DE2607206A1 - PHOTO POWER AMPLIFIER - Google Patents
PHOTO POWER AMPLIFIERInfo
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- H03F3/087—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with IC amplifier blocks
Description
ROLLEI-WERKE 20. Februar 1976ROLLEI-WERKE February 20, 1976
Franke & HeideckeFranke & Heidecke
Braunschweig ο cm 9 ORBraunschweig ο cm 9 OR
PatentanmeldungPatent application
FotostromverstärkerPhotocurrent amplifier
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung des Fotostromes eins lichtelektrischen Wandlers mit einem Operationsverstärker, an dessen Eingang der fotoelektrische Wandler angeschlossen ist.The invention relates to a circuit arrangement for amplifying the photocurrent of a photoelectric converter with an operational amplifier, at the input of which the photoelectric Converter is connected.
Bei bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art wird zur Verstärkung des relativ kleinen Fotostromes von Silicium-Fotozellen in Belichtungssteuereinrichtung von fotografischen Kameras allgemein eine logarithmisch komprimierende Verstärkeranordnung verwendet, da bei einer linearen Verstärkeranordnung der hohe Dynamikbereich, der von Lichtwert -2 bis Lichtwert 16 108 Dezibel beträgt als Spannungsfaktor nicht beherrschbar ist. Bei sehr kleinen Fotoströmen ergeben sich bei diesen logarithmischen Verstärker· anordnungen infolge der Restströme von Verstärker und loga-In known circuit arrangements of this type, the relatively small photocurrent of silicon photocells is used to amplify in exposure control devices of photographic cameras generally a logarithmically compressing one Amplifier arrangement used because it is a linear amplifier arrangement the high dynamic range, from light value -2 to light value 16, 108 decibels as a voltage factor is not controllable. With very small photocurrents, these logarithmic amplifiers arrangements as a result of the residual currents from the amplifier and
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rithmierenden Element ( z.B. Transistor) erhebliche Schwierigkeiten, da die aus diesen Restströmen resultierende Fehler wegen der logarithmischen Kennlinie zum Teil nicht kompensierbar sind.rithming element (e.g. transistor) considerable difficulties, because the error resulting from these residual currents cannot be compensated due to the logarithmic characteristic curve are.
Um diese Fehler zu vermeiden, ist bereits der 'tfeg gegangen worden, den Fotostrom zunächst auf einen "fert zu verstärken, der eine problemlose logarithmierung ohne diese Schwierigkeiten erlaubt. Dies geschieht mittels Verstärkeranordnungen, deren Ausgangesignal ein Strom ist, wobei jedoch dieser Strom durch Messung eines Spannungsabfall an einem Widerstand gebildet wird- Durch diese Zwischenschaltung eines Spannungspegels sind solche Anordnungen ebenfalls nicht für ein genügend großen Dynamikbereich geeignet.To avoid these mistakes, the 'tfeg has already passed been to increase the photocurrent first to a "fert, which allows a problem-free logarithmization without these difficulties. This is done by means of amplifier arrangements, whose output signal is a current, but this Current is formed by measuring a voltage drop across a resistor- Through this interposition of a Such arrangements are also not suitable for voltage levels a sufficiently large dynamic range is suitable.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Vermeidung der eingangs geschilderten Nachteile geeignet ist, kleine bis sehr kleine Fotoströme über einen großen Dynamikbereich zu verstärken.The invention is therefore based on the object of an amplifier arrangement of the type mentioned to create the while avoiding the disadvantages outlined above is suitable for amplifying small to very small photo currents over a large dynamic range.
Diese Aufgabe ist gerräß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß eine erste opto-elektrische Kopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Operationsverstärkers im Sinne einer Gegenkopplung und eine zweite optο-elektrische Kopplung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Ausgang der Verstärkeranordnung vorgesehen ist, wo-This object is achieved gerräß the present invention in that a first opto-electrical coupling between the output and the input of the operational amplifier in the sense of a negative feedback and a second opto-electrical Coupling between the output of the operational amplifier and the output of the amplifier arrangement is provided, where-
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"bei der Kopplungsgrad der ersten opto-elektrischen Kopplung kleiner als der der zweiten'bemessen ist. " the degree of coupling of the first opto-electrical coupling is smaller than that of the second".
Auf diese Weise wird ein Regelkreis geschaffen, der sich stets so einregelt, daß der Strom des lichtelektrischen Wandlers gleich dem Strom ist, der in der Rückkopplungsleitung durch die erste opto-elektrische Kopplung hervorgerufen wird, so daß das Eingangssignal des Operationsverstärkers zu ITuIl wird. 7/ird dabei der Grad dieser opto-elektrischen Kopplung sehr viel kleiner gewählt als der Grad der opto-elektrischen Kopplung zwischen Ausgang des Operationsverstärkers und dem Ausgang der gesamten Verstärkeranordnung, so kann am Ausgang der Verstärkeranordnung ein dem Fotostrom am lichtelektrischen Tandler proportionaler elektrischer Strom abgenommen werden, der um ein Vielfaches größer ist als der von dem fotoelektrischen handler in Abhängigkeit von dem empfangenen Licht hervorgerufene Strom.In this way, a control loop is created which always regulates itself so that the current of the photoelectric converter is equal to the current that is caused in the feedback line by the first opto-electrical coupling, so that the input signal of the operational amplifier becomes ITuIl . If the degree of this opto-electrical coupling is selected to be very much smaller than the degree of opto-electrical coupling between the output of the operational amplifier and the output of the entire amplifier arrangement, an electrical current proportional to the photocurrent at the photoelectric transducer can be drawn off at the output of the amplifier arrangement that is many times greater than the current generated by the photoelectric handler depending on the light received.
Fach einer 7/eiterbildung der Erfindung wird die Verringerung des Kopplungsgrades der ersten opto-elektrischen Kopplung zwischen Ausgang und Eingang des Operationsverstärkers dadurch erreicht , daß in dieser opto-elektrischen Kopplung licht dämp fen de Mittel angeordnet sind. -Je stärker die Dämpfungswirkung dieser lichtdämpfenden Tittel ist, desto größer ist die Verstärkung der Verstär'-cmgsanordmmg.Subject of a 7 / pus formation of the invention, the reduction in the degree of coupling of the first opto-electrical coupling between the output and input of the operational amplifier is achieved in that light attenuating de means are arranged in this opto-electrical coupling. -The stronger the damping effect of these light-damping means, the greater the reinforcement of the reinforcement system.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß am Ausgang des Operationsverstärkers eine Lichtquelle angeordnet ist, deren Lichtabstrahlung von einem ziveiten und einem dritten fotoelektrischen 7/andler erfaßt wird, daß der zweite fotoelektrische Wandler am Eingang des Operationsverstärkers in der Teise angeschlossen ist, daß er dem ersten lichtelektrischen Tandler antiparallel geschaltet ist und daß der dritte fotoelektrische 'Tandler mit den Ausgangskieminen der Verstärkeranordnung verbunden ist und daß zwischen dem zweiten fotoelektrischen Wandler und der Lichtquelle mindestens ein Lichtdämpfnngsfilter angeordnet ist. Dabei ist die Lichtquelle vorzugsweise als Leuchtdiode ausgebildet und der zweite und der dritte fotoelektrische Tandler sind zusammen mit der Leuchtdiode in einem lichtdichten Gehäuse angeordnet.A preferred embodiment of the invention stands out characterized in that a light source is arranged at the output of the operational amplifier, the light emission from a ziveiten and a third photoelectric 7 / andler recorded is that the second photoelectric converter is connected to the input of the operational amplifier in Teise that it is connected anti-parallel to the first photoelectric tandler and that the third photoelectric 'Tandler with is connected to the output terminals of the amplifier arrangement and that between the second photoelectric converter and the light source arranged at least one Lichtdämpfnngsfilter is. The light source is preferably designed as a light-emitting diode and the second and third photoelectric ones Tandlers are arranged in a light-tight housing together with the light-emitting diode.
Durch die hohe Stromverstärkung der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung ist es bei Amvendung des erfindungsgemässen Verstärkers in Belichtungsmeßsystemen von fotografischen Kameras möglich, den ßleßbereich dieser Belichtungsmeßsysteme erheblich in dichtung sehr kleiner Lichtwerte zu erweitern, bei welchen nur äußerst geringe Fotoströme von dem lichtelektrischen 'Wandler erzeugt werden.Due to the high current gain of the amplifier arrangement according to the invention it is when the amplifier according to the invention is used in photometric exposure measuring systems Cameras possible, the ßleßbereich these exposure metering systems to expand considerably in the sealing of very small light values, at which only extremely low photocurrents from the photoelectric 'Converters are generated.
Die Schaltanordnung zur Verstärkung von Fotoströmen sei an Hand des in der Zeichnung dargestellten schematischen Schalt-The switching arrangement for amplifying photocurrents is based on the schematic switching shown in the drawing
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aufbaus nachstehend beschrieben.structure is described below.
Mit 1 ist ein Operationsverstärker bezeichnet, der von einer Oleichspannungsquelle gespeist wird, deren Abschlüsse mit " + " und V- " gekennzeichnet sind. Der nicht invertierende "Eingang des Operationsverstärkers ist mit einer Referenzspannung beaufschlagt. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers sind ein erster und ein zweiter fotoelektrischer 7/andler in Form einer Fotodiode 2 und 3 angeschlossen und zwar derart, daß die Katode der Fotodiode 2 und die Anode der Fotodiode 3 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und die Anode der Fotodiode 2 und die Katode der Fotodiode 3 mit Referenzpotential verbunden ist.· Beide Fotodioden sind also antiparallel zwischen Referenzpotential und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 eingeschaltet.1 with an operational amplifier is referred to, which is fed by a DC voltage source, the terminations marked with "+" and V- "The non-inverting one "The input of the operational amplifier has a reference voltage applied to it. At the inverting input of the operational amplifier are a first and a second photoelectric converter in the form of a photodiode 2 and 3 connected in such a way that the cathode of the photodiode 2 and the anode of the photodiode 3 with the inverting Input of the operational amplifier 1 and the anode of the photodiode 2 and the cathode of the photodiode 3 with Reference potential is connected. · Both photodiodes are thus antiparallel between the reference potential and the inverting one Input of operational amplifier 1 switched on.
Am Ausgang des Operationsverstärkers 1 ist eine als Leuchtdiode 4 ausgebildete Lichtquelle angeschlossen. Die Leuchtdiode 4 und die Fotodiode 3 sind zusammen mit einem weiteren als Fotodiode 5 ausgebildeten lichtele-ctrischen handler in einem lichtdichten Gehäuse 6 angeordnet. Die Fotodiode 5 ist mit den Ausgangsklemmen 7 und 8 der Schaltungsanordnung zur Fotostromverstärkung (Verstärkeranordnung) verbunden. Zwischen Leuchtdiode 4 und Fotodiode 3 ist ein Lichtdämpfungsfilter 9 derart angeordnet, daß Licht von der Leuchtdiode 4A light source designed as a light-emitting diode 4 is connected to the output of the operational amplifier 1. The light emitting diode 4 and the photodiode 3, together with a further light-electronic handler designed as a photodiode 5, are shown in FIG a light-tight housing 6 is arranged. The photodiode 5 is connected to the output terminals 7 and 8 of the circuit arrangement for photocurrent amplification (amplifier arrangement). Between Light-emitting diode 4 and photodiode 3, a light attenuation filter 9 is arranged in such a way that light from the light-emitting diode 4
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-a --a -
I . 26Ö72Q6 I. 26Ö72Q6
nur über das Filter 9 zur Fotodiode 3 gelangen kann.can only reach the photodiode 3 via the filter 9.
Die Wirkungsweise der Verstärkeranordnung ist wie folgt:The mode of operation of the amplifier arrangement is as follows:
Das zu messende Licht trifft auf die Fotodiode 2 und erzeugt hier einen entsprechenden Fotostrom. Über den Operationsverstärker 1 wird die Leuchtdiode 4 angesteuert, und zwar so, daß zunehmender Fotostrom, in der Fotodiode 2 die Lichtabstrahlung der Leuchtdiode 4 erhöht. Dieses von der Leuchtdiode 4 ausgesandte Licht gelangt einmal durch das Lichtdämpfungsfilter 9 auf die Fotodiode 3 und ruft hier einen entsprechenden Fotostrom hervor, der mit entgegengesetzter Polarität zu dem Fotostrom der Fotodiode 2 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 gelangt. Damit bildet sich ein Regelkreis, der sich stets so ausregelt, daS der Strom aus der Fotodiode 3 gleich dem Strom aus der Fotodiode 2 ist und somit das Eingangssignal des Operationsverstärkers zu ITuIl wird.The light to be measured hits the photodiode 2 and generates a corresponding photocurrent here. About the operational amplifier 1, the light-emitting diode 4 is controlled in such a way that increasing photocurrent in the photodiode 2 the Light emission of the light emitting diode 4 increased. This from the Light emitted by the light emitting diode 4 passes once through the light attenuation filter 9 to the photodiode 3 and is called here a corresponding photocurrent emerges, which is of opposite polarity to the photocurrent of the photodiode 2 to the inverting input of the operational amplifier 1 arrives. This creates a control loop that always regulates itself in such a way that that the current from the photodiode 3 is equal to the current from the photodiode 2 and thus the input signal of the Operational amplifier becomes ITuIl.
Das von der Leuchtdiode 4 ausgesandte Licht trifft auch auf die Fotodiode 5 und erzeugt hier einen entsprechenden Fotostrom, der an den Ausgangsklemmen 7 und 8 der Verstärkeranordnung abgenommen werden- "cann. Eorgt man durch entsprechende Bemessung des Lichtdämpfun5sfilters 9 dafür, daß zwischen der Beleuchtungsstärke, die an der Fotodiode 3 herrscht» und der Beleuchtungsstärke j die an der Fotodiode 5 herrscht, ein festes Verhältnis besteht, so kann an den AusThe light emitted by the light-emitting diode 4 also hits the photodiode 5 and generates a corresponding photocurrent, which is picked up at the output terminals 7 and 8 of the amplifier arrangement- "cann. that prevails on the photodiode 3 and the illuminance j that prevails on the photodiode 5, there is a fixed ratio, so the off
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gangsklemmen der Verstärkeranordnung ein Fotostrom abgenommen werden, der um dieses Verhältnis größer ist als der duroh das Meßlicht in der Fotodiode 2 hervorgerufene Fotostrom. output terminals of the amplifier arrangement removed a photocurrent which is greater by this ratio than the photocurrent caused by the measuring light in the photodiode 2.
Die Genauigkeit der Anordnung ist von den Eingangsdaten des verwendeten Operationsverstärkers sowie von dessen Leerlaufverstärkung abhängig, wobei letztere bei handelsüblichen Verstärkern genügend hoch ist. Die Eingangsdaten wie Offsetspannung und Bias current lassen sich in jedem Fall vollständig kompensieren und zwar sowohl direkt am Eingang des Operationsverstärkers als auch durch nachträg-.liehe Korrektur am Ausgangssignal der Verstärkeranordnung.The accuracy of the arrangement depends on the input data of the operational amplifier used as well as on its No-load gain dependent, the latter being sufficiently high for commercially available amplifiers. The input data such as offset voltage and bias current can be fully compensated in each case, both directly on the Input of the operational amplifier as well as through subsequent .liehe Correction to the output signal of the amplifier arrangement.
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