DE2724865A1

DE2724865A1 - Lichtfuehlerschaltung mit fotodiode

Info

Publication number: DE2724865A1
Application number: DE19772724865
Authority: DE
Inventors: Dennis Monticelli
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1976-07-22
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1978-01-26
Also published as: JPS5314589A; US4065668A

Description

PATENTANWÄLTE-: R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER

DIPL.-ΙΝβ. DIPL.-CHEM.

J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ING. DIPL.-ING.

MÖNCHEN

-s-

HAMBURG

31. 5.77

SOOO HAMBURG 3β

NEUER WALL 1O TEL. (O4O) 34 OO 45 34 OO 56 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

UNSERE AKTE: N 77 083 DH

IHR ZEICHEN:

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄTs

22. Juli 1976

(US-Anm. Serial No. 707

BEZEICHNUNG: Lichtfühlerschaltung mit Fotodiode

ANMELDER:

National Semiconductor Corp. 29CX) Semiconductor Drive Santa Clara, Kalif.,V.St.A.

ERPINDERt

Dennis Nonticelli 36420 Sereno Common Fremont, Kalif., V.St.A,

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Konten: Dautsdw Bank AG. Homburg, Konto-Nr. 6/10055 (BLZ 20070000) - Postscheckamt Homburg, Konto-Nr. 263080-201 (BLZ 20010020)

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Die Erfindung betrifft eine Lichtfühlerscbaltung mit einer Fotodiode mit pn-Übergang .

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Schaltungen, die lichtempfindlichen Bauelementen zugeordnet sind. Während die erfindungsgemäße Schaltung allgemein für das Abfühlen und Messen von Lichteinfall geeignet ist, so ist sie hauptsächlich von Interesse für Anwendungen in der Fotografie.

Im Bereich der Fotografie bringen automatisch arbeitende Kameras Lichtfühler zum Einsatz, die die Blendenöffnung oder die Öffnungszeit des Verschlusses steuern, um die richtige Belichtung des Filmes einzuhalten. Eine derartige Steuerung sollte in der Lage sein, bei voller Sonnenhelligkeit oder einer Beleuchtungsstärke von 16120 Lux (15OO footcandles), bis hinunter zu einer schwach ausgeleuchteten Szene, bei etwa 0,215 Lux (0,02 footcandles) oder sogar noch weniger zu arbeiten. Somit sollte der Lichtfühler über fünf Größenordnungen an Beleuchtungsstärke hinweg arbeiten, und dabei ist es wünschenswert, daß seine Wandlerkennlinie linear verläuft. Da man bei Kameras häufig Beleuchtung mit Blitzlicht einsetzt, sollte der Lichtfühler eine Ansprechzeit aufweisen, die hinreichend kurz ist, um auf einen Elektronenblitz zu reagieren, ebenso wie auf die noch mehr gebräuchlichen Blitzbirnen. Die erstgenannte Blitzerzeugungseinrichtung sendet Lichtimpulse einer Dauer im Bereich von etwa einigen Millisekunden und weniger aus.

Fotoelektrische Fühler stehen seit vielen Jahren zur Verfügung, und es hat sich eingebürgert, eine bestimmte Fühlervorrichtung bei einem bestimmten Helligkeitspegel und/oder einem bestimmten

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Anwendungefall einzusetzen. Die Lichtmeßtechnik hat insbesondere einen Fortschritt mit der Entwicklung vielfältiger Typen von Bauelementen erlebt. Wenn beispielsweise niedrige Helligkeitswerte abgefühlt werden sollen, so werden oft CdS-Fotozellen verwendet. Während diese sehr empfindlich sind, so verhalten sie sich nichtlinear und sprechen nur langsam auf Helligkeitsänderungen an, zusätzlich besitzen sie einen unerwünschten "Speichereffekt¹¹ bei vorher aufgetretenen hohen Helligkeitswerten. So kann eine empfindliche CdS-Fotozelle auf einen Elektronenblitz ansprechen, jedoch wird ihr Ansprechvermögen in Abhängigkeit von der Dauer und dem verstrichenen, zeitlichen Abstand zum vorhergegangenen Blitz stark beeinträchtigt. Selen ist seit langem im Gebrauch, weil es selbst Ladungsträger erzeugt, ist dabei von mäßiger Ansprechgeschwindigkeit, doch arbeiten solche Zellen nicht mehr einwandfrei bei sehr niedrigen Helligkeitswerten, und derartige Zellen sind typischerweise sehr groß. Silizium ist ein ausgezeichnetes, lichtempfindliches Material. Das Ansprechen von Silizium auf Änderungen der Beleuchtungsstärke erfolgt schnell und linear. Silizium spricht auf sehr hohe Beleuchtungsstärken an, und während es sich linear bis zu sehr niedrigen Lichtstärken verhält, ist der Fotostrom bei niedriger Helligkeit derart gering, daß er nur sehr schwierig abzufühlen oder zu messen ist. Wenn also Silizium vielleicht überhaupt eines der besten lichtempfindlichen Materialien ist und für die Herstellung von Fühlerschaltungen damit recht geeignet, so ist sein Einsatz im wesentlichen wegen des NichtVorhandenseins einer geeigneten, zugeordneten Schaltung beschränkt geblieben.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu

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schaffen zum Einsatz in Verbindung mit einem Silizium-Lichtfühler, die linear in einem großen Beleuchtungsstärkebereich anspricht, wobei es gilt, einen Silizium-Lichtfühler in einer monolithischen integrierten Schaltung aus Silizium zum Einsatz zu bringen, die zur Anwendung bei der Kamerasteuerung geeignet ist.

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäfle Lichtfühlerschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung zur Aufrechterhaltung des Potentialunterschiedes an der genannten Fotodiode im wesentlichen bei null für solche Helligkeitswerte umfaßt, die bei Dunkelheit liegen, sowie eine Schaltung zur Nachbildung des in der genannten Fotodiode fließenden Stromes am Kollektoranschluß eines bipolaren Transistors, der mit der genannten Fotodiode verbunden ist.

Ee ist also ein Merkmal der Erfindung, daß ein Silizium-Lichtfühler in einer integrierten Schaltung hergestellt werden kann, während gleichzeitig der zugeordnete Verstärker gefertigt wird, wobei die erfindungsgemäße Kombination tlektfrieefc* Eigenschaften aufweist, die für Kamerasteuerungen geeignet sind.

Diese und andere Vorteile und Merkmale werden in der In der folgenden Weise aufgebauten, neuartigen Schaltung erreicht: Zwei Grenzschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs - junction field effect transistors) werden über die Stromversorgungeanschlüsse zueinander in Reihe geschaltet. Sie sind aufeinander angepaßt und derart ausgelegt, daß sie eine niedrige Pinchoff- oder Sperrepannung V₁ von etwa ein Volt, aufweisen. Bei einem der Grenzschicht-Feldeffekttransistoren ist die Gate-Elektrode mit der Source-Elektrode verbunden, so daß dieser ale Stromquelle arbeitet.

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Der andere Grenzschicht-Feldeffekttransistor ist als Source-ELektroden-Polgerverstärker geschaltet, der auf die Stromquelle als Last arbeitet. Eine Silizium-Fotodiode ist derart zwischen die Gate- und die Source-Elektrode des Source-Elektroden-Folgers geschaltet, daß der Stromfluß in dem Source-Elektroden-Folger von der Beleuchtung abhängig wird. Der Kollektor eines bipolaren Transistors ist mit der Gate-Elektrode des Source-Elektroden-Folgers verbunden, um die Fotodiode vorzuspannen, und die Basis desselben Transistors ist nach geeigneter Verschiebung des Spannungspegels direkt mit der Source-Elektrode des Source-Elektroden-Folgers verbunden· Der bipolare Transistor wirkt als Gegenkopplungsschaltung mit hoher Schleifenverstärkung um den Source-Elektroden-Folger herum und legt dessen Arbeitspunkt genau auf den Wert fest, der den Kbllektorstrom in dem bipolaren Transistor gleich dem Strom durch die Fotodiode werden läßt. Die Fotodiode ist dabei auf nahe bei null liegende Spannungswerte, insbesondere bei niedrigen Beleuchtungsstärken, derart vorgespannt, daß sehr geringe Fotodiodenströme abgefühlt werden können, ohne dabei auf Leckströme zu treffen. Die maximale abfühlbare Beleuchtungsstärke wird durch die Fläche der Fotodiode und den Stromfluß durch den als Stromquelle geschalteten Grenzschicht-Feldeffekttransistor festgelegt.

Eine Ausgangsstufe, die einen auf die Schaltung zur Vorspannungserzeugung angepaßten bipolaren Transistor aufweist, ist basis- und emitterseitig direkt mit dieser Schaltung verbunden. Bin nicht bereits anderweitig verbundener Kollektoranschluß kann dann derart geschaltet werden, daß er einen Strom fließen läßt, der ein Abbild des Stromes durch die Fotodiode ist.

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Die erfindungsgemäße Lichtfühlerschaltung arbeitet über einen sehr großen Beleuchtungsstärkebereich, verhält sich in diesem linear und spricht sehr schnell auf Änderungen der Beleuchtungsstärke an. Außerdem kann die erfindungsgemäße Schaltung sehr schnell unter Strom gesetzt werden» so daß sie bei Nichtgebrauch abgeschaltet bleiben kann.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigens

Fig. 1s ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Lichtfühlerschaltung, und

Fig. 2i ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Lichtfühlerschaltung nach Fig. 1.

Sie in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Lichtfühlerschaltung ist um zwei im Sperrbereich betriebene (depletion mode) Grenzschicht-Feldeffekttransistoren, 10 und 11, herum aufgebaut, die zwischen einen Anschluß 12 einer Spannungsquelle mit der Bezeichnung +V und Massepotential geschaltet sind, das den zweiten Anschluß der Spannungsquelle +V darstellt. Diese beiden Grenzschicht-Feldeffekttransistoren 10, 11 sind bezüglich ihrer Flächen und der Pinchoff- oder Sperrspannung V aufeinander angepaßt. Dies kann ohne Schwierigkeit durch gleichzeitige Herstellung, bei Einsatz von zwischen Grenzschicht-Feldeffekt- und bipolaren Transistoren verträglichen Herstellungstechniken für den integrierten ßchaltungsbaustein geschehen, und dadurch, daß man ihre Flächen einander gleich aacht. Dabei ist es wünschenswert, V niedrig zu halten, und zwar iai Bereich von ein Volt oder weniger.

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Da die Gate-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 10 mit der zugehörigen Source-Elektrode verbunden ist, so arbeitet dieser Transistor als Stromquelle bei Spannungswerten von über ein Volt zwischen sein Source- und seiner Drain-Elektrode. Pur die folgenden Erläuterungen wird ein Begrenzungsstrom von etwa 100 Alk angenommen, wenn auch andere Wert zum Einsatz gebracht werden könnten. Da ferner die Grenzschicht-Feldeffekttransistoren 10 und 11 zueinander in Reihe liegen, so fließt durch beide, bei Vernachlässigung anderer Schaltungsbauelemente, derselbe Strom. Bei diesem Betriebszustand befindet sich das Potential an der Gate-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 auf dem Wert seines Source-Elektrodenpotentials. Dies bedeutet, daß eine direkt zwischen die Gate- und die Source-Elektrode geschaltete Fotodiode 13 im wesentlichen bei dem Potentialunterschied null arbeitet.

Ein bipolarer Transistor 14 und eine Diode 15 zur Verschiebung des Spannungspegels vervollständigen eine Gegenkopplungsschleife um den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11 herum. Die Diode 15 erhält man praktisch dadurch, daß man bei einem bipolaren Transistor den Kollektor mit der Basis verbindet. Bei dem bipolaren Transistor 1A- ist der Kollektor mit der Gate-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 derart verbunden, daß jeglicher, durch die Fotodiode 13 fließende Strom auch als Kollektorstrom durch den bipolaren Transistor 14 fließt. Dies ist erforderlich, um ein· Möglichkeit zu schaffen, den Fotodiodenstrom für eine eventuelle genau· Nachbildung an einem bipolaren Transistor 17 entnehmen zu können. Die Basis des bipolaren Transistors 14-arbeitet bei einem Potential, das um den Spannungsabfall einer

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Diodenstrecke unterhalb des Potentials der Source-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 liegt, der als Source-Elektroden-Folger mit hohem Stromverstärkungsfaktor arbeitet. Der Grenzschicht-Feldeffekttransistor 10, der als Stromquelle wirkt, arbeitet als Stromquelle und als Last für den Grenzschicht-Feldeffekt tr ansi stör 11.

Um zu gewährleisten, daß die Diode 15 leitend ist, wird von einer Stromquelle 16 ein geringer Strom I*, in der Größenordnung von 1 /uA gezogen. Dieser zusätzliche StromflttB rerbessert die Ansprechgeschwindigkeit der Rückführungsschleife dadurch, daß er die Grenz- oder Transferfrequenz f-, des als Diode geschalteten Transistors 15 anhebt und dazu beiträgt, daß die bipolaren Transistoren 14- und 17 beim Zustand geringer Helligkeit gesperrt werden. Da dieser Strom weniger als ein Prozent des Stromes im Grenzschicht-Feldeffekttransistor 10 ausmacht, so hat er andererseits nur eine geringfügige Auswirkung.

Die direkt gekoppelte Rückführungsschleife um den Source-Elektroden-Folger 11 herum schließt eine einfache Phasenumkehr durch den bipolaren Transistor 14 ein und stellt daher eine Gegenkopplung dar. Diese Gegenkopplungsschleife bewirkt, daß das Potential an der Gate-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 einem Wert zustrebt, der diesen Stromfluß auf einem Wert hält, bei dem der durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11 fließende Strom zuzüglich der kombinierten Ströme der Fotodiode und der Diode 15 genau gleich dem Strom durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 10 ist. Dieser Betriebszustand tritt dann eirt, wenn das Potential an der Source-Elektrode dee Grenzechicht-

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Feldeffekttransistors 11 etwa bei einem Volt liegt. (Also sehr nahe bei der Sperrspannung V). Damit beträgt die Versorgungsspannung +V ungefähr zwei Volt oder mehr.

Der Spannungswert von ein Volt ist festgelegt, um sicherzustellen, daß der Grenzschicht-Feldeffekttraneistor 11 in seinem Sättigungsbereich betrieben wird. Wie oben erläutert, regelt sich der genaue Spannungswert von selbst nach, bis die Schaltung im stabilen Zustand ist. Für diesen Zustand erkennt man, daß der Strom durch die Fotodiode 13 gleich dem Kollektorstrom des bipolaren Transistors 14 ist.

Im Zustand der Dunkelheit liegt der durch die Fotodiode fließende Strom im Picoamp&re-Bereich, also bei einem außerordentlich niedrigen Wert. Jedoch kann ein derart geringer Wert in der Praxis mit einer vernünftig bemessenen Struktur realisiert werden, weil die Fotodiode 13 im wesentlichen beim Spannungswert null betrieben wird. Dies bedeutet, daß die Leckströme auf einen minimalen Wert gebracht worden sind.

Wenn die Fotodiode 13 beleuchtet wird, so erzeugt sie einen Fotostrom, der über den Kollektor des bipolaren Transistors 14 fließt, wobei die Wirkung des Gegenkopplungskreises die Vorspannung am bipolaren Transistor 14 festlegt, und damit die Höhe des durch diesen fließenden Stromes. Da der Hauptanteil des Gesamtstromes immer noch durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11 fließt, so ändert sich das Potential an dessen Gate- und Source-Elektrode nur geringfügig. Die Fotodiode 13 weist dabei im wesentlichen noch Immer die Vorspannung null auf·

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Bei weiter zunehmender Beleuchtungsstärke und noch höherem Stromfluß durch die Fotodiode 13 erfolgt das Ansprechen auf die Beleuchtungsstärke äußerst linear und bleibt stets gleich dem Strom durch den Kollektor des bipolaren Transistors 14. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis sich der Strom durch die Fotodiode 13 dem Wert des durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistors 10 fließenden Stromes nähert, wobei sich der Strom im Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11 dem Wert null nähert, und die Spannung an der Fotodiode 13 einem Wert, der ausreicht, um diese in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Dieser Pegel wurde durch die Auslegung des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 10 bei etwa 100 /UA festgelegt. Somit ist die erfindungsgemäße Schaltung linear im Bereich von etwa 100 pA bis zu etwa 10 ,uA. Dies umspannt einen Bereich von 100 000 s 1.

Wenn die Fotodiode 13 derart ausgelegt ist, daß sie einen Strom von etwa 7,5 yuA bei hellem Sonnenlicht ergibt (also bei einer Beleuchtungsstärke von etwa 16120 Lux oder 1300 footcandles), so erzeugt sie etwa 100 pA bei einer Beleuchtungsstärke von nur 0,213 £ux oder 0,02 footcandles. Solche Leistungswerte können ohne Schwierigkeit durch den Einsatz herkömmlicher Herstellungsverfahren zum Aufbau der gezeigten Schaltung erzielt werden.

Der bipolare Transistor 14- ist vorzugsweise ein hochwertiges, integriertes Bauelement mit geringem Leckstrom. Bs ist festgestellt worden, daß selbst bei Kollektor stromwert en von nur 1 nA ohne Schwierigkeit bipolare Transistoren aufgebaut werden können, die Werte der Stromverstärkung am Kollektor von 20...80 aufweisen. Dies bedeutet damit einen Basisstrom von nicht mehr als 50 pA.

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Dieser sehr niedrige Stromwert erklärt damit, warum die Stromquelle 16 zur Aufrechterhaltung eines nur unbedeutenden Stromes in Durchlaßrichtung in der Diode 15 vorhanden ist. Bei einem Stromverstärkungsfaktor von 20 für den bipolaren Transistor 14 und dem nahe bei 1 liegenden Verstärkungsfaktor des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 ist die Schleifenverstärkung im Gegenkopplungszweig gänzlich ausreichend, um selbst bei niedrigsten Helligkeitswerten das Verhalten der erfindungsgemäßen Schaltung vollständig zu stabilisieren. Die einwandfreie Nachbildung des Fotodiodenstromes in dem bipolaren Transistor 17 erfordert lediglich, daß die Stromverstärkungswerte °( (oder/3 ) der beiden bipolaren Transistoren 14 und 17 aufeinander angepaßt sind. Niedrige /3 -Stromverstärkungswerte erklären sich aus der Wirkung der Gegenkopplungsschleife.

Der bipolare Transistor 17 ist derart ausgelegt, daß er auf den bipolaren Transistor 14 angepaßt ist, und weist einen verschalteten Qnitter- und Basisanschluß, bei noch nicht verschaltetem Kollektoranschluß 18,auf. Im praktischen Anwendungsfall kann eine Last oder ein Stellglied an den Kollektoranschluß 18 angeschlossen und andererseits mit einer beliebigen positiven Spannungsquelle verbunden werden, deren Spannung bei +V oder mehr liegt, sofern dies gewünscht wird. Ss wird ersichtlich, daß der in der Fotodiode 13 fließende Strom gleich den Kollektorströmen der beiden bipolaren Transistoren 14 und 17 wird, und daß die an den Kollektoranschluß 18 gelegte Last auf die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung unter derjenigen Voraussetzung keine Auswirkung hat, daß die Durchbruchspannung des bipolaren Transistors 17 nicht überschritten wird.

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Sofern gewünscht, so kann der Ausgangsstrom am Kollektoranschluß 18 in ein festes Verhältnis zum Fotodiodenstrom gesetzt werden. Zu diesem Zweck kann das Verhältnis der Emitterflächen der bipolaren Transistoren 14· und 17 zueinander zur Skalierung festgelegt werden. Dies müßte bei einer integrierten Schaltung ein fester Verhältniswert sein. Nach einer anderen Ausführungsform können, wie durch gestrichelte Linien gezeigt, die Emitter der bipolaren Transistoren 14- und 17 auf getrennte Anschlüsse 20 und 21 gelegt werden. Um dies zu erreichen, müßte die Massezuleitung an den Punkten 22 und 23 unterbrochen werden. Es kann je einer oder es können beide Emitter, wie gezeigt, nach außen gelegt werden. Ist der Emitter des bipolaren Transistors 14 auf eine Spannung gelegt, die gegenüber der Spannung am Emitter des bipolaren Transistors 17 um ein Geringes mehr positiv ist, und zwar mittels herkömmlicher (nicht dargestellter) Schaltungsmittel, so Ut" der Strom am Kollektoranschluß 18 höher als der Strom durch die Fotodiode 13. Im praktischen Fall werden Verhältniswerte von bis zu 1000 : 1 bei der Skalierung dadurch erreicht, daß an den Anschlüssen 20 und 21 Potentialdifferenzen von einigen Hundert Millivolt eingesetzt werden. Macht man den Anschluß 21 gegenüber dem Anschluß 20 leicht positiv, so kann der Strom am Kollektoranschluß 18 auf einen Bruchteil des Stromes durch die Fotodiode 13 heruntergesetzt werden. Bringt man die Ausführungsform mit außen zugeführter Emitterspannung zur Anwendung, so ist darauf zu achten, daß die zugeführte Spannung den richtigen Temperaturgang, zur Anpassung an den damit erzeugten

BE aufweist.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtfühlerschaltung. Dabei ist die Diode 15 in eine Emitter-

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folgerstufe 15* umgewandelt worden. Diese Anordnung ergibt die gewünschte Spannungspegelverschiebung zwischen der Source-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 und der Basis des bipolaren Transistors 1A-. Diese Anordnung sichert ebenfalls einen nahe bei 1 liegenden Verstärkungsfaktor ohne Phasenumkehr zwischen diesen beiden genannten Punkten, so daß die Schaltung im wesentlichen so arbeitet wie oben beschrieben wurde« Da jedoch der Kollektor des bipolaren Transistors 15* auf die positive Versorgungsspannung -»-V gelegt worden ist, so kann der Emitter desselben einen erheblichen Strom an die Basis der bipolaren Transistoren 14 und 17 liefern, wenn dies die Situation verlangt. Wo beispielsweise der Strom durch den bipolaren Transistor 17 wie oben beschrieben auf ein festes Verhältnis zum Fotodiodenstrora festgelegt worden ist, das hoch ist, kann der Ausgangsstrom einen Basisstrom im bipolaren Transistor 17 erforderlich machen, der den von der Source-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 her verfügbaren Strom überschreitet. Die Emitterfolgerwirkung des bipolaren Transistors 15* liefert nun eine Stromverstärkung zwischen Basis und Emitter desselben und ergibt somit den an der Basis des bipolaren Transistors 17 erforderlichen Strom.

Wie oben ausgeführt, leiten die Grenzschicht-Feldeffekttransistoren 10 und 11, und bei niedrigen Helligkeitswerten geht der Hauptanteil des im Grenzschicht-Feldeffekttransistor 10 fließenden Stromes durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11. Da die Gegenkopplungsschleife eine hohe Schleifenverstärkung aufweist, bildet die Source-Elektrode des Grenzschicht-Feldeffekttransistors 11 einen Punkt niedriger Impedanz gegenüber dem Signal in der Schaltung. Dies ist höchst vorteilhaft für den Betrieb der Schaltung im Hinblick auf Streukapazitäten und Leckströme. Die mit gestrichelten

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Umrißlinien dargestellte Diode 25 weist einen Leckstrom in Sperrrichtung auf und bildet die Hauptquelle für die Streu- oder Parasitärkapazität, wie bei 25· angedeutet. Bei Anwendung herkömmlicher Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen mit Isolation durch Übergänge wurde die Diode 25 den übergang von der epitaxialen Schicht zum Substrat eines isolierten Gebietes darstellen, das die Fotodiode 13 trägt. Der Leckstrom durch diese Diode 25 würde gering im Verhältnis zu dem Strom durch den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 10 und somit im wesentlichen keine Auswirkung auf die Leistung der erfindungsgemäßen Fühlerschaltung haben. Die Kapazität 25* muß geladen und/oder entladen werden, um schnell auf einen Helligkeitswechsel anzusprechen. Da sie jedoch an einem Punkt niedriger Impedanz in der Schaltung erscheint, nämlich bei der Source-Elektrode des Source-Elektroden-Folgers 11, so erfolgt ein «Ol«h«r Lade- und Entladevorgang recht schnell. So kann die erfindungsgemäße Schaltung beispielsweise ohne Schwierigkeiten den Helligkeitswechsel auflösen oder erfassen, der durch ein herkömmliches Blitzlichgerät als Lichtblitz einer Dauer von etwa einer Millisekunde erzeugt wird·

Eine weitere, durch gestrichelte Umrißlinien dargestellte Streukapazität ist der Kondensator 26. Dies ist die Kapazität des pn-überganges der Fotodiode 13. Da die Fotodiode 13 hinreichend groß ausgelegt worden ist, um den gewünschten Fotostrom zu erzeugen, und da der Schaltungsbaustein bei niedriger Spannung arbeitet, so kann dieser Kapazitätswert erheblich sein (in der Größenordnung von 30 pF bei einem typischen Bauelement dieser Art). Unter den Betriebsverhältnissen vorbekannter Fühlerschaltungen, die insbesondere die lichtabhängige Leitung des Stromes zur Anwendung

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brachten, konnten derartige Streukapazitätswerte ernsthaft das übergangsverhalten bei Fotodiode verschlechtern. Jedoch beim Einsatz nach der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Fotodiode zwischen Source- und Gate-Elektrode eines als Source-Elektroden-Folger betriebenen Grenzschicht-Feldeffekttransistors geschaltet. Wenn überhaupt, so unterstützt die Kapazität 25* des Überganges oder der Grenzschicht beim Auftreten aller schnellen Potentialänderungen zwischen den Punkten mit der Spannungsverstärkung 1 das übergangsverhalten der Lichtfühlerschaltung bei kurzen Impulsen, anstatt es zu verschlechtern, und zwar indem sie Signalanteile hoher Frequenz um den Grenzschicht-Feldeffekttransistor 11 herum weiterleitet.

Eine andere Eigenschaft der erfindungsgemäßen Lichtfühlerschaltung betrifft die Aufschaltung der Stromversorgung. Im normalen Betriebsfall ist es wünschenswert, die Schaltung abgeschaltet oder von der Stromversorgung getrennt sein zu lassen, wenn sie nicht eingesetzt wird. Beim Einsatz in einer Kamera bewirkt die Betätigung des Auslösers für den Verschluß, daß die Stromversorgung in der erfindungsgemäßen Schaltung einsetzt, und zu dem Zeitpunkt, wo der Verschluß selbst in Bewegung gesetzt wird, muß diese Schaltung funktionsbereit sein. Da die erfindungsgemäße Lichtfühlerschaltung zwei in Reihe geschaltete Grenzschicht-Feldeffekttransistoren und 11 in Einsatz bringt, die in ihren Sperrbereich hinein arbeitende (depletion mode), zwischen dem Pluspol +V der Versorgungsspannung und Massepotential in Reihe zueinander geschaltete Bauelemente sind, so geht die Schaltung von sich aus voll in den Betriebszustand über. Auch wenn die Spannungsquell· +V erst auf die Schaltung geschaltet wird, so bewirkt die oben beschriebene Gegen-

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kopplungsschleife hoher Schleifenverstärkung, daß die Schaltung sehr schnell in den stabilen Betriebszustand übergeht. Bei einer typischen Ausführungsforra der erfindungsgemäßen Schaltung in integrierter Schaltungstechnik und bei niedrigen Helligkeitswerten ist festgestellt worden, daß sich der Arbeitspunkt in weniger als 10 /us stabilisiert.

Es ist damit eine äußerst einfache Schaltung beschrieben worden, die herkömmliche, integrierte Schaltungsbauelemente in Einsatz bringt, die ohne Schwierigkeiten in einem für Grenzschicht-Feldeffekttransistoren und bipolaren Transistoren kompatiblen Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Die erfindungsgemäße Lichtfühlerschaltung zeigt ein äußerst lineares foto-elektrisches Wandlerverhalten, und zwar von voller Sonnenhelligkeit bis herab zu sehr niedrigen Helligkeitswerten. Das Ansprechen bei Helligkeitswechseln und beim Aufschalten der Stromversorgung erfolgt sehr schnell, und die Schaltung arbeitet bis herunter zu Spannungswerten der Stromversorgung von etwa 2 Volt bei etwa 100 /UA, ein Wert, der reizvoll für Batteriebetrieb ist. Oberhalb des Spannungswertes von 2 V ist das Betriebsνerhaiten verhältnismäßig unabhängig von der Spannung, wobei jegliche Überschreitung über 2 V sich lediglich als eine geringe Verschiebungsspannung oder von null verschiedene Betriebsbedingung an der Fotodiode zeigt. Man kann den Ausgangsetrom gleich dem Strom durch die Fotodiode machen oder bei einer Umsetzung zur Skalierung in einem festen Verhältnis vervielfachen oder teilen. Dem Fachmann fallen selbstverständlich Abwandlungen der Aueführungeformen oder gleichwertige andere Ausfuhrungsformen ein. Demgemäß soll die vorliegende Erfindung nur die beigefügten Patentansprüche eingegrenzt sein.

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Claims

Patentansprüche

{Λ, Lichtfühlerschaltung mit einer Fotodiode mit pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung (10, 11) zur Aufrechterhaltung des Potentialunterschiedes an der genrointen Fotodiode im wesentlichen bei null für solche Helligkeitswerte umfaßt, die bei Dunkelheit liegen, sowie eine Schaltung (14—17) zur Nachbildung des in der genannten Fotodiode (13) fließenden Stromes am Kollektoranschluß (18) eines bipolaren Transistors, der mit der genannten Fotodiode (13) verbunden ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Potentialunterschied an der genannten Fotodiode (13) durch die Einwirkung eines als Source-Elektroden-Folgers geschalteten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (11) aufrechterhalten wird.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte, als Source-Slektroden-Folger geschaltete Grenzschicht-Feldeffekttransistor (11) mit einer auf ihn angepaßten Stromquellenschaltung als Last für die Source-Elektrode versehen ist, die einen als Konstantstromschaltung betriebenen Grenzschicht-Feldeffekttransistor (10) umfaßt.
4. Schaltung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte bipolare Transistor (14) eine Basis aufweist, die mit dem genann-cen Source-Elektroden-Folger (11) derart verbunden ist, daß der genannte bipolare Transistor (14) einen Gegenkopplungszweig um den genannten Souree-Elektroden-Folger herum bildet. 7098 84/0675
5. Schaltung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des genannten bipolaren Transistors (17) über eine Diode (15) zur Verschiebung des Spannungspegels mit dem Source-Blektroden-Polger (11) verbunden ist.
6. Lichtfühlerschaltung nach Anspruch 1-5» verbunden mit einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Anschluß, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten und einen zweiten Grenzschicht-Feldeffekttransistor (10, 11) umfaßt, daß die Source- und die Gate-Elektrode des genannten ersten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (10) mit dem genannten ersten Anschluß (12) der Spannungsquelle (+V) verbunden sind, sowie die Drain-Elektrode des genannten ersten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (10) mit der Source-Elektrode des genannten zweiten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (11), und die Drain-El«k#rode des genannten zweiten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (11) mit dem genannten zweiten Anschluß der Spannungsquelle (+V) oder dem Masseanschluß verbunden ist, daß ein erster bipolarer Transistor (14) vorgesehen ist, dessen Kollektor mit der Gate-Elektrode des genannten zweiten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (11) verbunden ist, und dessen Emitter mit dem genannten zweiten Anschluß oder Masseanschluß (22) verbunden ist, daß eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode (15) zur Verschiebung des Potentials vorgesehen ist, die zwischen die Basis des genannten ersten bipolaren Transistors (14) und die Source-ELektrode des genannten zweiten Grenzschicht-Feldeffekttransistors (11) geschaltet ist, und daß eine Fotodiode (13) zwischen die Source- und die Gate-Elektrode des genannten zweiten Grenzschicht-Feld-

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effekttransistors (11) geschaltet und in Durchlaßrichtung gepolt ist, für den Durchlaß des Kollektorstromes des genannten ersten bipolaren Transistors (14-), wobei der genannte Kollektorstrom des genannten ersten bipolaren Transistors (14-) linear der Beleuchtungsstärke proportional ist, die die genannte Fotodiode (13) aufhellt.
7. Lichtfühlerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen zweiten bipolaren Transistor (17) umfaßt, dessen Basis mit der Basis des genannten ersten bipolaren Transistors (14-) verbunden ist, und dessen Kollektoranschluß (18) für den Anschluß an eine externe ^ast vorgesehen ist, daß der genannte zweite bipolare Transistor (17) auf den genannten ersten bipolaren Transistor (14) derart angepaßt ist, daß der in der genannten externen Last fließende Strom ein Abbild des Stromes durch die genannte Fotodiode (13) ist.
8. Lichtfühlerschaltung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Stromquelle (16) umfaßt, die zwischen die Basen des ersten und des zweiten bipolaren Transistors (14,17) und den zweiten Anschluß der Spannungsquelle (+V) oder den Masseanschluß geschaltet ist, und daß die genannte Stromquelle einen Quellenstromwert aufweist, der niedrig im Verhältnis zu dem in dem genannten ersten Grenzschicht-Feldeffekttransistor (10) fließenden Strom ist.
9* Lichtfühlerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schaltmittel (20, 21) zur Festlegung des Verhältnisses der im ersten und zweiten bipolaren Transistor (14, 17) fließenden Ströme zueinander aufweist. 709804/0678
10. Lichtfühlerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Diode zur Verschiebung des Potentials die Emitter-Basis-Strecke eines bipolaren Transistors (15*) ist, dessen Kollektor mit dem genannten ersten Anschluß (12) der Stromversorgung (+V) verbunden ist.

709884/0676