DE3140956A1

DE3140956A1 - "fotostromverstaerker"

Info

Publication number: DE3140956A1
Application number: DE19813140956
Authority: DE
Inventors: Stephan 7100 Heilbronn Dermitzakis; Kurt 7105 Leingarten Hintzmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1983-05-05
Also published as: DE3140956C2

Description

Fotostromverstärker
An moderne Fotostromverstärker werden verschiedene Anforderungen gestellt. So soll beispielsweise bei Fotostrom verstärkern ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen der einfallenden Beleuchtungsstärke und dem Ausgangsstrom des Fotoverstärkers bestehen. Außerdem.soll ein Fotostromverstärker einen möglichst geringen Temperaturgang aufweisen. Fotostromverstärker sollen außerdem zusammen mit dem Fotoelement integrierbar sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fotostromverstärker anzugeben, der die oben angegebenen Bedingungen besser erfüllt als bekannte Fotostromverstärker. Diese Aufgabe wird bei einem Fotostromverstärker mit einem Fotoelement nach der Erfindung dadurch gelöst, daß er eine erste und eine zweite Stromspiegelschaltung aufweist, daß das Fotoelement die beiden Stromspiegelschaltungen ansteuert und daß die beiden Stromspiegelschaltungen derart miteinander verschaltet sind, daß die zweite Stromspiegelschaltung außer vom Fotoelement auch von der zweiten Stromspiegelschaltung angesteuert wird. Die Stromspiegelschaltungen dienen zur Verstärkung des Fotostromes.
Die Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung sind zu den Transistoren der zweiten Stromspiegelschaltung vorzugsweise komplementär. Die erste Stromspiegelschaltung weist vorzugsweise drei Transistoren auf, wobei die Emitter des ersten und dritten Transistors miteinander verbunden sind.
Die zweite Stromspiegelschaltung weist dagegen vorzugsweise zwei Transistoren auf, deren Basen miteinander und deren Emitter miteinander verbunden sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind den beiden Stromspiegelschaltungen noch weitere Stromspiegelschaltungen zur weiteren Verstärkung nachgeschaltet. Diese bestehen vorzugsweise aus zwei Transistoren mit zusammmengeschalteten Emittern und Basen. Als Fotoelement wird vorzugsweise eine in Sperrichtung betriebene Fotodiode verwendet.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Figur 1 zeigt die Grundschaltung eines Fotostromverstärkers nach der Erfindung. Der Fotostromverstärker der Figur 1 besteht aus zwei zusammengeschalteten, nicht gegengekoppelten Stromspiegeln. Der erste Stromspiegel besteht aus den PNP-Transistoren 1, 2 und 3, während der zweite Stromspiegel aus den NPN-Transistoren 4 und 5 besteht.
Das Fotoelement ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine Fotodiode 6, die so beschaltet ist, daß sie in Sperrichtung betrieben wird und als Stromquelle beide Stromspiegelschaltungen mit Strom versorgt. Die Figur 2 dient zur Erläuterung der Schaltung der Figur 1, und zwar sind bei der Figur 2 die beiden Stromspiegel auseinander gezogen und voneinander getrennt, um die Funktionsweise besser erklären zu können.
Der Kollektorstrom des dritten Transistors (3) des ersten Stromspiegels errechnet sich aus der Beziehung IC3 = N.Io t wobei N = AE3/AE1 das Verhältnis der Emitterfläche AE3 des dritten Transistors 3 zur Emitterfläche-AEl des ersten Transistors 1 ist. Diese Beziehung gilt auch für sehr kleine Ströme (Io, IC3 im nA-Bereich), und ist weitgehend unabhängig von der Temperatur und der Stromverstärkung B der einzelnen Transistoren, sobald die Stromverstärkung B = 10 wird. Das gleiche gilt auch für den zweiten Stromspiegel der Figur 2. Der zweite Stromspiegel ist allerdings für größere Ströme funktionsfähiger als der erste Stromspiegel. Mit der bipolaren Technologie sind ohne weiteres Emitterflächen-Verhältnisse N zwischen 2 und 10 realisierbar.
In der Grundschaltung der Figur 1 sind die Emitterflächen der Transistoren 1, 2 und 3 im ersten Stromspiegel wie folgt gewählt: AE3 = AEl und AE2 = Nl. AEl Dabei ist N1 das Verhältnis von Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels zu seinem Eingangsstrom, der gleich dem vom Fotoelement gelieferten Fotostrom ist.
Entsprechend wird für die Transistoren 4 und 5 des zweiten Stromspiegels folgende Emitterflächenbeziehung gewählt: AE5 = N2-AE4 Beim zweiten Stromspiegel wird in die gemeinsame Basis des vierten und fünften Transistors sowohl der Fotostrom 1 p als auch der Ausgangsstrom (IC3) des ersten Stromspiegels eingespeist. Da der Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels IC3 = Nl.Ip ist, wird in die gemeinsame Basis der Tranp sistoren 4 und 5 des zweiten Stromspiegels der Gesamtstrom 1 + Nl.I eingespeist. Der Kollektorstrom des p p Transistors 5 und damit der Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegels ergibt sich aus der Beziehung C5 ~ N2.(1 + N1).I Wählt man z. B. N1 = N2 = 6, so ist der Strom am Ausgang der Grundschaltung der Figur 1 1c5 = 42.I Bei dem Fotostromverstärker nach der Erfindung erhält man also eine Stromverstärkung, welche allein durch die Verhältnisse der Emitterflächen der Transistoren bestimmt wird und weitgehend von der Stromverstärkung B der einzelnen Transistoren unabhängig ist.
Wenn die Versorgungsspannung U der Grundschaltung zwischen 5 1,8 und 2,2 Volt gewählt wird, so wird die Sperrspannung an der FotoG;a4 gehr klein (unter 500 mV). Die richtige Wahl der Versorgungsspannung ist wichtig für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Fotostromes, da der stark temperaturabhängige Dunkelstrom der Fotodiode, welcher als Fehlerstrom zu dem Fotostrom stets summiert wird, spannungsabhängig ist, jedoch bei Sperrspannungen unter 500 mV verschwindend klein wird.
Die Grundschaltung der Figur 1 ist als Dreipol zu betrachten.
Dabei kann der Kollektor des Transistors 5 (Ausgang) an eine zweite Versorgungsspannung getrennt von +Us angeschlossen werden. Verbindet man jedoch den Kollektor des Transistors 5 mit dem Pluspol der Schaltung, wie er in der Figur 3 gezeigt ist, so erhält man einen Zweipol.
Der Versorgungsstrom Is der gesamten Schaltung ist nun gleichzeitig das zur Beleuchtungsstärke proportionale Ausgangssignal. Es ergibt sich aus der Beziehung Is 1 .(Nl + 1).(N2 + 1).
p Daraus folgt, daß bei 1 = o, d. h. ohne Beleuchtung, auch p der Versorgungsstrom Is gleich Null wird. Im Dunkel zustand ist die Schaltung demnach praktisch verlustfrei. Als Is fließt im Dunkelzustand lediglich ein vernachlässigbarer kleiner Strom, der sich aus der Summe der Sperrströme der Transistgen ergibt.
Diese Sperrströme sind jedoch bei Versorgungsspannungen unter 5 V insgesamt kleiner als 1 nA und damit vernachlässigbar.
Die Figur 4 zeigt die Grundschaltung in komplementärer Form.
Während die Transistoren bei den Schaltungen der Figuren 1 bis 3 im ersten Stromspiegel (1,2,3) PNP-Transistoren und im zweiten Stromspiegel (4,5)NPN-Transistoren sind, sind bei der Anordnung der Figur 4 die Transistoren im ersten Stromspiegel (1,2,3) NPN-Transistoren und im zweiten Stromspiegel (4,5) PNP-Transistoren.
Bei der Anordnuny der Figur 5 ist die Grundschaltung der Figuren 1 bis 4 um zwei Stromspiegel (7,8 und 9,10) erweitert.
Diese zusätzlichen Stromspiegel bringen eine weitere wesentliche Verstärkung. Mit einem Fotostromverstärker nach Figur 5 kann eine Gesamtversärkung des Fotostromes erreicht werden, die zwischen 500 und 1000 liegt.
Der Fotostromverstärker nach der Erfindung hat verschiedene wesentliche Vorteile. So wird beispielsweise durch die-Erfindung ein großer Empfindlichkeits- und Linearitätsbereich erzielt, und zwar ohne externen Abgleich oder externe zusätzliche Bauelemente. Der Fotostromverstärker nach der Erfindung kann sowohl als Zweipol als auch als Dreipol eingesetzt werden. Der Stromverbrauch ist abhängig von der einfallenden Beleuchtung. Im Dunkeln ist der Stromverbrauch praktisch Null. Dies ist ein wesentlicher Vorteil bei Batteriebetrieb. Die Schaltung nach der Erfindung ist einfach in ihrem Aufbau und erfordert beispielsweise keine negative Stromgegenkopplung, welche die Stabilität der Schaltung bezüglich Selbstschwingen gefährden würde.
Wird die Anordnung nach der Erfindung in monolithisch integrierter Form ausgeführt, so hat sie den zusätzlichen Vorteil, daß durch die-Beschaltung der Fotodiode auch der Fotostrom des Subtrat-pn-Übergangs als Signal strom ausgenutzt wird. Der pn-Übergang zwischen p-Subtrat und n-Epitaxie wirkt bei Bestrahlung auch als eine Fotodiode und hat je nach Beschaltung einen störenden Einfluß auf das Verhalten der integrierten Oberflächen-Fotodiode.

Claims

patentansprüche 1 Fotast erst«;rker mit einem Fotoelement' ddurch- gekennzeichnet, daß er eine erste und eine zweite Stromspiegelschaltung aufweist, daß das Fotoelement die beiden Stromspiegelschaltungen ansteuert und daß die beiden Stromspiegelschaltungen derart miteinander verschaltet sind, daß die zweite Strornspiegelschaltung außer vom Fotoelement auch von der ersten Stromspiegelschaltung angesteuert wird 2) Fotostromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung zu dentTransistoren der zweiten Stromspiegelschaltung komplementär sind.

3) Fotostromverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromspiegelschaltung drei Transistoren aufweist und daß die Emitter des ersten und dritten Transistors miteinander verbunden sind.

4) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von PNP-Transistoren in der ersten Stromspiegelschaltung die Basen des ersten und dritten Transistors mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden sind.

5)- Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von NPN-Transistoren in der ersten Stromspiegelschaltung die Emitter des ersten und dritten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden sind.

6) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromspiegelschaltung zwei Transistoren als vierten und fünften Transistor aufweist und daß die Basen dieser beiden Transistoren miteinander und die Emitter dieser beiden Transistoren miteinander verbunden sind.

7) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von PNP-Transistoren in der zweiten Stromspiegelschaltung die Basis des vierten Transistors mit dem Kollektor des vierten Transistors verbunden ist.

8) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von PNP-Transistoren in der ersten Stromspiegelschaltung und NPN-Transistoren in der zweiten Stromspiegelschaltung der Kollektor des zweiten Transistors mit den Emittern des vierten und fünften Transistors verbunden ist.

9) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von NPN-Transistoren in der ersten Stromspiegelschaltung und PNP-Transistoren in der zweiten Stromspiegelschaltung der Emitter des zweiten Transistors mit den Basen des vierten und fünften Transistors verbunden ist.

10) Fotostromve;rstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß noch weitere Stromspiegelschaltungen nachgeschaltet sind, die jeweils aus zwei Transistoren bestehen, deren Emitter miteinander und deren Basen miteinander verbunden sind und bei denen beim vorgeschalteten Transistor die Basis mit dem Kollektor verbunden ist.

11) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Fotoelement eine Fotodiode vorgesehen ist, die in Sperrichtung betrieben wird.

12) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren die Verstärkung durch das EmatteEf henverhältnis von Ausyangstransistor zu Einyangstransistor gewählt wird.

13) Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Stromspiegelschaltung mit drei Transistoren die Verstärkung durch das Emitterflächenverhältnis von zweiten Transistor zu ersten Transistor gewählt wird.