DE3831409A1

DE3831409A1 - Photoelektrische wandlerschaltung

Info

Publication number: DE3831409A1
Application number: DE3831409A
Authority: DE
Inventors: Ryuich Naito
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1988-03-30
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1989-10-12
Also published as: US4935618A; JPH0516508Y2; JPH01144831U

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Wandlerschal tung zur Verwendung in einem Aufnahmeteil eines optischen Aufzeichnungs- und Wiedergabesystems, oder zur Verwendung bei einem Photofühler, wie er in verschiedenen Geräten wie z. B. Tachometern vorgesehen ist.

Bei optischen Informations-Aufzeichnungs- und-Wiedergabesy stemen, beispielsweise Magnetoptischen Aufzeichnungssyste men, wird ein Lichtstrahl auf eine Informationssignal-Auf zeichnungsspur mittels eines optischen Aufnahmegerätes aufge strahlt, und ein reflektierter oder durchgelassener Licht strahl wird in ein elektrisches Signal gewandelt, so daß ein Informationssignal gelesen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer solchen photoelektrischen Wand lerschaltung wird mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Diese Figur zeigt ein Beispiel eines Aufbaus einer photoelektri schen Wandlerschaltung, die bei einer optischen Aufnahme eines (nicht dargestellten) optischen Plattensystems Verwen dung findet. Ein Lichtempfangselement 1, beispielsweise eine PIN-Photodiode, und ein Lastwiderstand R ₁ sind hintereinan dergeschaltet und werden mit einer Vorspannung aus einer Vor spannungsquelle +B ₁ beaufschlagt. Das Lichtempfangselement 1 wird durch den Lastwiderstand R ₁ in Gegenrichtung vorge spannt, und erzeugt einen Strom, der von der auf sein (nicht gezeigtes) Lichtaufnahmefenster auffallenden Lichtmenge ab hängt. Der Lichtstrahl wird durch ein auf der Platte aufge zeichnetes Signal moduliert und mittels des Lichtempfangsele mentes 1 in ein HF-Stromsignal (später als RF bezeichnet) ge wandelt. Das RF-Stromsignal erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand R ₁, der proportional seinem Strompegel ist. Ein Knotenpunkt zwischen dem Widerstand R ₁ und dem Lichtempfangselement 1 bildet eine Ausgangsklemme der photo elektrischen Wandlerschaltung. Ein an dieser Ausgangsklemme auftretendes Spannungsausgangssignal wird durch eine (nicht dargestellte) HF-Verstärkerschaltung verstärkt und später de moduliert.

Fig. 2 zeigt eine Äquivalentschaltung des Lichtempfangsele mentes 1. Hier ist das Lichtempfangselement 1 zusammenge setzt aus einer Parallelverbindung einer Stromquelle I, die einen zur Intensität des auffallenden Lichtes proportionalen Strom i erzeugt, mit einer Kapazität, die über dem Anoden/Ka toden-Weg der Stromquelle liegt. Die Größe der Kapazität C wird durch Faktoren wie die Gegen-Vorspannung und die Fläche des Lichtempfangselementes bestimmt und beträgt allgemein etwa 20 pF.

Um die Frequenzcharakteristik der photoelektrischen Wandler schaltung mit dieser Äquivalentschaltung zu erhalten, wird eine Übertragungsfunktion F ₁ der photoelektrischen Wandler schaltung aus Fig. 1 auf folgende Weise bestimmt: Da die Ka pazität C zwischen den erwähnten Elektroden und der Wider stand R ₁ parallel bezüglich der Stromquelle I verschaltet sind, wird die Übertragungsfunktion F ₁ (s) wie nachfolgend ausgedrückt:

F₁(s) = (e₁/i) = R₁ × (1/(1 + sCR₁)),

wobei s = j ω.

Wie diese Gleichung zeigt, ist eine Verzögerungsschaltung erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz f c ₁=1/2 π CR ₁ gebil det. Unter der Annahme R ₁=10 kΩ , C =20 pF bekommt fc ₁ einen Wert von etwa 800 kHz. Es werden also über dieser Fre quenz liegende Frequenzbestandteile geschwächt. Falls der Wi derstand R ₁ zur Erhöhung des Schaltungsgewinns auf mehr als 10k Ω erhöht wird, erniedrigt sich die Grenzfrequenz auf we niger als 800 kHz.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal des Lichtempfangs elementes 1 einem Gegenkopplungsverstärker zugeführt, der aus einem invertierenden Gleichstromverstärker 2 (DC-Verstär ker) und einem Rückkoppelwiderstand R ₂ besteht. Bin Aus gangs-Spannungssignal e ₂ des Rückkoppelverstärkers wird mit einer Rate von 100% an den Eingang rückgeführt, so daß der Spannungspegel an der Eingangsklemme konstant gehalten wird. Diese Spannung an der Eingangsklemme dient als die Rück-Vor spannung des Lichtempfangselementes 1. Als invertierender DC-Verstärker 2 kann ein Inverter-IC mit CMOS-Aufbau (komple mentärer MOS-Aufbau) benutzt werden. Dieser Gegenkopplungs verstärker bildet einen Strom/Spannungs-Wandelkreis, und der Ausgangsstrom des Lichtempfangselementes 1 wird mittels des Widerstandes R ₂ in eine Spannung gewandelt und daraufhin aus gegeben.

Die hier zutreffende Äquivalentschaltung ist in Fig. 4 dar gestellt. Falls der Gewinn des invertierenden DC-Verstärkers 2 minus K beträgt und das Lichtempfangselement durch die Stromquelle I und die Kapazität C dargestellt wird, ist die zutreffende Übertragungsfunktion F ₂ (s) wie folgt:

F₂(s) = (e₂/i) = R₂ × (K/(K + 1)) × 1/(1 + S(CR₂/(K + 1)).

Damit bildet diese photoelektrische Wandlerschaltung eine Verzögerungsschaltung erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz f c ₂=(K +1)/(2 π CR ₂). Unter der Annahme R₂=10 kΩ, K =10 und C =20 pF beträgt die Grenzfrequenz f c ₂ annähernd 8,8 MHz. Da eine Eingangskapazität des invertierenden DC-Verstär kers 2 zu der Kapazität C des Lichtempfangselementes 1 hinzu kommt, wird die Empfangsfrequenz der Gesamtschaltung niedri ger als fc ₂.

Andererseits wird bei Magnetooptischen Plattensystemen, deren Entwicklung in jüngster Zeit rasch vorangeschritten ist, ein Lichtstrahl auf die Informationsaufzeichnungsspur der Magnetooptischen Platte aufgestrahlt und das ausgelesene Signal unter Benutzung einer kleinen Drehung der Polarisa tionsebene in dem durch die Magnetooptische Platte reflek tierten oder durch sie durchgelassenen Lichtstrahles ausge führt.

Bei diesen Magnetooptischen Plattensystemen wird der von dem Lichtempfangselement wie dem Element 1 erhaltene RF-Signalpe gel schwach, so daß thermisches Rauschen, das durch den Wi derstand R ₁ oder R ₂ entsteht, die Signalgewinnung problema tisch macht. Es ist auch bekannt, daß der Spannungspegel des thermischen Rauschens proportional zur Quadratwurzel des Wi derstandswertes ist. Andererseits ist der Spannungspegel des Ausgangssignales der photoelektrischen Wandlerschaltung pro portional diesem Widerstandswert. Es ist deswegen wünschens wert, die beiden Widerstandswerte so groß wie möglich zu machen, um das Signal/Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio (S/M)) zu vergrößern.

Es wurde jedoch bereits erwähnt, daß bei Vergrößerung der Wi derstandswerte die Grenzfrequenz herabgesetzt wird. Damit wird es schwierig, die erforderliche Bandbreite zu errei chen. Wenn darüberhinaus das RF-Stromsignal schwach ist, kann ein weiteres Problem der Induzierung von Rauschen ent stehen.

Insbesondere besteht eine Tendenz, daß das Induktionsrau schen umso größer wird, je höhere Widerstandswerte die Last widerstände R ₁ oder R ₂, die an der Kathode des Lichtempfang selementes 1 angeschlossen sind, haben. Im Falle der be schriebenen photoelektrischen Wandlerschaltungen beträgt der Widerstandswert des Widerstands R ₁ in der Schaltung nach Fig. 1 10 kΩ und der Widerstandswert von R ₂/(K +1) in der Schaltung nach Fig. 3 beträgt annähernd 910 Ω . Damit kann in beiden Ausführungsbeispielen der photoelektrischen Wand lerschaltung leicht Rauschen induziert werden.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine pho toelektrische Wandlerschaltung mit einer Breitbandcharakteri stik zu schaffen, die auch ein ausgezeichnetes Signal/ Rausch-Verhältnis besitzt.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine erfindungsgemäße pho toelektrische Wandlerschaltung mit einem ein Stromsignal ent sprechend der auffallenden Lichtmenge erzeugenden Lichtauf nahmeelement und einer Strom/Spannungs-Wandlerschaltung zum Wandeln des Stromsignals in ein Spannungssignal so ausge legt, daß das Stromsignal der Strom/Spannungs-Wandlerschal tung durch einen aktiven Kreis angelegt wird, der eine nied rige Eingangsimpedanz zeigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer üblichen photoelektri schen Wandlerschaltung,

Fig. 2 ein Äquivalent-Schaltdiagramm zur Erläute rung des Lichtempfangselementes aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen üblichen photo elektrischen Wandlerschaltung,

Fig. 4 ein Äquivalent-Schaltdiagramm zur Erklärung der Schaltung aus Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen photo elektrischen Wandlerschaltung, und

Fig. 6 ein Schaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlerschaltung.

Die erste Ausführung einer erfindungsgemäßen photoelektri schen Wandlerschaltung nach Fig. 5, bei der der Fig. 1 ent sprechende Schaltteile gleiche Bezugselemente erhalten haben und nicht weiter erklärt werden, zeigt eine Transistorschal tung mit gemeinsamer Basis, die als aktive Schaltung mit ge ringer Eingangsimpedanz zwischen das Lichtempfangselement 1 und den Widerstand R ₁ eingesetzt ist. Eine vorbestimmte Vor spannung +B ₂ liegt an der Basis des Transistors 3 der Transi storschaltung mit gemeinsamer Basis an, und der Emitter des Transistors ist mit dem Lichtempfangselement 1 und sein Kol lektor mit dem Widerstand R ₁ verbunden. Die Basis des besch riebenen Transistors ist bezüglich Wechselstromsignalen über eine (nicht dargestellte) Leistungsversorgungsschaltung an Masse gelegt. Falls der durchschnittliche Ausgangsstrom des Lichtempfangselementes 1 nicht für die Vorstrombeaufschla gung des Transistors 3 ausreicht, wird ein Vorwiderstand R ₃ parallel zum Lichtempfangselement 1 geschaltet, so daß der Vorstrom dem Emitter zugeführt wird. Die übrigen Abschnitte der photoelektrischen Wandlerschaltung sind mit den entspre chenden Abschnitten der Schaltung nach Fig. 1 identisch.

Bei dem beschriebenen Aufbau bildet eine Parallelschaltung aus Basis/Emitter-Widerstand Re des Transistors 3, Vorwider stand R ₃ und Kapazität C des Lichtempfangselementes 1 eine Last für die Gleichstromquelle I des Lichtempfangselementes 1.

Es ist bekannt, daß der Wert des Widerstandes Re durch die Gleichung Re ≈25/Ie Ω bestimmt ist bei normaler Tempera tur, wenn Ie den Emitter-Vorstrom in mA angibt. Falls der Emittervorstrom Ie gleich 0,1 mA ist, beträgt der Wider standswert Re 250 Ω .

Da der Widerstandswert des Vorwiderstandes R ₃ ausreichend größer als der Wert des Widerstandes Re ist, kann der kombi nierte Widerstand aus Re und Vorwiderstand R ₃ annähernd gleich dem Wert des Widerstandes Re gesetzt werden. Damit bildet eine Parallelschaltung aus dem Widerstand Re und dem Kondensator C die Last für die Stromquelle I. Die Grenzfre quenz f c ₃ des Ausgangsstromes i des Lichtempfangselementes 1 ist unter dieser Bedingung etwa 32 MHz, mit der Annahme Re 250 Ω und C =20 pF. Da der Emitterstrom und der Kollektor strom des Transistors 3 annähernd gleich sind, ist die Grenz frequenz des Spannungsausgangsignals e ₃ an der Ausgangsklem me, d. h. der Ausgangsspannung, die als Spannungsabfall über den Widerstand R ₁ erhalten wird, ebenfalls annähernd 32 MHz.

Weiter ist eine Basis/Kollektor-Kapazität C _BC mit einem Wert von etwa 0,4 pF im Transistor 3 vorhanden, und eine solche Kapazität C _BC bildet zusammen mit dem Widerstand R ₁ einen Parallelkreis, der eine Verschlechterung der Hochfrequenzcha rakteristik des Kollektorausgangssignales bewirkt. Falls R ₁ =10 kΩ und C _BC=0,4 pF, beträgt die Grenzfrequenz 40 MHz. Deshalb erniedrigt die Basis/Kollektorkapazität des Transi stors 3 die erwähnte Grenzfrequenz f c ₃ nur wenig, und die Grenzfrequenz f c ₃ der photoelektrischen Schaltung liegt sicher mindestens über 20 MHz.

Damit wird die Grenzfrequenz der Schaltung von dem Wert annä hernd 800 kHZ nach Fig. 1 auf einen Wert von über 20 MHz verbessert, wenn statt der in Fig. 1 gezeigten Schaltung die in Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung ver wendet wird.

Andererseits beträgt der praktische Lastwiderstand des Licht empfangselementes annähernd 250 Ω , ist also beträchtlich kleiner als der Wert 10 KΩ des Lastwiderstandes R ₁ der Schaltung nach Fig. 1. Damit besteht hier ein Vorteil darin, daß die angeführte Induzierung von Rauschen durch elektromagnetische Wellen reduziert ist.

Eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Wandlerschal tung wird nun mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Bei dieser Ausführung wird ein Gegenkoppelverstärker als Ersatz für den Lastwiderstand R ₁ verwendet zur Bildung der Strom/Span nungs-Wandlerschaltung nach Fig. 5. Die restlichen Ab schnitte dieser photoelektrischen Wandlerschaltung entspre chen den angeführten Abschnitten der Schaltung nach Fig. 5.

Bei dem Aufbau dieser Schaltung wird der Lastwiderstand des Lichtempfangselementes 1 annähernd gleich dem Widerstand Re (z. B. 250 Ω) zwischen Basis und Emitter des Transistors 3, wie bereits erwähnt. Damit wird der Lastwiderstand dieser Schaltung ausreichend geringer als der Lastwiderstand (von z. B. 910 Ω) der in Fig. 3 gezeigten Schaltung.

Andererseits ist die kapazitive Last für das Kollektoraus gangssignal des Transistors 3 annähernd gleich der Eingangs kapazität des invertierenden DC-Verstärkers 2 allein. All gemein besitzt die Eingangskapazität einen Wert um einige pF. Damit ist die Grenzfrequenz f c ₄ bei dieser Ausführung höher als die Grenzfrequenz f c ₂ von circa 8,8 mHz des in Fig. 3 gezeigten Schaltungsaufbaus.

Damit besitzt die zweite erfindungsgemäße Ausführung nach Fig. 6 den Vorteil gegen den Schaltungsaufbau nach Fig. 5, daß die Grenzfrequenz f c ₄ weiter zu höheren Frequenzen ver schoben ist. Dazu ist der Wert des Lastwiderstandes bei der zweiten Ausführung kleiner, und damit wird die Beeinflussung durch Induktionsrauschen entsprechend reduziert.

Bei den beschriebenen Ausführungen ist ein Schaltungsaufbau mit einem Transistor mit gemeinsamer Basis verwendet; es ist aber auch möglich, eine aktive Schaltung mit geringer Ein gangsimpedanz zu verwenden, bei der ein FET, eine Vakuumröh re oder ein IC statt des Transistors eingesetzt wird. Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbei spieles erklärt, bei dem ein mit geringem Pegel moduliertes Signal wie der reflektierte Lichtstrahl bei Magnetooptischen Plattensystemen in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfin dung auch für die Aufnahme von optischen Plattenspielersyste men wie Videoplattenspielern oder CD-Spielern verwendet werden kann, oder bei einem Photosensor, wie er beispielswei se bei einem Tachometer eingesetzt wird.

Falls die Breitbandcharakteristik nicht so sehr erforderlich ist, kann der Lastwiderstand erhöht werden. In einem solchen Fall wird der Gewinn der Strom/Spannungs-Wandlung erhöht, so daß der Gewinn der Verstärkerschaltung in der nachfolgenden Stufe proportional verringert werden kann. Damit kann eine Verringerung der Schaltungskosten erzielt werden.

Wie vorangehend beschrieben, ist die erfindungsgemäße Wand lerschaltung so aufgebaut, daß der Ausgangsstrom des Licht empfangselementes der Strom/Spannungs-Wandlerschaltung über eine aktive Schaltung mit geringer Eingangsimpedanz zuge führt wird. Es ist deshalb vorteilhaft, daß der Lastwider stand des Lichtempfangselementes reduziert wird, so daß die Bandbreite der Frequenzcharakteristik der Schaltung erhöht wird, während der Widerstand für die Strom/Spannungswandlung so hoch wie möglich gehalten wird, so daß das Ausgangssignal einen angehobenen Spannungspegel bekommt und das Signal/ Rausch-Verhältnis dieses Ausgangsspannungssignales verbes sert wird.

Claims

1. Photoelektrische Wandlerschaltung mit einem Lichtemp fangselement (1), das ein der auffallenden Lichtmenge entsprechendes Stromsignal erzeugt, und einem Strom/Span nungs-Wandlermittel (R ₁; R ₂, 2), dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Schalteinrichtung (3) zur Aufnahme des Stromsignals vorgesehen ist, die eine niedrige Eingangs impedanz aufweist.

2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schalteinrichtung eine Schaltung mit einem Transistor (3) mit gemeinsamer Basis enthält, der von dem Lichtempfangselement (1) einen Emitterstrom auf nimmt und eine Kollektorspannung als Ausgangssignal abgibt.

3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangselement eine Photodiode (1) ist, die an den Emitter des Transistors (3) mit gemeinsamer Basis angeschlossen ist, und daß die aktive Schaltein richtung einen parallel zu der Photodiode (1) geschalte ten Vorwiderstand (R ₃) enthält.