DE2645408A1

DE2645408A1 - Schaltungsanordnung zum vergleich von zwischen zwei teilen einer fotodiodenanordnung auftretenden elektromagnetischen strahlungsintensitaeten

Info

Publication number: DE2645408A1
Application number: DE19762645408
Authority: DE
Inventors: David E Fulkerson
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1975-10-10
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1977-04-14
Also published as: JPS6010568B2; JPS5287078A; US4032801A; DE2645408C2

Description

1005720 Ge 7. Oktober J 976

HONEYWELL IKC.
Honeywell Plaza
Minneapolis, Minn., USA

Schaltungsanordnung zum Vergleich von zwisehen zwei Teilen einer Fotodiodenanordnung auftretenden elektromagnetischen Strahlungsintensitäten.

Die Erfindung bezieht eich auf eine Schaltungsanordnung zum genauen Vergleich elektromagnetischer Strahlungsintensitäten und insbesondere auf einen monolithisch integrierten Schaltkreis zum Vergleich elektromagnetischer Strahlungsintansitäten bei Kameras oder anderen Systemen mit Eingangssignalen in Form von elektromagnetischer Strahlung. Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungsfällen, in denen die Differenz der von verschiedenen Quellen ausgehenden elektromagnetischen Strahlungsintensität als eine Systemeingangsgröße zu bestimmen ist. Beispielsweise wird bei einer Kamera das von einer zu fotografierenden Szene einfallende Licht benutzt, um die Scharfeinstellung der Kamera vorzunehmen. Hierbei werden zwei Bildausschnitte der zu fotografierenden Szene in Beziehung zueinander gesetzt, örtliche Differenzen hinsichtlich der Lichtintensität der beiden aufgenommenen Bilder geben ein Maß für den vorliegenden Fokussierungsgrad und die durch den Vergleich

709815/0913

dieser beiden Bilder erhaltenen Signale, die <lm*ch diese Differenzen vorgegeben sind, können 'zur automatischen Fokussierung dor Karaera benutzt werden.

Bei des: Aushärtung solcher Differenzen hinsichtlich der elektromagnetischen Strahlungsintensitäten ergeben sich Schwierigkeiten, wenn die Auswertung genau sein soll. Finer der G?:ündo für diese Schwierigkeiten liegt in dem ziemlich großen Bereich der elektromagnetischen Strahlungsintensitäten, die church ein solches Verglcichssystem festzustellen sind. Die bei einem Kamerasystem auftretenden Lichtverhältnisse . erptrocken sich hinsichtlich der Intensität über mehrere Größenordnungen. Die Feststellung einer genauen Differenz bei gerinne;* Lichtpegel erfordert eine hohe Verstärkung ohne daß Rausch- und Störsignale von dem Signalverarbeitungssystem aufgenommen werden. Aber auch bei hohen Lichtpegeln muß ein solches System wiederum eine genaue Anzeige der Differenzen zumindest in den Fällen ergeben, in denen die Größe der Differenzen nicht ohnehin bereits zu einer Sättigung des Ileßsysterns führt. Ferner muß ein solches Meßsystem die gewünschten Messungen auch bei großen Schwankungen der Umgebungsbedingungen durchführen, ohne daß hierbei die Genauigkeit der Messung beeinflußt wird. Die bisher vorge- .' schlagenen Schaltungsanordnungen zum Vergleich elektromagnetischer Strahlungsintensitäten, insbesondere für Licht im siebtbaren Bereich, haben von diskreten Bauelementen oder nur teilweise integrierten Schaltungen Gebrauch gemacht. Diese Schaltungen unterliegen jedoch bei geringen Signalpegeln einer Beeinflussung durch Rausch- und Störsignale und sie weisen thermische Fehlanpassungen auf, indem zwar gleich aufgebaute Systemkomponenten unterschiedliche Charakteristiken besitzen. Dies führt zu Fehlern, die zu groß sind, um in einem Präzisionssystem geduldet werden zu können.

709815/0913

2645A08

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung , ein α Schaltungsanordnung ζ um Vergleich von zv?i sehen zwii Teilen einer Fotodioclonanordiiung auftretenden elektromagnetische·.)) Strahlungsintensitäten anzugeben, die mit einem hohen MaH an Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich die Differenz zweier Strahlungsintensitäten angibt, wobei die Meßgenauigkeit weitgehcndst unabhängig von dem Pegel der Strahlungsintensität ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Vie it ere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind den unteranSprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Figur 2 den Aufbau eines monolithisch integrierten Schaltkreises für einen Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Figur 3 ein weiteres schematisches Schaltkreisdiagramm einer zu der vorliegenden Erfindung gehörenden Schaltungsanordnung und Figur 4 ein Blockdiagramm eines von der vorliegenden Erfindung Gebrauch machenden Systems.

Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer Schaltungsanordnung für einen monolithisch integrierten Aufbau, die eine Ausgangsspannung erzeugt, welche dem Logarithmus des Verhältnisses der auf die Fotodioden PD₁ und PD₉ auffallenden Strahlungsintensitäten proportional ist. Der Schaltkreis ist in der Lage, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches in Bezug auf das tatsächliche Verhältnis der Lichtintensitäten nicht mehr als 3 % abweicht. Diese Genauigkeit wird über einen ■

709815/0913

Temperaturbereich von -18°C bis 5O°C und bei Pegelschv/ankur.gen der auffallenden Lichtintensitäten bis 3 oder 4 Größ eraie.lt, wobei gleichzeitig Lichtintensitäten auftreten die so gering sind, daß sie lediglich Ströme im Nanoampere.-bereich in den Fotodioden erzeugen.

Fotodioden werden als Lichtsensoren ausgewählt, da Fotodioden hoher Güte am.s Siliziummaterial hergestellt v/erden können und diese leicht in monolithisch integrierten Schaltkreisen verwirklicht werden können. Schließlich weisen Fotodioden als Lichtsensoren Fotoströme auf, die nahezu linear der Intensität des auffallenden Lichtes zugeordnet sind, wobei diese Linearität über einen weiten Temperaturbereich praktisch unabhängig von der Temperatur ist.

Jede der Fotodioden PD, und PD« ist auf eine Betriebsspannung von ungefähr 0 V vorgespannt, wobei diese meist eine leichte Vorspannung in umgekehrterRichtung von 50 bis 200 mV aufweisen. Dieser Betriebspunkt wird aus zwei Gründen gewählt. Erstens erzeugt der Leckstrom der umgekehrt vorgespannten pn-Sperrsehicht der Fotodiode, d. h. der Dunkelstrom der Fotodiode, ein unerwünschtes Fotodioden-Ausgangssignal, das zu der auf die Fotodiode auftreffenden Lichtintensität in keiner Beziehung steht» Dieser Leckstrom kann durch Verwendung einer Vorspannung von ungefähr 0 V auf ein Miniraum begrenzt werden. Zweitens sollen die Fotodioden PD, und PD₂ nahezu den gleichen Ausgangsstrom erzeugen, wenn jede mit der gleichen Lichtintensität beaufschlagt wird. Die Erfüllung dieses Erfordernisses wird ebenfalls durch die Verwendung einer Vorspannung von ungefähr 0 V gefördert.

Der allgemeine Aufbau der Fotodioden ist aus Figur 2 ersichtlich. Auf einem Siliziumsubstrat 20 vom p-Leitfähigkeitstyp mit einem spezifischen Widerstand von 2 bis 5 SEcm befindet sich eine epltaxiale Siliziumschicht 21 vom n-Leitfähigkeitstyp mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 1,5 Sc cm.

709815/0913

Zwo! elektrisch isolierte Bereiche 22 und 23 sind innerhalb einer Vielzahl solcher Bereiche in dem monolithisch integrierten Schaltkreis dargestellt. Diese Bereiche sind einerseits durch pn-Halbleitersperrschichten, wie nie zv7inchcn den isolierten Bereichen 22 und 23 gebildet sind und andererseits durch das Substrat 20 und eindiffundierte Isolationsbereiche 24, 25 und 26 voneinander getrennt. Der isolierte Bereich 22 dient als Kathode für eine der Fotodioden gemäß Figur- 1. Die pn~llalbleitersperrschicht, die den isolierten Bereich 22 umgibt, ist die für eine Fotodiodencharakteristik, erforderliche Sperrschicht. Das Substrat 20 und die Isolationsbereiche 24 und 25 dienen als Anode der Fotodiode.

Die in dem Schaltkreis gemäß Figur 1 benutzten Fotodioden müssen verhältnismäßig groß sein, so daß der isolierte Bereich 22 in Bezug auf die bei monolithisch integrierten Schaltkreischips verwendeten Standardgrößen verhältnismäßig groß ist und etwa eine Größe von 0,3 mm χ 1,0 mm aufweist. Diese verhältnismäßig große Flächenausdehnung ist erforderlich, um einen ausreichenden Fotodioden-Ausgangsstrorn hinsichtlich des auftreffenden Lichtes 28 auf die Oberfläche. 27 der Epitaxialschicht zu erzeugen. Die geometrischen /abmessungen der Fotodioden PD₁ und PD„ müssen ferner nahezu identisch sein, um , eine nahezu gleiche Signalauswcrtung sicherzustellen. Großflächige Fotodioden unteirstützen diese Zielsetzung, da bei ihnen kleine Fehler hinsichtlich der geometrischen Abmessungen von geringerem Einfluß als bei Fotodioden mit kleiner Fläche sind.

Der monolithisch integrierte Schaltkreis gemäß Figur 2 zeigt anstelle des vollständigen monolithisch integrierten Schaltkreises nur typische Komponenten desselben und ist ferner insofern nur unvollständig dargestellt, als auf die Darstellung von Ir.olationsschichten und der die Verbindungen herstellenden Metallisierung verzichtet wurde. Der dargestellte monolithisch

70981 5/0913

integrierte Schaltkreis ebenso wie der restliche nicht darger.tr·.'!!te monolithisch integrierte Schaltkreis werden in herkümm.l j .ciier Technik borg orj tollt, wobei die Verwendung von Isolation'-.ijchicbtcn und einer Metallisierung für die Verbindung der i^:y;;,teniteile im Stand der Technik bestens bekannt ist. Elektrische Kontakte für die Fotodioden können bei der Metallisierung mittels Aluminium hergestellt werden, wobei ein ohiu' .scher Kontakt mit einem kleinen eindiffundierten Kontaktbereich 29 hergestellt wird und dieser Kontakt als Kathodenkonteikt dient. Als Anoc7.cinkontP.kt wird ein weiterer obm¹ scher Kontakt vorgesehen, der mit denn Substrat 20 oder irgendeinem der Tsolations-bereicho 24 bi.y 26, vorzugsweise jedoch mit einem der am nächsten liegenden Isolationsbereiche 24 oder 25 verbunden wird.

Gemäß Figur 1 wird die Vorspannung der Fotodioden PD₁ und.PD„ durch bipolare Transistoren Q,,_f Q₁,, Q_{1 ς} und einen Widerstand R, bewirkt. Der bipolare Transistor Q_no dient als Referenz-Spannungsdiode, wobei die abfallende Spannung durch die Basis-Emitter-Diodencharakteristik des Transistors und den Strom festgelegt ist, der über den Widerstand R, fließt und aus der Spannungsquelle V gespeist wird. Der Widerstand R, weist einen Wert von ungefähr 100 kSt. auf. Der Strom durch den Transistor Q₁-, ist beträchtlich größer als die Ströme durch die Transistoren Q . oder Q_1r, so daß der Spannungsabfall über dem als Diode betriebenen Transistor Q₁₃ immer leicht größer als der Spannungsabfall über den Basis-Emitterstrecken der bipolaren Transistoren P₁. und Q₁C ist. Der Spannungsabfall über dem Transistor Q₁-J/ der den Spannungsabfall über den Easis-Einitterstrecken der Transistoren Q,. und Q₁₅ übersteigt, steht über den Fotodioden PD₁ und PD„ an, wobei dieser Spannungsabfall immer verhältnismäßig klein ist, sofern die Charakteristiken der Transistoren Q₁ ^ bis Q₁ ,- aneinander gut angepaßt sind. Wie eingangs festgestellt, bewegt sich dieser Spannungswert ungefähr zwischen 50 und 200 mV, wobei dieser Wert mit veränderlichen Fotoströmen Schwankungen unter1iegt.

70981 5/0913

Die bipolaren Transistoren Q-, . und Q,_r dienen einem weiteren Zweck. Jeder dieser Transistoren wirkt als Stromwandler, indem er den in der Fotodiode erzeugten Foto strom der im Emitter Jcr eis eines jeden Transistors auftritt, in einen ungefähr gleichgroßen Strom im Kollektorkreis dieses Transistors umwandelt, so daß de.v umgewandelte Strom _r d. h. der Kollektorstrom im Kollektorkreis einer; jeden Transistors durch die in diesem Kreis angeordnete Last fließt. Der Strom im Kollektorkreis eines jeden der Transistoren Q,, bzw.. Q-jc steht in nahezu linearer Beziehung zu dem im Emitterkreis auftretenden Strom, wobei diese Beziehung durch die gemeinsame Basisstromverstärkung esc eines jeden dieser beiden Transistoren im aktiven Betrieb vorgegeben ist. Tatsächlich entspricht der Kollektorstrom nahezu dem Emitterstrom bei Transistoren hoher Güte, bei denen die Basisstromverstärkung ungefähr den Wert 1 aufweist. Die gemeinsamen Basisstromverstärkungen müssen erneut sehr genau aufeinander angepaßt sein, wenn der Schaltkreis gemäß Figur 1 die zuvor angedeuteten Toleranzen erfüllen soll.

Gemäß Figur 2 v/eist der isolierte Bereich 23 einen bipolaren Transistor von der Art auf, wie sie bei dem monolithisch integrierten Schaltkreis verwendet werden, obgleich hinsichtlich der verschiedenen bipolaren Transistoren innerhalb des integrierten Schaltkreises hinsichtlich der Größe einige Abweichungen vorgegeben sein können. Der bipolare Transistor besitzt eine verdeckte Schicht 30, die in den isolierten Bereich 23 eingreift und zusammen mit diesem den Kollektor des Transistors bildet. Ein elektrischer Kontakt mit dem Kollektor wird durch eine nicht dargestellte Metallisierung in Form eines ohm¹sehen Kontaktes mit einem Kollektor-Kontaktbereich 31 hergestellt, wobei der Bereich 31 ein hochdotierter Bereich von η -Leitfähigkeitstyp ist. Ein Basisbereich 32 vom p-Leitfähigkeitstyp und ein Hmitterbereich 33 vom η -Leitfähigkeitstyp sind ebenfalls vorgesehen, wobei geeignete ohm'sche Kontakte mit diesen Bereichen durch eine nicht dargestellte Metallisierung hergestellt werden.

709815/0913

Die Transistoren Q₁., bis Q-. r- sind alle von dorn im Bereich 2.3

1.5 J. D

dargestellten Typ, wobei alle hinsichtlich ihrer Basis-Emitter-Diodencharakteri .silk streng aneinander angepasste Werte aufweisen rau σ Ken. Ferner müssen die Transistoren Q. . und Q, _r au η den zuvor erläuterten Gründen eine gut aufeinander abgestimmte gemeinsame Basisstromverstärkung aufweisen. Diese Forderung beinhaltet _t daß die geometrischen Abmessungen dieser Transistoren bei ihrer Bildung in der Epitaxial schicht einander sehr ähnlich nein müssen. Ferner müssen diese Transistoren im Hinblick auf ein gleiches Temperaturvcrhalten in benachbar angeordneten isolierten Bereichen des monolithisch integrierten Schaltkreises angeordnet sein, um zwischen ihnen, auftretende Temperaturunterschiede zu vermeiden. Schließlich müssen die Transistoren Q_w und Q. _r jeweils eine gleich hohe Einitterstromverstärkung ß aufweisen, da diese Transistoren in der Schaltungsanordnung gemaß Figur 1 nur von sehr kleinen Basisströmen beaufschlagt' werden. Die Basisströme sind klein im Hinblick auf die kleinen in den Emitterkreisen auftretenden Fotoströme. Die Emitterstroitiverstärkung muß bei Raumtemperatur 20 oder mehr betragen, bei einem Kollektorstrom von 2 nA für eine einwandfreie Funktion des Schaltkreises.

Gemäß Figur 1 wird die elektrische Last im Kollektorkreis der bipolaren Stromwandlertransistoren Q,. und Q₁₅ durch ebenfalls bipolare Transistoren der Art, wie sie in dem isolierten Bereich 23 gemäß Figur 2 dargestellt sind, gebildet. Jedoch ist die Basis eines jeden Transistors mit dessen Kollektor kurzgeschlossen, so daß der Transistor als Diode arbeitet, wobei die Basis-Emitter-Sperrschicht zur Erzeugung der Diodencharakteristik benutzt wird. Jedem der Transistoren Q, , und Q.,- ist somit eine Reihe von Dioden zugeordnet, die als Last im Kollektorkreis dieser Transistoren dient.

Im Hinblick auf eine einwandfreie Funktion des Schaltkreises müssen diese Dioden wiederum streng aneinander angepaßte Kennlinien aufweisen und diese Dioden sind daher in einer Gruppe

709815/0913

von benachbart angeordneten .isoliori-.cn Bereichen dec rsonolithisch integrierten Schaltkreisenip« angeordnet. Die Dioden wruen aus diese): Gruppe abwechselnd ausgewählt_f um Strukturunterschiede, die in dem monolithisch integrierten Schaltkreiscljip auftrete:), in ihrer Auswirkung auf d;i.e Diodenreihen auf ein Miniifsuja zv begrenzen. Ein streng aufeinander angepaßtes Teri'pcraiurverhal-ten der Diodenreihon kann ebenfalls am besten durch diese gruppenweise Anordnung der Dioden erzielt werden, indem Tempcraturgxödienten zvrischen einzelnen Dioden soweit wie möglich eliminiert v/erden. Durch Verwendung einer Anzahl von Dioden werden ebenfalls kleine zufällige D.i fferenzen in der Charakteristik und j.m Aufbau zwischen den Dioden ausgemi ttelt. Die Schwankung des Spannungsabfalles über der Diodenreihe auf Grund zufälliger Kennlinienverschiebungen einer jeden Diode^ die herstellungsbedingt,, materialbedingt usw. sein können, werden um einen Faktor von 1/ V ~n reduziert, wobei η die /inzahl der Dioden in einer Reihe darstellt. Dies ergibt sich durch die Tatsache, daß die Charakteristik einer jeden Diode innerhalb einer Reihe der Charakteristik einer anderen Diode in der anderen Reihe entspricht, was zu einer mittleren gleichmäßigen Charakteristik führt.

Die Verwendung einer solchen «treingespeisten Diodenreihe im Ausgangskreis eines Stromwandlers führt zu einer logarithmischen Stron\/Si:>annungs-Signalumwand.lung. Die Ursache hierfür ist in der typischen Diodenkennlinie vieler Halbleiter-pn-Sperrschichten zu sehen, die sich wie folgt beschreiben läßt:

¹E ^{β 1}S (exp^ -D .

Diese Formel kann in der nachstehenden Weise umgeschrieben werden, wenn die Sperrschicht im wesentlichen in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist:

^VBE ⁼ q-^{ln (}ϊ~>

7098 15/0913

In dienen Formeln rcpräsentiert I den Emitterstrom, der als

Jj

Dioden betriebenen Transistoren der Reihe, X den Dioden-Sätticjuftfjsstroir., k die Eoltzmann Konstante, q die Eloktronen-3adung und T die absolute Temperatur.

De;}.- t.i.'i.-iiL'chliche Spannungsabfall über einer Diodenreihe ergibt sich wie folgt:

V = n—ln(=H) ,
Reihe q ¹Q

wobei η die Anzahl der Dioden einer Reihe repräsentiert.

Eine detaillierte Analyse dieser ersten Stufe des Schaltkreise..'» gemäß Figur 1 führt zu einem weit komplexeren Ausdruck, wenn alle Fehlerquellen berücksichtigt v/erden, um eine Fehleraufstellung für jede Schaltkreisstufe vorzugeben. Eine solche Aufstellung legt die Anpassungserfordernisse_f die Kompensationserfordsrnisse und andere Schritte fest, die bei der Auslegung dieser Stufe zu berücksichtigen sind, wenn die vorgegebene GcFamtfehlertoleranz für den Schaltkreis gemäß Figur 1 eingehalten werden soll. Die detaillierte /analyse baut auf den Gesarat-Foto ütrörnen als Schaltkreiseingängen anstelle der Lichtintensitäten auf, da eine deutliche lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und dem Fotodiodenstrom besteht, die weitgehendst temperaturunabhängig ist.

Die unten angegebenen Formeln geben die an den Kollektoren der bipolaren Stromwandlertransistoren Q, . und Q, t- anstehende Differenzspannung an. Diese Differenzspannung ist eine Spannung, die in der Praxis nicht gemessen werden kann, da die Verwendung eines Tasters trotz seines hohen Eingangswiderstandes auf Grund der niedrigen fließenden Ströme das Verhalten des Schaltkreises stark verstimmen würde. Der Strom I , der von der aus den Transistoren Q,, und Q,₆ zusammen mit den Widerständen R, und R. gebildeten Stromsenke aufgenommen wird, bildet einen getrennt

70981 5/0913

festlegbaren Parameter . Die Formel für die Spannung V. , d. h. die Differenz der Spannungen an den Kollektoren der Transistoren lautet wie folgt:

Q, _t und

ν. ~E^£i

in q ' ·

:"^LPD2^ai5

320\ Sl S2 S3 S4 S5 S6

⁽¹"^αΐ7⁾⁽¹~^αΐ9^{) 1}E

¹Si₇ ¹SIg ·*· ^20

V_inq _eXp _ m

2kT

^e2°

1 +

J-Ia

₁ q

In diesen Formeln repräsentiert

bzv/.

den Fotostrom

der jevie.iligen Fotodiode, °C die Basisstromverstärkung, wobei m sich auf die Nummer de:s jeweiligen Transistors bezieht, "J₀ den Sättigungsstrom der Basis-Emitterdiode des jeweiligen Transistors, wobei m die Nummer des jeweiligen Transistors bezeichr net, I_ den Emitterstrom des Transistors, wobei m wiederum die Nummer des jev;eiligen Transistors bezeichnet, k die Boltzmann Konstante, q die Elektronenladung und T die absolute Temperatur.

Wie aus den vorstehenden Gleichungen hervorgeht, sind die

Kollektoren der Transistoren Q,. und

zwischen denen die

Differenzspannung V. auftritt, an einen Differenzverstärker angeschlossen, der aus den bipolaren Transistoren Q,, bis Q^₀ und den Widerständen R₂ bis R. besteht. Die große Empfindlichkeit der an die Kollektoren der Transistoren Q₁₄ und Q₁₅ angeschlossenen Last, die eine Verwendung eines extern angeschlossenen Meßtasters ausschließt, erfordert ebenfalls, daß

709815/0913

die Bo In stung durch den Different vor stärker nur sehr gering ist. Diese geringe Belastuny wird erreicht durch die Verv/onclung vr-n zwei .in einer Darliiigton--.'ichaltui-)g betriebenen Transistorpc^-xt-n, die den Differenzverstärker bilden, wobei die Transi.storpaaro der Darlingtonschaltung einen Verstärkungsfaktor von ungefähr 6.000 oder mehr bei Zimmertemperatur und bei einem Kollektorstrom eines jeden Paares von 1 tih ergeben.

Ferner iv.uß die Kennlinie der Dariington-Transistorpaare sehr gut aneinander eingepaßt sein und es v/erden daher die Transistoren Q₁₇ bis Q„ in. ihrer Geometrie sehr ähnlich aufgebaut und in den vier Quadranten eines Quadrates angeordnet, so daß die Transistoren in dem monolithisch integrierter! Schaltkreis alle einander benachbart Bind. Die Transistoren in diagonal gegenüberliegenden Quadranten werden zur Bildung eines Darlington-Transistorp'aares benutzt, wodurch eine verbesserte Anpassung der Kennlinien erzielt wird.

Wie zuvor erwähnt, dient der Transistor Q,g als Stromsenke für den Differenzverstärker. Der Senkenstrora I wird durch den Widerstand im Emitterkreis des Transistors Q,g festgelegt, wobei dieser Widc=rstand R- einen Wert von ungefähr 40 kß aufweist. Der bipolare Transistor Q₁₃ und der Widerstand R₁ dienen der Bildung einer geeigneten Bezugsspannung für die Basis-Emitterstrecke des Transistors Q-, f Da. eine bessere Temperaturkennlinie erzielt werden kann, wenn die Transistoren O₁ ^ und Q₁, einander benach--

Xj Id

bart sind, wird der Transistor Q₁₆ in dem monolithisch integrierten Schaltkreis dem Transistor Q₁₃ benachbart angeordnet, so daß die Transistoren Q, _o bis 0, _c ebenfalls in vier Quadranten

'±J "Ib

eines Quadrates angeordnet sind. Diese Art der Ausbildung einer Stromsenke ist ferner relativ unabhängig von der Spannungsversorgung V₁.

709815/0913

Der Differenzverstärker besitzt- KoUektor-Lastwiderstände R,. unc! R,,. Diese Wider stände müssen wiederum eine genau angepaßte Größe aufweisen und sie sind duber in zv;ei Reihen Widerstände aufgeteilt, wobei alle vio.r Wi derstände air. Quadranten eines Quadrates in dein monolithisch Integrierten Schaltkreisaufbau einander benachbart sind. Widerstände in diagonal gegenüberliegenden Quadranten sind in Reihe geschaltet und bilden die Widerstände R~ und R,, wobei jeder Kollektor--Lastwiderstand einen Viert von ungefähr 100 kQ. aufweist.

Ein Differenzverstärker, der nicht Teil eines Rückführsehaltkreises ist, wie dies oftmals bei der Verwendung eines Operationsverstärkers der Fall ist, um bei analogen integrierten Schaltkreisen eine geeignete Verstärkung und Last zu bilden, wird im vorliegenden Frill gewählt, um eine Last für die Kollektoren der Transistoren Q, . und Q,_r vorgegeben. Dieser Differenzverstärker wird nicht mir zur DifferenzverStärkung der Eingangsspannung V.. und zur Vorgabe eines hohen EingangswiderStandes benutzt, sondern auch als offener Kreis, um eine Begrenzungscharakteristik für größere Werte der Spannung V. durch den Differenzverstärker zu erzielen. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers V , wächst,nachdem der Absolutwert der Eingangsspannung V. ungefähr 100 mV überschritten hat, nur noch unbedeutend in Abhängigkeit von dieser wachsenden Eingangsspannung an. Bei Absolutspannungen unterhalb dieses Grenzwertes wächst die Differenz-Ausgangsspannung V, des Differenz-Verstärkers nahezu linear mit wachsender Eingangsspannung V. Dies bedeutet, daß der Differenzverstärker Grenzen hinsichtlich seines maximalen und minimalen Ausgangssignales aufweist, über die die Ausgangsspannung V , nicht hinausreicht. Bei größer werdenden Differenzen hinsichtlich der Lichtihtensitäten auf den Fotodioden PD₁ und PD₀ bleibt daher das Ausgangssignal des Differenzverstärkerξ unbeeinflußt.

709815/0913

Dei der Einfassung dos monolithisch integrierten .Schaltkreises in ein Gehäuse wc-rcleri bestimmte Toil;-· des Schaltkreise'·; _f die die Fotodioden PD, und PD₃ enthalten, von diesem Gchöuce nicht überdeckt, so daß sie dein Licht ausgesetzt V/'orden können, dessen Intensität zu vergleichen ist. Dagegen ist es von Vorteil, venn der verbleibende Teil des monolithisch integrierten Schaltkroiso:? gegen dar Licht abgeschirmt ist. Diese Abschirmung kann jedoch häufig nicht vollständig sein. Dan Licht, das auf die ungeschützten Teile des Schaltkreischipn fällt, verursacht in allen pn-Sperr-schichten Fotoströine, wobei dies auch für die Darlington-Transistorpciaro des Diffcrem-verstärkers zutrifft.

Dies stellt eine höchst unerv/ünechte Tatsache im Hinblick auf die Kennlinie des Differenzverstärkers dar, da di.c Ströme der Basen der Transistoren Q,„ und Q„_r keinen alternativen Stromweg vorfinden und die Transistoren Q,_g und Q_ mit niedrigen Basisströmen arbeiten. Aus diesem Grund sind Dioden D, und D₂ zur Ableitung der über der Kollektor-Basis-Halbleitcrsperrschicht erzeugten Fotoströme der Transistoren Q, _c. und Q„„ vorgesehen. Die Dioden D, und D_? sind in unmittelbarer Nachbarschaft der Transistoren Q, „ und Q„ angeordnet, so daß ihre. Kennlinien aneinander angepaßt sind und sie der gleichen Strahlung ausgesetzt sind. Die Dioden D, und D„ weisen die gleiche Struktur wie die Transistoren Q-, _c, und Q_o_ auf, mit der Ausnahme, daß der Emitterbereich fehlt. Die Dioden D. und D- werden durch Kollektor-Basis-Sperrschichten gebildet, die den Kollektor-Basis-Sperrschichten der Transistoren Q-.g und Q₂₀ entsprechen, obgleich sie einen etwas größeren Sperrschichtbereich zwecks Bildung einer Fotostromsenke aufweisen. Es werden daher ungefähr gleiche oder etwas größere Fotoströme in den Dioden D, und D^ als in den Kollektor-Basis-Spcrrschichten der Transistoren Q,ρ und Q„ erzeugt. Die Dioden D. und D„ leiten die in den Kollcktor-Basisdioden der Transistoren Q_ig und Q₂₀ gebildeten Fotoströme aus den Basisströmen ab, so daß diese Foto-

709815/0913

ptröino die Konnlinie des Diffcrenzvorstärkere nicht beein
f Iu;:'. f.; cn.

Die nöglichc Fchlorcmf yL'ollung hinsichtlich der /msgangsspannung V , des Dif fcrojizverstärkers führt zu folgendem
formelmaßigen Äusdruch ;

, == I
od ο

^(al8^+a20

^al8^a20^)R3

Die in dieser Formel verwendeten Symbole wurden bereits anhand der vorangehenden Gleichungen erläutert. V. errechnet sich aus einer der vorangehenden Gleichungen. Die Dioden D, und D„ sind in der vorstehenden Gleichung nicht berücksichtigt.

Es wurde bereits festgestellt, daß die Kollektoren der Transistoren Q,. und Q-, _r in Bezug auf die ein sie angeschlossene
Last sehr empfindlich sind. Aus dem gleichen Grund muß der
Widerstand, der die Last am /ausgang des Differenzverstärkere bildet, sehr hoch sein, wenn sich Lastschwankungen nicht auf die Eingangsseite des Differenzverstärkers und damit auf die Kollektoren der Transistoren Q₁₄ und Q₁₅ übertragen sollen.
Um diesem Problem gerecht zu werden, ist auf jeder Seite des Differenzverstärkerausganges ein bipolares Darlington-Transistor-

709815/0913

paar aln Emitterfolger angeordnet, wobei jeder Emitter .Colgor als Impedanzwandler arbeitet. Jeder End tterfolgar bereit kleinen sehr hohen Kingfingsv/jr'ierstand und einen relativ geringen AuGgangsviiderotanä zur Speisung weiterer nachgv.Gchalteter Schaltkreise, wobei eine Belastung der Kollektoren der Transistoren Q-. . und Q. ^ durch diese v;eiteren Schaltkreise vermieden wird.

Die Transistoren Q₂-, und Q₂₂ des ersten Darlington-Transistorpaares müssen mit ihrer Kennlinie eng an die Kennlinie des durch die Transistoren Qor> und Qo/ gebildeten Dcirlington-Transistorpaares angepaßt sein. Die bipolaren Transistoren Q^-, bis Q„. v/eisen daher alle den gleichen /aufbau auf und sie sind einander gegenüber in den Quadranten eines Quadrates angeordnet. Die beiden Transistoren eines Darlington-Paares sind hierbei in der Diagonale des Quadrates angeordnet. Die Stromverstärkung der Darlington-Schaltung beträgt bei Raumtemperatur ungefähr 10.000 oder auch mehr bei einem Kollektor-Aungangsstrom von 50 uA. Die Lastwiderstände R- und R^ des Emitterfolgers müssen ebenfalls aneinander angepaßte V7erte aufv.'eisen und sie sind daher in dem monolithisch integrierten Schaltungsaufbau einander benachbart angeordnet. Jeder Widerstand besitzt einen Wert von ungefähr 50 kj£ .

Die Gleichungen für den Betrieb des Emitterfolgers können nicht vollständig genau festgelegt werden, ohne daß man die elektrischen Exngangskenngroßen der weiteren nachgeschalteten Schaltkreise kennt. Im allgemeinen sind diese Kenngrößen nicht bekannt und es sind daher in Figur 1 nur die Ausgangsströme I , und I angegeben. Die Differenz-Ausgangsspannung V des Schaltkreises gemäß Figur 1 führt hinsichtlich der Fotoströme Ip .. und Ip_D? zu einem logarithmischen Verhältnis, welches· durch die nachstehen Gleichungen angegeben wird:

709815/0913

^vo ^{=; V}od

vr

In

(l-a₂₂) 1

^{i a}22^)J E22

S21^IS22

^n ^2k*

-E24^R6 ⁺ q

¥ο^(α18^+α2θ"^α18^Β2θ) 1 +

«on\V2

Die in den obigen Gleichungen verwendeten Symbole bedürfen keiner Erläuterung, da sie bereits anhand der weiter vorne aufgeführten Gleichungen erläutert wurden.

Aus den vorstehenden Gleichungen, die die Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Figur 1 beschreiben, kann entnommen werden, welche kritischen Anpassungen in den Schaltungsstufen des monolithisch integrierten Schaltkreises vorzunehmen sind. Ferner kann der zu tolerierende Grad an Fehlanpassung hinsichtlich einer Schaltkreisstufe und der Ausgleich zwischen den Stufen festgelegt werden, um die Fehlertoleranz des Gesamtschaltkreises nicht zu überschreiten. Schließlich kann die Gesamtdifferenz im Hinblick auf die Temperatur festgelegt werden, um die erforderliche thermische Anpassung zu bestimmen.

709815/0913

Dar, f.ignal V am Ausgang des Sehaltkreises gemäß Figur .1 kann entweder positiv odor negativ sein, je nachdem, welche Fotodiode PD, odor PD₂ die größere Lichtmengc zugeführt erholt. Für v-i neu Vergleich ist jedoch oftmals nur ein Größenvergleich erwünscht, der.- beträcht] ich erleichtert wird _r wenn die Signale, die die LichtintenKitätsdiffcrenz repräsentieren, ein und dicGc3.be Polarität aufweisen. In dein monolithisch integrierten Schaltkreis kann dieser Forderung durch die Verwendung eines absolutwortbildenden Schaltkreises gemäß Figur 3 genügt werden. Das /uisgangssignal V des Schaltkreises gemäß Figur 1 wird nach seiner Verstärkung einem Eingang 40 des Schaltkreises gemäß Figur 3 zugeführt. Der Absolutwert des Signales an der Eingangsklemme 40 wird an der Ausgangsklemrae 41 ausgegeben, wobei der Spannungsabfall einer Diode von diesem Wert subtrahiert wird.

Die bipolaren Transistoren 42 und 43 bilden einen Differenzverstärker, der einen Polaritätswechsel in Bezug auf das Eingangssignal ara Eingang AO am Ausgang des Differenzverstärkers erzeugt. Der Ausgang des Differenzverstärkers wird am Kollektor des Transistors 42 abgenommen, wobei dieser Ausgang an einen Transistor 44, der als Emitterfolger betrieben wird, angeschlossen ist. Ein Emitterwiderstand 45 mit einem Wert von 25 k£? dient als Strornsenke für den Differenzverstärker, während ein Kollektorwiderstand 4 6 mit einem Wert von 40 kSI die Ausgangslast für den Differenzverstärker vorgibt. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers, d. h. die Basis des Transistors 43 ist über einen Widerstand 47 mit einem Wert von 10 k£L an eine Bezugsspannung angeschlossen. Der Eingang 40 ist über einen Widerstand 48 von ebenfalls 10 kΏ mit dem Differenzverstärker verbunden.

Der als Emitterfolger betriebene bipolare Transistor 44 weist in seinem Emitterkreis einen Ausgangs-Lastwiderstand 49 von 20 k££. auf. Das Ausgangssignal des Emitterfolgers am Emitter

709815/0913

des Transistors 44 ist auf don Eingang des Differen^verstärkers über einen Rückführungswiderstand 50 mit einem Wert von 10 kid zurückgekoppelt. Zur Stabilisierung des Rückkoppliingsnetzwerkes, bestehend cius dem Diff crenzverstärker und dem Emitterfolger ist ein Kondensator 51 mit einer Kapazität von 40 pP zwischen den Eingang des Differenzverstärker s land die Basis des Emitterfolgers 44 geschaltet. Durch diese Rückkopplungs-Verstärkerkombination wird die Polarität des Eingangssignales am Ausgang des Emitterfolgers 44 umgekehrt»

Das am Emitter des Transistors 44 abgenommene Ausgangssignal des Emitterfolgers und das Eingangssignal am Eingang 40 werden beide einem Paar bipolarer Transistoren zugeführt, die als Emitterfolger geschaltet sind und einen gemeinsamen Ausgangs-Lastwiderstand aufweisen. Das am Eingang AO anstehende Eingangssignal wird dem ersten Transistor 52 des Transistorpaares zugeführt, während das an dem Emitter des Transistor's 44 auftretende Signal dem jeweils anderen Transistor 53 des Transistorpaares zugeführt wird. Der Ausgangswiderstand 54 des absolutwertbildenden. Schaltkreises ist für die beiden Emitter der Transistoren 52 und 53 gemeinsam angeordnet und besitzt einen Wert von 20 ki?. , wobei über einen Widerstand 55 von ebenfalls 20 k5t die über dem Widerstand 54 abfallende Spannung abgegriffen wird. Von den beiden Transistoren 52 und 53 wird immer derjenige durchgeschaltet, der mit dem positiven Signal beaufschlagt wird. Bei einer hinreichenden Größendifferenz zwischen den den Transistoren 52 und 53 zugeführten Signalen wird einer der beiden Transistoren vollständig durchgesteuert. Da dem Emitterfolger-Transistorpaar 52 und 53 sowohl das Eingangssignal, als auch das in seiner Polarität umgekehrte Eingangssignal zugeführt wird, wird immer einer der beiden Transistoren 52 bzw. 53 durchgeschaltet. Das Eingangssignal tritt in Form des Absolutwertes als Spannungsabfall über dem Widerstand 54 auf.

709815/0913

Zum Zwecke des R13dvergloichr> ist eine Anordnung von Fotodetektoren erforderlich, um Teile eines Bildes miteinander zu vergleichen. Wenn eine Anordnung von Fotodetektoren in zvrai Teile unterteilt ist, so befindet sich die Fotodiode PD, in dem einen Teil der Anordnung und die Fotodiode PDp in dem anderen Teil der Anordnung, wobei beide Fotodioden in de;« Teilen der Detektor anordnung symmetrisch in Beziehung auf die zu vergleichenden Bilder angeordnet sind. In diesem Fall wird eine Anzahl von Schaltkreisen gemäß Figur 1 vorgesehen, wobei eine entsprechende Fotodiode aus jedem Teil der Detektoranordnung zum Vergleich der verschiedenen Teile der Bilder herangezogen wird. Mit anderen Worten befindet sich jede Fotodiode in einem Schaltkreis gemäß Figur 1 und jede Fotodiode eines Fotodiodenpaares in einem solchen Schaltkreis ist unterschiedlichen Teilen der Detektoranordnung zugeordnet. Ein solches System ist in Figur 4 dargestellt, wobei mit den Bezugsziffern 60, 61 und 62 Schaltkreise gemäß Figur 1 bezeichnet sind. Jeder dieser Schaltkreise ist mit seinem Ausgang an Verstärkerschaltkreise 63, 64 und 65 angeschlossen. Die /uingänge dieser Verstärkerschaltkreise sind ihrerseits an absolutwertbildende Schaltkreise 66, und 68 angeschlossen, die in der Art realisiert sein können, wie dies in Figur 3 dargestellt ist.

Die einen Block 60, einen Block 63 und einen Block 66 aufweisenden Vergleichskanäle sind mittels eines Summierverstärkers zusammengefaßt, der die Summe aller Ausgangssignale der Vergleichskanäle bildet. Dies ist eine Möglichkeit, mit der eine Übersicht über alle Differenzen zwischen den beiden auf den Teilen der Detektoranordnung entstehenden Bildern erzielt werden kann. Das Ausgangssignal eines jeden Vergleichskanales stellt den verstärkten Absolutwert des am Ausgang eines Blockes 60 vorhandenen Signales dar. Da das durch jeden Block 60 ermittelte Signal die Differenz zwischen dem Logarithmus zweier Fotoströme darstellt, bildet jedes Signal eines Blockes 60 den Logarithmus des Verhältnisses dieser beiden Fotoströme,

709815/0913

wobei jeder Fotostrom durch eine Fotodiode in einer getro.pj.iten Gruppe der Detektoranordnung gebildet wird. Die f.estgestellte Summe stellt somit die Gesamtsumme aller Verheiltnisse von.

Fotoströmen dar _f wie sie in den Blöcken 60 erzeugt werden,

d. h* die Summe der Verhältnisse von Fotoströmen für jedes Paar Fotodioden in der für einen Vergleich ausgewählten Detektoranordnung.

Die. durch die Blöcke 61, 64 und 67 bzw, 62, 65 und 68 dargestellten Vergleichskanäle stellen zwei Vergleichskanäle dar, die für einen Vergleich der Lichtintensitäten nicht benutzt werden. Auf Grund der hohen geforderten Präzision hinsichtlich der Vergleichskanäle, die für einen genauen Vergleich der Lichtintensitäten des Bildes erforderlich ist, wird eine Auswahl brauchbarer Vergleichskanäle auf dem monolithisch integrierten Schaltkreischip vorgenommen. Bei der Anordnung gemäß Figur 4 werden nur die besten 6 von 8 Vergleichskanälen benutzt.

Die Summiereinrichtung 69 wird durch einen herkömmlichen Summierverstärker gebildet, der ebenfalls als monolithisch integrierter Schaltkreis im gleichen Herstellprozeß wie der Schaltkreis gemäß Figur 1 hergestellt werden kann. Das Ausgangssignal der Summiereinrichtung 69 ist durch folgende Gleichung darstellbar:

S -? I In(^₁1 1 PD2

PDl
Der Ausdruck (^ )_n stellt das Verhältnis der Fotoströme

PD2

für irgendeinen der Blöcke 60 gemäß Figur 4 dar, beispielsweise für den.ru ten Block 60.

7098 15/09 13

Als Beispiel für die Verwendung der Vergleich n.kanl* Io und
der Suüvmiereinrichtung gemäß Figur 4 sei ein Eildverglciclu;-systern angenommen, das der Einstellung von einem oder beiden der Bilder auf den beiden Gruppen von Fotodiodenanordnungen dient. Hierbei gibt es iin Einstellbereich einen Punkt, an dem die Größe S insgesamt einen Minimalwert erreicht, der dem
Punkt entspricht, in dem die Intensitätsdifferenzen zwischen den Bildern relativ am kleinsten sind. Die Feststellung eines MiniMUKiwertes hinsichtlich der Größe S ist daher für einige
Systeme von Interesse. Selbstverständlich können auch andere Signalkombinationen hinsichtlich der Ausgangssignale der Vergleichskanäle zur Gewinnung einer Aussage über das vorliegende System benutzt werden.

Im allgemeinen wird jedoch der Sumrniereinrichtung 69₍ die' der Auffindung des Minimums bezüglich der Summe S der Ausgangssignale dient,über einen Filter 70 ein Minimumdetektor 71
nachgeschaltet. Dem Miniraumdetektor 71, der das kleinste
Summensignal S feststellt, muß ein Filter 70 vorgeschaltet
werden, um sicherzustellen, daß das von dem Minimumdetektor
71 ausgewählte Signal mit der geringsten Amplitude einem
tatsächlichen Signal und nicht einem Rausch- oder Störsignal entspricht. Wenn eine Systemeinstellung erfolgt, wodurch eines oder beide Bilder auf der Fotodiodenanordnung beeinflußt werden, so tritt ein Minimumdurchgang des Signales S auf, welcher Durchgang von dem Minimumdetektor 71 festgestellt wird. Bei der
Feststellung des Minimumsignales wird ein Signal an ein Ausgangs-Logiksystem 72 abgegeben, wodurch der Bedienungsmann
informiert wird oder der Nachführungsprozeß angehalten wird, da sich in diesem Fall die beiden Bilder einander entsprechen.

709815/09 13

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zum Vergleich von zwischen zwei Teilen einer Fotodiodenanordnung auftretenden elektromagnetischen Strahlungsintensitäten, wobei bei relativ geringen Intensitätsunterschieden eine genaue Vergleichsanzeige und bei relativ großen Intensitätsunterschieden eine begrenzte Vergleichsanzeige erfolgt, gekennzeichnet durch

einen ersten und einen zweiten Teil innerhalb der Fotodiodenanordnung ,

einen ersten Vergleichsschaltkreis (Fig. 1), aufweisend: eine erste Fotodiode (PD,) als Teil der ersten Fotodiodenanordnung zur Erzeugung eines ersten Ausgangsstromes und eine zweite Fotodiode (PD^) als Teil der zweiten Fotodiodenanordnung zur Erzeugung eines zweiten an den ersten Ausgangsstrom angepassten Ausgangsstromes, sofern beide Fotodioden den gleichen Arbeitsbedingungen unterliegen und wobei beide Fotodioden-Äusgangsströme im wesentlichen in linearer Beziehung zu der auftreffenden elektromagnetischen Strahlungsintensität stehen,

eine erste Spannungsregeleinrichtung (Q-I₃) zur Vorspannung der beiden Fotodioden auf eine Betriebsspannung von ungefähr O Volt,

erste und zweite mit den beiden Fotodioden elektrisch verbundene Stromwandler (Qi₄* ^15^ ^zur Erzeugung von ersten und zweiten aneinander angepassten Ausgangsströmen bei gleichen Betriebsbedingungen der Stromwandler, erste und zweite an die Stromwandler angeschlossene Lasten ^1~^6' ®7~^12^ ^{zur Erzeu<}3^un<3 ^von ersten und zweiten aneinander angepassten Ausgangsspannungen bei gleichen Betriebsbedingungen der Lasten, wobei die beiden Ausgangsspannungen in logarithmischer Beziehung zu den Ausgangsströmen der Stromwandler stehen und

709815/0913

einen ersten Differenzverstärker (0.-,-, ~ Qo_n) ^m-i-t einem ersten Ausgang, einera ersten an die erste; Last angeschlossenen Eingang mit hohen Eingangswiderstand und einem zweiten an die zweite Last angeschlossenen Eingang mit hohe;« Eingangswiderstand, wobei das Ausgangssignal am ersten Ausgang im wesentlichen in linearer Beziehung zu der Differenz der Spannungen an den beiden Lasten steht, sofern diese Differenz hinreichend klein ist, und einem Grenzwert zustrebt, wenn die Differen der an den beiden Lasten abgenommenen Ausgangssignale entsprechend groß ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Vergleichsschaltkreis, aufweisend:

eine dritte Fotodiode als Teil der ersten Fotodiodenanordnung zur Erzeugung eines .dritten Ausgangsstromes und eine vierte Fotodiode als Teil der zweiten Fotodiodenanordnung zur Erzeugung eines vierten an den dritten Ausgangsstrom angepassten Ausgangsstromes, sofern beide Fotodioden den gleichen Arbeitsbedingungen unterliegen und wobei beide Fotodioden-Ausgangsströme im wesentlichen in linearer Beziehung zu der auftreffenden elektromagnetischen Strahlungsintensität stehen,

eine zweite Spaimungsregeleinrichtung zur Vorspannung der beiden Fotodioden auf eine Betriebsspannung von ungefähr 0 Volt,

dritte und vierte mit den beiden Fotodioden elektrisch verbundene Stromwandler zur Erzeugung von dritten und vierten aneinander angepassten Ausgangsströmen bei gleichen Betriebsbedingungen der Stromwandler,

dritte und vierte an die Stromwandler angeschlossene Lasten zur Erzeugung von dritten und vierten aneinander angepassten Ausgangsspannungen bei gleichen Betriebsbedingungen der Lasten, wobei die beiden Ausgangsspannungen in logarithmischer Beziehung zu den Ausgangsströmen der Stromwandler stehen und

70981 5/09

einen zweiten Differenzverstärker mit erlnom zweiton Ausgang, einem dritten an die dritte Last angeschlossenen Eingang mit hohem Eingang sv/ider stand und einem vierten an die vierte Last angeschlossenen Eingang mit hohem ];ingangs\?ider stand, wobei das Ausgangssignal am zweiten Ausgang im vresentlichon in linearer Beziehung zu der Differenz der Spannungen an den beiden Lasten steht, sofern diese Differenz hinreichend klein ist, und einem Grenzwert zustrebt, wenn die Differen der an den beiden Lasten abgenommenen AuDgangssignale entsprechend groß ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsregeleinrichtung und die Stromwandler erste, zweite und dritte bipolare Transistoren aufweisen, daß der Emitter des ersten Transistors (Q-I₄) ah die eine Fotodiode (PD.,) ^un(^ sein Kollektor an die eine Last (Q, - Q_g) angeschlossen ist, daß der Emitter des zweiten Transistors (Q,,.) an die andere Fotodiode (PD₂) und sein Kollektor an die andere Last (Q- Q₁₂) angeschlossen ist und daß die Basen des ersten und zweiten bipolaren Transistors (Q,,,Q._r) sowohl mit dem Kollektor als auch der Basis des dritten bipolaren Transistors (Qi₃) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Differenzverstärker eine erste Darlingtonstufe aus bipolaren Transistoren (Q₁7 t Q_lg) und eine zweite Darlingtonstufe aus bipolaren Transistoren (QiQfQ₂Q) aufweist, daß die Emitter der inneren Transistoren (Q-i 9 ΏοΟ'* ^{an eine} Stromsenke (QigfR*) und die Basen der äußeren Transistoren (Q₁₇/Q₁₈) an die beiden Lasten (Q₁ - Q^, Q₇ - Q._) angeschlossen sind und daß jeweils Kollektor-Basis-Sperrschicht-Dioden (D-,,D₂) der Basis-Emitterstrecke der inneren Transistoren (Q₁₉/Q₂₀) ^{und der} Stromsenke (Q₁₆,R₄) parallel geschaltet sind.

70981 5/0913

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und zweite Ausgnngsnignal der Differenzverstärker jeweils ersten und zweiten absolutwertbildenden Schaltkreisen zugeführt wird, welche aufweisen:

ein als Emitterfolger geschaltetes bipolares Transistorpaar (52,53) f dessen Emitter an einen Lastwiderstand (54) angeschlossen sind, über dem das Ausgangssignal abgenommen wird,

einen absolutwertbildenden Differenzverstärker mit einem ersten, zweiten und dritten bipolaren Transistor (42,43,44), wobei die Emitter des ersten und zweiten Transistors (42,43) an eine gemeinsame Stromsenke (45) angeschlossen sind und der dritte Transistor (44) als Emitterfolger geschaltet ist, wobei seine Basis an den Kollektor des ersten Transistors (42) und sein Emitter einerseits an die Basis des einen Transistors (53) des Emitterfolgerpaares und andererseits an die Basis des ersten Differenzverstärkertransistors (42) angeschlossen ist und daß der Eingang (40) der absolutwertbildenden Schaltung ebenfalls mit der Basis des ersten Differenzverstärkertransistors (42) und mit der Basis des anderen Transistors (52) des Emitterfolgerpaares verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichsschaltkreise als monolithisch integrierte Schaltkreise ausgebildet sind, daß Signalbeiträge des einen Vergleichsschaltkreises in einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit unterdrückt werden und daß die Signalverarbeitungseinheit Signalbeiträge mehrerer Vergleichsschaltkreise, die den anderen Vergleichsschaltkreis umfassen, verarbeitet.

70981 5/0913

7, Schaltungnanordnung nach Anspruch 6, g e k e η η ζ e i c h net durch

ein Substrat (20) eines ersben Leitfähigkeit··;types mit einer cl ar auf befindlichen Schicht (21) von Halbleitermaterial eines zv/eiten Leitfähigkeitstypes, wobei die Schicht eine kristalline Struktur mit dem Substrat bildet und mehrere voneinander elektrisch isolierte Bereiche (22,23) aufweist, erste und zweite isolierte Bereiche unter den genannten Bereichen mit gleicher geometrischer Ausbildung,- die als Kathoden für die beiden Fotodioden (PD, ,PD„) dienen, wobei die Fotodioden durch Sperrschichten gebildet werden, die wenigstens teilweise zwischen den beiden isolierten Bereichen und dam Substrat entstehen,

erste, zweite und dritte bipolare Transistoren (23,30,32,33) mit gleicher geometrischer ?i.usbildung in dritten, vierten und fünften isolierten einander benachbarten Bereichen, wobei der Emitter des ersten Transistors elektrisch an den ersten isolierten Bereich, der Emitter des zweiten Transistors an den zweiten isolierten Bereich, die Basis und der Kollektor des dritten Transistors an die Basen des ersten und zweiten Transistors und der Emitter des dritten Transistors an das Substrat angeschlossen ist,

2n Dioden (Q, ~ Q,~) mit gleichen geometrischen Abmessungen und in unmittelbarer" Nachbarschaft zueinander, wobei η Dioden zu einer ersten Kette zusammengeschaltet sind und ein freies Ende der Kette an den Kollektor des bipolaren Transistors (Q₁₄) angeschlossen ist und wobei weitere η Dioden zu einer zweiten Kette zusammengeschaltet sind und ein freies Ende der zweiten Kette an den Kollektor des zv/ei ten bipolaren Transistors (Qi₅) angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Dioden (Q, - Q-. _?) durch bipolare Transistoren gebildet werden, deren Kollektoren mit den Basen verbunden sind.

709815/0913

ν. ScJialtungsaiif'.ranung nach Anspruch 8, dadurch g e ~ k e η η 7. e i c h η ο t. , daß die jeweils η Dioden der beiden Diodenketten in jeweils rwei Gruppen von benachbarten Bereichen der monolith? r,eh integrierten Schaltkreipchipr. angeordnot sind und daß jede Kette gebildet wird, indem Dioden aus den beiden Gruppen wechselweise in Reihe geschaltet werden.

10. Schaltungsanordnung noch Anspruch 6, dadurch gekenn ζ e i c h η e t , daß die den Differenzverstärker bildenden Transistoren (Q₁₇ ~ QorO ^au^ ^^eJri monolithisch integrierten Schaltkreischip in den 4 Quadranten eines Quadrates angeordnet sind, wobei die Transistoren in diagonal gegenüberliegenden Quadranten ein Darlingtonpaar bilden.

■11. Schaltungsanordnung'nach den Ansprüchen 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dciß die Transistoren (Qi τ - Q-, /-) der Spannungsregeleinrichtung, der Stromwandler und der Stromsenke auf dem Substrat in 4 Quadranten eines Quadrates angeordnet sind.

12. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwiderstände (R₀, R~) des Differenzverstärkers (Q₁-I - Qo/O jeweils in zwei Reihenwiderstände aufgeteilt und die sich ergebenden 4 Teilwiderstände in den 4 Quadranten eines Quadrates auf dem Substrat angeordnet sind, wobei diagonal gegenüberliegende Widerstände jeweils zu einem Lastwiderstand zusammengeschaltet sind.

13. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Differenzverstärkers (Qt₇ ~ ^20^ Darlington-Emitterfolger (Q₂₁ - Q₂₄) nachgeschaltet sind, die auf dem Substrat in benachbarten Quadranten angeordnet sind.

709815/0913