DE3048647C2

DE3048647C2 - Licht-Frequenz-Wandler

Info

Publication number: DE3048647C2
Application number: DE3048647A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Hachioji Tokio/Tokyo Mizokami
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1979-12-25
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1985-04-18
Also published as: JPS5690226A; DE3048647A1; JPS6136606B2; US4394570A

Description

Die Erfindung betrifft einen Licht-Frequenz-Wandler gemäß Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein Licht-Frequenz-Wandler dieser Art, wie er beispielsweise in Kameras benutzt wini, ist bekannt (DE-OS 24 50 615). Der hierbei verwendete astabile Multivibrator ist aus zwei bipolaren Transistoren aufgebaut und benutzt zwei gesonderte Ladekondensatoren. Dieser bekannte Wandler besitzt daher einen relativ großen Stromverbrauch. Außerdem ist er nicht sehr empfindlich; sehr schwache Fotodiode,* ytröme gewährleisten kein einwandfreies Schalten der verwendeten ein Paar entgegengesetzt gepolte, in Reihe geschaltete Silizium-Fotodioden 30 und 40. einen Kondensator 60, der abhängig von einem Fotostrom aus den Fotodioden 30 und 40 auf- und entladbar ist, und einen Schutzwiderstand 50.

Der erste CMOS-Inverter 10 enthäli eine Kombination aus einem PMOS-Transistor 11 und einem N MOS-Transistor 12, der zweite CMOS-Inverter 20 eine Kombination aus einem PMOS-Transistor 21 und ^inem N MOS-Transistor 22. Die Tore der Transistoren 11 und 12 sind miteinander verbunden und an eine Eingangsklemme 13 angeschlossen. In ähnlicher Weise sind die Tore der Transistoren 21 und 22 miteinander verbunden und an eine andere Eingangsklemme 23 angeschlossen. Dis Senken der Transistoren 11 und 12 sind untereinander und mit einer Ausgangsklemme 14 verbunden, wogegen die Senken der Transistoren 21 und 22 ebenfalls untereinander und mit einer Ausgangsklemme 24 verbunden sind. Die Quellen der Transistoren 11 und 21 sind an zugehöngen Klemmen 15 und 25 angeschlossen, die mit einer Stromquelle (Versorgungsspannung VQ verbunden sind, wogegen die Quellen der Transistoren 12 und 22 mit zugehöngen Klemmen 16 und 26 verbunden sind, welche an Masse angeschlossen sind.

Die Ausgangsklemme 14 des ersten CMOS-lnverters 10 ist sowohl mit der Eingangsklemme 23 des zweiten Inverters 20 als auch mix der Anode der Silizium-Fotodiode 30 verbunden. Die Ausgangsklemme 24 des zweiten CMOS-Inverters 20 ist sowohl an ein Ende des Kondensators 60 angeschlossen als auch mit einer Ausgangsklemme 70 des- fotoelektrischen Umwandlungsschaltung verbunden. Das andere Ende des Kondensators 60 ist sowohl mit der Anode der Silizium-Fotodiode 40 verbunden als auch an ein Ende des Schutzwiderstan-

Schaltkreise und dann auch nicht mei die gewünschte 35 des 50 angeschlossen, dessen anderes Ende mit der EinProportionalität der Frequenz zur einfallenden Licht- gangsklemme 13 des ersten Inverters 10 verbunden ist.

Die Arbeitsweise der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung wird anhand Fi g. 2 beschrieben. Wenn Licht auf die Silizium-Fotodioden 30 und 40 auffällt, fließt in

menge.

Es ist Aulgabe der Erfindung, einen Licht-Frequenz-Wandler dieser Art bezüglich Stromverbrauch und

Empfindlichkeit zu verbessern und außerdem bezüglich 40 den Fotodioden 30 und 40 von ihrer Kachode zu ihrer seines Aufbaus zu vereinfachen. Anode ein Fotostrom, dessen Größe vcn der Lichtmen-

fließt kein

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Licht-Frequenz-Wandler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Durch den Aufbau des Multivibrators in an sich bekannter C-MOS-Halbleitertechnik wird der Stromverbrauch des Wandlers insgesamt extrem gering. Die Eingangsimpedanz des Multivibrators ist außerdem sehr groß, und es ist damit gewährleistet, daß stets der gesamte Fotostrom im nachgeschalteten einzigen Kondensator zu dessen Aufladung ausgenutzt wird, auch wenn dieser Fotostrom sehr schwach ist. Damit werden auch sehr geringe Lichtmengen immer exakt ausgewertet. Ein erfindungsgemäßer Wandler ist außerdem im ge abhängig ist. Selbstverständlich fließt kein Fotostrom, wenn kein Licht einfällt. Folglich befindet sich die in F i g. I dargestellte fotoelektrische Umwandlungsschaltung bei fehlendem Lichteinfall an den Fotodioden 30 und 40 in einem Ruhezustand, als der ein Zustand angenommen werden kann, in dem der Transistor 11 gesperrt, der Transistor 12 dagegen leitend gemacht ist. Das sich ergebende Amgangssignal des ersten Inverters 10 steuert den Transistor 21 ein und den Transistor 22 aus. Es kann auch angenommen werden, daß zu diesem Zeitpunkt der Kondensator 60 auf die halbe Versorgungsspannung VC, also VC/2 aufgeladen ist. Aufgrund der Spannung des geladenen Kondensators 60 wird der

Aufbau sehr einfach und damit störunempfindlich und 55 Eingangsklemme 13 des ersten Inverters 10 eine Spaneignet sich insbesondere zum Einbau in Kameras, nung 3 VC/2 zugeführt, wodurch die Transistoren 11

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati- und 12 gesperrt bzw. leitend bleiben. In F i g. 2 sind eine

scher Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen nä- Ausgangsspannung VO an der Ausgangsklemme 70 und

her erläutert. eine Spannung VA grafisch dargestellt, die an der Ver-

F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines ersten Aus- 60 bindungssteile des anderen Endes des Kondensators 60

führungsbeispiels; und der Silizium-Fotodiode 40 anliegt.

F i g. 2 zeigt den Zusammenhang der dabei auftretenden Spannungen;

F i g. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Die in F i g. I dargestellte fotoelektrische Umwandlungsschaltung enthält einen Halbleiter-Schaltkreis, der von zwei CMOS-Invertern 10 und 20 gebildet ist, ferner Gemäß F i g. 2 nehmen unter den vorstehend genannten Bedingungen die Spannungen VO und VA in den Punkten A und B Werte von VC bzw. 3 VC/2 an. Anders ausgedrückt, da der Transistor 21 leitend ist, wird die Versorgungsspannung VCdurch ihn hindurch weitergeleitet und tritt direkt an der Ausgangsklemme 70 als Ausgangsspannung VO auf. Die Spannung VC/2 des

Kondensators 60 wird der durch den leitenden Transistor 21 hindurchgeleiteten Versorgungsspannung VC überlagert, und folglich nimmt die Spannung VA, wie in F i g. 2 im Punkt B angegeben, den Wert 3 VC/2 an.

Die fotoelektrische Umwandlungsschaltung bleibt zu diesem Zeitpunkt außer Betrieb. Sobald die Lichtmessung ausgelöst wird und Licht auf die Fotodioden 30 und 40 auffällt, erzeugen letztere einen der von ihnen empfangenen Lichtmenge entsprechenden Fotostrom /,dessen Weg in F i g. 1 mit einer durchgezogenen Linie /30 dargestellt ist -und über den Transistor 21, den Kondensator 60, die Fotodioden 40 und 30 und den Transistor 12 führt. Aufgrund des Fließens dieses Fotostroms /30 beginnt der Kondensator 60, sich zu entladen, wodurch, wie in Fig.2 durch eine geneigte Linie K angegeben, die Spannung V-4 abzunehmen beginnt. Wenn die Spannung VA abzunehmen beginnt und die Schwellenspannung des Inverters 10 erreicht, die beispielsweise mit VO2 angenommen werden kann, wird im ersten inverter 10 der Transistor 11 leitend gemacht, wogegen der Transistor 12 gesperrt wird.

Folglich wird durch das Ausgangssignal des ersten Inverters 10 im zweiten inverter 20 der Transistor 2i gesperrt und der Transistor 22 leitend gem-adit. Dementsprechend geht die Ausgangsspannung VO auf Null zurück, und die Spannung VA nimmt, wie in F i g. 2 im Punkt D angegeben, einen Wert — VO2 an. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird der Fotostrom der Silizium-Fotodiode 40 wirksam und fließt entlang einem in Fig. 1 mit gestrichelten Linien /40 gezeichneten Weg, der über den Transistor 11, die Fotodioden 30 und 40, den Kondensator 60 und den Transistor 22 führt Somit wird der Kondensator 60 aufgeladen. Der Aufladevorgang ist in F i g. 2 mit einer weiteren geneigten Linie E angegeben. Wenn der Kondensator 60 so weit aufgeladen ist, daß die Spannung VA einen Wert VC/2 annimmt, wird im Inverter 10 der Transistor 11 gesperrt, wogegen der Transistor 12 leitend gemacht wird, und im zweiten Inverter 20 wird der Transistor 21 leitend gemacht und der Transistor 22 gesperrt. Der zu diesem Zeitpunkt erreichte Zustand ist in F i g. 2 durch die Punkte F und G angegeben. Somit hat die Ausgangsspannung VO den gleichen Wert wie die Versorgungsspannung VC. Abhängig vom Fotostrom aus den Fotodioden 30 und 40 wiederholt danach der Kondensator 60 die Auf- und Entladevorgänge, so daß, wie in F i g. 2 grafisch dargestellt, ein Schwingen zustande kommt.

Die Frequenz oder die Periode dieser Schwingung wird im Verhältnis zur Größe des von den Fotodioden 30 und 40 erzeugten Fotostroms bestimmt. Wenn der Fotostrom /30 aus der Fotodiode 30 einen erhöhten Wert hat, ändert sich die mit der schrägen Linie K angegebene Ansprechcharakteristik der Schaltung und wird steiler, wie mit den gestrichelten Linien /angegeben, mit der Folge, daß die Schwingungsfrequenz ansteigt, wogegen die Schwingungsperiode kleiner wird. Umgekehrt, bei verringerter Größe des Fotostroms /30, ändert sich die Ansprechcharakteristik der Schaltung von der schrägen Linie K in ein flacheres Übergangsverhalten, wie es mit den gestrichelten Linien /-/dargestellt ist. bo Dies führt zu einer niedrigen Schwingungsfrequenz und einer größeren Schwingungsperiode.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die fotoelektrische Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1 eine Schwingungsfrequenz oder eine Schwingungsperiode b5 besiizt, die sich entsprechend der an den Fotodioden 30 und 40 auftreffenden Lichtmenge ändert. Folglich läßt sich durch die Bestimmung der ■Schwingungsfrcqucnz oder der Schwingungsperiode die Lichtmenge bestimmen, die an den Fotodioden 30 und 40 auffällt Die fotoelektrische Umwandlungsschaltung läßt sich beispielsweise in einer Lichtmeßschaltung einer fotografischen Kamera verwenden, wobei die Schwingungsfrequenz durch einen digitalen Zähler gezählt wird. Auf diese Weise kann das Lichtsignal bequem in ein digitales Signal umgewandelt werden.

Fig.3 zeigt eine andere fotoelektrische Umwandlungsschaltung, die insofern eine Weiterbildung der Umwandlungsschaltung gemäß F i g. 1 ist, als der Ort der Fotodioden 30 und 40 vertauscht ist Auch hier sind die Fotodioden 30 und 40 in Reihe geschaltet und wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entgegengesetzt gepolt In sonstiger Hinsicht ist die Schaltungsanordnung gleich mit der in F i g. 1 dargestellten.

In Anbetracht der Schwingungsfrequenz der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung ergibt sich aus Fig. 1, daß die Periode 7*1 folgendermaßen bestimmt werden kann:

Tl = Cx VC//30.

Die in F i g. 2 dargestellte Periode T2 wird folgendermaßen ausgdrückt:

TZ= Cx VC// 40.

Da die Frequenz /"der Reziprokwert der kombinierten Periode ist, ergibt sich:

/= M(TX + T2)
= /30 χ /40/CC χ VC(130 + /40)).

Unter der Annahme, daß beide Fotodioden 30 und 40 gleiches Ansprechverhalten besitzen, erzeugen sie einen gleichen Fotostrom /, so daß die Frequenz folgendermaßen umgeschrieben werden kann:

f = 11(2 χ Cx VC).

Die Frequenz /"ist also nur von der Größe des Fotostroms, der Kapazität C des Kondensators 60 und der Versorgungsspannung VC, nicht aber von anderen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur, abhängig. Somit ist das Ansprechverhalten der fotoeiektrischen Umwandlungsschaltung temperaturunabhängig, wodurch eine Temperaturausgleichsschaltung entbehrlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Licht-Frequenz-Wandler mit zwei in Reihe geschalteten entgegengesetzt gepolten Fotodioden, die mit einer astabilen Multivibratorschaltung so zusammengeschaltet sind, daß an deren Ausgang ein Signal erzeugt wird, dessen Frequenz proportional der auf die Fotodioden auffallenden Lichtmenge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Multivibratorschaltung aus zwei in Kaskade geschalteten C-MOS-Halbleiterschalterkreisen (10, 20) besteht, deren Ausgang (24) Ober einen Kondensator (60) mit deren Eingang (13) verbunden ist, und daß die Reihenschaltung der Fotodioden (30,40) zwischen dem is nicht mit dem Kaskaden-Ausgang (24) verbundenen Anschluß des Kondensators (60) und dem Verbindungspunkt (14,23) der in Kaskade geschalteten C-MOS-Halbleiterschaltkreise (10.20) geschaltet ist