DE102013022378B3

DE102013022378B3 - Vorrichtung zum Betreiben passiver Infrarotsensoren

Info

Publication number: DE102013022378B3
Application number: DE102013022378.4A
Authority: DE
Inventors: Artur Suntken
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2033-09-06

Abstract

Vorrichtung zum Betreiben eines passiven Infrarot-Detektors (PIR), – wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) ein Zweipol ist – und wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) im Ersatzschaltbild durch eine Stromquelle symbolisiert werden kann, • die einen Strom (IPIR) abhängig von der Änderung der Bestrahlung liefert und • der eine Kapazität (CPIR) parallel geschaltet ist, und – wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) mit zwei elektrischen Anschlüssen, einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, versehen ist und – wobei die Vorrichtung mit einer Differenzstufe • mit einem ersten Eingangstransistor (T1) der Differenzstufe und • mit einem zweiten Eingangstransistor (T2) der Differenzstufe versehen ist und – wobei der erste elektrische Anschluss des besagten passiven Infrarot-Detektors (PIR) mit dem Steuereingang des zugeordneten ersten Eingangstransistors (T1) der Differenzstufe der Vorrichtung verbunden ist, und – wobei der zweite elektrische Anschluss des besagten passiven Infrarot-Detektors (PIR) mit dem Steuereingang des zugeordneten zweiten Eingangstransistors (T2) der Differenzstufe der Vorrichtung verbunden ist, und – wobei ein Kontakt des ersten Eingangstransistors (T1) der Differenzstufe der Vorrichtung mit dem ersten Stromteilerausgang (Ia1) eines steuerbaren Stromteilers (MUX, RM1 bis RMn) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei ein Kontakt des zweiten Eingangstransistors (T2) der Differenzstufe der Vorrichtung mit dem zweiten Stromteilerausgang (Ia2) des steuerbaren Stromteilers (MUX, RM1 bis RMn) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei der besagte Stromteiler (MUX, RM1 bis RMn) der Vorrichtung den Strom einer Referenzstromquelle (Iref) der Vorrichtung in Abhängigkeit von einem Steuereingang (Val) auf den ersten Stromteilerausgang (Ia1) und den zweiten Stromteilerausgang (Ia2) aufteilt und – wobei der andere Kontakt des ersten Eingangstransistors (T1) der Differenzstufe der Vorrichtung mit einem integrierenden Filter (C1, R1) der Vorrichtung und/oder einem ersten Anschluss einer ersten Kapazität (C1) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei der andere Kontakt des zweiten Eingangstransistors (T2) der Differenzstufe der Vorrichtung mit einem integrierenden Filter (C2, R2) der Vorrichtung und/oder einem ersten Anschluss einer zweiten Kapazität (C2) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei die Ausgangswerte dieser vorgenannten integrierenden Filter ([C1, R1], [C2, R2]) und/oder Kapazitäten (C1, C2) durch mindestens einen Komparator (CP) der Vorrichtung miteinander verglichen werden und – wobei das Komparatorausgangssignal (CPO) dieses Komparators (CP) der Vorrichtung mindestens ein ...

Description

Einleitung
Für Messung von infraroter Strahlung sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein wesentliches Sensorprinzip ist die Verwendung von passiven Infrarot-Detektoren (PIR-Detektoren).
Diese zeichnen sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus.
Solche PIR-Detektoren sind Zweipole und können im Ersatzschaltbild durch eine Stromquelle symbolisiert werden, die einen Strom I_PIR abhängig von der Änderung der Bestrahlung und damit der Temperatur liefert und der eine Kapazität C_PIR parallel geschaltet ist. (Siehe auch 1.)
Bei der Auswertung des Signals eines PIR-Sensors treten nun verschiedene Probleme auf:
Zum einen kommt es zu einer Verschiebung des Arbeitspunkts des PIR-Detektors durch eine Selbstaufladung. Zum anderen liefert die Stromquelle I_PIR in der Regel nur einen sehr geringen Strom bei einem relativ hohen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand R_PIR ist in 1 eingezeichnet. Diese Randbedingungen resultieren in der Forderung nach einem großen Dynamikbereich und einem sehr hohen Innenwiderstand für die nachfolgende Verstärker- und Analog-zu-Digital-Wandler-Schaltung (Auswerteschaltung).
Durch den hohen Innenwiderstand einer optimalen Auswerteschaltung, können einmal generierte Ladungen jedoch nicht mehr abfließen. Dies kann dazu führen, dass die Schaltung den Arbeitsbereich der Auswerteschaltung verlässt, da diese übersteuert wird.
Aus dem Stand der Technik ist die US 2013/0 082 179 A1 bekannt. Bei dieser Schrift wird in vorgegebenen Zeitabstanden der Integrationskondensator (Bezugszeichen C1 der US 2013/0 082 179 A1) durch Kurzschließen mittels eines Schalters (Bezugszeichen 33 der US 2013/0 082 179 A1) entladen. Der Arbeitspunkt des Eingangsdifferenzverstärkers (Bezugszeichen 31 der US 2013/0 082 179 A1) ist hierdurch nicht stabil, sondern schwankt sägezahnförmig in undefinierter Weise, da die Amplitude dieser Sägezahnspannung von dem jeweiligen pyroelektrischen Element abhängt.
Aus der US 2004/0 092 236 A1 ist ein Differenzverstärker als Ausgangsverstärker für eine HF-Sendeeinrichtung bekannt, der eine einstellbare symmetrische Stromgegenkopplung aufweist (7 der US 2004/0 092 236 A1). Diese versagt aber, wenn beide Eingänge des Operationsverstärkers (Bezugszeichen IN der US 2004/0 092 236 A1) ein nahezu gleiches Potenzial aufweisen. In dem Fall fließt über die Gegenkopplungswiderstände (Bezugszeichen Re11 bis Rein der US 2004/0 092 236 A1) kein signifikanter Strom mehr und die Gegenkopplung versagt. Daher ist ein HF-Sendeverstärker entsprechend der US 2004/0 092 236 A1 nicht als Eingangsverstärker zur Auswertung eines pyroelektrischen Elements geeignet.
Aus der US 4 377 808 (Erfinder L. Kao) ist ein bipolarer Eingangsverstärker bekannt, der einen manuell einstellbaren Stromteiler in Form eines Potentiometers zur Einstellung der Symmetrie der Arbeitswiderstände eines ungeregelten Differenzverstärkers aufweist.
Aus der WO 2004/090 570 A2 ist ein Messgerät zum Messen physikalischer Parameter mit einem passiven Infrarotsensor bekannt, mit einem Analog-Digital-Wandler (Bezugszeichen 22 der WO 2004/090 570 A2), der an ein analoges PIR-Element (Bezugszeichen 12 der WO 2004/090 570 A2) angeschlossen ist. Dieser Analog-Digital-Wandler) Bezugszeichen 22 der WO 2004/090 570 A2) beinhaltet einen Integrator (Bezugszeichen 24 der WO 2004/090 570 A2), der einen Komparator (Bezugszeichen 26 der WO 2004/090 570 A2) steuert, welcher ein digitales Filter (Bezugszeichen 28 der WO 2004/090 570 A2) steuert, deren Ausgang über einen Digital-Analog-Wandler (Bezugszeichen 30 der WO 2004/090 570 A2) und eine geeignete Schnittstellenschaltung auf den Summationsknoten (Bezugszeichen 32 der WO 2004/090 570 A2) rückgekoppelt ist, der auch mit dem Ausgang des passiven PIR-Elements (Bezugszeichen 12 der WO 2004/090 570 A2) verbunden ist. Die technische Lehre der WO 2004/090 570 A2 offenbart nicht, wie der Eingang dea Analog-Digital-Wandlers (Bezugszeichen 22 der WO 2004/090 570 A2) mit einem vergrößerten Eingangsspannungsbereich versehen werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Auswerteverfahren und eine hochohmige Messschaltung mit großem Dynamikbereich für die Auswertung des Signals eines PIR-Detektor bereitzustellen, ohne dass es zu einer Übersteuerung durch die Aufladung der Eingänge der PIR-Detektorauswerteschaltung kommen kann. Dabei soll die Stromaufnahme minimiert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst.
Beschreibung
Das vorschlagsgsgemäße System ist in 1 dargestellt. Der passive Infrarot-Detektor (PIR) ist mit seinen zwei Anschlussleitungen an ein Entladenetzwerk R_G angeschlossen. Dieses wiederum ist mit einem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) verbunden. Der Ausgang des Analog-zu-Digital-Wandlers ist über einen ersten Bus (T) mit einer ersten Busbandbreite mit einem digitalen Filter (DF) verbunden, dessen Ausgang Out typischerweise eine größere zweite Busbandbreite als die erste Busbandbreite aufweist.
Bei der Entwicklung de vorschlagsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines passiven Infrarot-Detektors (PIR) wurde erkannt, dass die Aufladung der Eingänge ein wesentlicher Hinderungsgrund für einen korrekten Betrieb des Systems darstellt. Wie später noch weiter erläutert werden wird, ist der erfindungsgemäße ΔΣ-Wandler (ADC) gegen solche Arbeitspunkt-Drift empfindlich. Dieser erhöhte Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen ΔΣ-Wandlers (ADC) ermöglicht jedoch eine besonders effiziente Unterdrückung der Quantisierungsfehler durch den Komparator des erfindungsgemäßen ΔΣ-Wandlers (ADC). Daher bilden der erfindungsgemäße ΔΣ-Wandler und die Entladung des passiven Infrarot-Detektors mittels des vorschlagsgemäßen Entladungsnetzwerks (R_G) eine Einheit. Basierend auf dieser besagten Erkenntnis der fehlerhaften Aufladung der Eingänge, kann die einfachste Lösung dieses Problems dadurch erreicht werden, dass die Eingangsknoten mittels eines Schalters entladen werden, wenn die Spannung am Detektor den Dynamikbereich erreicht. In diesem Fall kann während der Entladung und kurz danach keine Bewertung der Spannung am Detektor vorgenommen werden. Alternativ kann die Entladung durch einen Ableitwiderstand zwischen den Anschlüssen des Sensors oder von den Anschlüssen nach Bezugsmasse (R_{dis_1}, R_{dis_2}) erfolgen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist die kontinuierliche Bedämpfung des Signals und das Eigenrauschen des Detektors. Außerdem lässt sich nicht mit vertretbarem Aufwand ein Giga-Ohm Widerstand in einer Low-Cost-CMOS-Technologie implementieren. Im Rahmen der Entwicklung wurde erkannt, dass die Entladung des zweiten Ausgangs über den Innenwiderstand der Stromquelle des PIR-Sensors (PIR) nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Es hat sich gezeigt, dass der Widerstandswert dieser Ableitwiderstände größer als 1 MOhm und/oder vorzugsweise größer als 10 MOhm und/oder vorzugsweise größer als 100 MOhm und/oder vorzugsweise größer als 1 GOhm und/oder vorzugsweise größer als 10 GOhm sein sollte. Hierbei hängt der optimale Ableitwert von dem jeweiligen PIR-Detektor und der jeweiligen Applikation ab und sollte von Fall zu Fall angepasst werden. Bei großen Ladungsverschiebungen durch schnelle Temperaturänderungen (Temperaturschock) wären unverhältnismäßig niedrige Ableitwiderstandswerte nötig, die das zu detektierende Signal nahezu eliminieren.
Hierbei ist klar, dass die Ableitwiderstände des Entladenetzwerks (R_G) vorzugsweise gleich und möglichst symmetrisch, in der Fachsprache „matchend”, ausgeführt werden sollten. Dabei können diese Ableitwiderstände auch komplexere Schaltungen sein, die nur unter anderem auch die Funktion eines Ableitwiderstands wahrnehmen. Im Rahmen der Ausarbeitung des Vorschlags wurde es als vorteilhaft erkannt, die Ableitwiderstände zumindest teilweise als Switched-Capacitor-Schaltung auszuführen. Mit solchen Schaltungen können die ggf. erforderlichen relativ hochohmigen Ableitwiderstände relativ einfach ausgeführt werden. Für den Betrieb eines solchen Switched-Capacitor-Netzwerkes ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Netzwerke mit einem nichtüberlappenden Zweiphasentakt betrieben werden. Natürlich können auch Einphasen- und Mehrphasentakte verwendet werden, die aber in der Regel aufwendiger zu realisieren sind.
Die Anforderung einer zuverlässigen Entladung des PIR-Detektors steht im Gegensatz zu einem möglichst hohen Eingangswiderstand der Auswerteschaltung. Im Rahmen des Vorschlags wurde daher erkannt, dass es sinnvoll ist, den mittlere Äquivalentwiderstand zumindest der Entladewiderstände des passiven Infrarot-Detektors davon abhängig zu machen, ob gerade eine Messung des infraroten Strahlungspotenzials mittels des passiven Infrarotsensors (PIR-Detektor) durchgeführt wird oder nicht. Vor einer Messung werden die Entladewiderstände in einen sehr hochohmigen Zustand geschaltet (Messzustand). Nach dem Ende der Messung werden die Entladewiderstände in einen Zustand geschaltet, der gegenüber dem Messzustand niederohmiger ist.
Alternativ kann die Messung des Ladezustands (Spannung am Detektor) erfolgen und die Größe der Entladewiderstände in Abhängigkeit vom Ladezustand nachgeregelt werden.
Denkbar ist es, dass andere Betriebsbedingungen ebenfalls ein Umschalten erfordern. Beispielsweise ist es denkbar, den PIR-Detektor über einen Schalter definiert zu entladen. In einem solchen Modus wäre ebenfalls ein Hochohmigschalten der Entladewiderstände sinnvoll. Im Extremfall kann der Messzustand also ein komplettes abkoppeln eines Entladewiderstands bedeuten.
Die Widerstandswerte sind dabei immer an Mittelwerten über mehrere Takte des Betriebstaktes des jeweiligen Switched-Capacitor-Netzwerkes orientiert, sofern ein solches für die Realisierung der Entladewiderstände verwendet wird. Es ist also ein wesentlicher Gedanke, dass die Entladewiderstände des PIR-Detektors in Abhängigkeit von Zuständen des Sensorsystems unterschiedliche Werte annehmen, wobei mindestens die Zustände Messung und keine Messung/Entladung realisiert werden sollten.
Der erfindungsgemäße ΔΣ-Wandler (ADC), besteht unter anderem aus einem Differenzverstärker, dessen Stromquelle nicht, wie bei normalen Differenzverstärkern üblich, auf zwei Äste bei symmetrischer Ansteuerung der Transistoren des Differenzverstärkers symmetrisch aufgeteilt wird, sondern der statt des normalerweise vorhandenen gemeinsamen Kontenpunktes für die Transistoren in den Zweigen des Differenzverstärkers und der Betriebsstromquelle einen Stromteiler aufweist, der den Strom in Abhängigkeit von einem externen Steuerwert unterschiedlich aufteilt. Dabei kann angenommen werden, dass die Betriebsstromquelle einen endlichen Innenwiderstand aufweist. Insofern ist auch die Verwendung einer realen Spannungsquelle möglich. Dieser Stromteiler wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Widerstandskette realisiert, die mit dem einen Ende mit einem Transistor des Differenzverstärkers und mit dem anderen Ende mit dem anderen Transistor des Differenzverstärkers verbunden ist. Ein Multiplexer verbindet nun die Betriebsstromquelle in Abhängigkeit von dem externen Steuerwert mit einem Knoten dieser Widerstandskette. Der Stromteiler verhält sich also wie ein digital gesteuertes Potentiometer, dessen Abgriff durch den externen Parameter eingestellt wird.
Hierdurch wird eine unterschiedliche Stromgegenkopplung für die verschiedenen Zweige des Differenzverstärkers eingestellt. Die Stromaufteilung erfolgt dabei derart, dass die Gate-Source-Spannungen der Transistoren sich durch den Spannungsabfall über die Widerstände des Stromteilers so einstellen, dass die Stromsumme durch die beiden Zweige dem Strom der Betriebsstromquelle entspricht. Die anderen Anschlüsse der Transistoren sind mit je einem Arbeitswiderstand verbunden. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn diese Arbeitswiderstände als reale Stromquellen ausgeführt werden, da dann der differentielle Arbeitswiderstand und damit die differentielle Verstärkung besonders groß sind.
Parallel zu diesen Arbeitswiderständen können Kapazitäten geschaltet sein, die das Ausgangssignal integrieren. Die Verwendung von Miller-Kapazitäten ist ebenfalls denkbar. Im Falle des erfindungsgemäßen ΔΣ-Wandlers führen diese Kapazitäten die summierende Σ-Funktion des ΔΣ-Wandlers durch und eliminieren damit den Quantisierungsfehler durch einen nachgeschalteten Komparator.
Für das Betreiben eines passiven Infrarot-Detektors bietet sich folgendes Verfahren an: Jeder der Ausgänge des besagten passiven Infrarot-Detektors wird mit dem Steuereingang jeweils eines zugeordneten Eingangstransistors des beschriebenen Differenzverstärkers verbunden. Dabei ist jeweils ein Kontakt jedes dieser Eingangstransistoren mit einem zugehörigen Stromteilerausgang eines steuerbaren Stromteilers verbunden. Der besagte Stromteiler verteilt den Strom einer Referenzstromquelle (I_ref) in Abhängigkeit von einem Steuereingang auf die Stromteilerausgänge auf. Die anderen Kontakte der Transistoren sind jeweils mit je einem Arbeitswiderstand, vorzugsweise einem integrierenden Filter oder einer Kapazität (C₁, C₂) verbunden. Die Ausgangswerte dieser integrierenden Filter, Arbeitswiderstände und Kapazitäten werden nun durch mindestens einen Komparator miteinander verglichen. Dieser erzeugt einen unvermeidlichen Quantisierungsfehler der durch die im Folgenden beschriebene Rückkopplung minimiert wird. Das Komparatorausgangssignal dieses Komparators ist mit einem digitalen integrierenden Filter verbunden, das neben den besagten Kapazitäten eine zweite Integration durchführt. Der Steuereingang des besagten Stromteilers, der den Strom einer Betriebsstromquelle aufteilt ist mit dem Ausgang des digitalen integrierenden Filters verbunden. Wird der Stromteiler analog gesteuert, so sind ein Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) und/oder ein Signalformatwandler erforderlich, der das Ausgangssignal des digitalen integrierenden Filters in ein geeignetes Format wandelt. In dem hier beschriebenen Beispiel ist dies jedoch nicht erforderlich, da der Multiplexer digital angesteuert werden kann.
Ähnliches kann bei der Anpassung eines digitalen Steuereingangs für den Stromteiler an den digitalen Ausgang des digitalen integrierenden Filters erforderlich sein.
Neben dieser zweiphasigen Version kann auch eine einphasige Version einer Auswerteschaltung Verwendung finden. Hierbei steuert ein Ausgang des passiven Infrarot-Detektors mindestens eine zweite Stromquelle. Diese zweite Stromquelle speist Strom in einen ersten Konten (S_b) ein. Dieser erste Knoten (S_b) ist über ein integrierendes Filter mit dem Eingang eines Komparators verbunden, der den Signalpegel dieses ersten Knotens (S_b) mit einem internen Pegel vergleicht. Der Ausgang dieses Komparators ist wieder mit dem besagten digitalen integrierenden Filter direkt oder indirekt verbunden und steuert dieses somit an. Der Ausgang dieses digitalen integrierenden Filters steuert nun wieder einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) an. Der Ausgang dieses Digital-zu-Analog-Wandlers steuert nun eine erste Stromquelle (I₁), die wiederum ihren Strom ebenfalls in den ersten Knoten (S_b) einspeist.
Im Unterschied zur vorausgehenden Version wird in dieser Version ein Anschluss des passiven Infrarot-Detektors mit Masse verbunden, während der andere Anschluss an die zuvor beschriebene Auswerteschaltung angeschlossen wird. Eine solche Schaltung ist auch für die Auswertung von Thermopiles geeignet.
Für beide Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das digitale integrierende Filter als ein Aufwärts-/Abwärtszähler realisiert wird, der in Messphasen in einem vorgegebenen oder programmierbaren Takt zählt. Die Zählrichtung wird dabei vorzugsweise durch den Ausgang des Komparators festgelegt. Auch die Schrittweite dieser Zählung und die zeitlichen Abstände, in denen eine Zählung erfolgt, können konstant und vorgegeben oder programmierbar sein. In manchen Anwendungsfällen hat es sich bewährt, die Schrittweite der Zählung vom Zählerstand selbst abhängig zu machen, um ein Über- oder Unterlaufen und damit eine totale Funktionsuntüchtigkeit zu vermeiden.
Überschreitet der Zählerstand einen kritischen oberen Wert, so kann dies beispielsweise detektiert werden und ein Verlassen des Messzustands und ein Aktivieren des Entladezustands des Detektorelementes bewirken. Dies ist insbesondere bei der einhändigen Variante sinnvoll, da diese in der Lage ist, den absoluten Pegel eines Eingangssignals zu messen. Der Ausgang des digitalen integrierenden Filters stellt den Messwert dar.
In jedem Fall ist es jedoch noch zweckmäßig dem digitalen integrierenden Filter ein weiteres digitales Filter (DF) nachzuordnen, bevor der Messwert Verwendung findet. Dies unterdrückt die Quantisierungsfehler ab einer Grenzfrequenz.
Es kann gezeigt werden, dass der Quantisierungsfehler bei einer Frequenz von 0 Hz im Störspektrum null wird und für unendlich hohe Frequenzen gegen einen endlichen Wert strebt. Die Grenzfrequenzen hängen dabei wesentlich von den besagten Lastkapazitäten (C₁, C₂) und dem Widerstand (R_M) des Stromteilers ab und können damit gut eingestellt werden.
Selbstverständlich ist es sinnvoll, wesentliche Teile dieses Verfahrens in einem Signalprozessor ablaufen zulassen. Nur die Eingangsstufen dürften dann in speziell ausgeführter Elektronik erstellt werden. Eine solche Vorrichtung ist dann in der Lage das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
Im Folgenden wird der Vorschlag anhand der beiliegenden Figuren erläutert:
1 zeigt die grundsätzlichen Blöcke einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung eines passiven Infrarot-Detektors. Die Vorrichtung besteht aus einem passiven Infrarot-Detektor (PIR), das mit dem Entladenetzwerk R_G gekoppelt ist. Die Aufgabe dieses Entladenetzwerks ist es, Aufladungen des PIR-Detektors zu beseitigen und den PIR-Detektor in einem für den nachfolgenden Analog-zu-Digital-Wandler günstigen Arbeitspunkt zu halten ohne die Dynamik des Systems zu belasten. Der Analog-zu-Digital-Wandler wandelt das Signal des Entladenetzwerks in ein erstes digitales Signal auf einem Bus T mit einer ersten Busbreite (Anzahl Bits) um. Ein nachfolgendes digitales Filter (DF) filtert das Signal auf dem ersten Bus T und gibt über einen Ausgangsbus (Out) die Daten mit einer größeren Auflösung aus. Daher besitzt der Ausgangsbus Out typischerweise eine größere Busbreite als der erste Bus T.
2 zeigt das nicht beanspruchte Ersatzschaltbild eines passiven Infrarot-Detektors (PIR) mit Ersatzstromquelle (I_PIR) und einer Serienschaltung von parasitärem Detektorkapazität (C_PIR) und zugehörigem Verlustwiderstand R_{PIR_C} sowie den Innenwiderstand der Ersatzstromquelle (R_PIR). Dieser Innenwiderstand der Stromquelle (R_PIR) liegt parallel zur Stromquelle (I_PIR) und ist typischerweise sehr hoch. Eine zu große Belastung des Detektors lässt daher die Ausgangsspannung zusammenbrechen.
3 zeigt eine einhändige Version des Analog-zu-Digital-Wandlers (ADC) aus 1. Eine erste gesteuerte Stromquelle (I₁) (auch als weitere Stromquelle bezeichnet) wird durch den Rückkoppelpfad gesteuert und speist in den ersten Knoten (Sb) ein. Eine zweite gesteuerte Stromquelle (I₂) (auch als Stromquelle bezeichnet) wird durch einen Ausgang des passiven Infrarot-Detektors gesteuert und speist ebenfalls in den ersten Knoten (S_b) ein. Die Summe der beiden Stromquellenströme lädt eine Kapazität (C_1b) auf oder entlädt diese. Ist der Regelkreis stabil, so liefert die zweite Stromquelle (I₂) einen im Vorzeichen unterschiedlichen, jedoch betragsgleichen Strom, wie die erste Stromquelle (I₁). Der Komparator (CP_b) ist mit seinem Eingang mit diesem Kondensator (C_1b) verbunden und vergleicht den Spanungswert an diesem Kondensator und damit am ersten Knoten (S_b) mit einem internen Vergleichswert. Der Auf-/Abzähler (Int_b) zählt nun in diesem Beispiel mit jedem Systemtakt entweder um eins aufwärts oder um ein abwärts je nachdem, ob der Eingang des Komparators (CP_b) über oder unter der Schaltschwelle des Komparators (CP_b) liegt. 6 Bit des Zählerstandes des Auf-/Abzählers (Int_b) werden beispielsweise für die Rückkopplung verwendet. In diesem Beispiel werden diese 6 Bit durch einen Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) in ein analoges Signal gewandelt, dass die weitere Stromquelle (I₁) steuert.
Ein digitales Filter (DF) filtert den Zählerstand des Auf-Ab-Zählers (Int_b) zum Ausgangssignal (Out), welches der Ausgangsbus des digitalen Filters DF ist.
4 zeigt ebenfalls eine einhändige Version des Analog-zu-Digital-Wandlers (ADC) aus 1. Allerdings ist anstelle der steuerbaren Stromquelle die eine Quelle des einen Bezugssignals nun so realisiert, dass der Zählerstand (Val) des Auf-/Abzählers (Int_b) nun den Abgriff (IN_FB) an einer Widerstandskaskade (R_FB) aus einzelnen Widerständen (nicht gezeichnet) steuert. Dieser Abgriff kann dann einem Differenz-Transkonduktanz-Verstärker zugeführt werden, der den Stromausgang (CS) besitzt. Die Stromausgänge laden und entladen jeweils einen Kondensator (C₁, C₂). Die dabei auftretenden Spannungen an den Kondensatoren (C₁, C₂) werden durch einen Komparator (CP) miteinander verglichen, der wiederum den Auf-/Abzähler (Int_b) steuert.
5 zeigt einen steuerbaren Stromteiler als Teil einer vorschlagsgemäßen Differenzstufe bestehend aus der Widerstandskette von n Widerständen R_M1 bis R_Mn, die typischerweise aber nicht notwendigerweise identisch ausgeführt werden. Von den in diesem Beispiel n + 1 Abgriffen der Widerstandskette wird durch einen analogen Multiplexer (MUX) einer mit der Betriebsstromquelle (I_ref) verbunden. Die Busbreite des Steuerbusse (Val) des analogen Multiplexers (Mux) muss dabei ausreichend gewählt werden und dürfte typischerweise größer als der Logarithmus der von n zur Basis 2 sein. Der Stromteiler, die Stromquelle und die Transistoren (T₁, T₂) bilden eine vorschlagsgemäße Differenzstufe.
6 Zeigt die Differenzstufe aus 5 mit zwei Arbeitswiderständen (R_L1, R_L2). Es ist offensichtlich, dass die Stromteilerwiderstände (R_M1 bis R_Mn) zu einer unterschiedlichen Stromgegenkopplung für die beiden Zweige des Differenzverstärkers führen. Diese unterschiedliche Stromgegenkopplung wird durch das Steuersignal (Val) eingestellt. In diesem Beispiel sind zwei beispielhafte Ausgänge (ON, OP) eingezeichnet.
7 zeigt die Differenzstufe aus 6 als Teil einer Konstruktion entsprechend 3. An Stelle der Arbeitswiderstände (R_L1, R_L2) aus 6 sind je ein Kondensator (C₁, C₂) parallelgeschaltet mit einem Arbeitswiderstand (R₁, R₂) eingesetzt. An den Anschlüssen IN und IP wird der passive Infrarotsensor (PIR) entsprechend der 1 und 2 angeschlossen.
8 entspricht 7 mit dem Unterschied, dass die Widerstände (R₁, R₂) durch reale Stromquellen (I_W1, I_W2) ersetzt sind. Dies hat den Vorteil, dass diese einen erhöhten differentiellen Widerstand aufweisen. Bei der Realisierung als integrierte Halbleiterschaltung stellt diese Konstruktion eine gegen parametrische Schwankungen robuste Lösung dar. Die Konstruktion ist sehr einfach und verbraucht aus diesem Grund nur sehr wenig Strom. Dabei weist sie gleichzeitig einen sehr hohen Eingangswiderstand auf. Da die Source-Anschlüsse durch die Gegenkopplung über den Stromteiler den jeweiligen Gate-Spannungen (im Mittel) folgen, schwanken die Gate-Source-Spannungen nicht. Daher sind die komplexen Eingangsimpedanzen sehr hoch. Die Gate-Source-Kapazitäten müssen nicht wesentlich umgeladen werden. Das Quantisierungsrauschen des Analog-zu-Digital-Wandlers wird mit steigender Anzahl n der Widerstände R_Mi geringer. Die zuvor genannten Punkte stellen wesentliche Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik dar.
9 zeigt eine mögliche Realisierung der Entladeschaltung R_G aus 1 bzw. der Entladewiderstände (R_{dis_1}, R_{dis_2}) in 1. Diese Widerstände müssen einen relativ hohen Widerstandswert aufweisen und sollten typischerweise möglichst gleich sein. Die in dieser 8 gezeigte Switch-Capacitor-Realisierung arbeitet mit Transfergattern, die wechselweise mit einem von zwei nicht überlappenden Takten (ϕ₁, ϕ₂) geschaltet werden. Abgesehen von der Nichtüberlappung ist der eine Takt der inverse des anderen Taktes. Die Speicherkapazitäten befördern dabei jeweils eine gewisse Ladungsmenge mit jedem Halbtakt um einen Knoten weiter. Die Figur zeigt zwei Stränge. Die Stränge werden um jeweils einen Halbtakt versetzt betrieben. Hierdurch kommt es zu einem kontinuierlichen Ladungsabfluss. Werden die Takte abgeschaltet, was insbesondere in den Messphasen vorzugsweise der Fall ist, so fließt kein Strom mehr. Der so gebildete Arbeitswiderstand wird hochohmig. Wird der Takt der Entladung als von der Eingangsspannung abhängig gewählt, so kann die Entladung beispielsweise so gesteuert werden, dass sie bei größeren Eingangsspannungsdifferenzen größer und bei kleineren Eingangsspannungsdifferenzen kleiner ist und in einem vorgebbaren Bereich verschwindet.
10 zeigt ein weiteres Beispiel eines Entladenetzwerks R_G als aktives Netzwerk. Die Transistoren T₃ und T₄ werden in Abhängigkeit von der Differenz der Eingangsspannung zwischen IP und IN leitend geschaltet. Der Differenzverstärker bildet dabei den Betrag der Differenz an seinen Eingängen und öffnet die Transistoren T₃ und T₄ entsprechend einer vorgegebenen Funktion in Abhängigkeit von diesem Differenzbetrag. Da die Kennlinie der Transistoren nicht linear ist, führt dies bei einem verschwindenden Differenzbetrag der Eingangsspannung zwischen IP und IN zu einem verschwindenden Leitwert der Transistoren T₃ und T₄.
11 zeigt eine weitere mögliche Implementierung eines Entladenetzwerkes R_G. Eine erste Stromquelle speist mit dem Strom I jeweils zur Hälfte die MOS-Dioden T9 und T14. Der Strom durch die MOS-Diode T14 wird durch T13 vermindert. Der Strom durch die MOS-Diode T9 wird durch T11 vermindert. Eine zweite Stromquelle liefert einen Strom, der typischerweise 80% des Wertes des Stroms der ersten Stromquelle beträgt.
Da der Transistor T11 mit der MOS-Diode T12 einen Stromspiegel bildet und der Transistor T13 mit der gleichen MOS-Diode T12 einen Stromspiegel bildet, wird ein auf typischerweise 80% des Stromes I bezogener Offsetstrom von den Strömen durch T9 bzw. durch T14 angezogen.
Sind die Eingänge IP und IN ungleich vorgespannt, so führt dies zu einer unausgeglichenen Stromaufteilung durch die Differenzstufe aus T5 und T6. Dies äußert sich dann so, dass zusätzlicher Strom durch die MOS Dioden T9 oder T14 fließen kann, was zu einer Öffnung der Transistoren T7 und T15 oder T8 und T16 führt und somit zu einer Entladung der Eingangsknoten IP und IN.
12 zeigt eine beispielhafte Entladewiderstandskennlinie einer Schaltung gemäß 11. Durch die geeignete Wahl der Stromspiegel- und Transistorverhältnisse kann erreicht werden, dass die Kennlinie des Eingangswiderstands einen extrem hochohmigen Bereich A aufweist, in dem der Eingangswiderstand praktisch nur vom Leckstrom der Schaltung bestimmt wird und einen Bereich B in dem eine Spannungsbegrenzung einsetzt und einen Bereich C, in dem der Eingangswiderstand sehr niederohmig ist.
Die beiden Anschlüsse werden somit durch diese elektrische Schaltungsanordnung entladen, deren Äquivalentwiderstand bei einem Arbeitspunkt im Bereich A signifikant größer als bei Arbeitspunkt in den Bereichen B oder C ist.

Dies ermöglicht es, einen passiven Infrarot-Detektors so zu betreiben, dass die elektrischen Anschlüsse durch einen Strompfad entladen werden, wenn die Spannung außerhalb eines vorbestimmten Bereiches A liegt. Dabei hängt der Entladestrom durch diese Schaltung von der Eingangsspannung zwischen den elektrischen Anschlüssen IP und IN ab. In dem durch die Dimensionierungen vorgegebenen Bereich A der Eingangsspannung verschwindet der Entladestrom bis auf den Leckstrom der Transistoren. Dabei steigt der Entladestrom mit steigendem Betragsabstand der Eingangsspannung außerhalb dieses Bereiches A an. Der Eingangswiderstand RIN(IP-IN) hängt von der Differenzspannung V(IP-IN) zwischen den Eingängen IP und IN des Netzwerks R_G ab. Der hier betrachtete Eingangswiderstand kann dabei sowohl als zwischen den Anschlüssen IP und IN befindlich angenommen werden als auch zwischen einem Anschluss IP oder IN auf der einen und dem Bezugspotenzial, beispielsweise Masse, auf der anderen Seite. Das Verhalten in 12 sollte vorzugsweise in jedem dieser beiden Betrachtungsfälle ähnlich sein. Bezugszeichenliste

A	Spannungsbereich in dem das Entladenetzwerk hochohmig ist
ADC	Analog zu Digital Wandler
B	Spannungsbereich in dem das Entladenetzwerk eine mittlere Leitfähigkeit aufweist
C	Spannungsbereich in dem das Entladenetzwerk eine höhere Leitfähigkeit aufweist
C₁	Erste Kapazität
C_1b	Erstes integrierendes Filter (dritte Kapazität)
C₂	Zweite Kapazität
CP	Komparator
CP_b	Komparator
CPO	Komparatorausgang
C_PIR	Parasitäre Kapazität des PIR-Sensors PIR
CS	Stromausgang des Differenz-Transkonduktanz-Verstärkers
DAC	Digital-zu-Analog-Converter
DF	Nachgeschaltetes digitales Filter
I₁	Weitere Stromquelle
12	Stromquelle
I_a1	Erster Stromteilerausgang
I_a2	Zweiter Stromteilerausgang
IN	Erster Anschluss für den PIR Sensor
Int	Integrierendes Filter (im einfachsten Fall ein Auf-/Ab-Zähler)
Int_b	Integrierendes Filter (im einfachsten Fall ein Auf-/Ab-Zähler)
IN	Zweiter Anschluss für den PIR Sensor
IN_FB	Abgriff an einer Widerstandskaskade (RFB) aus einzelnen Widerständen
I_PIR	Stromquelle des Ersatzschaltbildes des PIR-Sensors
I_ref	Referenzstromquelle
IW₁	Erste, als Arbeitswiderstand benutzte Stromquelle
IW₂	Zweite, als Arbeitswiderstand benutzte Stromquelle


MUX	Analoger 1:(n – 1) oder 1:n oder 1:(n + 1) Multiplexer. Dabei hat n vorzugsweise einen Wert größer als drei und/oder 4. Besonders vorteilhaft sind Werte von n = (2^m – 2) mit m > 2 oder m > 3. Im vorliegenden Beispiel ist m = 6 gewählt.
ON	Erster Ausgang der Differenzstufe
OP	Zweiter Ausgang der Differenzstufe
Out	Ausgangsbus des digitalen Filters DF (= nachgeschaltetes Filter DF)
ϕ₁	Erster Takt des SC-Netzwerks zur Bildung eines Entladewiderstands
ϕ₂	Zweiter Takt des SC-Netzwerks zur Bildung eines Entladewiderstands. Der Takt ist im Wesentlichen invers zu ϕ₁ und überlappt sich mit ϕ₁ nicht.
PIR	PIR-Sensor
R₁	Erster Arbeitswiderstand
R₂	Zweiter Arbeitswiderstand
R_{dis_1}	Erster ungünstiger Entladewiderstand im Stand der Technik. Dieser führt zu einer Belastung des Ausgangs IP und zu einer Reduzierung des Ausgangssignals. In der vorschlagsgemäßen Vorrichtung wird dieser Widerstand moduliert.
R_{dis_2}	Zweiter ungünstiger Entladewiderstand im Stand der Technik. Dieser führt zu einer Belastung des Ausgangs IN und zu einer Reduzierung des Ausgangssignals. In der vorschlagsgemäßen Vorrichtung wird dieser Widerstand moduliert.
R_FB	Widerstandskaskade aus einzelnen Widerständen. Ein Steuersignal (Val) steuert den Abgriff des Ausgangssignals IN_FB. Die Widerstandskaskade verhält sich also wie ein durch die Größe Val gesteuertes Potentiometer. Die Realisierung erfolgt ähnlich der Realisierung des Stromteilers aus Multiplexer MUX und Widerstandskaskade R_M1 bis R_Mn.
R_G	Entladenetzwerk. Diese Entladenetzwerk verhindert eine Aufladung des PIR-Sensors sowohl gegen Masse als auch der Anschlüsse des PIR-Sensors gegeneinander.
RIN(IP-IN)	Von der Differenzspannung V(IP-IN) zwischen den Eingängen IP und IN abhängiger Eingangswiderstand des Netzwerks R_G. Der Eingangswiderstand kann dabei sowohl als zwischen den Anschlüssen IP und IN befindlich angenommen werden als auch zwischen einem Anschluss IP oder IN auf der einen und dem Bezugspotenzial, beispielsweise Masse, auf der anderen Seite. Das Verhalten in Fig. 12 sollte vorzugsweise in jedem dieser beiden Fälle ähnlich sein.
R_L1	Erster Arbeitswiderstand
R_L2	Zweiter Arbeitswiderstand
R_M	Widerstand des Stromteilers. Es handelt sich um den Summenwert der Widerstandskette R_M1 bis R_Mn aus n Widerständen.
R_M1 bis R_Mn	Widerstände der Widerstandskette aus n Widerständen des Stromteiles der erfindungsgemäßen Differenzstufe
R_PIR	Innenwiderstand des PIR-Sensors PIR, der parallel zu den Ausgängen des PIR Sensors liegt (siehe Fig. 1)
R_{PIR_C}	Serienwiderstand der parasitären Kapazität C_PIR.
S_b	Erster Knoten
T	ADC Ausgang mit typischerweise geringerer Bit-breite als der Bus Out
T₁	Erster Transistor der Differenzstufe
T₂	Zweiter Transistor der Differenzstufe
T₃	Dritter Transistor
T₄	Vierter Transistor
T5 bis T16	Transistoren eines beispielhaften weiteren Entladenetzwerks.
Val	Steuereingang des Multiplexers MUX
V(IP-IN)	Spannung zwischen den Ausgängen des PIR Sensors und damit zwischen den Eingängen des Entladenetzwerks R_G
V_ref	Referenzspannung

Claims

Vorrichtung zum Betreiben eines passiven Infrarot-Detektors (PIR), – wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) ein Zweipol ist – und wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) im Ersatzschaltbild durch eine Stromquelle symbolisiert werden kann, • die einen Strom (I_PIR) abhängig von der Änderung der Bestrahlung liefert und • der eine Kapazität (C_PIR) parallel geschaltet ist, und – wobei der passive Infrarot-Detektor (PIR) mit zwei elektrischen Anschlüssen, einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, versehen ist und – wobei die Vorrichtung mit einer Differenzstufe • mit einem ersten Eingangstransistor (T₁) der Differenzstufe und • mit einem zweiten Eingangstransistor (T₂) der Differenzstufe versehen ist und – wobei der erste elektrische Anschluss des besagten passiven Infrarot-Detektors (PIR) mit dem Steuereingang des zugeordneten ersten Eingangstransistors (T₁) der Differenzstufe der Vorrichtung verbunden ist, und – wobei der zweite elektrische Anschluss des besagten passiven Infrarot-Detektors (PIR) mit dem Steuereingang des zugeordneten zweiten Eingangstransistors (T₂) der Differenzstufe der Vorrichtung verbunden ist, und – wobei ein Kontakt des ersten Eingangstransistors (T₁) der Differenzstufe der Vorrichtung mit dem ersten Stromteilerausgang (I_a1) eines steuerbaren Stromteilers (MUX, R_M1 bis R_Mn) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei ein Kontakt des zweiten Eingangstransistors (T₂) der Differenzstufe der Vorrichtung mit dem zweiten Stromteilerausgang (I_a2) des steuerbaren Stromteilers (MUX, R_M1 bis R_Mn) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei der besagte Stromteiler (MUX, R_M1 bis R_Mn) der Vorrichtung den Strom einer Referenzstromquelle (I_ref) der Vorrichtung in Abhängigkeit von einem Steuereingang (Val) auf den ersten Stromteilerausgang (I_a1) und den zweiten Stromteilerausgang (I_a2) aufteilt und – wobei der andere Kontakt des ersten Eingangstransistors (T₁) der Differenzstufe der Vorrichtung mit einem integrierenden Filter (C₁, R₁) der Vorrichtung und/oder einem ersten Anschluss einer ersten Kapazität (C₁) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei der andere Kontakt des zweiten Eingangstransistors (T₂) der Differenzstufe der Vorrichtung mit einem integrierenden Filter (C₂, R₂) der Vorrichtung und/oder einem ersten Anschluss einer zweiten Kapazität (C₂) der Vorrichtung verbunden ist und – wobei die Ausgangswerte dieser vorgenannten integrierenden Filter ([C₁, R₁], [C₂, R₂]) und/oder Kapazitäten (C₁, C₂) durch mindestens einen Komparator (CP) der Vorrichtung miteinander verglichen werden und – wobei das Komparatorausgangssignal (CPO) dieses Komparators (CP) der Vorrichtung mindestens ein weiteres digitales integrierendes Filter (Int) der Vorrichtung steuert und – wobei der Steuereingang (Val) des besagten Stromteilers (MUX, R_M1 bis R_Mn), der den Strom der Referenzstromquelle (I_ref) der Vorrichtung aufteilt, direkt oder indirekt vom Zahlenwert des weiteren digitalen integrierenden Filters (Int) der Vorrichtung abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 – wobei das weitere digitale integrierende Filter der Vorrichtung ein Aufwärts-/Abwärtszähler (Int, Int_b) der Vorrichtung ist und – das Komparatorausgangssignal (CPO) eines Komparators (CP) der Vorrichtung mindestens diesen Aufwärts-/Abwärtszähler (Int) der Vorrichtung in seiner Zählrichtung steuert und – wobei der Aufwärts-/Abwärtszähler (Int) der Vorrichtung in vorgegebenen und/oder programmierbaren Zeitabständen seinen Zahlenwert inkrementiert oder dekrementiert.
Vorrichtung Anspruch 1 oder 2, wobei dem weiteren digitalen integrierenden Filter (Int) ein zweites weiteres digitales Filter (DF) der Vorrichtung nachgeordnet ist.