DE2810959A1

DE2810959A1 - Fotostromverstaerker mit logarithmischer ausgangsspannung

Info

Publication number: DE2810959A1
Application number: DE19782810959
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Altenkirch
Original assignee: Rollei Werke Franke und Heidecke GmbH and Co KG
Current assignee: Rollei Fototechnic GmbH
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1978-03-14
Publication date: 1979-09-27
Also published as: JPS54127379A; GB2016686B; GB2016686A

Description

Kehl	D-7300 fcpplingen	Dipl.-Ing. Hartmut Kehl
Kratzsch	Mülbergerstr. 65	Dipi.-Ing. Volkhard Kratzsch

	Telefon Stuttgart 0711 - 3599 92	Deutsche Bank Esslingen 210 906
	cable «kehlpatent» esslingenneckar	Postscheckamt Stuttgart 10004-701
		Chase Manhattan Bank New York

Rollei-Werke 24. Februar 1978

Franke & Heidecke Anwaltsakte 2467

3300 Braunschweig

Fotostromverstärker mit logarithmischer Ausgangsspannung

Die Erfindung betrifft einen Fotostromverstärker mit logarithmischer Ausgangsspannung, insbesondere für Belichtungssteuerschaltungen in fotografischen Kameras, mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker, in dessen Gegenkopplungszweig eine Logarithmierdiode angeordnet ist, und mit einem an den Eingängen des Operationsverstärkers angeschlossenen fotoelektrischen Element.

Ein solcher Fotostromverstärker zeigt bei seinem Einschalten, also Anlegen einer Betriebsspannung an den Verstärker, ein Einschwingverhalten, das dazu führt, daß am Ausgang des Fotostromverstärkers nicht schlagartig, sondern erst nach einer gewissen Zeitspanne die exakte Ausgangsspannung ansteht. Die Dauer dieser Einschwingzeit des Fotostromverstärkers ist dabei abhängig von dem auf die Fotodiode des Fotostromverstärkers fallenden Licht. Die Einschwingzeit ist bei sehr starker Beleuchtung sehr kurz und nimmt mit Abschwächung des Lichtes sehr stark zu.

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Setzt man einen solchen Fotostromverstärker in Belichtungssteuerschaltungen für fotografische Kameras ein, so tritt wegen dieses Einschwingverhaltens des Fotostromverstärkers das Problem auf, daß die Belichtungssteuerung verfälscht und ungenau wird, wenn der Fotostromverstärker erst bei der Betätigung des Verschluß-Auslöseknopfes eingeschaltet, das heißt an die Kamerabatterie gelegt wird.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden in Verbindung mit solchen Fotostromverstärkern besondere Schaltmittel vorgesehen, die bereits vor der Verschlußbetätigung den Fotostromverstärker an die Kamerabatterie anschließen, so daß eine ausreichende Einschaltzeit zwischen der Einschaltung des Fotostromverstärkers und der Verschlußbetätigung liegt. Solche Schaltmittel sind entweder technisch sehr aufwendig oder erschweren bei einfacher Ausführung die Handhabung der Kamera. Darüberhinaus findet eine zusätzliche Belastung der ohnehin kleinen Kamerabatterie statt, da der Fotostromverstärker in aller Regel während einer unnötig langen Zeit mit Strom versorgt werden muß, während dieser der Fotografierende die Vorbereitungen für eine fotografische Aufnahme trifft.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Belichtungssteuerung einer fotografischen Kamera bekannt, die einen solchen Fotostromverstärker mit logarithmischer Ausgangsspannung aufweist (DE-OS 23 48 250). Am Ausgang des Fotostromverstärkers ist ein der Speicherung des Belichtungswertes dienender Speicherkondensator angeschlossen, Um das vorstehend beschriebene Einschwingverhalten des Fotostromverstärkers zu verbessern, ist bei dieser bekannten Schaltungsanordnung mindestens ein Ausgleichskondensator zwischen dem Eingang des Operationsverstärkers und der Spannungsquelle der Schaltungsanordnung geschaltet, der so bemessen ist, daß der Pegel der Eingangsspannung des Operationsverstärkers, der sich im Augenblick

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der Einschaltung der Schaltungsanordnung einstellt und von den mit dem Operationsverstärker verbundenen Kapazitäten bestimmt ist, gleich dem Pegel ist, auf den sich die Eingangsspannung infolge der mit dem Operationsverstärker verbundenen Widerständen einstellt.

Mit einem solchen Ausgleichskondensator erzielt man zwar verkürzte Einschwingzeiten des Fotostromverstärkers beim Einschalten desselben, jedoch ist das Einschaltverhalten weitgehend von Bauteiltoleranzen abhängig. Darüberhinaus wird dadurch, daß der Ausgleichskondensator am Eingang oder auch am Ausgang - des Operationsverstärkers angeschlossen ist, der Frequenzgang des Fotostromverstärkers verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fotostromverstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der selbst bei sehr niedrigem Lichtpegel eine äußerst geringe Einschwingzeit beim Anlegen der Betriebsspannung an den Fotostromverstärker aufweist, bei dem also die stabile Arbeitsspannung am Ausgang des Verstärkers praktisch gleichzeitig mit dem Einschalten der Betriebsspannung erreicht wird, dessen Einschaltverhalten dabei unabhängig von Bauteiltoleranzen ist und dessen Frequenzgang durch die zu treffenden Maßnahmen nicht negativ beeinflußt wird.

Diese Aufgabe ist bei einem Fotostromverstärker der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Logarithmierdiode eine zweite Diode derart parallelgeschaltet ist, daß jeweils eine Katode und eine Anode der Dioden miteinander verbunden sind und daß Schaltungselemente derart an den Operationsverstärker angeschlossen sind, daß unmittelbar beim Anlegen der Betriebsspannung an den Fotostromverstärker der Ausgang des Operationsverstärkers kurzzeitig ein einen Stromfluß durch die zweite Diode bewirkendes Potential aufweist.

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Durch diese Maßnahme wird unmittelbar nach Anschalten des Fotostromverstärkers an seine Betriebsspannung über die zweite Diode eine Ladung auf die Kapazität des fotoelektrischen Elements geschoben, die genauso wirkt wie ein Lichtimpuls hoher Intensität. Da, wie eingangs beschrieben, die Einschwingzeit des Fotostromverstärkers im Augenblick des Einschaltens bei sehr hohem Lichtpegel wesentlich kürzer ist als bei kleinem Lichtpegel, wird unabhängig von den tatsächlich herrschenden Lichtverhältnissen durch diese Lichtimpulssimulation die Zeit, die vergeht, bis der Operationsverstärker in seinen stabilen Arbeitsbereich kommt, immer äußerst gering. Die Einschwingzeit wird dadurch gleichzeitig unabhängig von irgendwelchen Bauteiltoleranzen=

Nach einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das fotoelektrische Element als Fotodiode ausgebildet ist, die mit den Eingängen des Operationsverstärkers verbunden ist, und daß der.Operationsverstärker einen Impedanzwandler aufweist, dessen Eingänge die Eingänge des Operationsverstärkers bilden. Durch diesen Impedanzwandler erhält der Operationsverstärker einen sehr hochohmigen Eingang und benötigt nur sehr kleine Eingangsströme. Die Fotodiode wird - wie üblicherweise gefordert - somit nicht zu stark belastet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Impedanzwandler zwei Feldeffekttransistoren aufweist, deren Drain mit dem oberen Potential der Betriebsspannung verbunden sind und deren Gate die Eingänge des Operationsverstärkers bilden, und daß die Schaltungselemente aus einem zwischen Drain des einen Feldeffekttransistors und dem oberen Potential der Betriebsspannung angeordneten RC-Glied bestehen, das an Bestriebsspannung liegt und an dessen Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator der Drain des Feldeffekttransistors angeschlossen ist.

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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen fotoelektrischem Element und unterem Potential der Betriebsspannung eine dritte Diode eingeschaltet ist, die gleich der Logarithmierdiode ausgebildet und mit dieser thermisch gekoppelt ist, und daß der Verbindungspunkt von fotoelektrischem Element und dritter Diode an einer Konstantstromquelle angeschlossen ist. Durch diese Maßnahmen wird in einfachster Weise eine Temperaturkompensation des Fotostromverstärkers erreicht, so daß dessen Ausgangsspannung temperaturunabhängig ist. Ein solcher Temperaturgang des Operationsverstärkers wird durch die Temperaturabhängigkext der Flußspannung der Logarithmierdiode hervorgerufen. Dadurch daß die dritte Diode thermisch mit der Logarithmierdiode gekoppelt ist, wird in der dritten Diode bei Temperaturänderung eine gleiche Flußspannungsänderung hervorgerufen, die die Flußspannungsänderung in der Logarithmierdiode kompensiert. Der Ausgangspegel des Operationsverstärkers bleibt damit annähernd konstant.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Verbindungspunkt von fotoelektrischem Element und dritter Diode über einen Widerstand an das obere Potential der Betriebsspannung angeschlossen. Dadurch wird in einfacher Weise die Konstantstromquelle realisiert.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Logarithmierdiode und die dritte Diode in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Hierdurch wird eine exakte thermische Kopplung der beiden Dioden erzielt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers zwischen Ausgang des Operationsverstärkers und der Logarithmierdiode eine Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes und eines NTC-Widerstandes angeordnet ist und daß der Verbindungspunkt von Parallelschaltung und Logarithmierdiode

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über einen dritten Widerstand an dem unteren Potential der Betriebsspannung angeschlossen ist. Durch diese Maßnahme wird die durch die dritte Diode bewirkte Temperaturkompensation weiter verbessert, so daß die Ausgangsspannung des Fotostromverstärkers praktisch temperaturunabhängig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in.der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispxeles erläutert. Die Zeichnung zeigt dabei den Schaltplan eines Fotostromverstärkers mit einer Fotodiode.

Der Fotostromverstärker mit logarithmischer Ausgangsspannung weist einen .gegengekoppelten Operationsverstärker 1 auf, in dessen Gegenkopplungszweig 2 eine Logarithmierdiode 3 angeordnet ist. An den beiden Eingängen 4 und 5 des Operationsverstärkers 1 ist eine Fotodiode 6 angeschlossen. Dabei ist die Anode der Fotodiode 6 mit dem invertierenden Eingang 4 und die Katode der Diode 6 mit dem nicht invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 1 verbunden.

Der Logarithm!erdiode 3 ist eine zweite Diode 7 derart parallel geschaltet, daß jeweils eine Katode und eine Anode der beiden Dioden 3 und 7 miteinander verbunden sind. Es ist also die Katode der zweiten Diode 7 der Anode der Logarithmierdiode 3 und die Anode der zweiten Diode 7 mit der Katode der Logarithmierdiode 3 verbunden. An einem weiteren Anschluß des Operationsverstärkers 1 sind Schaltungselemente 9 derart angeschlossen, daß unmittelbar beim Anlegen der Betriebsspannung an den Fotostromverstärker der Ausgang 10 des Operationsverstärkers 1 kurzzeitig ein einen Stromfluß durch die zweite Diode 7 bewirkendes Potential aufweist. Die Betriebsspannung für den Operationsverstärker 1 ist durch das Plussymbol + und durch das Massesymbol in der Zeichnung gekennzeichnet.

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Der Operationsverstärker 1 weist einen Impedanzwandler 11 auf, dessen Eingänge die Eingänge 4 und 5 des Operationsverstärkers 1 bilden. Durch diesen Impedanzwandler erhält der Operationsverstärker 1 einen sehr großen Eingangswiderstand und benötigt nur sehr geringe Eingangsströme, wie sie die Fotodiode 6 liefert. Durch den hohen Eingangswiderstand wird die Fotodiode 6 nur wenig belastet.

Der Impedanzwandler 11 weist zwei Feldeffekttransistoren (FET) 12 und 13 auf. Die Gate der beiden FET 12 und 13 bilden die Eingänge 4 und 5 des Operationsverstärkers 1. Der Drain des FET 12 bildet den Anschluß 8 des Operationsverstärkers 1 und der Drain des FET 13 den Anschluß 14 des Operationsverstärkers 1. Im Innern des Operationsverstärkers 1 ist jeweils die Source des FET 12 bzw. 13 einerseits über je einen Widerstand 15 bzw. 16 mit dem unteren Potential (Masse) der Betriebsspannung des Fotostromverstärkers verbunden und andererseits mit dem invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 17, der für große Eingangsströme geeignet ist, angeschlossen. Der Ausgang dieses zweiten Operationsverstärkers bildet den Ausgang 10 des Operationsverstärkers 1.

Der Anschluß 14 des Operationsverstärkers 1 bzw. der Drain des FET 13 ist an das obere Potential + der Betriebsspannung 'für den Fotostromverstärker angeschlossen. Der Anschluß 8 des Operationsverstärkers 1 bzw. der Drain des FET 12 ist an den Verbindungspunkt 18 eines RC-Gliedes 19 angeschlossen. Dieses RC-Glied bildet die eingangs erwähnten Schaltungselemente 9 am Operationsverstärker 1. Das RC-Glied 19 liegt an Betriebsspannung, wobei der Widerstand 20 an dem oberen Potential + und der Kondensator 21 an dem unteren Potential (Masse) der Betriebsspannung angeschlossen ist. um die Temperaturabhängigkeit der Flußspannung der Logarithmierdiode 3 zu kompensieren ist eine dritte Diode 22 vorgesehen, die zwischen der Katode der Fotodiode 6 und dem unteren Potential (Masse) der Betriebsspannung eingeschaltet ist. Die Diode

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ist an eine Konstantstromquelle gelegt. Diese wird dadurch realisiert, daß der Verbindungspunkt 23 zwischen Fotodiode und dritter Diode 22 über einen Widerstand 24 an dem oberen Potential + der Betriebsspannung liegt. Die dritte Diode 22 und die Logarithmierdiode 3 sind thermisch miteinander gekoppelt, was vorzugsweise durch die Anordnung der beiden Dioden 22 und 3 in einem nicht dargestellten gemeinsamen Gehäuse erfolgt.

Zur Verbesserung dieser Temperaturkompensation ist im Gegenkopplungszweig 2 des Operationsverstärkers 1, und zwar zwischen dem Ausgang 10 des Operationsverstärkers 1 und der Katode der Logarithmierdiode 3 eine Parallelschaltung 25 aus einem zweiten Widerstand 26 und aus einem NTC-Widerstand 27 angeordnet. Der Verbindungspunkt 28 zwischen dieser Parallelschaltung 25 und der Logarithmierdiode 3 ist über einen dritten Widerstand 29 an das untere Potential (Masse) der Betriebsspannung des Fotostromverstärkers gelegt .

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Fotostromverstärkers ist wie folgt:

Im Moment des Einschaltens hat die Source des FET 13 positives Potential, da dessen Drain an dem oberen Potential + der Betriebsspannung liegt. Die Source des FET 12 liegt auf Nullpotential, da der Kondensator 21 entladen ist und dadurch den Drain des FET 12 auf Masse zieht. Beim Anlegen der Betriebsspannung an den Fotostromverstärker liegt also zwischen den Anschlüssen 8 und 14 des Operationsverstärkers 1 die volle Betriebsspannung. Dadurch ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 17 negativer als dessen nicht invertierender Eingang. Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 und damit der Ausgang 10 des Operationsverstärkers 1 ist positiv. Über die zweite Diode 7 fließt damit ein Ladestrom, der die Kapazität der Fotodiode 6 positiv auflädt. Diese Ladung wirkt auf die Fotodiode 6 ebenso wie ein Lichtimpuls. Da die Einschwingzeit des Fotostromverstärkers

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bei einem hohen Lichtpegel sehr viel größer ist als bei einem niedrigen Lichtpegel,wird durch diese Lichtimpuls simulation eine sehr kurze Einschwingzeit des Operationsverstärkers erzielt. Die Einschwingzeit des Operationsverstärkers ist als die Zeitspanne definiert, die vom Zeitpunkt des Einschaltens des Fotostromverstärkers bis zu demjenigen Zeitpunkt vergeht, bei welchem erstmals eine stabile Ausgangsspannung am Operationsverstärker 1 auftritt. Die Einschwingzeit wird bestimmt durch die Widerständeund die Kapazitäten der Logarithm!erdiode 3 und der zweiten Diode 7. Dabei sind die Kapazitäten dieser Dioden 3 bzw. 7 konstant und die Widerstände vom .Arbeits- . punkt abhängig.

Mit dem Einschalten des Fotostromverstärkers wird der Kondensator 21 des RC-Gliedes 19 aufgeladen. Ist der Kondensator 21 aufgeladen, so arbeitet der Fotostromverstärker in seinem normalen Arbeitsbereich. Durch die vorherige Aufladung der Kapazität der Fotodiode 6 wird nunmehr der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 17 positiver als der nicht invertierende Eingang. Damit wird der Ausgang des Operationsverstärkers 17, also der Ausgang des Operationsverstärkers 1, negativ. Die auf der Kapzität der Fotodiode 6 sitzenden Ladungsträger fließen über die Logarithmierdiode 3 ab bis die Spannung über der Logarithmierdiode 6 Null wird. Die Ladung wird dabei in einer solchen kurzen Zeit abgebaut, die ansonsten der Fotostromverstärker auch benötigt, um Lichtsprünge zu verarbeiten.

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Claims

Patentansprüche

Fotostromverstärker mit logarithmischer Ausgangsspannung, insbesondere für Belichtungssteuerschaltungen in fotografischen Kameras, mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker, in dessen Gegenkopplungszweig eine Logarithmierdiode angeordnet ist, und mit einem an den Eingängen des Operationsverstärkers angeschlossenen fotoelektrischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß der Logarithmierdiode (3) eine, zweite Diode (7) derart parallelgeschaltet ist, daß jeweils eine Katode und eine Anode der Diodenmiteinander verbunden sind, und daß Schaltungselemente (9) derart an den Operationsverstärker (1) angeschlossen sind, daß unmittelbar beim Anlegen der Betriebsspannung an den Fotostromverstärker der Ausgang des Operationsverstärkers (1) kurzzeitig ein einen Stromfluß durch die zweite Diode (7) bewirkendes Potential aufweist.

INSPECTED

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2. Fotostromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektrische Element als Fotodiode (6) ausgebildet ist, die mit den Eingängen (4,5) des Operationsverstärkers (1) verbunden ist, und daß der Operationsverstärker (1) einen Impedanzwandler (11) aufweist, dessen Eingänge die Eingänge (4,5) des Operationsverstärkers (1) bilden.
3. Fotostromverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (11) zwei Feldeffekttransistoren (12,13) aufweist, deren Drain mit dem oberen Potential der Betriebsspannung verbunden sind und deren Gate die Eingänge (4,5) des Operationsverstärkers (1) bilden, und daß die Schaltungselemente (9) aus einem zwischen Drain des einen Feldeffekttransistors (12) und dem oberen Potential der Betriebsspannung angeordneten RC-Glied (19) bestehen, das an Betriebsspannung liegt und an dessen Verbindungspunkt von Widerstand (20) und Kondensator (21) der Drain des Feldeffekttransistors (12) angeschlossen ist.
4. Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen fotoelektrischem Element (6) und unterem Potential der Betriebsspannung eine dritte Diode (22) eingeschaltet ist, die gleich der Logarithmierdiode (3) ausgebildet und mit dieser thermisch gekoppelt ist, und daß der Verbindungspunkt (23) von fotoelektrischem Element (6) und dritter Diode (22) an einer Konstantstromquelle angeschlossen ist.

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5. Fotostromverstärker nach Anspruch 4, dadurch ge ken· η ζ e ichnet, daß der Verbindungspunkt (23) von fotoelektrischem Element (6) und dritter Diode (22) über einen Widerstand (24) an das obere Potential der Betriebsspannung angeschlossen ist.
6. Fotostromverstärker nach Anspruch 4 oder 5, d a durch gekennzeichnet, daß Logarithmierdiode (3) und dritte Diode (22) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind'.
7. Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig (2) des Operationsverstärkers (1) zwischen Ausgang (10) des Operationsverstärkers (1) und Logarithmierdiode (3) eine Parallelschaltung (25) eines zweiten Widerstandes (26) und eines NTC-Widerstandes (27) angeordnet ist und daß der Verbindungspunkt (28) von Parallelschaltung (25) und Logarithmierdiode (3) über einen dritten Widerstand (29) an dem unteren Potential der Betriebsspannung angeschlossen ist,

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