DE102013022381B3 - Vorrichtung zum Betreiben passiver Infrarotsensoren - Google Patents

Abstract

ΔΣ-Wandler zum Umwandeln eines differentiellen analogen Eingangssignals in ein digitales Signal mit einer Differenzverstärkerstufe,- die eine Referenzstromquelle (I) aufweist und- die einen Widerstand (Rbis R) aufweist,- wobei dieser Widerstand (Rbis R) einen steuerbaren Abgriff aufweist und- wobei ein Anschluss des Widerstands (Rbis R) mit einem ersten Transistor (T) verbunden ist und wobei der andere Anschluss des Widerstands (Rbis R) mit einem zweiten Transistor (T) verbunden ist und- wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (T) und die Steuerelektrode des zweiten Transistors (T) den differentiellen Eingang bilden und- wobei jeder Transistor (T, T) mit seinem dritten Anschluss mit einem Arbeitswiderstand (R, R, C, C, IW, IW) verbunden ist, wobei es sich um einen differentiellen Arbeitswiderstand handeln kann,- wobei die Ausgänge dieses Differenzverstärkers jeweils mit einem integrierenden Filter und/oder jeweils einem Kondensator verbunden sind und- wobei die Ausgänge jedes integrierenden Filters und/oder jedes Kondensators mit einem Komparator verbunden sind und- wobei der Ausgang des Komparators mit einem digitalen integrierenden Filter und/oder einem Auf-/Abzähler verbunden sind, der in vorgegebenen und/oder programmierten Zeitabständen zumindest zeitweise seinen Zählerstand in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators inkrementiert oder dekrementiert und- wobei der Ausgang dieses digitalen Filters direkt und/oder nach Filterung durch ein weiteres digitales Filter als Ausgangswert des ΔΣ-Wandlers verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,- dass der Widerstand (Rbis R) einen steuerbaren Abgriff aufweist, der mit der besagten Referenzstromquelle (I) verbunden ist und- dass der Ausgang eines digitalen integrierenden Filters und/oder Auf-/Abzählers für die Steuerung des steuerbaren Widerstands verwendet wird.

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 parallelgeschaltet 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-WandlerSchaltung (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 der US 2009/0278722 A1 ist ein Sensorschaltkreis für die Sigma-delta Modulation und ein Analog-Digital-Wandler für einen Bildrechner, welcher die irrtümliche Umwandlung von nicht-Null analogen Spannungen zu null-wertigen digitalen Spannungen eliminiert, bekannt. Die Sensorschaltung beinhaltet einen Offsetzweig, der die Eingabe einer Offsetspannung ermöglicht, die mindestens so groß ist wie ein negativer kanalspezifischer Offset, der sich in einer Pixelsignalspannung befindet.
• Die Sensorschaltung beinhaltet auch einen Regelzweig, der auf einer Referenzspannung basiert, die über mehrere Spalten eines Imagers verteilt ist. Der Regelzweig hat einen einstellbaren Widerstand, der während des Erfassungsvorgangs moduliert wird, was einen Einstellstrom erzeugt, der während des Erfassungsvorgangs an ein Rückstellsignal angelegt wird. Die Abtastschaltung und der Analog-Digital-Wandler erzeugen einen digitalen Code basierend auf der Differenz zwischen der Rückstellspannung und der summierten Offset- und Pixelsignalspannung.
• 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 der Erfindung
• Das erfindungsgemäße 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 des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen Entladungsnetzwerks (R_G) eine erfinderische Einheit. Basierend auf dieser besagten erfinderischen 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 der Erfindung 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 der Erfindung wurde daher erkannt, dass es sinnvoll ist, den mittleren 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 erfinderischer 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 ist 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 0Hz 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 die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert:
• 1 zeigt die grundsätzlichen Blöcke einer erfindungsgemäßen 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 (l_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 entläd 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-Transconduktanz-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 erfindungsgemäßen 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 Steuerbusses (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 erfindungsgemäße Differenzstufe.
• 6 Zeigt die Differenzstufe aus 5 mit zwei Arbeitswiderständen (R_L1, R_L2). Es ist offensichtlich, dass die Stromteilerwiderstände (R_M, 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 OP und ON 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, eines 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-Transconduktanz-Verstärkers

DAC

Digital-zu-Analog-Converter

DF

Nachgeschaltetes digitales Filter

I₁

Weitere Stromquelle

I₂

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 (R_FB) 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 Erfindungsgemäßen 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 Erfindungsgemäßen 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. Dieses 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 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 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 (3)

1. ΔΣ-Wandler zum Umwandeln eines differentiellen analogen Eingangssignals in ein digitales Signal mit einer Differenzverstärkerstufe, - die eine Referenzstromquelle (I_ref) aufweist und - die einen Widerstand (R_M1 bis R_Mn) aufweist, - wobei dieser Widerstand (R_M1 bis R_Mn) einen steuerbaren Abgriff aufweist und - wobei ein Anschluss des Widerstands (R_M1 bis R_Mn) mit einem ersten Transistor (T₁) verbunden ist und wobei der andere Anschluss des Widerstands (R_M1 bis R_Mn) mit einem zweiten Transistor (T₂) verbunden ist und - wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (T₁) und die Steuerelektrode des zweiten Transistors (T₂) den differentiellen Eingang bilden und - wobei jeder Transistor (T₁, T₂) mit seinem dritten Anschluss mit einem Arbeitswiderstand (R₁, R₂, C₁, C₂, IW₁, IW₂) verbunden ist, wobei es sich um einen differentiellen Arbeitswiderstand handeln kann, - wobei die Ausgänge dieses Differenzverstärkers jeweils mit einem integrierenden Filter und/oder jeweils einem Kondensator verbunden sind und - wobei die Ausgänge jedes integrierenden Filters und/oder jedes Kondensators mit einem Komparator verbunden sind und - wobei der Ausgang des Komparators mit einem digitalen integrierenden Filter und/oder einem Auf-/Abzähler verbunden sind, der in vorgegebenen und/oder programmierten Zeitabständen zumindest zeitweise seinen Zählerstand in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators inkrementiert oder dekrementiert und - wobei der Ausgang dieses digitalen Filters direkt und/oder nach Filterung durch ein weiteres digitales Filter als Ausgangswert des ΔΣ-Wandlers verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, - dass der Widerstand (R_M1 bis R_Mn) einen steuerbaren Abgriff aufweist, der mit der besagten Referenzstromquelle (I_ref) verbunden ist und - dass der Ausgang eines digitalen integrierenden Filters und/oder Auf-/Abzählers für die Steuerung des steuerbaren Widerstands verwendet wird.
2. ΔΣ-Wandler nach Anspruch 1, - wobei der steuerbare Widerstand einen analogen 1:(n-1) Multiplexer oder einen analogen 1:n Multiplexer, oder einen analogen 1:(n+1) Multiplexer (MUX) umfasst, der mit dem einzelnen Ausgang, der den Abgriff des steuerbaren Widerstands darstellt, mit der besagten Referenzstromquelle (I_ref) verbunden ist und - wobei der steuerbare Widerstand eine Widerstandkette aus n Widerständen (R_M1 bis R_Mn) umfasst und - wobei jeder der (n-1) Knoten zwischen je zwei der n Widerstände (R_M1 bis R_Mn) mit einem Ein-/Ausgang des analogen Multiplexers (MUX) verbunden ist und - wobei im Falle eines 1:n Multiplexers (MUX) zusätzlich das Ende oder der Anfang der Widerstandskette aus den Widerständen (R_M1 bis R_Mn) mit dem Multiplexer (MUX) verbunden ist und - wobei im Falle eines 1:(n+1) Mulitplexers (MUX) zusätzlich das Ende und der Anfang der Widerstandskette aus den Widerständen (R_M1 bis R_Mn) mit dem Multiplexer (MUX) verbunden sind und - wobei der Anfang der Widerstandskette aus den Widerständen (R_M1 bis R_Mn) mit mindestens einem ersten Transistor (T₁) verbunden ist und - das Ende der Widerstandskette aus den Widerständen (R_M1 bis R_Mn) mit mindestens einem zweiten Transistor (T₂) verbunden ist.
3. ΔΣ-Wandler nach Anspruch 1, wobei der ΔΣ-Wandler einen Steuereingang besitzt, mittels dessen die Integration durch das digitale integrierende Filter und/oder das Auf- oder Abzählen durch den Auf-/Abzähler unterbunden oder ermöglicht werden kann.

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