CN100524381C - 用于具有光电二极管的遥控接收机的电路装置和方法 - Google Patents
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Abstract
遥控接收机的控制单元(2)根据其输入信号的有用信号电平来设定光电二极管(1)的正向或反向工作模式，确切地说，在备用过程中，是光致电压工作模式(正向模式)，因为在这种模式中不需要外部偏流。如果光电二极管(1)的有用信号电平超过预定的阈值，那么设定为反向模式，这使其具有较高的灵敏度。多个相同的二极管DA1...DAn的串联电路(A)在正向模式中允许实现具有晶体管(T)的受控电压源(6)，由于整个装置的容许二极管电压(Ud)可以是各个二极管的工作电压值的n倍。因此，同时，在各个二极管两端的电压可以设定为非常低的值，并且可以设定对电流源有利的工作范围。从而可以显著提高在该工作模式中具有多个二极管的接收机模块的可能灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于具有至少一个光电二极管作为光接收机的遥控接收机的电路装置，其被分配给电池供电的、可能是便携式设备和/或被分配给从电源获得其电能的设备。在这种情况下，遥控接收机的备用状态导致电池放电，并因此导致电池的可用性在时间方面受到严格的限制，或者导致由于来自电源的功率消耗不变而使操作成本提高，甚至当设备实际上不工作时也如此。
背景技术
通过光电二极管接收的光信号例如基于红外技术，并且可以是遥控信号或数据。与连接在下游的放大器、滤波器和放大器控制回路对应的光电二极管集成在模块中，这些模块通常用于接收。在输出端，接收机模块传递二进制信号，并与设备控制器或译码器模块直接相连。译码本身仅仅消耗很少的电流。在已知的遥控接收机中，在备用过程中控制器或译码器模块不起作用，始终仅仅通过接收的信号而转换到有效模式并持续很短时间。平均起来，仅仅消耗<5μA的非常少的电流。因此当控制器或译码器模块不起作用时，遥控接收机的电流消耗基本上由接收机模块来确定。接收机必须检测非常小的信号(大约0.5mW/m2)。为了得到足够的灵敏度，将最小的二极管面积规定为选定布局的函数。在常规的布局中，外部光线(例如，日光、人造光)或来自其他红外光源的信号(例如，其他遥控信号)一到达该光电二极管，这一面积(区域)和相关的灵敏度导致不可避免的电流消耗。在现在常用的接收机模块中，环境光，也就是说外部光线或来自其他光源的遥控信号，根据其光强度引起的电流消耗达到在有效遥控过程中消耗的电流的四倍，在有效遥控过程中也就是在接收来自相关联的发射机的遥控信号的过程中。因此，存在电流消耗对照明条件的依赖性，特别是这阻碍了为进一步减少消耗所做的所有努力。
DE4431117A1涉及一种接收包括交变光的光信号的电路，并公开了对光电二极管电流的调节，其导致几乎不存在必须从电源或电池接收的电流。由于在光电二极管饱和电压的范围内照明强度的进一步增强导致电压没有进一步增大，因此光电二极管两端的电压必须保持为低于饱和电压的一个值。根据其中的公开内容，这依靠负荷电阻器来实现，该负荷电阻器消耗的电流使该光电二极管两端的电压例如总是为饱和电压的一半。因此不需要外加电压，但是该电阻器必须不断地适应光强度。在饱和电压的一半，交变光成分总是能够产生该电阻器两端电压的变化。但是，较强的环境光导致电阻降低，这又会减小有用信号的幅度(以及因此降低灵敏度)。
DE4431117A1公开了多个电路的实施例，其中可控电阻器与光电二极管并联。在一个实施例中，场效应晶体管与该光电二极管并联，该光电二极管暴露于光下。通过运算放大器，光电二极管电压不断地与参考电压进行比较，并借助于场效应晶体管对其进行调整。在这种情况下，场效应晶体管用作可变电阻器。这种电路的优点在于，只需要一个光电二极管，此外，控制非常精确。但是，所有的实施例的缺点在于，由于在DE4431117A1中描述的电路中使用了可变的、受控电阻器，因此，有用的灵敏度随恒定光部分大大改变。
光电二极管两端的电压应低于饱和电压，例如为该饱和电压的一半。但是，在光致电压模式中的光电二极管的电容导致相对于入射光强度的变化，也就是也相对于遥控信号灵敏度不足。其中描述的所有实施例具有这样一个共同的特征，即在一定程度上静态地加载该光电二极管，而没有从电源接收电流。以光致电压方式来操作该光电二极管，并使其不用照射就具有很高的电阻。
EP817353A2/A3描述了一种用于减少由遥控操作的电气设备的备用电源的装置，该设备具有接收机电路、电阻器电路和用于电源电压的电源连接，该接收机电路具有至少一个光电二极管，用于接收通过遥控器发射的脉冲光信号，该电阻器电路与该光电二极管并联，用于补偿恒定的光信号。该电阻器电路包括自调节晶体管作为电阻器，只要一超过在光电二极管饱和电压之下的预定电压，其作为电压的函数就改变其电阻，并且该电阻器电路通过随电压而变的电阻来加载该光电二极管，直到基本上达到该预定电压。规定光电二极管两端的电压应低于饱和电压。但是，由于光致电压操作的光电二极管的电容和通过电阻加载，相对于光强度变化的灵敏度不够。
US5889605公开了一种包括PIN光电二极管的、用于检测调频光波的检测器。偏置装置被引入，这些偏置装置能够取决于接收的光功率而自动地正向偏置或反向偏置PIN光电二极管。从PIN光电二极管接收信号的互阻抗前置放大器级的输出电压因而自动地被限制到低于这个互阻抗前置放大器级的饱和阈值的值。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于遥控接收机的电路装置，该遥控接收机具有光电二极管作为光接收机，该电路装置具有足够的灵敏度，这在备用过程中导致较低的电流消耗。另一个目的是提供一种操作具有至少一个光电二极管的遥控接收机的方法。
在常规的配置中，在高电阻方向上操作接收二极管，其中流动电流与辐射强度成比例。这种布置的灵敏度很高，因为通过负电压在光电二极管中设置非常小的电容。这种在反向上操作接收二极管的模式的缺点在于假如外部光线入射，那么静态电流流动，这必须要从电源电压接收该静态电流。
如果在正向上操作IR接收二极管，即在光致电压模式中，那么可以测量该二极管上的电压。加载该电压同样产生与入射辐射成比例的电流。该电流的值实际上与在反向上的电流值相同，但是在正向上操作IR二极管的根本缺点在于：在这种工作范围内，接收二极管具有基本上较高的固有电容(自电容)。固有电容连同外部接线(线路)的有效电阻形成代表(高频)有用信号的额外阻尼的低通滤波器。因此，在光致电压模式中，灵敏度降低。
本发明的第一种改进基于以下认识，光电二极管的两种工作模式，即反向和光致电压模式具有一些优点，并且本发明的第一种改进以适当方式组合这些工作模式，以致于利用足够的灵敏度，同时得到低的故障责任(可能性)和改进的电流消耗。
第二种示例式改进基于以下认识，在多个相同的光电二极管的串联电路中，二极管串联电路两端的电压增大，但各个二极管的电容减小。低电容又提高了系统的灵敏度。能够看到，由于所用的部件的非线性性质，可获得增益。
根据本发明的第一种改进，本发明的目的通过用于遥控接收机的电路装置来实现，该遥控接收机具有至少一个光电二极管，用于接收光信号和产生输出信号，该输出信号包括AC分量和DC分量，其中可在正向工作模式或反向工作模式中操作该光电二极管，以及其中该电路装置具有用于设定光电二极管的工作模式的控制单元，其特征在于，该控制单元被配置为：根据AC分量，将光电二极管控制为操作在正向工作模式或反向工作模式中。
在每种情况下，控制单元都具有一个受控的电流源，用于设定光电二极管的两种工作模式之一。根据光电二极管的输出信号的信号电平或有用信号电平，由控制器来控制这两个电流源，从而在每种情况下，选择光电二极管的两种工作模式之一。在这种情况下，输出信号的信号电平都是光电二极管的情况的测量(mea sure)。如果例如接收到脉冲光信号，那么光电二极管同样产生脉冲电输出信号，并通过控制器转换到反向模式，以便灵敏度足以按照尽可能小的损失的方式接收信号。如果例如接收到来自干扰源(例如日光)的光信号，那么光电二极管产生一个相当静态的输出信号，并通过控制器转换到正向模式(光致电压模式)，以便在没有接收到有用光信号时，使功率消耗尽可能小，因此没有对灵敏度产生影响。
第一电流源的负极与光电二极管的阴极相连，第二电流源的正极与阳极相连。通过适当地激励两个电流源，可得到这两种工作模式。
根据本发明通过操作遥控接收机的方法也实现该目的，该遥控接收机具有至少一个光电二极管，用于接收光信号和产生输出信号，该输出信号包括AC分量和DC分量，其中在正向工作模式或反向工作模式中操作光电二极管，并且控制单元设定光电二极管的工作模式，其特征在于，该控制单元根据AC分量将光电二极管控制为操作在正向工作模式或反向工作模式中。
因此，组合这两种工作模式的优点，即，一方面为在反向模式中的高灵敏度，另一方面为正向模式中的低功率消耗。
二极管电流包括直流部分(DC)和交流部分(AC)。在备用过程中，在正向工作模式中操作光电二极管，将第一电流源设定为零(并因此用作打开的开关)，并且设定第二电流源，使得DC电压位于大约5和大约500mV之间，也就是说，低于大约为500mV的饱和电压。优选的是，该DC电压位于200mV以下。为此，通过控制单元的放大器，提供该DC电压，然后控制单元根据测得的恒定光部分来调整第二电流源。
通过控制器也评价由光电二极管产生的AC输出信号。为此，AC放大级的输出端(互阻抗放大器)与该控制器相连。如果AC输出信号的电平超过预定的阈值，那么该控制器就触发工作模式改为反向的转换：第二电流源被设定为最大值，并因此形成闭合的开关，并激励第一电流源，将第一电流源的值设定，以致于DC电压约为遥控接收机的工作电压的一半。这又通过该放大器来测量，因为正向和反向的电路近似相同，并且依靠第一电流源中电流的适当初值(例如，等于第二电流源的最末值)，转换操作的响应时间可以保持为最小值。
如果控制器检测到已经到达接收的红外信号的末端，也就是说，例如传感器信号的AC幅度再次降到规定值以下，并保持在那里(短延时，由于常规的遥控码包含暂停)，那么它再次触发工作模式改为IR二极管的正向模式的转变。
在正向中操作光电二极管的过程中，由于光电二极管的电容，接收级的灵敏度降低。假定遥控信号的接收电平足够高，例如如果遥控发射机接近于接收二极管，那么光致电压模式中灵敏度的降低也足以进行译码。这意味着，在示例式改进中，通过提供的另一个转换阈值，可进一步减少电流消耗，该转换阈值涉及AC光信号的接收电平，并仅仅当该另一个转换阈值未达到(预定点)时将接收二极管转换到反向模式。因此，仅仅当较低的转换阈值小于AC光信号，且后者又小于较大的转换阈值时，使用反向模式，也就是说，当：(较低的转换阈值)<(AC光信号)<(较高的转换阈值)时，设定反向模式。
为遥控接收机提供一种示例式电路装置，该遥控接收机具有用于接收光信号并产生输出信号的至少一个光电二极管，其中具有相同极化的多个光电二极管排列为一个串联电路，并且用于产生至少一个光电二极管的偏流的受控电流源与二极管串联电路并联。各个接收二极管的最佳电压低于约150mV。为了防止来自电压源的电流消耗，必须确保电流直接流回到二极管，也就是说，不通过该电源电压源。由于二极管串联电路两端的可容许电压增大，简化了该电流源的设计。
受控电流源的非常简单和优选的实例是具有发射极电阻器的晶体管：双极晶体管作为电流调节器，结场效应晶体管JFET作为受控电流源的可控电阻器。那么该电流源的有效内电阻与通过晶体管放大而倍增的电阻值相对应。为了能够使(真实)晶体管用作电流源，需要最小的集电极/发射极电压。在集电极/发射极电压太低的情况下，晶体管日益按照不理想的方式响应，也就是说，它不再允许任何放大。因此，用于有用光信号的负荷增大，并且不能确保所需的灵敏度。在根据本发明的解决方案中，晶体管被设置为使得光电二极管的串联电路的电压对应于晶体管的集电极/发射极电压，可控电阻器被设置在发射极路径中。这种布置与晶体管基极上的恒定电压一起形成所需的电流源，其中，电流源的“品质”由内阻获得，其尽可能高，并取决于晶体管的放大和设定的发射极电阻。串联电路中包含的光电二极管越多，那么各个二极管两端的电压就越低，因此，降低了每个二极管的有效电容。同时，甚至在相对小的二极管电压的情况下，也能够增大晶体管两端的集电极/发射极电压和晶体管两端的电压(以及必需的电阻值)。
可通过借助于芯片或晶片上的构造分割二极管面积来获得光电二极管的串联电路。因此，硅面积保持为尽可能小，并且同时二极管非常精确的相同，这意味着：在这些二极管上，尽可能均匀地分布电压。
在用于操作遥控接收机的示例式方法中，多个相同的光电二极管排列为串联电路，在正向方向中操作这些光电二极管，并且当有入射光时，这些光电二极管产生光电流。在这种情况下，通过互阻抗放大器使光电流的AC部分去耦。借助于受控电流源将每个接收二极管两端的正向电压保持为尽可能小的DC值。在红外接收机中，通常由单独的电流源来补偿传感器电流的恒定部分，以防止环境光或外部光线使输入放大器饱和。这是必需的，因为红外的有用信号会小于干扰信号几个数量级。
又作为可能的增益的例子，这里对使用光电二极管和将其芯片面积分成n个单独的二极管之间的比较作出评价。各个二极管两端的电压在每种情况下都保持不变。在具有光电二极管的n倍串联电路的电路中，与具有一个光电二极管的现有技术相比，光电流减少为原始值的1/n，并且同时得到的电容同样减小为1/n2(通过部分二极管的串联电路减小1/n，通过较小二极管面积的部分电容减小1/n)。互阻抗放大器的有效输入电阻连同其电容一起确定电路的极限频率。为了获得相同的极限频率，现在可将该电阻增大为其值的n2倍。因此，减小到1/n的电流可通过因数n2进一步放大，因此产生n倍的增益。另一方面，现在存在对电流源可用的高n倍的电压。虽然在非常低电压处仅仅能够设计具有较小值的电流源，但是增大的电压允许灵敏度的较大增益。示例计算表明，在从n＝1到n＝6的转变时，对于电流源来说增益大约为100；那么总增益为n×100＝600。
两种改进的组合及其变化同样是可能的。
通过本发明中的将光电二极管与放大器连接，由于偏流不是必需的，因此大量减少电流消耗。
附图说明
将参照图中示出的实施例进一步描述本发明，但是，本发明不限于此。
图1示出根据本发明的遥控接收机的第一种改进的基本电路。
图2a)示出在正向工作模式中的电流。
图2b)示出在反向工作模式中的电流。
图3示出遥控接收机的第二种改进的基本电路图。
图4示出第二种改进的另一种基本电路图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的遥控接收机的第一种改进的基本电路。用于设定工作模式的控制电路2与用于接收(脉冲)光信号LS的光电二极管1并联设置。控制电路2包括第一电流源I1，光电二极管1通过其阴极与第一电流源I1相连，该控制电路还包括第二电流源I2，所述光电二极管1通过其阳极与第二电流源I2相连。由控制器3控制电流源I1和I2。第一开关S1将光电二极管1的阴极与信号放大器4和5相连。当需要时，第二开关S2将该阴极转换为接地。第三开关S3将阳极与信号放大器4和5相连。由控制器3控制所有这三个开关S1、S2和S3。光电二极管1的工作模式根据光电二极管1的输出信号而改为正向或反向。通过控制开关S1到S3以及电流源I1和I2来获得这两种工作方向。为此，控制器3估计光电二极管1的输出信号的AC传感器信号和DC电压电平，以便确定光电二极管1转换为备用模式(正向)或有效模式(active mode)(反向)。在光电二极管1两端存在二极管电压Ud。遥控接收机具有工作电压Ub和输出信号AG。
图2a)示出在正向工作模式中的电流。在备用过程中，两个开关S2和S3闭合，并且控制器3控制电流源I2，使DC电压位于光电二极管1的饱和电压之下。当考虑该二极管电容时，优选低于大约200mV的值。开关S1打开，并将第一电流源I1设定为零。光电二极管1在阳极上的输出信号经开关S3和AC放大级4(互阻抗放大器＝电流/电压变换器)和DC放大级5(具有用于去耦的放大的电压跟随器)被传送到控制器3和/或输出AG。
图2b)示出在反向工作模式中的电流：如果AC二极管输出信号的电平超过预定的阈值，那么操作改为有效模式。开关S1闭合，并且开关S2和S3打开。将电流源I2设定为最大值或者至少设定为比正向工作模式中更高的值，以便其形成闭合开关，而启动电流源I1，并将其设定为使得DC电压约为工作电压Ub的一半。这样，在反向中操作光电二极管1。如果通过控制器3的估计确定接收信号的末端，也就是说，光电二极管1的有用信号的幅度对于大于所用传输码的最大暂停间隔的时间下降到最小值以下，那么接收机再次转换为备用模式，即光致电压模式。
图3示出遥控接收机的第二种改进的基本电路图，其具有多个光电二极管DA1......DAn的串联电路A，在该电路两端存在二极管电压Ud。入射光产生光电流Iphoto。晶体管T1与串联电路A并联，该晶体管作为受控电流源6的一部分。晶体管T1与发射极路径中的可控电阻器和电压源Vref一起形成受控电流源6，在该实施例中，由JFET T2形成可控电阻器。通过控制输入I DC Adj来设定JFET T2的电阻值。那么晶体管T1作为电流调节器。通过互阻抗放大器7使光电流Iphoto的AC部分去耦。晶体管T1需要一定的最低电压Ud以便能够作为电流源工作。由于n个光电二极管形成串联电路A，因此，在各个光电二极管两端只存在电压Ud/n，因此，当n变大时，各个光电二极管的有效电容变小。
图4示出第二种改进的另一种基本电路图，特别是几乎完整的电路。参考电压Vref例如是0.9V。将光电二极管DA1到DAn两端的电压分出(tapped off)，并经V DC去耦。V控制(器)比较该电压和参考电压Vref。如果其太大，那么增大JFET T2的栅极电压；然后Rint和Cint作为用于高频信号部分的滤波器。通过增大栅极电压，JFET T2的电阻下降，电流源的电流增大，并且光电二极管两端的电压保持在参考电平不变。如果0.9V的参考电平也用于晶体管T1的基极，那么同时在这种情况下也将其设置为大约所需的电压分布。由于基极发射极电压被设置为大约0.6......0.7V，因此JFET T2处具有的电压大约为0.2......0.3V。
Claims (13)
1.一种用于遥控接收机的电路装置，该遥控接收机具有至少一个光电二极管，用于接收光信号和产生输出信号，其中该输出信号包括AC分量和DC分量，其中可在正向工作模式或反向工作模式中操作光电二极管(1)，以及其中该电路装置具有用于设定光电二极管(1)的工作模式的控制单元(2)，其中该控制单元(2)被配置为：根据AC分量，将光电二极管(1)控制为操作在正向工作模式或反向工作模式中。
2.如权利要求1的电路装置，其中该控制单元(2)被配置为：如果AC分量超过第一阈值，将光电二极管(1)控制为操作在反向工作模式中。
3.如权利要求2的电路装置，其中该控制单元(2)被配置为：如果AC分量超过第一阈值并且低于第二阈值，将光电二极管(1)控制为操作在反向工作模式中。
4.如权利要求1-3中任一项权利要求的电路装置，其中该控制单元(2)包括第一电流源(I1)和第二电流源(I2)，通过控制第一电流源和第二电流源来设定光电二极管(1)的两种工作模式之一。
5.如权利要求4的电路装置，其中第一电流源(I1)的负极与光电二极管(1)的阴极相连，并且第二电流源(I2)的正极与阳极相连。
6.一种遥控接收机，包括如权利要求1-5中任一项权利要求的电路装置。
7.一种操作遥控接收机的方法，该遥控接收机具有至少一个光电二极管，用于接收光信号和产生输出信号，其中该输出信号包括AC分量和DC分量，其中在正向工作模式或反向工作模式中操作光电二极管(1)，并且控制单元(2)设定光电二极管(1)的工作模式，其中该控制单元(2)根据AC分量将光电二极管(1)控制为操作在正向工作模式或反向工作模式中。
8.如权利要求7的方法，其中如果AC分量超过第一阈值，该控制单元(2)将光电二极管(1)控制为操作在反向工作模式中。
9.如权利要求8的方法，其中如果AC分量超过第一阈值并且低于第二阈值，该控制单元(2)将光电二极管(1)控制为操作在反向工作模式中。
10.如权利要求8-9中任一项权利要求的方法，其中该控制单元(2)包括第一电流源(I1)和第二电流源(I2)，通过控制第一电流源和第二电流源来设定光电二极管(1)的两种工作模式之一，在光电二极管(1)的正向工作模式期间，第一电流源(I1)被设定为零，并且第二电流源(I2)被设定为使得光电二极管(1)两端的DC电压位于其饱和电压之下。
11.如权利要求10的方法，其中光电二极管(1)两端的DC电压低于200mV。
12.如权利要求10的方法，其中通过将第二电流源(I2)设定为高于正向工作模式中的值，并且将第一电流源(I1)设定为使得光电二极管(1)两端的DC电压约为遥控接收机的工作电压(Ub)的一半，当光电二极管(1)的AC分量超过第一阈值时，设定光电二极管(1)的反向工作模式。
13.如权利要求7-9中任一项权利要求的方法，其中当到达接收到的光信号的末端时，该控制单元(2)为光电二极管(1)设定正向工作模式。
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