DE2823807A1

DE2823807A1 - Integrationsschaltung

Info

Publication number: DE2823807A1
Application number: DE19782823807
Authority: DE
Inventors: Masamichi Furukawa
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1978-12-07
Also published as: US4223271A; JPS53148372A; DE2823807C3; DE2823807B2

Description

Integrations schaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Integrationsschaltung, die in vorteilhafter Weise in ein automatisch arbeitendes Belichtungssystem einer Kamera eingebaut werden kann.

Um den Fotografen die mühsame Aufgabe abzunehmen, mittels der Belichtungs-Einstelleinrichtungen auf der Kamera die entsprechenden Einstellungen vorzunehmen, wurden automatisch arbeitende Belichtungseinrichtungen entwickelt. Derartige Einrichtungen umfassen allgemein einen Fotosensor, der eine Ausgangsspannung erzeugt, welche der Objekthelligkeit entspricht. Im Augenblick des Verschlußöffnens wird der Fotosensor erregt. Das Ausgangssignal des Fotosensors wird integriert, und der Verschluß wird

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geschlossen, wenn der integrierte Wert einen vorbestimmten Pegel erreicht. Eine derartige Einrichtung kann auch bei elektronischen Blitzgeräten vor allem zum Regulieren der Blitzdauer als Funktion des reflektierten Lichts verwendet werden.

Da die Ausgangsspannung allgemein verfügbarer Fotosensoren in Abhängigkeit von dem auffallenden Licht einen weiten Bereich einnimmt, ist es wünschenswert, den Bereich, in dem sich die Spannung bewegen kann, logarithmisch zu komprimieren. Typische Schaltungen, die eine derartige Funktion durchführen, umfassen im allgemeinen Transistoren und Dioden, die bezüglich Temperaturschwankungen empfindlich sind. Für die Temperaturstabilisierung derartiger Schaltungen sind komplexe und relativ aufwendige Schaltungen erforderlich.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile der bekannten Einrichtungen, indem sie eine neue und einzigartige Integrationsschaltung schafft, die lediglich einen Operationsverstärker, Widerstände und Kondensatoren umfaßt, die bezüglich Temperaturschwankungen relativ unempfindlich sind. Zu einem Eingang des Operationsverstärkers sind mehrere Widerstände in Serie geschaltet. Ein Integrationskondensator ist zwischen den Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet. Mehrere Kondensatoren sind zwischen den Eingang und die Verbindungspunkte der Widerstände geschaltet. Die Zeit, die die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zum Erreichen eines bestimmten Pegels benötigt stellt eine Exponentialfunktion einer Eingangsspannung dar, welche dem Operationsverstärker über die Widerstände zugeführt wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Integrationsschaltung anzugeben, die aus einer Eingangsspannung eine Ausgangsspannung gemäß einer Exponentialfunktion erzeugt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Integrationsschaltüng zu schaffen, die größere TemperatürStabilität aufweist air« bekannte Schaltungen.

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-X-

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Integratxonsschaltung zu schaffen, welche einfachere und preisgünstigere elektronische Bauteile aufweist als bekannte Schaltungen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine allgemein verbesserte Integratxonsschaltung anzugeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen elektronischen Integratxonsschaltung,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen elektronischen Integratxonsschaltung und

Fig. 3+4 grafische Darstellungen zur Veranschaulichung der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die erfindungsgenjäße Integratxonsschaltung kann verschiedene Ausführungsformen aufweisen, welche von dem Verwendungszweck und anderen Faktoren abhängen. Von den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine beträchtliche Anzahl von Exemplaren hergestellt und getestet. Sämtliche Schaltungen arbeiteten in äußerst zufriedenstellender Weise.

Eine in Fig. 1 dargestellte Integratxonsschaltung 11 gemäß dem Stand der Technik umfaßt einen Fotowiderstand 12, dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von dem auffallenden Licht variiert. Eine Elektrode des Fotowiderstandes 12 ist mit der positiven Klemme einer Batterie 13 verbunden, deren negative Klemme mit der Kathode einer Diode 14 in Verbindung steht. Der bewegliche Kontaktteil 16a eines Schalters 16 ist mit der Anode der Diode verbunden. Ein fester Kontakt 16b des Schalters 16 ist an den Fotowiderstand 12 geschaltet und steht weiterhin mit einem festen Kontakt 17b eines Schalters 17 in Verbindung. Der bewegliche

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Kontakt 17a des Schalters 17 ist mit der negativen Klemme der Batterie 13 über einen Kondensator 18 verbunden und steht weiterhin mit der Gate-Elektrode eines N-Kanal-FET 19 in Verbindung. Die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 19 ist an die positive Klemme der Batterie 13 angeschlossen. Die Source-Elektrode des FET 19 steht mit der Source-Elektrode eines weiteren N-Kanal-FET 21 in Verbindung und weiterhin mit dem Kollektor eines bipolaren NPN-Transistors 22. Der Emitter des Transistors 22 steht mit der negativen Klemme der Batterie 13 über einen Festwiderstand 23 und einen hierzu in Serie liegenden veränderbaren Widerstand 24 in Verbindung. Die Gate-Elektrode des FET 21 ist mit einem festen Kontakt 16c des Schalters 16 verschaltet. Ein Widerstand 26 liegt in Serie mit Dioden 27 und 28 parallel zu der Batterie 13, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 26 und der Anode der Diode 27 mit der Basis des Transistors verschaltet ist.

Die Drain-Elektrode des FET 21 ist über einen Festwiderstand 29 und einen Thermistor 31 in Serie an die positiv· Klemme der Batterie 13 geschaltet. Ein fester Widerstand 32 liegt parallel zu dem Thermistor 31.

Die Drain-Elektrode des FET 21 ist weiterhin mit der Basis eines PNP-Transistors 33 verbunden, dessen Emitter mit der poeitiven Klemme der Batterie 13 über einen Widerstand 34 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 33 ist mit der negativen Klemme der Batterie 13 über einen Widerstand 36 verbunden. Der lollektor des Transistors 33 ist weiterhin an die Basis eines fKP-Transistors 37 geschaltet, dessen Emitter mit der positiven Klemme der Batterie 13 verschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 37 ist an die Gate-Elektrode des FET 21 geschaltet und bildet eine Ausgangsklemme.

Beim Betrieb werden die miteinander gekoppelten beweglichen Kontakte 16a und 17a in Berührung mit den festen Kontakten 16b und 17b gebracht. Dies verbindet den Verbindungspunkt des Fotowiderstandes 12 und der Diode 14 mit der Gate-Elektrode des FET 19. Der FET 19 und der FET 21 sind als Differentialverstär-

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ker geschaltet. Der Transistor 33 dient dazu, das Ausgangssignal des FET 21 zu invertieren, der Transistor 37 dient als Vers tärkers tufe.

Der Widerstand und der Stromfluß durch den Fotowiderstand 12 ändern sich nach Maßgabe des auffallenden Lichtes. Derselbe Strom fließt durch die Diode 14,so daß der Spannungsabfall an dieser Diode variiert. Gemäß den grundlegenden Eigenschaften von PN-Übergängen ist die an der Diode 14 -abfallende Spannung proportional zu dem Logarithmus des durch die Diode fließenden Stromes. Die Spannung an der Diode 14 bewirkt, daß der Kondensator 18 aufgeladen wird, wodurch die augenblicklich an der Diode 14 anliegende Spannung integriert wird. Werden die beweglichen Kontakte 16a und 17a umgeschaltet, wird der Kondensator von der Diode 14 getrennt und behält seine Ladung. Die Spannung am Kondensator 18 wird durch den Differentialverstärker verstärkt und erscheint am Kollektor des Transistors 37.

Da die Diode 14, der FET 19, der FET 21 und die Transistoren 33 und 37 hinsichtlich ihrer Charakteristika beträchtlich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur schwanken, ist der Thermistor 31 vorgesehen, um die Temperaturstabilität zu verbessern. Der Transistor 22 dient als Konstantstromquelle für den FET 19 und den FET 21, der Widerstand 26 dient in Kombination mit den Dioden 27 und 28 dazu, die Temperaturstabilität des Transistors 22 zu verbessern- Man sieht, daß die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ziemlich kompliziert ist und nicht mit großer Stabilität bezüglich Temperaturschwankungen arbeiten kann, weil die verschiedenen Bauteile an unterschiedlichen Stellen auf einem (nicht gezeigten) Schaltungsträger angeordnet sind, wobei die Temperatur an diesen unterschiedlichen Stellen nicht gleich groß ist.

Dieses Problem wird durch die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße IntegratxonsSchaltung 41 vollständig ausgeräumt. Die Schaltung 41 umfaßt einen Operationsverstärker 42. Ein Integrationskondensator CO ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 geschaltet. Eine von einem Fotosensor oder dergleichen (nicht gezeigt) stammende Eingangsspannung wird dem invertierenden. Eingang des Operations-

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Verstärkers 42 über einen Schalter 44 und Widerstände R1, R2, R3 und R4, die in Serie geschaltet sind, zugeführt. Ein Kondensator C1 ist zwischen den Verbindungspunkt des Widerstandes R1 und R2 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 geschaltet. Zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände R2 und R3 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 ist ein Kondensator C2 geschaltet. Ein Kondensator 3 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 42 ist über einen Widerstand R geerdet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 42 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 56 verbunden. Letzterer dient als Spannungskomparator. Eine Bezugsspannung VR wird dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 56 zugeführt.

Beim Betrieb wird eine negative Eingangsspannung Vi von einem Fotosensor oder dergleichen (nicht gezeigt) dem Schalter 44 zugeführt. Ist der Schalter 44 geöffnet (Anfangsbedingung), ist die Ausgangsspannung VO des Operationsverstärkers 42 0, und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 56 hat ihren maximalen Wert. Zum Beginnen des Integrationsvorgangs wird der Schalter 44 geschlossen, und die Eingangsspannung Vi wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 über die Widerstände R1, R2, R3 und R4 zugeführt. Da der Rückführstrom des Operationsverstärkers 42 zu allen Zeitpunkten gleich dem Eingangsstrom ist, beginnt der Kondensator CO, sich linear aufzuladen. Die Ausgangsspannung Vo beginnt, mit einer Geschwindigkeit anzuwachsen, die linear proportional zu dem Eingangsstrom des Operationsverstärkers 42 und damit linear proportional zu d*r Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 ist. Auf diese Weise wächst die Ausgangsspannung VO als zeitliches Integral der am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 anliegenden Spannung an.

Dadurch, daß die Widerstände R1, R2, R3 und R4 und die Kondensatoren C1, C2 und C3 vorgesehen sind, wächst die Ausgangs-

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spannung VO jedoch nicht als zeitliches Integral bezüglich der Eingangsspannung Vi an. Nimmt man den vereinfachten Fall an, daß die Kondensatoren C1, C2 und C3 sämtlich denselben Wert haben, so lädt sich der Kondensator C 1 schneller auf als der Kondensator C2; letzterer wiederum lädt sich schneller auf als der Kondensator C3. Der Grund hierfür liegt darin, daß im Aufladepfad des Kondensators C1 ein kleinerer Widerstand vorliegt als in den Aufladepfaden der Kondensatoren C2 und C3. Somit ist der Eingangsstrom des Operationsverstärkers 42 zu Beginn der Integration maximal, da die Kondensatoren C1, C2 und C3 zu Beginn entladen sind und der Stromfluß durch sie, welcher ebenfalls durch den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 fließt, maximal ist. Der Stromfluß durch die Kondensatoren C1, C2 und C3 fällt mit dem exponentiellen Aufladen der Kondensatoren exponentiell ab. Der Kondensator C1 erreicht seine volle Ladung zuerst, daran schließen sich die Kondensatoren C2 und C3 an, so daß für eine konstante Eingangsspannung Vi der Stromfluß durch den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 zu Beginn maximal ist und mit der Zeit allgemein diskontinuierlich abnimmt. Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung VO für konstante Werte V1, V2 und V3 der Eingangsspannung Vi. Man sieht, daß die Ausgangsspannung VO mit der höchsten angelegten Eingangsspanning V3 am schnellsten ansteigt. Bei den Zeitpunkten ti, t2 und t3 hat die Ausgangsspannung VO jeweils den Wert der Bezugsspannung VR. Überschreitet die Ausgangsspannung VO die Bezugsspannung VR, so nimmt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 56 ihren Minimalwert an. Man sieht, daß für die größte zugeführte Spannung V3 die Zeit t3, die die Ausgangsspannung VO zum Erreichen der Bezugsspannung VR benötigt, am kürzesten ist. Wird die Schaltung 41 in der automatischen Belichtungseinrichtung einer Kamera verwendet, so öffnet die maximale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 56 den Kameraverschluß (nicht gezeigt), und die minimale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 56 schließt den Kameraverschluß, nachdem der integrierte Wert der Eingangsspannung Vi die Bezugsspannung VR erreicht.

Die Zeit t0, in der die Ausgangsspannung VO die Bezugsspannung VR

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AO

als Funktion der Eingangsspannung Vi erreicht, ist in Fig. 4

für den Fall aufgetragen, bei dem die Schaltungselemente folgende Werte haben:

R = 500K-Ü, Rl = 330Ω

R2 = 21.08KJ?-, R3 = 130 KXL

R4 = 548.59KXL, Cl = \y£

C2 = 0.47μΡ, C3 =
CO =

In diesem Beispiel beträgt die Zeit tO als Funktion der Eingangsspannung Vi:

tO* 15.07e (-0-93Vi)
wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus¹ ist.

Wird die Eingangsspannung Vi um etwa den Faktor 4 von -2,04 V auf -8,05 V erhöht, reduziert sich die Zeit tO um etwa den
Faktor 250 von 2 Sekunden auf etwa 1/125 Sekunden.

Jede Exponentialfunktion der Form tO = Z1e^~ ^x , mit Z1 und Z2 als gewünschten Konstanten, kann durch entsprechende Auswahl
der Werte der Widerstände R1, R2, R3 und R4 und der Kondensatoren C1/ C2 und C3 auf die folgende Weise erhalten werden, wobei R1 + R2 + R3 + R4 = RO, (R2 + R3 + R4)/R0 = a, (R3 + R4)/R0= b, R4/R0 = d' i1, i2, i3 und i4 Augenblickswerte des Stromflusses durch die Kondensatoren.

-A= f il dt = RO f(a-b)i2 + (a-d)i3 + a 14 > (1)

Cl ^J ^l

-i = \ i2 dt = RO ί (b-d) i3 + b i4 \ (2)

1 = ί i3 dt = d RO i4 (3)

C3

Vi = RO f (l-a)il + (1-b)12 + (1-d)13 + 14 j (4)

VO = - [ (il+i2+i3+i4) dt
C ^J

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Durch Laplace-Transformation ergibt sich aus den Gleichungen (1), (2), (3) und (4):

(1-a) T'K

Vi =

AAt+BB+CCe ^Xlt+DDe^X2t+EEe^X3t

mit T als Zeitkonstante und K als Konstante, X1, X2 und X3 als Wurzeln der kubischen Gleichung X³+BX²+CX+D=0 und

B = Kl, C = K2, D=-

1-a

E = G |(a-b)b-Tl*T2 + (b-d)d· T2-Tl + (a-d) d-Tl· T3J F = G(aTl + bT2 + dT3) 1

(a-b) (b-d)d-Tl-T2-T3

(1-b) 1 a-d Kl = — + — +

(1-a) (a-b) Tl (a-b) (b-a) T2 (b-d) · d T3 (l-d)d-T3 + (l-b)b-T2 + (l-a)a-Tl

K2 =

(1-a) (a-b) (b-d)d-Tl- T2 -T3 Tl = ClRO, T2 = C2R0, T3 = C3R0 G

AA = -

BB = -

XI· Χ2·Χ3

F-X1-X2'X3 + G(X1«X2 + X2-X3 + X3-X1)

2 7 Xl · X2 -X3

Xl³ + EXl² + FXl + G

CC =

DD =

EE =

Xl	²(X1-X2)	(X1-X3)	G
X2³	+ EX2² H	h FX2 +
X2²	(X2-X1)	(X2-X3)	G
X3³	+ EX3² -	l· FX3 +

X3³(X3-X1)(X3-X2)

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/Ih

Insgesamt sieht man, daß die vorliegende Integrationsschaltung in ihrem Aufbau wesentlich einfacher und in der Herstellung kostengünstiger ist als bekannte Integrationsschaltungen. Die Schaltung ist über einen großen Bereich schwankender Temperatur wesentlich stabiler, da sie lediglich Operationsverstärker, Widerstände und Kondensatoren umfaßt, die stabiler sind als Transistoren und Dioden, die bei herkömmlichen Schaltungen verwendet wurden. Bei Verwendung in dem automatischen Belichtungssystem einer Kamera sind mit dieser Kamera ausgezeichnete Belichtungsergebnisse selbst unter extremen Temperaturbedingungen erzielbar. Dem Fachmann ergeben sich noch verschiedene Abwandlungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Integrationsschaltung, ohne von dem Grundgedanken abzuweichen. So zum Beispiel kann die dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 zugeführte Eingangsspannung Vi über mehr als 3 in Serie geschaltete Widerstände zugeführt werden, so zum Beispiel über 5 Widerstände. In diesem Fall würden 4 Kondensatoren zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und die Verbindungspunkte der entsprechenden Widerstände geschaltet werden. Je größer die Anzahl derartiger Bauelemente, desto größer sind die Segmente der Ausgangsspannungskurve und entsprechend glatter ist der Verlauf dieser Kurve.

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Leerseite

Claims

A. GRÜNECKER

DiPl_-ING

H. KlNKELDEY

W. STOCKMAIR

OR.-ING. · AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DH BER NAT ■ CXPI.-PHYS

P. H. JAKOB

Θ. BEZOLD

OR FERNAX' nPL-CHBvl

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

31. Mai 1978 P 12 810

Ricoh Company, Ltd.

3-6, 1-chome, Nakamagome, Ota-ku, Tokyo, Japan

Patentansprüche

Integrationsschaltung, gekennzeichnet
durch einen einen ersten Eingang und einen Ausgang aufweisenden Operationsverstärker (42), einen zwischen den ersten Eingang und den Ausgang geschalteten Integrationskondensator (CO), mehrere zu dem ersten Eingang in Serie geschaltete Widerstände (R1, R2, R3, R4) und mehrere, jeweils zwischen den ersten Eingang und die Verbinddungspunkte der Widerstände (R1, R2, R3, R4) geschaltete Kondensatoren (C1, C2, C3).
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (42) einen zweiten Eingang auf-

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weist, der geerdet ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang ein invertierender Eingang ist.
4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang ein invertierender Eingang und der zweite Eingang ein nicht-invertierender Eingang ist.
5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Eingang und Erde ein Widerstand (R) geschaltet ist.
6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Widerstände (R1 - R4) und Kondensatoren (C1 - C3) derart gewählt sind, daß die benötigte Zeit, in der die Spannung am Ausgang einen vorbestimmten Pegel erreicht, eine Exponentialfunktion einer dem ersten Eingang über die Widerstände zugeführten Spannung darstellt.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungskomparator (56) vorgesehen ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und dessen zweitem Eingang eine Bezugsspannung zugeführt wird.

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