DE4228150A1 - Schaltungsanordnung mit einem Sensor - Google Patents

Description

Sensoren (Meßaufnehmer, Wandler) - beispielsweise Foto­ dioden, Druckwandler, Piezoelemente oder Dehnungsmeß­ streifen - werden in der Schaltungstechnik vielfältig zur Umwandlung einer Eingangsgröße in eine elektrische Ausgangsgröße eingesetzt. Jeder derartige Sensor be­ sitzt kapazitive und/oder induktive Blindkomponenten; diese müssen über den Innenwiderstand des Sensors um­ geladen werden und haben daher störende Auswirkungen auf die elektrischen Kenngrößen des Sensors, ins­ besondere auf dessen (Meß-)Geschwindigkeit.

Da die Blindkomponenten der Sensoren technologisch be­ dingt sind - beispielsweise die als Spule wirkenden Sensor-Anschlußdrähte oder die Sperrschichtkapazität einer Sensor-Fotodiode - können sie nur unwesentlich und mit großem Aufwand kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit verbes­ serten Eigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale und Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist für jede zwischen jeweils zwei Sen­ soranschlüssen auftretende Blindkomponente eine Hilfs­ schaltung vorgesehen, die diese beiden Sensoranschlüsse miteinander verbindet und die folgende Wirkungsweise hat: die beim Ansprechen des Sensors infolge eines Emp­ fangssignals auftretende Potentialänderung an einem Sensoranschluß wird durch die Hilfsschaltung augen­ blicklich auf den zweiten Sensoranschluß übertragen, d. h. das Potential am zweiten Sensoranschluß wird im dynamischen Betrieb an das geänderte Potential am er­ sten Sensoranschluß angepaßt bzw. dem Potential am er­ sten Sensoranschluß nachgeführt; demzufolge entsteht zwischen den beiden Sensoranschlüssen keine Potentialdifferenz bzw. Spannungsänderung, so daß der Sensor bei schnellen Signaländerungen keinen Änderungs­ strom für die Blindkomponenten bereitstellen muß, wo­ durch der Einfluß der Sensor-Blindkomponenten elek­ trisch unwirksam wird - bezüglich der Sensor-Kenngrößen treten keine störenden Effekte mehr auf, insbesondere wird die Meßgeschwindigkeit des Sensors nicht mehr durch die Blindkomponenten sondern allein durch die Ladungsträgerbeweglichkeit des Sensors bestimmt.

Als Schaltungsmittel der Hilfsschaltung ist vorzugs­ weise ein Leistungsverstärker mit sehr geringer Lauf­ zeit sowie ein Kondensator als dynamische Spannungs­ quelle vorgesehen. Über den Kondensator kann eine feste Potentialdifferenz für den dynamischen Betrieb zwischen den beiden Sensoranschlüssen eingestellt werden. Der Kondensator als dynamische Spannungsquelle muß nie­ derohmig und floatend sein, damit er den Strom für die Spannungskonstanthaltung über dem Sensor aufbringen kann. Der Leistungsverstärker - beispielsweise ein Transimpedanzverstärker oder ein Verstärkertransistor - muß einerseits sehr schnell sein, damit sich Poten­ tialänderungen an einem Sensoranschluß unmittelbar auf den zweiten Sensoranschluß auswirken und muß anderer­ seits eine Spannungsverstärkung ± 1 aufweisen, damit keine Schwingungen in der Schaltungsanordnung entstehen können.

Weiterhin soll die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben werden. Die Fig. 1 zeigt ein Prin­ zipschaltbild des Sensors mit Schaltungsmitteln zur Un­ wirksammachung der Blindkomponenten und die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Sensor-Schaltungsanordnung als Empfangsteil eines Optokopplers.

Der Sensor 1 gemäß der Fig. 1 ist zur Umwandlung einer Eingangsgröße in eine am (Meß-)Widerstand 5 zur wei­ teren Verarbeitung bereitgestellte elektrische Größe vorgesehen; der Sensor 1 besitzt die beiden Anschlüsse 6, 7 und die Blindkomponente 8, die beispielsweise die Sperrschichtkapazität C₁ eines PN-Übergangs ist. Um diese Blindkomponente 8 unwirksam zu machen und damit die Ansprechzeit des Sensors 1 bzw. dessen Meßgeschwin­ digkeit wesentlich zu erhöhen, ist zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7 eine Hilfsschaltung 2 mit einem Leistungsverstärker 3 und einem Kondensator C₂ als dy­ namischer Spannungsquelle 4 angeordnet; jede an einem Sensoranschluß 6 bzw. 7 auftretende Potentialänderung wird unmittelbar auf den anderen Sensoranschluß 7 bzw. 6 übertragen, so daß zwischen den beiden Sensoran­ schlüssen 6, 7 keine Potentialdifferenz entstehen kann. Die infolge eines Empfangssignals auftretende Span­ nungsänderung wirkt sich daher allein als Potentialver­ satz am Meßwiderstand 5 aus, jedoch nicht zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7; daher kann zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7 auch kein Änderungsstrom fließen, so daß die Blindkomponente 8 nicht vom Sensor 1 umgeladen werden muß und somit unwirksam gemacht wird.

Gemäß der Fig. 2 ist als Sensor 1 eine Fotodiode FD im Empfangsteil eines Optokopplers vorgesehen; bei dieser Fotodiode FD ist die Sperrschichtkapazität zwischen An­ ode und Kathode als Blindkomponente 4 wirksam. Als Verstärkerelement 3 ist ein schneller HF-Transistor T mit großer Stromverstärkung sowie ein Emitterwiderstand R₁ vorgesehen und als niederohmige Spannungsquelle 4 ein Kondensator C₂ im dynamischen Betrieb, dessen Kapa­ zitätswert groß gegenüber derjenigen der Blindkompo­ nente C₁ ist; über den Widerstand R₂ wird der Kathoden­ anschluß der Fotodiode FD von der Betriebsspannung U entkoppelt. Mit dieser Schaltungsanordnung konnte die Ansprechzeit des Optokopplers von 1 µs auf weniger als 10 ns, d. h. um mehr als den Faktor 100 reduziert wer­ den, so daß eine wesentlich erhöhte Daten­ übertragungsrate möglich wird.

Als weitere Anwendungsbeispiele der Schaltungsanordnung können schnelle Lichtmessungen (beispielsweise bei Fotoapparaten, Fotozellen oder CAMcordern), Blitzlicht- Farbtemperaturmessungen mit kurzer Verschlußzeit, sowie die Erzeugung von Laser-Lichtimpulsen und von Lichtim­ pulsen geringer Energie genannt werden.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung mit einem Sensor (1) zur Umwand­ lung einer Eingangsgröße in eine elektrische Ausgangs­ größe, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanord­ nung für jede zwischen jeweils zwei Sensoranschlüssen (6, 7) wirksame Blindkomponente (8) eine diese beiden Sensoranschlüsse (6, 7) verbindende Hilfsschaltung (2) aufweist, und daß die Schaltungsmittel der Hilfsschal­ tung (2) derart gewählt sind, daß der Einfluß der Blindkomponenten (8) im dynamischen Betrieb unwirksam wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schaltungsmittel der Hilfsschaltung (2) ein Leistungsverstärker (3) mit einer Spannungs­ verstärkung 1 und geringer Signallaufzeit vorgesehen ist, und daß der erste Sensoranschluß (7) mit dem Ein­ gang des Leistungsverstärkers (3) und der zweite Sen­ soranschluß (6) mit dem Ausgang des Leistungsverstär­ kers (3) derart verbunden ist, daß zwischen den beiden Sensoranschlüssen (6, 7) im dynamischen Betrieb keine Spannungsänderung auftritt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leistungsverstärker (3) ein Transim­ pedanzverstärker ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den dynamischen Be­ trieb die Hilfsschaltung (2) eine niederohmige, schwe­ bende Spannungsquelle (4) aufweist, deren erster An­ schluß mit dem Leistungsverstärker (3) und deren zwei­ ter Anschluß mit einem Sensoranschluß (6) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsquelle (4) ein Kondensator ist.

6. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als strahlungsempfindlichen Detektor mit einer Fotodiode (FD) als Sensor (1).

7. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 im Empfangsteil eines Optokopplers.