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Dokumentenidentifikation DE10311096A1 23.10.2003
Titel Elektronische Schaltung für einen Transimpedanzverstärker
Anmelder Institut für Mikroelektronik und Mechatronik Systeme gGmbH, 98693 Ilmenau, DE
Erfinder Klein, Juraj, 99099 Erfurt, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 07.03.2003
DE-Aktenzeichen 10311096
Offenlegungstag 23.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.10.2003
IPC-Hauptklasse H03F 3/08
IPC-Nebenklasse H03F 3/45   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung für einen Transimpedanzverstärker zur Umsetzung eines Stromes einer Stromquelle in eine adäquate Ausgangsspannung.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn im Schreib- und Lesebetrieb die Auswertung der optischen Signale einer Stromquelle zur Datenerkennung und Spurhaltung vom gleichen optoelektronischen System vorgenommen werden kann, das dann aber einen sehr hohen Dynamikbereich erfüllen muss.
Vorgesehen ist dazu, dass zwischen Stromquelle (1) und Transimpedanzverstärker (6, 12) ein Stromspiegelsystem (4, 10) geschaltet ist, das aus mindestens einem Stromspiegel besteht, so dass die effektive Transimpedanz (linear in Ausgangsspannung umsetzbarer Eingangsstrom) des Verstärkers in einem sehr großen dynamischen Bereich definiert und umgeschaltet werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung für einen Transimpedanzverstärker zur Umsetzung eines Stromes einer Stromquelle in eine adäquate Ausgangsspannung. Die Schaltung ermöglicht eine Transimpedanzumschaltung in einem großen dynamischen Bereich. Die Schaltung ist insbesondere im Bereich der optischen Speichermedien mit hohen Datenaufzeichnungsdichten im Schreib/Lese-Betrieb vorteilhaft zu verwenden.

In Geräten für optische Speichermedien, z. B. CD-ROM und DVD, werden die aufgezeichneten Daten, die durch Gebiete unterschiedlicher optischer Reflexion auf dem Speichermedium repräsentiert werden, mit Hilfe von Laserlicht geschrieben und gelesen, wobei ein optoelektronischer Schaltkreis aus dem vom Speichermedium reflektierten Laserlicht die Informationen zum Dateninhalt und zur Anordnung der Datenspuren auf dem Speichermedium gewinnt.

Beim Schreibvorgang muss die Lichtleistung der fokussierten Laserstrahlung wesentlich höher (z. B. 100fach) als beim Lesen sein, weil die Strahlung beim Schreiben eine ausreichende Erhitzung des Speichermediums ("Einbrennen") bewirken muss, während beim Lesen keine Veränderung des optischen Speichermediums eintreten darf.

Es ist vorteilhaft, wenn im Schreib- und Lesebetrieb die Auswertung der optischen Signale zur Datenerkennung und Spurhaltung vom gleichen optoelektronischen System vorgenommen werden kann, das dann aber einen sehr hohen Dynamikbereich erfüllen muss. In der Regel ist das optomechanische System zur Strahlführung und Fokussierung in der Schreib-/Lese-Einrichtung des Geräts im Lese- sowie im Schreibmodus das gleiche. Auch die Photodioden sind mit ihren geometrischen Abmessungen und der Quanteneffizienz für die Strahldetektion im Schreib- und Lesebetrieb gleich und z. B. auf dem gleichen Siliziumchip monolithisch integriert, so dass es vorteilhaft ist, wenn die Umschaltung der dynamisch sehr unterschiedlichen Empfindlichkeit im Schreib-/Lese-Modus auf elektronischem Weg durchgeführt werden kann.

Für Transimpedanzverstärker für das Lesen optischer Signale in optischen Speichern müssen viele Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden. Die Transimpedanzverstärker müssen in einem weiten Eingangsstrombereich linear und breitbandig sein, bei sehr kleinen Gruppenlaufzeitunterschieden im gesamten Frequenzbereich stabil verstärken und müssen ein kleines Offset bei geringer Gesamtstromaufnahme und kleinster Chipfläche haben. Die Forderung nach einem hohen dynamischen Eingangsstrombereich ist nur schwer erfüllbar, weil insbesondere für kleine Transimpedanzen (im Bereich mehrerer 100 Ohm) mit einem Operationsverstärker der Transimpedanz-Widerstandswert vergleichbar mit dem dynamischen Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers ist und dieser nicht niederohmig genug dimensioniert werden kann, ohne die übrigen Anforderungen zu verletzen. Solche Verstärker werden z. B. im Schreib-Modus einer Schreib-/Lese-Einrichtung benötigt, wo die Lichtleistung des Laserstrahles groß ist und die Photodiode dadurch einen Strom im Bereich von mehreren Milliampere generiert.

Beim Lese-Betrieb werden als empfindliche und damit hochohmige Transimpedanzverstärker typischerweise breitbandige Operationsverstärker (OPV) verwendet mit einer Rückkoppelimpedanz zwischen dem invertierendem Eingang und dem Ausgang des OPVs.

Um die gegenläufigen Anforderungen von Empfindlichkeit und Bandbreite zu erfüllen, gibt es Lösungsansätze, die z. B. die kompletten Transimpedanzverstärker umschalten. Andere Lösungen, realisieren die Zuschaltung oder Abschaltung eines Teiles des Rückkoppelnetzwerkes. Nachteilig an den bekannten Lösungen ist z. B., dass in den existierenden Halbleitertechnologien für das Umschalten analoge Schalter auf Basis von MOS-Transistoren (PMOS oder NMOS) verwendet werden, für die kleine serielle Impedanzen (Widerstände) im ON-Zustand nur mit relativ großen MOS-Transistoren erreicht werden können. Die parasitären Kapazitäten der Schalter liegen bei heutigen mikroelektronischen Technologien dann auf Grund der Fläche im Bereich von mehreren 100 fF bis pF. Diese Lösungen sind problematisch, weil für die Stabilitätskompensation einer breitbandigen Schaltung Kapazitäten in Rückkoppelnetzwerken typischerweise in der Größenordnung von mehreren 10 fF oder mehreren 100 fF gebraucht werden. Deren Größe muss möglichst genau eingehalten werden. Durch die großen Schalter ist die Realisierung eines Kompensationsnetzwerkes nicht möglich. Für niederohmige Transimpedanzen werden die Stabilitätskriterien weiter erschwert und die hohe Treiberfähigkeit für die Transimpedanz kann nicht mehr dimensioniert werden.

Es sind auch mehrere Lösungen bekannt, die eine automatische Steuerung der Transimpedanz (AGC) auf der Basis des generierten Stromes (Mittelwert, max. Amplitude oder ähnliches) realisieren. Diese Lösungen benutzen z. B. nichtlineare Elemente (z. B. MOSFETs) in der Rückkopplung, deren Impedanz gesteuert werden kann. Dabei ist der dynamische Bereich, in welchem die Transimpedanz variiert werden kann, normalerweise begrenzt und z. B. für die Umschaltung mit einem Dynamikbereich von 1 : 100 oder mehr nicht geeignet.

Der oben beschriebenen Stand der Technik wird durch folgende Patente charakterisiert:

US 6,084,478 beschreibt eine Lösung mit variablem Widerstand in der Rückkopplung eines Operationsverstärkers, realisiert mit Hilfe eines MOSFETs, dessen Gate-Spannung gesteuert wird.

US 6,140,878 beschreibt eine Lösung mit Umschaltung der Widerstände in der Rückkopplung eines Operationsverstärkers.

US 6,462,327 beinhaltet eine Lösung mit variablem Widerstand in der Rückkopplung eines Operationsverstärkers, realisiert mit Hilfe von MOSFETs, deren Gate-Spannung gesteuert wird.

US 5,646,573 beschreibt eine Lösung mit einer PIN-Diode in der Rückkopplung eines Transimpedanzverstärkers.

EP 0 720 311 beschreibt eine Lösung mit einer Schottky-Diode in der Rückkopplung.

Aufgabe der erfinderischen Lösung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Anpassung der Schaltung an die unterschiedlichen Ströme, die von einer Stromquelle, z. B. einer Photodiode, generiert werden, erfolgt erfindungsgemäß durch Stromreduzierung (oder Vervielfachung) des Stromes mittels eines oder mehrerer Stromspiegel, die beispielsweise durch MOSFETs realisiert werden. Bei Stromspiegeln, die aus MOSFET-Transistoren gebildet werden, kann man ein genau definiertes Stromspiegelverhältnis dadurch erreichen, dass man MOSFET- Transistoren benutzt, die die gleiche Länge der einzelnen Gate-Elektroden besitzen, die mit gleicher Gatespannung angesteuert werden und die mit einem Multiplikationsfaktor n durch Wahl der Breite oder der Anzahl der Transistoren ein genau definiertes Verhältnis der Ströme erreichen und damit das Stromspiegelungsverhältnis definieren.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die effektive Transimpedanz (linear in Ausgangsspannung umsetzbarer Eingangsstrom) des Verstärkers in einem sehr großen dynamischen Bereich definiert und umgeschaltet werden kann. Wenn man z. B. einen schnellen Transimpedanzverstärker verwendet, dessen Transimpedanz im Bereich von 50 kOhm liegt, kann man mit der Umschaltung der Eingangsstromspiegel einen Transimpedanzverstärker realisieren, dessen Impedanz z. B. 100mal kleiner (bzw. dessen Eingangsstrom 100mal größer) ist, der jedoch im gesamten Eingangsstrombereich gleiche Übertragungseigenschaften hat. Damit kann eine Schreib-/Lese- Umschaltung einer (z. B. DVD-) Einrichtung realisiert werden, bei der typischerweise im Lese-Modus von der Photodiode Ströme im Bereich von einigen 10 Mikroampere generiert werden und im Schreibmodus Ströme bis zu mehreren Milliampere auftreten. Die effektive Transimpedanz liegt im Schreib-Modus dann im Bereich von mehreren 100 Ohm und im Lese-Betrieb im Bereich von mehreren 10 bis 100 kOhm, womit am Ausgang des Transimpedanzverstärkers derselbe Spannungshub erreicht werden kann.

Die Möglichkeit der Anpassung an den Eingangsstrom- Dynamikbereich und die Umschaltmöglichkeit erlauben es, dass nur ein Transimpedanzverstärker (oder Operationsverstärker mit externem Netzwerk) für den Schreibmodus und den Lese- Modus verwendet werden muss. Der Transimpedanzverstärker kann zusätzlich nach den bekannten Verfahren umgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung macht es außerdem möglich, existierende (optimierte) Transimpedanzverstärker, deren Übertragungsfunktion an eine definierte Impedanz einer realen Stromquelle angepasst war, weiter zu verwenden, wenn die Stromquelle ausgetauscht wird, also z. B. eine andere Photodiode eingesetzt wird. Durch den Stromspiegel erfolgt ein Abblocken der Impedanz der Photodiode. Am Eingang des Transimpedanzverstärkers wird dann die ursprüngliche Impedanz vorgeschaltet, so dass die Übertragungsfunktion wieder angepasst ist.

Die Stromspiegel realisieren gleichzeitig die Trennung der Impedanz der realen Stromquelle (z. B. einer Photodiode), die mit einer idealen Stromquelle mit einer parallelen Impedanz modelliert werden kann, vom Eingang des Transimpedanzverstärker, wodurch Probleme bei der Anpassung des Verstärkers an die Eingangsstromquelle beseitigt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Variante der Erfindung für eine Schreib- /Leseeinrichtung,

Fig. 2 eine zweite Variante der Erfindung,

Fig. 3 und

Fig. 4 zwei weitere Varianten und

Fig. 5 die Realisierung eines Transimpedanzverstärkers durch einen Operationsverstärker.

In Fig. 5 ist ein Transimpedanzverstärker gezeigt, der typischerweise aus einem Operationsverstärker 15 mit einer Rückkoppelimpedanz 16 zwischen einem invertierenden Eingang INN und einem Ausgang besteht, an dem die Spannung Vout anliegt. Die Rückkoppelimpedanz kann beispielsweise aus einem Widerstand und einem parallelgeschalteten Kondensator bestehen, wobei der Widerstand die Transimpedanz definiert und einen Wert im Bereich mehrerer 10 kOhm bis einige 100 kOhm besitzen kann, weil die vorgeordnete Stromquelle, z. B. eine Photodiode, Signalströme mit einer Amplitude im Mikroampere-Bereich generiert. Der Kondensator kompensiert dann die Kapazität der Photodiode und sichert die Stabilität der Übertragungsfunktion des Systems.

Fig. 1 zeigt einen breitbandigen Transimpedanzverstärker 6 mit großer Transimpedanz, die z. B. durch ein solches Rückkoppelnetzwerk zwischen dem Ausgang Vout und dem invertierenden Eingang INN eines Operationsverstärkers gebildet wird. Der Transimpedanzverstärker 6 realisiert in einem Arbeitsmodus A die Strom-Spannungs-Wandlung im Lese- Betrieb einer Schreib-/Leseeinrichtung. Der zu wandelnde Strom fließt von einer Stromquelle 1 durch einen Schalter 8 im ON-Zustand zum breitbandigen Transimpedanzverstärker 6, wo die Strom-Spannungs-Wandlung realisiert wird. Der Schalter 8 ist dabei so dimensioniert, dass sein Einfluss auf das System minimal ist, z. B. durch einen entsprechend geringen Durchgangswiderstand, und der Transimpedanzverstärker 6 zusammen mit einer komplexen Impedanz der Stromquelle ein stabiles System mit stabiler Übertragungsfunktion bildet. Die reale Stromquelle ist in der Schaltung mit einer idealen Stromquelle 1 und einer zur idealen Stromquelle 1 parallelen Impedanz 2 modelliert. Zwischen Stromquelle 1 und Transimpedanzverstärker 6 ist parallel zum Schalter 8 ein Stromspiegelsystem 4 angeordnet. Am Eingang und Ausgang des Stromspiegel-Systems 4 sind weitere Schalter 3 und 5 angeordnet. Diese sind offen, wenn der Schalter 8 geschlossen ist, und zum Stromspiegel-System 4 fließt von der Stromquelle 1 kein Strom. Durch den geöffneten Schalter 5 werden zusätzlich parasitäre Ströme abgeblockt, die zum Transimpedanzverstärker 6 fließen könnten, oder eine komplexe Impedanz 7 hinter dem Stromspiegelsystem abgetrennt, die als Ersatz der Impedanz 2 der Stromquelle 1 dient.

Im Schreibmodus (Arbeitsmodus B) sind Schalter 3 und 5 dagegen geschlossen und Schalter 8 geöffnet. Der zu messende Strom Iin von der Stromquelle 1 fließt dann durch den Schalter 3 zum Stromspiegelsystem 4, wo eine Dividierung des Stromes z. B. durch 100 erfolgt. Die Zahl der Stromspiegel, die innerhalb des Stromspiegelsystems 4 realisiert werden, ist frei definierbar und kann von verschiedenen Anforderungen abhängig sein, wie z. B. vom zu erreichenden resultierenden Spiegelungsverhältnis, der maximalen Größe des zu übertragenden Stromes, der Grenzfrequenz des Gesamtsystems oder anderen Anforderungen. Hinter dem Stromspiegelsystem 4 befindet sich die Impedanz 7, die z. B. gegen Masse geschaltet ist und die als Ersatz für die Impedanz 2 der Stromquelle 1 dient, damit die stabile Übertragungsfunktion des Transimpedanzverstärkers 6 mit derselben externen Umgebung (Beschaltung) wie beim Lesemodus realisiert wird.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Schaltung für einen Transimpedanzverstärker 12 mit der Möglichkeit einer Umschaltung der effektiven Transimpedanz. Der Strom Iin1 von einer realen Stromquelle, die wie in Fig. 1 mit einer idealen Stromquelle 1 und einer zur idealen Stromquelle 1 parallelen Impedanz 2 modelliert werden kann, fließt durch eine elektrische Verbindung zu einem analogen Multiplexer 9 und von einem der Ausgänge 0 bis n dieses Multiplexers 9 wenigstens in einem Umschaltmodus der Einrichtung durch einen Kanal zum Eingang eines Stromspiegelsystems 10, das aus wenigstens einem Stromspiegel besteht und in dem in einem definiertem Verhältnis eine Transformation in den Strom Iout realisiert wird. Vom Ausgang dieses Stromspiegelsystems 10 fließt der Strom Iout zu den Eingängen 0 bis n eines weiteren Multiplexers 11 und vom Ausgang dieses weiteren Multiplexers 11 als Strom Ioute zum Eingang des Transimpedanzverstärkers 12. Im Transimpedanzverstärker 12 wird dieser Strom Ioute in eine durch die Transimpedanz des Transimpedanzverstärkers 12 definierte Spannung Vout umgewandelt. Am Ausgangsknoten des Multiplexers 11 wird eine Impedanz 13 angeordnet, die z. B. als Ersatz für die Impedanz 2 der Stromquelle 1 oder die der Stabilität des Transimpedanzverstärkers 12 dient.

Der Multiplexer 11 kann gegebenenfalls durch eine elektrisch leitende Verbindung ersetzt werden, mit welcher alle Ausgänge des Stromspiegelsystems 10 und der Eingang des Transimpedanzverstärkers 12 in einem Knoten elektrisch verbunden sind. Die Impedanz 13 wird dann ebenfalls an diesen Knoten angeschlossen.

Die Schaltung ist nicht auf Schreib-/Leseeinrichtungen begrenzt. Fig. 3 zeigt eine Variante ohne die Umschaltmaßnahme, die den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 zugrunde liegt. Die Stromquelle kann hier beispielsweise eine Photodiode zur Messung der Leistung eines Laserstrahls sein.

In Fig. 5 ist eine Variante für die oben angesprochene Anpassung an verschiedene Stromquellen dargestellt, die durch das Stromspiegelsystem 4 und eine Impedanz 14 erfolgt, die der Impedanz einer Stromquelle entspricht, für die der Impedanzverstärker eigentlich angepasst wurde. Bezugszeichenliste 1 Stromquelle

2 Impedanz (komplexer Widerstand)

3 Schalter

4 Stromspiegelsystem

5 Schalter

6 Transimpedanzverstärker

7 Impedanz (komplexer Widerstand)

8 Schalter

9 Multiplexer

10 System mit einzelnen Kanälen mit Stromspiegelsystemen

11 Multiplexer

12 Transimpedanzverstärker

13 Impedanz (komplexer Widerstand)

14 Impedanz (komplexer Widerstand)

15 Operationsverstärker

16 Impedanz (komplexer Widerstand)

A Arbeitsmodus A

B Arbeitsmodus B

Iin, Iin1, Iins, Iout, Ioute elektrischer Strom

Vout Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers

INN invertierender Eingang des Operationsverstärkers


Anspruch[de]
  1. 1. Elektronische Schaltung für einen Transimpedanzverstärker (6, 12) zur Umsetzung eines Stromes (Iin) einer Stromquelle (1) in eine adäquate Ausgangsspannung (Vout), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stromquelle (1) und Transimpedanzverstärker (6, 12) ein Stromspiegelsystem (4, 10) geschaltet ist, das aus mindestens einem Stromspiegel besteht.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stromspiegelsystem (4) und Stromquelle (1) ein Umschalter auf eine Umgehungsverbindung zum Stromspiegelsystem (4) geschaltet ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter durch zwei Schalter (3, 8) realisiert ist.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stromspiegelsystem (4) und Transimpedanzverstärker (6, 12) ein weiterer Schalter (5) angeordnet ist.
  5. 5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Stromspiegelsystems (4, 10) eine Impedanz (7, 14) zur Anpassung der Übertragungsfunktion des Transimpedanzverstärkers (6, 12) angeordnet ist.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stromquelle (1) und Stromspiegelsystem (10) ein analoger Multiplexer (9) geschaltet ist.
  7. 7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stromspiegelsystem (10) und Transimpedanzverstärker (12) ein zweiter Multiplexer (11) geschaltet ist
  8. 8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des zweiten Multiplexers (11) eine Impedanz (13) zur Anpassung der Übertragungsfunktion des Transimpedanzverstärkers (12) angeordnet ist.
  9. 9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Stromspiegel aus MOSFETs gebildet sind, die die gleiche Länge der Gate-Elektroden aufweisen und mit gleicher Gate-Spannung angesteuert sind.
  10. 10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transimpedanzverstärker (6, 12) ein breitbandiger Operationsverstärker (15) mit Rückkoppelnetzwerk (16) ist.
  11. 11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (1) durch ein lichtempfindliches Bauelement realisiert ist.






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