DE1904062C3 - Lichtdetektorschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtdetektorschaltung zur Verstärkung eines schwachen, durch eine Lichtquelle erzeugten elektrischen Signals mit einem eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor aufweisenden Fototransistor und einem eine Kollektor-Spannungsquelle und eine Stromquelle enthaltenden Netzwerk zur Einstellung eines ausgewählten Arbeitspunktes für den Kollektorstrom des Fototransistors.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art (DE-AS 39 149) ist der Arbeitspunkt für den Kollektorstrom des Fototransistors in üblicher Weise im normalen Arbeitsbereich des Transistors gewählt, bei dem die Kollektor-Basisdiode des Transistors in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Basis-Emitterdiode ist durch eine von außen zugeführte Spannung ebenfalls gesperrt. Unter der Einwirkung einer Lichtstrahlung wird diese Sperrspannung überwunden und der Transistor durch die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert. Das erzeugte Ausgangssignai hängt von der Stromverstärkung des Transistors ab. Die Temperaturstabilität der bekannten Schaltung kann durch einen als Diode in Sperrichtung betriebenen Transistor an der Basis des Fototransistors verbessert sein. Wegen der verhältnismäßig niedrigen Verstärkung und der verhältnismäßig langen Ansprechzeit befriedigen solche Schaltungen jedoch in vielen Anwendungsfällen nicht.

Bei Lichtdetektorschaltungen unter Verwendung von Fotodioden ist eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch den Einsatz bekannter Lawinen-Fotodioden erzielt worden, und zwar wegen ihrer hohen Verstärkung und der kurzen Ansprechzeit Es feten jedoch S Instabilitäten auf, die durch Streuungen der Durchbruchspannung der einzelnen Fotodioden verursacht werden. Dadurch ist es außerordentlich schwierig oder kaum möglich, eine große Zahl von Dioden mit einer gemeinsamen Spannungsquelle zu versorgen.

ίο Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine Lichtdetektorschaltung zu schaffen, die eine kurze Ansprechzeit hat und gleichzeitig gute Stabilität und hohe Verstärkung aufweist

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Lichtdetektorschaltung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet daß zwischen die Basis des Fototransistors und einem auf einem Bezugspotential liegenden Punkt eine in bestimmter Richtung gepolte Diode geschaltet ist und durch die Kollektor-Spannungsquelle eine genügend große Spannung an den Kollektor des -Fototransistors gelegt ist um den Fototransistor in Verbindung mit dem durch die Diode fließenden Basisstrom so vorzuspannen, daß er im Lav.inenbereich arbeitet und daß die Stromquelle

2s zwischen den Emitter des Fototransistors und den auf einem Bezugspolential liegenden Punkt geschaltet ist, um einen stabilen Arbeitspunkt für den Kollektorstrom des "Fototransistors einzustellen.

Durch den Betrieb im Lawinenbereich ist die Verstärkung außerordentlich hoch und die Ansprechzeit 1st sehr kurz, weil die Basis-Emitterkapazität des Fototransistors nicht aufgeladen werden muß. Trotzdem arbeitet die Schaltung außerordentlich stabil, weil durch die Stromquelle zwischen dem Emitier des Fototransistors und dem Bezugspotential ein stabiler Arbeitspunkt eingestellt ist.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsheispiels beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig 1 das Schattbild des Ausführungsbcispicls für eine Lichtdetektorschaltung,

Fig.2 Kennlinienscharen für den Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Kollektorspannung bei dem Fototransistor nach F i g. 1.

Die Schaltung in Fig. 1 enthält einen Fototransistor 301, beispielsweise einen npn-Transistor, der so vorgespannt ist, daß er im Lawinenbereich arbeitet. Dieser Betriebsbereich wird üblicherweise als derjenige Bereich definiert, in weichem die Kollektor-Emittcrspannung für die Emitterschaltung größer als BVcko (max. Sperrspannung zwischen Kollektor und Emitter bei offener Basis) ist. In diesem Bereich führt die durch den Lawinendurchschlag bewirkte schnelle Vervielfachung des Stromes zu der gewünschten hohen Stromverstärkung und dem schnellen Ansprechen. Der Lawinenbetrieb von Transistoren wird genauer von J. Millman und H. Taub in »Puls, Digital and Switching Waveforms«, McGraw-Hill 1965, beschrieben.

Die Einstellung des Arbeitspunktes im Lawinenbereich wird durch Zuführen eines negativen Stromes zur Basis des Fototransistors 301 über eine Diode 303 verwirklicht. Die erforderliche hohe Kollektor-Emitterspannung wird aus einer an den Kollektor angeschalteten Quelle 302 gewonnen. Außerdem ist der Transistor 301 zur Verbesserung seines Schaltverhaltens auf einen stabilen Arbeitspunkt für einen gegebenen Kollektorstrom vorgespannt. Dies wird durch Zuführen eines

konstanten Emitterstromes zum Transistor 301 erreicht Der Emitterstrom, der eine gewünschte Größe haben kann, wird durch einen Transistor 310 geliefert, beispielsweise einen npn-Transistor. Die Größe des Emhterstromes wird durch die von de. Quelle 311 an die Basis des Transistors 310 angelegte Spannung und den •Wert des am Emitter des Transistors 310 liegenden Widerstandes 312 bestimmt Die Diode 303 wird durch die über dem Transistor 310 und am Emitter des Fototransistors 301 stehende Spannung in Sperrichtung vorgespannt wodurch ein konstanter negativer Basisstrom erzeugt wird, der für den Fototransistor 301 einen Arbeitspunkt im Lawinenbereich einstellt Wenn die Basis des Fototransistors 301 beispielsweise von der Lichtquelle 308 beleuchtet wird, so wird durch Lawinenvervielfachung am Emitter des Transistors 301 ein Signal erzeugt das über den Kondensator 314 an einen Lastwiderstand 313 ausgekoppelt wird. Die am Widerstand 313 erzeugte Signalspannung kann nach Wunsch benutzt werden, beispielsweise zur Einstellung eines Fhpflops 315.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 1 ist schemalisch an Hand der Kollektor-Kennlinien in Fig.2 dargestellt Es ist der KoJlektorstrom des Fototransistors 301 in Abhängigkeit von der Koilektor-Emitterspannung für negative Basisströme durch die Kennlinien 401 bis 405 sowie für positive Basisströme durch nicht bezeichnete Kennlinien dargestellt Der Fototransistor 301 ist normalerweise so vorgespannt, daß er in einem stabilen Arbeitspunkt beispielsweise dem Punkt 411, betrieben ist wenn kein Licht auf seine Basis auffällt Wenn die Basis beleuchtet ist schaltet das Ausgangssignal der Detektorschaltung wegen der Lawinenvervielfachung schnell vom Arbeitspunkt 411 entlang der Wechseistrom-Lastlinie 410 auf einen anderen Punkt beispielsweise den Punkt 41Z um. Die Steigung der Lastlinie wird in erster Linie durch den Wert des Widerstandes 313 bestimmt Die Größe der A'jsgangsspannungsändening wird durch die Intensität des Lichtes bestimmt das die Basis des Fototransistors 301 erreicht Wenn das Licht der Quelle 308 abgeschaltet wird, kehrt die Schaltung auf den stabilen

Arbeitspunkt 411 zurück. Es findet keine Verrastung statt. Dies beruht auf der Konstantstromquelle mit dem Transistor 310, die den Fototransistor 301 zwingt im Punkt 411 zu arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lichtdetektorschaltung zur Verstärkung eines schwachen, durch eine Lichtquelle erzeugten elektrischen Signais mit einem eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor aufweisenden Fototransistor und einem eine Kollektor-Spannungsquelle und eine Stromquelle enthaltenden Netzwerk zur Einstellung eines ausgewählten Arbeitspunktes für den Kollektorstrom des Fototransistors, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis des Fototransistors (301) und einem auf einem Bezugspotential liegenden Punkt eine in bestimmter Richtung gepolte Diode (303) geschaltet ist und durch die Kollektor-Spannungsquelle (302) eine genügend große Spannung an den Kollektor des Fototransistors (301) gelegt ist, um Üen Fototransistor (301) in Verbindung mil dem durch die Diode fließenden Basisstrom so vorzuspannen, daß er im Lawinenbereich arbeitet, und daß die Stromquelle zwischen den Emitter des Fototransistors (301) und den auf einem Bezugspotential liegenden Punkt geschaltet ist um einen stabilen Arbeitspunkt (411) für den Kollektorström des Fototransistors einzustellen.

2. Lichtdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung eines stabilen Arbeitspunktes (411) für den Kollektorstrom im Bereich des Lawinendurchbruchs dienende Stromquelle einen Transistor {HO) aufweist, dessen Basis-Emitterdiode durch eine Spannungsquelle (311) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, dessen Kollektor mit dem Emitter des Fototransistors -(301) und dessen Emitter über einen Widerstand (312) mit dem auf einem Bezugspotential liegenden Punkt verbunden ist.