DE19707313A1

DE19707313A1 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung von hochfrequenten optischen Signalen in elektrische Signale

Info

Publication number: DE19707313A1
Application number: DE1997107313
Authority: DE
Inventors: Horst H Dr Ing Berger
Original assignee: THESYS GES fur MIKROELEKTRONI
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: DE19707313C2

Description

Die Erfindung betrifft mikroelektronische Schaltungsanordnungen zur Umwandlung von hochfrequenten optischen Strahlungsimpulsen in elektrische Signale, wie sie z. B. beim Prüfen von mikroelektronischen Schaltkreisen benötigt werden.

Die Wandlung optischer Signale in elektrische Signale hat u. a. Bedeutung für die kontaktlose Prüfung von mikroelektronischen Schaltkreisen. Dabei geht der Trend bei integrierten logischen Schaltkreisen zu immer höheren Arbeitsfrequenzen. Für die Signalwandlung bei sich ständig verkürzenden Impulsdauern erwächst daraus die Forderung nach Verringerung der Schaltzeiten opto-elektronischer Wand lerschaltungen, bzw. nach Frequenzsteigerung. Schaltungen dieser Art sind bekannt. Ein typisches Beispiel, welches dem angezielten Zweck nahekommt, ist in der DE-OS 38 31 109 beschrieben. Hier wird der von einer Foto-Diode erzeugte elektrische Impuls durch die Kombination eines Transimpedanz-Verstärkers mit einem Schmitt-Trigger verstärkt. Die Schaltung ist auf niedrige Einschaltschwellen, z. B. unter 10 nW opti scher Strahlungsleistung getrimmt. Andererseits wird erwähnt, daß die Kathode der Foto-Diode außer an Masse an den Minus-Pol einer gegen Masse negativen zweiten Versorgungsspannung angeschlossen werden kann, um die Sperrschichtkapazität der Foto-Diode zu verkleinern und so eine höhere Betriebsfrequenz zu erreichen. Dabei sind allerdings keinerlei Frequenzangaben gemacht worden. Transimpedanzverstärker neigen durch die Gegenkopplung bekanntermaßen zum Schwingen und führen demgemäß zu Schwierigkeiten in der Dimensionierung der Bauelemente, d. h. sie sind für die Anwendung in einer technologisch/ökonomisch optimierten Standardtechnologie weniger geeignet.

Bei der Steigerung der Impulsfrequenz zur Gewinnung von Signalen für kontaktlose Prüfzwecke steht nicht primär die Forderung nach niedrigen Einschaltschwellen. In der o. a. OS ist als weiterer Vorteil genannt, mit möglichst wenig Bauelementen aus zukommen. Bei Hochintegration kommt es jedoch auf einige Bauelemente mehr oder weniger für eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von hochfrequenten Kurzzeit-Strahlungsimpulsen in betriebsadäquate elektrische Prüfsignale nicht an, wenn dafür der verhältnismäßig große Platzbedarf für ein elektrisches Prüfrad ein gespart werden kann. Wichtig ist die Möglichkeit der einfachen technologischen Rea lisierung, die immer dann gegeben ist, wenn keine zusätzlichen Technologieschritte für die Herstellung der Schaltungsanordnung benötigt werden.

Den Nachteil der Neigung zum Schwingen hat wegen der Transimpedanzverstärker stufe und der damit verbundenen Rückkopplungsschaltung auch die in der DE-OS 40 06 504 angegebene Schaltungsanordnung für einen Opto-Schmitt-Trigger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine Steigerung der Umwandlungsfrequenz optischer Signale in elektrische Prüfsigna le für mikroelektronische Schaltkreise bis in den GHz-Bereich ermöglicht, welche die Gefahr des Schwingens ausschließt und die sich mit den üblichen technologischen Mitteln realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3 gelöst. Weiterbildungen der Er findung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung hat den Vorteil der Verkürzung der Schaltzeiten durch Verringerung des Spannungshubs im Eingangsbereich eines Referenzverstärkers infolge schal tungstechnischer Maßnahmen, die den Einfluß der relativ großen Sperrschichtkapa zität des strahlungsempfindlichen Bauelements und der Sperrschichtkapazitäten von Schaltungstransistoren herabsetzen.

Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen sind beispielhaft in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den wesentlichen Teil einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Bipolarausführung mit npn-Transistoren, welche durch an sich bekannte Komponen ten, wie weitere Differenzverstärkerstufen und Treiberstufe fortgebildet sein kann, in der zwei Foto-Dioden enthalten sind, eine als Signal-Diode, die zweite als während des Meßzeitabschnitts kontinuierlich bestrahlte Referenz-Diode geschaltet;

Fig. 2 den wesentlichen Teil einer der Fig. 1 ähnlichen erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung, bei der sowohl npn- als auch pnp-Transistoren enthalten sind;

Fig. 3 den wesentlichen Teil einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die wie derum nur npn-Transistoren enthält, bei der das Basispotential des einen Transitors der Differenzverstärkerstufe von einem vom Strom der Signal-Diode abhängigen Potential gesteuert wird und die Basis des anderen, parallel geschalteten Transistors, auf einem vom konstanten Strom der Referenz-Diode abhängigen Festpotential gehal ten wird.

Charakteristisch an der Schaltung in Fig. 1 ist, daß am Knotenpunkt (K), welcher mit der Basis des Eingangstransistors des Differenzverstärkers zusammengeschaltet ist, eine Addition bzw. Subtraktion der beiden von den Foto-Dioden herkommenden Ströme erfolgt. Der von dem strahlungsempfindlichen Signal-Bauelement (F1) bei Bestrahlung generierte Strom fließt über den Transistor (T2) ab. Zusammen mit (T3) bildet dieser Transistor eine bekannte Stromspiegelschaltung. Bei ihr wird der Kollektorstrom von (T3) direkt von dem Strom gesteuert, der in den als Diode geschalteten Transistor (T2) hineinfließt. Bei zur Einfachheit hier angenomme nen gleichen Transistoren (T2) und (T3) erscheint der von der Foto-Diode (F1) durch Beleuchtung mit moduliertem Licht generierte Signalstrom i_s mit vernachlässigbarem Fehler wieder als Kollektorstrom von (T3). Die Referenz-Foto-Diode wird konstant belichtet und generiert demgemäß einen konstanten Referenzstrom I_ref. Über den Widerstand (R) am Knoten (K) fließt unter Vernachlässigung des Basisstroms von (T1) der Differenzstrom i_r = i_s-I_ref und die Basisspannungsdifferenz von T(1) und T(4) wird ∆U = -R(i_s-I_ref). Wird i_s zwischen i_smax und i_smin geschaltet und I_ref in der Mitte beider Werte (i_smax + i_smin)/2 gelegt, dann schaltet die Differenzspannung ∆U symme trisch zwischen den Werten ± R(i_smax-i_smin)/2 An den Ausgängen A und A- des Diffe renzverstärkers (D) kann das gewünschte elektrische Signal abgenommen werden. Für digitale Ausgänge muß die Ansteuerung am Knoten (K) ≈ < 100 mV sein. Über die Lichtquelle der Referenz-Diode (F2) läßt sich der Arbeitspunkt durch I_ref stets so ein stellen, daß die gewünschte Signalsymmetrie am Knoten (K) erreicht wird. Alle Lichtabsorptions-, Reflexions- und Empfindlichkeitsschwankungen, die beide Foto-Dioden gleichermaßen betreffen ("Gleichlauf"), stören die Symmetrie nicht. Die Schaltung in Fig. 2 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die in Fig. 1. Mit einer Technologie, die gleichzeitig integrierte npn- und pnp-Transistoren ermöglicht, kann durch eine zweite aus pnp-Transistoren (T4) und (T5) bestehende Stromspiegelschal tung, über welche die Referenz-Foto-Diode (F2) mit dem Knoten (K) verbunden ist, der schädliche Einfluß der relativ großen Referenz-Dioden-Sperrschichtkapazität auf das Schaltverhalten eliminiert werden. Es wirkt sich nur noch die in der Regel kleine Kollektorkapazität des pnp-Transistors (T5) aus. Bei der Einstellung des Refe renzstroms kann hier die Dimensionierung der Transistoren (T4) und (T5) zusätzlich berücksichtigt werden.

Eine Trennung der beiden Foto-Dioden-Stromkreise, d. h. eine völlige Entkopplung von den Sperrschichtkapazitäten der beiden Foto-Dioden und eine vorteilhafte Nut zung der Sperrschichtkapazität der Referenz-Foto-Diode hinsichtlich der Um ladegeschwindigkeit der Transistorsperrschichtkapazität ist in der Schaltungsanord nung in Fig. 3 realisiert, indem der Signaldiodenstromzweig mit der Basis des einen Transistors (T1) und der Referenzdiodenstromkreis mit der Basis des anderen Transi stors (T4) des Differenzverstärkers (D) zusammengeschaltet ist. An der Basis des Transistors (T4) wird durch den Strom der Referenz-Foto-Diode (I_ref), welcher über den Widerstand (R2) zu (VBB) abfließt, ein festes Referenzpotential VBB-(R2*I_ref) eingestellt.

Mit (R1) = (R2) = (R) ergibt sich die Differenzspannung zwischen den Basen der Transis toren des Differenzverstärkers wieder wie in den Schaltungen nach Fig. 1 oder Fig. 2 zu ∆U = -(i_s-I_ref)R.

Bezugszeichenliste

Fig.

1: VCC: Betriebsspannungsanschluß; ((+)-Pol/Erdpotential)
VEE: Betriebsspannungsanschluß; ((-)-Pol)
VBB: Referenzspannung des Differenzverstärkers
F1: Signal-Foto-Diode
F2: Referenz-Foto-Diode
D: Differenzverstärkerstufe
K: Schaltungsknoten
R: Widerstand
T1: npn-Transistor (Eingang der Differenzverstärkerstufe)
T2: npn-Transistor, Primärseite des Stromspiegels
T3: npn-Transistor, Sekundärseite des Stromspiegels
T4: npn-Transistor der Differenzverstärkerstufe

Fig. 2: VCC: Betriebsspannungsanschluß; ((+)-Pol/Erdpotential)
VEE: Betriebsspannungsanschluß; ((-)-Pol)
VBB: Referenzspannung des Differenzverstärkers
F1: Signal-Foto-Diode
F2: Referenz-Foto-Diode
D: Differenzverstärkerstufe
K: Schaltungsknoten
R: Widerstand
T1: npn-Transistor (Eingang der Differenzverstärkerstufe)
T2: npn-Transistor, Primärseite des Stromspiegels
T3: npn-Transistor, Sekundärseite des Stromspiegels
T4: pnp-Transistor des Referenzdiodenstromspiegels
T5: pnp-Transistor des Referenzdiodenstromspiegels

Fig. 3: VCC: Betriebsspannungsanschluß; ((+)-Pol/Erdpotential)
VEE: Betriebsspannungsanschluß; ((-)-Pol)
VBB: Referenzspannung des Differenzverstärkers
F1: Signal-Foto-Diode
F2: Referenz-Foto-Diode
D: Differenzverstärkerstufe
K: Schaltungsknoten
R1: Widerstand
R2: Widerstand
T1: npn-Transistor (Eingang der Differenzverstärkerstufe)
T2: npn-Transistor, Primärseite des Stromspiegels
T3: npn-Transistor, Sekundärseite des Stromspiegels
T4: npn-Transistor der Differenzverstärkerstufe

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung hochfrequenter optischer Signale in elektrische Signale unter Nutzung eines ersten strahlungsempfindlichen Bau elements zur Erzeugung eines elektrischen Signals und Nutzung eines zweiten, während des jeweiligen Signalzyklus kontinuierlich bestrahlten strah lungsempfindlichen Bauelements zur Erzeugung eines Referenzsignals, da durch gekennzeichnet, daß zwei Stromkreise bestehen, in denen sich je ein strahlungsempfindliches Bauelement befindet, die Ströme der beiden Kreise sich addieren, bzw. voneinander subtrahieren und der über einen Widerstand fließende konstante Referenzstrom den Spannungshub bestimmt, der an den Eingängen eines Differenzverstärkers anliegt und, daß der den Referenzstrom liefernde Stromkreis aus einer Reihenschaltung des lichtempfindlichen Bauele ments mit einem Widerstand, an dem auf der einen Seite die Referenzspannung und auf der anderen Seite die Versorgungsspannung anliegt, gebildet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stromkreis mit der Basis eines der beiden Transistoren eines Differenz verstärkers zusammengeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromkreise mit der Basis nur eines Transistors des Differenzverstärkers zusammengeschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeich net, daß der vom signalerzeugenden lichtempfindlichen Bauelement kommende Strom über den Transistor (T2) abfließt, der Teil einer Stromspiegelschaltung ist, welche den Strom steuert, der den Spannungshub am Differenzverstärker bestimmt.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 1 eine aus den npn-Transistoren (T2) und (T3) aufgebaute Stromspiegelschaltung existiert, bei der der Kollektor des Transistors (T3) an einen Knotenpunkt führt, an dem die Anode des strahlungsempfindlichen Referenzbauelements (F2), ein zwischen dem Knoten und der Referenzspannungsquelle (VBB) liegender Widerstand (R) und die Basis des Eingangstransistors (T1) eines aus npn-Transistoren aufgebauten Differenzverstärkers (D) zusammengeschaltet sind und durch geeignete Di mensionierung der Transistoren (T2) und (T3) des Stromspiegels (Übersetzungsverhältnis) und des Widerstandes (R) in Relation zur Strahlungsintensität, der Strom vom strahlungsempfindlichen Referenz-Bau element (F2) etwa in der Mitte des Ansteuerbereiches des vom strahlungsemp findlichen Signal-Bauelement (F1) gesteuerten Stromes eingestellt ist und die se Schaltung mit an sich bekannten Mitteln, wie sie Differenzverstärker und Treiberstufen darstellen, fortbildbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Referenzstrom liefernde lichtempfindliche Bauelement gemäß Fig. 2 anodenseitig über eine aus den pnp-Transistoren (4) und (5) aufgebaute Stromspiegelschaltung mit dem Knotenpunkt (K) verbunden ist und die Parameter der pnp-Transistoren bei der Stromdimensio nierung mit berücksichtigt sind.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemäß Fig. 3 aus den npn-Transistoren (T1) und (T2) aufgebaute Stromspiegelschaltung existiert, welche mit dem strahlungsempfindlichen Signal-Bauelement (F1) und dem Widerstand (R1) den einen Stromkreis bildet, der mit der Basis des Transistors (T1) des Diffe renzverstärkers (D) verbunden ist und, daß ein zweiter Stromkreis, bestehend aus dem strahlungsempfindlichen Referenz-Bauelement (F2) und dem Wider stand (R2), mit der Basis des zweiten Transistors (T4) des Differenzver stärkers (D) verbunden ist und durch geeignete Dimensionierung der Transistoren (T2), und (T3) des Stromspiegels und der Widerstände (R1) und (R2) in Relation zur Strahlungsintensität, der Strom vom strahlungsemp findlichen Bauelement (F2) etwa in der Mitte des Ansteuerbereiches des vom strahlungsempfindlichen Signal-Bauelement (F1) gesteuerten Stromes eingestellt ist und diese Schaltung mit an sich bekannten Mitteln, wie sie Dif ferenzverstärker- und Treiberstufen darstellen, fortbildbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einer unipolaren oder gemischten Transistortechnologie ausgeführt ist.