Трансимпедансный усилитель фототока
TRANSIMPEDANCE PHOTOCURRENT AMPLIFIER

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в приемных устройствах оптических цифровых систем связи, в том числе при передаче оптических сигналов через разветвленную пассивную многоабонентскую оптическую сеть, где прием производится от разных источников оптических сигналов с разных направлений.
Известен усилитель фототока, содержащий фотодиод, двухкаскадный усилитель общий коллектор - общий эмиттер с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, выполненный на первом и втором транзисторах, первом и втором резисторах, третьем резисторе обратной связи, при этом катод фотодиода соединен с шиной питания, анод фотодиода соединен с базой первого транзистора и с первым выводом третьего резистора, коллектор первого транзистора соединен с шиной питания, эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, второй вывод первого резистора и эмиттер второго транзистора соединены с земляной шиной питания, коллектор второго транзистора соединен с первым выводом второго резистора и со вторым выводом третьего резистора, второй вывод второго резистора соединен с шиной питания, выходной сигнал снимается с коллектора второго транзистора [1, 2].
Данный усилитель имеет хорошие характеристики по быстродействию и автоматическую стабилизацию рабочих точек транзисторов. Однако динамический диапазон его работы существенно ограничен линейностью усилителя.
Известен усилитель фототока, содержащий фотодиод, двухкаскадный усилитель общий коллектор - общий эмиттер с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, выполненный на первом и втором транзисторах, первом и втором резисторах, третьем резисторе обратной связи, дополнительной цепи обратной связи, включенной параллельно третьему резистору, при этом катод фотодиода соединен с шиной питания, анод фотодиода соединен с базой первого транзистора, с первым выводом третьего резистора и первым выводом дополнительной цепи обратной связи, коллектор первого транзистора соединен с шиной питания, эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, второй вывод первого резистора и эмиттер второго транзистора соединены с земляной шиной питания, коллектор второго транзистора соединен с первым выводом второго резистора, со вторым выводом третьего резистора и вторым выводом дополнительной цепи обратной связи, второй вывод второго резистора соединен с шиной питания, выходной сигнал снимается с коллектора второго транзистора [3].
Данный усилитель за счет введения дополнительной нелинейной цепи обратной связи имеет высокий динамический диапазон. Автоматическая стабилизация рабочих точек транзисторов сохраняется. Однако быстродействие этого усилителя существенно ниже быстродействия усилителей, представленных в источниках [1, 2], из-за действия паразитных емкостей диодов и транзисторов, включенных в дополнительную цепь отрицательной обратной связи (эффекта Миллера). Также на выходе этого усилителя после завершения воздействия большого импульса входного фототока некоторое время остаются остатки воздействия большого сигнала, т.е. имеется медленно затухающий переходной процесс после завершения сигнала.
Технический результат изобретения выражается в одновременном получении комплекса характеристик: высокий динамический диапазон, высокое быстродействие, автоматическая стабилизация рабочих точек транзисторов, устранения последействия воздействия большого сигнала (импульса) после его окончания.
Технический результат достигается за счет наличия в трансимпедансном усилителе фототока фотодиода, двухкаскадного усилителя общий коллектор - общий эмиттер с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, выполненного на первом и втором транзисторах, первом и втором резисторах, третьем резисторе обратной связи, дополнительной цепи обратной связи, включенной параллельно третьему резистору, при этом катод фотодиода соединен с шиной питания, анод фотодиода соединен с базой первого транзистора, с первым выводом третьего резистора и первым выводом дополнительной цепи обратной связи, коллектор первого транзистора соединен с шиной питания, эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, второй вывод первого резистора и эмиттер второго транзистора соединены с земляной шиной питания, коллектор второго транзистора соединен с первым выводом второго резистора, со вторым выводом третьего резистора и вторым выводом дополнительной цепи обратной связи, второй вывод второго резистора соединен с шиной питания, выходной сигнал снимается с коллектора второго транзистора, отличающийся тем, что дополнительная цепь обратной связи выполнена на первом, втором и третьем диодах Шоттки и конденсаторе, при этом анод первого диода Шоттки соединен с первым выводом третьего резистора, катод первого диода Шоттки соединен с анодом второго диода Шоттки, катодом третьего диода Шоттки и первым выводом конденсатора, катод второго диода Шоттки соединен с анодом третьего диода Шоттки и вторым выводом третьего резистора, второй вывод конденсатора соединен с земляной шиной питания.
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема трансимпедансного усилителя фототока.
бэ
бэ
В трансимпедансном усилителе фототока фотодиода 1 быстродействие усилителя обеспечивается по сравнению с прототипом за счет включения конденсатора 10 небольшой емкости, блокирующего действие паразитных емкостей первого 7, второго 8 и третьего 9 диодов Шоттки в цепи отрицательной обратной связи. Тем самым конденсатор 10 устраняет известный эффект Миллера, в результате чего существенно повышается быстродействие усилителя. При малом входном оптическом сигнале первый 7, второй 8 и третий 9 диоды Шоттки закрыты и коэффициент трансимпедансного усиления усилителя примерно равен величине сопротивления R третьего резистора 6. Напряжение на коллекторе второго транзистора 3 примерно равно Е-2U, где Е - напряжение питания усилителя, U - напряжение падения на открытых переходах база-эмиттер первого 2 (каскада усилителя общий коллектор) и второго 3 (каскада усилителя общий эмиттер) транзисторов. Стабильность рабочих точек транзисторов поддерживается воздействием отрицательной обратной связи через третий резистор 6. Тем самым обеспечивается автоматическая стабилизация рабочих точек транзисторов. При увеличении входного сигнала (фототока) напряжение на коллекторе второго транзистора 3 уменьшается до тех пор, пока не начнут открываться первый 7 и второй 8 диоды Шоттки дополнительной цепи нелинейной обратной связи. В итоге последовательное соединение динамических сопротивлений открытых первого 7 и второго 8 диодов Шоттки шунтирует сопротивление R и коэффициент трансимпедансного усиления усилителя уменьшается, усилитель усиливает большой сигнал без искажений. Тем самым достигается высокий динамический диапазон усилителя. Третий 9 диод Шоттки устраняет последействие большого сигнала (импульса) после его окончания, разряжая накопленные заряды в дополнительной цепи нелинейной обратной связи. Таким образом, в вышеописанном трансимпедансном усилителе фототока достигается заявленный технический результат.
1. Sibley M.J.N. Optical communications. Macmillan New Electronics, 1995.
2. Andy Abo. A Wide-band Low-Noise Transimpedance Preamp. UC Berkeley. October 21, 1994.
3. Garry Neal Link, David W. Entrikin. Efficient high overdrive transimpedance amplifiers. Патент США № US 6545544 B1. Дата публикации 08.04.2003.