DE2748647A1

DE2748647A1 - Verstaerker fuer elektrische signale

Info

Publication number: DE2748647A1
Application number: DE19772748647
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Bletz
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1977-10-29
Filing date: 1977-10-29
Publication date: 1979-05-03
Also published as: US4218613A; DE2748647C2; JPS5472656A

Description

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Ernst Lett:: ν* £iziar Gmbiι ^1>at «ie/Ma-25.10.77

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Verstärkter fill- elektrische Signale

, Die JCrfindung bo triff I ei non Verstärker für elektrische Signale, die untnr Vovwondung eines fotoolektrischen Wandlers in Abbäng.i gkf i i: von der auf diesem herrschenden Beleuchtungsstärke* gov.'ormon worden, wobei der Verstärker einen dom fotocloktr J nclvn Wandler nachgeschalteten Opera ti ons ver star kor on thü.l t.

Derartige Vorstürkor find on insbesondere Anwendung zur Bolichtungsmosoung in \^rorbindiing mit fotografischen Kamera s .

Die BelouchtungsR t :ürlra ;»πΓ dorn fotoelektrischen Wandler kann sich in ihrem .->bsoli.iton Pegel um mehrere Zohnerpotenzen nntnrsulioiilon. In Analogie zur Akustik spricht man von einem groMon Dynnniikburoich odor einer großen Dynamik. In der Fotografin iv j rd , beispielsweise bei einem BeliohtungsmosHor, mit eine·in Ilelligke.itsberoich von 4-5 Zehnorpotouzen gereoJinot. IVi.nsor llelligkei tsbereich bezieiit sicli auf den file I chJ iohtpegol. Bei anderen optischon Geräten, z.B. Entfornuugsmeseern, interessiert jedooh insbesondoro dns Woclu'.ollicht-Signal, d«is dem Gleichlichtsignal überl.'igort soiii kitnn und in soinor Höhe, z.B. gomesson als Spt.i.y,ot\~^pi I/on-lOrt bei einem Sinus-Signal, wesentlich kJ.oi.nor nla das GLoichlichtsignal sein kann.

Die fotoolektrischon Wnndlor, die das Licht in elektri-

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sehe Ströme unmniidoln, sind Im gegenwärtigen Stand der Technik nahezu ouaiinhnisJos Hnlbloiter-Fotodioden. Die von diesen Enpfängorn go lieferten Ströme sind iibor mehr als acht Zoh.norpot«ii^r/On proportional dem auf sie fallenden Licht, wenn sie im Kurzschluß betrieben worden, d.h. wenn die Spannung nu diesen sohr klein gehalten wird.

Diese Bedingung ist leicht mit Operationsverstärkern zu erfüllen, die eine Strom-Spammngswandlung ausführen.

Im Spaunungsbereich können nun jedoch nur etwa vier Zehner· potenzen verarbeitet werden, dr\ die Ausgangespannung des Operationsverstärkers nach obou hin mit der Vorsorgungsspannung begrenzt ist. Nach unten hin gehen kleine Spannungen im Rauschen unter, wns Jeder Operationsverstärker zeigt. In einer boknnnten Vorstärker-Schaltung kann an doron Ausgang eine dom auf den fotoelektrischon Wandler fallenden Licht proportionale Spannung abgenommen werden, allerdings nur mit einer Dynamik von ca. vier Zehnerpotenzen. In Fällen, in denon nur das Wechselsignal interessiert und dioses um den Faktor 100 kleiner ist als das Gleichliohtsignal, ergibt sich somit, daß nur noch eine Dynamik von zwei Zehnerpotenzon Übrigbleibt.

Bedenkt man weiter, daß der in bekannter Weise im Ruckkopplungszweig des Operationsverstärkers vorhandene Rückkopplungswiders ta nd ηus Überlegungen der Rauschoptimierung heraus möglichst groß sein muß (z.B. 1 GOhm), so erkennt man leicht, daß nur ein sehr eingeengter Dynamikbereioh Übrigbleibt. Anderenfalls ist der Verstärker bezüglich des Rauschons nicht optimiert.

Es ist aber auch bekannt, im RUckkopplungszweig eines Ope-

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ro t ionsvors tiirkors oin ftlomeiil mit einer nichtlinearen, z.B. mit einer exponentiellen Kenn Linie vorzusehen. Letzteres bewirkt, daß die Spannung nm Ausgang des Verstärkers ein loßarithmischo.s Maß für das nuf den fotoelektrischen Wandler fallende; I-icht, ist. Nachteilig ist bei dieser Ausfühi'ungsform jedoch, dniJ sieh die obere Eckfrequenz des Übertragungsberoiciios mit dem Oleichlicntpegel ändert. Bei kleinon Beleuchtungsstärken werden dadurch die interessierenden Signalf'roquonzon unkontrolliert beschnitten. Außordem wird die Vocliselspniinuii^ mn Ausgang des Verstärkers wegen der exponoiitiellen Kennlinie prinzipiell verzerrt, was sich^besondors boi großen Anplitudon zeigt.

Der Erfindung liogt dnlioi" dio Aufgabe zugrunde, einen Verstärker anzugeben, der bezüglich dos Rauschens möglichst gut optimiert ist, der einen weiten Dynamikbereich hat und der in seinem t'uortrngiingsvorhalten entweder unabhängig von der Gleichlicht-Beleuchtungsstärko oder zumindest kontrollierbar ist.

Gemäß dor Erfindung ist diese Aufgabe in Verfolgung eines ersten Lö'sungsweges dadurch gelöst, daß im Itückkopplungszweig des OporationsVerstärkers oin Widerstand und ein Glied mit oinor nichtlinearen, im Beispiel einer exponentiollon Kennlinie liegen, die einander parallel geschaltet sind.

Als konkrete Lösung wird insbesondere vorgeschlagen, als solches Gliod mit oxponentle1ler Kennlinie eine Diode zu vorwenden. Statt der Diode knmi in einer anderen Ausführungsform abor mich oin Transistor verwendet werden, dessen Basis auf Null-Potential liegt.

In Verfolgung eines zweiten Lösungsweges wird zur Lösung

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der Aufgab© ferner vorgoschlägon, im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers η rs to elektrische Bauelemente anzuordnen, mittels doror die Wechselsignalantoile gegengekoppelt werden, um! fornor zweite elektrische Bauelemente anzuordnen, mittels doror dor Gleichsignalanteil von den Wechsolanteilen ge trennt go (je 11 ge koppe It wird.

Für diesen zwei ton I.ösungswog ivird als erste konkrete Lösung eine Schaltung augegobon, bei welcher die ersten elektrischen Bauelemente nus ρinein Widerstand bostehen, während die zweiton cloktrischon Bauelemente aus einem RC- Glied und einem nichtlinonroti Widerstand bestehen, dessen Widerstandswert mit steigerndor Spannung sinkt.

Dieser niohtIi 110ηrn Widerstand kann ein Transistor mit exponentioller Konnlinie sein. Weiterhin kanu dieser Widerstand ein MOS-FoIdoffekttrnusistor vom Enhancement-Typ sein, bei dem Gate und Drniu miteinander verbunden sind.

In weiterer Ausgestaltung dor Erfindung können auch die ersten elektrischen IJnuoiomonto aus einem nichtlinearen Widerstand bestehen, der z.H. ein Varistor soin kann. Insbesondere wird jedoch vorgeschlagen, au dieser Stelle der Schaltung als nichtliuoaron Widerstand einen MOS-Feldeffekttran.sis tor vom !»-Kanal-Enhancoment-Typ und einen dazu parallel goachal.toten MOS-Feldoffekttrausistor vom n-Kanal-Knhancomont-Typ zu vorvondon, bei denen jeweils

Gate und Drain miteinander vorbundon sind.

In der Zeichnung ist die Erfindung in mehroren Ausführungsbeispiolen dargestellt. I'-^v> v.oigon:

Fig. 1 ein Schaltbild der ersten Lösung, dos ersten Lösungswegos,

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Fig. 2 ein Schaltbild dnr zwoiton Lösung des ersten Lö-

SUtI(JSWOgOS ,

Fig. 3 ein Schaltbild dor orsten Lösung des zweiten LiJ-

Fig. h ein Sohn J tbi Jd dor zweiten Lösung des zweiton Lö-

Fig. 5 ein weiteres Schaltbild eines Verstärkers entsprecht? ud dom zwo it (3 η Lösungsweg,

Fig. 6 schema t .fs oh zwoi parallel geschaltete MOS-FeId- off okt trans Ls loron vom p-Kanal-Enhancement-Typ

bzw. vom π-Ka na !-Enhancement— Typ,

Fig. 7a; 7b eine I.'rluiitorutig zu dom Signalverlauf bei

parallel gosoiia t to ton MOS-Feldef f ekt transistoren gemäß Fig. 6.

In don Figuren 1-5 ist jeweils der Operationsverstärker mit V bezeichnet, in (lossen RUckkopplungszweig jedesmal ein ohmscher Widerstand I? liegt.

Im Ausf uhrungsbo i s j)i e !. der Fig. 1 ist diesom Widerstand Η_ρ eine Diode D mit cxpoiicntiollor Konnlinie parallel ge- schaltot. Dabei hü It dor Widerstand R die obere Eckfroquenz von einem bestimmten Punkt an nach unten fest.

Diosor Ausführtingsfοπή haftet allerdings der Nachteil an, daß der Widerstand H nur nine Größe annehmen kann, die durch die Kapazität der Diodo D vorgegeben ist.

Es wird deshalb woi tor eine AusfUhxnjngsf orm nach Fig. 2 vorgeschlagon. Ais tMomont mit oxponentiellor Konnlinie wirkt hior doi· Transistor T₀, Wirksam für die obere Eck frequenz der Üboi't»-.'igu iigfjko mil j.nie wird hierbei neben R_ nur die Kollektor-Emittor-Iiapazität des Transistors, wobei

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diese mit dem Widerstand U mohr oder weniger wirksam gemacht werden k.'iTin zur Vormoidung von Oberschwingungen. Von Nachteil ist h.ior jodooh noch, daß der Transistor ein HF-Transistor mit kloLnur Kapiizitsit soin muß.

Es wird daher ferner ciuo .Ausführungsforin nach Fig. 3 vorgeschlagen. In rticser Ausführungsform worden das Gleichstrom- und das Wechselstromsignal getrennt gegengekoppelt. Und zwar wird das WechsoIstroinslgnal über R gego«gekoppelt und das Gleiciistromslgnnl über den Transistor T_. Der Transistor ist als LogorLthmior-Dxodo geschaltet. Die zuge hörige Gleichspannung wir«! mit oiiiem Siebgliod C, IL, gebildet. Am Ausgang A ist »lus Vwchselstromsignal abnehmbar, am Ausgang A¹ ist das lognrithinierte Gleichstromsignal abnehmbar.

Um günstige !lauscht*Igouschn f ton zu erhalten, muß der Transistor T_ bei lcloinon Ho louclitungsstürkon möglichst hochohmig soin. UioH Ist bei. den üblichen Transistoren aber nur begrenzt dor Fall,

Es wird deshalb noch eine Schaltung gemäß Fig. h vorgeschlagen, bei der nnntollo oinos Transistors oin n-Kanal- Enhancement-MOS-Feldeffekttransistor T. verwendet wird. Das Wechselsignnl ist am Ausgang A abnohmbar. Das Gleichstromsignal wird über den Transistor T. gegengekoppelt, der leitend wird, sobald dio Gnte-Schwellenspannung erreicht wird. Als Deispiol für einen solchen Transistor ist die Anordnung CD U007 <'«r Fa. IiCA zu nennen.

Während bei don Schaltungen gomüß den Fig. 1 und 2 sowohl vom Gleich- als auch· vom Wochsolsignal hör keine Übersteuerung möglich ist, der Vorstärker also mit seiner Aus-

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gangsspannuug rnicii nicht kurzzoitig an sein oberes oder unteros Ende solion k.-uin, 1st box don Schaltungen entsprechend den Fig. Ί und ^l eine Übersteuerung nur vom Gleichstromsignn .1 vor-miedou. Aus verschiedenen Gründen kann es aber erv/iinscht. sein, ouch, für das Wechsels tronisignal eine Übe rs tone rung 7,11 v»rmoideii_a

Es wird deshalb sch 1 i olU i cli, wiu in Fig. 5 ftezoiet, vorge schlagen, in dor h'ofjhsp Ls ii^tml-Ge{jGnkopplun(i einen nichtlinearen Widerstand R.. zu vorwonden oder einen solchen

dem Widerstand U für dio WoclieeIsipnal-Gegenkopplung par allel zu schalten. Als solcher Widerstand R., kann ein

Varistor eingesotzt Kordon, 1^s kann jedoch auch ein MOS-Feldoff ekttraiif⁴ is tor-Pnnr vorv/cndot worden, das eine höhere Sch wo llonsp.'innunfv hat η Is der Transistor T_. Ein solches Trausistor-l'aar .ist in Fig. 6 schematisch dargestellt.

Solango dio Weclisn J s paumingsninplitude die Schwellenspannung U„ der MOS-FoldoffokttransJstören nicht erreicht (Fig.

7a), wirkt nur dor Widerstand Ji als Wechselsigualgegenkopplung. Darübor hinniia v>fordoii abwochsolndboi positiver bzw. negativer Amplitude dor η-Kanal- bzw. der p-Kanal-Typ leitend, die Woohso lsp;uinung Avi rd also verzerrt (Fig. 7b), jedoch ist stobs auch eine eindeutige Wechselsignal-Gegenkopplung sichorgostollt.

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Claims

Wetzlartol.>: „_nt

I'ntn njbnmLPJ" u<-.hj*.

Verstärker für oiokl.rtr«:!«» nignale, dio unter Verwendung eines fotooloktvS schon W.'indlorn in Abhängigkeit von der auf diesem herrsoliendon IJo loiichtungss türke gewonnen werden, und der einen (lon to1-.oo.lokLrisch.on Wandler nachgeschalteten Opera tions vors 15 ir kor bosilr.t, daduroh. g ek ο η τ) ζ e i π Ii η η t, »hiß Im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers (v) dom in an sich bokanntor Weise in diesem Zwei,;; vorimndoTion tilimschen Widerstand (Rp) ein elektrisches Ifciuo loiiiru t mit nichtlinearer exponontieller Kennlinie (T; T ) p:iral1ot ftoachaltet ist.

2. Verstärker nach Ansprunli I, <ladiirch fjekennzoichnet, daß das Bauelement ntL1: oxpnnen I.LoI lor Kennlinie eine Diode (D) ist.

3. Verstärker nach An.spruoli 1_f dadurch ge kennzeichnet, daß das Unuelemont mit oxponontiollor Kennlinie ein Transistor (Τ_) ist, dosson Uasir· auf Null-Potential gelegt ist.

b, Verstärker für oloktrisolin Signale, die unter Vorwendunfr eines fotoelektrischcn Wandlers in AbhüngiGkeit von der auf diesem horrschemlon Hn J.ouchtun<jsstärke gewonnen werden, und der oiuon dom fofr.ooloktrischon Wandler naohgeschaltoten Opera ti onsverstnrkor besitzt, dadurch gekennzeichne t, daß im Iiüo kkopp lungs zweig

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•oten'obteilung _ -> _

dos Operations vor*-· Uirkort; (ν) nrste elektrische Bauelemente (lip) vorn;» IuI(Mi r i nd, mit to Is deror die WechselsiRnalantoile (:(!/;oM:;o1;opp(>lt witrdon, und clnß zweite elektrische Baue .!.ουκ* 11 to ('·',,, T, T) vorhanden sind, mittels derer dor Gloi cds i ^nn lnnfcoi I. von den Wechsolsignalanteilen getrennt ßefton.Mikoppo 1 t wird.

5. Verstärker noch AnspiMicli Ί , dadurch RokoTinzeichnet, daß dio ersten e J ο klr i r, ulion Drum ! omen te aus einem ohmschon
Widerstand (K ) hoslobon nml daß die zweiten elektrischen Bauelemente nu:i oino'ii i.V — (11 i r-fl (li ; C) und einem nichtlinearen Widerstand (T ; T_; ) bestehen, dessen WidorstandsAvert mit slcLpondor Sp;>nnun{* sinkt.

6. Vorstärker nach Anspruch 5> d.idurch (jokennzeichnet, daß der iiichtliiio'ir« Widoi.stii
nentioller KennlLuio ist.

der iiichtliiio'ir« Iv i dm -.s totid ei 11 Transistor (T ) mit expo-

7. Vorstärker nach Anspruch 5, dnclurch {jekonnzeichnot, daß der nichtlinoii ro \! i dors I ~>ιιΊ ein MOS-Feldef f ekt transistor vom Knhancomeii t-Ty ρ ist, h«i dom Gate und Drain miteinandor verbiiinlnn si.nd.

8. Verstärker nach Anspruch ·'(■, dadurch go kennzeichnet, daß auch die erstou ο lok ti· ist:'hon Hauelomente aus einem nichtlinearen Widerstand ho.stohon.

9. Verstärker nach Anspruch H₉ dadurch fje kennzeichnet, daß der nichtlinenro Widerstand «in Varistor ist.

10. Verstärker nach Anspruch H, dadurch gokonnzoichnet, daß dor nichtlinenro U i dpi;; trind aus einem MOS-Fe ldeffokttransistor vom p-Rnnal -Enlmncoment-Typ (FET_p \ . ,

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falentobteilung — "} —

dazu parallel ,«70 so ha 1Ui ton MOS-Fo lcloff okttraiisistor vom n-Kanal-Enhanconient-Typ (FF)T ) besteht, bei denen paarweise Gate UtKl Drain mitotitnmlor verbunden sind.

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