DE19707313C2 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung von hochfrequenten optischen Signalen in elektrische Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroelektronische Schaltungsanord­ nung zur Umwandlung von hochfrequenten optischen Strahlungsim­ pulsen 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 Sig­ nalwandlung bei sich ständig verkürzenden Impulsdauern erwächst daraus die Forderung nach Verringerung der Schaltzeiten opto­ elektronischer Wandlerschaltungen, bzw. nach Frequenzsteige­ rung. Schaltungen dieser Art sind bekannt. Ein typisches Bei­ spiel, welches dem angezielten Zweck nahekommt, ist aus der DE 38 31 109 A1 bekannt. Hier wird der von einer Foto-Diode erzeug­ te 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 ange­ schlossen 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 bekann­ termaßen zum Schwingen und führen demgemäß zu Schwierigkeiten in der Dimensionierung der Bauelemente, d. h. sie sind für die Anwendung in einer technologisch/ökonomisch optimierten Stan­ dardtechnologie 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. DE ist als weiterer Vorteil genannt, mit möglichst wenig Bauelementen auszukommen. 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 Prüfpad eingespart werden kann. Wichtig ist die Möglichkeit der einfachen technologischen Realisierung, die immer dann gegeben ist, wenn keine zusätzli­ chen Technologieschritte für die Herstellung der Schaltungsanord­ nung benötigt werden.

Den Nachteil der Neigung zum Schwingen hat wegen der Transimpe­ danzverstärkerstufe und der damit verbundenen Rückkopplungsschal­ tung auch die in der DE 40 06 504 A1 angegebene Schaltungsanordnung für einen Opto-Schmitt-Trigger.

Mit der DD-PS 133 016 ist eine optoelektronische Differenzver­ stärkerschaltung bekannt, bei der mindestens ein fotoelektrisches Bauelement in Sperrichtung auf einen der Eingänge eines emitter­ seitig mit einer Konstantstromquelle verbundenen Transistor-Dif­ ferenzverstärkers geschaltet ist und jeweils bei dem noch freien Eingang des Differenzverstärkers die Basis-Emitter-Strecke des Eingangstransistors in Durchlaßrichtung mit der Betriebsspan­ nungsquelle verbunden ist. Die Spannungsbegrenzung wird hier durch einen Lade- und Entladewiderstand realisiert. Das ist inso­ fern nachteilig, als der erzeugte Spannungshub am Eingang des Differenzverstärkers nahezu linear vom im fotoelektrischen Bau­ element erzeugten Fotostrom abhängt. Dieser kann somit bei unter­ schiedlicher Bestrahlung oder bei Typstreuungen der Fotoelemente, wie sie üblicherweise unter Produktionsbedingungen auftreten, stark variieren. Dieses resultiert in ungleichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Differenzverstärkerstufe und reduziert letztlich die maximal erzielbaren Schaltgeschwindigkeiten. Die Schaltung ist somit für den GHz-Bereich ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanord­ nung anzugeben, die eine Steigerung der Umwandlungsfrequenz optischer Signale in elektrische Prüfsignale für mikroelek­ tronische Schaltkreise bis in den GHz-Bereich ermöglicht, wel­ che die Gefahr des Schwingens ausschließt und die sich mit den üblichen technologischen Mitteln realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.

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

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

Es zeigen:

Fig. 1 den wesentlichen Teil einer erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung in Bipolarausführung mit npn-Transistoren, welche durch an sich bekannte Komponenten, wie weitere Differenz­ verstärkerstufen und Treiberstufen fortgebildet sein kann, in der zwei Foto-Dioden enthalten sind, eine als das elektrische Signal erzeugende Foto-Diode (kurz Signal-Foto-Diode), die zweite als während des Meßzeitabschnitts kontinuierlich bestrahlte das Referenzsignal erzeugende Foto-Diode (kurz Referenz-Foto-Diode) geschaltet;

Fig. 2 den wesentlichen Teil einer der Fig. 1 ähnlichen erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnnung, bei der sowohl npn- als auch pnp-Transistoren enthalten sind;

Fig. 3 den wesentlichen Teil einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung, die wiederum nur npn-Transistoren enthält, bei der das Basispotential des einen Transistors der Diffe­ renzverstärkerstufe von einem vom Strom der Signal-Foto- Diode abhängigen Potential gesteuert wird und die Basis des anderen, parallel geschalteten Transistors, auf einem vom konstanten Strom der Referenz-Foto-Diode abhängigen Fest­ potential gehalten wird.

Charakteristisch an der Schaltung in Fig. 1 ist, daß am Kno­ tenpunkt K, welcher mit der Basis des Eingangstransistors T1 des Differenzverstärkers zusammengeschaltet ist, eine Addition bzw. Subtraktion der beiden von den Foto-Dioden F1 und F2 herkommenden Ströme erfolgt. Der von der Signal- Foto-Diode F1 bei Bestrahlung generierte Strom fließt über den Transistor T2 ab. Zusammen mit Transistor T3 bildet der Transistor T2 eine bekannte Stromspiegelschaltung. Bei ihr wird der Kollektorstrom vom Transistor T3 direkt von dem Strom gesteuert, der in den als Diode geschalteten Tran­ sistor T2 hineinfließt. Bei zur Einfachheit hier angenom­ menen gleichen Transistoren T2 und T3 erscheint der von der Sighnal-Foto-Diode F1 durch Beleuchtung mit modulier­ tem Licht generierte Signalstrom is mit vernachlässigbarem Fehler wieder als Kollektorstrom des Transistors T3. Die Referenz-Foto-Diode F2 wird konstant belichtet und gene­ riert demgemäß einen konstanten Referenzstrom Iref. Über den Widerstand R1 am Knoten K fließt unter Vernachlässigung des Basisstroms von Transistor T1 der Differenzstrom ir = is - Iref und die Basisspannungsdifferenz von T1 und T4 wird ΔU = -R1(is - Iref). Wird is zwischen ismax und ismin geschaltet und Iref in der Mitte beider Werte (ismax + ismin) /2 gelegt, dann schaltet die Differenzspannung ΔU symme­ trisch zwischen den Werten ±R1(ismax - ismin)/2. An den Aus­ gängen A und A- des Differenzverstärkers D kann das ge­ wünschte elektrische Signal abgenommen werden. Für digi­ tale Ausgänge muß die Ansteuerung am Knoten K ≈< 100 mV sein. Über die Lichtquelle der Referenz-Foto-Diode F2 läßt sich der Arbeitspunkt durch Iref stets so einstellen, daß die gewünschte Signalsymmetrie am Knoten K erreicht wird. Alle Lichtabsorptions-, Reflexions- und Empfindlich­ keitsschwankungen, die beide Foto-Dioden gleichermaßen be­ treffen ("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 inte­ grierte npn- und pnp-Transistoren ermöglicht, kann durch eine zweite aus den pnp-Transistoren T5 und T6 bestehende Stromspiegelschaltung, über welche die Foto-Diode F2 mit dem Knoten K verbunden ist, der schädliche Einfluß der re­ lativ großen Referenz-Foto-Dioden-Sperrschichtkapazität auf das Schaltverhalten eliminiert werden. Es wirkt sich nur noch die in der Regel kleine Kollektorkapazität des pnp-Transistors T6 aus. Bei der Einstellung des Referenz­ stroms kann hier die Dimensionierung der Transistoren T5 und T6 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 Nutzung der Sperrschichtkapazität der Referenz-Foto-Diode F2 hinsicht­ lich der Umladegeschwindigkeit der Transistorsperrschicht­ kapazität ist in der Schaltungsanordnung in Fig. 3 realisiert, indem der Signal-Foto-Dioden-Stromzweig mit der Ba­ sis des einen Transistors T1 und der Referenz-Foto-Dio­ den-Stromkreis mit der Basis des anderen Transistors T4 des Differenzverstärkers D zusammengeschaltet ist. An der Basis des Transistors T4 wird durch den Strom der Diode F2 Iref, welcher über den Widerstand R1 zu VBB abfließt, ein festes Referenzpotential VBB - (R1 . Iref) eingestellt. Mit R1 = R2 = R ergibt sich die Differenzspannung zwischen den Ba- Sen der Transistoren des Differenzverstärkers wieder wie in den Schaltungen nach Fig. 1 oder Fig. 2 zu ΔU = -(is - Iref)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
R1: Widerstand
T1: npn-Transistor (Eingang der Differenzverstärkerstufe)
T2: npn-Transistor, Primärseite des Stromspiegels
T3: npn-Transistor, Sekundärseite des Stromspiegels
T4: npn-Transistor der Differenzverstärkerstufe
Is: Signalstrom.
Iref: Referenzstrom
Ir: Differenzstrom

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
R1: Widerstand
T1: npn-Transistor (Eingang der Differenzverstärkerstufe)
T2: npn-Transistor, Primärseite des Stromspiegels
T3: npn-Transistor, Sekundärseite des Stromspiegels
T4: npn-Transistor der Differenzverstärkerstufe
T5: pnp-Transistor des Stromspiegels der Referenz-Foto-Diode
T6: pnp-Transistor des Stromspiegels der Referenz-Foto-Diode

Fig.

3:
VCC: Betriebsspannungsanschluß; ((+)-Pol/Erdpotential)
VEE: Betriebsspannungsanschluß; ((-)-Pol)
VBB: Referenzspannung des Differenzverstärkers
F1: Signal-Foto-Diode
F2: Referenz-Foto-Diode
D: Differenzvertstärkerstufe
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 (10)

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung hochfrequenter optischer Signale in elektrische Signale unter Nutzung eines ersten lichtempfindlichen Bauelements (F1) zur Erzeugung eines elektrischen Signals und unter Nutzung eines zweiten lichtempfindlichen Bauelements (F2), so daß zwei Stromkreise bestehen, in denen sich je ein lichtempfindliches Bauelement befindet, wobei die Ströme der beiden Kreise sich addieren, bzw. voneinander subtrahieren und der über einen ersten Widerstand (R1) fließende konstante Referenzstrom den Spannungshub bestimmt, der an den Eingängen eines Differenzverstärkers anliegt, und wobei der den Referenzstrom liefernde Stromkreis aus einer Reihenschaltung des zweiten lichtempfindlichen Bauelements (F2) mit dem ersten Widerstand (R1), an dem auf der einen Seite die Referenzspannung und auf der anderen Seite die Versorgungsspannung anliegt, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß, das zweite lichtempfindliche Bauelement (F2) zur Erzeugung eines Referenzsignales während des jeweiligen Signalzyklus kontinuierlich bestrahlt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stromkreis mit der Basis eines ersten oder zweiten Eingangstransistors (T1, T4) des Differenzverstärkers zusammengeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromkreise mit der Basis nur eines ersten oder zweiten Eingangstransistors (T1, T4) des Differenzverstärkers zusammengeschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom ersten lichtempfindlichen Bauelement (F1) kommende Strom über einen zweiten Transistor (T2) abfließt, der Teil einer Stromspiegelschaltung ist, welche den Strom steuert, der den Spannungshub am Differenzverstärker bestimmt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom ersten lichtempfindlichen Bauelement (F1) kommende Strom über einen zweiten Transistor (T2) abfließt, der Teil einer Stromspiegelschaltung ist, welche den Strom steuert, der den Spannungshub am Differenzverstärker bestimmt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem zweiten und einem dritten npn-Transistor (T2) und (T3) aufgebaute Stromspiegelschaltung existiert, bei der der Kollektor des dritten Transistors (T3) an einen Knotenpunkt geführt ist, an dem ein Anschluß des zweiten lichtempfindlichen Bauelements (F2), ein zwischen dem Knoten und einer Referenzspannungsquelle (VBB) liegender erster Widerstand (R1) und die Basis eines Eingangstransistors (T1) eines aus npn-Transistoren aufgebauten Differenzverstärkers (D) zusammengeschaltet sind und daß durch geeignete Dimensionierung des zweiten und dritten npn-Transistors des Stromspiegels (T2) und (T3) und des ersten Widerstandes (R) in Relation zur Strahlungsintensität der Strom vom zweiten lichtempfindlichen Bauelements (F2) etwa in der Mitte des Ansteuerbereiches des vom ersten lichtempfindlichen Bauelement (F1) gesteuerten Stromes eingestellt ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüchen 1, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite lichtempfindliche Bauelement (F2) kathodenseitig über eine aus zwei pnp-Transistoren (T5) und (T6) aufgebaute zweite Stromspiegelschaltung mit dem Knotenpunkt (K) verbunden ist und die Parameter der pnp-Transistoren bei der Stromdimensionierung mit berücksichtigt sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem zweiten und einem dritten npn-Transistor (T2) und (T3) aufgebaute Stromspiegelschaltung existiert, welche mit dem ersten lichtempfindlichen Bauelement (F1) und einem zweiten Widerstand (R2) den einen Stromkreis bildet, der mit der Basis des ersten Eingangstransistors (T1) des Differenzverstärkers (D) verbunden ist und, daß ein zweiter Stromkreis, bestehend aus dem zweiten lichtempfindlichen Bauelement (F2) und dem ersten Widerstand (R1), mit der Basis des zweiten Eingangstransistors (T4) des Differenzverstärkers (D) verbunden ist und durch geeignete Dimensionierung des zweiten und dritten Transistors des Stromspiegels (T2) und (T3) und der zwei Widerstände (R1) und (R2) in Relation zur Strahlungsintensität, der Strom vom zweiten lichtempfindlichen Bauelement (F2) etwa in der Mitte des Ansteuerbereiches des vom lichtempfindlichen Bauelement (F1) gesteuerten Stromes eingestellt ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einer unipolaren oder gemischten Transistortechnologie ausgeführt ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einer gemischten Transistortechnologie ausgeführt ist.