DE4228150C2 - Schaltungsanordnung mit einem Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE 40 01 274 C2 bekannt.

Sensoren (Meßaufnehmer, Wandler) - beispielsweise Fotodioden, Druck­ wandler, Piezoelemente oder Dehnungsmeßstreifen - werden in der Schal­ tungstechnik vielfältig zur Umwandlung einer Eingangsgröße in eine elektri­ sche Ausgangsgröße eingesetzt. Jeder derartige Sensor besitzt kapazitive und/oder induktive Blindkomponenten; diese müssen über den Innenwider­ stand des Sensors umgeladen werden und haben daher störende Auswir­ kungen auf die elektrischen Kenngrößen des Sensors, insbesondere auf des­ sen (Meß-)Geschwindigkeit.

Da die Blindkomponenten der Sensoren technologisch bedingt sind - bei­ spielsweise die als Spule wirkenden Sensor-Anschlußdrähte oder die Sperr­ schichtkapazität einer Sensor-Fotodiode - können sie nur unwesentlich und mit großem Aufwand kompensiert werden.

Die Schaltungsanordnung der gattungsbildenden Druckschrift DE 40 01 274 C2 zum dynamischen Messen eines ohmschen Widerstandes enthält eine Hilfsschaltung, die dahingehend optimiert ist, eine parallel zu einem ohm­ schen Widerstand befindliche Blindkomponente (Kabelkapazität) zu unter­ drücken. Dies wird durch einen in der Hilfsschaltung befindlichen Opera­ tionsverstärker erreicht, der eine hohe Verstärkung (V » 1) und eine lange Si­ gnallaufzeit (endliche Anstiegsgeschwindigkeit) aufweist. Durch diesen Schaltungsaufbau wird infolge der Kompensation der Blindkomponente der Arbeitszyklus beschleunigt. Die Sensoranschlüsse sind nicht mit dem Ein­ gang bzw. dem Ausgang des Verstärkers verbunden, so daß zwischen den Sensoranschlüssen eine Spannungsdifferenz auftritt, die die parasitäre Kapa­ zität durch einen Lade- und Entladestrom unwirksam macht.

In der Literaturstelle "Hewlett-Packard Journal" vom Feb. 1987 S. 22 ff ist von HUNING et al. eine Schaltungsanordnung beschrieben, die einen aus mehre­ ren funktionalen Blöcken bestehenden Aufnehmer für eine Photodiode (Op­ tical Head) sowie eine Hilfsschaltung zur temperaturkompensierten Um­ wandlung von Eingangsströmen in Spannungssignale aufweist, wobei die Schaltungsanordnung für die Umsetzung zweier unterschiedlicher elektro­ magnetischer Wellenlängenbereiche optimiert ist. Bei dieser Schaltungsan­ ordnung ist die Photodiode in Serie mit einem Operationsverstärker ge­ schaltet, der als Impedanzwandler und/oder zur Signalverstärkung genutzt wird. Das Ziel einer dynamischen Kompensation von Spannungsdifferenzen zur Unterdrückung von Blindkomponenten ist aus dieser Literaturstelle nicht ersichtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 mit verbesserten elektrischen Kenngrößen, insbesondere mit einer erheblich reduzierten Ansprechgeschwindigkeit, anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindun­ gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist für jede zwischen jeweils zwei Sensoranschlüssen auf­ tretende Blindkomponente eine Hilfsschaltung vorgesehen, die diese bei­ den Sensoranschlüsse miteinander verbindet und die folgende Wirkungs­ weise hat: die beim Ansprechen des Sensors infolge eines Empfangssignals auftretende Potentialänderung an einem Sensoranschluß wird durch die Hilfsschaltung augenblicklich auf den zweiten Sensoranschluß übertragen, d. h. das Potential am zweiten Sensoranschluß wird im dynamischen Betrieb an das geänderte Potential am ersten Sensoranschluß angepaßt bzw. dem Potential am ersten Sensoranschluß nachgeführt; demzufolge entsteht zwi­ schen den beiden Sensoranschlüssen keine Potentialdifferenz bzw. Span­ nungsänderung, so daß der Sensor bei schnellen Signaländerungen keinen Änderungsstrom für die Blindkomponenten bereitstellen muß, wodurch der Einfluß der Sensor-Blindkomponente elektrisch unwirksam wird - bezüglich der Sensor-Kenngrößen treten keine störenden Effekte mehr auf, insbe­ sondere wird die Meßgeschwindigkeit des Sensors nicht mehr durch die Blindkomponenten sondern allein durch die Ladungsträgerbeweglichkeit des Sensors bestimmt. Als Schaltungsmittel der Hilfsschaltung sind ein Lei­ stungsverstärker mit sehr geringer Signallaufzeit und einer Spannungsver­ stärkung < 1 sowie vorzugsweise eine dynamische Spannungsquelle, bei­ spielsweise ein Kondensator, vorgesehen. Über den Kondensator kann eine feste Potentialdifferenz für den dynamischen Betrieb zwischen den beiden Sensoranschlüssen eingestellt werden. Der Kondensator als dynamische Spannungsquelle muß niederohmig und floatend sein, damit er den Strom für die Spannungskonstanthaltung über dem Sensor aufbringen kann. Der Leistungsverstärker - beispielsweise ein Transimpedanzverstärker oder ein Verstärkertransistor - muß einerseits sehr schnell sein, damit sich Potential­ änderungen an einem Sensoranschluß auswirken und muß andererseits eine Spannungsverstärkung 1 aufweisen, damit keine Schwingungen in der Schaltungsanordnung entstehen können.

Weiterhin soll die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wer­ den. Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild des Sensors mit Schaltungsmit­ teln zur Unwirksammachung der Blindkomponenten und die Fig. 2 ein Aus­ führungsbeispiel der Sensor-Schaltungsanordnung als Empfangsteil eines Optokopplers.

Der Sensor 1 gemäß der Fig. 1 ist zur Umwandlung einer Eingangsgröße in eine am (Meß-)Widerstand 5 zur weiteren Verarbeitung bereitgestellte elek­ trische Größe vorgesehen; der Sensor 1 besitzt die beiden Anschlüsse 6,7 und die Blindkomponente 8, die beispielsweise die Sperrschichtkapazität C1 eines PN-Übergangs ist. Um diese Blindkomponente 8 unwirksam zu machen und damit die Ansprechzeit des Sensors 1 bzw. dessen Meßgeschwindigkeit wesentlich zu erhöhen, ist zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7 eine Hilfsschaltung 2 mit einem Leistungsverstärker 3 und einem Kondensator C2 als dynamischer Spannungsquelle 4 angeordnet; jede an einem Sensoran­ schluß 6 bzw. 7 auftretende Potentialänderung wird unmittelbar auf den an­ deren Sensoranschluß 7 bzw. 6 übertragen, so daß zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7 keine Potentialdifferenz entstehen kann.

Die infolge eines Empfangssignals auftretende Spannungsänderung wirkt sich daher allein als Potentialversatz am Meßwiderstand 5 aus, jedoch nicht zwischen den beiden Sensoranschlüssen 6, 7; daher kann zwischen den bei­ den Sensoranschlüssen 6, 7 auch kein Änderungsstrom fließen, so daß die Blindkomponente 8 nicht vom Sensor 1 umgeladen werden muß und somit unwirksam gemacht wird.

Gemäß der Fig. 2 ist als Sensor 1 eine Fotodiode FD im Empfangsteil eines Optokopplers vorgesehen; bei dieser Fotodiode FD ist die Sperrschichtkapa­ zität zwischen Anode und Kathode als Blindkomponente 4 wirksam. Als Ver­ stärkerelement 3 ist ein schneller HF-Transistor T mit großer Stromverstär­ kung sowie ein Emitterwiderstand R1 vorgesehen und als niederohmige Spannungsquelle 4 ein Kondensator C2 im dynamischen Betrieb, dessen Ka­ pazitätswert groß gegenüber derjenigen der Blindkomponente C1 ist; über den Widerstand R2 wird der Kathodenanschluß der Fotodiode FD von der Betriebsspannung U entkoppelt. Mit dieser Schaltungsanordnung konnte die Ansprechzeit des Optokopplers von 1 µs auf weniger als 10 ns, d. h. um mehr als den Faktor 100 reduziert werden, so daß eine wesentlich erhöhte Datenübertragungsrate möglich wird.

Als weitere Anwendungsbeispiele der Schaltungsanordnung können schnel­ le Lichtmessungen (beispielsweise bei Fotoapparaten, Fotozellen oder CAMcordern), Blitzlicht-Farbtemperaturmessungen mit kurzer Verschlußzeit, sowie die Erzeugung von Laser-Lichtimpulsen und von Lichtimpulsen gerin­ ger Energie genannt werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung mit einem Sensor (1) zur Umwandlung einer Ein­ gangsgröße in eine elektrische Ausgangsgröße, einer zwischen jeweils zwei Sensoranschlüssen (6, 7) wirksamen Blindkomponente (8), und einer diese beiden Sensoranschlüsse (6, 7) verbindenden Hilfsschaltung (2) zur Unter­ drückung der Blindkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs­ schaltung (2) einen Leistungsverstärker (3) mit einer Spannungsverstärkung 1 und einer sehr geringen Signallaufzeit aufweist, und das der erste Sensor­ anschluß (7) mit dem Eingang des Leistungsverstärkers (3) und der zweite Leistungsanschluß (6) mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers (3) derart verbunden ist, daß zwischen den beiden Sensoranschlüssen (6, 7) im dynami­ schen Betrieb keine Spannungsänderung auftritt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (3) ein Transimpedanzverstärker ist.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den dynamischen Betrieb die Hilfsschaltung (2) eine nie­ derohmige, schwebende Spannungsquelle (4) aufweist, deren erster An­ schluß mit dem Leistungsverstärker (3) und deren zweiter Anschluß mit ei­ nem Sensoranschluß (6) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (4) ein Kondensator ist.

5. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als strahlungsempfindlicher Detektor mit einer Fotodiode (FD) als Sensor (1).

6. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 im Empfangs­ teil eines Optokopplers.