Die Vor- und Nachteile von Transimpedanzverstärkern

Auf seiner grundlegendsten Ebene verwendet ein optisches Kommunikationssystem einen Sender, um eine Nachricht in ein optisches Signal zu kodieren; ein Kanal, um dieses Signal zu einem Ziel zu übertragen; und einen Empfänger, um das Signal wieder in seine ursprüngliche, lesbare Form umzuwandeln.

Eine Schlüsselkomponente auf der Empfängerseite des Systems ist ein Gerät, das Lichtenergie in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Dieses Gerät – bekannt als Fotodiode oder Fotodetektor – ist so konzipiert, dass es bei Vorhandensein von Licht den Stromdurchfluss ermöglicht und bei Abwesenheit von Licht den Stromdurchfluss verhindert. Um diesen Strom in ein nutzbares Signal umzuwandeln, wird eine übliche elektrische Schaltungskonfiguration verwendet: ein Transimpedanzverstärker oder TIA. 

Die TIA-Konfiguration umfasst typischerweise einen Operationsverstärker (Op-Amp), eines der am häufigsten verwendeten Geräte im Elektronikdesign. Ein Operationsverstärker kann einen enormen Gewinn erzielen: Er kann ein winziges Eingangssignal in ein stark vergrößertes Ausgangssignal umwandeln. Da die Verstärkung des Operationsverstärkers so extrem ist, ist in die Konfiguration ein Rückkopplungswiderstand eingebaut. Diese Konfiguration, wie im Diagramm rechts dargestellt, wandelt ein Fotodioden-Stromsignal mit niedrigem Pegel effektiv in einen nutzbaren Spannungsausgang um – Stromeingang, Spannungausgang.

Theoretisch ist das TIA auf den Punkt gebracht. In der Praxis gibt es jedoch Herausforderungen beim Aufbau von Stabilität im System. Ein Standardansatz besteht darin, über dem Rückkopplungswiderstand einen Rückkopplungskondensator hinzuzufügen, um das Oszillationspotential zu beseitigen. Es handelt sich um eine wirksame Strategie, doch die enge Interaktivität zwischen Systemelementen bedeutet, dass Änderungen an einem Element erhebliche Auswirkungen auf alle anderen haben können. Dies führt dazu, dass Entscheidungen darüber getroffen werden müssen, welche Kompromisse bei der Schaltungsoptimierung akzeptabel sind – Beispiele hierfür sind die gewünschte Verstärkung, die zu erreichende Bandbreite und die Menge an Rauschen, die toleriert werden kann.

Da das typische Fotodiodensignal außerdem sehr klein ist, kann es im System mehrere Transimpedanzstufen geben, um das Gleichgewicht zwischen Rauschen und Bandbreite zu optimieren. Wenn die erste TIA-Stufe zu einer zu hohen Verstärkung führt, ist die erreichbare Bandbreite begrenzt. Wenn die Verstärkung zu niedrig ist, verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).

Es ist erwähnenswert, dass TIAs in einer Vielzahl von Anwendungen über die optische Kommunikation hinaus eingesetzt werden. Einfach ausgedrückt sind sie wesentliche Bausteine in jedem System, das Licht misst: CD-Player, Nachtsichtgeräte, Infrarot-Fernbedienungen und vieles mehr. Durch ein besseres Verständnis der TIA-Prinzipien und Erfahrung im Umgang mit TIA-Herausforderungen können Netzwerkdesigner Vielseitigkeit in ein breites Aufgabenspektrum bringen.