rauschquellen und andererseits zu einem höheren Platzbedarf, insbesondere bei einer Realisierung eines solchen Empfängers auf einem Halbleiter-Chip.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen symmetrischen optischen Empfänger vorzuschlagen, welcher nicht die
Nachteile des Standes der Technik aufweist. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, einen symmetrischen optischen Empfänger vorzuschlagen, mit welchem eine bestimmbare tiefe untere Grenzfrequenz mit kleinen Kopplungskapazitäten, mit hoher Genauigkeit sowie mit kleinem schaltungstechnischem Aufwand erzielbar ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele insbesondere durch die Elemente des unabhängigen Anspruchs erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die oben genannten Ziele werden durch die vorliegende Erfindung insbesondere mit einem symmetrischen optischen Empfänger mit einer Photodiode und einem symmetrischen Transimpedanzverstärker erreicht, wobei die Photodiode eine Kathode und eine Anode umfasst, wobei der symmetrische Transimpedanzverstärker einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang umfasst, wobei die Kathode der Photodiode über einen ersten Kondensator mit dem ersten Eingang des symmetrischen Transimpedanzverstärkers verbunden ist, wobei die Anode der Photodiode über einen zweiten Kondensator mit dem zweiten Eingang des symmetrischen Transimpedanzverstärkers verbunden ist, wobei die Kathode der Photodiode mit ersten Mittel verbunden ist, wobei die ersten Mittel ein Tiefpassfilter zur Filterung der Spannung zwischen der Kathode der Photodiode und einem Bezugspotential umfassen, und wobei mittels der ersten Mittel ein der tiefpassgefilterten Spannung entsprechender Strom in die Kathode der Photodiode einspeisbar ist, wobei die Anode der Photodiode mit zweiten Mittel verbunden ist, wobei die zweiten Mittel ein Tiefpassfilter zur Filterung der Spannung zwischen der Anode der Photodiode und einem Bezugspotential umfassen, und wobei mittels der zweiten Mittel ein der tiefpassgefilterten Spannung entsprechender Strom aus der Anode der Photodiode abführbar ist. Ein solcher symmetrischer optischer Empfänger hat insbesondere den Vorteil, dass eine bestimmbare tiefe untere Grenzfrequenz des optischen Empfängers mit relativ kleinen Kondensatoren, mit relativ hoher Genauigkeit und mit einem relativ geringen Schaltungsaufwand realisierbar ist. Durch das erfindungsgβmässe Einspeisen eines einer tiefpassgefilterten Spannung der Kathode entsprechenden Stromes in die Kathode der Photodiode und das Abführen eines einer tiefpassgefilterten Spannung der Anode entsprechenden Stromes aus der Anode der Photodiode wird insbesondere der Betriebspunkt der Photodiode eingestellt. Dadurch dass die Einspeisung respektive das Abführen eines Stromes einer hochohmigen Anordnung entsprechen, wird erreicht bzw. erzwungen, dass tieffrequente Stromsignale der Photodiode über die Kopplungskapazitäten übertragen werden. Dadurch sind Stromsignale auch über kleinere Kopplungskapazitäten übertragbar.
In einer Ausführungsvariante umfassen die ersten Mittel des symmetrischen optischen Empfängers einen ersten MOS Transistor, wobei der erste MOS Transistor ein Source, ein Gate und ein Drain umfasst, und die zweiten Mittel des symmetrischen optischen Empfängers umfassen einen zweiten MOS Transistor, wobei der zweite Transistor ein Drain, ein Gate und ein Source umfasst. Die Kathode der Photodiode ist über einen ersten Widerstand mit dem Gate des ersten MOS Transistors verbunden, wobei der Drain des ersten MOS Transistors mit der Kathode der Photodiode verbunden ist, wobei der Gate des ersten MOS Transistors über einen dritten Kondensator mit einem ersten Bezugspotential verbunden ist, wobei der Source des ersten MOS Transistors mit dem ersten Bezugspotential verbunden ist, wobei die Anode der Photodiode über einen zweiten Widerstand mit dem Gate des zweiten MOS Transistors verbunden ist, wobei der Drain des zweiten MOS Transistors mit der Anode der Photodiode verbunden ist, wobei der Gate des zweiten MOS Transistors über einen vierten Kondensator mit einem zweiten Bezugspotential verbunden ist, und wobei der Source des zweiten MOS Transistors mit dem zweiten Bezugspotential verbunden ist. Diese Ausführungsvariante ist auch durch die Verwendung von bipolaren Transistoren statt der Verwendung von MOS Transistoren realisierbar. Die Lösung gemäss dieser Ausführungsvariante zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen und kleinen schaltungstechnischen Aufwand aus. Dies führt zu einer kleineren Rauschleistung und zu einem kleineren Platzbedarf bei der Integration auf einem Halbleiter-Chip.
In einer weiteren Ausführungsvariaπte umfassen die ersten Mittel einen ersten MOS Transistor, wobei der erste MOS Transistor ein Source, ein Gate und ein Drain umfasst, und die zweiten Mittel umfassen einen zweiten MOS Transistor, wobei der zweite MOS Transistor ein Drain, ein Gate und ein Source umfasst. Die Kathode der Photodiode ist mit einem ersten Eingang eines ersten OTA (OTA: Operational Transconductance Amplifier) verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang des ersten OTA mit einer ersten
Referenzspannung verbunden ist, wobei ein Ausgang des ersten OTA mit dem Gate des ersten MOS Transistors verbunden ist, wobei der Drain des ersten MOS Transistors mit der Kathode der Photodiode verbunden ist, wobei der Gate des ersten MOS Transistors über einen dritten Kondensator mit einem ersten Bezugspotential verbunden ist, wobei der Source des ersten MOS
Transistors mit dem ersten Bezugspotential verbunden ist, wobei die Anode der Photodiode mit einem ersten Eingang eines zweiten OTA verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang des zweiten OTA mit einer zweiten Referenzspannung verbunden ist, wobei ein Ausgang des zweiten OTA mit dem Gate des zweiten MOS Transistors verbunden ist, wobei der Drain des zweiten MOS Transistors mit der Anode der Photodiode verbunden ist, wobei der Gate des zweiten MOS Transistors über einen vierten Kondensator mit einem zweiten Bezugspotential verbunden ist, und wobei der Source des zweiten MOS Transistors mit dem zweiten Bezugspotential verbunden ist. Diese Ausführungsvariante ist wiederum durch die Verwendung von bipolaren Transistoren statt der Verwendung von MOS Transistoren realisierbar. Diese Ausführungsvariante ist auch durch die Verwendung von Operationsverstärkern statt der Verwendung von OTAs realisierbar, wobei der dritte und der vierte Kondensator entfallen bzw. anders angeordnet werden. Die Verwendung von Operationsverstärkern ist insbesondere bei der Verwendung von bipolaren Transistoren, für welche ein bestimmbarer Basisstrom zur Verfügung stehen muss, vorteilhaft. Dabei wird die Kathode der Photodiode über einen ersten Widerstand mit einem ersten Eingang eines ersten Operationsverstärkers verbunden, ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers wird mit einer ersten Referenzspannung verbunden, der erste Eingang des Operationsverstärkers wird über einen Kondensator mit einem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden, der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit der Basis eines ersten bipolaren Transistors verbunden, die Kathode der Photodiode wird mit dem Kollektor des ersten bipolaren Transistors verbunden und der Emitter des ersten bipolaren
Transistors wird mit dem ersten Bezugspotential verbunden. In entsprechender Weise werden ein zweiter Operationsverstärker und ein zweiter bipolarer Transistor mit der Anode der Photodiode und dem zweiten Bezugspotential verbunden. Durch eine solche Verwendung von OTAs bzw. Operationsverstärker wird erreicht, dass das Potential der Kathode bzw. das Potential der Anode mittels der Referenzspannungen derart festlegbar sind, dass über der Photodiode auch für relativ kleine Versorgungsspannungen, d.h. für eine relativ kleine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential, über der Photodiode ein genügend grosser Spannungsabfall erstellbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Die Beispiele der Ausführungen werden durch folgende beigelegte Figuren illustriert: Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfind ungsgemässen symmetrischen optischen Empfängers.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemässen symmetrischen optischen Empfängers mit MOS Transistoren, Widerständen und Kondensatoren.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des symmetrischen optischen Empfängers mit MOS Transistoren, OTAs und Kondensatoren.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren 1 bis 3 beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
In Figur 1 bezieht sich das Bezugszeichen Ph auf eine Photodiode, wie beispielsweise eine PIN Photodiode (PIN: Positive Intrinsic Negative), das Bezugszeichen K auf die Kathode der Photodiode Ph und das Bezugszeichen A auf die Anode der Photodiode Ph. Die Kathode K der Photodiode Ph ist über einen Kondensator Ci mit dem nicht-invertierenden Eingang eines
Transimpedanzverstärkers TIA (TIA: Transimpedance Amplifier) verbunden. Die Anode A der Photodiode Ph ist über einen Kondensator C2 mit dem invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers TIA verbunden. Der Kondensator Ci bzw. C2 kann aber genauso gut mit dem invertierenden bzw. dem nicht-invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers verbunden sein. In Figur 1 bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf erste Mittel zur Einspeisung eines der Kathodeπspannung entsprechenden Stromes in die Kathode K der Photodiode Ph und das Bezugszeichen 2 bezieht sich auf zweite Mittel zur Abführung eines der Anodenspannung entsprechenden Stromes aus der Anode A der Photodiode Ph. Das Bezugszeichen TIA bezieht sich auf einen Transimpedanzverstärker zur Umwandlung und Verstärkung eines über die Kondensatoren Ci und C2 übertragbaren Stromsignals in ein Spannungssignal an den Ausgängen des Transimpedanzverstärkers. Die ersten Mittel 1 , die zweiten Mittel 2, die Kondensatoren Ci und C2 sowie der Transimpedanzverstärker TIA sind beispielsweise als integrierte Schaltung in einem Halbleiter-Chip aufgebaut. Der Halbleiter-Chip verfügt beispielsweise über Pins zur Verbindung der Kathode K und der Anode A einer Photodiode Ph, über Pins zur Verbindung des Halbleiter-Chips mit Bezugspotentialen V1 und V2, wie beispielsweise einer Versorgungsspannung zwischen 3 Volt bis 5 Volt und Masse, zur Versorgung des Halbleiter-Chips mit einer Versorgungsspannung und über Pins zur Messung der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers TIA.
In Figur 2 beziehen sich die Bezugszeichen Ti und T2 auf MOS Transistoren wie beispielsweise einen NMOS Transistor Ti und einen PMOS Transistor T2. Es sei hier erwähnt, dass ein erfindungsgemässer symmetrischer optischer Empfänger auch in bipolarer Technologie aufgebaut werden kann. In bipolarer Technologie beziehen sich die Bezugszeichen Ti und T2 auf entsprechende bipolare Transistoren wie beispielsweise einen PNP Transistor T1 und einen NPN Transistor T2. In Figur 2 beziehen sich die Bezugszeichen R1 bzw. R2 auf Widerstände und die Bezugszeichen C3 bzw. C4 auf Kondensatoren. Die Kathode K der Photodiode Ph ist über eine Serieschaltung des Widerstands R1 und des Kondensators C3 mit einem ersten Bezugspotential V1, wie beispielsweise eine Versorgungsspannung von 3 Volt bis 5 Volt, verbunden. Die Kathode ist über den Widerstand R1 mit dem Gate bzw. der Basis eines MOS Transistors T1 bzw. eines bipolaren Transistors T1 verbunden. Der Drain bzw. Kollektor des MOS Transistors T1 bzw. des bipolaren Transistors T1 ist mit der Kathode K der Photodiode Ph verbunden. Der Source bzw. der Emitter des MOS Transistors T1 bzw. des bipolaren Transistors T1 ist mit dem ersten Bezugspotential V1, also beispielsweise mit einer Versorgungsspannung von 3 Volt bis 5 Volt, verbunden. Die Anode A der Photodiode Ph ist über eine Serieschaltung des Widerstands R2 und des
Kondensators C4 mit einem zweiten Bezugspotential V2, wie beispielsweise der Masse, verbunden. Die Kathode ist über den Widerstand R1 mit dem Gate bzw. der Basis eines MOS Transistors T1 bzw. eines bipolaren Transistors T1 verbunden. Der Drain bzw. Kollektor des MOS Transistors T2 bzw. des bipolaren Transistors T2 ist mit der Anode A der Photodiode Ph verbunden. Der Source bzw. der Emitter des MOS Transistors T2 bzw. des bipolaren Transistors T2 ist mit dem zweiten Bezugspotential V2, also beispielsweise mit Masse, verbunden. Mittels des Transistors T1, des Widerstands R1 und des Kondensators C1 werden also die in Figur 1 beschriebenen ersten Mittel 1 gebildet. Entsprechend werden mittels des Transistors T2, des Widerstands R2 und des Kondensators C2 die in Figur 1 beschriebenen zweiten Mittel 2 gebildet. Ein solcher symmetrischer optischer Empfänger zeichnet sich durch den sehr hochohmigen Pfad zwischen der Kathode K bzw. der Anode A und der Versorgungsspannung \Λ bzw. der Masse V2 aus. Da die untere Grenzfrequenz ungefähr umgekehrt proportional zum Produkt dieser hochohmigen Pfade mit den Kopplungskapazitäten Ci1 C2 ist, lässt sich auch für kleinere Kopplungskapazitäten Ci und C2 eine tiefe untere Grenzfrequenz des optischen Empfängers erzielen. Instabilitäten dieser Schaltung lassen sich durch zu diesen hochohmigen Pfaden parallel geschaltete zusätzliche hochohmige Widerstände vermeiden. In Figur 2 sind solche Widerstände gestrichelt eingezeichnet.
In Figur 3 beziehen sich die Bezugszeichen OTAi bzw. OTA2 auf OTAs (OTA: Operational Transconductance Amplifier) mit einem entsprechenden bestimmbaren Übertragungswert gm- Der OTAi bzw. OTA2 wird anstelle des Widerstands Ri bzw. R2 aus Figur 2 verwendet. Ein erster Eingang des OTAi bzw. des OTA2 ist mit der Kathode K bzw. mit der Anode A der Photodiode Ph verbunden. Ein zweiter Eingang des OTAi bzw. des OTA2 ist mit einer ersten Referenzspannung Vr1 bzw. mit einer zweiten Referenzspannung Vr2 verbunden. Ein Ausgang des OTAi bzw. des OTA2 ist mit dem Gate des Transistors Ti bzw. T2 verbunden. Durch eine geeignete Referenzspannungen Vri bzw. Vr2 werden die Potentiale der Kathode und der Anode auf geeignete Werte festgelegt, sodass auch für relativ kleine Versorgungsspannungen der Schaltung über der Photodiode ein genügend grosser Spannungsabfall erstellbar ist. Die Referenzspannungen Vr1 bzw. Vr2 lassen sich beispielsweise durch hochohmige Spannungsteiler mittels Widerständen erzeugen. Instabilitäten einer solchen Schaltung mit OTAs, Transistoren und Widerständen lassen sich durch eine zusätzlichen hochohmigen Widerstand zwischen der Kathode K und dem ersten Bezugspotential Vi sowie einem zusätzlichen Widerstand zwischen der Anode A und dem zweiten
Bezugspotential V2 vermeiden. In Figur 3 sind solche Widerstände gestrichelt eingezeichnet. Die Verwendung von OTAs ist insbesondere vorteilhaft, falls die Transistoren Ti und T2 als MOS Transistoren ausgestaltet sind. Falls die Transistoren Ti und T2 als bipolare Transistoren ausgestaltet sind, dann ist insbesondere die Verwendung von rückgekoppelten Operationsverstärkern statt der Verwendung von OTAs besonders vorteilhaft, wobei ein nicht-invertierender Eingang eines Operationsverstärkers über einen Kondensator mit einem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der invertierende Eingang eines ersten solchen rückgekoppelten Operationsverstärkers wird mit der Referenzspannung Vri verbunden, der nicht-invertierende Eingang des ersten rückgekoppelten Operationsverstärkers wird über einen Widerstand mit der Kathode K verbunden und der Ausgang des ersten rückgekoppelten Operationsverstärkers wird mit der Basis des ersten bipolaren Transistors T1 verbunden. Analog wird der invertierende Eingang eines zweiten solchen rückgekoppelten Operationsverstärkers mit der Referenzspannung V12 verbunden, der nicht-invertierende Eingang des zweiten rückgekoppelten Operationsverstärkers wird über einen Widerstand mit der Kathode K sowie über einen Kondensator mit dem Ausgang des zweiten rückgekoppelten Operationsverstärkers verbunden und der Ausgang des zweiten rückgekoppelten Operationsverstärkers wird mit der Basis des zweiten bipolaren Transistors T2 verbunden.

Claims

Ansprüche
1. Symmetrischer optischer Empfänger mit einer Photodiode (Ph) und einem symmetrischen Transimpedanzverstärker (TIA), wobei die Photodiode eine Kathode (K) und eine Anode (A) umfasst, und wobei der symmetrische Transimpedanzverstärker (TIA) einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) über einen ersten Kondensator (Ci) mit dem ersten Eingang des symmetrischen Transimpedanzverstärkers (TIA) verbunden ist,
dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) über einen zweiten
Kondensator (C2) mit dem zweiten Eingang des symmetrischen Transimpedaπzverstärkers (TIA) verbunden ist,
dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) mit ersten Mittel (1) verbunden ist, wobei die ersten Mittel (1) ein Tiefpassfilter zur Filterung der Spannung zwischen der Kathode (K) der Photodiode (Ph) und einem Bezugspotential umfassen, und wobei mittels der ersten Mittel (1) ein der tief passgefilterten Spannung entsprechender Strom in die Kathode (K) der Photodiode (Ph) einspeisbar ist, und
dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) mit zweiten Mittel (1) verbunden ist, wobei die zweiten Mittel (1 ) ein Tiefpassfilter zur Filterung der Spannung zwischen der Anode (A) der Photodiode (Ph) und einem Bezugspotential umfassen, und wobei mittels der zweiten Mittel (2) ein der tiefpassgefilterten Spannung entsprechender Strom aus der Anode (A) der Photodiode (Ph) abführbar ist.
2. Symmetrischer optischer Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (1) einen ersten MOS Transistor (T1) umfassen, wobei der erste MOS Transistor (Ti) ein Source, ein Gate und ein Drain umfasst, dass die zweiten Mittel (2) einen zweiten MOS Transistor (T2) umfassen, wobei der zweite Transistor (T2) ein Drain, ein Gate und ein Source umfasst, dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) über einen ersten Widerstand (Ri) mit dem Gate des ersten MOS Transistors (Ti) verbunden ist, dass der Drain des ersten MOS Transistors (Ti) mit der Kathode (K) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass der Gate des ersten MOS Transistors (T1) über einen dritten Kondensator (C3) mit einem ersten Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass der Source des ersten MOS Transistors (T1) mit dem ersten Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Gate des zweiten MOS Transistors (T2) verbunden ist, dass der Drain des zweiten MOS Transistors (T2) mit der Anode (A) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass der Gate des zweiten MOS Transistors (T2) über einen vierten Kondensator (G*) mit einem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist, und dass der Source des zweiten MOS Transistors (T2) mit dem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist.
3. Symmetrischer optischer Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (1 ) einen ersten bipolaren Transistor (T1) umfassen, wobei der erste bipolare Transistor (T1) einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor umfasst, dass die zweiten Mittel (2) einen zweiten bipolaren Transistor (T2) umfassen, wobei der zweite bipolare Transistor (T2) einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) über einen ersten Widerstand (R1) mit der Basis des ersten bipolaren Transistors (T1) verbunden ist, dass der Kollektor des ersten bipolaren Transistors (T1) mit der Kathode (K) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass die Basis des ersten bipolaren Transistors (T1) über einen dritten Kondensator (C3) mit einem ersten Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass der Emitter des ersten bipolaren Transistors (T1) mit dem ersten
Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) über einen zweiten Widerstand (R2) mit der Basis des zweiten bipolaren Transistors (T2) verbunden ist, dass der Kollektor des zweiten bipolaren Transistors (T2) mit der Anode (A) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass die Basis des zweiten bipolaren Transistors (T2) über einen vierten Kondensator (C4) mit einem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist, und dass der Emitter des zweiten bipolaren Transistors (T2) mit dem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist.
4. Symmetrischer optischer Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (1) einen ersten MOS Transistor (Ti) umfassen, wobei der erste MOS Transistor (T-i) ein Source, ein Gate und ein Drain umfasst, dass die zweiten Mittel (2) einen zweiten MOS Transistor (T2) umfassen, wobei der zweite MOS Transistor (T2) ein Drain, ein Gate und ein Source umfasst, dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) mit einem ersten Eingang eines ersten OTA (OTAi) verbunden ist, dass ein zweiter Eingang des ersten OTA (OTA1) mit einer ersten Referenzspannung (VM) verbunden ist, dass ein Ausgang des ersten OTA (OTAi) mit dem Gate des ersten MOS Transistors (Ti) verbunden ist, dass der Drain des ersten MOS Transistors (Ti) mit der Kathode (K) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass der Gate des ersten MOS Transistors (Ti) über einen dritten Kondensator (C3) mit einem ersten Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass der Source des ersten MOS Transistors (T1) mit dem ersten Bezugspotential (V1) verbunden ist, dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) mit einem ersten Eingang eines zweiten OTA (OTA2) verbunden ist, dass ein zweiter Eingang des zweiten OTA (OTA2) mit einer zweiten Referenzspannung (Vr2) verbunden ist, dass ein Ausgang des zweiten OTA (OTA2) mit dem Gate des zweiten MOS Transistors (T2) verbunden ist, dass der Drain des zweiten MOS Transistors (T2) mit der Anode (A) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass der Gate des zweiten MOS Transistors (T2) über einen vierten Kondensator (C4) mit einem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist, und dass der Source des zweiten MOS Transistors (T2) mit dem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist.
5. Symmetrischer optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (1 ) einen ersten bipolaren Transistor (T1) umfassen, wobei der erste bipolare Transistor (T1) einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor umfasst, dass die zweiten Mittel (2) einen zweiten bipolaren Transistor (T2) umfassen, wobei der zweite bipolare Transistor (T2) einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, dass die Kathode (K) der Photodiode (Ph) über einen Widerstand mit einem ersten Eingang eines ersten Operationsverstärkers verbunden ist, dass ein zweiter Eingang des ersten Operationsverstärkers mit einer ersten Referenzspannung (Vr1) verbunden ist, dass der erste Eingang des ersten Operationsverstärkers über einen Kondensator mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, dass der Ausgang des ersten Operationsverstärkers mit der Basis des ersten bipolaren Transistors (Ti) verbunden ist, dass der Kollektor des ersten bipolaren Transistors (Ti) mit der Kathode (K) der Photodiode (Ph) verbunden ist, dass der Emitter des ersten bipolaren Transistors (Ti) mit dem ersten Bezugspotential (Vi) verbunden ist, dass die Anode (A) der Photodiode (Ph) mit über einen Widerstand einem ersten Eingang eines zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, dass ein zweiter Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit einer zweiten Referenzspannung (Vr2) verbunden ist, dass der erste Eingang des zweiten Operationsverstärkers über einen Kondensator mit einem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit der Basis des zweiten bipolaren Transistors (T2) verbunden ist, dass der Kollektor des zweiten bipolaren Transistors (T2) mit der Anode (A) der Photodiode (Ph) verbunden ist, und dass der Emitter des zweiten bipolaren Transistors (T2) mit dem zweiten Bezugspotential (V2) verbunden ist.
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