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1. WO2020104515 - TRANSIMPEDANZVERSTÄRKER SOWIE EMPFÄNGERSCHALTUNG FÜR OPTISCHE SIGNALE MIT EINER PHOTODIODE UND EINEM TRANSIMPEDANZVERSTÄRKER

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Transimpedanzverstärker sowie Empfängerschaltung für optische Signale mit einer Photodiode und einem Transimpedanzverstärker

Die Erfindung nimmt die Priorität der deutschen Anmeldung 102018129488.3 vom 22. November 2018 in Anspruch, deren Inhalt durch Referenz hiermit aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft einen Transimpedanzverstärker sowie eine Empfängerschaltung für optische Signale mit einer Photodiode und einem Transimpedanzverstärker. Der Transimpedanzverstärker ver fügt über einen Operationsverstärker mit einem nicht invertieren den, auf Masse liegenden Eingang und mit einem invertierenden Eingang für ein zu verstärkendes Stromsignal. Ferner verfügt der Transimpedanzverstärker über einen Ausgang, der über einen Kopp lungswiderstand mit dem invertierenden Eingang gekoppelt ist und über einen Power-Down-Eingang, der bei Erhalt zumindest eines Abschaltsignals derart aktiviert wird, dass daraufhin wenigstens eine interne Stromquelle deaktiviert wird.

Bei einem Transimpedanzverstärker handelt es sich um einen elektrischen Verstärker, der einen Eingangsstrom in eine propor tionale Ausgangsspannung umwandelt. Ein Transimpedanzverstärker kann auch als eine stromgesteuerte Spannungsquelle aufgefasst wer den und wird in unterschiedlichen Bereichen der Technik zur Ver stärkung von Stromsignalen eingesetzt. So ist es beispielsweise bekannt, Stromsignale, die durch Detektion und Umwandlung eines optischen Signals mithilfe einer Photodiode erzeugt werden durch einen Transimpedanzverstärker breitbandig zu verstärken. In die sem Fall ein Strom, der eine Stärke im nA- bis mA-Bereich aufweist, in eine Spannung umgewandelt.

Derartige Systeme kommen vielfach zur Entfernungsmessung und Ob jekterkennung in kritischen Anwendungen, beispielsweise in auto nomen Fahrzeugen, Fahrerassistenzsystemen oder in Medizingeräten, wie etwa Pulsoxymetern, zum Einsatz. Die Zuverlässigkeit des Mess systems hängt hierbei maßgeblich von der Qualität der Signalver arbeitung und insbesondere von der Präzision und Stabilität der Erkennungsschaltung ab. Da der Transimpedanzverstärker das Signal der Fotodiode mit geringer Stromstärke in eine nutzbare Spannung umwandelt, stellt er ein wesentliches Bauteil der Schaltung dar.

Von ganz besonderer Bedeutung für die Funktionalität eines Tran simpedanzverstärker ist, dass bei der Umwandlung eines vergleichs weise kleinen Eingangsstromsignals in ein Ausgangsspannungssignal eine möglichst hohe Verstärkung erreicht wird. Hiermit wird si chergestellt, dass eine einfache und zuverlässige Auswertung des Ausgangsspannungssignals möglich ist. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 5 schematisch die Schaltungsanordnung eines Transimpe danzverstärkers, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, und bei der der Transimpedanzverstärker ein von einer Photodiode erzeugtes, vergleichsweise kleines Stromsignal als Eingangssignal am invertierenden Eingang empfängt.

In Ergänzung hierzu zeigt Fig. 5 einen Transimpedanzverstärker mit Stromspiegel zur Bias-Stromerzeugung. In diesem Fall ist die Schaltung in CMOS-Technologie implementiert. Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung ist lediglich ein Transistor vorgesehen, der in der Schaltung eine Verstärkung bewirkt. Ferner bilden der Widerstand Rx und die Kapazität Cx ein Filter, dass ein im Knoten Ql bei hohen Frequenzen erzeugtes Rauschen minimiert.

Im Übrigen ist aus der EP 0 951 140 A2 eine Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger bekannt, mit dem optische Signale mithilfe einer Fotodiode in elektrische Signale gewandelt und die elektrischen Signale mittels einer Verstärkerschaltung verstärkt werden. Wesentlich an der beschriebenen technischen Lösung ist, dass eine Schaltungsanordnung zur Einstellung eines Arbeitspunk tes der Verstärkerschaltung vorgesehen ist. Mit dieser Schaltungs anordnung wird der Arbeitspunkt in Abhängigkeit eines Pegels der optischen Signale eingestellt. Ein Transimpedanzverstärker wird hierbei als Vorverstärker eingesetzt, dessen differenzielle Aus gänge über einen Regelverstärker mit dem Eingang des Vorverstär kers verbunden sind. Mit dieser Schaltungsanordnung soll eine mittlere differenzielle Ausgangsspannung des als Vorverstärker eingesetzten Transimpedanzverstärker für jedes eingehende Signal, auch bei unterschiedlichen Pegelwerten des optischen Signals, auf Null geregelt werden. Im Übrigen wird mit Hilfe des Regelverstär kers eine pegelbezogene Ausgangsdifferenzspannung des Vorverstär kers auf Null geregelt, sodass die nachfolgende Verarbeitung der Signale unabhängig vom Pegel der empfangenen optischen Signale erfolgen kann.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2012 024 488 Al ein Transimpe danzverstärker mit mehreren Verstärkerstufen bekannt. Um eine wirtschaftlich interessante Alternative für die Transimpedanzver stärkung anbieten zu können und trotzdem eine hohe Verstärkung bei gleichzeitig großer Bandbreite erzielen zu können, ist gemäß der in dieser Schrift vorgeschlagenen Lösung ein Transimpedanz verstärker mit mehreren diskret hintereinander geschalteten Ver stärkerstufen vorgesehen. Hierbei ist die erste Verstärkerstufe als Transimpedanzverstärkungsschaltung ausgeführt, während die weiteren Stufen als Spannungsverstärkungsschaltungen ausgebildet sind .

Eine wesentliche Eigenschaft eines Verstärkers stellt stets sein elektronisches Rauschen dar, das in Abhängigkeit der Betriebszu stände variiert und das im Verstärker das Signal- zu Rauschver hältnis limitiert. Eine weitere spezifische Eigenschaft stellt die erreichbare Bandbreite des Verstärkers dar. Beide Eigenschaf ten hängen im Wesentlichen mit dem Stromverbrauch eines Transim pedanzverstärkers zusammen, wobei insbesondere Verstärker mit hö herem Stromverbrauch weniger Rauschen und eine höhere Geschwin digkeit aufweisen. Allerdings ist insbesondere bei mobilen Anwen dungen ein hoher Stromverbrauch unerwünscht. Aus diesem Grund sind technische Lösung zur Reduzierung des mittleren Stromverbrauchs eines Transimpedanzverstärkers bekannt sind.

Bei einer speziellen technischen Lösung wird der Transimpedanz verstärker nur bei Bedarf aktiviert. In diesem Zusammenhang exis tiert oder existierte eine mehrkanaliger programmierbarer Tran simpedanzverstärker unter der Typenbezeichnung MTI04G, der über einen integrierten Power-Down-Modus verfügt. Der integrierte Power-Down-Modus gestattet den Verstärker in einen stromsparenden Betrieb zu schalten. Wird die Funktion integrierten Schaltkreises zeitweilig nicht benötigt, kann auf diese Weise der Ruhestromver brauch auf 8 mA reduziert werden.

Erfolgt eine Deaktivierung des Transimpedanzverstärkers über ei nen Power-Down-Eingang, so werden die internen Stromquellen im Transimpedanzverstärker bei Aktivierung dieses Eingangs deakti viert und alle Knoten des Verstärkers auf einen definierten Zu stand gebracht. Diesbezüglich sind Lösungen bekannt, bei denen die internen Knoten von Transistoren entweder auf eine positive Versorgungsspannung VDD oder auf Masse gezogen werden. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, Leckströme zu minimieren.

Ausgehend von den bekannten Transimpedanzverstärkern stellt es nach wie vor eine Herausforderung dar, einen qualitativ hochwer tigen Verstärker, der sich durch minimales Rauschen und hohe Ge schwindigkeit auszeichnet und dessen Stromverbrauch darüber hin aus möglichst gering ist, bereitzustellen. Dies ist allerdings gerade für den Einsatz von Transimpedanzverstärkern in mobilen Geräten notwendig.

Werden technische Lösungen eingesetzt, die den Transimpedanzver stärker zumindest zeitweise deaktivieren, so haben diese oftmals den Nachteil, dass es einige Mikrosekunden dauern kann, bis der Transimpedanzverstärker nach erfolgter Deaktivierung wieder ein satzbereit ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die internen Bias-Spannungen zunächst einschwingen müssen, um einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Das vorgenannte Problem tritt insbesondere dann auf, wenn beispielsweise passive RC-Filter im Versorgungsnetz zur Rauschreduktion eingesetzt wer den. Darüber hinaus ist es für einige Anwendungen, insbesondere bei solchen, die lediglich sehr kurze Bursts in kurzen Abständen empfangen sollen, sinnvoll, diese Einschwingzeit zu reduzieren, um durch ein noch schnelleres Power-Gating den mittleren Strom verbrauch weiter abzusenken.

Eine Schaltung, bei der der verwendete Transimpedanzverstärker zumindest zeitweise abgeschaltet wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Ergänzend zeigt ein Timingdiagramm den zeitlichen Verlauf des Eingangssignals, des Power-Down-Signals sowie des Ausgangssignals zu sehen. Bei Aktivierung des Power-Down-Eingangs zieht der Tran sistor Q4 den Knoten X auf die positive Versorgungsspannung VDD und schaltet auf diese Weise zuverlässig den Biasstrom ab. Aller dings entsteht bei der Reaktivierung eine Zeitverzögerung aufgrund der Zeitkonstante des RC-Rauschfilters und des Stromspiegels.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Transimpe danzverstärkerschaltungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Transimpedanzverstär ker, insbesondere in einer Empfängerschaltung für optische Sig nale, sowie eine solche Empfängerschaltung weiter zu verbessern.

Die vorstehend erläuterte Aufgabe wird mit einem Transimpedanz verstärker gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die genannte Auf gabe mit einer Empfängerschaltung, die die im Anspruch 10 angege benen technischen Merkmale aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezug nahme auf die Figuren näher erläutert.

Die Erfindung betrifft einen Transimpedanzverstärker, der über einen spannungsgesteuerten Operationsverstärker verfügt, der ei nen nicht invertierenden Eingang, der auf Masse liegt, einen in vertierenden Eingang, der ein zu verstärktes Stromsignal empfängt, einen Ausgang, der über einen Kopplungswiderstand mit dem inver tierenden Eingang gekoppelt ist, und einen Power-Down-Eingang, der bei Empfang zumindest eines Abschaltsignals derart aktiviert wird, dass daraufhin wenigstens eine interne Stromquelle deakti viert wird, aufweist. Erfindungsgemäß ist der Transimpedanzver stärker derart weitergebildet worden, dass aus dem vom Power-Down-Eingang empfangenen Abschalt- oder Power-Down-Signal mithilfe zu mindest eines elektronischen Bauelementes wenigstens ein erstes und wenigstens ein zweites Folgesignal erzeugt werden, von denen wenigstens eines die Deaktivierung zumindest einer internen Strom quelle initiiert, wobei das zweite Folgeseminar aktiviert wird, nachdem das erste Folgesignal eine Zeit lang aktiv war. Das erste Folgesignal wird im Folgenden als Standby-Signal und das zweite Folgesignals als Discharge-Signal bezeichnet.

Gemäß der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mithilfe eines zweistufigen Power-Down-Prozesses behoben werden. Hierzu werden nach Erhalt eines externen Abschalt- bzw. Power-Down-Signals durch wenigstens ein elektronisches Bauelement, vorzugsweise durch einen integrierten Schaltkreis, zwei Signale erzeugt, durch die in zeitlichem Abstand jeweils eine Folgeaktion ausgelöst wird. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der beiden Folgesignale ebenfalls seriell, also in zeit lichem Abstand zueinander. Für die Erzeugung der entsprechenden Signale ist ein Signalgenerator vorgesehen, der das gewünschte Signal bei Eintritt eines auslösenden Ereignisses, hier Empfang eines Power-Down-Signals und/oder Ablauf einer vorgegebenen Zeit spanne nach Aktivierung des Standby-Signals, erzeugt oder akti viert .

Mit dem vorgeschlagenen Transimpedanzverstärker kann der Strom verbrauch weiter minimiert und gleichzeitig sichergestellt wer den, dass der Transimpedanzverstärker möglichst schnell nach einer zwischenzeitlichen Deaktivierung wieder aktiviert werden kann. Gleichzeitig wird auch das Rauschverhalten, insbesondere das Sig nal- zu Rauschverhältnis nicht negativ beeinflusst und dennoch eine möglichst breitbandige und hohe Verstärkung des empfangenen Stromsignals erreicht. Im Übrigen lässt sich die weitergebildete Verstärkerschaltung vergleichsweise einfach auch in komplexe Schaltungsanordnung integrieren und stellt auch unter wirtschaft lichen Gesichtspunkten eine interessante Lösung zur Minimierung des mittleren Stromverbrauchs eines Transimpedanzverstärkers dar.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Aktivierung des Power-Down-Eingangs durch ein Power-Down-Signal ein integrierter Schaltkreis zunächst ein Standby-Signal und mit zeitlichem Abstand hierzu ein Discharge-Signal erzeugt. Generell ist es auch denkbar, dass nach Empfang des Power-Down-Signals sowohl das Standby- als auch das Discharge-Signal erzeugt werden, aber eine Aktivierung des Discharge-Signals erst erfolgt, wenn das Standby-Signal bereits eine bedarfsgerecht festgelegte Zeit spanne aktiv war. Wesentlich ist, dass eine Aktivierung des Standby-Signals zur Deaktivierung wenigstens einer internen Stromquelle der Transimpedanzverstärkerschaltung führt. Bevorzugt beträgt die Zeitspanne zwischen der Aktivierung des Standby-Sig nals und der Aktivierung des Discharge-Signals 90 - 110 s, insbe sondere etwa 100 ps. Aufgrund dieser vorgeschlagenen technischen Lösung erfolgt eine Aktivierung des Discharge-Signals erst mit dem zuvor angegebenen Zeitversatz nach Aktivierung des Standby-Signals .

Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung wird auf der Grundlage des ersten Folgesignals, also des Standby-Signals, we nigstens ein Schalttransistor aktiviert. Auf vorteilhafte Weise ist ferner vorgesehen, dass der wenigstens eine durch das Standby-Signal aktivierte Schalttransistor zumindest eine, insbesondere alle wesentlichen Stromquellen, des Transimpedanzverstärkers de aktiviert .

Ein anderer Aspekt sieht vor, dass der wenigstens eine Schalt transistor zur Deaktivierung von Stromquellen die Knoten der Ver stärkerschaltung, an denen Biasspannungen anliegen, isoliert. Dies hat den Vorteil, dass der normale Betriebszustand des Ver stärkers vergleichsweise schnell wiederhergestellt werden kann, da das Einschwingverhalten der wenigstens einen oder der Mehrzahl von Stromquellen reduziert ist.

Nach Abschluss der zuvor beschriebenen Maßnahme, also nach Akti vierung des Standby-Signals befindet sich die wenigstens eine Stromquelle, vorzugsweise sämtliche Stromquellen, innerhalb der Verstärkerschaltung in einem isolierten Zustand. Hierdurch wird sichergestellt, dass der normale Betriebszustand des Verstärkers vergleichsweise schnell wieder herstellbar ist, es führt aller dings nicht dazu, dass der Stromverbrauch gegenüber dem vorherigen Betriebszustand des Transimpedanzverstärkers minimiert ist. Ein Problem bei der Isolierung der inneren Stromquellen des Transim pedanzverstärkers kann sich ergeben, sofern dieser Betriebszu stand über eine längere Zeitspanne gehalten wird, da dann zumin- dest die Möglichkeit besteht, dass aufgrund driftender Knoten spannungen unerwünschte Systemzustände erreicht werden, die die Zuverlässigkeit der Schaltung herabsetzen können.

Aufgrund des zuvor geschilderten Problems wird der Betriebszu stand, in dem wenigstens ein Knoten, an dem eine Biasspannung anliegt, isoliert ist, nur für einen begrenzten Zeitraum aufrecht erhalten. Die gewählte Zeitspanne, die bedarfsgerecht festgelegt und verändert werden kann, beträgt beispielsweise 10-1000ps oder im Besonderen 90 - 110 ps, ganz besonders etwa 100 ps . Vor oder spätestens mit Ablauf der vorgenannten Zeitspanne erfolgt die Aktivierung des zweiten Folgesignals, des sogenannten Discharge-Signals .

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei Aktivierung des Discharge-Signals zumindest einer der im ersten Prozessschritt isolierten Knoten mit einem definierten Potenzial kurzgeschlos sen. Auf diese Weise wird in dem zweiten Prozessschritt der Deak tivierung des Transimpedanzverstärkers ein definierter Zustand hergestellt. Zweckmäßig bei einem derartigen Vorgehen ist, dass der mittlere Stromverbrach und somit der Energiebedarf eines ent sprechend ausgestalteten Transimpedanzverstärkers minimiert wer den kann und dieser trotzdem vergleichsweise schnell wieder in den normalen Betriebszustand versetzt werden kann, ohne dass es in der Zwischenzeit zu unsicheren Betriebszuständen kommt. Es ist somit ein besonders schnelles Powercycling in einem Bereich un terhalb von einer Mikrosekunde realisierbar, sodass diese techni sche Lösung auch für Anwendungen geeignet ist, die sich durch kurz aufeinanderfolgende Bursts auszeichnen. Aufgrund der beschriebe nen technischen Lösung sind im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen somit auch bei solchen Anwendungen vergleichsweise große Energieeinsparungen erzielbar. Die Erzeu gung des Discharge-Signals erfolgt auf vorteilhafte Weise mit einer monostabilen Kippstufe.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden auf der Grundlage des Standby-Signals wenigstens zwei in Kaskade geschaltete Schalt transistoren aktiviert. Auf vorteilhafte Weise stellen die in Kaskade geschalteten Transistoren sicher, dass es sowohl zu einer schnellen Abtrennung der wenigstens einen in der Verstärkerschal-tung vorgesehenen Stromquelle als auch zur Stabilisierung des Biasstroms kommt. Dadurch wird die Gatespannung für die Kaskade über einen Common-Drain-Verstärker erzeugt.

Im Übrigen betrifft die Erfindung auch eine Empfängerschaltung für optische Signale mit einer Photodiode, die auf der Grundlage empfangener Strahlung ein Photodiodensignal erzeugt, und mit einem Transimpedanzverstärker, der gemäß zumindest einer der zuvor be schriebenen Ausgestaltungen ausgeführt ist, und das Photodioden signal empfängt und breitbandig verstärkt. Die Photodiode erzeugt in Abhängigkeit einfallender Strahlung ein Stromsignal mit ver gleichsweise geringer Stromstärke, insbesondere im Nano- oder Mikroamperebereich, das einem Transimpedanzverstärker zugeführt wird. Der Transimpedanzverstärker erzeugt somit ein verstärktes Spannungssignal, das von einer Auswerteeinheit besser auswertbar ist als das ursprüngliche Stromsignal. Vorzugsweise ist die Emp-fängeranordung derart ausgeführt, dass das von der Photodiode erzeugte Stromsignal in eine proportionale Spannung umgewandelt wird .

Die erfindungsgemäß ausgeführte Empfängeranordnung kann unter an derem in Fahrerassistenzsystemen und/oder autonomen Fahrzeugen zur Abstandsmessung und/oder Objekterkennung eingesetzt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen im Bereich der Telekom munikation bei der Free Space Data Transmission oder in Medizin geräten, etwa in Pulsoxymetern zur nicht invasiven Messung des arteriellen Sauerstoffgehaltes im Blut.

Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: Signalgenerator und Timingdiagramm für die Erzeugung der internen Signale;

Fig. 2: Erfindungsgemäß ausgeführter Transimpedanzverstärker mit Transistoren zum Trennen des Biasstroms;

Fig. 3: Integrierter optischer Receiver mit Photodiode und Transimpedanzverstärker;

Fig. 4: Schematische Darstellung eines Transimpedanzverstär kers mit Photodiode, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;

Fig . 5 : Vereinfachte Implementation eines Transimpedanzver stärker mit Photodiode und Stromspiegel in CMOS- Technologie, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist sowie

Fig. 6: Schaltung und Timingdiagramm eines Transimpedanzver stärkers mit Power-Down-Eingang, wie aus dem Stand der Technik bekannt.

Fig. 4 zeigt einen Signalgenerator, der auf der Grundlage eines empfangenen Power-Down-Signals (PWDN) sowohl ein Standby-Signal (STDBY) als auch ein Discharge-Signal (DISCH) erzeugt. Die Erzeu gung der beiden auf das Power-Down-Signal (PWDN) folgenden Sig nale, also Standby-Signal (STDBY) und Discharge-Signal (DISCH) , erfolgt derart, dass zunächst das Standby-Signal (STDBY) aktiviert wird und erst, wenn dieses etwa 100 ps aktiviert ist, das Discharge-Signal (DISCH) aktiviert wird. Das Discharge-Signal (DISCH) folgt dem Standby-Signal (STDBY somit mit einer Zeitver zögerung von etwa 100 ps.

Die Aktivierung des Standby-Signals (STDBY) durch das Power-Down-Signal (PWDN) führt dazu, dass zumindest die wesentlichen Strom quellen einer Transimpedanzverstärkerschaltung mithilfe von Schalttransistoren abgetrennt und die Knoten mit Biasspannungen isoliert werden. In diesem Zustand kann der Betriebszustand des Verstärkers vergleichsweise schnell wiederhergestellt werden, da das ein Einschwingverhalten der Stromquellen reduziert ist. Nach teilig an dieser Zustand ist jedoch, dass der Stromverbrauch ge genüber dem Ursprungszustand noch nicht reduziert ist. Außerdem besteht, sofern der Zustand über eine längere Zeitspanne beibe-halten wird, die Gefahr, dass durch driftende Knotenspannungen unerwünschte Systemzustände erreicht werden, die die Zuverlässig keit der Schaltung herabsetzen können.

Aufgrund des zuvor geschilderten Problems wird der Zustand, in dem die Stromquellen mit Biasspannungen isoliert sind, also floa ten, nur für eine kurze Zeit aufrechterhalten. Nachdem das Standby-Signal (STDBY) 100 ps aktiviert ist, erfolgt in einem nachfolgenden prozessschritt die Aktivierung des Discharge-Sig-nals (DISCH) durch den Signalgenerator. Aufgrund der Aktivierung des Discharge-Signals (DISCH) werden alle floatenden Knoten der Schaltungsanordnung mit einem definierten Potenzial kurzgeschlos sen, sodass ein definierter Zustand hergestellt ist.

Dem in Fig. 1 dargestellten Timingdiagramm sind in diesem Zusam menhang die Signalverläufe des Power-Down-Signals (PWDN) , des Standby-Signals (STDBY) sowie des Discharge-Signals (DISCH) zu entnehmen. Deutlich zu erkennen ist, dass das Standby-Signal (STDBY) unmittelbar dem Power-Down-Signal (PWDN) folgt, während das Discharge-Signal (DISCH) 100 ps nachdem durch das Standby-Signal (STDBY) ein Schaltvorgang ausgelöst wurde, durch den die wesentlichen Stromquellen abgetrennt wurden, aktiviert wird. Die Aktivierung des Discharge-Signals (DISCH) leitet einen zweiten Prozessschritt des Power-Down-Prozesses ein, in dem alle floaten den Knoten mit einem definierten Potenzial kurzgeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Erfindung, bei der das von einer Photodiode erzeugte Stromsignal mit einem Tran simpedanzverstärker verstärkt wird. Gemäß dieser Ausführungsforum sind die Transistoren Q5 und Q6 vorgesehen, die als Kaskade ver schaltet sind. Durch ein Power-Down-Signal (PWDN) am Eingang eines hier nicht dargestellten Signalgenerators werden ein Standby-Sig nal (STDBY) sowie ein hierzu mit zeitlicher Verzögerung erzeugtes Discharge-Signal (DISCH) aktiviert.

Sobald das Standby-Signal (STDBY) aktiviert ist, schalten die in Kaskade geschalteten Transistoren den Biasstrom ab, ohne das Po tenzial am Gate des Stromspiegels X zu stören. Der Stromspiegel stellt in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine strom gesteuerte Stromquelle dar, die mit Hilfe der in Kaskade geschal teten Transistoren Q5 und Q6 bedarfsgerecht abgetrennt und der Knoten mit Biasspannung isoliert wird. Mithilfe der beiden in Kaskade geschalteten Transistoren Q5 und Q6 erfolgt in diesem Fall gleichzeitig ein schnelles Abtrennen und Stabilisieren des Biasstroms .

Die Gatespannung für die Kaskadenschaltung der Transistoren Q5 und Q6 wird bevorzugt über einen Common-Drain-Verstärker erzeugt. Der Widerstand R sowie der Kondensator C bilden einen passiven RC-Filter, der das bei hohen Frequenzen durch Ql erzeugte Rauschen reduziert. Um nach einer Deaktivierung des Transimpedanzverstär kers eine Verzögerung bei der Reaktivierung aufgrund der Zeitkon stante des RC-Rauschfilters und des Stromspiegels X zumindest zu reduzieren, erfolgt der Power-Down-Prozess in zwei Schritten. Daher wird mit einer zeitlichen Verzögerung von 100 ps nachdem das Standby-Signal (STDBY) aktiviert wurde, ein Discharge-Signal (DISCH) aktiviert, wodurch der im ersten Schritt abgetrennte Stromspiegel X mit einem definierten Potenzial kurzgeschlossen wird. In dem vorliegenden Fall wird dieser Knoten auf VDD gezogen. Durch diese Maßnahme wird ein definierter Zustand bei gleichzei tiger Absenkung des Energieverbrauchs hergestellt, aus dem der Transimpedanz vergleichsweise schnell wieder auf den normalen Be triebszustand reaktiviert werden kann. Die Erzeugung des Discharge-Signals (DISCH) erfolgt auf vorteilhafte Weise mit einer monostabilen Kippstufe.

In Fig. 3 wird ein Chip mit einem integrierten Schaltkreis ge zeigt, der über eine Photodiode und einen Transimpedanzverstärker verfügt. Der Transimpedanzverstärker verstärkt das von der Foto diode erzeugte Stromsignal, um so eine bessere Auswertung des Signals ermöglichen zu können, indem auf der Grundlage des emp fangenen Stromsignals eine proportionale Spannung erzeugt wird. Wesentlich an der in Fig. 3 gezeigten technischen Lösung ist, dass der Chip über einen Power-Down-Eingang (PWDN-Eingang) verfügt, sodass der Transimpedanzverstärker gezielt deaktiviert werden kann, um den mittleren Stromverbrauch des elektronischen Bauteils zu minimieren. Bei Aktivierung des Power-Down-Signals (PWDN) über den Power-Down-Eingang wird mithilfe eines integrierten Schaltge nerators sowohl ein Standby-Signal (STDBY) als auch ein Discharge-Signal (DISCH) erzeugt. Auf der Grundlage des Standby-Signals (STDBY) werden zunächst mit Hilfe von Schalttransistoren die in ternen Stromquellen abgetrennt und die Knoten mit Biasspannungen isoliert. Nachdem das Standby-Signal (STDBY) bereits 100 ps aktiv war, wird das Discharge-Signal (DISCH) aktiviert, wodurch alle floatenden Knoten mit einem definierten Potenzial kurzgeschlossen werden, sodass ein definierter Zustand hergestellt wird.

Aufgrund des zum Einsatz kommenden zweistufigen Power-Down-Pro-zesses wird der mittlere Energieverbrauch des Chips herabgesetzt und trotzdem die Betriebsbereitschaft sowie die Zuverlässigkeit des Chips und der verwendeten Schaltung nicht vermindert.

Der in Fig. 6 dargestellte Chip kann auf vorteilhafte Weise in einem Fahrerassistenzsystem oder in einem autonomen Fahrzeug zur Abstandserkennung und/oder zur Detektion von Objekten eingesetzt werden .

Ebenso ist es denkbar, einen derartigen Chip mit Photodiode und Transimpedanzverstärker in einem Medizingerät, beispielsweise in einem Pulsoxymeter zur nicht invasiven Ermittlung der arteriellen SauerstoffSättigung im Blut zu verwenden. Bei der Pulsoxymetrie erfolgt eine Messung der Lichtabsorption bzw. Lichtemission bei Durchleuchtung der Haut. Das Pulsoxymeter stellt hierbei ein spe ziell auf diese Anwendung optimiertes Spektralphotometer dar, in dem die Photodiode, die in dem in Fig. 6 gezeigten Chip verbaut ist, zur Detektion der vom Körper emittierten Lichtstrahlung ver wendet wird. Um eine genaue Messung sicherzustellen, wird das von der Photodiode erzeugte Stromsignal mithilfe eines erfindungsge mäß ausgeführten Transimpedanzverstärkers verstärkt und in eine proportionale Spannung umgewandelt.

Der in Fig. 6 gezeigte Chip mit integriertem optischen Receiver, der einen erfindungsgemäß ausgeführten Transimpedanzverstärker bzw. einer Empfängeranordnung gemäß der Erfindung nutzt, kann auf besonders geeignete Weise für die zuvor genannten Anwendungsfälle eingesetzt werden, da durch Verwirklichung der Erfindung ein sehr schnelles Powercycling in einem Zeitbereich von unterhalb einer Mikrosekunde realisierbar ist und auch bei Anwendungen mit kurz aufeinanderfolgenden Bursts erhebliche Energieeinsparungen gegen über bekannten Systemen möglich sind.

Bezugszeichenliste

PWDN Power-Down-Signal

STDBY Standby-Signal

DISCH Discharge-Signal

PWDN-Eingang Power-Down-Eingang

Q Transistor

R Widerstand

C Kapazität