DE2125916A1

DE2125916A1 - Schaltkreis zur Erzeugung einer lichtabhängigen Spannung

Info

Publication number: DE2125916A1
Application number: DE19712125916
Authority: DE
Inventors: Kenneth Edward Piano Tex. Years (V.StA.). H03f 1-00
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-05-28
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1971-12-09
Also published as: FR2090358B1; JPS5320853B1; GB1351301A; FR2090358A1; US3626825A

Description

^DR"^INQ· OIPL.-INO. M. SC. DIPL..PHVS. DR. DIPL-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 2125916

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Texas Instruments Incorporated 135oo North Central Expressway

Dallas, Texas, U. S. A.

Schaltkreis zur Erzeugung einer lichtabhängigen

Spannung

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Erzeugung einer in Abhängigkeit von der Intensität des auf eine Fotodiode auftreffenden Lichtes veränderlichen Spannung am Ausgang eines Verstärkers, dessen Eingang der lichtabhängig veränderliche Signalstrom der Fotozelle zugeführt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung einen eine Fotozelle enthaltenden Schaltkreis dieser

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Art, welcher eine Spannung erzeugt, die sich linear mit der Lichtintensität ändert.

Weitaus die grösste Zahl von fotoelektrischen Bauelementen wird in Schaltkreisen eingesetzt, die ein Ja-Nein-Signal liefern.

fc Wenn bei diesen Schaltkreisen das auf das Fotoelement einfallende Licht einen kritischen Pegel erreicht, schaltet der Detektorkreis von einem stabilen Zustand in einen zweiten stabilen Zustand. In derartigen Schaltkreisen wird üblicherweise die Spannungsänderung des Fotoelementes ausgewertet. Einige wenige bekannte Schaltkreise sind auch so aufgebaut, dass sie eine Ausgangsspannung erzeugen, die sich mit der Lichtintensität ändert. Diese Schaltkreise werten ebenfalls die von den Fotozellen erzeugten Spannungen aus. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Schaltkreise, die auf die von einer Fotozelle erzeugten Spannungen ansprechen, in ihren Anwendungsmöglichkeiten beschränkt sind, weil die meisten Fotoelemente nur Spannungsänderungen erzeugen, die für übliche Verstärkerkreise zu klein sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker vorzuschlagen, welcher eine Spannung erzeugt, die sich vorzugsweise linear mit der Lichtintensität ändert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem Schaltkreis der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem der Verstärker eine als Differentialverstärkerstufe ausgebildete Eingangsstufe aufweist, mit der die Fotodiode verbunden ist und bei welchem

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ferner zwischen dem Ausgang des Verstärkers und einem Anschluss der Fotodiode ein Rückkopplungskreis vorgesehen ist, der das Ausgangssignal des Verstärkers mit dem von der Fotodiode erzeugten Signalstrom verknüpft.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt dabei die Differentialverstärkerstufe eine hohe Verstärkung und enthält zwei Transistoren, die jeweils einen Stromverstärkungsfaktor von ß = l.ooo bis 5.ooo aufweisen. Als günstig hat sich ferner erwiesen, wenn zwischen dem zweiten Eingang der Differentialverstärkerstufe und der anderen Seite der Fotodiode eine Spannungsquelle liegt, die einen Bezugspegel für den Verstärker liefert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bipolaren Differentialverstärkerstufe, die ein Ausgangssignal liefert, welches sich proportional zu der von einer Fotozelle gemessenen Lichtintensität ändert;

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform einer Fotozelle für eine Schaltung gemäss Fig. 1;

Fig. 3 eine Kurve der relativen Sehfähigkeit als Funktion der Wellenlänge in μ;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Fotostroms als Funktion der Spannung einer Fotozelle mit einem p-n-Übergangj

Fig. 5 ein Schematisches Blockschaltbild eines Steuerkreises

für die Blende und den Verschluss einer Kamera mit |) einer Differentialverstärkerstufe gemäss Fig. Ij

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines bipolaren, transistorisierten Steuerkreises für die Steuerung von Blende und Verschluss einer Kamera und

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines Schaltkreises mit MOS-Transistoren, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, welches sich proportional zu der auf eine Fotozelle einfallenden Lichtmenge ändert.

In Fig. 1 ist eine als Diode ausgebildete Fotozelle Io mit ihrer Kathode mit der Basis eines ersten Eingangsxransistors 12 und mit ihrer Anode mit der Basis eines zweiten Eingangstransistors 14 verbunden. Ein bipolarer Schaltkreis des gezeigten Typs liefert pro Stufe eine hohe Spannungsverstärkung und ermöglicht eine genaue Messung der auf die Fotozelle Io einfallenden Lichtmenge. Zur Anpassung an die niedrigen Strompegel der Fotozelle Io sind der erste und der zweite Eingangstransistor 12 bzw. 14 vom sogenannten "super-beta"-Typ. Unter einem Super-Beta-Transistor versteht man dabei einen Transistor, bei dem ß = l.ooo bis 5.ooo und U_CEQ ungefähr 2 bis 5 V ist. Die Basisdicke von Super-Beta-Transistoren beträgt nominell etwa

— 5 —

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o,254 Λΐ. Wegen der hohen Beta-Werte liegt die effektive Eingangs impedanz der bipolaren, transistorisierten Differentialverstärkerstufe gemäss Fig. 1 ungefähr um den Faktor Io über derjenigen eines Verstärkers, dessen Eingangsstufe mit Transistoren der üblichen Beta-Werte aufgebaut ist.

Um eine Spannung von 2 bis 5 V für den ÖQ^Q-Wert des ersten und zweiten Eingangsti^ansistors 12 bzw. 14 aufrecht zu erhalten, enthält die Schalung gemäss Fig. 1 Transistoren 16 und 18. Die Basis des Transistors 16 ist mit dem Emitter des ersten Eingangstransistors 12 und mit einer Stromquelle 2o verbunden. Ferner sind zur Aufrechterhaltung der Strom- und Spannungspegel des ersten Eingangstransistors 12 weitere Schaltmittel einschliesslich eines Paares von Rücken an Rücken liegenden Transistoren 22 und 24 sowie einerjStromquelle 26 vorgesehen. Die Basis des Transistors 18 ist mit dem Emitter des zweiten Eingangstransistors 14 und einer Stromquelle 2 8 verbunden. Zur Aufrechter— haltung der Strom- und Spannungspegel des zweiten Eingangstransistors 14 sind zusätzliche Schaltelemente einschliesslich eines Transistors 3o, der Rücken an Rücken mit einem Transistor 32 verschaltet ist, und einer Stromquelle 34 vorgesehen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in der schematischen Darstellung gemäss Fig. 1 zur Erhöhung der Übersichtlichkeit verschiedene Widerstände, die der Einstellung von Vorspannungen und Spannungspegeln dienen, nicht dargestellt sind. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung wird über eine Gleichspannungsquelle gespeist, die mit der Klemme 36 verbunden ist.

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Ein Differenz-Ausgangssignal des ersten und zweiten Eingangstransistors 12 und IU erscheint an Ausgangsklemmen 3 8 und Ho und ist proportional zur Intensität des auf die Fotozelle Io auftreffenden Lichtes.

| Wenn die als Fotozelle Io dienende Diode in der in Fig. 1 gezeigten V/eise geschaltet ist, arbeitet sie als stromsteuerndes Element; d.h. die Eingangstransistoren 12 und m sprechen auf die von der Diode erzeugten Strompegel an. Durch diese Stromsteuerung durch die Diode Io lässt sich gegenüber einer Spannungssteuerung eine höhere Arbeitsfrequenz erreichen. Dieser Vorteil der Stromsteuerung lässt sich durch die Kapazität der Fotodiode erklären. Bei einer Spannungssteuerung muss diese Kapazität geladen und entladen werden. Bei der Stromsteuerung dagegen hat die Diodenkapazität - wenrjüberhaupt - nur einen geringen Einfluss.

Bei einer ersten Ausführungsform ist die Fotozelle Io eine Se- W len-Fotodiodej die in der Weise hergestellt wird, dass auf einem leitfähigen Substrat zunächst eine Selenschicht und dann eine Kadmiumoxydschicht abgeschieden wird. Das n-leitende Kadmiumoxyd bildet mit dem p-leitenden Selen einen p-n-übergar.g. Die Photonen durchdringen die opake Kadmiumoxydschicht und erzeugen Ladungsträgerpaare (Loch-Elektron) in dem Selen. Die Elektronen überwinden das p-SperrSchichtpotential und gelangen in die Kadmiumoxydschicht, und es beginnt ein Strom zu fliessen, welcher der Anzahl der durch das Licht erzeugten Ladungsträger-

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paare proportional ist und durch die Eingangstransistoren 12 und 14 verstärkt wird.

Für Anwendungsfälle, bei denen die Lichtspeicherung (das Zurückbleiben von Ladungsträgerpaaren in dem Selen) von Bedeutung ist, wird gegenüber den Selen-Dünnfilm-Fotozellen vollständig aus Silizium bestehenden Fotozellen der Vorzug gegeben. Silizium-Fotozellen besitzen gegenüber den Selen-Fotozellen einen besseren Rauschabstand, und das Silizium zeigt praktisch keine Speichereffekte für Ansprechzeiten, die grosser als einige wenige Millisekunden sind.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Silizium-Fotozelle gezeigt, bei welcher das Siliziumsubstrat 42 als Kollektor dient und eine Basiszone 44 sowie eine Emitterzone 46 in der üblichen Technik durch Öffnungen in einer Siliziumdioxydschicht 48 durch Diffusion hergestellt worden sind. Silizium p-n Übergänge reagieren empfindlich sowohl auf Licht im sichtbaren Bereich (o,4 bis o,7 μ) als auch im nahen Infrarotbereich (o,7 bis 1,1 μ), und zwar entsprechend dem Lichtabsorptionskoeffizienten des Siliziums.

Um eine Silizium-Fotozelle für die Wellenlängen im nahen Infrarotbereich für solche Anwendungsfälle unempfindlich zu machen, bei denen nur das sichtbare Licht von Interesse ist, wird eine selektive Empfindlichkeit dadurch erreicht, dass die Diffusionszonen des Transistors so gestaltet werden, dass die tief ein-

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dringende Infrarotstrahlung eine Ionisation in dem Kollektorbereich erzeugt, wobei der entstehende Fotostrom durch Kurzschliessen des Kollektor-Basis-Übergangs unwirksam gemacht wird. Dieser Kurzschluss wird mit Hilfe einer Verbindungsleitung 5o herbeigeführt. Um zu erreichen, dass die Photonen der Infrarotstrahlung durch die Emitterzone und die Basiszone bis in die Kollektorzone gelangen, wird für die Basiszone eine Dicke von etwa 8 μ gewählt. Bei einer Dicke der Emitterzone 46 von 2 μ und einer Dicke der Basiszone 44 von 8 μ dringen die Photonen des Lichtes sichtbarer Wellenlänge durch die Emitterzone in die Basiszone vor, wo sie Fotoströme erzeugen, die dem Lichteinfall entsprechen.

Die Fotozelle Io gemäss Eg. 2 wird in einer Differentialverstärkerstufe gemäss Fig. 1 in der Weise geschaltet, dass der Emitter-Basis-Übergang auf Bezugspotential liegt oder schwach in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn die Fotozelle so geschaltet ist und wenn ferner der Kollektor-Basis-Übergang durch die Ver- * bindungsleitung 5o kurzgeschlossen ist, arbeitet dieses Bauelement - wenn überhaupt - nur in geringem Umfang als Transistor, und kann somit ebenfalls als Fotodiode angesprochen werden.

Durch Betreiben der Silizium-Fotodiode bei Anliegen des Grundpotentials oder einer schwachen Gegenspannung am Emitter-Basis-Übergang kann das Auftreten eines temperaturabhängigen Dunkel-Leckstroms dp) des p-n-Überganges ausgeschaltet werden. Der Leckstrom für einen p-n-Übergang bei positiven Spannungen im Bereich von Io V und darunter gehorcht der folgenden Gleichung:

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qV
¹^ ¹D = ¹S^ -D ⁺ Oberfläche ^{+ 1}GBn. (Erschöpfungszone)

Jeder der Ströme in Gleichung 1) ist stark temperaturabhängig und führt zu einem Fehler des Fotostroms der Diode, da der gesamte Stromfluss (I- . ) der dem Licht ausgesetzten Diode (un- ·

1 OX a

ter der Annahme, dass die Dicke der Erschöpfungszone Null ist) folgender Gleichung gehorcht:

Tot.D ⁿ P

wobei R = Ladungsträgererzeugungsrate pro Einheit der einiällenden Lichtmenge und

L_n, L = Diffusionslänge der Minoritätsträger (Elektronen bzw. Löcher).

Bei Anliegen der Bezugsspannung oder einer geringfügig negativen Vorspannung an dem Emitter-Basis-Übergang vereinfacht sich Gleichung 2) wie folgt:

3) I_Tn+ = qR(L + L)

lot · ⁱⁱ ρ

so dass die temperaturabhängigen Leckstromanteile nicht mehr auf· treten. Die Strom-Spannungs-Kurven für einen Betrieb der Fotozelle bei Anliegen der Bezugsspannung oder einer geringfügig negativen Vorspannung am p-n-Übergang sind in Fig. 4 für verschiedene Lichtintensitäten L^, L2 und Lg dargestellt. Dabei sind die Schnittpunkte der Kurven mit der I-Achse mit A^₉ A2 und Ag bezeichnet.

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Um das Ansprechen einer Silizium-Fotozelle unter den sichtbaren Bereich zu beschränken, ist, wie in Fig. 1 dargestellt, vor der Fotozelle ein optisches Filter 52 angeordnet.

In Fig. 3 ist eine Sehfähigkeitskurve dargestellt, d.h. es ist die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für Strahlungsenergie als Funktion der Wellenlänge der Strahlung aufgetragen. Durch Wahl vorgegebener Abmessungen für die eindiffundierten Bereiche und durch das optische Filter 52 kann, wie dies oben erklärt wurde, die Empfindlichkeit einer Silizium-Fotozelle auf die sichtbaren Wellenlängen zwischen o,4 und o,7 μ beschränkt werden.

Ein Anwendungszweck des Schaltkreises gemäss Fig. 1, der als Fotozelle entweder eine Selen-Fotodiode oder eine Silizium-Fotozelle enthalten kann, besteht, wie dies Fig. 5 zeigt, in der Steuerung von Blende und Verschluss einer Kamera. Die Fotozelle Io erzeugt einen Strom in der Eingangsstufe eines Operationsverstärkers 54 entsprechend der Lichtintensität hinter dem optischen Filter 52.Die Differentialverstärkerstufe gemäss Fig. 1 bildet dabei die Eingangsstufe des Operationsverstärkers 54. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 54 ist proportional zur Intensität des auf die Fotozelle Io einfallenden Lichtes und wird über einen einstellbaren Widerstand 58 dem Eingang eines Operationsverstärkers 56 zugeführt.

Ein Rückkopplungskreis, der zwischen dem Ausgang des Verstärkers

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5«* und der Kathode der Fotozelle Io liegt, beeinflusst das Eingangssignal für den Operationsverstärker 56 derart, dass dieses die gewünschte Abhängigkeit von der Lichtintensität besitzt. Dieser Rückkopplungskreis enthält zwei mittels eines Schalters· 6o auswählbare Strompfade. In der gezeigten Stellung liegt über den Schalter 6o ein Widerstand 62 in dem Rückkopplungskreis, und das Ausgangssignal des Verstärkers 54 ändert sich proportional zu der auf die Fotozelle Io auftreffenden Lichtintensität. Befindet sich der Schalter 6o in seiner zweiten Stellung, dann enthält der Rückkopplungskreis einen veränderlichen Widerstand 64 und einen Kondensator 66. Bei Einschaltung dieser Rückkopplung wird das Ausgangssignal des Verstärkers 54 vom Integral des von der Fotozelle Io erzeugten Stromes abhängig. Durch Schliessen eines zweiten Schalters 68 kann der Kondensator 66 bei Beendigung eines Arbeitszyklus des Steuersystems gemäss Fig. 5 kurzgeschlossen werden.

Ein an den Eingang des Operationsverstärkers 56 angelegtes Signal wird durch diesen verstärkt und erscheint als Ausgangssignal eines vorgegebenen Spannungspegels an dessen Ausgangsklenune 7o. Die Spannung an der Ausgangsklenune 7o wird einerseits über einen Rückkopplungswxderstand 72 zum Eingang des Operationsverstärkers 56 rückgekoppelt und ferner durch einen Spannungsteiler, bestehend aus Widerständen 74, 76 und 78, geteilt, wobei die Spannung an den Verbindungspunkten zwischen den Widerständen 74, 76, bzw. 76, 78 jeweils als Eingangsspannung für einen von zwei Schwellwertdetektoren dient. Die Spannung am Verbindungs-

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punkt der Widerstände 74 und 76 wird an den Eingang eines Schwellwertdetektors 8o angelegt, und zwar über eine Zeitschaltung, bestehend aus einem Kondensator 82 und einem Widerstand 84. Am Ausgang des als Treiber ausgebildeten Schwellwertdetektors 8o liegt eine Wicklung 86 zur Steuerung der Blende 8 8 einer Kamera über eine mechanische Verbindung 9o. Der Ausgang des Schwellwertdetektors 8o ist ferner mit einer Sperrschaltung 92 verbunden, die die Leitung vom Verbindungspunkt der Widerstände 76 und 7 8 zur Eingangsklemme des zweiten, ebenfalls als Treiber ausgebildeten Schwellwertdetektors 94 unterbricht.

Zu Anfang beginnt sich die Blende 88 zur gleichen Zeit zu öffnen, zu welcher ein Schalter S3 geöffnet wird. Dieser Vorgang dauert an, bis die Ladung auf dem Kondensator 82 einen Grenzwert erreicht. Bei Erreichen dieses Grenzwertes fällt die Spannung am Ausgang des Schwellwertdetektors 8o auf Null, so dass die Wicklung 86 entregt wird. Hierdurch wird die Blende 8 8 in der gewünschten Stellung festgehalten. Da das Ausgangssignal des Verstärkers 56 an der Ausgangsklemme 7o mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 54 verknüpft ist, welches seinerseits mit der Intensität des auf die Fotozelle Io auftreffenden Lichtes verknüpft ist, wird die öffnung der Blende 8 8 durch die Intensität des durch das optische Filter 52 fallenden Lichtes bestimmt.

Nach Beendigung des Betriebs des Schwellwertdetektors 8o öffnet die Sperrschaltung 9 2 die Leitung zwischen dem Verbindungspunkt

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der Widerstände 76 und 7 8 und dem Eingang des Schwellwertdetektors 94. Die am Verbindungspunkt der Widerstände 76 und 78 auftretende Spannung wird dem Schwellwertdetektor 9 4 zugeführt, und dieser erregt eine Wicklung 96 zur Steuerung der Betätigung des Verschlusses 9 8 der Kamera über eine mechanische Verbindung loo. Ebenfalls nach Beendigung des Betriebs des Schwell- · wertdetektors 8o wird der Schalter 6o in eine Stellung umgelegt, in der er den Kondensator 66 in den Rückkopplungskreis des Verstärkers 54 einschaltet. Daraufhin ändert sich das Ausgangssignal des Verstärkers 54 und damit das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 56 an dessen Ausgangsklemme 7o nunmehr entsprechend dem Zeitintegral der Intensität des auf die Fotozelle Io einfallenden Lichtes. Dieses Signal ändert sich in einer Weise, die durch den Widerstand 64 und den Kondensator 66 festgelegt wird- Wenn dieses Signal einen Schwellwert erreicht, der durch die Schaltung des Schwellwertdetektors 9 4 vorgegeben ist, entregt dessen Ausgangssignal die Wicklung 96, so dass der Verschluss 9 8 in seine geschlossene Stellung zurückkehrt. Die Zeit, für welche der Verschluss 9 8 offen bleibt, wird somit durch die Intensität des auf die Fotozelle Io einfallenden Lichtes bestimmt. Man erkennt, dass mit Hilfe der Sperrschaltung 92 eine Betätigung des Verschlusses 9 8 so lange verhindert wird, bis sich die Blende in dem gewünschten Umfang geöffnet hat.

In dem dargestellten System können vielerlei Schwellwertdetektoren verwendet werden, beispielsweise solche, die als Eingangsstufe eine hochverstärkende Differentialverstärkerstufe und als

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Ausgangsstufe einen Verstärker mit einem einzigen Ausgang aufweisen. Der Zweck der als Treiber ausgebildeten Schwellwertdetek'toren besteht darin, dass eine Signalspannung an einem Eingang mit einer festen, internen Bezugsspannung verglichen wird. Wenn die Eingangsspannung die Bezugsspannung übersteigt, wird der die Ausgangsstufe bildende Verstärker in einen nicht leitenden Zustand überführt, wodurch die Erregung der zugeordneten Wicklung geändert wird.

In Fig. 6 ist in schematischer Weise ein vollständiges Steuersystem für die Blende einer Kamera und für deren Verschluss dargestellt. Das.Steuersystem enthält eine Fotozelle Io, die mit einer Differentialverstärker-Eingangsstufe mit Super-Beta-Transistoren Io2 und Io4 verbunden ist. Die Kathode der Fotozelle Io ist ferner mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Vorspannung, bestehend aus Widerständen Io6 und Io8, sowie einem variablen Widerstand llo verbunden. An der Anode der Fotozelle Io und der Basis des Transistors Io4 liegt eine Bezugsspannung, die vom Ausgang einer Bezugsspannungsquelle 112 geliefert wird.

Die Bezugsspannungsquelle 112 enthält einen Differentialverstärker mit Transistoren 114 und 116, deren Emitter miteinander verbunden sind. Der Emitterstrom für das Transistorpaar wird durch ein Netzwerk hervorgerufen und gesteuert, welches aus einem Widerstand 118 und einem weiteren Transistor 12o besteht. Die Bezugsspannung, welche von der Bezugsspannungsquelle 112 geliefert wird, erscheint am Emitter eines Transistors 122, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 116 verbunden ist. Wi-

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derstände 124 bis 127 sorgen für die verschiedenen Vorspannungen und Strompegel für den Betrieb der Transistoren der Bezugs Spannungsquelle 112.

Um die Super-Beta-Transistoren vor Oberspannungen zu schützen,' ist dem Transistor Io2 ein Transistor 128 und dem Transistor Io4 ein Transistor 13o parallel geschaltet. Die Kollektorstromsteuerung der Transistoren Io2 und Io4 erfolgt über einen Schaltkreis, welcher einen Transistor 132 und Widerstände 134 bis 138 enthält. Der Transistor 132 ist über den Widerstand mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle an der Klemme verbunden. Der Emitterkreis des Transistors Io2 enthält einen Transistor 142, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt von Widerständen 144 und 146 verbunden ist und dessen Emitter über einen Widerstand 148 an Bezugsspannung liegt. In ähnlicher Weise ist dem Super-Beta-Transistor Io4 ein Transistor 15o im Emitterkräs zugeordnet, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt von Widerständen 144 und 146 verbunden ist und dessen Emitter über einen Widerstand 152 am Bezugspotential liegt. Die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 144 und 146 wird durch Transistoren 154 und 156 sowie durch Widerstände 158 und 159 in einer Schaltung bestimmt, die zwischen dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle an der Klemme 14o und Bezugspotential liegt.

Die Ausgangsschaltung für den Transistor Io2 enthält zusätzlich zu dem Transistor 128 Transistoren 16o und 162. Der Emitterstrom des Transistors 162 wird durch einen Widerstand 164 ge-

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steuert, und der Emitterstrom des Transistors 16o sowie der Basisstrom des Transistors 162 wird durch einen Widerstand 166 gesteuert. Die Spannung am Emitter des Transistors 16o treibt auch einen Transistor 16 8 im Ausgangskreis des Transistors Io4. Die Spannung am Kollektor des Transistors 16 8 ist gleich der Ausgangsspannung des Eingangspaares der Differentialverstärkerstufe und wird auch an die in Kaskade geschalteten Transistoren 17o und 172 angelegt, die Teil eines Kreises sind, welcher einen Basistreibertransistor 174 und einen Kondensator 176 enthält. *

Am Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 17o und 172 ist ferner die Basis eines Transistors 17 8 und der Kollektor eines Transistors 18o angeschlossen. Der Transistor 17 8 dient der weiteren Verstärkung der Ausgangsspannung des Eingangspaares der Differentialverstärkerstufe. Der Transistor 18o, dessen Emitter über einen Widerstand 182 mit dem positiven Pol P der Gleichspannungsquelle an der Klemme IUo verbunden ist, liefert die BasisVorspannung für den Transistor 17 8. Eine weitere Verstärkung des Signals des Eingangspaares der Differentialverstärkerstufe erfolgt über einen Transistor 184, dessen Basispotential durch Widerstände 186 und 188 bestimmt wird. Die Ausgangsverstärkerstufe des Verstärkers lol"des dargestellten Systems enthält eiren Transistor 19o, dessen Basis mit dem Emitter des Transistors 184 verbunden ist. Im Emitterkreis des Transistors 19o ist ein Widerstand 19 2 mit der Klemme 14o verbunden .

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Durch die Funktion der Super-Beta-Transistoren Io2 und Io4 sowie der verschiedenen weiteren Verstärkerstufen ändert sich die Spannung am Emitter des Transistors 19o in vorgegebener Weise in Abhängigkeit von der Intensität des auf die Fotozelle Io auftreffenden Lichtes. Diese Spannung wird dem Eingang eines Operationsverstärkers 194 zugeführt und ausserdem einem der beiden Rückkopplungskreise über einen elektronischen Schalter 196. Der Schalter 196 enthält Transistoren 198 und 2oo zur Bestimmung des Ausgangszustandes des Schaltkreises. Der Emitter des Transistors¹^ 8 ist über einen Widerstand 2o4 mit dem Ausgang eines Schwellwertdetektors 2o2 verbunden,und seine Basis ist mit der Bezugsspannungsquelle 112 verbunden. Der Transistor 2oo ist mit der Basis eines Schalttransistors 2o6 verbunden, der in leitendem Zustand einen Kondensator 2o8 in die Rückkopplungsschleife des Verstärkers lol einschaltet. Der Transistor 2oo steuert über einen invertierenden Transistor 212 auch den Schalttransistor 21o. Der Transistor 2oo schaltet Widerstände 214 und 216 in eine Rückkopplungsschleife für den Verstärker lol ein. Zusätzlich zu dem Transistor 212 enthält die Schaltung zur Steuerung des Schalttransistors 21o Transistoren 218 und 22o. Der Transistor 218 wird an seiner Basis vom Ausgang des Schwellwertdetektors 222 gesteuert.

Während eines Rückstellzyklus für die Kamerasteuerung steuert eine Spannung an einer Klemme 224 den Leitfähigkeitszustand von Transistoren 226, 228 und 23o in dem elektronischen Schalter 196.

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Wie vorstehend bereits erläutert, ist die Spannung am Emitter des Transistors 19o die Eingangsspannung für den Verstärker 194. Diese Spannung wird der Basis eines Transistors 232 zugeführt, der zu einer Differentialverstärkerstufe mit Transistoren 232 und 234 gehört. Die Ausgangsspannung des Transistor- * paares dieser Differentialverstärkerstufe wird durch die Differenz der Spannung an der Basis des Transistors 232 und der Spannung an der Bads des Transistors 234 bestimmt. Die Spannung an der Basis des Transistors 234 wird über einen Widerstand 236 vom Ausgang der Bezugsspannungsquelle 112 geliefert.

Der Emitterstrom der Transistoren 2 32 und 234 wird durch jeweils einen Transistor 238 bzw. 24o gesteuert. Die Basis jedes dieser Transistoren ist mit dem Kollektor des Transistors 12o der Bezugsspannungsquelle 112 verbunden. Widerstände 242 und 244, die mit den Emittern der Transistoren 23 8 und 24o. verbunden sind, vervollständigen den Emitterstromsteuerkreis für die Transistoren 232 und 234. Der Kollektorstrom für den Transistor 232 wird von einem Transistor 246 geliefert, dessen Emitter mit der Klemme 14o und dessen Basis mit der Basis eines Transistors 248 verbunden ist. Der Transistor 248 liegt im Kollektorkreis eines Transistors 25o, welcher gemeinsam mit einem Transistor 252 den Basisstrom des Transistors 246 steuert.

Ein Ausgangstransistor 254 des Verstärkers 194 ist mit seiner Basis mit dem Kollektor des Transistors 232 und einem Filterkondensator 256 verbunden. Der Emittersteuerkreis des Transistors 254 enthält einen Widerstand 26o.

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Die am Emitter des Transistors 254 auftretende Ausgangsspannung des Verstärkers 194 wird über einen Rückkopplungswiderstand zur Basis des Transistors 232 rückgekoppelt. Der Rückkopplungswiderstand 262 bestimmt zusammen mit dem Eingangswiderstand die externe Verstärkung des Verstärkers 194.

Die Ausgangs spannung des Verstärkers 194,welche der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 56 gemäss Fig. 5 entspricht, liegt am Eingang des Schwellwertdetektors 2o2 und am Eingang einer Sperrschaltung 266; der Schwellwertdetektor 2o2 entspricht dem Schwellwertdetektor 8o gemäss Fig. 5. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers 194 wird über eine Zeitschaltung, bestehend aus einem Kondensator 268 und einem veränderlichen Widerstand 27o, der Basis eines Transistors 272 zugeführt. Der Transistor 272 ist nach Art eines Differentialverstärkers mit einem Transistor 274 verbunden. Die Emitter beider Transistoren liegen gemeinsam über einen Widerstand 276 am Bezugspotential. Das Ausgangesignal der als Differentialverstärker geschalteten Transistoren 272 und 274 ist gleich der Differenz zwischen der Spannung an der Basis des Transistors 274 und der Spannung am Emitter des Transistors 254. Diese Ausgangsspannung liegt am Kollektor eines Transistors 28o, dessen Basis mit dem Kollektor eines Transistors 272 verbunden ist. Widerstände 282 und 2 84 bestimmen die Strompegel für die Transistoren 272 und 2 8o.

Ein Widerstand 286, der mit der Klemme 14o verbunden ist,, und ein Widerstand 278, der mit dem Ausgang der Bezugsspannungs-

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quelle 112 verbunden ist, liefern die Basisspannung für den Transistor 2 74 sowie die Basisspannung für einen Transistor 2 88. Der Transistor 2 88 liefert den Kollektorstrom für einen Transistor 29o, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 2 8o verbunden ist. Die Spannung am Kollektor des Transistors ψ 29o liegt am Emitter des Transistors 19 8 des elektronischen

Schalters 196 und an einem Widerstandsnetzwerk aus Widerständen 29 2, 294 und 29 6.

Die Spannung am .Verbindungspunkt der Widerstände 294 und 296 treibt einen Transistor 29 8 in einer Ausgangsstufe des Schwellwertdetektors 2o2. Ein Transistor 3oo bildet schliesslich die endgültige Ausgangsstufe hinter dem Transistor 2o2 und erregt die Wicklung 3o2, die der Steuerung der Blende einer Kamera dient.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 194, welche am Emitter des k Transistors 254 auftritt, wird ferner an die Basis eines Transistors 3o8 eines weiteren Schwellwertdetektors 22 2 angelegt. Der Transistor 3o8 bildet zusammen mit einem Transistor 31o das Transist-orpaar einer Differentialverstärkerstufe, wobei die Basisspannung des Transistors 31o durch einen einstellbaren Widerstand 312 bestimmt wird. Das Ausgangssignal dieser Differentialverstärkerstufe liegt am Kollektor eines Transistors 314» dessen Basiselektrode mit dem Kollektor des Transistors 3o8 verbunden ist. Widerstände 316 und 318 bestimmen die Strompegel für die Transistoren 3o8 und 314.

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Der zweite Schwellwertdetektor 222 ist in vielen Beziehungen dem ersten Schwellwertdetektor 2o2 ähnlich. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass eine "Blitzsteuerung" vorgesehen ist, welche eine Differentialverstärkerstufe mit Transistoren32o und 322 umfasst. An der Basis des Transistors 322 liegt die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 112. Die Basis des Transistors 32o ist mit einer Zeitschaltung, bestehend aus einem Widerstand 324 und einem Kondensator 326 verbunden.

Der Emitterstrom für die Transistoren 3Όδ und 31o wirdVon einem Transistor 328 gesteuert, dessen Basis mit dem Kollektor eines Transistors 33o in der Sperrschaltung 266 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 328 ist mit dem Emitter eines Transistors 332 in der Sperrschaltung 266 verbunden. Somit liefert der Transistor 328 über einen Widerstand 334 den Emitterstrom für die Transistoren 3o8 und 31o und steuert infolge seiner Verbindung mit der Sperrschaltung 2 66 den Betrieb der Differentialverstärkerstufe mit den Transistoren 3o8 und 31d.

In gesperrtem Zustand befindet sich der Schwellwertdetektor 222 in einer Haltestellung. Diese bleibt erhalten, solange die Wicklung 3o2 erregt ist, um die Blende der Kamera einzustellen. Nach Abschluss der Blendeneinstellung,der durch ein Signal an der Basis des Transistors 3o4 bestimmt wird, wird die Ausgangsspannung des Transistors 314 an die Basis des Transistors 3 36 angelegt. Die Kollektorvorspannung für den Transistor 336 wird von einem Transistor 338 geliefert, dessen Basis mit dem Abgriff des veränderlichen Widerstandes 312 verbunden ist. Die Spannung

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über dem veränderlichen Widerstand 312 ergibt sich aus der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 112 und der Transistoren 34o bis 343 über die Widerstände 344 bis 346.

Die Spannung am Kollektor des Transistors 336 wird an ein Wi- ψ derstandsnetzwerk aus den Widerständen 348, 35o und 352 angelegt. Am Verbindungspunkt der Widerstände 35o und 352 liegt die Basis eines Transistors 354 der Ausgangsstufe des Schwellwertdetektors 222. Diese Ausgangsstufe enthält des weiteren einen Transistor 356, dessen Emitter über eiiien Widerstand 358 am Bezugspotential liegt. In Serie zu dem Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 354 und 356 liegt eine Wicklung 36o zur Steuerung des Verschlusses, deren eines Ende am positiven Pol einer Gleichspannungsquelle an der Klemme 36 2 liegt.

Wie bereits oben erwähnt, wird der Schwellwertdetektor 222 zeitweise durch die Sperrschaltung 266 gesperrt. Die Spannung t an der Emitterelektrode des Transistors 3oo treibt über einen Widerstand 3o6 einen Transistor 3o4 in der Sperrschaltung 2 66. Zusätzlich zu den bereits oben erwähnten Transistoren enthält die Sperrschaltung 266 weiterhin Transistoren 364 und 366, deren Basis jeweils mit dem Kollektor eines der Transistoren 332 bzw. 3o4 verbunden ist. Schliesslich enthält die Sperrschaltung 266 Widerstände 368 bis 373. Sie dient der Sperrung)des Schwellwertdetektors 222, wie dies im Zusammenhang mit dem System gemäss Fig. 5 bereits erläutert wurde.

Die Arbeitsweise des Schaltkreises gemäss Fig. 6 ist ähnlich

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derjenigen des Systems gemäss Fig. 5. Der Kondensator 268 und der· Widerstand 2 7o bestimmen die Erregung der Wicklung 3o2 zur Steuerung der Blende in Abhängigkeit von der auf die Fotozelle Io auftreffenden Lichtmenge. Nach Abschluss der Blendeneinstellung wird der Rückkopplungskondensator 2o8 in die Rückkopplungsschleife für den Verstärker lol eingefügt und die Sperrschaltung 266 steuert die Erregung der Wicklung 36o für die Steuerung des Verschlusses, wobei der Verschluss der Kamera für eine Zeitdauer geöffnet bleibt, die durch die auf die Fotozelle einfallende Lichtmenge bestimmt wird. \

Ausser mit einer bipolaren Schaltung, wie sie vorstehend beschrieben wurde,kann die Fotozelle Io auch mit der Eingangsstufe eines p-Kanal-MOSFET-Differentialverstärkers zusammenwirken, wie ihn Fig. 7 zeigt. Bei dieser Schaltung ist die Fotozelle Io, welche das Licht über ein optisches Filter 52 erhält, mit der Basis von Feldeffekttransistoren 374 und 376 verbunden. Diese Transistoren sind nach Art eines Differentialverstärkers geschaltet und weisen zur Emitterstromsteuerung über einen Transistor 378 einen gemeinsamen Verbindungspunkt auf, Die Einstellung des Emitterstroms erfolgt dabei durch Einstellung eines veränderlichen Widerstandes 38o. Der Kollektorstrom für die Transistoren 374 und 376 wird durch Transistoren und 384 gesteuert. Eine Elektrode dieser Transistoren ist dabei mit dem negativen Pol einer Gleichstromversorgungsquelle an der Klemme 386 verbunden.

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Das Ausgangssignal des Transistors 374 wird einem Transistor 388 zugeführt, welcher zu einer Differentialverstärkerstufc gehört, die des weiteren einen Transistor 39o enthält, der mit dem Ausgang des Transistors 376 verbunden ist. Die Transisto- ^ ren 388 und 39o weisen einen gemeinsamen Verbindungspunkt mit einem Transistor 39 2 auf, der den Stromfluss durch diese Transistoren steuert. Als zusätzliche Schaltelemente für die Transistoren 388 und 39o sind Transistoren 394 und 396 vorgesehen.

Die Ausgangsspannung der Schaltung gemäss Fig. 7 tritt an den Klemmen 398 und 4oo auf und ist von der auf die Fotozelle Io einfallenden Lichtmenge abhängig. Der Differentialverstärker gemäss Fig. 7 ist Teil eines mit MOS-Transistoren aufgebauten Kreises zur Verschlußsteuerung, ähnlich wie dies im Zusammenhang mit der bipolaren Schaltung gemäss Fig. 1 bereits oben beschrieben wurde.

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Claims

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Patentansprüche

( Iy Schaltkreis zur Erzeugung einer in Abhängigkeit von der Intensität des auf eine Fotodiode auftreffenden Lichtes veränderlichen Spannung am Ausgang eines Verstärkers, dessen Eingang der lichtabhängigjveränderliche Signalstrom der Fotodiode zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker eine als Differentialverstärkerstufe ausgebildete Eingangsstufe (12, 14; Io2, loU; 374, 376) aufweist, mit der die Fotodiode (lo) verbunden ist,und dass zwischen dem Ausgang (38, 4o; 19o; 39 8, 4oo;) des Verstärkers und einem Anschluss der Fotodiode mindestens ein Rückkopplungskreis (Fig. 1, 5, 6, 7) vorgesehen ist.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (Io6, Io8, llo, 112) zum Anlegen eines Bezugspegels an den zweiten Anschluss der Differentialverstärkerstufe und der Fotodiode vorgesehen sind. .
3. Schaltkreis nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialverstärkerstufe einen ersten und einen

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zweiten Eingangst-ransistor (12, 14; Io2, Io4; 374, 376) aufweist, die in einer Differentialschaltung miteinander verbunden sind.
4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Eingangs transistor jeweils einen Stror verstärkungsfaktor von etwa l.ooo bis 5.ooo besitzen.
5. Schaltkreis nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Differentxalverstärkerstufe zur Begrenzung des Spannungsabfalls über dem ersten und zweiten Eingangstransistor diesen jeweils ein Transistor (128 bzw. 13o) parallel geschaltet ist.
6. Schaltkreis nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodiode eine Selen-Fotodiode ist.
7. Schaltkreis nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodiode ein Siliziumtransistor ist..
8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (5o) zum Kurzschliessen des Kollektor-Basis-Überganges des Siliziumtransistors vorgesehen sind.
9. Schaltkreis nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Anlegen einer Vorspannung an den Emitter-

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Basis-Obergang des Siliziumtransistors vorgesehen sind.
10. Schaltkreis nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Filter (52) vorgesehen ist, welches das Ansprechen des Siliziumtransistors auf Strahlungsenergie im sichtbaren Bereich beschränkt.
11. Schaltkreis nach Anspruch 1 bis Io, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem System zur Steuerung von Blende und Verschluss einer Kamera, in welchem für die Differentialverstärkerstufe (54; Io2, lot) zwei Rückkopplungskreise vorgesehen sind, von denen der erste zu einem Ausgangssignal des Verstärkers führt, welches zu demfvon der Fotodiode erzeugten Signal proportional ist, und von denen der zweite zu einem Ausgangssignal des Verstärkers führt, welches dem Zeitintegral des von der Fotodiode erzeugten Signals entspricht, in welchem ferner Schalteinrichtungen (6oj 196) vorgesehen sind, um jeweils einen der beiden Rückkopplungskreise zu schliessen, in welchem des weiteren ein zweiter Verstärker (56, 194) vorgesehen ist, der ein Ausgangssignal liefert, das sich mit der Filmgeschwindigkeit und dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers ändert , in welchem ferner ein erster Schwellwertdetektor (8o, 86; 2o2, 3o2) vorgesehen ist, der von dem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers gesteuert wird, wenn der erste Rückkopplungskreis geschlossen ist und der der Steuerung der Blende (88) der Kamera dient, in welchem des

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weiteren ein zweiter Schwellwertdetektor (94, 96; 222,36ο) vorgesehen ist, der von dem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers gesteuert wird, wenn der zweite Rückkopplimgskreis geschlossen ist und der Steuerung des Verschlusses der Kamera dient, und in welchem schliesslich Sperrschal-™ tungen (92; 266) vorgesehen, sind, die eine Betätigung des zweiten Schwellwertdetektors so lange verhindern, bis über den ersten Schwellwertdetektor die Blende der Kamera eingestellt ist.
12. Schaltkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Zeitschaltungen (82, 84; 268, 27o) vorgesehen sind, die zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers und dem ersten Schwellwertdetektor liegen und dazu dienen, den ersten Schwellwertdetektor in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers zu steuern.