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DE4212934A1 - Optical signal receiver circuit - has collector emitter of bipolar transistor connected in parallel with trans-impedance amplifier coupling resistance - Google Patents

Optical signal receiver circuit - has collector emitter of bipolar transistor connected in parallel with trans-impedance amplifier coupling resistance

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DE4212934A1
DE4212934A1 DE19924212934 DE4212934A DE4212934A1 DE 4212934 A1 DE4212934 A1 DE 4212934A1 DE 19924212934 DE19924212934 DE 19924212934 DE 4212934 A DE4212934 A DE 4212934A DE 4212934 A1 DE4212934 A1 DE 4212934A1
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voltage
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bipolar transistor
optical receiver
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Reinhold Dipl Ing Jung
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Alcatel Lucent Deutschland AG
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Alcatel SEL AG
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Abstract

The receiver has a photodiode (PD) and a trans-impedance amplifier (1). The diode (PD) is connected in a d.c. circuit including a voltage supply (UB) and the amplifier input. A coupling resistance (RF) is connected between the input and output of the amplifier (1). The collector emitter path of a silicon bipolar transistor (T1) is connected across the coupling resistance (RF). The transistor (T1) is driven below saturation voltage. Thus, noise and sensitivity are varied only negligibly. The collector emitter resistance is varied by a control circuit (2) in dependence on the output voltage (Ua) of the amplifier (1) via the base current of the transistor (T1). ADVANTAGE - Ensures good reception of all signals with neither loss nor transmission delay.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, der in optischen Nachrichtenübertragungssystemen als opto-elektrischer Wandler eingesetzt wird. Derartige Empfänger bestehen üblicherweise im wesentlichen aus einer Photodiode und einem nachgeschalteten Verstärker mit Gegenkopplungswiderstand, einem sogenannten Transimpedanzverstärker. Lichtquanten, die auf die Photodiode auftreffen, erzeugen einen Photostrom, der vom Transimpedanzverstärker verstärkt und als dessen Ausgangsspannung weiterverarbeitet wird. In erster Näherung bestimmt das Produkt aus Photostrom und Gegenkopplungswiderstand des Transimpedanzverstärkers den Wert der Ausgangsspannung.The invention relates to a circuit arrangement for an optical Receiver used as an optical communication system opto-electrical converter is used. Such recipients usually consist essentially of a photodiode and a downstream amplifier with negative feedback resistor, a so-called transimpedance amplifier. Light quanta that on the Impact photodiode, generate a photocurrent from the Transimpedance amplifier amplified and as its output voltage is processed further. In the first approximation, the product determines Photocurrent and negative feedback resistance of the transimpedance amplifier the value of the output voltage.

In optischen Nachrichtenübertragungssystemen können die Leistungspegel der zu verarbeitenden optischen Signale sehr unterschiedliche Werte annehmen. Der optische Empfänger muß deshalb in der Lage sein, relativ niedrige wie auch sehr hohe Leistungspegel fehlerfrei zu detektieren. Die untere Grenze wird als Empfängerempfindlichkeit bezeichnet. Sie wird wesentlich von den Rauscheigenschaften der Photodiode und des Transimpedanzverstärkers bestimmt. Der obere Leistungspegel wird durch die Übersteuerung des Transimpedanzverstärkers begrenzt. Zwischen den durch diese Bedingungen bestimmten minimalen und maximalen Leistungspegeln des Empfangssignals liegt der sogenannte Dynamikbereich des optischen Empfängers. Oft ist es wünschenswert, diesen Dynamikbereich nach oben zu erweitern, so daß der optische Empfänger auch bei großen optischen Empfangsleistungen zu betreiben ist. Zur Lösung dieses Problems sind bereits eine Vielzahl von Schaltungsvarianten angegeben worden. So ist es beispielsweise bekannt, zum Eingang des Transimpedanzverstärkers eine Diode parallel zu schalten, vgl. DE-32 18 439. Ebenso ist eine Anordnung mit parallel geschaltetem Feldeffekttransistor bekannt, vgl. EP 0 181 146. Bei großem Leistungspegel der optischen Signale und entsprechend großem elektrischem Photostrom werden diese Zusatzelemente leitend, so daß ein Teil des Photostromes vom Eingang des Transimpedanzverstärkers abgeleitet wird. Dabei kann die Widerstandsänderung selbststeuernd oder fremdgesteuert erfolgen. Eine solche Zusatzbeschaltung am Eingang des Transimpedanzverstärkers bedingt immer auch eine zusätzliche Kapazität und damit eine Verschlechterung der Rauscheigenschaften, so daß die Empfängerempfindlichkeit abnimmt.In optical communication systems, the Power level of the optical signals to be processed very much assume different values. The optical receiver must therefore be able to get relatively low as well as very high power levels to be detected without errors. The lower limit is called Receiver sensitivity. It becomes essential from the Noise characteristics of the photodiode and the transimpedance amplifier certainly. The upper power level is caused by the overload of the Transimpedance amplifier limited. Between those through this Conditions determined minimum and maximum power levels of the Received signal lies the so-called dynamic range of the optical  Recipient. It is often desirable to review this dynamic range expand above, so that the optical receiver even at large optical reception services is to be operated. To solve this Problems are already a variety of circuit variants have been specified. For example, it is known to enter the Transimpedance amplifier to connect a diode in parallel, cf. DE-32 18 439. Likewise, an arrangement with a parallel Field effect transistor known, cf. EP 0 181 146. For large Power level of the optical signals and correspondingly large these additional elements are conductive, so that part of the photocurrent from the input of the transimpedance amplifier is derived. The change in resistance can be self-controlling or done externally. Such additional wiring on The input of the transimpedance amplifier always requires one additional capacity and thus a deterioration in Noise characteristics so that the receiver sensitivity decreases.

Eine weitere Möglichkeit der Erweiterung des Dynamikbereichs besteht darin, den Gegenkopplungswiderstand in Abhängigkeit vom Eingangsphotostrom zu variieren. Es ist bekannt, zu dem Gegenkopplungswiderstand eine Diode parallel zu schalten bzw. zur Gegenkopplung ein Widerstands-Dioden-Netzwerk zu verwenden, vgl. EP 0 177 217. Weiterhin ist es bekannt, als Gegenkopplungswiderstand direkt ein aktives Bauelement einzusetzen, beispielsweise einen Feldeffekttransistor, vgl. DE 32 33 146. Bei den genannten Schaltungsanordnungen wird mit steigendem Eingangsstrom der wirksame Gegenkopplungswiderstand verringert, indem das aktive Element zunehmend leitend wird. Das wirkt zwar einer weiteren Erhöhung der Ausgangsspannung entgegen, die Übersteuerung des Transimpedanzverstärkers wird verhindert, aber bei den bisher bekannten Anordnungen treten durch das stromabhängige Zweipolübertragungsverhalten Signalverzerrung auf, wie beispielsweise bei einer Diode aufgrund ihres stromabhängigen differentiellen Widerstandes. Eine Fremdsteuerung der Diode läßt sich nur bei wechselspannungsmäßiger Kopplung an den Transimpedanzverstärker verwirklichen. Bei Gleichspannungskopplung erfolgt eine Selbststeuerung der Diode, wobei sich dann besonders die relativ hohe Diffusionskapazität störend auswirkt. Dadurch wird das Rauschen des Empfängers vergrößert und seine Bandbreite herabgesetzt.Another option is to expand the dynamic range in making the negative feedback resistance dependent on Varying input photostream. It is known to the Negative feedback resistor to connect a diode in parallel or to Negative feedback to use a resistor diode network, cf. EP 0 177 217. Furthermore, it is known as a negative feedback resistor use an active component directly, for example one Field effect transistor, cf. DE 32 33 146. In the aforementioned Circuit arrangements become effective with increasing input current Negative feedback resistance is reduced by the active element is becoming increasingly leading. That does indeed increase the Output voltage counter, the overdrive of the Transimpedance amplifier is prevented, but with the previously known arrangements occur due to the current-dependent Two-pole transmission behavior signal distortion on how for example in the case of a diode due to its current-dependent differential resistance. External control of the diode leaves  only with AC voltage coupling to the Realize transimpedance amplifier. With DC coupling there is a self-control of the diode, which is then particularly the relatively high diffusion capacity interferes. This will the noise of the receiver increases and its bandwidth reduced.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen monolithisch integrierbaren Vorverstärker mit erweitertem Dynamikbereich anzugeben, der in Siliziumbipolartechnologie realisierbar ist und dabei die oben genannten Nachteile bekannter Schaltungsanordnungen vermeidet.The invention is based on the object, a monolithic integrable preamplifier with extended dynamic range specify which can be implemented in silicon bipolar technology and the above-mentioned disadvantages of known circuit arrangements avoids.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Schaltungsanordnung gelöst. In dieser Schaltungsanordnung wird ein mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke zu dem Gegenkopplungswiderstand parallel geschalteter Siliziumbipolartransistor als variabler Widerstand eingesetzt. Da der Siliziumbipolartransistor mit Kollektor-Emitter-Spannungen unterhalb der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat betrieben wird, ist der Kollektor-Emitter-Widerstand über den Basisstrom einstellbar.This object is achieved by the circuit arrangement specified in claim 1. In this circuit arrangement, a silicon bipolar transistor connected in parallel with its collector-emitter path to the negative feedback resistor is used as a variable resistor. Since the silicon bipolar transistor is operated with collector-emitter voltages below the collector-emitter saturation voltage U CEsat , the collector-emitter resistance can be adjusted via the base current.

Es ist möglich, den Gegenkopplungswiderstand in zwei Teilwiderstände aufzuteilen und mit dem Siliziumbipolartransistor nur den am Verstärkerausgang liegenden zweiten Teilwiderstand zu überbrücken. Bei dieser Variante entsteht einerseits der Vorteil, daß stets ein Teil des Gegenkopplungswiderstandes wirksam bleibt und damit der Schwingneigung des Verstärkers bei zu starker Gegenkopplung entgegenwirkt. Andererseits wird durch den ersten Teilwiderstand die Kapazität der Kollektor-Basis-Diode vom Verstärkereingang ferngehalten, so daß dadurch eine Verschlechterung der Rauscheigenschaften vermieden wird. It is possible to split the negative feedback resistor into two sub-resistors split and with the silicon bipolar transistor only the am To bridge the second partial resistor located at the amplifier output. This variant has the advantage that there is always a Part of the negative feedback resistor remains effective and thus the Vibration tendency of the amplifier if the negative feedback is too strong counteracts. On the other hand, the Capacitance of the collector base diode from the amplifier input kept away, so that a deterioration of the Noise characteristics is avoided.  

Mit einer weiteren Schaltungsvariante ist eine Vergrößerung des Ausgangsspannungsbereichs möglich. Bei der Parallelschaltung eines Siliziumbipolartransistors zum Gegenkopplungswiderstand ist die Ausgangsspannung des optischen Verstärkers bei der vorliegenden Lösung auf die Sättigungsspannung UCEsat des Transistors begrenzt. Durch Aufteilung des Gegenkopplungswiderstandes in mehrere Teilwiderstände kann zu jedem Teilwiderstand jeweils ein Siliziumbipolartransistor parallel geschaltet werden, so daß die Ausgangsspannung dann je nach Anzahl der Transistoren ein Vielfaches der Sättigungsspannung betragen kann.With a further circuit variant, an enlargement of the output voltage range is possible. When a silicon bipolar transistor is connected in parallel with the negative feedback resistor, the output voltage of the optical amplifier in the present solution is limited to the saturation voltage U CEsat of the transistor. By dividing the negative feedback resistor into several partial resistors, a silicon bipolar transistor can be connected in parallel to each partial resistor, so that the output voltage can then be a multiple of the saturation voltage depending on the number of transistors.

Somit wird ein optischer Empfänger mit einem großen Dynamikbereich angegeben, der vollständig gleichspannungsgekoppelt ist und in Siliziumbipolartechnologie monolithisch integrierbar ist und bei dem die Erweiterung des Dynamikbereichs ohne nennenswerten Verlust an Empfängerempfindlichkeit ermöglicht wird.Thus, an optical receiver with a large dynamic range specified, which is completely DC-coupled and in Silicon bipolar technology can be integrated monolithically and in which the expansion of the dynamic range without significant loss Receiver sensitivity is enabled.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigenThe invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained. Show in the accompanying drawing

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 1 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention,

Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unterteiltem Gegenkopplungswiderstand und Fig. 2 is a circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention with divided negative feedback resistor and

Fig. 3 ein Schaltbild einer Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Fig. 3 is a circuit diagram of a variant of the circuit arrangement according to the invention.

Gemäß Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger aus einer Photodiode PD und einem Verstärker 1 mit Gegenkopplungswiderstand RF mit einem zu diesem parallel geschalteten Transistor T1 sowie aus einer Steuerschaltung 2, die einen Differenzverstärker 3 und einen Spannungsbewerter 4 enthält. Referring to FIG. 1, the circuit arrangement for an optical receiver from a photodiode PD and an amplifier 1 having negative feedback resistor R F a for this parallel-connected transistor T1 and of a control circuit 2, which includes a differential amplifier 3, and a voltage Reviewer 4.

Die Größe der Ausgangsspannung Ua des Verstärkers 1 wird von einem Spannungsbewerter 4 überwacht. Dieser besteht entweder aus einem Tiefpaß, mit dem aus dem Mittelwert der Ausgangsspannung Ua eine Steuerspannung gewonnen wird oder aus einem Gleichrichter, mit dem aus dem Spitzenwert der Ausgangsspannung Ua eine Steuerspannung gewonnen wird. Diese detektierte Spannung wird in einem Differenzverstärker 3 mit einer Referenzspannung Uref verglichen. Die Referenzspannung Uref wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie der detektierten Spannung bei einem Eingangssignalspitzenstrom Iph = UCEsat/RF entspricht.The magnitude of the output voltage U a of the amplifier 1 is monitored by a voltage evaluator 4 . This consists either of a low-pass filter, with which a control voltage is obtained from the mean value of the output voltage U a , or of a rectifier, with which a control voltage is obtained from the peak value of the output voltage U a . This detected voltage is compared in a differential amplifier 3 with a reference voltage U ref . The reference voltage U ref is expediently chosen such that it corresponds to the detected voltage at an input signal peak current I ph = U CEsat / R F.

Bei Lichtleistungen, die mittels der Photodiode PD in Photoströme Iph < UCEsat/RF umgewandelt werden, liefert die Steuerschaltung 2 keinen Basisstrom, die Basisspannung liegt unterhalb des Kollektor- bzw. Emitterpotentials und der Transistor T1 ist somit gesperrt. Es wirkt dann der volle Gegenkopplungswiderstand RF. Der Transistor T1 beeinflußt die Rauschleistung und die Bandbreite des optischen Empfängers nur geringfügig, da durch ihn kein Strom fließt und die Zusatzkapazitäten aufgrund der gesperrten Basis-Kollektor- und Basis-Emitter-Dioden relativ gering sind.In the case of light powers which are converted into photocurrents I ph <U CEsat / R F by means of the photodiode PD, the control circuit 2 does not supply a base current, the base voltage is below the collector or emitter potential and the transistor T1 is thus blocked. The full negative feedback resistance R F then acts. The transistor T1 influences the noise power and the bandwidth of the optical receiver only slightly, since no current flows through it and the additional capacitances due to the blocked base collector and base emitter diodes are relatively small.

Überschreitet die Lichtleistung einen Wert, der in der Photodiode PD Photoströme Iph < UCEsat/RF erzeugt, so unter- bzw. überschreitet die durch den Spannungsbewerter generierte Spannung die Referenzspannung Uref am Differenzverstärker 3 und die Ausgangsspannung der Steuerschaltung 2 wird soweit erhöht, bis ein Basisstrom in den zum Gegenkopplungswiderstand RF parallel geschalteten Transistor T1 fließt. Damit wird der Transistor T1 leitend und und ein Teil des Photostromes Iph am Eingang des Verstärkers 1 fließt über seine Kollektor-Emitter-Strecke. Der differentielle Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ist nun zum Gegenkopplungswiderstand RF parallel geschaltet. Eine weitere Erhöhung des Photostromes Iph bewirkt über die Steuerschaltung 2 eine Vergrößerung des Basisstromes und damit eine Verringerung des differentiellen Widerstandes und folglich auch eine Verringerung des gesamten Gegenkopplungswiderstandes. Damit wird einer Erhöhung der Ausgangsspannung Ua des Verstärkers 1 und somit einer Übersteuerung des Verstärkers 1 entgegengewirkt.If the light output exceeds a value that generates photocurrents I ph <U CEsat / R F in the photodiode PD, the voltage generated by the voltage evaluator falls below or exceeds the reference voltage U ref at the differential amplifier 3 and the output voltage of the control circuit 2 is increased so far , until a base current flows into the transistor T1 connected in parallel with the negative feedback resistor R F. The transistor T1 thus becomes conductive and part of the photocurrent I ph at the input of the amplifier 1 flows over its collector-emitter path. The differential resistance of the collector-emitter path is now connected in parallel to the negative feedback resistor R F. A further increase in the photocurrent I ph causes an increase in the base current via the control circuit 2 and thus a reduction in the differential resistance and consequently also a reduction in the total negative feedback resistance. This counteracts an increase in the output voltage U a of the amplifier 1 and thus an overload of the amplifier 1 .

Die maximale Ausgangsspannung Ua des Verstärkers 1 ist auf den Wert UCEsat begrenzt. Größere Ausgangsspannungen Ua sind erreichbar, wenn der Gegenkopplungswiderstand RF aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände RF1, RF2, RFn besteht und jedem Widerstand jeweils die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T1, T2, Tn parallel geschaltet wird, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist.The maximum output voltage U a of the amplifier 1 is limited to the value U CEsat . Larger output voltages U a can be achieved if the negative feedback resistor R F consists of a series connection of several resistors R F1 , R F2 , R Fn and each resistor, the collector-emitter path of a transistor T1, T2, Tn is connected in parallel, as is the case is shown in Fig. 3.

Fig. 2 zeigt die Möglichkeit, den Gegenkopplungszweig aus zwei Teilwiderständen RF1, RF2 zu bilden und nur einen Teilwiderstand RF2 mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors zu überbrücken. Dadurch ergibt sich eine Optimierungsmöglichkeit der Schaltungsanordnung für den Fall, daß ein Mindestwiderstandswert im Gegenkopplungszweig nicht unterschritten werden soll. Fig. 2 shows the possibility of the negative feedback path of two partial resistors R F1, R F2 to form and only a partial resistor R F2 with the collector-emitter path of a transistor bridge. This results in an optimization possibility of the circuit arrangement in the event that a minimum resistance value in the negative feedback branch should not be undercut.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Varianten sind auch anwendbar, wenn bei anderer Polarität der Versorgungsspannungen die Kathode der Photodiode PD mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Es müssen dann lediglich die Anschlüsse von Kollektor und Emitter des Transistors T1 am Gegenkopplungswiderstand RF vertauscht werden.The circuit arrangement according to the invention and its variants can also be used if the cathode of the photodiode PD is connected to the input of the amplifier with a different polarity of the supply voltages. It is then only necessary to interchange the connections of the collector and emitter of the transistor T1 at the negative feedback resistor R F.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, die eine Photodiode (PD) und ein Verstärker (1) enthält, wobei die Photodiode (PD) in einem Gleichstromkreis aus Versorgungsspannungsquelle (UB) und Eingang des Verstärkers (1) liegt und zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers (1) ein Gegenkopplungswiderstand (RF) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Gegenkopplungswiderstand (RF) die Kollektor-Emitter-Strecke eines Siliziumbipolartransistors (T1) parallel geschaltet ist und daß zwischen Ausgang des Verstärkers (1) und Basis des Siliziumbipolartransistors (T1) eine Steuerschaltung (2) liegt.1. Circuit arrangement for an optical receiver, which contains a photodiode (PD) and an amplifier ( 1 ), the photodiode (PD) being in a direct current circuit comprising the supply voltage source (U B ) and the input of the amplifier ( 1 ) and between the input and output the amplifier ( 1 ) has a negative feedback resistor (R F ), characterized in that the collector-emitter path of a silicon bipolar transistor (T1) is connected in parallel with the negative feedback resistor (R F ) and that between the output of the amplifier ( 1 ) and the base of the silicon bipolar transistor (T1) is a control circuit ( 2 ). 2. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumbipolartransistor (T1) unterhalb seiner Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung betrieben wird.2. Circuit arrangement for an optical receiver according to claim 1, characterized in that the silicon bipolar transistor (T1) operated below its collector-emitter saturation voltage becomes. 3. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (2) einen Differenzverstärker (3) enthält, an dessen erstem Eingang ein Spannungsbewerter (4) liegt, dessen Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers (1) verbunden ist und an dessen zweitem Eingang eine Referenzspannung (Uref) liegt, deren Größe so gewählt wird, daß sie der detektierten Spannung bei einem Eingangssignal-Spitzenstrom des optischen Empfängers entspricht.3. Circuit arrangement for an optical receiver according to claim 1, characterized in that the control circuit ( 2 ) contains a differential amplifier ( 3 ), at the first input of which there is a voltage evaluator ( 4 ), the input of which is connected to the output of the amplifier ( 1 ) and at its second input there is a reference voltage (U ref ), the size of which is selected so that it corresponds to the detected voltage at an input signal peak current of the optical receiver. 4. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbewerter (4) zur Auswertung des Mittelwertes der Ausgangsspannung des Verstärkers (1) aus einem Tiefpaß besteht oder daß der Spannungsbewerter (4) zur Auswertung des Spitzenwertes der Ausgangsspannung des Verstärkers aus einem Spitzenwertdetektor besteht.4. Circuit arrangement for an optical receiver according to claim 2, characterized in that the voltage evaluator ( 4 ) for evaluating the mean value of the output voltage of the amplifier ( 1 ) consists of a low-pass filter or that the voltage evaluator ( 4 ) for evaluating the peak value of the output voltage of the amplifier consists of a peak detector. 5. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (RF) aus einer Reihenschaltung aus mindestens zwei Teilwiderständen (RF1, RF2,. . ., RFn) besteht und daß zu einer bestimmten Anzahl von Teilwiderständen jeweils die Kollektor-Emitter-Strecke eines Siliziumbipolartransistors (T1, T2,. . ., Tn) parallel geschaltet ist und daß die Basisanschlüsse der Siliziumbipolartransistoren mit einer Steuerschaltung (2) verbunden sind.5. Circuit arrangement for an optical receiver according to claim 1, characterized in that the negative feedback resistor (R F ) consists of a series connection of at least two partial resistors (R F1 , R F2 , ... , R Fn ) and that to a certain number of Partial resistors each have the collector-emitter path of a silicon bipolar transistor (T1, T2, ..., Tn) connected in parallel and that the base connections of the silicon bipolar transistors are connected to a control circuit ( 2 ).
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