DE102005044679A1 - Circuit arrangement for supplying a photodiode with a bias voltage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung. Die Schaltungsanordnung besitzt einen ersten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines ersten Pols einer Spannungsquelle und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines zweiten Pols der Spannungsquelle, wobei der erste Spannungsversorgungsanschluss mit einem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist und der zweite Spannungsversorgungsanschluss mit einem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist. Zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den ersten Anschluss der Photodiode ist eine erste Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet, der in einer Tiefpassanordnung mit dem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist.The invention relates to a circuit arrangement for supplying a photodiode with a bias voltage. The circuit arrangement has a first voltage supply connection for connecting a first pole of a voltage source and a second voltage supply connection for connecting a second pole of the voltage source, the first voltage supply connection being connected to a first connection of the photodiode and the second voltage supply connection being connected to a second connection of the photodiode. A first current control device with a control input is connected between the first voltage supply connection and the first connection of the photodiode and is connected in a low-pass arrangement to the first connection of the photodiode.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung.The The present invention relates to a supply circuit a photodiode with a bias voltage.
Photodioden sind Dioden, die auftreffendes Licht in einen Photostrom umwandeln. Sie werden unter anderem in der drahtlosen Datenübertragung verwendet, beispielsweise in Infrarotempfängern für Fernbedienungssysteme. Durch das Anlegen einer externen Sperrspannung, der so genannten Vorspannung, kann die Ansprechzeit auf eine Änderung der Beleuchtungsstärke wesentlich verkürzt werden, wodurch sich die Grenzfrequenz der Übertragungsbandbreite erhöht. In vielen Anwendungen werden durch Störlicht einem Nutzsignal überlagerte Gleichströme und niederfrequente Wechselströme in der Photodiode generiert, beispielsweise im Bereich von 100 oder 120 Hz durch Licht von Glühlampen oder Leuchtstoffröhren. Diese Ströme können um Größenordnungen höher sein als die Ströme, die durch das zu detektierende höherfrequente Signal erzeugt werden. Die durch Störlicht erzeugten Ströme müssen von einer Schaltung zur Vorspannungsversorgung zur Verfügung gestellt werden, wobei die Vorspannung möglichst stabil sein soll.photodiodes are diodes that convert incident light into a photocurrent. They are used inter alia in wireless data transmission, for example in infrared receivers for remote control systems. By applying an external reverse voltage, the so-called Bias, the response time to a change in illuminance can be significant shortened which increases the cut-off frequency of the transmission bandwidth. In many Applications are made by stray light superimposed on a useful signal DC currents and low frequency alternating currents generated in the photodiode, for example in the range of 100 or 120 Hz by light from incandescent lamps or fluorescent tubes. These streams can by orders of magnitude be higher as the streams, by the higher-frequency to be detected Signal are generated. The currents generated by stray light must be from a circuit for bias supply provided be, with the bias as possible should be stable.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung zu schaffen, die die Detektion eines höherfrequenten Nutzsignals auch bei Vorhandensein ei nes durch konstantes oder niederfrequentes Störlicht generierten Störsignals erlaubt und sich gleichzeitig durch geringes Rauschen auszeichnet.The The object of the invention is a circuit arrangement for Supplying a photodiode with a bias to create the Detection of a higher frequency Useful signal even in the presence ei Nes by constant or low frequency stray light generated interference signal allowed and characterized at the same time by low noise.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung gelöst, die einen ersten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines ersten Pols einer Spannungsquelle und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines zweiten Pols der Spannungsquelle aufweist, wobei der erste Spannungsversorgungsanschluss mit einem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist und der zweite Spannungsversorgungsanschluss mit einem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist, und wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den ersten Anschluss der Photodiode eine erste Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet ist, der in einer ersten Tiefpassanordnung mit dem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist.These Task is achieved by a circuit arrangement with the characteristics of Claim 1 and in particular by a circuit arrangement for supply a photodiode having a bias voltage which has a first power supply terminal to connect a first pole of a voltage source and a second voltage supply terminal to connect a second pole of the voltage source, wherein the first power supply terminal is connected to a first terminal of the photodiode and the second Power supply terminal to a second terminal of the photodiode is connected, and wherein between the first power supply terminal and the first terminal of the photodiode, a first current control device is connected to a control input, in a first low-pass arrangement is connected to the first terminal of the photodiode.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Photodiode mit der Spannungsquelle also mittelbar über eine Stromsteuereinrichtung verbunden, wobei die Stromsteuereinrichtung über einen Tiefpass von dem zugeordneten Anschluss der Photodiode gesteuert wird. Hierdurch wird hinsichtlich der an der Photodiode anliegenden Spannung letztlich eine negative Rückkopplung verwirklicht, die eine Stabilisierung der an der Photodiode anliegenden Spannung bewirkt. Aufgrund der tiefpassgefilterten Rückkopplung wird bei langsam veränderlicher Photodioden-Sperrspannung die Stromzufuhr entsprechend erhöht oder verringert, ohne dass die Detektion des höherfrequenten Nutzsignals beeinträchtigt wird, auch wenn die Signalstärke des Störsignals um Größenordnungen höher ist als die des Nutzsignals.at This circuit is the photodiode with the voltage source thus indirectly over one Power control device connected, wherein the power control device via a Low pass is controlled by the associated terminal of the photodiode. As a result, with respect to the voltage applied to the photodiode voltage ultimately a negative feedback realized stabilizing the voltage applied to the photodiode Voltage causes. Due to the low-pass filtered feedback is at slowly changing Photodiode blocking voltage increases or decreases the power supply accordingly, without the detection of the higher-frequency User signal impaired will, even if the signal strength of the interference signal by orders of magnitude is higher as that of the wanted signal.
Bevorzugt weist die erste Stromsteuereinrichtung einen ersten MOS-Transistor auf. MOS-Transistoren zeichnen sich durch eine hohe Eingangsimpedanz aus, so dass zu ihrer Steuerung nur sehr niedrige Ströme erforderlich sind. Durch Verwendung eines großflächigen MOS-Transistors (hohe Eingangskapazität, z.B. wenigstens 1 pF) können zum einen der bereits genannte Tiefpass ohne zusätzliche Kondensatoren verwirklicht und zum anderen das 1/f-Rauschen verringert werden.Prefers The first current control device has a first MOS transistor. MOS transistors are characterized by a high input impedance, so that to their Control only very low currents required are. By using a large area MOS transistor (high input capacitance, e.g. at least 1 pF) can be used for realized one of the already mentioned low pass without additional capacitors and second, that the 1 / f noise is reduced.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Steuereingang der ersten Stromsteuereinrichtung mit dem ersten Anschluss der Photodiode über einen ersten Widerstand verbunden ist, um mit einer parasitären Kapazität der ersten Stromsteuereinrichtung (z.B. MOS-Transistor) und/oder einer zusätzlichen Kapazität die genannte Tiefpassanordnung zu bilden. Durch eine derartige Tiefpassanordnung wird eine Stabilisierung der Vorspannung für Gleichströme und niederfrequente Wechselströme erreicht. Die Grenzfrequenz der Tiefpassanordnung wird dabei im Wesentlichen durch die Gesamtkapazität und den genannten ersten Widerstand bestimmt.Especially It is advantageous if the control input of the first current control device with the first terminal of the photodiode via a first resistor is connected to a parasitic capacitance of the first current control means (e.g. MOS transistor) and / or an additional capacitor said To form low-pass arrangement. By such a low-pass arrangement a stabilization of the bias voltage for DC currents and low-frequency alternating currents is achieved. The cutoff frequency of the low-pass arrangement is substantially through the total capacity and determines said first resistance.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn dem ersten Widerstand ein erster Kondensator parallel geschaltet ist. Da die genannte Schaltungsanordnung einen Regelkreis mit negativer Rückkopplung darstellt, verhindert der zum Widerstand parallel geschaltete Kondensator ein unbeabsichtigtes Schwingen der Schaltungsanordnung.Farther It is advantageous if the first resistor has a first capacitor is connected in parallel. Since said circuit arrangement has a control loop with negative feedback represents prevented in parallel with the resistor capacitor an unintentional swinging of the circuit arrangement.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss und der ersten Stromsteuereinrichtung ein erster Vorspannungswiderstand geschaltet. Hierdurch wird eine definierte minimale Impedanz gegenüber der Spannungsquelle gewährleistet.advantageously, is between the first power supply terminal and the first power control device a first bias resistor is switched. This will be a defined minimum impedance to the voltage source guaranteed.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann dem ersten Vorspannungswiderstand ein Transistor parallel geschaltet sein, wobei der Steuereingang des Transistors mit einem seiner weiteren Anschlüsse gekoppelt ist. Für den Fall sehr großer, durch den ersten Vorspannungswiderstand fließender Ströme stellt der bei Erreichen einer Grenzspannung durchschaltende Transistor einen Nebenschluss für den Vorspannungswiderstand dar (Bypass).In a preferred embodiment, the first bias resistor, a transistor may be connected in parallel, wherein the control input of the transistor is coupled to one of its further terminals. In the case of very large currents flowing through the first biasing resistor, the transistor passing through when a threshold voltage is reached constitutes a bypass for the biasing resistor (bypass).
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem zweiten Anschluss der Photodiode in einer symmetrischen Anordnung zu der ersten Stromsteuereinrichtung eine zweite Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet, der in einer zweiten Tiefpassanordnung mit dem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist. Durch die symmetrische Anordnung von zwei Stromsteuereinrichtungen werden eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie eine Unterdrückung von externen Störspannungen erreicht.In a particularly advantageous embodiment is between the second power supply terminal and the second terminal the photodiode in a symmetrical arrangement to the first current control device a second current control device is connected to a control input, in a second low-pass arrangement with the second terminal the photodiode is connected. Due to the symmetrical arrangement of two current controllers will increase the signal-to-noise ratio as well as a suppression from external interference voltages reached.
Bevorzugt handelt es sich in einer derartigen symmetrischen Ausgestaltung bei den genannten MOS-Transistoren um zueinander komplementäre MOS-Transistoren. Durch die Verwendung jeweils eines n-Typs und eines p-Typs lässt sich die symmetrische Anordnung für eine gemeinsame Richtung des Stromflusses verwirklichen.Prefers is it in such a symmetrical configuration in the aforementioned MOS transistors to mutually complementary MOS transistors. By using each of an n-type and a p-type can be the symmetrical arrangement for realize a common direction of the current flow.
Bei einer symmetrischen Anordnung von zwei Stromsteuereinrichtungen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die sich paarweise entsprechenden Widerstände und Kondensatoren jeweils gleiche Werte aufweisen.at a symmetrical arrangement of two current control devices It is also advantageous if the corresponding pairs resistors and capacitors each have the same values.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschlüsse der Photodiode mit einem differentiellen Eingang eines Transimpedanzverstärkers gekoppelt sind. Hierdurch wird ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht (doppelter Signalhub, Unterdrückung von Gleichtaktstörungen). Indem die Kopplung zwischen der Photodiode und dem Transimpedanzverstärker kapazitiv erfolgt, werden nur die hochfrequenten Nutzsignale verstärkt.Especially It is advantageous if the terminals of the photodiode with a differential input of a transimpedance amplifier are coupled. hereby an improved signal-to-noise ratio is achieved (double signal swing, suppression of Common mode noise). By making the coupling between the photodiode and the transimpedance amplifier capacitive takes place, only the high-frequency useful signals are amplified.
Weiterhin bevorzugt kann die Schaltungsanordnung als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein. Aufgrund der relativ geringen Anzahl von Bauteilen, insbesondere durch die Einsparung von expliziten Kapazitäten durch die Ausnutzung der parasitären Kapazitäten der Stromsteuereinrichtungen, und des Verzichts auf induktive Schaltungselemente eignet sich die Schaltungsanordnung besonders für eine mit einer Ausbildung als integrierter Schaltkreis einhergehenden Miniaturisierung, bei der bei gegebenen Anforderungen an ein minimales Rauschen eine möglichst kleine Chipfläche beansprucht werden soll.Farther Preferably, the circuitry may be implemented as an integrated circuit be educated. Due to the relatively small number of components, in particular by the saving of explicit capacities by the exploitation of the parasitic capacities the power control devices, and the omission of inductive circuit elements the circuit is particularly suitable for one with a training miniaturization accompanying integrated circuit the given requirements for a minimum noise one possible small chip area should be claimed.
Weitere bevorzugte Ausbildungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further Preferred embodiments of the invention are described in the subclaims.
Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild der Schaltungsanordnung.following the invention is in an embodiment described with reference to the drawing. The single figure shows a circuit diagram the circuit arrangement.
Gemäß der Figur ist die Kathode C einer Photodiode PD mit dem Source-Anschluss eines p-MOS-Transistors M1 verbunden. Der Drain-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 ist über einen Vorspannungswiderstand R1 mit dem positiven Pol VCC einer Spannungsquelle verbunden. Zwischen dem Gate-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 und der Kathode C der Photodiode PD ist ein Widerstand R3 geschaltet, zu dem wiederum ein Kondensator C1 parallel geschaltet ist. Zum Vorspannungswiderstand R1 ist ein weiterer p-MOS-Transistor M3 parallel geschaltet, dessen Drain- Anschluss mit dem positiven Pol VCC der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Gate-Anschluss und Source-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 verbunden sind.According to the figure is the cathode C of a photodiode PD with the source terminal of a p-MOS transistor M1 connected. The drain terminal of the p-MOS transistor M1 is via a bias resistor R1 is connected to the positive pole VCC of a voltage source. Between the Gate terminal of the p-MOS transistor M1 and the cathode C of the photodiode PD is a resistor R3 connected, in turn, a capacitor C1 is connected in parallel. To the bias resistor R1 is a further P-MOS transistor M3 connected in parallel, the drain terminal connected to the positive pole VCC is connected to the voltage source and its gate terminal and source terminal connected to the drain terminal of the p-MOS transistor M1 are.
Die Anode A der Photodiode PD ist mit dem Drain-Anschluss eines n-MOS-Transistors M2 verbunden. Der Source-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 ist über einen Vorspannungswiderstand R2 mit dem negativen Pol GND der Spannungsquelle verbunden. Zwischen dem Gate-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 und der Anode A der Photodiode PD ist ein Widerstand R4 geschaltet, zu dem wiederum ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist. Zum Vorspannungswiderstand R2 ist ein weiterer n-MOS-Transistor M4 parallel geschaltet, dessen Source-Anschluss mit dem negativen Pol GND der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Gate-Anschluss und Drain-Anschluss mit dem Source-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 verbunden sind. Die Anodenseite der Schaltungsanordnung ist somit symmetrisch zu der Kathodenseite ausgebildet.The Anode A of the photodiode PD is connected to the drain terminal of an n-MOS transistor M2 connected. The source terminal of the n-MOS transistor M2 is via a bias resistor R2 connected to the negative pole GND of the voltage source. Between the gate terminal of the n-type MOS transistor M2 and the anode A of the photodiode PD is a Resistor R4 connected, in turn, a capacitor C2 in parallel is switched. To the bias resistor R2 is another n-MOS transistor M4 connected in parallel, whose source connection with the negative Pol GND is connected to the voltage source and its gate terminal and drain terminal to the source terminal of the n-MOS transistor M2 are connected. The anode side of the circuit arrangement is thus formed symmetrically to the cathode side.
Die Kathode C der Photodiode ist über einen Kondensator C3 und die Anode A über einen Kondensator C4 mit den Eingängen eines differentiellen Transimpedanzverstärkers TIA verbunden.The Cathode C of the photodiode is over a capacitor C3 and the anode A via a capacitor C4 with the entrances a differential transimpedance amplifier TIA connected.
Um eine möglichst weitgehende Symmetrie in der Schaltungsanordnung zu gewährleisten, sind die Werte der Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 und der Kondensatoren C1 und C2 bzw. C3 und C4 jeweils gleich. Die MOS-Transistoren M1 und M2 bzw. M3 und M4 sind jeweils zu einander komplementäre p- bzw. n-Typen.Around one possible to ensure extensive symmetry in the circuit arrangement are the values of the resistances R1 and R2 or R3 and R4 and the capacitors C1 and C2 or C3 and C4 are the same. The MOS transistors M1 and M2 or M3 and M4 are p-type and n-type complementary to each other.
Zum Verständnis der Funktionsweise der Schaltungsanordnung soll nun zunächst der kathodenseitige Zweig betrachtet werden. Wenn durch eine Erhöhung des Gleichlichts oder eine niederfrequente Erhöhung der Be lichtung der Photodiode PD der Strom durch die Photodiode PD zunimmt, bedingt dies einen Spannungsabfall an der Kathode C. Mit einer gewissen Verzögerung macht sich dieser Spannungsabfall über den Widerstand R3 am Gate des p-MOS-Transistors M1 bemerkbar und erhöht dort den Absolutbetrag der Gate-Source-Spannung. Dadurch wird der p-Kanal des Transistors M1 weiter geöffnet, so dass ein erhöhter Stromfluss ermöglicht wird.To understand the operation of the circuit arrangement, the cathode-side branch will now be considered first. If by an increase in the unblanking or a niederfre If the current through the photodiode PD increases as the photodiode PD increases, this causes a voltage drop at the cathode C. With a certain delay, this voltage drop is noticeable via the resistor R3 at the gate of the p-MOS transistor M1 and increases there the absolute value of the gate-source voltage. As a result, the p-channel of the transistor M1 is opened further, so that an increased current flow is made possible.
Die hohen parasitären Kapazitäten zwischen Gate-Source, Gate-Drain und Gate-Substrat des p-MOS-Transistors M1, der zur Reduzierung des Eigenrauschen geometrisch groß dimensioniert ist, definieren zusammen mit einem hohen Widerstand R3 eine entsprechend niedrige Grenzfrequenz des Regelkreises. Der Kondensator C1 bewirkt eine Unterdrückung eines durch die negative Rückkopplung bedingten Eigenschwingens des Regelkreises. Die erwünschten hochfrequenten Signalanteile, die über den Kondensator C3 zum Transimpedanzverstärker TIA übertragen werden, werden durch diese Schaltung nicht beeinflusst.The high parasitic capacities between the gate-source, gate-drain and gate substrate of the p-MOS transistor M1, the geometrically large dimensioned to reduce the inherent noise is, together with a high resistance R3 define a corresponding low limit frequency of the control loop. The capacitor C1 causes a suppression one through the negative feedback conditional natural oscillation of the control loop. The desired ones high-frequency signal components, via the capacitor C3 for Transimpedance amplifier TIA transmitted are not affected by this circuit.
Zusätzlich bedingt der Vorspannungswiderstand R1 eine minimale Impedanz der Schaltungsanordnung gegenüber der Spannungsquelle. Bei sehr großen Strömen bewirkt ein Durchschalten des p-MOS-Transitors M3 eine Überbrückung des Vorspannungswiderstands R1. Das Durchschalten erfolgt, wenn der durch den Stromfluss durch R1 bewirkte Spannungsabfall die zum Durchschalten von M3 erforderliche Schwellspannung erreicht.Additionally conditionally the bias resistor R1 has a minimum impedance of the circuitry across from the voltage source. At very high currents causes a switching of the p-MOS transistor M3 bridging the Bias resistance R1. The switching occurs when the caused by the current flow through R1 voltage drop for switching through reached by M3 threshold voltage required.
Der anodenseitige Zweig der Schaltungsanordnung wirkt hinsichtlich der Stromsteuerung entsprechend der Schaltungssymmetrie auf analoge Weise.Of the anode-side branch of the circuit arrangement acts in terms of Current control according to the circuit symmetry in an analogous manner.
- AA
- Anodeanode
- CC
- Kathodecathode
- C1, C2C1, C2
- C3, C4C3, C4
- Kondensatorcapacitor
- GNDGND
- negativer Pol der Spannungsquellenegative Pole of the voltage source
- M1, M3M1, M3
- p-MOS-Transistorp-MOS transistor
- M2, M4M2, M4
- n-MOS-Transistorn-MOS transistor
- PDPD
- Photodiodephotodiode
- R1, R2R1, R2
- Vorspannungswiderstandbias
- R3, R4R3, R4
- Widerstandresistance
- TIATIA
- TransimpedanzverstärkerTransimpedance amplifier
- VCCVCC
- positiver Pol der Spannungsquellepositive Pole of the voltage source
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Legal Events
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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