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Universelle Vorverstaerkerschaltung fuer den Proximity Sensor mit nur einem Operationsverstaerker und unipolarer Versorgungsspannung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000031590D
Original Publication Date: 2004-Oct-25
Included in the Prior Art Database: 2004-Oct-25
Document File: 2 page(s) / 80K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Fuer bisherige Analogschaltungen ist der Platzbedarf relativ hoch. Zudem ist der Bedarf an Bauteilen relativ kostenintensiv. In Abbildung 1 ist das Prinzipschaltbild des bisher verwendeten Vorverstaerkers gezeigt. Die Spannungsteiler R1/R2 und R5/R6 sind bei unipolarer Versorgung wie z.B. in Mobilfunkgeraeten notwendig. Mit R1 und R2 wird eine Spannung eingestellt, die dafuer sorgt, dass bei unipolarer Versorgung Eingangssignal und Ausgangssignal nicht in die Begrenzung gelangen. Da der Fotostrom nur in eine Richtung fliessen kann, also die Ausgangsspannung nur groesser gleich der Eingangsspannung werden kann, wird die fuer den Operationsverstaerker minimal zulaessige Eingangsspannung bzw. Ausgangsspannung (hier ca. 0,2 V) gewaehlt. Mit R3 wird festgelegt, dass ein Fotostrom von 250 μA (bei einem angenommenen maximalen Umgebungslicht) eine Ausgangsspannungsaenderung von 1,7 V bewirkt. Da die Fotodiode des Proximity Sensors bei dunkleren Objekten und 50 mm Abstand nur ein Nutzsignal von ca. 0,3 μA liefert, ist die dadurch hervorgerufene Ausgangsspannung am OPV1 mit ca. 2 mV zu klein fuer einen 9-bit A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) (kleinste Aufloesung ca. 5 mV). Das Ausgangssignal von OPV1 muss noch ca. 20-fach verstaerkt werden, damit die erheblichen Toleranzen des Proximity Sensors und Unterscheidungen zum Crosstalk Signal noch beherrscht werden koennen. Eine weitere Verstaerkung ist nur moeglich, wenn der Gleichanteil im Signal mit einem Hochpass abgetrennt wird. Der Hochpass C1 und R4 hat eine Grenzfrequenz von ca. 3,4 kHz, um langsame Schwankungen im Umgebungslicht zu reduzieren, ohne das Nutzsignal (Pulsbreite 62 μs) wesentlich zu beeinflussen. OPV2 ist mit R7 und R4 so beschaltet, dass in der zweiten Verstaerkerstufe eine Wechselspannungsverstaerkung von ca. 21 erzielt wird. Die gesamte Wechselspannungsverstaerkung betraegt somit ca. 6,8 x 21 mV / 1 μA = 143 mV/μA. Da die Auswirkungen von Schwankungen des Umgebungslichtes nicht vollstaendig reduziert werden koennen, wird mit R5 und R6 die Ausgangsspannung auf die Haelfte der Versorgungsspannung eingestellt, damit Auslenkungen, Richtung, Versorgung und Masse in etwa gleich gross sein koennen.

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Universelle Vorverstaerkerschaltung fuer den Proximity Sensor mit nur einem Operationsverstaerker und unipolarer Versorgungsspannung

Idee: Gerhard Winkler, DE-Muenchen

Fuer bisherige Analogschaltungen ist der Platzbedarf relativ hoch. Zudem ist der Bedarf an Bauteilen relativ kostenintensiv. In Abbildung 1 ist das Prinzipschaltbild des bisher verwendeten Vorverstaerkers gezeigt. Die Spannungsteiler R1/R2 und R5/R6 sind bei unipolarer Versorgung wie z.B. in Mobilfunkgeraeten notwendig. Mit R1 und R2 wird eine Spannung eingestellt, die dafuer sorgt, dass bei unipolarer Versorgung Eingangssignal und Ausgangssignal nicht in die Begrenzung gelangen. Da der Fotostrom nur in eine Richtung fliessen kann, also die Ausgangsspannung nur groesser gleich der Eingangsspannung werden kann, wird die fuer den Operationsverstaerker minimal zulaessige Eingangsspannung bzw. Ausgangsspannung (hier ca. 0,2 V) gewaehlt. Mit R3 wird festgelegt, dass ein Fotostrom von 250 µA (bei einem angenommenen maximalen Umgebungslicht) eine Ausgangsspannungsaenderung von 1,7 V bewirkt. Da die Fotodiode des Proximity Sensors bei dunkleren Objekten und 50 mm Abstand nur ein Nutzsignal von ca. 0,3 µA liefert, ist die dadurch hervorgerufene Ausgangsspannung am OPV1 mit ca. 2 mV zu klein fuer einen 9-bit A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) (kleinste Aufloesung ca. 5 mV). Das Ausgangssignal von OPV1 muss noch ca. 20-fach verstaerkt werden, damit die erheblichen Toleranzen des Proximity Sensors und Unterscheidungen zum Crosstalk Signal noch beherrscht werden koennen. Eine weitere Verstaerkung ist nur moeglich, wenn der Gleichanteil im Signal mit einem Hochpass abgetrennt wird. Der Hochpass C1 und R4 hat eine Grenzfrequenz von ca. 3,4 kHz, um langsame Schwankungen im Umgebungslicht zu reduzieren, ohne das Nutzsignal (Pulsbreite 62 µs) wesentlich zu beeinflussen. OPV2 ist mit R7 und R4 so beschaltet, dass in der zweiten Verstaerkerstufe eine Wechselspannungsverstaerkung von ca. 21 erzielt wird. Die gesamte Wechselspannungsverstaerkung betraegt somit ca. 6,8 x 21 mV / 1 µA = 143 mV/µA. Da die Auswirkungen von Schwankungen des Umgebungslichtes nicht vollstaendig reduziert werden koennen, wird mit R5 und R6 die Ausgangsspannung auf die Haelfte der Versorgungsspannung eingestellt, damit Auslenkungen, Richtung, Versorgung und Masse in etwa gleich gross sein koennen.

Die Problematik kann derart geloest werden, dass das RC-Glied des Hochpasses dazu verwendet wird, dass das Nutzsignal auf definierte Weise dem positiven Eingang des ersten Operationsverstaerkers zugefuehrt wird. Das Nutzsignal kann somit zusaetzlich ca. 20-fach verstaerkt werden. Der Gleichanteil ist mit niedrigerer Verstaerkung (3,3 mV / 1 µA), und das Nutzsignal ist mit hoeherer Verstaerkung (ca. 3,3 x 40 mV / 1 µA = 132 mV / 1 µA) im Ausgangssignal enthalten. Der zweite Operationsverstaerker kann entfallen, da die Wechselspannung d...