OPTICAL RECEIVING CIRCUIT

Abstract: 1. A receiving circuit for optical data transmission via light waveguides having a first transimpedance amplifier (TA1) for conversion of the current supplied by a photodiode (PD) receiving the optical signals into an output voltage, and followed by a linear voltage amplifier (MA) and a decision stage (DEC) for converting the analogue signals into digital signals, characterised in that a) there is provided a second transimpedance amplifier (TA2) equal to the first transimpedance amplifier (TA1) and having an open-circuit input, b) the linear voltage amplifier is designed as a push-pull amplifier (MA) having two transistors (T3, T4) whose emitters are respectively connected to a constant current source (K1, K2) and connected together by a resistor (R7), and whose base electrodes are connected to the outputs of the transimpedance amplifiers (TA1, TA2), c) an auxiliary current source (OSQ) superimposes an adjustable auxiliary current (ios, ios*, ios**) on the collector current of at least one transistor (T3, T4) of the push-pull amplifier (MA) in such a manner that the antiphase signal voltages which can be tapped off from the collector resistors of the transistors (T3, T4), have the same amplitude levels and mean values.

Description: Optische EmpfangsschaltunF Die Erfindung bezieht sich auf eine Empfangsschaltung für die optische Datenübertragung über Lichtwellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bekannte Empfangs schaltungen dieser Art (vergleiche Datenblatt MFOD 402 F der Firma Notorola Semiconductor Products Inc., Phoenix, Arizona, 1979 und Datenblatt 3712 R der Firma Burr-Brown Research Corp., Tuscon, Arizona, 1978) besitzen eine von Null verschiedene untere Grenz- frequenz oder eine automatische Regelung mit einer kapazitiven Speicherung der Regelgrösse. Es muss daher durch eine geeignete Codierung der zu übertragenden Information sichergestellt werden, dass das Impuls Pausenverhältnis, gemittelt über eine von der unteren Grenzfrequenz abhängige Zeit, wenigstens annähernd kon stat bleibt. Im zweiten Fall kann ein für längere Zeit gleichbleibender Signalzustand der einen Art zugelassen werden, wenn daSei-d¯¯¯.FotodiodeF nm Eingang der Empfangsschaltung beleuchtet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empàngs- schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sie bei hoher Empfindlichkeit die Ubertragung digitaler Informationen ohne Einschränkung hinsichtlich ihres Tastverhältnisees und der maximalen Dauer von Impulsen oder Impulspausen erlaubt, die übertragenen Signale am Ausgang weitgehend unabhängig von Schwankungen der Um gebungstemperatur und der Versorgungsspannung und von der am Wende des Lichtwellenleiters ankommenden optischen Strahlungsleistung zeitrichtig wiedergibt und monolithisch integrierbar ist. Gemass der Erfindung weist eine solche Empfangsschaltung die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 auf. Die Erfindung macht dabei von der Tatsache Gebrauch, dass sich bei einer Punkt-Zu-Punkt-Verbindung, wi beispielsweise zwischen der Zentraleinheit einer Datenverarbeitungsanlage und einem peripheren Gerät die am Empfänger ankommende Strahlungsleistung im Betrieb kaum verändert. Eine automatische Regelung erscheint daher überflüssig. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Schaltungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für die Empfangsschaltung gemäss der Erfindung, Fig. 2 und 3 Varianten--für die Einspeisung des Hilfsstroms zur Festlegung des Signalmittelwerts am Ausgang des Gegentaktverstärkers. Die Fig. 1 zeigt zwei Transimpedanzverstärker TAl und TA2 mit den Transistoren Tla und T2a bzw. Tlb und T2b. Die beiden Verstärker TAl und TA2 sind, soweit dies die Herstellungstoleranzen zulassen, gleich ausgebildet. Der einzige Unterschied besteht darin, dass am Eingang des ersten Transimpedanzverstärkers TA7 eine Foto diode PD zur Umsetzung der optischen Strahlung in einen elektrischen Strom angeschlossen ist, während der Eingang des zweiten Verstärkers TA2 offen ist. Entgegen der Darstellung in Fig. 1 könnte aber auch am Eingang des zweiten Transimpedanzverstärkers TA2 eine entsprechende Fotodiode angeschlossen sein, die dann allerdings gegen jeglichen Lichteinfall zu schützen wäre. Transimpedanzverstärker der in Fig. 1 gezeigten Art sind im wesentlichen durch die DE-AS 29 29 083 bekannt. Die Aufteilung des Emiterwiderstandes für den Tran sistor der zweiten Stufe in zwei Teilwiderstände und die Anschaltung der Basis des Transistors der ersten Stufe an den Verbindungspunkt der Teilwiderstände führte bei der bekannten Anordnung zu einer Erhöhung der Nutzspannung und * Kollektorspannung am Transistor der ersten Stufe und damit zu einer Verringerung der Basis-Kollektor-Eapazität. Die genannten Massnahmen haben darüber hinaus auch'eine Anhebung des Potentials am Emitter des Transistors der zweiten Stufe zur Folge. Dies ermöglicht es im vorliegenden Fall, einen nachfolgenden linearen Gegentaktverstärker MA, dessen durch die Basisanschlüsse der Transistoren T3 und T4 gebildete Eingänge mit den Ausgängen der Transimpedanzverstärker TAl und TA2 verbunden sind, in einem günstigen Arbeitspunkt zu betreiben. Die Emitter der Transistoren T3 und T4 des Gegentaktverstärkers MA sind an getrennte, aber gleiche Konstantstromquellen K7 und K2 angeschlossen, welche die Ströme ici und ic2 liefern. Ausserdem sind die Emitter über einen niederohmigen Widerstand R7 (ca. 10 Ohm bis 30 Ohm) miteinander verbunden. Dem Strom durch den Arbeitswiderstand R6 im Kollektorkreis des Transistors T4 wird ein von einer Hilfsstromquelle OSQ erzeugter Hilfsstrom ios, im folgenden als Offsetstrom bezeichnet, verlagert. Bei entsprechender Bemessung der Stromstärke wird erreicht, dass die an den Widerständen R5 und R6 anliegenden Spannungen U2 und U21 gegenphasig mit gleicher Amplitude um den gleichen Mittelwert pendeln. Das gilt natürlich nur für eine bestimmte Amplitude und demnach auch nur für eine bestimmte, von der Fotodiode PD aufgenommene Strahlungsleistung Poe. Die Hilfsstromquelle OSQ ist ebenso aufgebaut, wie die schon erwahnten Konstantstromquellen K1 und K2.Die Ba- sis eines Transistors T5 mit einem Emitterwiderstand * zu einer Vergrösserung der Basis R8 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus den Widerständen R9 und RiO und aus der Diode D1 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise gebildet wird. Die Diode D1 dient zum Ausgleich der Temperaturab hängigkeit der Basis-Emitterdiode des Transistors T5. Vorzugsweise werden die Widerstände R9 und R10 so bemessen, dass der Offsetstrom ios, d. h. der Kollektorstrom des Transistors T5 gerade für eine ausreichende Verschiebung der der minimalen Strahlungsleistung Foemin auf die Fotodiode PD entsprechenden Signalamplitude im Gegentaktverstärker genügt. Zur Anpassung an grössere Signalhübe aufgrund höherer Strahlungsleistungen kann der Offsetstrom ios durch die Anschaltung eines zusätzlichen Widerstandes R77 zwischen der Anschlussklemme OS und dem positiven Pol VCC der Versorgungsspannung erhöht werden. Weitere Möglichkeiten für die Einspeisung von Offsetströmen ios * bzw. ios zeigen die Fig. 2 und 3. Nach Fig. 2 ist die Hilfsstromquelle OSQ der Konstantstromquelle K2 parallel geschaltet. Da hierbei auch ein Teil des Emitterstromes im Transistor T3 über den Widerstand R7 zur Hilfsstromquelle OSQ abflieBt, muss der gesamte Offsetstrom ios zur Erzeugung einer ausreichenden Differenz der Kollektorruheströme einen höheren Wert haben als im Au sführungsbeispi ei nach Fig. 1. Dagegen erfordert die Anordnung nach Fig. 3, wonach die Hilfsstromquelle OSQ mit der Basis des Transistors T3 verbunden ist, einen anderen Offsetstrom ios Der Offsetstrom ios ** muss nunmehr an dem zusätzlichen, vor der Basis des Transistors T3 liegenden Vorwiderstand Rvl einen Spannungsabfall von der Grösse des halben Signalhubes erzeugen. Ein gleicher Vorwiderstand Rv2 ist dem Transistor T4 zugeordnet. Die gemäss der zu übertragenden Information gegenphasig um den gleichen Mittelwert schwankenden Ausgangsspannungen U2 und U21 steuern einen weiteren Gegentaktverstärker DEC, der im folgenden als Entscheider bezeichnet wird und in seinem Schaltungsaufbau den Strom übernahmeschalter der bekannten ECL- Schaltungstechnik entspricht. Die Emitter der Transistoren T6 und T7 sind unmittelbar miteinander verbunden und werden durch eine Konstantstromquelle K3 mit einem Strom is3 gespeist. Die über den beiden gleichen Kollektorwiderständen R12 und R13 abgreifbaren gegenphasigen Spannungen U3 und U31 wechseln zwischen Null und einem durch das Produkt aus dem Strom ic3 und dem Wert der Kollektorwiderstände bestimmten Maximalwert von beispielsweise 0,5 0' Die vollständige Aussteuerung muss auch schon mit der minimalen optischen Eingangsleistung Poemin erfolgen. Ihre Grösse ist daher durch die Empfindlichkeit der Fotodiode PD, durch die Gesamtverstärkung der Anordnung und durch die genannte Bedingung bestimmt. Im folgenden soll dieser Wert anhand von Bemessungsbeispielen auf der Grundlage der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 abgeschätzt werden. Empfindlichkeit der Fotodiode PD: iph = 0,5 [A/W] Poe Transimpedanzverstärker TA1: R3a = R4a = R3b = R4b R2a = R2b = 10 kfl 4U1 = auch. R2a . R3a+R4a 0,5 = 0,5.Poe 104.2E/WJ Gegentaktverstärker MA: R5 = R6 = 700 Ohm, R7 = 20 Ohm ic1 = ic2 = 3mA Verstärkung VMASg16 tU2 = - SU21 = - #U1 AU2 = 1,6 103 APue [V/W Entscheider DEC: ic3 = 0,5 mA R12 g R13 3 1 k 5 PbU31 = 0,5 V. Etr die Aussteuerung ist ein minimaler Signalhub # U2 = - #U21 ° > 160 mV erforderlich. Daraus errechnet sich eine minimale optische Eingangsleistung (Strahlungsleistung) Poemin = 1 /uW. Ferner ergeben sich für den Gegentaktverstärker MA bei einer Versorgungsspannung UCC = 5V die Kollektorruhespannungen U20 = 2,9 V und U210 = 2,74 V. Um die Verschiebung der Kollektorruhespannung U210 um 760 mV zu erhalten, wird mit dem schon genannten Wert des Kollektor- 0 16 widerstandes R6 = 700 Ohm ein Offsetstrom ios 700 = 0,23 mA bendtigt.Die Empfindlichkeit kann durch Verwendung mehrteiliger Entscheider DEC gesteigert werden; im Grenzfall bestimmen das Fotostromrauschen, das Transistorrauschen von T1a und T1b, das Widerstandsrauschen von R2a und R2b sowie die natürlichen Offsetspannungen Ul und U11 die Untergrenze der optischen Eingangsleistung. Um den Gegentaktsverstärker MA nicht zu übersteuern, ist die maximale optische Eingangsleistung auf ca. 10 /uW begrenzt. In Fig. 1 ist anschliessend an die Entscheiderstufe DEC noch eine Funktionseinheit LS zur Signalpegelanpassung vorgesehen. Sie gibt am Ausgang A Signalpegel ab, die der TTL-Schaltungstechnik entsprechen. Demgemäss ist bei dem Ausführungsbeispiel der Versorgungsspannungsanschluss VEE geerdet. Ein Signalpegelwandler ist beispielsweise durch die US-PS 4 045 690 bekannt. Sind die auf die Empfangsschaltung folgenden Einrichtungen zur Verarbeitung der empfangenen Signale in ECL-Technik ausgebildet, dann gilt der Versorgungs spannungsanschluss VCC als Bezugspotential. 3 Figuren 4 Patentansprüche.

Claims: Patentansrüche 1. Empfangsschaltung für die optische Datenübertragung über Lichtwellenleiter mit einem ersten Transimpedanzverstärker zur Umwandlung des von einer die optischen Signale empfangenden Fotodiode gelieferten Stroms in eine Ausgangsspannung, mit einem anschliessenden linearen Spannungsverstärker und mit einem Romparator zur Umformung der analogen in digitale Signale, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) es ist ein zweiter, dem ersten Transimpedanzverstärker (TAl) gleicher Transimpedanzverstärker (TA2) vorge sehen, dessen Eingang offen ist, b) der lineare Spannungsverstärker ist als Gegentaktver stärker (MA) mit zwei Transistoren (T3, T4) ausge bildet, deren Emitter sowohl mit je einer Konstant stromquelle (X1, K2) als auch über einen Widerstand (R7) miteinander und deren Basisanschlüsse mit den Ausgängen der Transimpedanzverstärker (TAl, TA2) verbunden sind, c) eineHilfsstromquelle (OSQ) überlagert den Rollektor strom mindestens eies Sransistors (T3,2v4t des Gegentaktver stärkers (MA) einen einstellbaren Hilfsstrom (ios, ios , ios ) derart, dass die an den Kollektorwider ständen der Transistoren (T3, T4) abgreifbaren gegen phasigen Signalspannungen gleiche Amplituden und Mittelwerte aufweisen. 2. Empfangsschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ausgang der Hilfsstromquelle (OSQ) mit dem Kollektor des von dem zweiten Transimpedanzverstärker (TA2) gesteuerten Transistors (T4) des Gegentaktverstärkers (MA) verbunden ist. 3. Empfangsschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass der Ausgang der Hilfsstromquelle (OSQ) mit dem Emitter des von dem zweiten Transimpedanzverstärker (TA2) gesteuerten Transistors (T4) des Gegentaktverstärkers (MA) verbunden ist. 4. Empfangsschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Basis des einen Transistors (T3) des Gegentaktverstärkers (MA) mit dem Ausgang der Hilfsstromquelle (OSQ) und über einen Widerstand (Rvl) mit dem Ausgang des ersten Transimpedanzverstärkers (TA1) verbunden ist und dass die Basis des zweiten Transistors (T4) über einen Vorwiderstand (Rv2) gleicher Grösse mit dem Ausgang des zweiten Transimpedanzverstärkers (TA2) verbunden ist.

Inventors: SEINECKE, SIEGFRIED, DR.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H04B9
IPC codes: H04B10, H03F1