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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung sowie eine Sensorvorrichtung mit einer solchen Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Sensoren, wie sie in zahlreichen Anwendungsbereichen zur Erfassung physikalischer Größen eingesetzt werden, können ein zu der erfassten physikalischen Größe korrespondierendes Ausgangssignal, beispielsweise in Form eines entsprechenden Stromes bereitstellen. Zum Beispiel können optische Sensoren, wie zum Beispiel Fotodioden, einen zu dem erfassten Licht korrespondierenden Ausgangsstrom bereitstellen. Zur Konvertierung eines solchen elektrischen Stroms in eine zu dem Strom korrespondierende Spannung können zum Beispiel sogenannte Transimpedanz-Verstärker eingesetzt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 311 096 B4 beschreibt beispielsweise eine elektronische Schaltung für einen Transimpedanz-Verstärker zur Umsetzung eines Stroms einer Stromquelle in eine korrespondierende Ausgangsspannung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung sowie eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung mit einem Transimpedanz-Verstärker und einem Spannungsdifferenz-Verstärker. Der Transimpedanz-Verstärker umfasst einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss. Der Transimpedanz-Verstärker ist dazu ausgelegt, am Ausgangsanschluss ein zu einem am ersten Eingangsanschluss fließenden Eingangsstrom korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Spannungsdifferenz-Verstärker umfasst einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss. Der Spannungsdifferenz-Verstärker ist dazu ausgelegt, am Ausgangsanschluss ein zu einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Der erste Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers ist dazu ausgelegt, mit einer Signalquelle verbunden zu werden. Ferner ist der Ausgangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers mit dem ersten Eingangsanschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers elektrisch verbunden. Entweder der Transimpedanz-Verstärker oder der Spannungsdifferenz-Verstärker ist dazu ausgelegt, ein Referenzsignal an dem zweiten Eingang des jeweils anderen Verstärkers bereitzustellen. Das Referenzsignal weist hierbei einen Rauschanteil auf, der zu einem Rauschanteil am ersten Eingang des jeweiligen Verstärkers korrespondiert.
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Ferner ist vorgesehen
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Ein Sensorsystem mit einem Sensor und einer erfindungsgemäßen Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung. Der Sensor ist dazu ausgelegt, ein zu einer physikalischen Größe korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen. Insbesondere ist der Sensor dazu ausgelegt, das Ausgangssignal am ersten Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers bereitzustellen.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei zweistufigen Transimpedanz-Verstärkungseinrichtungen mit einem Transimpedanz-Verstärker und einem nachgeschalteten Spannungsverstärker in der Regel an beiden Verstärkerstufen ein Referenzsignal bereitgestellt werden muss. Diese Referenzsignale sind in der Regel rauschbehaftet. Somit überlagern sich die Rauschanteile der beiden Referenzsignale für den Transimpedanz-Verstärker und den nachgeschalteten Spannungsverstärker.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung zu schaffen, welche bezüglich der Rauschanteile verbesserte Verstärkungseigenschaften aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die beiden Verstärkerkomponenten in geschickter Weise derart miteinander zu verschalten, dass der Rauschanteil des Ausgangssignals minimiert wird. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, an einem der beiden Verstärkerstufen anstelle einer Referenzspannung ein Referenzsignal bereitzustellen, welches von der jeweils anderen Verstärkerstufe herrührt. Somit weist dieses Referenzsignal einen Rauschanteil auf, der zu einem Rauschanteil der jeweils anderen Verstärkerstufe korrespondiert. Auf diese Weise ist es möglich, den Rauschanteil in der Gesamtheit der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung zu minimieren.
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Das an dem ersten Eingang des Transimpedanz-Verstärkers der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung bereitgestellten Eingangssignal kann ein Stromsignal sein, das heißt ein Signal mit variierender Stromstärke. Beispielsweise kann ein solches Signal von einem entsprechenden Sensor bereitgestellt werden, welcher einen zu einer Sensorgröße korrespondierenden Ausgangsstrom bereitstellt. Ein solches Stromsignal kann durch die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung in eine zu der am Eingang der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung anliegenden Stromstärke korrespondierende Ausgangsspannung umgewandelt werden. Insbesondere ist durch die erfindungsgemäße Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung eine besonders rauscharme Konvertierung des Eingangsstroms in eine Ausgangsspannung möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform entspricht das Referenzsignal am zweiten Eingang des Spannungsdifferenz-Verstärkers einer elektrischen Spannung am ersten Eingang des Transimpedanz-Verstärkers. Alternativ kann das Referenzsignal am zweiten Eingang des Transimpedanz-Verstärkers einer internen Spannung des Spannungsdifferenz-Verstärkers entsprechen. Mit anderen Worten, an einem der beiden Verstärker wird ein Referenzsignal bereitgestellt, welches zu einer Spannung in dem jeweils anderen Verstärker korrespondiert. Ein solches Signal kann dann auch die Rauschanteile des Referenzsignals in den einem Verstärker an den jeweils anderen Verstärker umfassen. Durch eine geeignete Verschaltung können die Rauschanteile in den beiden Verstärkern entgegengesetzt verarbeitet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers mit einem invertierenden Eingang eines internen Verstärkers des Transimpedanz-Verstärkers verbunden und der zweite Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers ist mit einen nicht-invertierenden Eingang des internen Verstärkers verbunden. Ferner kann es sich bei dem ersten Eingangsanschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers um einen invertierenden Eingang handeln und bei dem zweiten Eingangsanschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers um einen nicht-invertierenden Eingang. Entsprechend wird das Eingangssignal für die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung an dem Eingang des Transimpedanz-Verstärkers bereitgestellt, welcher mit dem invertierenden Eingang des internen Verstärkers verbunden ist, und der Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers ist mit einem nicht-invertierenden Eingang des Spannungsdifferenz-Verstärkers verbunden. Je nach Anwendungsfall sind selbstverständlich auch davon abweichende Konfigurationen möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers mit einer Referenzspannungsquelle elektrisch verbunden und der erste Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers elektrisch verbunden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der zweite Eingangsanschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers mit einer Referenzspannungsquelle elektrisch verbunden ist. Ferner kann an dem zweiten Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers ein Referenzsignal von dem Spannungsdifferenz-Verstärkers bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Referenzsignal von dem Spannungsdifferenz-Verstärker um ein Signal handeln, welches auf Grundlage des Eingangssignals am ersten Eingangseinschluss des Spannungsdifferenz-Verstärkers generiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der Transimpedanz-Verstärker und der Spannungsdifferenz-Verstärker als ein gemeinsamer integrierter Schaltkreis implementiert. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte und effiziente Schaltungsanordnung realisiert werden.
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In einer Ausführungsform des Sensorsystems ist der Sensor dazu ausgelegt, einen zu der sensorisch erfassten und physikalischen Größe korrespondierenden Ausgangsstrom an dem ersten Eingangsanschluss des Transimpedanz-Verstärkers der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung bereitzustellen. Entsprechend kann die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung diesen elektrischen Strom in eine korrespondierende elektrische Spannung wandeln und am Ausgang bereitstellen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: ein Blockschaubild eines Sensorsystems mit einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2: ein Blockschaubild einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 3: ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 4: ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 5: ein Blockschaubild einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 6: ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Blockschaubild eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform. Das Sensorsystem umfasst einen Sensor 2 sowie eine Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1. Bei dem Sensor 2 kann es sich um einen beliebigen Sensor handeln, der einen zu einer physikalischen Größe korrespondierenden elektrischen Strom bereitstellt. Zum Beispiel kann es sich bei dem Sensor 2 um eine Fotodiode handeln, deren Durchlassstrom zu einer auf die Fotodiode einfallenden Lichtintensität korrespondiert. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Sensoren 2 möglich.
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Der von dem Sensor 2 ausgehende elektrische Strom wird durch die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 in eine korrespondierende elektrische Spannung konvertiert. Hierzu umfasst die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 einen Transimpedanz-Verstärker 10 und einen Differenzspannungs-Verstärker 20. Die Funktionsweise dieser Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 wird im Nachfolgenden näher erläutert.
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Die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 umfasst, wie oben bereits angeführt, einen Transimpedanz-Verstärker 10 und einen nachgeschalteten Spannungsdifferenz-Verstärker 20. Der Transimpedanz-Verstärker 10 weist einen ersten Eingangsanschluss 11 und einen zweiten Eingangsanschluss 12 auf. Beispielsweise kann an dem ersten Eingangsanschluss 11 ein Stromsignal, z.B. ein elektrischer Strom von dem Sensor 2 bereitgestellt werden. An dem zweiten Eingangsanschluss 12 kann z.B. ein Referenzsignal, insbesondere eine Referenzspannung von einer Referenzspannungsquelle 30 bereitgestellt werden. Der Transimpedanz-Verstärker 10 kann eine zu dem Eingangssstrom am ersten Eingangsanschluss 11 proportionale elektrisches Spannung erzeugen und eine zu der Differenz zwischen dieser Spannung und der an dem zweiten Eingangsanschluss 12 anliegenden Referenzspannung entsprechendes Ausgangssignal an dem Ausgangsanschluss 13 ausgeben.
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Nachgeschaltet umfasst die Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 einen Spannungsdifferenz-Verstärker 20. Dieser Spannungsdifferenz-Verstärker 20 weist einen ersten Eingangsanschluss 21 und einen zweiten Eingangsanschluss 22 auf. Hierbei kann es sich bei einem der beiden Eingangsanschlüsse 21, 22 um einen invertierenden Eingang handeln, und bei dem jeweils anderen Eingang 21, 22 um einen nicht-invertierenden Eingang. Entsprechend kann der Spannungsdifferenz-Verstärker 20 an seinem Ausgangsanschluss 23 eine Ausgangsspannung bereitstellen, welche zu der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Eingangsanschluss 21 und dem zweiten Eingangsanschluss 22 korrespondiert.
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Wie in 2 dargestellt, kann beispielsweise der erste Eingangsanschluss 21 mit dem Ausgangsanschluss 13 des Transimpedanz-Verstärkers 10 verbunden werden. Am zweiten Eingangsanschluss 22 kann ein Referenzsignal bereitgestellt werden. Dieses Referenzsignal kann beispielsweise von dem Transimpedanz-Verstärker 10 stammen. Insbesondere kann es sich bei diesem Referenzsignal um ein Signal handeln, welches einen Rauschanteil aufweist, der zu einem Rauschanteil des Ausgangssignals von dem Transimpedanz-Verstärkers 10 korrespondiert. Da der Rauschanteil des Ausgangsignals von dem Transimpedanz-Verstärkers 1 0aufgrund der internen Verstärkung in dem Transimpedanz-Verstärker 10 zu den Rauschanteilen am Eingang korrespondiert, ist der Rauschanteil am Ausgang auch abhängig von dem Rauschanteil der Referenzspannung an dem zweiten Eingangsanschluss 11 des Transimpedanz-Verstärkers 10. Durch das Bereitstellen eines Referenzsignals von dem Transimpedanz-Verstärker 10 als Referenzsignal für den nachgeschalteten Spannungsdifferenz-Verstärker 20 können die vom Transimpedanz-Verstärker 10 herrührenden Rauschanteile durch den nachgeschalteten Spannungsdifferenz-Verstärker 20 kompensiert werden.
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Das von dem Spannungsdifferenz-Verstärker 20 am Ausgangsanschluss 23 ausgegebene Spannungssignal kann als Ausgangssignal der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 ausgegeben werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes für eine Schaltungsanordnung einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform.
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Wie in 3 zu erkennen ist, handelt es sich bei dem am zweiten Eingangsanschluss 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 bereitgestellten Referenzsignal um eine Spannung, welche an dem invertierenden Anschluss des internen Verstärkers 10a des Transimpedanz-Verstärkers 10 anliegt. Am zweiten Eingangsanschluss 12 des Transimpedanz-Verstärkers 10 wird die oben bereits erwähnte Referenzspannung angelegt. Da auf diese Weise sowohl am invertierenden Eingang 21 als auch am nicht-invertierenden Eingang 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 ein Signal von dem Transimpedanz-Verstärker 10 anliegen, können die Rauschanteile von dem Transimpedanz-Verstärker 10 kompensiert werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor angeführten Ausführungsform gemäß 3 insbesondere dadurch, dass hierbei der Ausgang 13 des Transimpedanz-Verstärkers 10 über einen Widerstand des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 am ersten Eingangsanschluss 22 mit dem invertierenden Eingang eines internen Differenzverstärkers 20a des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 verbunden ist. Darüber hinaus ist der nicht-invertierende Eingang 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 mit dem invertierenden Eingang 11 des Transimpedanz-Verstärkers 10 elektrisch verbunden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Die in 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen insbesondere dadurch, dass in diesem Fall die Referenzspannung von der Referenzspannungsquelle 30 an dem zweiten Eingangsanschluss 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 bereitgestellt wird. Darüber hinaus wird an dem zweiten Eingangsanschluss 12 des Transimpedanz-Verstärkers 10 von einem Anschluss 24 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 ein Referenzsignal bereitgestellt, welches Rauschanteile der Eingangssignale des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 aufweist. Eine exemplarische Ausführungsform zur Bereitstellung eines solchen Referenzsignals wird nachfolgend näher erläutert.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 gemäß der zuvor in Zusammenhang mit 5 beschriebenen Ausführungsform. Wie hierbei zu erkennen ist, wird das Eingangssignal über den ersten Eingangsanschluss 11 des Transimpedanz-Verstärkers 10 an einem invertierenden Anschluss des internen Differenzverstärkers 20a bereitgestellt. Der zweite, nicht-invertierende Anschluss des internen Differenzverstärkers 20a ist mit einem internen Knotenpunkt 24 des invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 20a in dem Spannungsdifferenz-Verstärker 20 verbunden. Dieser Knotenpunkt 24 ist beispielsweise über einen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 verbunden. Der zweite Eingangsanschluss 22 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 ist mit der Referenzspannungsquelle 30 verbunden. Somit wird als Referenzspannung an dem Transimpedanz-Verstärker 10 ein Signal von dem internen Knotenpunkt 24 des Spannungsdifferenz-Verstärkers 20 bereitgestellt, welches Rauschanteile aufweist, die zu den Rauschanteilen am Eingang des Differenz-Verstärkers 20 korrespondieren. Aufgrund der Differenzbildung durch den internen Differenzverstärker 10a in dem Transimpedanz-Verstärker 10 können somit die auftretenden Rauschkomponenten minimiert oder ggf. eliminiert werden.
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Allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen liegt hierbei das erfindungsgemäße Grundprinzip zugrunde, dass als Referenzsignal eines der beiden Verstärker, entweder dem Transimpedanz-Verstärker 10 oder dem Spannungsdifferenz-Verstärker 20 jeweils ein Referenzsignal an einem der Eingangsanschlüsse 12, 22 bereitgestellt wird, welches Rauschanteile aufweist, die zu den Rauschanteilen des jeweils anderen Eingangsanschlusses korrespondieren. Hierdurch ist eine Kompensation von Rauschanteilen innerhalb der Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung 1 möglich.
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Eine solche Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis realisiert werden. Insbesondere können hierbei sowohl der Transimpedanz-Verstärker als auch der Spannungsdifferenz-Verstärker auf einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis implementiert sein.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine zweistufige Transimpedanz-Verstärkungseinrichtung mit einem Transimpedanz-Verstärker und einem nachgeschalteten Spannungsdifferenzverstärker. Einem der beiden Verstärker wird als Referenzsignal ein Signal von dem jeweils anderen Verstärker bereitgestellt. Auf diese Weise kann eine Rauschkompensation erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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