DE2511478A1

DE2511478A1 - Schaltungsanordnung zur verstaerkung von fotostroemen

Info

Publication number: DE2511478A1
Application number: DE19752511478
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr Olschewski
Original assignee: Rollei Werke Franke und Heidecke GmbH and Co KG
Current assignee: Rollei Werke Franke und Heidecke GmbH and Co KG
Priority date: 1975-03-15
Filing date: 1975-03-15
Publication date: 1976-09-23
Also published as: GB1506101A; JPS51116690A

Description

ROLLEI-WERKE 13.3.1975

Franke & Heidecke Sü/Hö

Braunschweig

Patentanmeldung

Schaltungsanordnung zur Verstärkung von Fotoströmen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung von Fotoströmen mit einem Feldeffekttransistor (FET) in Sourcefolgerschaltung und einer zwischen Source und Gate geschalteten Fotodiode.

In fotooptischen Meßeinrichtungen kommen Schaltungsanordnungen zur Anwendung, in denen mit Si-Fotodioden Helligkeitswerte gemessen werden. Fotodioden liefern allerdings sehr kleine Ströme und dürfen in Verstärkerschaltungen von anderen Schaltungselementen nicht sonderlich belastet werden. Sie werden daher in Eingangskreisen von Transistoren gelegt, die als Impedanzwandler hohe Eingangswiderstände besitzen. Eine Verbesserung der Meßeinrichtung ist

6Ό9 8 39/0559 ~²~

ORIGINAL INSPECTED

in bekannter Weise durch die Verwendung von Verstärkerstufen mit Feldeffekttransistoren aufgrund ihrer höheren Eingangswiderstände zu erzielen. Hier kommt insbesondere die sogenannte Sourcefolgerschaltung, auch Drainschaltung genannt, in Betracht, in welcher Gate und Source an Nullpotential und Drain demgegenüber an positivem Potential angeschlossen sind und in dem Source- und Gatezweig je ein Widerstand Rs beziehungsweise Rg eingeschaltet ist. Zur Verstärkung der kleinen Fotoströme wird die Fotodiode zwischen Source und Gate des FET angeschlossen.

Fließt infolge von Lichteinfall ein Fotostrom durch die Fotodiode, so erzeugt dieser am Arbeitswiderstand in der Gatezuleitung einen den FET ansteuernden Spannungsabfall. Der durch den FET fließende höhere Strom läßt durch einen in die Sourceleitung gelegten Widerstand ebenfalls einen höheren Strom fließen, der die Ausgangsspannung an diesen Widerstand ^-in weiten Grenzen um die von der Fotodiode am Gate des FET verursachte Spannungsänderung ansteigen läßt.

Solche Grund schaltung en sind hins.ichtlich ihrer

-3-

609839 /0559

251H78

Linearität für hochwertige Meßmethoden noch relativ unzureichend, da der durch den Belastungswiderstand in der Sourceleitung fließende Strom, an dem die Ausgangsspannung abgenommen wird, vom Feldeffekttransistor selbst gesteuert werden muß. Wegen der endlichen Steilheit der Arbeitskennlinie des FET benötigt man zur Stromänderung im erforderlichen Aussteuerungsbereich eine Spannungsänderung zwischen Gate und Source von durchaus nicht zu vernachlässigender Größe, die obendrein wegen der Krümmung der Arbeitskennlinie des FET nicht linear ist.

Die dadurch hervorgerufenen SpannungsSchwankungen der Vorspannung an der Fotodiode lassen aber auch den störenden Einfluß der Eigenkapazitäten der Fotodiode wirksam werden und verringern somit die Grenzfrequenz der Schaltung.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die unter Vermeidung der bekannten Nachteile eine weitgehend konstante Vorspannung an der Fotodiode ergibt und somit wesentlich verbesserte Linearitätsbedingungen zuläßt.

609839/0559 -4-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen pnp-Transistor, dessen Basis mit dem Drain- und dessen Kollektor mit dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistors verbunden und dessen Emitter an die Drainzuleitung angeschlossen ist.

Dadurch wird erreicht, daß eine durch den Fotostrotn der Fotodiode ausgelöste Änderung der Spannung am Gate eine vernachlässigbare kleine Stromänderung durch den Feldeffekttransistor bewirkt, die ihrerseits eine größere Änderung des Kollektorstromes durch den Transistor und den Widerstand Rs hervorruft und an Rs eine Spannungsänderung bewirkt, die nach Betrag und Phasenlage nahezu gleich der auslösenden Spannungsänderung am Gate ist. Mit diesem um einen Verstärker-Transistor erweiterten Sourcefolger wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Spannung zwischen Source und Gate und damit die Vorspannung der Fotodiode völlig unabhängig vom jeweils durch die Fotodiode fließenden Fotostrom nahezu konstand bleibt. Gleichfalls wird durch diese Schaltungsmaßnahme die Linearität der Schaltung erheblich verbessert, da für die Aussteuerung des FET nur ein kleiner, gerader Teil der Arbeitskennlinie gebraucht wird.

-5-

60983 9/0559

■ -5-

251H78

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in die Drainzuleitung zwischen Emitter und Basis des Transistors ein Widerstand geschaltet. Dieser Widerstand dient gemeinsam mit dem Widerstand Rs im Sourcezweig zur Arbeitspunkteinstellung des FET und des Transistors. Durch die Bemessung dieses Widerstandes ist eine Optimierung konstanter Spannungswerte zwischen Source und Gate möglich.

Nachfolgend wird anhand eines gezeichneten Stromlaufplanes ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung näher beschrieben.

Zur exakten Messung von Fotoströmen mit Si-Fotodioden wird in der Schaltungsanordnung von der Grundschaltung eines Sourcefolgers mit einem Feldeffekttransistor (FET) 1 ausgegangen. Das Drain des FET liegt an dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle, während Source und Gate mit dem negativen Pol verbunden sind. Zwischen Sourceanschluß 6 und Gate 12 des FET 1 ist eine Fotodiode 4 geschaltet. Auftretender Fotostrom wird dabei als Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand 5 in der Gatezuleitung gemessen. Mit einem Umschalter 13 kann auf weitere Widerstands-609839/0559 -6-

werte mit entsprechenden Meßbereichen umgeschaltet werden, wie dieses gestrichelt gezeichnet angedeutet ist. An dem Sourceanschluß 6 ist der Widerstand Rs 3 angeschlossen.

Zur Linearisierung der Schaltung und zur Verbesserung der Spannungskonstanz der Vorspannung an der zwischen Gate 12 und Source 6 des FET 1 liegenden Si-Fotodiode 4 wird ein zusätzlicher Transistor 2 derart in die Grund schaltung des Sourcefolgers eingekoppelt, daß dessen Basis 9 am Drainanschluß 7 liegt und dessen Kollektor mit dem Sourceanschluß 6 des FET 1 verbunden ist. Der Emitteranschluß 11 des Zusatztransistors 2 liegt direkt am positiven Pol der Spannungsquelle. Um gleichzeitig sowohl den Arbeitspunkt des FET 1 als auch den des Transistors 2 einstellen zu können, ist ein Widerstand 8 in der Drainzuleitung 15 mit seinem einen Ende am Drain 7 und an der Basis 9 und mit dem anderen Anschluß an Plus der Spannungs-quelle angeschlossen.

Eine in vereinfachter Form die wesentlichsten Merkmale beschreibende Funktionsweise der Schaltungsanordnung ist folgende:

6 0 9839/0559

Fällt Licht auf die Si-Fotodiode 4, so fließt ein Fotostrom, der am Arbeitswiderstand 5 einen Spannungsabfall verursacht, der wiederum am Gate 12 eine Spannungsänderung und somit ein Durch steuern des FET 1 bewirkt. Würde nun, wie es in der üblichen Sourcefolgerschaltung der Fall ist, durch diese Spannungsänderung am Gate 12 nur der FET 1 ausgesteuert, d.h., würde die durch die Spannungsänderung am Gate 12 hervorgerufene SourceStromänderung am Widerstand Rs 3 als entsprechend veränderter Spannungsabfall mit dem Betrag der am Gate 12 anstehenden Spannung verglichen, würde eine für Meßzwecke unzulässig zu hohe Spannungsdifferenz festgestellt werden.

Das bedeutet, daß die Vorspannung an den Anschlußpunkten der Si-Fotodiode 4 mit jeder Änderung der Helligkeit des auftreffenden Lichtes und damit der Fotostromänderung durch die Si-Fotodiode 4 andere Werte annimmt. Zusätzlich zu dem nichtlinearen Verhalten der Schaltungsanordnung addieren sich dann auch noch die ungünstigen Einflüsse der Eigenkapazitäten von Si-Fotodioden, indem sie deren Grenzfrequenz einengen. Auf diese Weise wird die Schaltung arbeitstechnisch langsam.

6 0 9839/0559 ~⁸~

251 U78

Zur Verbesserung der Linearität und vor allem zur Ausschaltung ungünstiger Einflüsse der Eigenkapazitäten der Si-Fotodiode 4 muß eine nahezu völlig konstante Vorspannung an der Si-Fotodiode 4 gewährleistet sein. Das geschieht dadurch, daß ein zusätzlicher Transistor 2-wie beschrieben- in die Schaltungsanordnung eingefügt wird. Der in der Drainzuleitung 15 eingesetzte Widerstand 8 ist dabei derart dimensioniert, daß eine optimale Übereinstimmung der sich durch Lichteinfall auf die Si-Fotodiode 4 ändernden Spannungswerte am Gate 12 mit denjenigen am Widerstand Rs 3 erreicht wird. Durch diese Schaltungsmaßnahmen wird die Vorspannung an der Si-Fotodiode 4 in hohem Maße konstant gehalten. So ruft ein infolge Helligkeitsänderung fließender Fotostrom durch die Si-Fotodiode 4 einen bestimmten Spannungsabfall am Widerstand 5 hervor und es beginnt ein etwas erhöhter Strom durch den FET 1 zu fließen. Dieser steuert über die Basis 9 jedoch sofort den Transistor 2 weiter auf, so daß ebenfalls ein erhöhter Kollektorstrom zu fließen beginnt„ Entsprechend der Schaltungsdimensionierung fließt dieser Kollektorstrom des Transistors 2 zusammen mit dem nunmehr sehr geringfügig erhöhten Sourcestrom über den unmittelbar angeschlossenen Widerstand Rs 3 und steht am Schaltungs-6 0 9 8 3 9/0559 -9-

251 Ul 8

punkt 14 als Spannungsgröße zur Verfügung. Der solchermaßen vom Source- und Kollektorstrom hervorgerufene Spannungsabfall am Widerstand Rs 3 ist so bemessen, daß er dem Spannungswert, der dem am Gate 12 gemessenen mit größter Annäherung gleich ist. Die erreichte höchst mögliche Konstanz der Vorspannung an der Si-Fotodiode wird also in erster Linie durch den Kollektorstrom des Transistors 2 bewirkt. Der Strom durch den FET soll in diesem Fall möglichst nur einen geringen Anteil ausmachen. Die über dem gesamten Bereich der Meßschaltung sich ergebenden Spannungsdifferenzen der am Gate 12 und am Widerstand Rs 3 gemessenen Spannungswerte betragen in der erfindungsgemäß ausgeführten Schaltungsanordnung nur noch wenige Promille, so daß die Vorspannung an der Si-Fotodiode 4 auch für hochwertige Helligkeitsmessungen als ausreichend konstant angesehen werden kann. Mit bisher üblichen Schaltungsanordnungen, die ohne den zusätzlichen Linearisierungstransistor arbeiteten, wurden dagegen Spannungsdifferenzen von einigen Prozent gemessen. Diese Werte sind für hochwertige Messungen, wie ausführlich dargelegt, ungeeignet.

-lo-6 0 9839/0559

Claims

-lo-

ROLLEI-WERKE 13.3.1975

Franke & Heidecke
Braunschweig

A Ioo4

Patentansprüche

ΓΚ. Schaltungsanordnung zur Verstärkung von Foto strömen mit einem Feldeffekttransistor in Sourcefolgerschaltung und einer zwischen Source und Gate geschalteten Fotodiode, gekennzeichnet durch einen pnp-Transistor (2), dessen Basis (9) mit dem Drain (7) und dessen Kollektor (lo) mit dem Sourceanschluß (6) des Feldeffekttransistors (1) verbunden und dessen Emitter (11) an die Drainzuleitung (15) angeschlossen ist.
2. Sourcefolgerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Drainzuleitung (15) zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors (2) ein Widerstand (8) geschaltet ist.

609839/0559