Brevet FR2581275A1 — publié le 19861031

-- 1 -- Récepteur de signaux optiques à très large bande La présente invention se rapporte à un circuit- récepteur de signaux optiques, ledit récepteur étant destiné à fonctionner avec une très large bande passante, pouvant aller de quelques kilohertz à 3dB à environ 1 Gigahertz à 3dB, et même audelà. En matière de récepteurs optiques en général, il existe à l'heure actuelle deux types de structures le plus largement répandues: Un premier type de structure de récepteur optique, dite "structure par intégration" est tel que représenté schématiquement sur la figure 1 Jointe. Une telle structure est couramment employée pour des fréquences de fonctionnement relativement basses, pouvant aller jusqu'à une centaine de Mégahertz pour fixer les idées. Elle comporte un récepteur optique 1, par exemple une photodiode à avalanche ou PIN, associée à une résistance de charge 2, et un amplifica- teur électronique 3. La résistance 2, pour obtenir un rapport signal-surbruit acceptable, doit avoir une valeur élevée, de sorte qu'elle crée nécessairement, avec la capacité d'entrée de l'amplifica- teur 3, un pôle de coupure en filtre passe-bas. Il est alors classique de compenser ce pôle par un étage égaliseur 4, permettant de rejeter ce pôle en dessus de la bande de fréquences à transmettre, constitué classique- ment par un transistor monté en émetteur-commun. Un tel dispositif n'est pas adaptable aux récepteurs optiques à très large bande, car il nécessiterait un nombre d'étages,égaliseurs en cascade trop élevé pour que le dispositif puisse fonctionner à des fré- quences atteignant ou dépassant un Gigahertz. Par ailleurs, un dispo- sitif comportant plusieurs égaliseurs en cascade est très difficile à régler, car l'on ne peut pas régler un égaliseur sans retoucher celui qui précède, ce qui le rend indaptable à la production en grande série. Enfin, un tel dispositif, s'il doit fonctionner à des fréquences élevées, ne peut pas transmettre les voies de service basse-fréquence, puisqu'il se sature alors en basse-fréquence. Enfin, un tel dispositif est très sensible à la température, car il ne comporte aucun élément de régulation en la matière. Un deuxième type connu de structure de récepteur optique, dite "structure par transimpédance", est tel que représenté schématiquement - 2- sur la figure 2 jointe. Un récepteur de ce type est par exemple vendu par la firme américaine LASERTRON sous la dénomination "PINFET RECEIVER MODULE". Il comporte, tel que représenté, une photodiode 5, telle qu'une diode PIN, un amplificateur 6 comportant par exemple un transistor FET suivi d'un transistor formant avec le premier un étage de type cascode, un étage de sortie adaptateur d'impédance comportant un transistor 7 monté en collecteur-commun sur une résistance de sortie 8, et enfin et surtout une résistance 9 de contre-réaction montée entre la sortie du transistor 7 et l'entrée de l'amplificateur 6. Un tel circuit par transimpédance fonctionne de façon satisfai- sante jusqu'à des fréquences pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de Mégahertz. Il fonctionne, Jusqu'à ces fréquences, sans étage d'égali- sation ajouté, et ne présente pas de problèmes de saturation en basse-fréquence et de tenue en température. Par contre, on ne sait pas, à l'heure actuelle, faire fonctionner une telle structure par transimpédance pour des fréquences très élevées, car l'on ne peut pas, avec ce dispositif connu, placer à ces fréquences une résistance de contre-réaction 8 suffisamment élevée pour obtenir un rapport signal-sur-bruit acceptable, étant donné que l'on est en la matière limité par le gain insuffisant de l'amplificateur 6, et que l'on ne sait pas comment augmenter ce gain sans ajouter un nombre d'étages d'amplification prohibitif à ces fréquences élevées. Rappelons en effet que la résistance de contre-réaction maxi- male Rmax d'un circuit par transimpédance est liée au gain A de l'ampli- ficateur qu'il comporte, à sa capacité parasite Cp et à sa fréquence maximale à transmettre f par une relation de la forme: Rmax A + 1 Rmax= 2 Cp f Dans la mesure oà il n'est pas possible d'obtenir un gain A suffi- sant, il n'est pas non plus possible d'obtenir une résistance Rmax suf- fisante pour qu'elle engendre un rapport signal-sur-bruit suffisamment élevé. A titre indicatif, pour une bande passante de 1 Gigahertz à 3dB et plus, il est nécessaire d'utiliser une résistance de contre-réaction de un kilohm et plus, ce qui sous-entend un gain A de l'ordre de 30 et plus, -3- ce que l'on ne sait pas réaliser à ces fréquences à l'heure actuelle. Il existe à l'heure actuelle des réalisations expérimentales qui, moyennant un choix très aigU des composants, permettent d'utiliser une résistance de contre-réaction d'une valeur de l'ordre de 600 ohms, mais pour faire fonctionner ce récepteur à 1 Gigahertz de bande, on est conduit à lui ajouter des étages égaliseurs en émetteur-commun, de sorte que l'on se trouve ramené au problème des réglages très longs et délicats de ces étages, et que finalement ce genre de dispositif n'est pas adap- table à la production industrielle en grande série. Le récepteur de signaux optiques selon l'invention ne présente pas les inconvénients des dispositifs connus jusqu'alors, et est conçu pour passer une très large bande de fréquences, pouvant aller jusqu'à un gigahertz à 3dB, et même au-delà, tout en étant, du fait qu'il ne néces- site d'un circuit à l'autre aucun réglage long et délicat, bien adapté à la production industrielle en série. Il est du type comportant: - une unité de transformation des signaux optiques incidents en signaux électriques - une unité électronique d'entrée ayant au moins une fonction d'amplifi- cation desdits signaux électriques - une unité électronique de sortie ayant au moins une fonction d'adapta- tion, - au moins une résistance de contre-réaction entre la sortie de ladite unité de sortie et l'entrée de ladite unité d'entrée, et il est caractérisé en ce que, afin de lui permettre de fonctionner avec une très large bande de fréquences, allant de quelques kilohertz à 3dB jusqu'à au moins 1 Gigahertz environ à 3dB: - il comporte en outre, entre ladite unité d'entrée et ladite unité de sortie, un amplificateur à plusieurs étages et à très large bande, - la résistance de charge de ladite unité d'entrée est, pour accroître le gain en amplification de cette unité, augmentée jusqu'à créer, avec la capacité d'entrée dudit amplificateur et dans sa bande de fréquences, un pâle de coupure en filtre passe-bas, ledit amplificateur est équipé, pour compenser ce pôle d'au moins une liaison, entre au moins son premier et son deuxième étage, constituée par un filtre passe-haut calculé pour rejeter ledit pôle au-delà de ladite 2 581275 -4- bande de fréquences - ladite résistance de contre-réaction a une valeur au moins égale à environ un kilohm et est spécialement agencée et implantée de manière à présenter une faible capacité parasite. Avantageusement par ailleurs, ledit amplificateur à plusieurs étages et à très large bande comporte au moins une première unité d'am- plification à deux transistors, du type "collecteur-commun et basecommune, ou "paraphase", et ladite liaison en filtre passe-haut est placée entre le premier et le second étage à transistor de ladite première unité. Avantageusement, ladite première unité paraphase, est suivie d'une seconde unité paraphase de même type. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description sui- vante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, décrite précédemment, est une représentation schématique d'un récepteur optique "par intégration" de l'art antérieur la figure 2, décrite précédemment, est une représentation schématique d'un récepteur "par transimpédance" de l'art antérieur - la figure 3 est un schéma électrique du récepteur optique à très large bande de l'invention la figure 4 est une vue latérale d'implantation de la résistance de contre-réaction équipant le dispositif de la figure 3 - la figure 5 est une vue de dessus d'implantation de la résistance de contre-réaction équipant le dispositif de la figure 3. En se reportant tout d'abord à la figure 3, le récepteur optique à très large bande de l'invention comporte successivement: - une photodiode P, telle qu'une photodiode à avalanche, polarisée par une tension continue V, et transformant en signaux électriques les signaux lumineux incidents, un transistor d'entrée Q1, par exemple un transistor-FET-àArséniure de Gallium, dont la grille est connectée à la sortie de la photodiode P, dont la source est connectée à la masse, et dont le drain est connecté à une tension continue positive d'alimentation Va à travers des résis- tances de polarisation R3 et R2; comme on le voit sur le dessin, le point de Jonction des résistances R2 et R3 est découplé à la masse par -5- une capacité C2 afin d'éviter la création d'un pSle en filtre passe-bas qui serait dû à une résistance trop grande et à la capacité parasite de l'étage suivant, - un second transistor Q2, par exemple un transistor NPN, monté avec le transistor Q1 en étage cascode, ce qui permet avantageusement de réduire l'effet Miller; les transistors Q1 et Q2 constituent l'unité électro- nique d'entrée du récepteur; comme on le voit sur le dessin, le tran- sistor Q2 a son émetteur relié au drain du transistor QI, sa base décou- plée à la masse par un condensateur C3 et polarisée par un pont diviseur constitué par deux résistances R5 et R6 connectées entre la tension Va et la masse et dont le point de jonction est relié à ladite base, et son collecteur relié à la tension Va par deux résistances R8 et R7 dont le point de jonction est découplé à la masse par le condensateur C4; les résistances R7 et R8 sont les résistances de polarisation du collecteur du transistor Q2, mais la résistance R8 constitue aussi la résistance de charge du circuit cascode, qui définit dont le gain de l'unité d'entrée; conformément à l'invention, la résistance R8 est, pour obtenir une augmentation du gain de l'unité d'entrée Q1, Q2, augmentée jusqu'à créer avec la capacité parasite de l'étage suivant, un pôle de coupure en filtre passe-bas situé dans la bande à passer, par exemple situé à quelques centaines de Mégahertz; la résistance R8 a par exemple une valeur de l'ordre de 150 ohms, - un premier étage amplificateur à large bande, du type "collecteur-commun et base-commune", ou "paraphase", comportant un pre- mier transistor Q3, de type PNP, dont la base est connectée au collecteur du transistor Q2, c'est-à-dire à la sortie de l'unité d'entrée (Q1, Q2), dont le collecteur est connecté à la masse, et dont l'émetteur est relié à la tension d'alimentation Va par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R9, ledit étage paraphase comportant également un deuxième transistor Q4, du type PNP, dont la base est découplée à la masse par un condensateur C8 et est polarisée comme représenté par un pont de résis- tances R13, R14, dont l'émetteur est relié à la tension d'alimenta- tion Va par une résistance de polarisation R11; la liaison entre les émetteurs des transistors Q3 et Q4, c'est-à-dire entre les deux étages du paraphase est conformément à l'invention, constituée par une résis- -6 tance R10 avec une capacité C6 en parallèle, tous deux calculés pour créer un pâle en filtre passe-haut reJetant au-dessus de la bande de fréquences à transmettre le pâle créé par la résistance R8: par exem- ple R10 est une résistance d'une vingtaine d'ohms et C16 une capacité de quelques picofarads; enfin, l'émetteur du transistor Q4 est relié à la masse par deux résistances de charge et polarisation R15 et R16 dont le point de jonction est découplé à la masse par une capacité C7, toujours pour éviter de créer un pôle avec la capacité d'entrée de l'étage sui- vant, - un second étage amplificateur du type paraphase, rendu nécessaire dans cet exemple de réalisation pour obtenir un gain suffisant, comportant comme représenté un premier transistor PNP Q5 dont la base est reliée au collecteur de Q4, dont le collecteur est directement à la masse, et dont l'émetteur est relié à l'alimentation Va par l'intermédiaire d'une résistance de charge et polarisation R17, ledit étage paraphase compor- tant en outre un deuxième transistor PNP Q6; comme précédemment, le transistor Q6 à son émetteur relié à l'alimentation Va par une résis- tance de polarisation R19 et sa base découplée à la masse par une capa- cité C12 et polarisée par un pont de résistances R22 et R23 comme repré- senté; son circuit de collecteur comporte une résistance de charge et polaisation 20 dont l'extrémité non reliée au collecteur de Q6 est découplée à la masse par une capacité Cll et reliée à une alimentation continue négative Vo par une résistance variable R21 dont le râle sera expliqué ultérieurement; la liaison entre les deux étages Q5 et Q6 de ce second paraphase est avantageusement effectuée par une résistance R18, avec capacité C10 en parallèle, calculés avantageusement pour reJeter au delà de la bande à transmettre d'éventuels pôles dus à d'éventuels para- sites: par exemple R18 et C10 ont les mêmes valeurs que R10 et C6, créant ainsi un pole en filtre passe-haut situé au-dessus de la bande à transmettre, leur fonction étant une pure fonction de sécurité, et non pas, comme étant le cas pour R10 et C6, une fonction de réjection d'un pôle volontairement engendré dans un étage précédent, - un dernier étage de sortie en émetteur-suiveur classique comportant un transistor NPN Q7 dont la base est reliée au collecteur de Q6, donc à la sortie du second paraphase, dont le collecteur est découplé à la masse -7- par une capacité C16 et est relié à l'alimentation Va par une résistance de polarisation R24, et dont l'emetteur est relié à l'alimentation Vc par une résistance de charge et polarisation R25; classiquement, l'émetteur de Q7 est relié à la borne de sortie S du récepteur par une capacité de liaison C17, - une résistance de contre-réaction R26, branchée classiquement entre l'émetteur de Q7 et la grille de Q1, dont la valeur est portée, grâce au gain élevé obtenu (environ 30), à une valeur supérieure à 1 kilohm et pouvant même atteindre 4 à 5 kilohms. Il est essentiel pour le fonctionnement du récepteur de l'inven- tion d'une part d'avoir un bon découplage des alimentations, ce qui est réalisé, comme représenté, par les capacités de découplage C5, C9, C13 et C14, et d'autre part d'assurer une protection du transistor FET Q1 à la mise sous tension. Cette protection au démarrage est assurée, confor- mément à l'invention, d'une part par un transistor de démarrage Q8, de type PNP branché en parallèle comme représenté sur le transistor FET Q1 et le court-circuitant au démarrage, et d'autre part par la résistance variable R1 rendue grande au démarrage et diminuée manuellement progres- sivement ensuite de manière à n'appliquer la tension de polarisation de la grille de Q1 que progressivement. Pour la réalisation de l'invention, il est enfin important que la résistance de contre-réaction R26 soit construite et implantée de manière à présenter la plus faible capacité parasite possible, étant bien entendu que d'autre part l'ensemble du circuit de la figure 3 est réalisé en fonction de la très haute fréquence à passer, par exemple par microassemblage et utilisation d'éléments hybrides, ce qui ne pose pas de sérieux problèmes pour l'homme de métier. Les figures 4 et 5 représentent schématiquement un mode de réali- sation et d'implantation possible de la résistance de contre-réac- tion R26 de l'invention. Elle est réalisée sous forme d'une couche étroite et très allongée déposée sur un premier substrat d'alumine 10, lui-même collé sur le substrat isolant 11 servant de support à l'ensemble du circuit récep- teur. Une feuille métallique 14 reliée à la masse est classiquement collée sous le substrat 11. La distance e entre la résistance R26 et la - 8masse est ainsi de l'ordre de 1,5 à 2 millimètres, de sorte que sa capacité parasite est très faible. Comme représenté, la résistance R26 est terminée par deux larges bornes de connexion 12 et 13. -9- REVENDICATIONS 1/ Récepteur de signaux optiques, du type comportant: - une unité (P) de transformation des signaux optiques incidents en signaux électriques, une unité électronique d'entrée (Q1, Q2) ayant au moins une fonction d'amplification desdits signaux électriques, - une unité électronique de sortie (Q7) ayant au moins une fonction d'adaptation, - au moins une résistance de contre-réaction (R26) entre la sortie de ladite unité de sortie et l'entrée de ladite unité d'entrée, caractérisé en ce que, afin de lui permettre de fonctionner avec une très large bande de fréquences, allant de quelques kilohertz à 3 db jusqu'à au moins 1 gigahertz environ à 3db: - il comporte en outre, entre ladite unité d'entrée et ladite unité de sortie, un amplificateur (Q3 à Q6) à plusieurs étages et à très large bande, - la résistance de charge (R8) de ladite unité d'entrée est, pour accroi- tre le gain en amplification de cette unité, augmentée jusqu'à créer, avec la capacité d'entrée dudit amplificateur et dans sa bande de fré- quences, un pôle de coupure en filtre passe-bas, - ledit amplificateur est équipé, pour compenser ce pôle, d'au moins une liaison (R10, C6) entre au moins son premier et son deuxième étage, constituée par un filtre passe-haut calculé pour rejeter ledit pôle au-delà de ladite bande de fréquences, - ladite résistance de contre-réaction (R26) a une valeur au moins égale à environ un kilohm et est spécialement agencée et implantée de manière à présenter une faible capacité parasite. 2/ Récepteur de signaux optiques selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit amplificateur à très large bande comporte au moins une première unité d'entrée (Q3, Q4) du type collecteur commun et basecommune, ou paraphase, ladite liaison étant placée entre le premier étage (Q3) et le second étage (Q4) de ladite unité. 3/ Récepteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première unité du type paraphase (Q3, Q4) est suivie d'une seconde unité (Q5, Q6) également du type paraphase. - 10 - 4/ Récepteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite seconde unité paraphase est composée de deux étages (Q5, Q6) reliés par une liaison (R18, C10) constituée par un filtre haut à pSle situé au-dessus de la bande de fréquences à transmet- tre. / Récepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type selon lequel l'unité électronique d'entrée (Q1, Q2) comporte en entrée un transistor FET (Ql), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif (Q8, R21) de protection du transistor FET (Q1) à la mise sous-tension. 6/ Récepteur selon la revendication, caractérisé en ce que ledit dispositif de protection comporte un tran- sistor (Q8) branché en parallèle sur ledit transistor FET (Q1). 7/ Récepteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif de protection comporte un dispo- sitif (R21) permettant une application progressive de tension d'alimen- tation. 8/ Récepteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de protection comporte en outre un dispositif (R21) permettant une application progressive de la tension d'alimentation.