DE10129014A1

DE10129014A1 - Signal rise time optimization circuit, especially for sensor signal, signal path for input signal, second signal path for correction signal derived from input signal, signal addition function

Info

Publication number: DE10129014A1
Application number: DE2001129014
Authority: DE
Inventors: Johannes Karl Sturm
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-01-02

Abstract

The signal rise time optimization circuit has a first signal path (1) to which the input signal is fed and a second signal path (2) to which a correction signal derived from the input signal is fed. The signals fed to the first and second signal paths are added to produce an output signal with essentially small tine constants. AN Independent claim is also included for the following: a signal rise time optimization method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung bzw. ein Verfahren zur Risetime-Optimierung eines Signals, insbesondere eines Sensorsignals, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10. The invention relates to a circuit and a method for Risetime optimization of a signal, especially one Sensor signal, according to the preamble of claim 1 or 10.

Sensorsignale, wie z. B. der Strom einer Photodiode, zeigen oftmals ein Zeitverhalten, bei dem ein schneller Signalanteil mit einer kleinen Zeitkonstante τ_S und einer Amplitude S_S von einem langsamen Signalanteil mit deutlich größerer Zeitkonstante τ_L und einer Amplitude S_L überlagert ist (vgl. Fig. 1a) Sensor signals, such as. B. the current of a photodiode often show a time behavior in which a fast signal component with a small time constant τ _S and an amplitude S _S is superimposed by a slow signal component with a significantly larger time constant τ _L and an amplitude S _L (see Fig. 1a)

Für Hochfrequenzanwendungen, wie z. B. die Verarbeitung von optischen Signalen oder DVD-/CD-Signalen werden jedoch nahezu rechteckförmige Ausgangssignale mit einer kurzen Risetime benötigt, wie sie in Fig. 1b dargestellt sind. Für diese Anwendungen ist der langsame Signalanteil störend, da er die Bandbreite der Signalverarbeitung deutlich verringert. For high frequency applications such as B. the processing of optical signals or DVD / CD signals, however, almost rectangular output signals with a short risetime are required, as shown in Fig. 1b. The slow signal component is disturbing for these applications since it significantly reduces the bandwidth of the signal processing.

Wie erwähnt, kann der in Fig. 1a gezeigte Signalverlauf bei Sensoren auftreten, die als IC-Schaltkreis implementiert sind. Zur Reduzierung bzw. Vermeidung des langsamen Signalanteils τ_L des Sensors muß eine relativ aufwendige IC- Technologie eingesetzt werden. Dies erfordert meist zusätzliche Prozeßschritte und ist daher kostenintensiv. Kostengünstigere Ausführungen der Sensoren zeigen dagegen den unerwünschten Signalverlauf. As mentioned, the signal curve shown in FIG. 1 a can occur with sensors which are implemented as an IC circuit. To reduce or avoid the slow signal component τ _{L of} the sensor, a relatively complex IC technology must be used. This usually requires additional process steps and is therefore expensive. In contrast, cheaper versions of the sensors show the undesired signal curve.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weniger aufwendige und kostenintensive Methode zu entwickeln, um den langsamen Signalanteil des Signals zu reduzieren bzw. ganz zu eliminieren. It is therefore the object of the present invention, a to develop less complex and costly method, to reduce the slow signal component of the signal or to eliminate entirely.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 bzw. 10 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. This problem is solved by the in claim 1 or 10 specified characteristics. Further refinements of the Invention are the subject of dependent claims.

Der wesentliche erfinderische Gedanke besteht darin, die Risetime des Signals nicht durch Modifizierung der IC- Technologie, sondern durch einfache Signalverarbeitung zu optimieren. The main inventive idea is that Risetime of the signal not by modifying the IC Technology but through simple signal processing too optimize.

Es wird daher eine Schaltung zur Optimierung der Risetime eines Signals mit einem schnellen und einem langsamen Signalanteil vorgeschlagen, die einen ersten Signalpfad, auf dem das (Sensor-)Signal geführt wird, und einen zweiten Signalpfad aufweist, auf den ein Korrektursignal vom ersten Signalpfad abgeleitet wird. Am Ausgang der Schaltung werden die auf den beiden Signalpfaden geführten Signale addiert, so dass ein Ausgangssignal generiert wird, das im wesentlichen die kleine Zeitkonstante τ_S aufweist. A circuit for optimizing the risetime of a signal with a fast and a slow signal component is therefore proposed, which has a first signal path on which the (sensor) signal is routed and a second signal path to which a correction signal is derived from the first signal path becomes. At the output of the circuit, the signals carried on the two signal paths are added, so that an output signal is generated which essentially has the small time constant τ _S.

Zur Ableitung des Korrektursignals aus dem (Sensor-)Signal ist vorzugsweise ein Hochpassfilter vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Hochpassfilter im wesentlichen aus einem RC-Glied, wobei der Kondensator des Filters mit einem Knoten am Signalpfad angeschlossen und der Widerstand gegen eine feste Spannung geschaltet ist. To derive the correction signal from the (sensor) signal a high-pass filter is preferably provided. According to one preferred embodiment of the invention is the High pass filter essentially from an RC element, the Filter capacitor with a node on the signal path connected and the resistance to a fixed voltage is switched.

Zur Verstärkung des Signals ist im ersten Signalpfad vorzugsweise ein Verstärker, insbesondere ein Transkonduktanzverstärker, vorgesehen. Auch das auf dem zweiten Signalpfad geführte abgeleitete Signal wird vorzugsweise mittels eines Transkonduktanzverstärkers verstärkt. Die Verstärkung ist dabei vorzugsweise so eingestellt, dass die Amplitude des verstärkten, abgeleiteten Signals der Amplitude des (verstärkten) langsamen Signalanteils des auf dem ersten Signalpfad geführten Signals entspricht. To amplify the signal is in the first signal path preferably an amplifier, in particular a Transconductance amplifier, provided. That too on the second signal path led derived signal is preferably by means of a transconductance amplifier strengthened. The gain is preferably so set that the amplitude of the amplified, derived Signal of the amplitude of the (amplified) slow Signal component of the signal carried on the first signal path equivalent.

Das am Ausgang der Schaltung anliegende Signal, d. h. der sich aus der Addition der Teilströme ergebende Gesamtstrom, wird vorzugsweise mittels eines Transimpedanzwandlers in eine Ausgangsspannung gewandelt, die für eine nachgeschaltete Signalverarbeitung zur Verfügung steht. The signal present at the output of the circuit, i. H. which total current resulting from the addition of the partial flows preferably by means of a transimpedance converter in a Output voltage converted for a downstream Signal processing is available.

Bei Vorliegen eines Stromsignals am Eingang der Schaltung ist vorzugsweise ein Transimpedanzwandler vorgeschaltet. If there is a current signal at the input of the circuit preferably connected upstream of a transimpedance converter.

Unabhängig von der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung wird ferner ein Verfahren zur Optimierung der Risetime eines Signals mit einem schnellen oder langsamen Signalanteil vorgeschlagen, bei dem ein Korrektursignal zum (Sensor-)Signal hinzu addiert wird, um ein Ausgangssignal mit einer insgesamt kürzeren Risetime zu generieren. Regardless of the one described above Circuit arrangement is also a method for optimization the risetime of a signal with a fast or slow Signal component proposed, in which a correction signal for (Sensor) signal is added to an output signal with generate a shorter overall risetime.

Das zum (Sensor-)Signal hinzu addierte Korrektursignal ist dabei insbesondere ein aus dem (Sensor-)Signal abgeleitetes Signal. Die Amplitude des hinzu addierten Korrektursignals sollte dabei der Amplitude des langsamen Signalanteils des (Sensor-)Signals entsprechen. The correction signal added to the (sensor) signal is in particular one derived from the (sensor) signal Signal. The amplitude of the correction signal added should the amplitude of the slow signal portion of the (Sensor) signal correspond.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention is described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail by way of example. Show it:

Fig. 1a, b den zeitlichen Verlauf eines Sensorsignals vor und nach der Optimierung der Risetime; FIG. 1a, b the temporal course of a sensor signal before and after the optimization of the rise time;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Optimierung der Risetime; Fig. 2 is a schematic diagram of a circuit for optimizing the rise time;

Fig. 3 die mit der Schaltung von Fig. 2 durchgeführte Addition von Signalen; und . FIG. 3 shows the processing performed by the circuit of Figure 2, addition of signals; and

Fig. 4 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Optimierung der Risetime. Fig. 4 shows a specific embodiment of a circuit for optimizing the risetime.

Fig. 1a zeigt den typischen Verlauf eines Sensor- Ausgangssignals mit einem schnellen Signalanteil mit kleiner Zeitkonstante τ_S und einer Amplitude S_S, gefolgt von einem langsamen Signalanteil mit einer deutlich größeren Zeitkonstante τ_L und einer Amplitude S_L. Fig. 1a shows the typical course of a sensor output signal with a fast signal component with a small time constant τ _S and an amplitude S _S , followed by a slow signal component with a significantly larger time constant τ _L and an amplitude S _L.

Fig. 1b zeigt das für die weitere Signalverarbeitung erwünschte optimierte Ausgangssignal mit kurzer Risetime τ_S. FIG. 1b shows the desirable for further signal processing optimized output signal with a short rise time τ _S.

In Fig. 2 ist die Architektur einer Schaltung zur Optimierung der Risetime schematisch dargestellt. Für die Erläuterung der Schaltung wird das Amplitudenverhältnis S_L /S_S sowie die Größen τ_L und τ_S als konstant angenommen. Die Signalamplitude S_L + S_S kann jedoch variieren. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass die Zeitkonstante τ_S vernachlässigbar klein im Verhältnis zur Zeitkonstante τ_L ist. Außerdem werden parasitäre Effekte (z. B. Kapazitäten) vernachlässigt sowie Verstärkungen als ideal angenommen. In Fig. 2 the architecture of a circuit for optimizing the risetime is shown schematically. For the explanation of the circuit, the amplitude ratio S _L / S _S and the quantities τ _L and τ _S are assumed to be constant. However, the signal amplitude S _L + S _S can vary. Furthermore, it is assumed that the time constant τ _{S is} negligibly small in relation to the time constant τ _L. In addition, parasitic effects (e.g. capacitances) are neglected and gains are assumed to be ideal.

Am Eingang der in Fig. 2 gezeigten Schaltung liegt ein Sensorsignal gemäß Fig. 1a an. Das Stromsignal wird in der Prinzipschaltung durch eine Stromquelle 4 dargestellt. A sensor signal according to FIG. 1a is present at the input of the circuit shown in FIG. 2. The current signal is represented in the basic circuit by a current source 4 .

Aus dem Eingangsstrom i_e wird über einen Transimpedanzverstärker TIA eine dem Eingangsstrom proportionale Spannung u_E = R_TRANS.i_e generiert. Die Spannung u_E bildet die Eingangsspannung für einen Hochpassfilter 3, der in diesem Ausführungsbeispiel als differenzierendes Element wirkt. Der Hochpassfilter 3 dient insbesondere dazu, ein Korrektursignal 6 (u_e,d) aus dem Eingangssignal u_E abzuleiten. A voltage u _E = R _TRANS .i _e , which is proportional to the input current, is generated from the input current i _e via a transimpedance amplifier TIA. The voltage u _E forms the input voltage for a high-pass filter 3 , which acts as a differentiating element in this exemplary embodiment. The high-pass filter 3 is used in particular to derive a correction signal 6 (u _{e, d} ) from the input signal u _E.

Das auf dem ersten Signalpfad 1 geführte Eingangssignal (Eingangsspannung u_e) sowie das auf dem zweiten Signalpfad 2geführte differenzierte Signal u_e,d werden mittels Transkonduktanzwandlern OTA1, OTA2 mit einer Verstärkung gm1 bzw. gm2 in proportionale Ströme i_a bzw. 1_a,d umgewandelt. Der Strom i_a ist dabei proportional zum Eingangsstrom i_e, weist also qualitativ denselben Verlauf, wie in Fig. 1a auf (i_a = gm1.R_TPANS.i_e). The input signal (input voltage u _e ) carried on the first signal path 1 and the differentiated signal u _{e, d carried} on the second signal path 2 are converted into proportional currents i _a or 1 _a by means of transconductance converters OTA1, OTA2 with an amplification gm1 or gm2 _{, d} converted. The current i _a is proportional to the input current i _e , that is to say it has the same quality as in FIG. 1a (i _a = gm1.R _TPANS .i _e ).

Die auf den beiden Signalpfaden 1, 2 geführten Ströme i_a, i_a,d werden am Knoten 5 zu einem Ausgangsstrom i_a,ges addiert. Bei geeigneter Wahl der Filterzeitkonstante τ_d = RC sowie der Transkonduktanzen von OTA1 und OTA2 (gm1 und gm2) kann dadurch ein Ausgangsstrom i_a,ges generiert werden, der einen im wesentlichen rechteckförmigen Verlauf aufweist, mit einer Risetime, die annähernd der schnellen Zeitkonstante τ_S entspricht. The currents i _a , i _{a, d carried} on the two signal paths 1 , 2 are added to an output current i _{a, ges} at the node 5 . With a suitable choice of the filter time constant τ _d = RC and the transconductances of OTA1 and OTA2 (gm1 and gm2), an output current i _{a, ges} can be generated that has an essentially rectangular profile, with a risetime that is approximately the same as the fast time constant τ _S corresponds.

Fig. 3 zeigt die Addition der auf den beiden Signalpfaden 1, 2 geführten Ströme i_a, i_a,d. Wie zu erkennen ist, hat auch das Korrektursignal 6 (i_a,d) einen Signalanteil mit einer kleinen Zeitkonstante τ_S sowie einen langsamen Signalanteil mit deutlich größerer Zeitkonstante τ_L. Die Amplitude i_e,l des hinzu addierten Korrektursignals 6 entspricht der Amplitude i_a,l des langsamen Signalanteils des (Sensor-)Signals. Fig. 3 shows the addition of the operations on the two signal paths 1, 2 currents i _a, i _{a, d.} As can be seen, the correction signal 6 (i _{a, d} ) also has a signal component with a small time constant τ _S and a slow signal component with a significantly larger time constant τ _L. The amplitude i _{e, l of} the added correction signal 6 corresponds to the amplitude i _{a, l of} the slow signal component of the (sensor) signal.

Im Frequenzbereich bewirkt die Schaltung eine gezielte Anhebung der Verstärkung um einen der Amplitude i_e,l entsprechenden Faktor, ab einer Frequenz, die an τ_l angepasst ist. In the frequency range, the circuit causes a specific increase in the gain by a factor corresponding to the amplitude i _{e, l} , starting at a frequency which is adapted to τ _l .

Ist als Eingangssignal anstelle des Stromes i_e eine Eingangsspannung u_e gegeben, so kann auf den Transimpedanzwandler TIA verzichtet oder an dessen Stelle ein Spannungsverstärker eingesetzt werden. Falls als Ausgangsgrößen Spannungen erforderlich sind, können anstatt der Transkonduktanzwandler OTA1, OTA2 auch Spannungsverstärker eingesetzt oder der Ausgangsstrom i_a,gesdurch einen zusätzlichen Transimpedanzverstärker (oder Widerstand) am Ausgang in eine Spannung umgewandelt werden. If an input voltage u _{e is} given as the input signal instead of the current i _e , the transimpedance converter TIA can be omitted or a voltage amplifier can be used in its place. If voltages are required as output variables, voltage amplifiers can be used instead of the transconductance converters OTA1, OTA2 or the output current i _{a, ges} can be converted into a voltage by an additional transimpedance amplifier (or resistor) at the output.

Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung ist in Fig. 4 dargestellt. Darin ist der Eingangs-Transimpedanzwandler TIA durch die Transistoren T_TIA,1, T_TIA,2 und die Widerstände R_TIA und R_TRANS gebildet. Der Sourcefolgetransistor T_TIA,2 ist dabei durch eine Stromquelle I_bias,1 vorbelastet (gebiast). A possible implementation in terms of circuitry is shown in FIG. 4. The input transimpedance converter TIA is formed by the transistors T _{TIA, 1} , T _{TIA, 2} and the resistors R _TIA and R _TRANS . The source follower transistor T _{TIA, 2} is biased by a current source I _{bias, 1} .

Der Hochpassfilter 3 wird durch die Elemente C und R gebildet. Die Transkonduktanzwandler OTA1, OTA2 sind jeweils als MOS-Transistoren realisiert. The high-pass filter 3 is formed by the elements C and R. The transconductance converters OTA1, OTA2 are each implemented as MOS transistors.

Der Ausgangsstrom i_a,ges, der sich aus den beiden Teilströmen i_a, i_a,d zusammensetzt, wird über den Widerstand R_a sowie den Sourcefolgertransistor T_a noch in eine Ausgangsspannung U_a umgewandelt. Der Transistor T_a ist dabei am Source-Anschluß durch die Stromquelle I_bias,2 vorbelastet. The output current i _{a, ges} , which is composed of the two partial currents i _a , i _{a, d} , is still converted into an output voltage U _a via the resistor R _a and the source follower transistor T _a . The transistor T _a is biased at the source terminal by the current source I _{bias, 2} .

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist besonders einfach, andere Ausführungsformen mit komplexeren Schaltungskonfigurationen für die Transimpedanzwandler TIA und Transkonduktanzwandler OTA sind jedoch gleichfalls denkbar. Ebenso können zur Kompensation von parasitären Effekten zusätzliche Schaltkreise vorgesehen werden. Anstelle der MOS-Transistoren können z. B. auch Bipolartransistoren verwendet werden. Bezugszeichenliste 1 Erster Signalpfad
2 Zweiter Signalpfad
3 Hochpassfilter
4 Stromquelle
5 Knoten
6 Korrektursignal
i_e Eingangsstrom
R_TRANS Widerstand
TIA Transimpedanzwandler
u_e Eingangsspannung
C Kondensator
R Widerstand
u_e,d abgeleitete Spannung
OTA1, OTA2 Transkonduktanzwandler
i_a Ausgangsstrom
i_a,d abgeleiteter Ausgangsstrom
i_a,ges Gesamt-Ausgangsstrom
T_TIA,1 Transistoren
T_TIA,2 Transistoren
R_TIA Widerstand
I_bias,1 Stromquellen
I_bias,2 Stromquellen
The circuit shown in FIG. 4 is particularly simple, but other embodiments with more complex circuit configurations for the transimpedance converter TIA and transconductance converter OTA are also conceivable. Additional circuits can also be provided to compensate for parasitic effects. Instead of the MOS transistors, for. B. bipolar transistors can also be used. Reference symbol list 1 First signal path
2 Second signal path
3 high pass filters
4 power source
5 knots
6 correction signal
i _e input current
R _TRANS resistance
TIA transimpedance converter
u _e input voltage
C capacitor
R resistance
u _{e, d} derived voltage
OTA1, OTA2 transconductance converter
i _a output current
i _{a, d} derived output current
i _{a, total} total output current
T _{TIA, 1} transistors
T _{TIA, 2} transistors
R _TIA resistance
I _{bias, 1} power sources
I _{bias, 2} current sources

Claims

1. Circuit for optimizing the risetime of a signal, in particular a sensor signal, with a fast signal component with a small time constant (τ _S ) and a slow signal component with a large time constant (τ _L ), characterized in that
that a first signal path ( 1 ) on which the input signal is carried, and
a second signal path ( 2 ) is provided, on which a correction signal ( 6 ) derived from the input signal is carried,
and that the signals carried on the signal paths ( 1 , 2 ) are added, resulting in an output signal which essentially has the small time constant (τ _S ).

2. Circuit according to claim 1, characterized in that a high-pass filter ( 3 ) is provided with which the correction signal ( 6 ) is derived.

3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that an amplifier (OTA1) is provided in the first signal path ( 1 ) with which the input signal is amplified.

4. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that an amplifier (OTA2) is provided in the second signal path ( 2 ) with which the derived signal is amplified.

5. Circuit according to claim 2, characterized in that the high-pass filter ( 3 ) has a capacitor (C) which is coupled to the signal path ( 1 ) with a node, and a resistor (R) which is connected to a fixed voltage ,

6. Circuit according to claim 3 or 4, characterized in that the amplifiers provided in the first and second signal paths ( 1 , 2 ) are transconductance converters (OTA1, OTA2).

7. Circuit according to one of the preceding claims, characterized, that at the output of the circuit a transimpedance converter (Ta, Ra) is provided which converts the output signal into a Voltage signal (Ua) converts.

8. Circuit according to claim 6, characterized, that the transconductance converters (OTA1, OTA2) transistors, in particular MOS transistors.

9. Circuit according to one of the preceding claims, characterized, that if there is a current signal at the input of the Circuit a transimpedance converter (TIA) is provided.

10. A method for optimizing the risetime of a signal, in particular a sensor signal, with a fast signal component with a small time constant (τ _S ) and a slow signal component with a large time constant (τ _L ), characterized in that a correction signal ( 6 ) for ) Signal is added, so that an output signal is available at the output of the circuit, which essentially has the small time constant (τ _S ).

11. The method according to claim 10, characterized in that the correction signal ( 6 ) is derived from the input signal.