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Dokumentenidentifikation DE102005044679A1 22.03.2007
Titel Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung
Anmelder Vishay Semiconductor GmbH, 74072 Heilbronn, DE
Erfinder Fuchs, Markus, 74080 Heilbronn, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 19.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005044679
Offenlegungstag 22.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2007
IPC-Hauptklasse G01J 1/44(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung. Die Schaltungsanordnung besitzt einen ersten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines ersten Pols einer Spannungsquelle und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines zweiten Pols der Spannungsquelle, wobei der erste Spannungsversorgungsanschluss mit einem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist und der zweite Spannungsversorgungsanschluss mit einem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist. Zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den ersten Anschluss der Photodiode ist eine erste Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet, der in einer Tiefpassanordnung mit dem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung.

Photodioden sind Dioden, die auftreffendes Licht in einen Photostrom umwandeln. Sie werden unter anderem in der drahtlosen Datenübertragung verwendet, beispielsweise in Infrarotempfängern für Fernbedienungssysteme. Durch das Anlegen einer externen Sperrspannung, der so genannten Vorspannung, kann die Ansprechzeit auf eine Änderung der Beleuchtungsstärke wesentlich verkürzt werden, wodurch sich die Grenzfrequenz der Übertragungsbandbreite erhöht. In vielen Anwendungen werden durch Störlicht einem Nutzsignal überlagerte Gleichströme und niederfrequente Wechselströme in der Photodiode generiert, beispielsweise im Bereich von 100 oder 120 Hz durch Licht von Glühlampen oder Leuchtstoffröhren. Diese Ströme können um Größenordnungen höher sein als die Ströme, die durch das zu detektierende höherfrequente Signal erzeugt werden. Die durch Störlicht erzeugten Ströme müssen von einer Schaltung zur Vorspannungsversorgung zur Verfügung gestellt werden, wobei die Vorspannung möglichst stabil sein soll.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung zu schaffen, die die Detektion eines höherfrequenten Nutzsignals auch bei Vorhandensein eines durch konstantes oder niederfrequentes Störlicht generierten Störsignals erlaubt und sich gleichzeitig durch geringes Rauschen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode mit einer Vorspannung gelöst, die einen ersten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines ersten Pols einer Spannungsquelle und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines zweiten Pols der Spannungsquelle aufweist, wobei der erste Spannungsversorgungsanschluss mit einem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist und der zweite Spannungsversorgungsanschluss mit einem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist, und wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den ersten Anschluss der Photodiode eine erste Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet ist, der in einer ersten Tiefpassanordnung mit dem ersten Anschluss der Photodiode verbunden ist.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Photodiode mit der Spannungsquelle also mittelbar über eine Stromsteuereinrichtung verbunden, wobei die Stromsteuereinrichtung über einen Tiefpass von dem zugeordneten Anschluss der Photodiode gesteuert wird. Hierdurch wird hinsichtlich der an der Photodiode anliegenden Spannung letztlich eine negative Rückkopplung verwirklicht, die eine Stabilisierung der an der Photodiode anliegenden Spannung bewirkt. Aufgrund der tiefpassgefilterten Rückkopplung wird bei langsam veränderlicher Photodioden-Sperrspannung die Stromzufuhr entsprechend erhöht oder verringert, ohne dass die Detektion des höherfrequenten Nutzsignals beeinträchtigt wird, auch wenn die Signalstärke des Störsignals um Größenordnungen höher ist als die des Nutzsignals.

Bevorzugt weist die erste Stromsteuereinrichtung einen ersten MOS-Transistor auf. MOS-Transistoren zeichnen sich durch eine hohe Eingangsimpedanz aus, so dass zu ihrer Steuerung nur sehr niedrige Ströme erforderlich sind. Durch Verwendung eines großflächigen MOS-Transistors (hohe Eingangskapazität, z.B. wenigstens 1 pF) können zum einen der bereits genannte Tiefpass ohne zusätzliche Kondensatoren verwirklicht und zum anderen das 1/f-Rauschen verringert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Steuereingang der ersten Stromsteuereinrichtung mit dem ersten Anschluss der Photodiode über einen ersten Widerstand verbunden ist, um mit einer parasitären Kapazität der ersten Stromsteuereinrichtung (z.B. MOS-Transistor) und/oder einer zusätzlichen Kapazität die genannte Tiefpassanordnung zu bilden. Durch eine derartige Tiefpassanordnung wird eine Stabilisierung der Vorspannung für Gleichströme und niederfrequente Wechselströme erreicht. Die Grenzfrequenz der Tiefpassanordnung wird dabei im Wesentlichen durch die Gesamtkapazität und den genannten ersten Widerstand bestimmt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn dem ersten Widerstand ein erster Kondensator parallel geschaltet ist. Da die genannte Schaltungsanordnung einen Regelkreis mit negativer Rückkopplung darstellt, verhindert der zum Widerstand parallel geschaltete Kondensator ein unbeabsichtigtes Schwingen der Schaltungsanordnung.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss und der ersten Stromsteuereinrichtung ein erster Vorspannungswiderstand geschaltet. Hierdurch wird eine definierte minimale Impedanz gegenüber der Spannungsquelle gewährleistet.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann dem ersten Vorspannungswiderstand ein Transistor parallel geschaltet sein, wobei der Steuereingang des Transistors mit einem seiner weiteren Anschlüsse gekoppelt ist. Für den Fall sehr großer, durch den ersten Vorspannungswiderstand fließender Ströme stellt der bei Erreichen einer Grenzspannung durchschaltende Transistor einen Nebenschluss für den Vorspannungswiderstand dar (Bypass).

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem zweiten Anschluss der Photodiode in einer symmetrischen Anordnung zu der ersten Stromsteuereinrichtung eine zweite Stromsteuereinrichtung mit einem Steuereingang geschaltet, der in einer zweiten Tiefpassanordnung mit dem zweiten Anschluss der Photodiode verbunden ist. Durch die symmetrische Anordnung von zwei Stromsteuereinrichtungen werden eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie eine Unterdrückung von externen Störspannungen erreicht.

Bevorzugt handelt es sich in einer derartigen symmetrischen Ausgestaltung bei den genannten MOS-Transistoren um zueinander komplementäre MOS-Transistoren. Durch die Verwendung jeweils eines n-Typs und eines p-Typs lässt sich die symmetrische Anordnung für eine gemeinsame Richtung des Stromflusses verwirklichen.

Bei einer symmetrischen Anordnung von zwei Stromsteuereinrichtungen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die sich paarweise entsprechenden Widerstände und Kondensatoren jeweils gleiche Werte aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschlüsse der Photodiode mit einem differentiellen Eingang eines Transimpedanzverstärkers gekoppelt sind. Hierdurch wird ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht (doppelter Signalhub, Unterdrückung von Gleichtaktstörungen). Indem die Kopplung zwischen der Photodiode und dem Transimpedanzverstärker kapazitiv erfolgt, werden nur die hochfrequenten Nutzsignale verstärkt.

Weiterhin bevorzugt kann die Schaltungsanordnung als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein. Aufgrund der relativ geringen Anzahl von Bauteilen, insbesondere durch die Einsparung von expliziten Kapazitäten durch die Ausnutzung der parasitären Kapazitäten der Stromsteuereinrichtungen, und des Verzichts auf induktive Schaltungselemente eignet sich die Schaltungsanordnung besonders für eine mit einer Ausbildung als integrierter Schaltkreis einhergehenden Miniaturisierung, bei der bei gegebenen Anforderungen an ein minimales Rauschen eine möglichst kleine Chipfläche beansprucht werden soll.

Weitere bevorzugte Ausbildungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild der Schaltungsanordnung.

Gemäß der Figur ist die Kathode C einer Photodiode PD mit dem Source-Anschluss eines p-MOS-Transistors M1 verbunden. Der Drain-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 ist über einen Vorspannungswiderstand R1 mit dem positiven Pol VCC einer Spannungsquelle verbunden. Zwischen dem Gate-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 und der Kathode C der Photodiode PD ist ein Widerstand R3 geschaltet, zu dem wiederum ein Kondensator C1 parallel geschaltet ist. Zum Vorspannungswiderstand R1 ist ein weiterer p-MOS-Transistor M3 parallel geschaltet, dessen Drain-Anschluss mit dem positiven Pol VCC der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Gate-Anschluss und Source-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des p-MOS-Transistors M1 verbunden sind.

Die Anode A der Photodiode PD ist mit dem Drain-Anschluss eines n-MOS-Transistors M2 verbunden. Der Source-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 ist über einen Vorspannungswiderstand R2 mit dem negativen Pol GND der Spannungsquelle verbunden. Zwischen dem Gate-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 und der Anode A der Photodiode PD ist ein Widerstand R4 geschaltet, zu dem wiederum ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist. Zum Vorspannungswiderstand R2 ist ein weiterer n-MOS-Transistor M4 parallel geschaltet, dessen Source-Anschluss mit dem negativen Pol GND der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Gate-Anschluss und Drain-Anschluss mit dem Source-Anschluss des n-MOS-Transistors M2 verbunden sind. Die Anodenseite der Schaltungsanordnung ist somit symmetrisch zu der Kathodenseite ausgebildet.

Die Kathode C der Photodiode ist über einen Kondensator C3 und die Anode A über einen Kondensator C4 mit den Eingängen eines differentiellen Transimpedanzverstärkers TIA verbunden.

Um eine möglichst weitgehende Symmetrie in der Schaltungsanordnung zu gewährleisten, sind die Werte der Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 und der Kondensatoren C1 und C2 bzw. C3 und C4 jeweils gleich. Die MOS-Transistoren M1 und M2 bzw. M3 und M4 sind jeweils zu einander komplementäre p- bzw. n-Typen.

Zum Verständnis der Funktionsweise der Schaltungsanordnung soll nun zunächst der kathodenseitige Zweig betrachtet werden. Wenn durch eine Erhöhung des Gleichlichts oder eine niederfrequente Erhöhung der Belichtung der Photodiode PD der Strom durch die Photodiode PD zunimmt, bedingt dies einen Spannungsabfall an der Kathode C. Mit einer gewissen Verzögerung macht sich dieser Spannungsabfall über den Widerstand R3 am Gate des p-MOS-Transistors M1 bemerkbar und erhöht dort den Absolutbetrag der Gate-Source-Spannung. Dadurch wird der p-Kanal des Transistors M1 weiter geöffnet, so dass ein erhöhter Stromfluss ermöglicht wird.

Die hohen parasitären Kapazitäten zwischen Gate-Source, Gate-Drain und Gate-Substrat des p-MOS-Transistors M1, der zur Reduzierung des Eigenrauschen geometrisch groß dimensioniert ist, definieren zusammen mit einem hohen Widerstand R3 eine entsprechend niedrige Grenzfrequenz des Regelkreises. Der Kondensator C1 bewirkt eine Unterdrückung eines durch die negative Rückkopplung bedingten Eigenschwingens des Regelkreises. Die erwünschten hochfrequenten Signalanteile, die über den Kondensator C3 zum Transimpedanzverstärker TIA übertragen werden, werden durch diese Schaltung nicht beeinflusst.

Zusätzlich bedingt der Vorspannungswiderstand R1 eine minimale Impedanz der Schaltungsanordnung gegenüber der Spannungsquelle. Bei sehr großen Strömen bewirkt ein Durchschalten des p-MOS-Transitors M3 eine Überbrückung des Vorspannungswiderstands R1. Das Durchschalten erfolgt, wenn der durch den Stromfluss durch R1 bewirkte Spannungsabfall die zum Durchschalten von M3 erforderliche Schwellspannung erreicht.

Der anodenseitige Zweig der Schaltungsanordnung wirkt hinsichtlich der Stromsteuerung entsprechend der Schaltungssymmetrie auf analoge Weise.

A
Anode
C
Kathode
C1, C2
C3, C4
Kondensator
GND
negativer Pol der Spannungsquelle
M1, M3
p-MOS-Transistor
M2, M4
n-MOS-Transistor
PD
Photodiode
R1, R2
Vorspannungswiderstand
R3, R4
Widerstand
TIA
Transimpedanzverstärker
VCC
positiver Pol der Spannungsquelle


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Photodiode (PD) mit einer Vorspannung,

mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines ersten Pols (VCC) einer Spannungsquelle und einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss zum Anschließen eines zweiten Pols (GND) der Spannungsquelle,

wobei der erste Spannungsversorgungsanschluss mit einem ersten Anschluss (C) der Photodiode (PD) verbunden ist und der zweite Spannungsversorgungsanschluss mit einem zweiten Anschluss (A) der Photodiode (PD) verbunden ist,

wobei zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und den ersten Anschluss der Photodiode (PD) eine erste Stromsteuereinrichtung (M1) mit einem Steuereingang geschaltet ist, der in einer ersten Tiefpassanordnung mit dem ersten Anschluss (C) der Photodiode (PD) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromsteuereinrichtung einen ersten MOS-Transistor (M1) aufweist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang der ersten Stromsteuereinrichtung (M1) mit dem ersten Anschluss (C) der Photodiode (PD) über einen ersten Widerstand (R3) verbunden ist, um mit einer parasitären Kapazität der ersten Stromsteuereinrichtung (M1) und/oder einer zusätzlichen Kapazität die erste Tiefpassanordnung zu bilden. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Widerstand (R3) ein erster Kondensator (C1) parallel geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und die erste Stromsteuereinrichtung (M1) ein erster Vorspannungswiderstand (R1) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Vorspannungswiderstand (R1) ein Transistor (M3) parallel geschaltet ist, wobei der Steuereingang des Transistors mit der Verbindung zwischen dem ersten Vorspannungswiderstand (R1) und der ersten Stromsteuereinrichtung (M1) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zweiten Spannungsversorgungsanschluss und den zweiten Anschluss (A) der Photodiode (PD) in einer symmetrischen Anordnung zu der ersten Stromsteuereinrichtung eine zweite Stromsteuereinrichtung (M2) mit einem Steuereingang geschaltet ist, der in einer zweiten Tiefpassanordnung mit dem zweiten Anschluss (A) der Photodiode (PD) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromsteuereinrichtung einen zweiten MOS-Transistor (M2) aufweist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromsteuereinrichtung und die zweite Stromsteuereinrichtung zueinander komplementäre MOS-Transistoren (M1, M2) aufweisen. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Steuereingang der ersten Stromsteuereinrichtung (M1) mit dem ersten Anschluss (C) der Photodiode (PD) über einen ersten Widerstand (R3) verbunden ist, um mit einer parasitären Kapazität der ersten Stromsteuereinrichtung (M1) und/oder einer zusätzlichen Kapazität die erste Tiefpassanordnung zu bilden, und

dass der Steuereingang der zweiten Stromsteuereinrichtung (M2) mit dem zweiten Anschluss (A) der Photodiode (PD) über einen zweiten Widerstand (R4) verbunden ist, um mit einer parasitären Kapazität der zweiten Stromsteuereinrichtung (M2) und/oder einer zusätzlichen Kapazität die zweite Tiefpassanordnung zu bilden,

wobei der erste Widerstand (R3) und der zweite Widerstand (R4) vorzugsweise gleich groß gewählt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass dem ersten Widerstand (R3) ein erster Kondensator (C1) parallel geschaltet ist, und dass dem zweiten Widerstand (R4) ein zweiter Kondensator (C2) parallel geschaltet ist,

wobei der erste Kondensator (C1) und der zweite Kondensator (C2) vorzugsweise gleich groß gewählt sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen den ersten Spannungsversorgungsanschluss und die erste Stromsteuereinrichtung (M1) ein erster Vorspannungswiderstand (R1) geschaltet ist, und

dass zwischen den zweiten Spannungsversorgungsanschluss und die zweite Stromsteuereinrichtung (M2) ein zweiter Vorspannungswiderstand (R2) geschaltet ist,

wobei der erste Vorspannungswiderstand (R1) und der zweite Vorspannungswiderstand (R2) vorzugsweise gleich groß gewählt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Vorspannungswiderstand (R2) ein Transistor (M4) parallel geschaltet ist, wobei der Steuereingang des Transistors mit der Verbindung zwischen dem zweiten Vorspannungswiderstand (R2) und der zweiten Stromsteuereinrichtung (M2) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (A, C) der Photodiode (PD) mit einem differentiellen Eingang eines Transimpedanzverstärkers (TIA) kapazitiv gekoppelt sind. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.






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