DE3140956C2

DE3140956C2 - Fotostromverstärker

Info

Publication number: DE3140956C2
Application number: DE19813140956
Authority: DE
Inventors: Stephan 7100 Heilbronn Dermitzakis; Kurt 7105 Leingarten Hintzmann
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3140956A1

Abstract

Ein Fotostromverstärker mit einem Fotoelement weist eine erste und eine zweite Stromspiegelschaltung auf, wobei das Fotoelement die beiden Stromspiegelschaltungen ansteuert. Die beiden Stromspiegelschaltungen sind derart miteinander verschaltet, daß die zweite Stromspiegelschaltung außer vom Fotoelement auch von der ersten Stromspiegelschaltung angesteuert wird.

Description

An moderne Fotostromverstärker werden verschiedene Anforderungen gestellt So soll beispielsweise bei Fotostromverstärkern ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen der einfallenden Beleuchtungsstärke und dem Ausgangsstrom des Fotoverstärkers bestehen. Außerdem soll ein Fotostromverstärker einen möglichst geringen Tempsraturgang 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

se 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 nachge-

schaltet. Diese bestehen vorzugsweise aus zwei Transistoren mit zusammengeschalteten Emittern und Basen. Als Fotoelement wird vorzugsweise eine in Sperrichtung betriebene Fotodiode verwendet. Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Die F i g. 1 zeigt die Gfundschaltung eines Fotostromverstärkers nach der Erfindung. Der Fotostromverstärker der F i g. 1 besteht aus zwei zusammengeschaltetcn, nicht gegengekoppelten Stromspiegeln. Der

b5 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

F i g. 1 eine Fotodiode 6, die so beschaltet ist, daß sie in Sperrichtung betrieben wird und als Stromquelle beide Stromspiegelschaltungen mit Strom versorgt. Die F i g. 2 dient zur Erläuterung der Schaltung der F i g. 1, und zwar sind bei der F i g. 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 · /o, wobei N = Ae3/Aei das Verhältnis der Emitterfläche Ae3 des dritten Transistors 3 zur Emitterflache Ae ι des ersten Transistors 1 ist Diese Beziehung gilt auch für sehr kleine Ströme (Ιο, Ia im nA-Bereich), und ist weitgehend unabhängig von der Temperatur und der Stromverstärkung B der einzelnen Transistoren, sobald die Stromverstärkung BsIO wird. Das gleiche gilt auch für den zweiten Stromspiegel der F i g. 2. Der zweite StroEispiegel ist allerdings für größere Ströme besser geeignet als der erste Stromspiegel. Mit der bipolaren Technologie sind ohne weiteres Emitterflächen-Verhältnisse N zwischen 2 und 10 realisierbar.

In der Grundschaltung der F i g. 1 sind die Pmitterflächen der Transistoren 1,2 und 3 im ersten Stromspiegel wie folgt gewählt:

N \ · Ae\

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:

Beim zweiten Stromspiegel wird in die gemeinsame Basis des vierten und fünften Transistors sowohl der Fotostrom I_p als auch der Ausgangsstrom (Ici) des ersten Stronr piegels eingespeist. Da der Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels Ia = N\ ■ I_p ist, wird in die gemeinsame Basis der Transistoren 4 und 5 des zweiten Stromspiegels der Gesamtstrom I_p + N 1 ■ I_p eingespeist Der Kollektorstrom des Transistors 5 und damit der Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegeis ergibt sich aus der Beziehung

/n= yV2-(l + ΛΠ)· l_p.

Wählt man z. B. N 1 ·- /V 2 = 6, so ist der Strom am Ausgang der Grundschaltung der F i g. 1

Bei dem Fotost/omverstärker 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_s der Crundschaltung zwischen 1,8 und 22 Volt gewählt wird, so wird die Sperrspannung an der Fotodiode sehr 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 Gtundschaltung der Fig. 1 ist a's 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 F i g. 3 gezeigt ist, so erhält man einen Zweipol.

Der Versorgungsstrom h der gesamten Schaltung ist nun gleichzeitig das zur Beleuchtungsstärke proportionale Ausgangssignal. Es ergibt sich aus der Beziehung

I₅= l_p.(N\

1).

Daraus folgt, daß bei I_p = 0, d. h. ohne Beleuchtung, auch der Versorgungsstrom U gleich Null wird. Im Dunkelzustand ist die Schaltung demnach praktisch verlustfrei. Als /_s fließt im Dunkelzustand lediglich ein vernachlässigbarer kleiner Strom, der sich aus der Summe der Sperrströme der Transistoren erg.»;. Diese Sperrströme sind jedoch bei Versorgungsspannungen unter 5 V insgesamt kleiner als 1 η A und damit vernachlässigbar. Die F i g. 4 zeigt die Grundschaltung in komplementärer Form. Während die Transistoren bei den Schaltungen dtr Fig. 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 F i g. 4 die Transistoren im ersten Stromspiegel (1, 2, 3) NPN-Transistoren und im zweiten Stromspiegel (4, 5) PN P-Transistoren.

Bei der Anordnung der F i g. 5 ist die Grundschaltung der F i g. 1 bis 4 um zwei Stromspiegel (7, 8 und 9, 10) erweitert Diese zusätzlichen Stromspiegel bringen eine weitere wesentliche Verstärkung. Mit einem Fotostromverstärker nach Fig.5 kann eine Gesamtverstärkung des Fotostromes erreicht werden, die zwischen 500 und 1000 liegt.

Der Fotostromverstärker nach der Erfindung hat verschiedene wesentliche Vorteile. So wird beispielsweise dfrch 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 Stromgegcnkopplung, 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 Beschalfing der Fotodiode auch der Fotostrom des Subtret-pn-Übergangs als Signalstrom ausgenutzt wird. Der pn-übergang zwischen p-Subtrat und η-Epitaxie wirkt bei Bestrahlung auch als eine Fotodiode und hat je nach Beschallung

bo einen störenden Einfluß auf das Verhalten der integrierten Oberflächen-Fotodiode.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fotcstromverstärker mil: einem Fotoelement, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste und zweite Stromspiegelschaltung aufweist, daß das Fotoelement die beiden Stnomspiegelschaltungen ansteuert und daß die beiden Stromspiegelschaltungen derart miteinander verschaltet sind, daß die zweite Stromspiegelschaltung außer vom Fotoelement auch von der ersten Stromspiegelschaltung angesteuert wird.

2. Fotostromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung zu den Transistoren 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 verbündten 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'.,ind.

6. Fotostromverstärke,· 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-Transi:5toren 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. Fotostromverstärker nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß noch weitere Stromspiegelschaltungen nachgeschallet sind, die jeweils aus zwei Transistoren bestehen, deren Emitter miteinander und deren Elasen miteinander verbunden sind und bei denen beim vorgeschalteten Transistor die Basis mit dem Kollektor verbunden

ti. 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 Emitterflächenverhältnis von Ausgangstransistor zu Eingangstransistor 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 vom zweiten Transistor zum ersten Transistor gewählt wird.