NL9002279A

NL9002279A - Meetinrichting met normeringscircuit.

Info

Publication number: NL9002279A
Application number: NL9002279A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1992-05-18
Also published as: JPH04265818A; JP3123788B2; DE69109230D1; EP0481560B1; EP0481560A1; DE69109230T2; US5252864A

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Meetinrichting met normeringscircuit.

De uitvinding heeft betrekking op een meetinrichting bevattende ten minste twee omzeteenheden voor het opnemen van een ingangsgrootheid en het weergeven van een signaal, dat afhankelijk is van de ingangsgrootheid, en een normeringscircuit, dat de verhouding bepaalt van een lineaire combinatie van ingangsgrootheden tot de som van de ingangsgrootheden.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een normeringscircuit geschikt voor toepassing in een meetinrichting volgens de uitvinding.

Een dergelijke meetinrichting is bekend uit de publicatie "Optical position sensing using silicon photodetectors" van Bill Light in Lasers and Applications, April 1986, pagina's 75-79. Hierin worden enkele positiegevoelige detectoren beschreven, uitgevoerd als duo, quadrant en lateraal foto-effect (PSD) fotodiodes. Met behulp van dergelijke detectoren kan bijvoorbeeld de positie van een laserspot bepaald worden. De vereiste signalen voor de X en Y verplaatsing van de spot kunnen gevonden worden door de diodestromen op geschikte wijze op te tellen of af te trekken en vervolgens te normeren op de totale intensiteit. De in de publicatie beschreven detectoren beschikken hiertoe over twee of vier stroom-spanningsomzetters om de signalen eerst om te vormen naar het spanningsdomein, een aantal aftrek- en optelschakelingen en twee analoge delers. Nadelen hiervan zijn dat de procedure vrij omslachtig is en dat een aantal fouten geïntroduceerd wordt door de verschillende onderdelen.

De uitvinding heeft tot doel, een meetinrichting van de in de aanhef genoemde soort aan te geven, waarbij bovengenoemde bezwaren ondervangen worden.

De meetinrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de omzeteenheid voorziet in omzetmiddelen voor het omzetten van de ingangsgrootheden in met de logaritme van de ingangsgrootheden evenredige signalen en dat het normeringscircuit voorzien is van een met het aantal ingangsgrootheden overeenkomend aantal eerste identieke bipolaire transistoren met een basis, een emitter en een collector, waarbij een uitgangssignaal van de omzetmiddelen toegevoerd is aan de basis van een eerste transistor en de emitters van de eerste transistoren collectief verbonden zijn met een constante stroombron via een emitterknooppunt. Door bovengenoemde maatregel worden de diodestromen rechtstreeks omgezet in een logaritmische spanning en verder verwerkt met een normeringscircuit, waardoor de procedure aanzienlijk vereenvoudigd wordt en minder introductie van fouten toelaat.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de omzetmiddelen deel uitmaken van de opnemer. Indien de opnemers reeds een logaritmisch verband bezitten tussen de te meten grootheid en de uitgangsspanning, kan het normeringscircuit rechtstreeks op de opnemers worden aangesloten.

Een alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het weergegeven signaal van de opnemer lineair evenredig is met de opgenomen ingangsgrootheid, waarbij de omzetmiddelen een in de omzeteenheid opgenomen logaritme-omzetter omvatten. Op deze manier verkrijgen de aan het normeringscircuit toegevoerde signalen, die oorspronkelijk lineair evenredig zijn met de ingangsgrootheden, eveneens een logaritmisch verband met de corresponderende ingangsgrootheden.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van fotodiodes bevat, die zich samen met het normeringscircuit op eenzelfde substraat bevinden en waarvan de anodes op de basis van de eerste transistoren zijn aangesloten en de kathodes collectief verbonden zijn.

Een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van fotodiodes bevat, die zich samen met het normeringscircuit op eenzelfde substraat bevinden, van welke fotodiodes de kathodes collectief verbonden zijn met een spanningsbron en de anodes aangesloten zijn op de collector van tweede transistoren, waarvan de emitters collectief verbonden zijn met een punt met constante potentiaal, de basis enerzijds met de collector verbonden is en anderzijds doorgeschakeld is naar de basis van een eerste transistor.

Een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van sensorschakelingen bevat, die zich samen met de eerste transistoren op eenzelfde substraat bevinden en die aangesloten zijn op de basis van de eerste transistoren, waarvan de emitters collectief verbonden zijn met een constante stroombron en waarvan de collectoren met elkaar verbonden zijn via een reeks van weerstandselementen, welke reeks voorzien is van twee contactpunten. Bij de drie laatstgenoemde uitvoeringsvormen wordt de compactheid van de meetinrichting vergroot, wat een voordeel oplevert bij toepassingen, waar de onderdelen bij voorkeur minimale afmetingen hebben, zoals bijvoorbeeld in optical disc recording.

Een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de meetinrichting is uitgevoerd als een quadrant detector met vier fotodiodes en een daarvoor benodigd aantal transistoren.

Beide met een normeringscircuit geïntegreerde reeksen van fotodiodes kunnen uitgevoerd worden als een quadrant detector.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van een meetinrichting volgens de uitvinding; figuren 2a en 2b tonen twee uitvoeringsvoorbeelden van een logaritme-omzetter voor toepassing in een meetinrichting volgens de uitvinding; figuur 3 toont een derde uitvoeringsvoorbeeld van een logaritme-omzetter; figuur 4 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een variant op de in figuur 3 getekende logaritme-omzetter; figuur 5 toont schematisch een onderdeel van een meetinrichting, dat in een inrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast; figuur 6 is een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een met een normeringscircuit geïntegreerde reeks van fotodiodes; figuur 7 is een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een met een normeringscircuit geïntegreerde reeks van fotodiodes; en figuur 8 toont een verder uitvoeringsvoorbeeld van een meetinrichting volgens de uitvinding

De in figuur 1 schematisch voorgestelde meetinrichting 1 bevat een aantal omzeteenheden 2 voor het opnemen van ingangsgrootheden A^, een normeringscircuit 5 voor het normeren van deze ingangsgrootheden en een rekeneenheid 7. In zijn algemene vorm omvat het normeringscircuit 5 een ten minste met het aantal ingangsgrootheden corresponderend aantal eerste identieke bipolaire transistoren 9, met een basis 11, een emitter 13 en een collector 15, en een constante stroombron 17. Door ervoor te zorgen dat de uitgangssignalen van de omzeteenheden 2 evenredig zijn met de logaritme van de corresponderende ingangsgrootheden A^, wordt het normeren sterk vereenvoudigd. Hiertoe bevat elke omzeteenheid 2 een opnemer 3 en een logaritme-omzetter 4. In sommige gevallen is het mogelijk dat de uitgangssignalen van de opnemers 3 reeds evenredig zijn met de logaritme van de ingangsgrootheden A^.

In dat geval kunnen de in stippellijn getekende logaritme-omzetters 4 achterwege gelaten worden. Het uitgangssignaal van elke omzeteenheid 2 wordt dan toegevoerd aan de basis 11 van de corresponderende transistor 9, terwijl de emitters 13 van alle transistoren 9 collectief verbonden zijn met de constante stroombron 17 via een emitterknooppunt 19. De door een collector 15 geleverde uitgangsgrootheid 1^ kan vervolgens, voor eventuele verdere verwerking, aan de rekeneenheid 7 worden toegevoerd. Het logaritmisch verband tussen de ingangsgrootheden A^ en de uitgangssignalen van de omzeteenheden 2, bijvoorbeeld uitgangsspanningen kan als volgt geschreven worden = ν0.1η(ΑΑ) (1)

Hierin is VQ een nader te bepalen evenredigheidsconstante. Een willekeurige collectorstroom van een transistor 9 met basisemitterspanning Vj^i voldoet aan: li = I5.«pr(vbei)/Vt] = Is.exp[(vrve)/vt] (2)

Hierbij is Ig de sperstroom van elke transistor, Ve de spanning op het emitterknooppunt en Vt gelijk aan kT/q (~25mV bij kamertemperatuur). De basisstroom van de transistoren wordt verwaarloosbaar klein verondersteld. Ook geldt: η n

Ie = E = Is.exp[-Ve/Vt].( E exp[Vi/Vt]) (3) i=1 i=1

Indien nu geldt: V0 = vt (4) dan volgt met (1) en (3): n

Is.exp[-Ve/Vt] = Ie/( E Ai) (5) i=1

Gesubstitueerd in (2) levert dit:

De laatste uitdrukking geeft het gewenste verband tussen een ingangsgrootheid Ai en de bijbehorende uitgangsstroom Ii weer. Het is belangrijk dat aan relatie (4) voldaan wordt. Daartoe moet de temperatuursafhankelijkheid van Vt gecompenseerd worden. Dit kan bijvoorbeeld door de transistoren 9 van het normeringscircuit 5 en de logaritmische omzetter 4 op een constante temperatuur te houden. De logaritme van de som van de ingangsgrootheden kan eveneens uitgedrukt worden met behulp van de spanning Ve op het emitterknooppunt. Herschrijven van (5) levert:

of

De eerste term is een constante, mits de temperatuur constant is. Deze term is van de orde-grootte -0,6 V.

Het logaritmisch verband tussen de ingangsgrootheden en de uitgangssignalen van de omzeteenheden 2 kan met een aantal op zich bekende schakelingen bereikt worden. Een mogelijkheid is dat het verband tussen de te normeren ingangsgrootheden en de uitgangssignalen van de opnemers 3 lineair is. In dat geval wordt de omzeteenheid 2 gevormd door een opnemer 3 gevolgd door een logaritme-omzetter 4, zodat de signalen, die aan het normeringscircuit 5 worden toegevoerd evenredig zijn met de logaritme van de ingangsgrootheden.

Een eerste uitvoeringsvoorbeeld hiervan is een diode 18 of een als diode geschakelde transistor 20, zoals respektievelijk getoond wordt in figuren 2a en 2b. Het uitgangssignaal V wordt hier gegeven door

Een tweede uitvoeringsvoorbeeld is een operationele versterker 21 met een transistor 23 in de terugkoppelweg 25, zoals in figuur 3 getekend is. Een dergelijke schakeling wordt uitvoerig besproken in de publicatie "A circuit with logarithmic transfer response over 9 decades" van J.F. Gibbons en H.S. Horn in IEEE Transactions on Circuit Theory, pagina's 378-384, September 1964. De uitgangsspanning is hier negatief:

Een variant hierop, waarbij een positieve uitgangsspanning wordt gegenereerd, wordt getoond in figuur 4. De relatie tussen de ingangsstroom en de uitgangsspanning wordt opnieuw gegeven door:

De relatie tussen de ingangsstroom en de uitgangsspanning V wordt bij de hierbovengenoemde uitvoeringsvorm algemeen gegeven door:

Hierin is Ig de sperstroom van de diode of de transistoren en Vt = kT/q. Aan de relatie VQ = Vt is nu automatisch voldaan mits alle transistoren dezelfde temperatuur bezitten. λ

Een vierde uitvoeringsvoorbeeld bestaat uit logaritme-omzetters gebaseerd op het "successive detection" principe. Dit wordt uitvoerig beschreven in de publicatie "A true logarithmic amplifier for radar IF applications" van W.L. Barber en E.R. Brown in IEEE Journal

Solid State Circuits, Vol. SC-15, No. 3, pagina's 291-295, June 1980.

Een vijfde uitvoeringsvoorbeeld betreft logaritme-omzetters gebaseerd op de exponentiële relatie tussen tijd en de spanning over een condensator, die door een weerstand op- of ontladen wordt. Hiervan is een beschrijving te vinden in de publicatie "A simple low-frequency logarithmic converter using logarithmic pulse width modulation technique" van S.D. Marougi in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IM-34, No. 3, pagina's 473-475, September 1985.

Omzetters zoals in het vierde en vijfde uitvoeringsvoorbeeld leveren een uitgangsspanning, die in het algemeen versterkt of verzwakt moet worden om te kunnen voldoen aan de relatie

vo - V

Een andere mogelijkheid is dat de uitgangssignalen reeds evenredig zijn met de logaritme van de ingangsgrootheden, zodat het normeringscircuit 5 rechtstreeks op de omzetters kan worden aangesloten.

Een eerste uitvoeringsvoorbeeld hiervan is een fotodiode, waarbij het fotovoltage effect optreedt. De uitgangsgrootheid, een spanning, geeft de ingangsgrootheid, de lichtintensiteit, logaritmisch weer. Bij gelijke temperatuur van de fotodiodes en het normeringscircuit geldt

zodat aan de relatie VQ = Vt voldaan is.

Een ander uitvoeringsvoorbeeld, waarbij het verband tussen lichtintensiteit en uitgangsspanning logaritmisch is, is een fotodetector zoals beschreven in het octrooischrift US-A 4,473,836.

Een geheel andere klasse van opnemers zijn de ionenconcentratiemeters, bijvoorbeeld PH-meters. De uitgangsspanning is logaritmisch afhankelijk van de ionenconcentratie. Een uitvoeringsvoorbeeld hiervan is een waterstofionenconcentratiemeetin-richting 100 zoals afgebeeld in figuur 5. Deze meetinrichting 100 bestaat uit een bak 102, waarin een poreuze wand 104 is aangebracht. Links van de poreuze wand 104 bevindt zich een elektrolyt 106 met een bekende H+-ionenconcentratie CN. Rechts van de poreuze wand 104 bevindt zich een elektrolyt 108 met de te meten H+-ionenconcentratie C^. Door de poreuze wand 104 is geen H+-ionen uitwisseling. In beide elektrolyten 106, 108 bevindt zich een waterstofelektrode 110, 112. Deze elektroden 110, 112 kunnen bijvoorbeeld bestaan uit platina dat waterstof heeft geabsorbeerd. De spanning AVN tussen de elektrode 110 en het elektrolyt 106 voldoet aan de betrekking van Nernst:

Analoog geldt voor de spanning Δ νχ tussen de elektrode 112 en het elektrolyt 108:

Hierbij is Cx de te meten H+-ionenconcentratie, de bekende H+-ionenconcentratie en CK de grensconcentratie aan de elektrode 110, 112, zodat de spanning tussen de twee elektroden 110, 112 gegeven wordt door ·

Om de compactheid van de meetinrichting te verhogen, is het mogelijk een reeks van fotodiodes 27 samen met het normeringscircuit 5 op eenzelfde substraat aan te brengen. Figuur 6 toont hiervan een uitvoeringsvoorbeeld. De anodes 29 van de fotodiodes 27 zijn aangesloten op de basis 11 van de eerste transistoren 9, terwijl de kathodes 31 collectief verbonden zijn met een punt 35 met constante potentiaal. De emitters 13 zijn collectief verbonden met de constante stroombron 17 via het emitterknooppunt 19. Door nu uit de gemeenschappelijke emitteraansluiting van de transistoren 9 (knooppunt 19) een stroom IQ te onttrekken, geldt voor elke collectorstroom van de transistoren 9 dat deze evenredig is met het quotiënt van de fotostroom van de bijbehorende fotodiode 27 en de som van de fotostromen. De schaalfaktor is IQ. De normering kan met behulp van de externe schakeling ook inactief gemaakt worden door knooppunt 19 met een vaste spanning te verbinden (niet getekend). Indien deze spanning lager is dan de spanning op het punt 35, dan versterkt de transistor 9 de fotostroom. De prestaties van deze schakeling op het gebied van snelheid, dynamisch bereik en resolutie zijn ruim een orde beter dan de conventionele schakeling met analoge deler, zoals beschreven in de reeds genoemde publicatie van B. Light (dynamiek 1:1000, onnauwkeurigheid 0.05%, bandbreedte 150kHz).

Een ander uitvoeringsvoorbeeld van een met het normeringscircuit 5 geïntegreerde detector wordt getoond in figuur 7.

De kathodes 31 van de fotodiodes 27 zijn collectief verbonden met een spanningsbron 37, via een knooppunt 39, terwijl de anodes 29 zijn aangesloten op de collectoren 41 van tweede transistoren 43. De emitters 45 van deze transistoren 43 zijn collectief verbonden met een punt 47 met constante potentiaal. De basis 49 van elke transistor 43 is enerzijds verbonden met de collector 41 van dezelfde transistor 43 en anderzijds doorgeschakeld naar de basis 11 van de corresponderende eerste transistor 9. Verder zijn de emitters 13 van de eerste transistoren 9 collectief verbonden met de constante stroombron 17, via het emitterknooppunt 19. In dit voorbeeld bezitten de fotodiodes 27 een reverse biasspanning, zodat de uitgangsstroom lineair evenredig is met de lichtintensiteit (foto-amperage effect). De logaritme-omzetter 4 is hier van het type zoals getoond in figuur 2b. Deze detector is relatief eenvoudig te realiseren. Een van de mogelijkheden is een monolithische constructie, waarbij een compromis gevonden moet worden tussen de kwaliteit van de fotodiodes enerzijds en de kwaliteit van de transistoren anderzijds. Een andere mogelijkheid is een hybride constructie, bijvoorbeeld in dikke of dunne filmtechniek.

Beide laatstgenoemde circuits kunnen in principe met een willekeurig aantal fotodiodes in verschillende vormen opgebouwd worden, bijvoorbeeld duo, quadrant, circulair of array.

Duo en quadrant fotodiodes worden vaak gebruikt om de positie van een lichtspot die zich verdeelt over het oppervlak van diodes vast te stellen. Met behulp van de rekeneenheid 7 kunnen de vereiste signalen voor de X en Y verplaatsing van de spot gevonden worden door de diodestromen op geschikte wijze op te tellen of af te trekken. Deze i techniek wordt onder andere gebruikt in optical disc recording, bijvoorbeeld in CD/VLP spelers, en in afstands- en plaatsbepaling in de meettechniek. In veel gevallen is de intensiteitsafhankelijkheid van deze sensoren ongewenst waardoor een normering van de diodestromen moet plaats vinden.

Door het aantal collectoraansluitingen 51 van een transistorarray, zoals in figuur 6 en figuur 7, te reduceren tot twee, kan een dergelijke schakeling bijvoorbeeld gebruikt worden voor optische zwaartepuntsbepaling. Figuur 8 toont hiervan een uitvoeringsvoorbeeld.

De collectoren 15 zijn nu niet meer gescheiden, maar via weerstandselementen 53 met elkaar verbonden. Enkel de eindpunten 55, 57 van het transistorarray zijn gecontacteerd. De weerstandselementen 53 kunnen bijvoorbeeld bestaan uit een weerstandslaag, zoals in het uitvoeringsvoorbeeld. Het kunnen echter ook discrete weerstanden zijn. Als gevolg van de weerstandselementen 53 zijn de stromen IA en Ig naar de twee contacten 55, 57 verschillend. Zij representeren het zwaartepunt van de stroomverdeling I^In- De sensorschakelingen 59, die aangesloten zijn op de bases 11 van de eerste transistoren 9 en waarvan de input afkomstig is, kunnen bestaan uit een diode 27 zoals in figuur 6 of uit een diode 27 met transistor 43 zoals in figuur 7. Verder zijn de emitters 13 van de transistoren 9 collectief verbonden met een constante stroombron 17 met grootte IQ.

Claims

1. Meetinrichting bevattende ten minste twee omzeteenheden voor het opnemen van een ingangsgrootheid en het weergeven van een signaal, dat afhankelijk is van de ingangsgrootheid, en een normeringscircuit, dat de verhouding bepaalt van een lineaire combinatie van ingangsgrootheden tot de som van de ingangsgrootheden, met het kenmerk, dat de omzeteenheid voorziet in omzetmiddelen voor het omzetten van de ingangsgrootheden in met de logaritme van de ingangsgrootheden evenredige signalen en dat het normeringscircuit voorzien is van een met het aantal ingangsgrootheden overeenkomend aantal eerste identieke bipolaire transistoren met een basis, een emitter en een collector, waarbij een uitgangssignaal van de omzetmiddelen toegevoerd is aan de basis van een eerste transistor en de emitters van de eerste transistoren collectief verbonden zijn met een constante stroombron via een emitterknooppunt.

2. Meetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de omzetmiddelen deel uitmaken van de opnemer.

3. Meetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het weergegeven signaal van de opnemer lineair evenredig is met de opgenomen ingangsgrootheid, waarbij de omzetmiddelen een in de omzeteenheid opgenomen logaritme-omzetter omvatten.

4. Meetinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van fotodiodes bevat, die zich samen met het normeringscircuit op eenzelfde substraat bevinden en waarvan de anodes op de basis van de eerste transistoren zijn aangesloten en de kathodes collectief verbonden zijn.

5. Meetinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van fotodiodes bevat, die zich samen met het normeringscircuit op eenzelfde substraat bevinden, van welke fotodiodes de kathodes collectief verbonden zijn met een spanningsbron en de anodes aangesloten zijn op de collector van tweede transistoren, waarvan de emitters collectief verbonden zijn met een punt met constante potentiaal, de basis enerzijds met de collector verbonden is en anderzijds doorgeschakeld is naar de basis van een eerste transistor.

6. Meetinrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de meetinrichting een reeks van sensorschakelingen bevat, die zich samen met de eerste transistoren op eenzelfde substraat bevinden en die aangesloten zijn op de basis van de eerste transistoren, waarvan de emitters collectief verbonden zijn met een constante stroombron en waarvan de collectoren met elkaar verbonden zijn via een reeks van weerstandselementen, welke reeks voorzien is van twee contactpunten.

7. Meetinrichting volgens conclusie 4, 5 of 6 met het kenmerk, dat de meetinrichting is uitgevoerd als een quadrant detector met vier fotodiodes en een daarvoor benodigd aantal transistoren.

8. Normeringscircuit geschikt voor toepassing in een meetinrichting volgens één der voorgaande conclusies.