-
Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, eine Detektoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Verstärkers.
-
Photodioden finden als Sensoren Anwendung in zahlreichen Feldern, etwa in Lichtschranken, in optischen Näherungsschaltern (proximity switches) und in Fernbedienungen (infrared (IR) remote control). Die hohe Lichtempfindlichkeit von Photodioden ist dabei eine erwünschte Eigenschaft, die jedoch in vielen Anwendungsbereichen auch zu Problemen führt. In der Regel kommt es zu einer Überlagerung von DC oder niederfrequenten Signalkomponenten auf das eigentliche Nutzsignal. So hat das Umgebungslicht durch Lichtquellen wie Glühbirnen oder auch das Tageslicht die Folge, dass entsprechende Signale dem Nutzsignal überlagert werden, ohne dabei nützliche Informationen zu tragen. Solche überlagerten Signale vergrößern jedoch die Anforderungen an die weitere Signalverarbeitung der entsprechenden Messschaltungen. Beispielsweise müssen derartige Schaltungen einen großen dynamischen Signalbereich aufweisen. Des Weiteren müssen geeignete Messschaltungen in der Lage sein, das im Vergleich zu den überlagerten Signalen kleine Nutzsignal zu detektieren und vom Rauschen zu trennen, das meist ähnliche Signalamplituden wie das Nutzsignal aufweist.
-
Um Schaltungen zur Signalauswertung einer Photodiode möglichst einfach und kompakt zu halten, wurden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen. So ist es möglich, eingangsseitig und damit vor einer nachgeschalteten Signalverarbeitung die DC bzw. niederfrequenten Komponenten durch geeignete Filter herauszufiltern. Solche Ansätze sind in der Regel jedoch nicht sehr effektiv, weil aufgrund der meist geforderten Implementierung als integrierte Schaltkreise spezifische Rahmenbedingungen eingehalten werden müssen. Beispielsweise steht meist nur eine niedrige Versorgungsspannung zur Verfügung und Komponenten der Schaltungen müssen entsprechend dimensioniert werden. Dies macht sie sehr rauschanfällig.
-
Ein weiterer Ansatz benutzt einen Transimpedanzverstärker und eine aktive Rückführung verstärkter Signale. Dazu zeigt
US 2005/0128006 A1 einen Transimpedanzverstärker mit negativer, aktiver Rückführung. In Abhängigkeit eines Photostroms einer Photodiode wird durch eine Verstärkerstrecke eine Ausgangsspannung generiert. Dabei umfasst die Verstärkerstrecke einen Transimpedanzverstärker und einen weiteren Verstärker. Die Ausgangsspannung hat sowohl DC wie auch AC Signalanteile. Um den Anteil von DC und niederfrequenten Komponenten im Photostrom zu kompensieren, werden Ausgänge der Verstärkerstrecke durch eine aktive Rückführungsschleife auf den Photostrom zurückgeführt.
-
Aus der
US 6404281 B1 ist ein Transimpedanzverstärker mit einem zweistufigen Filter bekannt.
-
In den vorgestellten Ansätzen ist es jedoch nachteilig, dass durch rauschbehaftete Signale auf den Eingang der Verstärkerschaltung addiert werden. Dies ist gerade in Anwendungen von Photodioden von Nachteil, weil deren AC-Nutzsignal in der Regel klein gegenüber den DC-Signalanteilen ist und sich zudem nahe am Rauschlevel der Schaltung bewegt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verstärkerschaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer Verstärkerschaltung vorzusehen, die ein reduziertes Rauschverhalten aufweist.
-
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
In einer Ausführungsform umfasst eine Verstärkerschaltung einen Messpfad mit einem Verstärker, der einen ersten und zweiten Verstärkereingang sowie einen Verstärkerausgang aufweist. Die Verstärkerschaltung umfasst ferner einen Rückführungspfad, der ein erstes Filter, den Hilfsverstärker und ein zweites Filter umfasst. Das erste Filter ist mit dem Verstärkerausgang verbunden. Der Hilfsverstärker weist einen ersten und zweiten Hilfsverstärkereingang, sowie einen Hilfsverstärkerausgang auf. Dabei ist der erste Hilfsverstärkereingang mit dem ersten Filter verbunden. Das zweite Filter koppelt den Hilfsverstärkerausgang mit dem ersten Verstärkereingang.
-
Mit dem Messpfad der Verstärkerschaltung wird ein Photostrom beispielsweise einer am ersten Verstärkereingang anschließbaren Photodiode gemessen. In Abhängigkeit dieses Photostroms generiert der Verstärker eine Ausgangsspannung, die in der Regel sowohl DC- wie auch AC-Komponenten aufweist. Mit Hilfe des Rückführungspfades wird diese Ausgangsspannung auf den ersten Verstärkereingang zurückgeführt. Dabei ist das erste Filter dazu eingerichtet, eine Gleichspannung aus der Ausgangsspannung zu filtern. Auf diese Weise liegt am ersten Hilfsverstärkereingang eine Eingangsspannung an, die keine oder nur reduzierte gleich- beziehungsweise niederfrequente Spannungsanteile aufweist. Der Hilfsverstärker wiederum ist dazu ausgestaltet, eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom zu wandeln. Ein so gewonnener Ausgangsstrom wird dann dem zweiten Filter zugeführt. Das zweite Filter wiederum ist dazu eingerichtet Rauschen aus dem Ausgangsstrom zu filtern. Der so gefilterte, rauscharme Strom wird als Rückführungsstrom in den Messpfad und damit auf den ersten Verstärkereingang aufgeprägt.
-
Bevorzugt werden das erste und zweite Filter aufeinander abgestimmt. Dabei bestimmen Filterparameter, wie beispielsweise deren Grenzfrequenz (cut-off frequency), die jeweiligen Übertragungsfunktionen der Filter. Der gesamte Rückführungspfad ist durch eine Gesamtübertragungsfunktion charakterisiert, die mit Hilfe von Übertragungsfunktionen der einzelnen Filter ausgedrückt werden kann. Das erste und zweite Filter sind nun dahingehend aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam zu einer Phasenverschiebung führen, die die Rückführung stabil hält. Bevorzugt werden Phasenverschiebungen kleiner als 180° verwendet. Weiterhin sind Phasenverschiebungen im Bereich von 120 bis 135° bevorzugt.
-
Mit Hilfe des ersten und zweiten Filters lassen sich die Filtereigenschaften der Verstärkerschaltung vorteilhaft verbessern. Während das erste Filter zu einer geeigneten Filterung von Gleichspannungs- und niederfrequenten Signalkomponenten führt, ist es möglich, mit dem zweiten Filter Rauschanteile im Rückführungsstrom zu reduzieren. Auf diese Weise wird verhindert, dass Rauschen auf dem ersten Verstärkereingang der Verstärkerschaltung addiert werden. Da ein solches Rauschen in der Regel von vergleichbarer Größe wie das Nutzsignal einer Photodiodenschaltung ist, lässt sich die Verstärkerschaltung gerade für Anwendungen von Photodioden vorteilhaft verwenden.
-
In einer Ausführungsform weist das zweite Filter einen Pol auf, der so gewählt ist, dass der Pol des zweiten Filters mittels einer Nullstelle des ersten Filters kompensierbar ist.
-
Mit Hilfe einer solchen Pol-Nullstellenkompensation wird der Rückführungspfad so eingestellt, dass die Verstärkerschaltung insgesamt stabil bleibt. Bevorzugt wird die Phasenverschiebung des Rückführungspfades so eingestellt, dass die Phasenverschiebung kleiner 180°, bevorzugt im Bereich zwischen 120 und 135° liegt.
-
Vorteilhafterweise lässt sich durch die Pol-Nullstellenkompensation das erste und das zweite Filter so kombinieren, dass einerseits DC und niederfrequente Signalkomponenten gefiltert werden können und andererseits Rauschen aus dem gefilterten Rückführungsstrom entfernt werden kann. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, dass durch die Abstimmung der beiden Filter bzw. deren korrespondierende Phasenverschiebungen die Verstärkerschaltung stabil bleibt und so Übersteuerungen des Verstärkers verhindert werden können.
-
Die Kombination aus erstem und zweitem Filter verhindert ferner ein Übersteuern der Schaltung. Würde beispielsweise nur das zweite Filter nach dem Hilfsverstärker vorgesehen sein, würden Signale, die über der Grenzfrequenz des zweiten Filters lägen, den Verstärker in eine Sättigung treiben. Durch die Kombination des ersten und zweiten Filters hingegen lassen sich solche Übersteuerungen verhindern und ohne Signalverzerrungen beziehungsweise weiterhin unerwünschte Signalkomponenten realisieren.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verstärker einen Transimpedanzverstärker.
-
Vorteilhafterweise lassen sich mit Hilfe eines Transimpedanzverstärkers präzise Messungen kleiner Ströme, wie etwa dem Photostrom, bewerkstelligen. Beispielsweise kann in einem Betrieb mit einer angeschlossenen Photodiode ein Photostrom über viele Größenordnungen zur einfallenden Lichtintensität proportional gemessen werden. Dabei werden betriebene Photodioden bevorzugt mittels ihrer Kathode mit einer Versorgungsspannung verbunden und mit der Anode an eine virtuelle Masse und den ersten Verstärkereingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossen. Auf diese Weise ergibt sich bei Lichteinfall eine negative Ausgangsspannung und es ist meist keine symmetrische Versorgungsspannung notwendig. Des Weiteren kann ein Transimpedanzverstärker programmierbar ausgestaltet sein und durch geeignete Schalter den sich über mehrere Größenordnungen erstreckenden Messbereich der Photodiode zugänglich machen.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erste und zweite Filter jeweils ein Tiefpassfilter.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erste und zweite Filter jeweils ein Allpassfilter.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Filter mit einer Stromquelle gekoppelt.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromquelle einen Stromspiegel, der einen ersten und zweiten Transistor umfasst, die mittels ihrer Steuerseiten miteinander gekoppelt sind. Das zweite Filter ist zwischen dem ersten und zweiten Transistor des Stromspiegels angeordnet und jeweils mit den Steuerseiten des ersten und zweiten Transistor verbunden.
-
In einer Ausführungsform einer Detektoranordnung ist die Verstärkeranordnung mittels des ersten Verstärkereingangs mit einer Photodiode verbunden. Weist die Verstärkerschaltung zudem eine Stromquelle auf, so befindet sich bevorzugt die Photodiode in einem gemeinsamen Strompfad mit der Stromquelle und wird von dieser versorgt. Der Strompfad liegt am Hilfsverstärkerausgang an und führt über das zweite Filter und die Stromquelle zum ersten Verstärkereingang.
-
In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Verstärkers wird eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit eines Photostroms bereitgestellt. Durch Filtern einer Gleichspannung aus der Ausgangsspannung wird eine gefilterte Gleichspannung abgeleitet. Das Verfahren umfasst ferner ein Umwandeln der gefilterten Gleichspannung in einen Ausgangsstrom, sowie ein Ableiten eines rauschreduzierten Stroms mittels Filtern von Rauschen aus dem Ausgangsstrom. Der rauschreduzierte Strom wird zum Kompensieren des Photostroms verwendet.
-
Mit Hilfe des Filterns der Gleichspannung und des Rauschens lässt sich die Verstärkerschaltung vorteilhaft und mit verbesserten Filtereigenschaften betreiben. Während zunächst Gleichspannungs- und niederfrequente Signalkomponenten gefiltert werden, ist es möglich, mit der Filterung von Rauschen den rauschreduzierten Strom zu generieren und zur Kompensation des Photostroms zu verwenden. Auf diese Weise wird verhindert, dass Rauschen an einem Verstärkereingang der Verstärkerschaltung addiert wird. Da ein solches Rauschen in der Regel von vergleichbarer Größe wie das Nutzsignal einer Photodiodenschaltung ist, lässt sich die Verfahren gerade für Anwendungen von Photodioden vorteilhaft verwenden.
-
Die kombinierte Filterung verhindert ferner ein Übersteuern der Schaltung. Würde beispielsweise nur die Filterung von Rauschen vorgesehen sein, würden Signale, die über der Grenzfrequenz der Filterung lägen, den Verstärker in eine Sättigung treiben. Durch die Kombinationen hingegen lassen sich solche Übersteuerungen verhindern und ohne Signalverzerrungen beziehungsweise weiterhin unerwünschte Signalkomponenten realisieren.
-
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Filtern von Rauschen aus dem Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Filterns der Gleichspannung aus der Ausgangsspannung.
-
Jede Art von Filterung in einer Verstärkerschaltung führt zu einer charakteristischen Phasenverschiebung, die durch eine Übertragungsfunktion beschrieben werden kann. Um die Verstärkerschaltung stabil betreiben zu können, ist es vorteilhaft, das Filtern von Rauschen aus dem Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Filterns der Gleichspannung aus der Ausgangsspannung entsprechend so aufeinander abzustimmen, dass sich eine Übertragungsfunktion ergibt, die zu einer Phasenverschiebung führt, die kleiner als 180°, bevorzugt im Bereich zwischen 120 und 135° liegt.
-
In einer weiteren Ausführungsform erfolgen das Filtern von Rauschen aus dem Ausgangsstrom und das Filtern der Gleichspannung aus der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Übertragungsfunktionen. Mindestens eine Nullstelle der Übertragungsfunktion des Filterns der Gleichspannung korrespondiert mit einem Pol der Übertragungsfunktion des Filterns von Rauschen.
-
Indem mindestens eine Nullstelle der Übertragungsfunktion des Filterns der Gleichspannung mit einem Pol der Übertragungsfunktion des Filterns von Rauschen korrespondiert, wird eine Pol-Nullstellenkompensation realisiert. Dadurch wird die Verstärkerschaltung so eingestellt, dass sie insgesamt stabil bleibt. Bevorzugt wird die Phasenverschiebung der Rückführung so eingestellt, dass die Phasenverschiebung kleiner 180°, bevorzugt im Bereich zwischen 120 und 135° liegt. Vorteilhafterweise lässt sich weiterhin durch die Pol-Nullstellenkompensation Übersteuerungen des Verstärkers verhindern.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
-
Es zeigen:
-
1 eine Verstärkeranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
-
2 Filterübertragungsfunktionen einer Verstärkeranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
-
1 zeigt eine Verstärkerschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. In einem Messpfad weist die Verstärkerschaltung einen Verstärker 1 auf, dessen erster Verstärkereingang 11 und Verstärkerausgang 13 mittels eines Widerstands RTIA verbunden sind. An einem zweiten Verstärkereingang 12 liegt ein Potential agnd an. Der Verstärkerausgang 13 ist mit einem Ausgang OUT der Verstärkerschaltung verbunden. Ein Rückführungspfad der Verstärkerschaltung umfasst ein erstes Filter 2, einen Hilfsverstärker 3, ein zweites Filter 4 und eine Stromquelle 5. Der Rückführungspfad verbindet ferner den Ausgang OUT der Verstärkerschaltung mit dem ersten Verstärkereingang 11.
-
Im Einzelnen weist dabei das erste Filter 2 einen ersten und zweiten Widerstand R1, R2, sowie einen ersten und zweiten Kondensator C1, C2 auf. Der erste Widerstand R1 und der erste Kondensator C1 bilden dabei ein RC-Glied, wobei der erste Kondensator C1 am Potential agnd anliegt. Der erste Widerstand R1 ist zudem mit dem Ausgang OUT der Verstärkeranordnung verbunden. Parallel geschaltet zum ersten Widerstand R1 sind der zweite Widerstand R2 und der zweite Kondensator C2 in Reihe geschaltet. Der erste Widerstand R1 und der erste Kondensator C1 sind mit einem ersten Hilfsverstärkereingang 31 des Hilfsverstärkers 3 verbunden. Der Hilfsverstärker 3 weist zudem einen mit dem Potential agnd verbundenen zweiten Hilfsverstärkereingang 32 auf. Ein Hilfsverstärkerausgang 33 des Hilfsverstärkers 3 liegt an einer Stromquelle 5 an. Die Stromquelle 5 umfasst einen Stromspiegel aus einem ersten und einem zweiten Transistor T1, T2, die mittels ihrer Lastseiten mit einer ersten Versorgungsspannung VSS mit Spannung versorgt werden. Der erste Transistor T1 ist mit dem Hilfsverstärkerausgang 33 und der zweite Transistor T2 ist mit dem ersten Verstärkereingang 11 verbunden. Ein Verbindungszweig verbindet die Steuerseiten des ersten und zweiten Transistors T1, T2. Im Verbindungszweig des Stromspiegels befindet sich das zweite Filter 4, das als ein RC-Glied ausgeführt ist. Das zweite Filter 4 ist zudem mit dem Hilfsverstärkerausgang 33 verbunden. Entlang des Verbindungszweiges weist das RC-Glied einen dritten Widerstand R3 auf, der über einen dritten Kondensator C3 an die erste Versorgungsspannung VSS angeschlossen ist. Ferner ist der Stromspiegel verbunden mit dem ersten Verstärkereingang 11. Des Weiteren ist eine Photodiode PD mit dem Stromspiegel in einem gemeinsamen Strompfad mit dem ersten Verstärkereingang 11 und der ersten Versorgungsspannung VSS verbunden. Der Strompfad führt über eine zweite Versorgungsspannung VDD und den ersten Verstärkereingang 11 über den zweiten Transistor T2 auf die ersten Versorgungsspannung VSS.
-
Die Photodiode PD generiert in Abhängigkeit eines einfallenden Lichtes einen Photostrom Ipd. In Kombination mit dem Transimpedanzverstärker 1 ist dieser Photostrom Ipd proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. In Abhängigkeit des Photostroms Ipd verstärkt der Transimpedanzverstärker 1 eine Ausgangsspannung Vout, die am Verstärkerausgang 13 bereitgestellt wird. Dabei ist die Verstärkung durch den Widerstand RTIA bestimmt und durch Vout = Ipd·RTIA gegeben. Die Ausgangsspannung Vout ist am Ausgang OUT der Verstärkerspannung abgreifbar und wird über den Rückführungspfad auf den Transimpedanzverstärker 1 zurückgeführt.
-
Dazu wird die Ausgangsspannung Vout zunächst über das erste Filter 2 gefiltert. Dies geschieht nach einer charakteristischen Übertragungsfunktion H2 des ersten Filters 2. Das genaue Aussehen der Übertragungsfunktion H2 des ersten Filters wird durch den ersten und zweiten Widerstand R1, R2, sowie durch den ersten und zweiten Kondensator C1, C2 bestimmt. Weitere Details zur Übertragungsfunktion der verwendeten Filter werden mit Bezug auf 2 erläutert. Das erste Filter 2 stellt am Eingang des Hilfsverstärkers 31 eine gefilterte Ausgangsspannung Vfil bereit. Der Hilfsverstärker 3 verstärkt diese gefilterte Ausgangsspannung Vfil in Abhängigkeit des am zweiten Hilfsverstärkereingang 31 anliegenden Potentials agnd. Der Hilfsverstärker 3 ist dazu eingerichtet, aus der gefilterten Ausgangsspannung Vfil einen gefilterten Ausgangsstrom Ifil bereitzustellen. Dieser Ausgangsstrom Ifil wird dem Stromspiegel zugeführt und durch das zweite Filter 4 gefiltert. Auch das zweite Filter 4 weist dabei eine charakteristische Übertragungsfunktion H4 des zweiten Filters 4 auf. Das genaue Aussehen der Übertragungsfunktion H4 des zweiten Filters 4 wird durch den dritten Widerstand R3 und den dritten Kondensator C3 bestimmt. Die Kombination aus Stromspiegel und zweitem Filter 4 generiert einen rauschreduzierten Ausgangsstrom Idc, der auf den ersten Verstärkereingang 11 aufgeprägt wird.
-
Mit Hilfe des ersten und zweiten Filters 2, 4 lassen sich die Filtereigenschaften der Verstärkerschaltung vorteilhaft verbessern. Während das erste Filter 2 zu einer geeigneten Filterung von Gleichspannungs- und niederfrequenten Signalkomponenten führt, ist es möglich, mit dem zweiten Filter 4 Rauschanteile im Rückführungsstrom zu reduzieren. Auf diese Weise wird verhindert, dass Rauschen auf dem ersten Verstärkereingang 11 der Verstärkerschaltung addiert wird. Da ein solches Rauschen in der Regel von vergleichbarer Größe wie das Nutzsignal einer Photodiodenschaltung ist, lässt sich die Verstärkerschaltung gerade für Anwendungen von Photodioden PD vorteilhaft verwenden.
-
Die Kombination aus erstem und zweitem Filter 2, 4 verhindert ferner ein Übersteuern der Schaltung. Würde beispielsweise nur das zweite Filter 4 nach dem Hilfsverstärker 3 vorgesehen sein, würden Signale, die über der Grenzfrequenz des zweiten Filters lägen, den Verstärker in eine Sättigung treiben. Durch die Kombinationen des ersten und zweiten Filters 2, 4 hingegen lassen sich solche Übersteuerungen verhindern und ohne Signalverzerrungen beziehungsweise weiterhin unerwünschte Signalkomponenten realisieren.
-
2 zeigt charakteristische Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Filters 2, 4 einer Verstärkeranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Aufgetragen sind Übertragungsfunktionen H als Funktion einer Frequenz f gemessen in Hz.
-
Das erste und zweite Filter 2, 4 werden aufeinander abgestimmt. Dabei bestimmen Filterparameter, wie beispielsweise deren Grenzfrequenz fc1, fc2, fc3 (cut-off frequency), die jeweiligen Übertragungsfunktionen der Filter H2, H4, HFB. Der gesamte Rückführungspfad ist durch eine Gesamtübertragungsfunktion HFB charakterisiert, die mit Hilfe von Übertragungsfunktionen H2, H4 der einzelnen Filter ausgedrückt werden kann. Im Einzelnen ergeben sich für das erste Filter 2 die Grenzfrequenzen fc1 = (2πR1C1)–1 fc2 = (2πR2C2)–1.
-
Diese Grenzfrequenzen spiegeln sich in der Übertragungsfunktion H2 des ersten Filters 2 wider. An den Grenzfrequenzen fc1, fc2 des ersten Filters 2 weist die Übertragungsfunktion H2 jeweils eine Stufe auf. Entsprechend ergibt sich die Grenzfrequenz fc3 des zweiten Filters 4 zu fc3 = (2πR3C3)–1.
-
Dem entsprechend zeigt die Übertragungsfunktion H4 des zweiten Filters nur eine Stufe, die bei der Grenzfrequenz fc3 auftritt. Eine solche einstufige Übertragungsfunktion ist charakteristisch für ein Tiefpassfilter.
-
Das erste und zweite Filter 2, 4 sind nun dahingehend aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam zu einer Phasenverschiebung führen, die die Rückführung stabil hält. Bevorzugt werden Phasenverschiebungen kleiner als 180° verwendet. Weiterhin sind Phasenverschiebungen im Bereich von 120 bis 135° bevorzugt. Dies wird erreicht, indem die Grenzfrequenzen fc1, fc2, fc3 bzw. die entsprechenden Widerstände und Kondensatoren R1, R2, R3, C1, C2, C3 so gewählt werden, dass das zweite Filter 4 einen Pol aufweist und dieser mittels einer Nullstelle des ersten Filters 2 kompensierbar ist. Eine solche Pol-Nullstellenkompensation wird durch die folgende Bedingung charakterisiert: fc3 = (2πR3C3)–1 = (2πR1C3)–1 := fc3'.
-
Dabei bezeichnet fc3' die Grenzfrequenz der Pol-Nullstellenkompensation. Ist diese Bedingung erfüllt, ergibt sich für den gesamten Rückführungspfad aus den zwei Übertragungsfunktionen H2, H4 eine Gesamtübertragungsfunktion HFB, die ebenfalls in 2 abgebildet ist. Insgesamt zeigt die Gesamtübertragungsfunktion HFB einen Verlauf, wie es ein einzelnes Tiefpassfilter zeigen würde. Dies ergibt sich dadurch, dass ein Pol des zweiten Filters 4 durch eine Nullstelle des ersten Filters 2 kompensiert ist.
-
Das erste und zweite Filter 2, 4 sind nun dahingehend aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam zu einer Gesamtübertragungsfunktion HFB führen, die einem Tiefpass entspricht. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Phasenverschiebung, die die Rückführung stabil hält. Bevorzugt werden Phasenverschiebungen kleiner als 180° verwendet. Weiterhin sind Phasenverschiebungen im Bereich von 120° bis 135° bevorzugt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verstärker
- 11
- erster Verstärkereingang
- 12
- zweiter Verstärkereingang
- 13
- Verstärkerausgang
- 2
- erstes Filter
- 3
- Hilfsverstärker
- 31
- erster Hilfsverstärkereingang
- 32
- zweiter Hilfsverstärkereingang
- 33
- Hilfsverstärkerausgang
- 4
- zweites Filter
- 5
- Stromquelle
- 6
- Überbrückungsschaltkreis
- agnd
- Potential
- fc1
- Grenzfrequenz
- fc2
- Grenzfrequenz
- fc3
- Grenzfrequenz
- fc3'
- Grenzfrequenz
- H
- Übertragungsfunktion
- H2
- Übertragungsfunktion des ersten Filters
- H4
- Übertragungsfunktion des zweiten Filters
- HFB
- Gesamtübertragungsfunktion
- I1
- Konstantstromquelle
- I2
- Konstantstromquelle
- I3
- Konstantstromquelle
- Idc
- Rückführungsstrom
- Ifil
- gefilterter Ausgangsstrom
- Ipd
- Photostrom
- OUT
- Ausgang
- PD
- Photodiode
- RTIA
- Widerstand
- T1
- Überbrückungstransistor
- T2
- Überbrückungstransistor
- VDD
- zweite Versorgungsspannung
- Vfil
- gefilterte Ausgangsspannung
- VSS
- erste Versorgungsspannung
- Vout
- Ausgangsspannung
