DE102017127963A1

DE102017127963A1 - Schaltungsanordnung zum Erfassen von Licht

Info

Publication number: DE102017127963A1
Application number: DE102017127963.6A
Authority: DE
Inventors: Alf Neustadt
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1, 2, 3) zum Erfassen von Licht, mit:- wenigstens zwei Fotodioden (4, 5), die einen jeweiligen Fotostrom (6, 7) abhängig von durch die jeweilige der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) erfasstem Licht bereitstellen, wobei Anodenanschlüsse (8, 9) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) an ein gemeinsames elektrisches Potential (10) angeschlossen sind,- jeweils eine an eine jeweilige Kathode (11, 12) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) angeschlossene Auswerteschaltung (13) zum Erfassen des jeweiligen Fotostroms (6, 7) und zum Ermitteln eines jeweiligen elektrischen Fotostromsignals (14, 15) abhängig vom jeweils erfassten Fotostrom (6, 7), und- einer Steuerschaltung (16), die ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von einem größten der durch die wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) bereitgestellten Fotoströme (6, 7) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Licht mit wenigstens zwei Fotodioden, die einen jeweiligen Fotostrom abhängig von durch die jeweilige der wenigstens zwei Fotodioden erfasstem Licht bereitstellen, wobei Anodenanschlüsse der wenigstens zwei Fotodioden an ein gemeinsames elektrisches Potential angeschlossen sind, und jeweils eine an eine jeweilige Kathode der wenigstens zwei Fotodioden angeschlossene Auswerteschaltung zum Erfassen des jeweiligen Fotostroms und zum Ermitteln eines jeweiligen elektrischen Fotostromsignals abhängig vom jeweils erfassten Fotostrom. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Scanner, insbesondere einem Laserscanner, wobei der Scanner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Licht aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Erfassen von Licht, wobei wenigstens zwei Fotodioden einen jeweiligen Fotostrom abhängig von durch die jeweilige der wenigstens zwei Fotodioden erfasstem Licht bereitstellen, wobei Anodenanschlüsse der wenigstens zwei Fotodioden an ein gemeinsames elektrisches Potential angeschlossen sind, und mittels jeweils einer an eine jeweilige Kathode der wenigstens zwei Fotodioden angeschlossene Auswerteschaltung der jeweilige Fotostrom erfasst und ein jeweiliges elektrisches Fotostromsignal abhängig vom jeweils erfassten Fotostrom ermittelt wird.
Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen sowie Verfahren der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Sie finden insbesondere Anwendung bei Nutzung von Avalanche-Fotodioden (englisch: avalanche photodiode (APD)) und werden in der Regel mit vergleichsweise hohen Spannungen in Sperrrichtung betrieben, zum Beispiel mit einer elektrischen Spannung in einem Bereich von etwa 100 V bis etwa 300 V, gelegentlich auch mit einer elektrischen Spannung in einem Bereich von etwa einem oder mehrerer tausend Volt. Die hohe Spannung dient dazu, den gewünschten Avalanche-Verstärkungseffekt erreichen zu können. Die Verstärkung der Avalanche-Fotodiode hängt unter anderem von der an der Avalanche-Fotodiode anliegenden elektrischen Spannung ab, das heißt, einer elektrischen Spannung zwischen einem Anodenschluss und einem Kathodenanschluss der Fotodiode.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb, insbesondere bei Avalanche-Fotodioden, zeigt sich, dass die hohe an der Avalanche-Fotodiode anliegende elektrische Spannung bei einem Stromfluss eine ebenfalls hohe elektrische Verlustleistung zur Folge hat, insbesondere wenn ein Fotostrom der Avalanche-Fotodiode groß ist. In vielen Anwendungen ist jedoch ein Pegel des gewöhnlich mit der Avalanche-Fotodiode erfassten Lichts gering, sodass die Verlustleistung deren Funktionalität nicht wesentlich beeinflusst. Probleme können jedoch zum Beispiel bei Systemen zur optischen Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung sowie auch bei Systemen zur Fernmessung atmosphärischer Parameter auftreten, die unter Nutzung von Licht operieren. Derartige Systeme sind zum Beispiel Light Detection and Ranging (LIDAR) Systeme oder auch Laser Detection and Ranging (LADAR) Systeme.
Insbesondere bei Systemen basierend auf LIDAR-Anwendungen kann ein großer Pegel an Hintergrundlicht auftreten, der insbesondere bei Avalanche-Fotodioden einen signifikanten Fotostrom zur Folge hat. Um hier die Avalanche-Fotodiode vor einer thermischen Überlastung zu schützen, besteht die Möglichkeit, zu der Fotodiode einen elektrischen Widerstand in Reihe zu schalten, dessen Widerstandswert derart gewählt ist, dass der Fotostrom eine geeignete Spannungsreduktion an der Avalanche-Fotodiode zur Folge hat, wodurch jedoch die Verstärkung der Avalanche-Fotodiode und deshalb auch der Fotostrom der Avalanche-Fotodiode reduziert wird. Infolgedessen reduziert sich natürlich auch deren Verlustleistung.
Insbesondere bei Avalanche-Fotodioden ist es üblich, den Fotostrom zu erfassen und mittels eines Transimpedanzverstärkers (englisch: Trans-Impedance Amplifier (TIA)) zu verstärken. Da insbesondere bei LIDAR-Anwendungen ein Hintergrundlicht in der Regel kein nützliches Signal ist und häufig ein Spektrum des Hintergrundlichts deutlich unterhalb des Spektrums des Nutzsignals liegt, ist es üblich, die Avalanche-Fotodiode entweder nur wechselspannungsmäßig mit dem Transimpedanzverstärker zu koppeln oder den Transimpedanzverstärker derart auszubilden, dass er eine Gleichsignal-Kompensations-Schleife gebildet wird. Bei diskretem Schaltungsaufbau des Transimpedanzverstärkers können darüber hinaus auch frequenzselektive Rückkopplungsnetzwerke, insbesondere unter Nutzung von Induktivitäten, vorgesehen sein. Jedoch hat sich gezeigt, dass ein Übersteuerungsverhalten derartiger Transimpedanzverstärker nicht besonders gut ist und darüber hinaus eine Integration in eine monolithische Schaltung schwierig ist. Zwar würde eine wechselspannungsmäßige Kopplung eine monolithische Integration des Transimpedanzverstärkers dem Grunde nach erlauben, jedoch erweist es sich als aufwändig, für die kapazitive Kopplung benötigte elektrische Kondensatoren, insbesondere zwischen der Avalanche-Fotodiode und dem Transimpedanzverstärker zu integrieren, insbesondere auch, weil hierfür große Kapazitätswerte benötigt werden.
Wird lediglich eine einzelne beziehungsweise einzige Avalanche-Fotodiode genutzt, können die vorgenannten Probleme bei angemessenem Aufwand zwar realisiert werden. Problematisch erweist sich dies jedoch insbesondere dann, wenn eine Anzahl von Avalanche-Fotodioden größer als eins ist, wie es beispielsweise bei Matrizen aus Avalanche-Fotodioden auftritt, die zum Beispiel zeilenartig oder auch zweidimensional gestaltet sein können. Für solche Anwendungen würde eine Ausgestaltung einer Wechselspannungskopplung einen so erheblichen Raumbedarf fordern, dass eine sinnvolle Realisierung nicht mehr möglich erscheint. Darüber hinaus kann das Problem auftreten, dass Einwirkungen einer Frequenzantwort aufgrund von Leitungsführungen zu und von einem jeweiligen der Kondensatoren zu ungünstig werden.
Bei einer Matrix aus Avalanche-Fotodioden ist üblicherweise ferner vorgesehen, dass die Avalanche-Fotodioden der Matrix ein gemeinsames elektrisches Potential anodenseitig aufweisen. Dies ist bedingt durch die Halbleiterkonstruktion. Daraus ergibt sich, dass die jeweiligen erforderlichen Transimpedanzverstärker im Wesentlichen nur mit den jeweiligen Kathoden der Avalanche-Fotodioden verbunden sein können, um die gewünschte Funktionalität zu realisieren. Daraus ergibt sich, dass eine Gleichspannungskopplung zwischen den Avalanche-Fotodioden und dem jeweils zugeordneten Transimpedanzverstärker vorteilhaft ist.
Der Transimpedanzverstärker hat üblicherweise eine Eingangsspannung in einem Bereich von etwa 1 V, sodass alle Avalanche-Fotodioden mit etwa der gleichen elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Wird diese Schaltungsstruktur zum Beispiel mit einem Schutzwiderstand betrieben, um eine jeweilige einzelne der Avalanche-Fotodioden der Matrix vor einer thermischen Überbeanspruchung zu schützen, so ist dieser im Bereich der Anodenanschlüsse anzuordnen. Dabei erweist es sich jedoch als problematisch, dass, wenn eine Situation mit einer hohen Lichtbeaufschlagung bezüglich einer oder mehrerer der Avalanche-Fotodioden auftritt, die Dimensionierung des Schutzwiderstands schwierig wird. Denn einerseits muss die Lichtbeaufschlagung einer einzelnen Avalanche-Fotodiode berücksichtigt werden, sodass der Schutzwiderstand groß genug sein muss, um die einzelne Avalanche-Fotodiode vor thermischer Überlastung schützen zu können, während andrerseits bei einer mittelstarken Lichtbeaufschlagung in Bezug auf eine oder eine Mehrzahl der Avalanche-Fotodioden eine Reduktion der Verstärkung die Folge ist, und zwar wegen der Spannungsreduktion aufgrund der Schutzwirkung des Schutzwiderstands, der deshalb möglichst einen geringen Widerstandswert aufweisen sollte. Diese entgegenstehenden Anforderungen an die Dimensionierung des Schutzwiderstandes lassen nur eine Lösung zu, die nur eine sehr begrenzte vorteilhafte Wirkung erlaubt.
Auch der Ersatz des Schutzwiderstands durch einen Strombegrenzer kann diese Problematik nicht ausräumen. Zwar kann eine Verbesserung hinsichtlich der Konstanz der an den Avalanche-Fotodioden anliegenden elektrischen Spannung erreicht werden, jedoch erweist sich die Problematik hinsichtlich der Dimensionierung in Bezug auf die Schutzwirkung für eine einzelne der Avalanche-Fotodioden einerseits und der normale bestimmungsgemäße Betrieb andrerseits in Bezug auf einen möglichst geringen Einfluss auf die Verstärkung der Avalanche-Fotodioden als ein nahezu unlösbares Problem.
Aus der EP 0 745 868 B1 ist eine temperaturkompensierte Vorspannungsschaltung für einen Detektor mit Lawinenfotodiode (Avalanche-Fotodiode) und einem Transimpedanzverstärker für einen Laserentfernungsmesser bekannt. Die Lehre der EP 0 745 868 B1 basiert auf der Nutzung einer einzigen Avalanche-Fotodiode. Zum Schutz vor einer thermischen Überlastung der Avalanche-Fotodiode schlägt die EP 0 745 86 B1 einen separaten Temperatursensor vor, der thermisch mit der Avalanche-Fotodiode gekoppelt ist und ein entsprechendes Temperatursignal bereitstellt. Eine an den Temperatursensor angeschlossene Auswerteschaltung ermittelt aus dem Temperatursignal des Temperatursensors die Temperatur der Avalanche-Fotodiode und veranlasst bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturwerts eine Reduktion der an der Avalanche-Fotodiode anliegenden elektrischen Spannung. Für eine einzelne Avalanche-Fotodiode kann auf diese Weise eine Schutzfunktion in Bezug auf thermische Überbeanspruchung erreicht werden. Gleichwohl erweist sich diese Schaltung als ausgesprochen aufwändig, für eine Anwendung bei einer Mehrzahl von Avalanche-Fotodioden sowie für die Integration in eine monolithische integrierte Schaltung als ungeeignet.
Ferner offenbart die US 2009/0008534 A1 eine Fotodetektorschaltung. Die Fotodetektorschaltung dient dazu, eine einzelne Avalanche-Fotodiode in geeigneter Weise mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen und zugleich einen Fotostrom auszuwerten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren dahingehend zu verbessern, dass bei gleichzeitigem Betrieb von mehreren Avalanche-Fotodioden ein verbesserter Schutz gegen thermische Überlastung erreicht werden kann.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Schaltungsanordnung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen beansprucht.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese eine Steuerschaltung aufweist, die ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential abhängig von einem größten der durch die wenigstens zwei Fotodioden bereitgestellten Fotoströme einzustellen.
Für ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Erfassungseinrichtung eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung aufweist.
Verfahrensseitig wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass das gemeinsame elektrische Potential abhängig von einem größten der durch die wenigstens zwei Fotodioden bereitgestellten Fotoströme eingestellt wird.
Mit der Erfindung kann somit eine Schutzfunktion für eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Fotodioden erreicht werden, die es erlaubt, nicht nur thermische Einflüsse auszugleichen, sondern auch bei Beaufschlagung zumindest einer der Fotodioden mit einer hohen Lichtintensität eine thermische Überlastung einer einzelnen der Fotodioden zu vermeiden.
Die Erfindung basiert dabei auf dem Gedanken, das gemeinsame elektrische Potential, an dem die Anoden der wenigstens zwei Fotodioden angeschlossen sind, abhängig von dem größten der erfassten Fotoströme einzustellen. Zu diesem Zweck werden die jeweiligen Fotoströme der jeweiligen Fotodioden ermittelt. Diese Ströme können miteinander verglichen werden oder auch in Bezug auf einen vorgegebenen Fotostromvergleichswert verglichen werden. Abhängig von diesem Vergleichen kann dann der größte der erfassten Fotoströme ermittelt und zum Einstellen des gemeinsamen elektrischen Potentials genutzt werden. Die Steuerschaltung kann hierzu geeignete Stromsensoren aufweisen, mittels denen die Fotoströme der jeweiligen Fotodioden ermittelt werden können. Dabei kann das gemeinsame elektrische Potential so eingestellt werden, dass eine thermische Überlastung der Fotodiode, die den größten Fotostrom bereitstellt, zuverlässig vermieden werden kann. Dabei ist das gemeinsame elektrische Potential mit großer Zuverlässigkeit einstellbar, sodass eine möglichst hohe elektrische Spannung an den Fotodioden verbleiben kann, sodass auch die Fotodioden, die kleinere Fotoströme bereitstellen, möglichst wenig hinsichtlich ihrer Funktionalität beeinträchtigt zu werden brauchen. Hierdurch kann eine wesentliche Funktionsverbesserung in Bezug auf die zum Beispiel in der Beschreibungseinleitung zum Stand der Technik beschriebene Schutzfunktion mittels des Schutzwiderstands erreicht werden. Das gemeinsame elektrische Potential braucht nämlich - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht von den weiteren Fotoströmen der weiteren Fotodioden abhängig zu sein. Dies ist mit einem Schutzwiderstand natürlich nicht möglich.
Die Erfindung erlaubt es deshalb auch, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die sich auf einfache Weise integrieren lässt, zum Beispiel in eine monolithische integrierte Schaltung, beispielsweise nach Art eines Halbleiterchips oder dergleichen. Dadurch schafft die Erfindung auch die Möglichkeit, bei einer Schaltungsanordnung, die eine Mehrzahl von Fotodioden nutzt, eine hohe Integrationsdichte erreichen zu können. Durch die Schaltungsanordnung der Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, die Schaltungsstruktur hinsichtlich einer Integration in eine integrierte elektronische Schaltung zu optimieren. Die eingangs in Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Probleme und Nachteile können somit weitgehend vermieden werden.
Die Fotodioden sind vorzugsweise Halbleiterfotodioden. Sie können natürlich auch Fotodioden sein, die physikalisch grundsätzlich anders konstruiert sind, beispielsweise unter Nutzung von Gasen und/oder dergleichen. Die Fotodioden können als einzelne separate Bauelemente vorgesehen sein. Sie können aber auch durch ein gemeinsames Bauelement gebildet sein, in welchem die Fotodioden integriert angeordnet sind. So kann vorgesehen sein, dass die Fotodioden nach Art einer Matrix zusammengefasst und angeordnet sind. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Fotodioden mit ihren jeweiligen Anoden an das gemeinsame elektrische Potential angeschlossen sind. Dadurch kann eine einfache Verdrahtung der Fotodioden miteinander und/oder der Schaltungsanordnung erreicht werden.
Die Auswerteschaltung kann vorzugsweise ebenfalls durch eine elektronische Hardwareschaltung gebildet sein. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, dass die Auswerteschaltung zumindest teilweise auch durch eine Rechnereinheit gebildet ist, die die gewünschte Funktionalität entsprechend eines die Rechnereinheit steuernden Rechnerprogramms bereitstellt. Insgesamt wird somit die Möglichkeit eröffnet, nicht nur die Fotodioden im Rahmen einer monolithischen integrierten Schaltung zu realisieren, sondern darüber hinaus auch die erforderlichen Auswerteschaltungen ebenfalls bei der Integration zu berücksichtigen. Dies gilt im Übrigen auch für die Steuereinheit der Schaltungsanordnung. Insgesamt eröffnet sich somit die Möglichkeit, die gesamte Schaltungsanordnung als eine monolithisch integrierte Schaltung bereitzustellen. Dem Grunde nach gilt nämlich das für die Auswerteeinheit Festgestellte ebenso für die Steuerschaltung, die gleichermaßen wie die Auswerteschaltung durch eine elektronische Schaltung und/oder eine Rechnereinheit gebildet sein kann.
Licht im Sinne der Erfindung umfasst neben sichtbarem Licht auch Infrarotlicht, UV-Licht, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen. Licht kann sich darüber hinaus auch auf lediglich einen spektralen Teil des vorgenannten Lichtspektrums beziehen, beispielsweise ausschließlich UV-Licht, Infrarotlicht, einem spektralen Teil hiervon oder dergleichen. Der Begriff „Licht“ ist vorzugsweise an die Funktionalität der Fotodioden gekoppelt und kann zum Beispiel durch eine spektrale Empfindlichkeit der Fotodioden bestimmt sein. Auch wenn in der Regel die Fotodioden eine vergleichbare spektrale Empfindlichkeit aufweisen können, kann in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Fotodioden der Schaltungsanordnung auch voneinander abweichende spektrale Empfindlichkeiten aufweisen können. Eine entsprechende Anpassung der Schaltungsanordnung kann dann zu berücksichtigen sein.
Vorzugsweise ist die Steuerschaltung an die Auswerteschaltungen angeschlossen und ausgebildet, das gemeinsame elektrische Potential abhängig von den jeweils ermittelten Fotostromsignalen einzustellen. In dieser Ausgestaltung braucht die Steuerschaltung also keine eigenen Stromsensoren, um die Fotoströme der jeweiligen Fotodioden ermitteln zu können. Dies wird mittels der Auswerteschaltungen ermöglicht, die ohnehin die Fotoströme der jeweiligen Fotodioden erfassen, um die entsprechenden Fotostromsignale bereitstellen zu können. Da die Fotostromsignale durch die Auswerteschaltungen bereitgestellt werden können, und diese ein Maß für den jeweils zugeordneten Fotostrom darstellen, können diese also von der Steuerschaltung genutzt werden, um das gemeinsame elektrische Potential entsprechend einstellen zu können. Anhand der von den Auswerteschaltungen übermittelten Fotostromsignale wird dasjenige der Fotostromsignale ermittelt, welches dem größten Fotostrom einer der wenigstens zwei Fotodioden entspricht. Dieses Signal kann sodann zum Einstellen des gemeinsamen elektrischen Potentials herangezogen werden.
Vorzugsweise weist die Auswerteschaltung eine an eine Kathode der jeweiligen Fotodiode angeschlossene und mittels eines Stromquellensignals der Auswerteschaltung steuerbare Stromquellenschaltung auf, wobei die Auswerteschaltung ausgebildet ist, das Stromquellensignal abhängig vom Fotostromsignal bereitzustellen. Mittels der Stromquellenschaltung kann die Fotodiode somit mit einem vorgebbaren Strom beaufschlagt werden, der mittels des Stromquellensignals eingestellt werden kann. Das Stromquellensignal ist abhängig vom Fotostromsignal, sodass letztendlich der mit der Stromquellenschaltung bereitgestellte Strom abhängig vom Fotostromsignal ist. Dies erlaubt es, die Fotodiode in hochflexibler Weise ansteuern zu können, sodass für einen gewünschten Empfindlichkeitsbereich eine sehr gute Messempfindlichkeit erreicht werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteschaltung einen an die Kathode der jeweiligen Fotodiode angeschlossenen Transimpedanzverstärker aufweist. Der Transimpedanzverstärker dient dazu, insbesondere bei einer mit einem vorgebbaren Strom der Stromquellenschaltung beaufschlagten Fotodiode den Fotostrom erfassen zu können. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass ein Differenzstrom zwischen dem Fotostrom der zugeordneten Fotodiode und der Stromquellenschaltung ausgewertet wird, um das Fotostromsignal bereitzustellen. Das Fotostromsignal kann also durch den Transimpedanzverstärker unmittelbar bereitgestellt werden. Der Transimpedanzverstärker kann zu diesem Zweck eine elektronische Hardwareschaltung aufweisen, die zum Beispiel zumindest teilweise diskrete Bauteile wie beispielsweise Transistoren oder dergleichen umfasst. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Transimpedanzverstärker einen Operationsverstärker aufweist, der durch geeignete Beschaltung die Funktionalität des Transimpedanzverstärkers bereitstellt.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Steuerschaltung ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential abhängig von einem größten der Stromquellensignale einzustellen. Da die Stromquellensignale selbst von den Fotostromsignalen abhängig sind und diese wiederum den jeweiligen Fotoströmen der jeweiligen Fotodioden zugeordnet sind, kann somit auch das Stromquellensignal herangezogen werden, um das gemeinsame elektrische Potential einstellen zu können. Aus dem Stromquellensignal kann nämlich auf einen Wert des jeweiligen Fotostroms zurückgeschlossen werden, sodass auch anhand des Stromquellensignals der größte der Fotoströme ermittelt werden kann. Hierdurch kann eine schaltungstechnische Vereinfachung erreicht werden, weil ergänzend auch spezifische Eigenschaften, die für die Funktionalität der Schaltungsanordnung gewünscht sind, bei der Einstellung des gemeinsamen elektrischen Potentials in Betracht gezogen werden können. Insgesamt kann eine verbesserte Funktionalität erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst die Auswerteschaltung eine erste Filtereinheit zum Filtern des jeweiligen Stromquellensignals. Die Filtereinheit kann dazu dienen, das Stromquellensignal zu filtern, sodass ein gefiltertes Stromquellensignal der Stromquellenschaltung zum Einstellen des jeweiligen Stroms zur Verfügung gestellt wird. Dadurch kann eine spezifische Adaption der Funktionalität der Schaltungsanordnung an gewünschte Messempfindlichkeiten erreicht werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Auswerteschaltung gleichspannungsgekoppelt ausgeführt ist. Dadurch können sich unerwünschte Verschiebungen hinsichtlich der Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung ergeben. Durch die erste Filtereinheit kann dem entgegengewirkt werden, indem zum Beispiel die erste Filtereinheit als Tiefpass realisiert ist. Dadurch kann eine Rückkopplung für Gleichsignale sowie auch für Wechselsignale geringer Frequenz erreicht werden, sodass die Auswerteschaltung hierfür eine Kompensation bis nahezu zur Ausblendung solcher Signale realisieren kann. Dadurch kann als gefiltertes Stromquellensignal, welches auch für die Steuerschaltung zur Verfügung gestellt sein kann, ein Signal bereitgestellt werden, welches besonders hochfrequente Signalanteile darstellt und berücksichtigt. Dies erlaubt es, die im Stand der Technik übliche Wechselspannungskopplung, die in der Regel große elektrische Kondensatoren benötigt, zu vermeiden.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Auswerteschaltung elektrisch potentialgekoppelt ausgeführt ist. Die Auswerteschaltung braucht also im Wesentlichen keine Wechselspannungskopplung, die ihrerseits im Übrigen aufwändige Kondensatoren mit in der Regel großen Kapazitätswerten benötigen würde. Dies erlaubt es, eine einfach zu integrierende Schaltungsanordnung bereitzustellen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Steuerschaltung eine Temperatursimulationseinheit zum Ermitteln einer Temperatur von wenigstens einer der wenigstens zwei Fotodioden aufweist. Die Temperatursimulationseinheit erlaubt es, mittels Simulation eine Temperatur zumindest einer der wenigstens zwei Fotodioden ermitteln zu können. Bevorzugt kann die Temperatur von mehreren, insbesondere allen Fotodioden ermittelt werden. Vorzugsweise handelt es sich um die Fotodiode, die den größten Fotostrom bereitstellt. Bei dieser Fotodiode ist nämlich die thermische Beanspruchung natürlich am größten. Die Simulationseinheit kann hierzu ein Netzwerk aus elektrischen Widerständen und elektrischen Kondensatoren aufweisen, mittels denen das Temperaturverhalten der jeweiligen Fotodiode anhand von elektrischen Größen nachgebildet werden kann. Die jeweiligen Werte der Bauelemente sowie gegebenenfalls auch die Schaltungsstruktur kann empirisch anhand von Messungen ermittelt werden. Die Simulationsschaltung hat den Vorteil, dass ein separater Temperatursensor sowie auch dessen Auswertung eingespart werden kann. Es braucht lediglich eine elektronische Schaltung vorgesehen zu werden, die die Temperatursimulationseinheit realisiert. Eine solche elektronische Schaltung ist ebenfalls leicht in eine monolithisch integrierte Schaltung integrierbar. Insgesamt ermöglicht es diese Weiterbildung, die Temperatur der Fotodiode, insbesondere der relevanten Fotodioden mit dem größten Fotostrom, zu ermitteln und für die Einstellung des gemeinsamen elektrischen Potentials zu nutzen. Die Funktionalität der Schaltungsanordnung kann auf diese Weise weiter verbessert werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Steuerschaltung eine Vergleichseinheit zum Vergleichen einer mittels der Temperatursimulationseinheit ermittelten Temperatur mit einem Temperaturvergleichswert umfasst, wobei die Steuerschaltung ferner ausgebildet ist, das gemeinsame elektronische Potential abhängig von dem Vergleich einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass ein Eingriff in das gemeinsame elektrische Potential erst dann erfolgt, wenn die Temperatur der relevanten Fotodiode den Temperaturvergleichswert erreicht beziehungsweise überschreitet. Es kann also in einem weiten Funktionsbereich in der Schaltungsanordnung ein Eingriff in das gemeinsame elektrische Potential der Fotodioden vermieden werden. Es braucht somit das gemeinsame elektrische Potential erst dann beeinflusst zu werden, wenn der Vergleich ergibt, dass die Temperatur der Fotodiode größer als der Temperaturvergleichswert ist. Dem Temperaturvergleichswert kann zum Beispiel eine Temperatur der Fotodiode von 150 °C entsprechen. Der Temperaturvergleichswert kann vorzugsweise von physikalischen Eigenschaften der Fotodioden der Schaltungsanordnung bestimmt sein. Insbesondere kann der Temperaturvergleichswert bei Halbleiterfotodioden von einer maximalen Halbleitertemperatur abhängig sein, bei der noch ein bestimmungsgemäß zuverlässiger Betrieb der Fotodiode gewährleistet ist. Natürlich kann der Temperaturvergleichswert auch von weiteren Parametern, beispielsweise einer Umgebungstemperatur oder dergleichen abhängig sein.
Die Vergleichseinheit kann ebenfalls durch eine elektronische Hardwareschaltung gebildet sein, beispielsweise einen elektronischen Komparator, der ein dem Temperaturvergleichswert entsprechendes Signal erhält. Ein weiteres Signal, welches der ermittelten Temperatur entspricht, kann dem Komparator ebenfalls zugeführt werden. Sobald der Signalwert des der Temperatur entsprechenden Signals größer ist als das Signal des Temperaturvergleichswerts, kann vorgesehen sein, dass die Vergleichseinheit ein entsprechendes Vergleichssignal abgibt, welches in der Steuerschaltung für die Bereitstellung der Funktionalität zur Verfügung steht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Steuerschaltung eine zweite Filtereinheit umfasst. Mit der zweiten Filtereinheit kann erreicht werden, dass die Fotostromsignale oder gegebenenfalls auch die Stromquellensignale zumindest einer weiteren Filterung unterzogen werden, um die Funktionalität der Steuerschaltung zu verbessern. Vorzugsweise ist die zweite Filtereinheit ebenfalls als Tiefpass ausgebildet, wobei dessen Grenzfrequenz unterhalb einer Grenzfrequenz eines Tiefpasses gemäß der ersten Filtereinheit ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass zugeführte Fotostromsignale beziehungsweise Stromquellensignale gefiltert werden, bevor das größte der Signale ermittelt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zunächst das größte der Signale ermittelt wird, und dann genau dieses Signal einer solchen Filterung unterzogen wird. Das auf diese Weise bereitgestellte größte Signal beziehungsweise dem größten Fotostrom entsprechende Signal wird dann dazu genutzt, das gemeinsame elektrische Potential einstellen zu können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das die Steuerschaltung eine Leistungsermittlungseinheit zum Ermitteln einer elektrischen Verlustleistung von zumindest einer Fotodiode aufweist, zu der maximale Fotostrom erfasst oder das maximale Fotostromsignal ermittelt oder das maximale Stromquellensignal bereitgestellt worden ist. Dadurch kann die Beanspruchung der am höchsten beanspruchten Fotodiode besser ermittelt werden, sodass eine genauere Einstellung des gemeinsamen elektrischen Potentials ermöglicht werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Temperatursimulationseinheit ausgebildet ist, die Temperatur der wenigstens einen der wenigstens zwei Fotodioden unter Berücksichtigung der ermittelten elektrischen Verlustleistung zu ermitteln. Dadurch kann die Genauigkeit der Funktionalität der Schaltungsanordnung, insbesondere der Steuerschaltung bezüglich des Einstellens des gemeinsamen elektrischen Potentials weiter verbessert werden.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fotodioden durch Avalanche-Fotodioden gebildet sind. Gerade bei Avalanche-Fotodioden erweist sich die Anwendung der Erfindung als besonders vorteilhaft. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung diskutiert, sind Avalanche-Fotodioden im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer hohen elektrischen Spannung beaufschlagt, sodass ein Stromfluss auch eine entsprechend hohe elektrische Verlustleistung zur Folge haben kann. Mit der Erfindung kann der Betrieb der Avalanche-Fotodioden weiter verbessert werden, insbesondere in Bezug auf das Erfassen von Licht. Die Erfindung erlaubt es, die thermische Beanspruchung der Avalanche-Fotodiode zuverlässig zu begrenzen und zugleich den bestimmungsgemäßen Betrieb der weiteren Avalanche-Fotodioden möglichst wenig zu beeinträchtigen. Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, eine verbesserte Funktionalität der Schaltungsanordnung der Erfindung sowie auch des Verfahrens bereitzustellen.
Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgerüstete Kraftfahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Entsprechend können für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Draufsicht ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einem optoelektronischen Sensor nach Art eines LIDAR aufweist;
2 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine grundlegende Schaltungsanordnung einer Empfangseinrichtung des optoelektronischen Sensors mit einer Avalanche-Fotodiode;
3 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 2 unter Nutzung eines Widerstands in Verbindung mit einer Wechselspannungskopplung;
4 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine weitere Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 2 mit einem Schutzwiderstand in Verbindung mit einer Gleichspannungskopplung;
5 eine schematische Schaltbilddarstellung basierend auf der Schaltungsanordnung gemäß 4 jedoch mit zwei Avalanche-Fotodioden;
6 eine schematische Schaltbilddarstellung mit einer verbesserten Auswerteschaltung basierend auf dem zur Schaltungsanordnung gemäß 2 erläuterten Funktionsprinzip;
7 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 6;
8 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Weiterbildung basierend auf der Schaltungsanordnung gemäß 7 jedoch für zwei Avalanche-Fotodioden;
9 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 8; und
10 eine schematische Schaltbilddarstellung einer weiteren Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 8.

1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Kraftfahrzeug 27 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 27 ist vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 27 umfasst ein elektronisches Steuergerät 31, welches ein Fahrerassistenzsystem umfasst. Mit dem Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise ein Objekt, wie zum Beispiel das Objekt 33, welches sich in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs 27 befindet, erfasst werden. Wird das Objekt 33 erfasst, kann mittels des Fahrerassistenzsystems eine Warnung an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 27 ausgegeben werden. Darüber hinaus kann mit dem Fahrerassistenzsystem auch in eine Lenkung, eine Bremsanlage und/oder ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs 27 eingegriffen werden, um zum Beispiel eine Kollision mit dem Objekt 33 zu vermeiden. Dies ist jedoch in 1 und den weiteren Figuren nicht dargestellt.
Zum Erfassen des Objekts 33 weist das Fahrerassistenzsystem einen optoelektronischen Sensor nach Art eines Laserscanners 28 auf, der vorliegend ein LIDAR-Sensor ist. Der Laserscanner 28 umfasst eine Sendeeinrichtung 30, mittels welcher Lichtimpulse als Sendesignal ausgesendet werden können. Dies ist vorliegend durch einen Pfeil 34 in 1 dargestellt. Mit der Sendeeinrichtung 30 können die Lichtimpulse in einem vorbestimmten Winkelbereich 32 ausgesendet werden. Beispielsweise können die Lichtimpulse in dem vorbestimmten horizontalen Winkelbereich ausgesendet werden.
Der Laserscanner 28 umfasst ferner eine Empfangseinrichtung 29, mittels welcher die von dem Objekt 33 reflektierten Lichtimpulse wieder empfangen werden können. Dies ist in 1 durch einen Pfeil 35 dargestellt.
Darüber hinaus umfasst der Laserscanner 28 eine Rechnereinrichtung 36, die beispielsweise durch einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor, eine integrierte Schalteinheit oder dergleichen gebildet sein kann. Mit der Rechnereinrichtung 36 kann die Sendeeinrichtung 30 zum Aussenden der Lichtimpulse angesteuert werden. Darüber hinaus kann die Rechnereinrichtung 36 Signale der Empfangseinrichtung 29 auswerten, die mit der Empfangseinrichtung 29 auf Grundlage der empfangenen Lichtimpulse erzeugt werden. Schließlich kann mittels des elektronischen Steuergerätes 31, welches das Fahrerassistenzsystem umfasst, erreicht werden, dass entsprechende Steuersignale abhängig von dem mit dem Laserscanner 28 erfassten Objekt 33 ausgegeben werden können.
Die folgenden 2 bis 10, mit denen auch die detaillierte Erfindung weiter erläutert wird, beziehen sich auf Schaltungsanordnungen für die Empfangseinrichtung 29, mittels der die Lichtsignale empfangen und verarbeitet werden können.
2 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung für eine grundlegende Schaltungsanordnung, bei der als lichtsensitives Element eine Avalanche-Fotodiode D genutzt wird. 2 zeigt, dass die Avalanche-Fotodiode D mit einer Anode an eine Spannungsquelle 37 und mit einer Kathode an einen invertierenden Eingang eines als invertierender Verstärker geschalteten Operationsverstärkers 38 angeschlossen ist. Der Operationsverstärker 38 liefert als Ausgangssignal ein Signal, welches von einem Fotostrom der Avalanche-Fotodiode D abhängig ist. In dieser Ausgestaltung ist eine Gleichspannungskopplung vorgesehen. Funktionelle Eigenschaften des Operationsverstärkers 38 werden insbesondere durch einen rückkoppelnden elektrischen Widerstand Rfb bestimmt.
Mittels der Spannungsquelle 37 ist die Avalanche-Fotodiode D in Sperrrichtung mit einer elektrischen Gleichspannung von etwa 150 V beaufschlagt. Je nach Bedarf kann die elektrische Gleichspannung jedoch abweichend auch kleiner oder größer gewählt sein.
Eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 2 unter Nutzung einer Wechselspannungskopplung zeigt die schematische Schaltbilddarstellung gemäß 3. Ein elektrischer Widerstandes R1 dient im bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß 3 dazu, eine elektrische Spannung abhängig von einem Fotostrom der Avalanche-Fotodiode D am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 bereitzustellen.
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist bei der Ausgestaltung gemäß 3 also vorgesehen, dass eine Kathode der Avalanche-Fotodiode D über den elektrischen Widerstand R1 an ein nicht bezeichnetes Bezugspotential angeschlossen ist. Der Fotostrom der Avalanche-Fotodiode D verursacht am Widerstand R1 einen Spannungsabfall. Diese Spannungsänderung kann mittels eines Kondensators C5 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 gegeben werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Operationsverstärker 38 lediglich wechselspannungsgekoppelt an die Avalanche-Fotodiode D angeschlossen ist. Dadurch kann ein Fotostrom der Avalanche-Fotodiode D, der zum Beispiel durch Hintergrundlicht verursacht sein kann und einen entsprechenden Gleichanteil der am Widerstand R1 abfallenden Spannung hervorrufen kann, gefiltert werden. Durch Vorsehen des Kondensators C5 kann somit eine Hochpassfunktion bereitgestellt werden.
4 zeigt eine weitere schematische Schaltbilddarstellung für eine Schaltungsanordnung basierend auf 2, wobei hier jedoch die Spannungsquelle 37 über einen Widerstand R6 an die Anode der Avalanche-Fotodiode D angeschlossen ist. Anodenseitig ist ferner ein Kondensator C4 angeschlossen. Der Widerstand R6 dient vorliegend als Schutzwiderstand, um eine elektrische Spannung an der Avalanche-Fotodiode D abhängig von einem Fotostrom durch die Avalanche-Fotodiode D zu reduzieren. Dadurch kann auch eine Verlustleistung der Avalanche-Fotodiode D reduziert werden.
In den 3 und 4 wird mittels der Widerstände R1 und R6 eine Begrenzung des jeweiligen Fotostroms erreicht, sodass eine thermische Überbeanspruchung der Avalanche-Fotodiode D reduziert werden kann.
5 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung einer Schaltungsanordnung basierend auf 4, wobei hier jedoch jetzt zwei Avalanche-Fotodioden D mit einem jeweils eigenen zugeordneten Operationsverstärker 38 vorgesehen sind. Die weiteren Parameter entsprechen denen, wie sie bereits vorher erläutert wurden. Diese Schaltungsanordnung erweist sich jedoch als schwierig zu dimensionieren, weil einerseits jede der Avalanche-Fotodioden D mittels des Schutzwiderstands R6 geschützt werden können soll, dadurch dass der Widerstand R6 die entsprechende elektrische Spannung der Avalanche-Fotodioden D begrenzt, zugleich aber in einem normalen Betrieb ein Spannungsabfall aufgrund des elektrischen Widerstands R6 möglichst gering sein soll, damit die an den Avalanche-Fotodioden D anliegende Spannung nicht zu stark reduziert wird und damit einen Verstärkungseffekt der Avalanche-Fotodioden D reduziert.
6 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung für eine weitere Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit lediglich einer einzigen Avalanche-Fotodiode D, die auf der Schaltungsanordnung gemäß 4 basiert, jedoch hinsichtlich der Funktionalität insbesondere in Bezug auf die Gleichspannungskopplung verbessert ist. Die Schaltungsanordnung gemäß 6 basiert auf der Schaltungsanordnung gemäß 4, wobei der Operationsverstärker 38 hier durch einen Transimpedanzverstärker 20 gebildet ist, dessen Ausgangssignal ein Fotostromsignal 14 ist, welches von dem erfassten Fotostrom durch die Avalanche-Fotodiode D abhängt. Das Fotostromsignal 14 dient als Steuersignal für einen Verstärker A2, der ein Stromquellensignal 18 bereitstellt, welches einem Tiefpassfilter 21 zugeführt wird. Das gefilterte Stromquellensignal des Tiefpassfilters 21 dient als Steuersignal für eine Stromquellenschaltung 19, die kathodenseitig an die Avalanche-Fotodiode D angeschlossen ist. Dies ermöglicht es, eine Gleichspannungskompensationsschleife bereitzustellen. Es braucht also kein Kondensator - wie der Kondensator C5 in 3 - vorgesehen zu werden.
7 zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 6, bei der zusätzlich zu der Ausgestaltung gemäß 6 das von der ersten Filtereinheit 21 bereitgestellte Signal ergänzend auch einer zweiten Filtereinheit 22 zugeführt wird, die ebenfalls eine Tiefpassfunktion realisiert, wobei vorliegend eine Grenzfrequenz der zweiten Filtereinheit 22 kleiner als eine Grenzfrequenz der ersten Filtereinheit 21 ist. Das von der Filtereinheit 22 bereitgestellte Signal wird einem Operationsverstärker 24 zugeführt, und zwar an seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluss. An dem invertierenden Eingangsanschluss wird dem Operationsverstärker 24 ferner ein Vergleichssignal 40 zugeführt. Der Operationsverstärker 24 dient vorliegend somit als Vergleicher. Er liefert ein Ausgangssignal, wenn das von der zweiten Filtereinheit 22 bereitgestellte Signal größer als das Vergleichssignal 40 ist. Das von dem Operationsverstärker 24 bereitgestellte Signal dient zum Steuern einer Spannungsstelleinheit 39, mit der ein elektrisches Potential 41 an der Anode der Avalanche-Fotodiode D eingestellt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Einstelleinheit 39 zwischen die Spannungsquelle 37 und der Anode der Avalanche-Fotodiode D geschaltet.
8 zeigt nun eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Schaltungsanordnung 1, die auf der Schaltungsanordnung, wie sie mit 7 dargestellt ist, basiert. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung 1 zwei Avalanche-Fotodioden 4, 5 aufweist, die der Erfassung von Licht dienen. Anoden 8, 9 der Avalanche-Fotodioden 4, 5 sind gemeinsam an die Spannungsstelleinheit 39 angeschlossen, die ihrerseits wiederum an die Spannungsquelle 37 angeschlossen ist. Mit der Spannungsstelleinheit 39 kann somit ein gemeinsames elektrisches Potential 10 an den Anoden 8, 9 der Avalanche-Fotodioden 4, 5 eingestellt werden.
Kathodenseitig ist zum Zwecke der Auswertung jeweils eine Auswerteschaltung 13 an eine jeweilige Kathode 11, 12 der Avalanche-Fotodioden 4, 5 angeschlossen. Die Funktionalität der Auswerteschaltung 13 wurde grundsätzlich bereits zuvor schon erläutert, insbesondere in Bezug auf die 6 und 7, weshalb diesbezüglich auf diese Ausführungen ergänzend verwiesen wird.
Die Auswerteschaltungen 13 umfassen jeweils einen Transimpedanzverstärker 20, der eingangsseitig an die jeweilige Kathode 11, 12 der jeweiligen Fotodiode 4, 5 angeschlossen ist, damit der Fotostrom 6, 7 der jeweiligen Fotodiode 4, 5 erfasst werden kann. Die Transimpedanzverstärker 20 stellen jeweils einen Fotostromsignal 14, 15 bereit, welche dazu dienen, den Verstärker A2 der jeweiligen Auswerteschaltung 13 anzusteuern. Die Verstärker A2 liefern ein jeweiliges Stromquellensignal 17, 18, welches von dem jeweiligen Fotostromsignal 14, 15 abhängig ist.
Die Stromquellensignale 17, 18 werden jeweils einer ersten Filtereinheit 21 zugeführt, die das gefilterte Signal der jeweiligen Stromquellenschaltung 19 zuführt, die entsprechend einen Strom einstellt. Hierdurch wird eine Gleichspannungskompensation für die Gleichspannungskopplung erreicht, sodass keine kapazitive Trennung beziehungsweise Wechselspannungskopplung mittels eines Kondensators - wie bei der Schaltungsanordnung gemäß 3 - vorgesehen zu werden braucht.
Die gefilterten Stromquellensignale werden einer Steuereinheit 16 zugeführt, die einen Maximalwertbildner 42 aufweist. Hierzu werden die durch die ersten Filtereinheiten 21 bereitgestellten gefilterten Stromquellensignale einem Maximalwertbildner 42 zugeführt. Das größere der beiden gefilterten Stromquellensignale wird durch den Maximalwertbildner 42 an einem Ausgangsanschluss des Maximalwertbildners 42 bereitgestellt und einer zweiten Filtereinheit 22 zugeführt, wie dies bereits zuvor erläutert wurde.
Die Steuereinheit 16 umfasst ferner die zweite Filtereinheit 22, die wie bereits in Bezug auf 7 erläutert, eine weitere Tiefpassfunktionalität bereitstellt. Ebenso umfasst die Steuereinheit 16 den Operationsverstärker 24 als Vergleichsschaltung, dem das mittels der zweiten Filtereinheit 22 gefilterte Signal am nicht invertierenden Anschluss zugeführt wird. Am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers liegt ein Vergleichssignal 25 an. Ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 24 dient - wie bereits anhand von 7 erläutert - zur Steuerung der Spannungsstelleinheit 39, mittels der das gemeinsame elektrische Potential 10 eingestellt werden kann.
Mit dieser Schaltungsanordnung ist es also möglich, die Fotoströme 6, 7 der Avalanche-Fotodioden 4, 5 zu überwachen und auf Basis des größeren der Fotoströme 6, 7 eine Steuerung des gemeinsamen elektrischen Potentials 10 vorzunehmen. Das bedeutet, dass ein Schutzpegel unabhängig von einer Anzahl der vorhandenen Avalanche-Fotodioden 4, 5 eingestellt werden kann. Die Erfindung erweist sich somit insbesondere für Anwendungen als geeignet, bei denen zwei oder auch noch mehr Avalanche-Fotodioden eingesetzt werden, um Licht zu erfassen. Insofern ist die Schaltung, wie sie anhand von 8 erläutert wurde, beliebig erweiterbar, wobei entsprechende Fotodioden beziehungsweise Avalanche-Fotodioden vorgesehen werden können, die ebenfalls anodenseitig an das gemeinsame elektrische Potential 10 angeschlossen werden, wobei ergänzend für jede der zusätzliche Fotodioden beziehungsweise Avalanche-Fotodioden eine entsprechende zugeordnete Auswerteschaltung 13 vorzusehen ist. Ebenso ist die Steuerschaltung 16 dahingehend zu erweitern, dass der Maximalwertbildner 42 für jedes gefilterte Stromquellensignal einen eigenen separaten Eingang bereitstellt.
Die Schaltungsanordnung 1 kann aber auch dahingehend weitergebildet werden, dass mit der zweiten Filtereinheit 22 eine Temperatursimulation bereitgestellt werden kann. Eine entsprechende Schaltungsstruktur kann zum Beispiel mittels einer Schaltungsanordnung 2 gemäß 9 erreicht werden.
9 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung, bei der die erste Filtereinheit 21 der jeweiligen Auswerteschaltung 13 durch einen Kondensator C2 gebildet ist. Darüber hinaus ist die Stromquellenschaltung 19 durch einen selbstsperrenden P-Kanal MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) T1 gebildet, dessen Drainanschluss an die jeweilige Kathode 11, 12 der jeweiligen Avalanche-Fotodiode 4, 5 angeschlossen sind. Insoweit entspricht die Funktionalität dem, was bereits anhand von 8 zur Schaltungsanordnung 1 erläutert wurde. Ein Source-Anschluss des P-Kanal MOSFET T1 ist an ein positives elektrisches Potential einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle angeschlossen, mittels der auch die weiteren elektrischen Bauteile mit elektrischer Energie versorgt werden können.
Die Schaltungsanordnung 2 umfasst ferner einen Stromspiegel, der durch jeweiligen entsprechenden zweiten selbstsperrenden P-Kanal MOSFET T2 in Verbindung mit einem jeweiligen Drainwiderstand R2 gebildet ist. An einem Drainanschluss eines jeweiligen MOSFET T2 ist eine jeweilige Diode 43, 44 mit ihrer Anode angeschlossen. Kathodenseitig sind die Dioden 43, 44 gemeinsam an eine weitere Stromquellenschaltung 45 angeschlossen, die auf eine Temperatursimulationseinheit 23 einwirkt.
Die Temperatursimulationseinheit 23 umfasst vorliegend eine Parallelschaltung aus einem elektrischen Widerstand R3 und einem elektrischen Kondensator C3. Die Werte des Widerstands R3 und des Kondensators C3 sind entsprechend der physikalischen thermischen Eigenschaften der Avalanche-Fotodioden 4, 5 gewählt. Die beiden Dioden 43, 44 bilden somit in Verbindung mit dem jeweiligen Stromspiegel T2, R2 den Maximalwertbildner 42. Mittels des hierdurch bereitgestellten Signals wird die Stromquelle 45 gesteuert, und zwar von dem Signal, welches größer ist. Auch diese Schaltungsstruktur lässt sich beliebig bezüglich der Anzahl der Avalanche-Fotodioden erweitern.
Die Stromquellenschaltung 45 bildet zusammen mit dem Widerstand R3 und dem Kondensator C3 die Temperatursimulationseinheit 23. Mittels dieser Schaltung kann eine aktuelle Temperatur der stärker beaufschlagten der Avalanche-Fotodioden 4, 5 simuliert beziehungsweise nachgebildet werden. Das hierdurch bereitgestellte Signal wird dem Operationsverstärker 24 an seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluss zugeführt. Am invertierenden Eingangsanschluss wird ein Temperaturvergleichssignal 25 zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 24, welches ein Ergebnissignal darstellt, wird einem Emitter eines bipolaren PNP-Transistors T3 zugeführt, der vorliegend in Basisschaltung betrieben wird. Kollektorseitig ist der Transistor T3 an eine Basis eines weiteren PNP-Transistors T4 angeschlossen, der mit seinem Kollektor an der Spannungsquelle 37 angeschlossen ist. Zwischen der Basis und einem Kollektor des Transistors T4 ist ein Widerstand R4 angeschlossen, um einen Arbeitspunkt des Transistors T4 einstellen zu können. Emitterseitig stellt der Transistor T4 das gemeinsame elektrische Potential 10 bereit, weshalb er an die Anoden 8, 9 der Avalanche-Fotodioden 4, 5 angeschlossen ist. Der Transistor T4 stellt somit zusammen mit dem Widerstand R4 die Spannungsstelleinheit 39 bereit.
Mit dieser Schaltungsanordnung 2 ist es also möglich, eine Temperatur der am stärksten beanspruchten der Avalanche-Fotodioden 4, 5 zu simulieren beziehungsweise zu ermitteln und dieses Signal dazu zu nutzen, das gemeinsame elektrische Potential 10 einzustellen. Dadurch kann auch die elektrische Spannung, die an den Avalanche-Fotodioden 4, 5 anliegt, eingestellt werden.
Vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn ein Eingreifen in das gemeinsame elektrische Potential 10 erst dann erforderlich wird beziehungsweise erfolgt, wenn der Temperaturvergleichswert 25 von der ermittelten Temperatur erreicht beziehungsweise überschritten ist beziehungsweise dieser größer als der Temperaturvergleichswert 25 ist.
Solange also die ermittelte Temperatur der am höchsten beanspruchten der Fotodioden 4, 5 kleiner als der Temperaturvergleichswert 25 ist, braucht somit kein Eingriff in das gemeinsame elektrische Potential 10 zu erfolgen. Hierdurch kann eine Funktionalität der Schaltungsanordnung 2 deutlich verbessert werden. Darüber hinaus kann durch entsprechende Dimensionierung der Schaltungskomponenten auch die Abhängigkeit des Eingriffs variabel eingestellt werden, sodass ein Eingreifen in das gemeinsame elektrische Potential 10 auch abhängig davon sein kann, wie weit die ermittelte Temperatur vom Temperaturvergleichswert 25 abweicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnungen 1 und 2 gemäß der 8 und 9 ergibt sich durch die Schaltungsanordnung 3, für die eine schematische Schaltbilddarstellung in 10 dargestellt ist. Dem Grunde nach basiert die Schaltungsstruktur auf der Schaltungsanordnung 1 gemäß 8 wobei hier jedoch ergänzend zwischen der zweiten Filtereinheit 22 und dem Maximalwertbildner 42 in der Steuereinheit 16 ein Multiplizierer 26 zwischengeschaltet ist, dessen zweiter Eingangsanschluss über einen Widerstand R5 an das gemeinsame elektrische Potential 10 angeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, anhand des von dem Maximalwertbildner 42 bereitgestellten Signals, welches vom größten Fotostrom 6, 7 abhängig ist, unter Berücksichtigung des gemeinsamen elektrischen Potentials 10 eine Verlustleistung der am stärksten beanspruchten der Fotodioden beziehungsweise Avalanche-Fotodioden 4, 5, zu ermitteln und für die weitere Steuerung zu nutzen. Die Genauigkeit der Schutzfunktion kann dadurch nochmals verbessert werden. Dies ermöglicht es nämlich, nicht nur den jeweiligen Fotostrom 6, 7 für die Einstellung des gemeinsamen elektrischen Potentials 10 zu nutzen, sondern zusätzlich beziehungsweise stattdessen die tatsächliche elektrische Leistung, die als Verlustleistung von der jeweiligen der Fotodioden beziehungsweise Avalanche-Fotodioden 4, 5, abzuführen ist. Dieses Leistungssignal, welches von dem Multiplizierer 26 bereitgestellt wird, wird zusätzlich zu einem Simulationssignal von der Temperatursimulationseinheit 23 der zweiten Filtereinheit 22 zugeführt, die das gefilterte Signal dem Operationsverstärker 24 als Vergleichsschaltung bereitstellt. Der Operationsverstärker 24 liefert seine Vergleichsfunktion mit dem Temperaturvergleichssignal 25 und steuert über ein Ausgangssignal die Spannungsstelleinheit 39, mittels der das gemeinsame elektrische Bezugspotential 10 eingestellt wird.
In 9 kann mit dem Kondensator C3 eine Wärmekapazität der Avalanche-Fotodioden 4, 5 modelliert werden, wobei bezüglich des Modellierens angenommen wird, dass ein thermischer Querwiderstand vergleichsweise groß in Bezug auf einen thermischen Widerstand zwischen einem Chip der Avalanche-Fotodiode und einer Montagefläche ist. Dies ist üblicherweise der Fall, wenn die Chips der Avalanche-Fotodioden relativ großflächig und dünn sind. Mit dem Widerstand R3 wird der thermische Widerstand der Avalanche-Fotodiode modelliert. Der Widerstand R3 kann - wie in 9 dargestellt - mit einem elektrischen Bezugspotential verbunden sein. Alternativ kann er natürlich auch mit einem variablen elektrischen Potential gekoppelt sein, zum Beispiel um auch die Umgebungstemperatur der Avalanche-Fotodiode 4, 5 oder dergleichen zu berücksichtigen. Die modellierte Temperatur beziehungsweise die simulierte Temperatur wird mit dem Temperaturvergleichswert 25 verglichen, und gegebenenfalls wird das gemeinsame elektrische Potential 10 mittels der Transistoren T3 und T4 reduziert. 9 zeigt die Teile, die auf einfache Weise monolithisch integrierbar sind in gestrichelten Linien. Die Transistoren T3 und T5 sind vorzugsweise diskrete Komponenten, damit sie mit hohen Spannungen betrieben werden können. Der Widerstand R3 und der Kondensator C3 definieren das Modellverhalten und sind gemäß einer Konstruktion der Avalanche-Fotodiode anzupassen, sodass sie vorzugsweise nicht auf einem Chip monolithisch integriert sind.
Eine Verstärkung des Operationsverstärkers 24 sollte so gewählt sein, dass eine Schwingung der Schaltung vermieden wird. Die ergänzende Filterung mittels der zweiten Filtereinheit 22 der Spannung der Avalanche-Fotodioden 4, 5, vorzugsweise unterhalb der Grenzfrequenz der Gleichspannungskompensationsschleife mittels der ersten Filtereinheit 21 erlaubt es, einen Effekt auf die Verstärkung der Avalanche-Fotodioden 4, 5 in Bezug auf den Transimpedanz-Verstärker 20 zu reduzieren.
Zusätzlich ist zu beachten, dass eine Durchbruchspannung der Avalanche-Fotodiode und somit die Versorgungsspannung in der Regel einen signifikanten positiven Temperaturkoeffizient aufweist. Wenn dies nicht bei einer Variation des gemeinsamen elektrischen Potentials 10 berücksichtigt wird, kann der Fall eintreten, dass die Verlustleistung der Avalanche-Fotodioden 4, 5 bei niedrigen Temperaturen unterschätzt wird. Dies kann bei Bedarf korrigiert werden, zum Beispiel durch Verändern des Temperaturvergleichswerts 25 abhängig von der Temperatur oder durch Beeinflussen der Spannungs-Strom-Konversion mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, welcher zu dem der Avalanche-Fotodiode passt, oder durch Verwenden eines Multiplizierers wie dem Multiplizierer 26 gemäß 10 und Zuführen des gemeinsamen elektrischen Potentials 10 zu dem Multiplizierer 26, wie es gemäß der Schaltungsanordnung 3 mittels des Widerstands R5 realisiert ist. Bei niedrigen Temperaturen kann ein zulässiger Temperaturanstieg sehr viel größer sein als bei hohen Temperaturen, sodass eine Unterschätzung der Leistung nicht kritisch ist.
Bezüglich des Modellierens der Temperatur der Avalanche-Fotodiode mit einem einzigen Kondensator wie dem Kondensator C3 ist anzumerken, dass in der Realität jede Avalanche-Fotodiode ihre eigene Temperatur und somit auch ihre eigene thermische Kapazität aufweist. Dem Grunde nach könnte für jede Avalanche-Fotodiode ein separater Kondensator genutzt werden und die Maximalwertfunktionalität durch den Maximalwertbildner 42 anschließend realisiert sein. Da jedoch die Integration von Kondensatoren mit insbesondere großen Kapazitätswerten in monolithisch integrierte Schaltungen aufwendig ist, ist die gewählte Ausgestaltung insbesondere mit Hinblick auf eine hohe Integration vorteilhaft. Bei verteilter, zum Beispiel wechselnder großer Lichtbeaufschlagung von einigen Avalanche-Fotodioden, kann mit dem beschriebenen Modell auch eine Überschätzung der Temperatur erfolgen. Dies ist auf der sicheren Seite und kosteneffektiv.
Die zweite Filterschaltung 22, die auch durch den Widerstand R3 und den Kondensator C3 gebildet sein kann, kann ebenso durch ein komplexeres Modell mit zwei oder auch mehreren Zeitkonstanten ersetzt beziehungsweise ergänzt werden. So kann vorgesehen sein, dass eine kürzere Zeitkonstante den Chip der Avalanche-Fotodiode selbst repräsentiert und eine größere Zeitkonstante die eines Gehäuses der Avalanche-Fotodiode. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, das Ausgangssignal des Vergleichers beziehungsweise Operationsverstärkers 24 zu überwachen, zum Beispiel mittels eines Prozessors, sodass das gemeinsame elektrische Potential 10 derart gesteuert wird, dass das gemeinsame elektrische Potential 10 reduziert wird, wenn die Schutzfunktion, die hierdurch bereitgestellt wird, mit einer gewissen Häufigkeit aktiviert wird. Um eine schnelle Schutzfunktion erreichen zu können, kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass bezüglich des Transistors T4 (9) eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen wird.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Auch wenn sich die Erfindung besonders für die Anwendung bei Avalanche-Fotodioden eignet, ist sie jedoch nicht hierauf begrenzt und kann zum Beispiel auch bei gewöhnlichen Fotodioden zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0745868 B1 [0010]
EP 074586 B1 [0010]
US 2009/0008534 A1 [0011]

Claims

Schaltungsanordnung (1, 2, 3) zum Erfassen von Licht, mit: - wenigstens zwei Fotodioden (4, 5), die einen jeweiligen Fotostrom (6, 7) abhängig von durch die jeweilige der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) erfasstem Licht bereitstellen, wobei Anodenanschlüsse (8, 9) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) an ein gemeinsames elektrisches Potential (10) angeschlossen sind, und - jeweils eine an eine jeweilige Kathode (11, 12) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) angeschlossene Auswerteschaltung (13) zum Erfassen des jeweiligen Fotostroms (6, 7) und zum Ermitteln eines jeweiligen elektrischen Fotostromsignals (14, 15) abhängig vom jeweils erfassten Fotostrom (6, 7), gekennzeichnet durch - eine Steuerschaltung (16), die ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von einem größten der durch die wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) bereitgestellten Fotoströme (6, 7) einzustellen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) an die Auswerteschaltungen (13) angeschlossen und ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von den jeweils ermittelten Fotostromsignalen (14, 15) einzustellen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (13) eine an eine Kathode (11, 12) der jeweiligen Fotodiode (4, 5) angeschlossene und mittels eines Stromquellensignals (17, 18) der Auswerteschaltung (13) steuerbare Stromquellenschaltung (19) aufweist, wobei die Auswerteschaltung (13) ausgebildet ist, das Stromquellensignal (17, 18) abhängig vom Fotostromsignal (14, 15) bereitzustellen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (13) einen an die Kathode (11, 12) der jeweiligen Fotodiode (4, 5) angeschlossenen Transimpedanzverstäker (20) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von einem größten der Stromquellensignale (17, 18) einzustellen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (13) eine erste Filtereinheit (21) zum Filtern des jeweiligen Stromquellensignals (17, 18) umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (13) elektrisch potentialgekoppelt ausgeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) eine Temperatursimulationseinheit (23) zum Ermitteln einer Temperatur von wenigstens einer der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) eine Vergleichseinheit (24) zum Vergleichen einer mittels der Temperatursimulationseinheit (23) ermittelten Temperatur mit einem Temperaturvergleichswert (25) umfasst, wobei die Steuerschaltung (16) ferner ausgebildet ist, das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von dem Vergleich einzustellen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) eine zweite Filtereinheit (22) umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (16) eine Leistungsermittlungseinheit (26) zum Ermitteln einer elektrischen Verlustleistung von zumindest der Fotodiode (4, 5) aufweist, zu der der maximale Fotostrom (6, 7) erfasst oder das maximale Fotostromsignal (14, 15) ermittelt oder das maximale Stromquellensignal (17, 18) bereitgestellt worden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursimulationseinheit (23) ausgebildet ist, die Temperatur der wenigstens einen der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) unter Berücksichtigung der ermittelten elektrischen Verlustleistung zu ermitteln.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodioden (4, 5) durch Avalanche-Fotodioden gebildet sind.
Kraftfahrzeug (27) mit einem Scanner (28), insbesondere einem Laserscanner, wobei der Scanner (28) eine Erfassungseinrichtung (29) zum Erfassen von Licht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (29) eine Schaltungsanordnung (1, 2, 3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Erfassen von Licht, wobei: - wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) einen jeweiligen Fotostrom (6, 7) abhängig von durch die jeweilige der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) erfasstem Licht bereitstellen, wobei Anodenanschlüsse (11, 12) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) an ein gemeinsames elektrisches Potential (10) angeschlossen sind, und - mittels jeweils einer an eine jeweilige Kathode (8, 9) der wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) angeschlossene Auswerteschaltung (13) der jeweilige Fotostrom (6, 7) erfasst und ein jeweiliges elektrisches Fotostromsignal (14, 15) abhängig vom jeweils erfassten Fotostrom (6, 7) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das gemeinsame elektrische Potential (10) abhängig von einem größten der durch die wenigstens zwei Fotodioden (4, 5) bereitgestellten Fotoströme (6, 7) eingestellt wird.