DE2728808A1 - Photoelektrischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Wandler zum Umwandeln von Licht in elektrische Signale, und insbesondere einen derartigen photoelektrischen Wandler, der aufgrund seiner geringen Ansprechzeit selbst bei geringen Beleuchtungsstärken zur automatischen Belichtungssteuerung bei Kameras verwendbar ist.

Bei einem photoelektrischen Wandler, bei dem ein Photodetektor, beispielsweise eine Photodiode, verwendet wird, wird eine elektrische Ladung in der Photodiode gespeichert aufgrund der Übergangskapazität, wenn eine Stromquelle an dem Schaltkreis zu dessen Betrieb angeschlossen ist; üblicherweise wird eine derartige elektrische Ladung durch den Photostrom der Photodiode entladen. Insbesondere in den Fällen, wo die Beleuchtung auf dem lichtaufnehmenden Bereich so begrenzt ist, daß die Photodiode einen Ausgangsstrom in der Größenordnung von Pico-Ampère erzeugt, ist aus diesem Grunde eine erhebliche Zeitdauer erforderlich, bis der Ausgangswert die Größe entsprechend dem vorgegebenen Photostrom erreicht, und dies führt zu dem Nachteil, daß der Schaltkreis nur mit einer entsprechend verzögerten Ansprechzeit arbeiten kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten photoelektrischen Wandler zu schaffen, dessen Ansprechzeit im Vergleich zu bekannten Schaltkreisen kurz ist und der insbesondere zur Verwendung bei Kameras mit automatischer Belichtungssteuerung geeignet ist.

Der erfindungsgemäße Wandler zeichnet sich aus durch einen Photodetektor, der ein Signal entsprechend der Beleuchtung erzeugt, einen Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß, die mit den entsprechenden Anschlüssen des Photodetektors verbunden sind und die bei Empfang des Ausgangssignals des Photodetektors eine Ausgangsspannung entsprechend dem Ausgangssignal erzeugen, einen Komparatorschaltkreis zum Vergleichen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers mit einer vorbestimmten Referenzspannung und durch eine Einrichtung zum Entladen der in der parasitären Kapazität des Photodetektors gespeicherten elektrischen Ladung an die beiden Anschlüsse des Photodetektors, und zwar gesteuert durch das Ausgangssignal des Komparatorschaltkreises.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis wird eine elektrische Ladung in der parasitären Kapazität eines Photodetektors, beispielsweise in der Übergangskapazität einer Photodiode, gespeichert, wenn eine Spannungsquelle den Schaltkreis versorgt, und in dem Fall, wo die Beleuchtung so stark beschränkt ist, daß die Ladung nicht durch den Photodetektor entladen werden kann, erzeugt der Operationsverstärker ein Ausgangsignal, mit beispielsweise hohem Niveau, in Abhängigkeit von der gespeicherten Ladung.

Wenn die Bezugsspannung auf einen Wert eingestellt ist, der niedriger ist als das Ausgangssignal mit hohem Niveau des Operationsverstärkers, so erzeugt der Komparatorschaltkreis ein Ausgangsignal mit einer Größe, daß die Entladeeinrichtung leitend wird, so daß durch diese die in dem Photodetektor oder Photosensor gespeicherte Ladung schnell entladen wird. Dadurch kann der Operationsverstärker ein

Ausgangssignal erzeugen, das durch die Größe des Ausgangssignals des Photodetektors oder Photosensors bestimmt wird. Wenn die zum Vergleich vorgesehene Referenzspannung größer ist als der Wert des Ausgangssignals am Verstärker, so wird das Ausgangssignal des Komparatorschaltkreises umgekehrt und die Entladeeinrichtung nichtleitend, so daß der photoelektrische Wandler in seinen normalen Betriebszustand gebracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines bekannten photoelektrischen Wandlers und

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Wandlers.

Der in Fig. 1 dargestellte Wandler weist eine logarithmische Kennlinie auf und wird insbesondere bei Kameras mit automatischer Belichtungssteuerung verwendet und kann in einem großen Beleuchtungsbereich (bis zu einem Beleuchtungsverhältnis von 10[hoch]6 bis 10[hoch]7) einfallendes Licht in entsprechende elektrische Signale umwandeln, und zwar beispielsweise als niedrigsten Wert die Beleuchtungsstärke einer Kerze und als höchsten Wert die Beleuchtungsstärke der Sonne im Hochsommer.

Der Wandler weist einen Operationsverstärker OP' auf, dessen Ausgang an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers zurückgekoppelt wird. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Verstärkers OP' ist über eine Diode D[tief]2 geerdet, deren Anode mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß und mit einer Spannungsquelle 10 verbunden ist und der ein Strom I[tief]k zugeführt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP' ist mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 1 eines anderen Operationsverstärkers OP über eine Diode D[tief]1 verbunden, deren Anode mit dem Anschluß 1 verbunden ist. Eine Photodiode PD ist mit ihrer Anode und ihrer Kathode mit dem invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingangsanschluß 2 bzw. 1 verbunden. Die Anode der Photodiode PD ist über einen Widerstand R[tief]1 geerdet und mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP über einen Widerstand R[tief]2 verbunden. Die Ausgangsspannung V[tief]0 des Wandlers erscheint am Ausgangsanschluß 6 des Operationsverstärkers OP.

Bei dieser Anordnung dient die Diode D[tief]1 als logarithmische Diode zum Umwandeln des Ausgangsphotostroms der Photodiode PD in eine Spannung, während die Diode D[tief]2 die Temperaturcharakteristik der Vorwärtsspannung der logarithmischen Diode D[tief]1 kompensiert. Die Widerstände R[tief]1 und R[tief]2 sollen die Spannungsverstärkung des photoelektrischen Wandlers bestimmen und den Temperaturkoeffizienten der Vorwärtsspannung der logarithmischen Diode D[tief]1 kompensieren, die sich mit dem durch diese fließenden Vorwärtsstrom ändert.

Bei diesem Wandler kann die Ausgangsspannung V[tief]0, die durch eine Beleuchtung L auf der lichtempfindlichen Schicht einer Photodiode PD erhalten wird, folgendermaßen ausgedrückt werden: (1)

wobei

I[tief]p = Ausgangsphotostrom der Photodiode PD bei einer Beleuchtung L,

I[tief]k = Vorwärtsstrom durch die Temperaturkompensationsdiode D[tief]2,

k = Boltzmann-Konstante,

q = Elementarladung.

Wie sich aus dieser Formel ergibt, wird der Ausgangsphotostrom I[tief]p, der durch die Photodiode PD fließt, in einem großen Bereich logarithmisch umgewandelt. Der Wert des Vorwärtsstroms I[tief]k der Diode D[tief]2 muß in dem Bereich I[tief]k >/= I[tief]p (max) ausgewählt werden, wobei I[tief]p (max) den Maximalwert des Ausgangsphotostroms I[tief]p bildet.

Die verwendeten Operationsverstärker OP weisen eine große Eingangsimpedanz auf, und zwar unter Verwendung eines Feldeffekttransistors am Eingang mit isoliertem Gate, wenn ein Ausgangsphotostrom I[tief]p in der Größenordnung von Pico-Ampère vorliegt.

Wenn die Spannungsquelle an den Wandler angeschlossen wird, wird die Übergangskapazität Cj der Photodiode PD gemäß Fig. 1 geladen, und daher wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP sofort auf einem hohen Niveau in der Nähe der positiven Versorgungsspannung V[hoch]+ gehalten. Falls der Ausgangsstrom der Photodiode PD erheblich ist, entlädt sich die Übergangskapazität Cj sehr rasch, so daß das Ausgangssignal des Wandlers auf den durch die Formel (1) bestimmten Spannungswert zurückkehrt. Wenn andererseits die Beleuchtung an der Photodiode begrenzt ist und der dabei erzeugte Ausgangsphotostrom I[tief]p entsprechend klein ist, wird die Zeit, die erforderlich ist, um die in der Übergangskapazität Cj gespeicherte Ladung zu entladen, verlängert, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers OP auf dem hohen Wert gehalten wird, und daraus ergibt sich eine außerordentlich begrenzte Ansprechgeschwindigkeit. Diese Erscheinung bildet einen erheblichen Nachteil des photoelektrischen Wandlers bei praktischen Anwendungen, und insbesondere in den Fällen, in denen ein derartiger Wandler bei der automatischen Belichtungsmessung bei Kameras verwendet werden soll.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2 beschrieben, wobei für entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet wurden.

Der Wandler gemäß Fig. 2 weist einen Komparatorschaltkreis C auf, der mit seinem einen Eingangsanschluß mit dem Ausgang 6 des Operationsverstärkers OP verbunden ist und dessen anderem Eingangsanschluß eine Bezugsspannung Vref zugeführt wird.

Der Ausgang 7 des Komparatorschaltkreises C ist über einen Widerstand R[tief]3 mit der Basis eines Transistors Q verbunden. Der Kollektor des Transistors Q ist mit der Kathode der Photodiode PD verbunden, und der Emitter des Transistors Q ist geerdet.

Bei dieser Ausführungsform ist der eine der zwei Eingänge des Komparatorschaltkreises C, d.h. die Bezugsspannung Vref, in dem durch die folgende Formel dargestellten Bereich ausgewählt: (2) wobei

I[tief]p (min) = Minimalwert von I[tief]p, der als Ausgangsphotostrom der Photodiode PD verwendbar ist,

Vo (max) = maximale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP, die erhalten wird, wenn die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 1 des Verstärkers größer ist als die an dem invertierenden Eingangsanschluß 2.

Wenn im Betrieb die Spannungsquelle eingeschaltet ist, wird die Übergangskapazität Cj der Photodiode PD geladen, so daß der nichtinvertierende Anschluß 1 des Operationsverstärkers OP gemäß Fig. 2 positiv wird. Gleichzeitig damit wird der Ausgang 6 des Verstärkers OP auf Vo (max) gehalten, und dementsprechend wird der Ausgang des Komparatorschaltkreises C auf sein hohes Niveau angehoben und der Transistor Q durchgeschaltet. Dadurch wird die in der Übergangskapazität Cj der Photodiode PD gespeicherte Ladung rasch über den Transistor Q entladen, und der Ausgang des Operationsverstärkers OP wird auf den durch die Formel (1) bestimmten Wert eingestellt.

Gleichzeitig damit fällt der Ausgang des Komparatorschaltkreises C auf sein niedriges Niveau ab, so daß der Transistor Q gesperrt wird, und dadurch werden der Komparatorschaltkreis C und der Transistor Q von dem photoelektrischen Wandler elektrisch getrennt. Falls eine Beleuchtungsstärke des einfallenden Lichts, die zu einem Ausgangsphoto- strom Ip in der Größenordnung von Pico-Ampère führt, berücksichtigt werden muß, ist es notwendig, daß der Leckstrom am nichtinvertierenden Eingangsanschluß 2 des Operationsverstärkers OP und außerdem der Kollektor-Leckstrom des Transistors Q in dem gesperrten Zustand auf einen Wert unterhalb des Minimalwertes des Ausgangsphotostroms begrenzt sind.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein bipolarer Transistor Q als Entladeeinrichtung zum Entladen der in der Übergangskapazität gespeicherten Ladung verwendet, jedoch können im Rahmen der Erfindung andere Schaltelemente, beispielsweise ein Feldeffekttransistor, mit dem gleichen Ergebnis verwendet werden. In diesem Fall ist der Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP oder der Kathode der Photodiode verbunden. Der Source-Anschluß des FET ist geerdet, und der Gate-Anschluß ist mit dem Ausgang des Komparatorschaltkreises C über den Widerstand R[tief]3 verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandler wird die Entladeeinrichtung, beispielsweise ein bipolarer Transistor Q, gesteuert durch den Komparatorschaltkreis C, rasch ein- und ausgeschaltet, so daß eventuelle Ladungen, die in der parasitären Kapazität des Photodetektors gespeichert sind, wenn der Wandler erregt wird, sehr rasch entladen werden, so daß der Wandler mit einer außerordentlich hohen An- sprechgeschwindigkeit arbeiten kann. Um den photometrischen Bereich des Wandlers zu vergrößern, ist es wünschenswert, den Leckstrom am nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP zu minimalisieren, so daß der minimale Effektivwert des Ausgangsphotostroms entsprechend reduziert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandler ist es außerordentlich leicht möglich, eine automatische Belichtungssteuerung für Kameras zu schaffen, wobei der Steuerbereich zu niedrigen Beleuchtungsstärken hin erweitert wird.

Claims (2)

1. Photoelektrischer Wandler mit einem Photodetektor, der ein der Beleuchtungsstärke entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, gekennzeichnet durch Verwendung eines Photodetektors (PD) mit parasitärer Kapazität, einen Verstärker (OP) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß (1 bzw. 2) für die entsprechenden Anschlüsse des Photodetektors (PD) und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (Vo) entsprechend dem Ausgangssignal des Photodetektors (PD), einen Komparatorschaltkreis (C) zum Vergleichen der Ausgangsspannung (Vo) des Verstärkers (OP) mit einer Referenzspannung (Vref) und durch eine mit Hilfe des Komparatorschaltkreises (C) gesteuerten Einrichtung (Q) zum Entladen der elektrischen Ladung in der parasitären Kapazität des Photodetektors (PD).

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung einen bipolaren Transistor (Q) aufweist, dessen Kollektor mit einem Anschluß des Photodetektors (PD), dessen Emitter mit dem Erdpotential und dessen Basis mit dem Ausgang (7) des Komparatorschaltkreises (C) verbunden sind.