专利名称：用于接收光的光学接收机和光电子测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收交变光有用信号和用于存储从外来光所获得的电能的光学接收机，具有用于接收光和用于将光转换成光电流的光电二极管。所接收的光包括外来光和与外来光相比较较高频的交变光有用信号分量，所述交变光有用信号分量由发送有用信号的光源产生。由光的转换引起的光电流包括有用信号电流和外来光电流。本发明还涉及具有外来光补偿的光电子测量装置，其包括有用信号光源和补偿光源，涉及具有光电二极管和放大单元的光学接收机以及外来光补偿电路。本发明此外涉及用于存储从外来光获得的电能和用于接收光学交变光有用信号的方法。
技术领域光学传感器接收光，所述光除了有用信号光源的主动发送的光之外还具有在环境 中充斥的外来光、尤其是日光。所接收的环境光一般显著强于由有用信号光源发射的光分量。这种光学接收机例如被用作主动式光学传感器的部分，所述光学传感器除了接收机外还包括光源并且发送光。由光学传感器发送的光在“被照射的”对象处反射之后被反射和接收，由此可以获得关于所述“被照射的”对象的信息。因为这里环境光的分量也明显大于有用信号光分量，所以例如如此屏蔽和遮蔽传感器，使得尽可能少的环境光到达光学接收机。具有外来光补偿电路的光学传感器沿着另一路径。这样的光学传感器或光学接收机例如从下面的申请已知
EP O 706 648 AlDE 101 33 823DE 28 49 186DE 103 00 223 Al。环境光不包含用于分析有用信号、尤其是用于识别远距离的对象和/或其位置的有用信息。由于高光强，在接收机的光电二极管中产生高光电流电平，所述高光电流电平可能驱使这种传感器的接收机放大器饱和。因此，在光电流的有用信号分量被放大之前，光电流的外来光分量或环境光分量被抑制。在此，充分利用的是环境光相对于有用信号是低频的。例如，由人造照明引起的光经常具有50 Hz或60 Hz的频率和其谐波。自然环境光或太阳光导致光电流中的直流分量。在光学接收机中，光电二极管经常在截止方向上被极化，由此光电流在最简单的情况下经由电阻被引向电压供应装置。但是这具有以下缺点，即通过这种电路方式，光电流提高整个电路的功率消耗，因为接在截止方向上的光电二极管不作为源、而是作为“宿(Senke)”工作并且通过环境光引起的光电流分量必须由电压供应装置产生。为了最小化通过由环境光引起的光电流对电压供应装置的负荷，因此表明有利的是，在正向上运行光电二极管。在该电路方式中，至少不使传感器的电压供应装置受负荷。EP I 956 493 Al描述了一种光学接口模块，利用所述光学接口模块，数据和能量从计算机被传输给外部设备。通过主动发送的光进行能量供应，其中所述光经由玻璃纤维传输并且在末端被转换回电信号。借助于信号分离器发生数据信号和能量信号的退偶。能量非常强地成束地射到专用光学能量转换器上，所述能量转换器提供至少5. 5 V的输出电压。但是，具有小接收面的这种能量转换器是在制造中非常贵和耗费的元件，其与传统的光电二极管相比花费多倍。为了能够传输足够的能量，必须进行线缆连接的光学能量传输。此夕卜，光学能量信号的产生是耗费的并且需要线路激光器。只有这样才能够传输足够的能量，以便能够对肖特基二极管和后接的存储电容器形式的信号分离器进行馈送。不过，这里存在缺点，即由于肖特基二极管，输出电压降低大约O. 4V。在EP O 367 333 Al中描述了一种红外遥控单兀,其传输红外光形式的数据信号。同时，遥控单元应该从环境光吸收能量，以便用能量来支持遥控单元的电池。为此多个光电二极管串联，以便能够产生为对电池充电所需要的输出电压
发明内容
因此，从现有技术中得出提供尽可能能量有效的光学接收机的任务，利用所述光学接收机能够尤其是在用电池供应时显著提高光学传感器的运行持续时间。此外，接收机在制造方面应该是便宜的。该任务通过具有权利要求I的特征的光学接收机、具有权利要求12的特征的光电子测量装置和通过具有权利要求15的特征的方法来解决。根据本发明的光学接收机被用于接收交变光有用信号和用于存储从所接收的光的外来光分量获得的电能。也即本发明的出发点为在环境光不被屏蔽而是由接收机同样接收的环境中使用光学接收机。在接收机中所包括的光电二极管接收光、外来光并且具有与外来光相比较高频的交变光有用信号分量，并且将光转换成光电流，所述光电流相应地包括外来光电流和有用信号电流。有用信号电流具有比外来光电流高的频率，如果所述外来光电流由自然环境光引起，则所述外来光电流是直流。在本发明的意义上，概念光电二极管被理解为用于将可见或不可见光(电磁波)转换成电能、优选地转换成电流的每个光电元件。这可以是用于信号处理的专用光电二极管，其优选大约O. 01至I cm2的接收面积。但是也包括光电池模块，其具有I至100 Cm2的光学接收面积和例如被用于小功率耗电器的能量供应。概念外来光在本发明的意义上不仅概括自然环境光而且概括人造(人工)环境光。概念外来光也包括不被利用用来光学数据传输或专用于光学能量传输的其他光源。因此，外来光包括不应以有用信号光的形式被传输给光电二极管的所有光分量。有用信号在此不仅是数据信号而且是用于对连接在光电二极管上的电路或存储单元进行能量供应的能量信号。为了将有用信号电流与外来光电流分离，本发明利用以下认识只要光电二极管不达到其饱和，则光电二极管能够在正向上被运行。在该电路变型方案中，不通过光电二极管使供应电压受负荷。不过，光电二极管的处于饱和电压以下的相应的正向电压必须被调节。从DE 44 31 117 C2已知一种类型的工作点调整，其中可变负载与光电二极管并联。优选地正好使用一个光电二极管用于接收。也可以使用两个或多个光电二极管，其优选地以串联方式连接。优选地，使用最多五个光电二极管。在本发明的范围中认识到，通过在正向上对光电二极管适当地接线，也可以使用由环境光引起的光电流，以便提高整个装置、尤其是光学接收机的效率。为此，光学接收机包括耦合单元，其中基于光的光学交变光有用信号分量的有用信号电流与基于所接收的外来光的外来光电流退偶和分离。有用信号电流在放大单元中被放大，以便所述有用信号电流然后可供分析单元使用以用于分析和进一步处理。放大单元优选地包括高通滤波器或带通滤波器，以便滤出和不放大低频信号。耦合单元具有将低频光电流分量与较高频有用信号电流分离的任务。 这可以借助于电感式变换器来实现。线圈的初级侧在此情况下对于低频电流分量是导通的，而高频分量被传输到次级侧。因为根据有用频率对于信号分离需要大的电感并且此外线圈仅能差地在集成电路(IC)中实现，所以有利的是通过回转器来代替线圈。回转器是变换电路，利用所述变换电路可以将任意的阻抗转换成其对此的双重阻抗。例如，借助于电容可以实现双极，所述双极向外如电感一样表现。例如，用于控制能量存储单元的能量存储调节装置可以包括回转器。回转器在此被理解为以下电路装置，其例如由所谓的跨导放大器构成，也即由作为电压控制电流源工作的运算放大器构成。根据本发明的接收机包括具有用于提高电压的电路的能量存储单元。在该电路中可以优选地至少暂时地中间存储能量。在能量存储单元的输入端处存在的电压在电压提高电路中这样被提高，使得电压水平被抬高并且输出电压相对于输入电压得以放大。在能量存储单元中的能量存储可以为此目的而被中间存储在电容器的电场中。在该情况下，电压提高电路被称为电荷泵(英语“change pump”)。可替代地，在能量存储单元中的能量存储也可以在电感或线圈的电磁场中进行。对此的例子是电压转换器或升压转换器(英语“up-COnVerter”)。用于提高电压的电路在该情况下包括至少一个电感和一个开关。所述电路除了电感之外也可以具有两个开关或者开关和二极管的组合。当然，也可以使用多个电感和/或开关。优选地，能量存储单元包括至少两个电容器和至少一个开关，其中所述电容器这样被布线，使得所述电容器可以以串联和/或并联方式连接。优选地，从串联电路转换成并联电路是可能的并且反之亦然(vice versa (反之亦然))。能量存储单元在充电期间以并联方式连接并且为了放电、例如为了对集能存储器再充电而被以串联方式连接。通过该电路装置可以在使用多个电容器的情况下将电压也提高到较高的电压，也即提高到光电二极管输出电压的多倍。这样构造的能量存储单元因此也称为电荷泵。该能量存储单元一般由能量存储调节装置控制。能量存储调节装置控制并且切换能量存储单元的开关。所述能量存储调节装置可以包括限时元件(Zeitglied)和/或振荡器，所述振荡器由参考电压源馈电。能量存储调节装置可以基于电压阈被控制，所述电压阈借助于比较器和参考电压源来实现。参考电压源在本发明的意义上被理解为从不稳定的供应电压中、例如从集能存储器(或其电容器)处的电压中产生通过值来定义的精确的电压。参考电压源无论如何均不是提供能量的能量源。简单的方法在于，将供应电压(或者由能量存储单元提供的电压)经由串联电阻给到Z 二极管上。在Z二极管处的截止电压于是可以被用作参考电压。优选地对集能存储器进行在能量存储器中所存储的电荷的再存储，所述集能存储器提供较高的电荷水平。集能存储器例如可以是适当选择的电容或电容器。所述集能存储器也可以包括(具有充电调节器的)蓄电池或类似的被充电的电存储器。如果在集能存储器、例如蓄电池中的电压被抬高到较高的电压水平，则所述集能存储器能够构成电压源，该电压源给在光学接收机中所包括的单元和器件供应电压。在至少2伏特或2. 5伏特的电压水平时，也可以供应光电子测量装置。由此实现，绝大部分地自给自足地运行光学接收机或测量装置，无论如何使得所述光学接收机或测量装置能够至少暂时在无附加电压供应装置的情况下工作和起作用。根据本发明的光学接收机允许比在现有技术中的其他光学接收机明显长的运行时续时间(利用电池或利用蓄电池)。这尤其是在如果不存在网路馈电，则接收机在车辆中、例如作为机动车或体育摩托艇中的报警设备的部分被使用。光学接收机此外可以附加地由其他电压源供应，例如由电池，或者如果存在的话由相应地被变换的电网电压供应。但是在能量存储单元中被充电的能量也可以用于电路的其他部件或组件，尤其是用于测量装置或测量系统，其中集成有光学接收机。能量存储单元例如可以承担电压缓冲器(缓冲单元)的功能。在能量存储单元的简单实施形式中，能量存储单元可以提供O. 5伏特的电压，因为能量存储单元由优选地在正向上运行的光电二极管充电。其输出电压为大约O. 5伏特，因为这是光电二极管的优选的工作点。在优选的实施形式中，能量存储单元包括电压转换器。电压转换器可以是DC-DC转换器。DC-DC转换器例如可以通过电感和电容的组合以及通过另外的器件构成。电压转换器可以具有至少一个电感和一个、优选两个开关，其中第二开关可以是二极管。光电子测量装置根据本发明除了具有光电二极管、放大单元、耦合单元和能量存储单元的光学接收机之外还包括有用信号光源和补偿光源以及外来光补偿电路。光学接收机的能量存储单元包括至少一个存储元件并且由外来光电流充电。优选地，存储元件是电容器。可替代地，测量装置可以具有电感代替电容器作为存储元件。光学接收机如此连接，使得在能量存储单元中被充电的能量用于对光学接收机进行能量供应，无论如何暂时地用于其能量供应。
优选地，能量存储单元具有用于提高电压的电路，在所述电路中，能量可以被中间存储，也即可以被存储至少短的时间间隔，例如多于一秒。优选地，从外来光或外来光分量获得的能量被存储在能量存储单元的至少一个电容器中。优选地，能量存储单元可以包括多个电容器，所述多个电容器优选地以串联方式和/或以并联方式连接，其中优选地可以在串联电路和并联电路之间转换或来回切换。测量装置的能量存储单元可替代地可以包括具有线圈和至少一个开关的电压转换器。外来光补偿电路包括时钟发生器、用于时钟同步地分析有用信号电流的解调器、用于为有用信号源产生有用信号控制电流的调制器、用于为补偿光源产生补偿信号控制电流的调制器和用于调制器中的至少一个产生至少一个控制信号的调节器单元。如果由能量存储单元或由可选的集能存储器提供大约2. 5伏特的电压，则所述电压源可以用作用于光电接收机和光电子测量装置的例如被构造为LED的有用信号光源和补偿光源的运行电压并且附加地也用于外来光补偿电路的调制器。根据本发明，(上述)光电子测量装置这样被构造，使得有用信号光源和补偿光源时间连续时钟控制地和分相位地(Phasenweise)发送光。补偿光源借助于调节器单元通过控制补偿信号控制电流可以在其光强在幅度和相位方面这样被调节，使得在不同相位之间出现的时钟同步的交变光有用信号分量(由有用信号光源和补偿信号光源引起的交变光有用信号分量)变为零。这种外来光补偿电路例如详细地在DE 103 00 223 B3和EP O 706648 BI中得以描述。通过引用使其内容成为本申请的内容。根据本发明的光电子测量装置的特征在于，在耦合单元中使有用信号电流与外来光电流这样分离，使得外来光电流可用于对能量存储单元充电。能量存储单元在此包括至少一个电容器。在能量存储单元中被充电的能量至少暂时被用于对光电子测量装置进行能
量供应。
下面根据在图中所示的特殊的实施例更详细地阐述本发明。在那里示出的特点可以单独地或组合地被使用，以便实现本发明的优选扩展方案。所述的实施方案不是对通过权利要求在其一般性上所限定的发明的限制。其中
图I示出光学接收机的电路原理 图2示出具有能量存储单元的根据图I的光学接收机的实施形式的详述的电路 图3示出图2的能量存储单元的细节电路 图4示出在光学接收机的放大单元处所提供的有用信号、在充电期间能量存储单元的时间电压变化曲线和集能存储器的电压变化曲线的信号变化曲线；
图5示出图4的信号变化曲线的片段放大；
图6示出光学接收机的可替代实施形式的电路 图7示出包括光学接收机的光电子测量装置的电路原理 图8示出光电子测量装置的可替代实施形式的电路原理 图9示出光电子测量装置的起动电路的电路原理 图IOa-C示出根据图9的起动电路的细节电路图。
具体实施例方式图I示出光学放大器I的原理图，所述光学放大器具有用于接收光和用于将所述光转换成光电流的光电二极管2、将光电流的有用信号电流与光电流的外来光电流分离的耦合单元3、放大单元4和能量存储单元5，其中在所述放大单元4中，有用信号电流被放大或者利用U/I转换器(跨阻抗放大器)被转换成电压，以便可以为了进一步处理被提供给测量和分析装置。在能量存储单元5中存储光电流的外来光电流，使得对能量存储单元5进行充电。不用于能量传输或数据传输的、在光学接收机的环境中作为环境光或外来光出现的光被用于对能量存储单元5进行馈送，并且能够实现放大器I的至少部分的能量供应。与已知的光学放大器和测量装置相比，干扰光(环境光)不必被屏蔽而是被利用用于供应。图2示出图I的光学接收机I的特殊实施形式。能量存储单元5以所谓的电荷泵6的形式构造并且包括至少一个电容器。作为电荷泵6，能量存储单元5具有多个电容器和开关，其可以以串联和/或并联的方式连接。接在正向上的光电二极管2对能量存储单元5充电，其中在能量存储单兀的至少一个电容器处存在的电压对应于光电二极管的输出电压。光学接收机I能够实现对光的处理，所述光包括有用信号分量和外来光分量或环境光分量。外来光分量被用于接收机I的至少部分的能量供应。包括交变光有用信号分量和外来光的光由光电二极管2接收并且被转换成光电流Ip。光电流Ip包括有用信号电流In和外来光电流IF。外来光电流If —般是低频的或是直流。光电流Ip从光电二极管流经率禹合单兀3,在所述稱合单兀3中将有用信号电流In与外来光电流If分离。外来光电流If流到能量存储单元5并且对所述能量存储单元5充电。有用信号电流In由耦合单元3传输并且流到放大单元4中，在所述放大单元中，所述有用信号电流被放大并且在所述放大单元的输出端4a处，所述有用信号电流可用于进一步处理。优选地，能量存储单元5被构造为电荷泵6并且包括多个(至少两个)电容器7和多个(至少两个)开关8。图3示出能量存储单元5的实施形式，其中存在四个电容器7。电 容器7可以并联,使得在电容器7处存在大约O. 5伏特的光电二极管2的光电二极管输出电压。通过串联电容器7可以将集能存储器9中的电压提高到光电二极管输出电压的多倍。在具有四个电容器7的本例子中，使电压成四倍，使得在集能存储器9中大约2伏特的电压占优势。这通过周期性重复的过程实现。从而可能的是，利用正好一个光电二极管2对能量存储单元5充电并且自给自足地运行接收机1，而不必设置附加的能量源。也可以使用两个或多个光电二极管2，其优选地以串联方式布置。优选地，光电二极管的数量限制到最多五个，因为信噪比(signal-to-noise-ratio)在多个光电二极管时变差。在能量存储单元5中所使用的开关8优选地这样来构造，使得开关已经在电压为O. 4伏特时、优选地在电压为O. 3伏特时工作、也即可切换。特别优选地，已经在电压为O. 2伏特时可以切换开关8。这尤其是在开关8被构造为集成开关8、也即实现为集成电路或集成开关部件时适用。集成开关8的阈电压因此必须低于O. 4伏特、优选低于O. 3伏特和特别优选地处于O. 25伏特。开关8从阈电压起是可运转的。因此也可以在无辅助电压的情况下从外部起动光学接收机I。如果以CMOS技术实现能量存储单元5，则决定性的参数是NMOS晶体管和PMOS晶体管的阈电压，所述阈电压为此目的不应该大于O. 25伏特。于是也可以在没有例如来自电池或来自电网的外部辅助电压的情况下运行光学传感器I。如果外部电压供应装置可供使用，则也可以使用具有较高阈电压的控制元件和电子开关8。为了控制能量存储单元5，设置能量存储调节装置10。能量存储调节装置10可以包括限时元件、例如定时器7或振荡器，以便引起对在能量存储单元5中存在的开关8的时钟控制的事先确定的切换。优选地，能量存储调节装置10集成在能量存储单元5中。控制也可以基于对在能量中间存储器的电容器处的电压的监控，其中使用比较器和参考电压源。两个方法(基于限时元件的控制和基于电压电平的控制)也可以相互组合。根据图2的光学接收机I的耦合单元3是变换器11，也即用于模拟和/或数字信号的信号传输的变压器。在光电流中所包括的有用信号分量与外来光分量的退耦或分离不仅可以借助于变换器11而且通常也可以利用回转器进行，所述回转器包括在耦合单元3中。在使用变换器11时经由变换器11的线圈的其初级侧Ila对能量存储单元5或电荷泵6的一个或多个电容器充电。变换器11的线圈的初级侧相对于直流信号是低欧姆的。因此，由外来光引起的外来光电流分量可以畅通无阻地流到能量存储单元5。但是，相对于光电流的一般处于几千赫、优选处于几兆赫的较高频有用信号分量，变换器11的线圈是高欧姆的，使得在变换器11的输出端(变压器的输出端)处出现交变信号，其被馈入到在变换器的次级侧Ilb中存在的放大单元4中并且在那里被放大。在根据图2的实施形式中，放大单元4包括开关12，所述开关12将光电二极管2与放大单元4至少暂时地分离。正好在能量存储单元5对集能存储器9进行所存储的能量的再充电时优选地分离光电二极管2和放大单元4。放大单元4的这种实施形式是有利的，因为在进行再充电时，对在放大单元4处的有用信号电流In的分析必须被中断。另外，有用信号通过开关脉冲叠加并且使例如用于识别对象的测量失真。通过打开在变换器11的线圈的次级侧Ilb处的开关12，例如构造为跨阻抗放大器的放大单元4被分开。在图4和图5中的信号电压的时间变化曲线示出能量获得和测量过程之间的相互作用。图5以2. 74ms至2. 89ms的时间间隔示出图4的细节片段。在能量存储单元5的电 容器7被充电期间，在图2中的节点2a和Oa之间的电压V2线性升高。在图4和5的下部图表中示出电压变化曲线V2。在电容器7被充电期间，测量可以被进行。有用信号电流In经由变换器11被耦合输出并且在放大单元4的输出端4a处出现。在此，有用信号电流In的测量在能量存储单元5放电和对集能存储器9再充电期间被中断。一旦光电二极管2在节点2a和Oa之间的电压V2升高到大约O. 5伏特，则进行对集能存储器9的再充电。在上部图表中识别出集能存储器9上(在节点9a和Oa之间)的电压V9的变化曲线。能量存储单元5的电容器7被放电并且一旦能量存储单元5的开关8再次如此切换，使得电容器7与由耦合单元3和光电二极管2组成的串联电路并行，则充电过程从新开始。在图6中示出光学接收机I的电路变型方案，其中耦合单元3通过具有回转器41的回转器电路实现。耦合单元3除了回转器电路14外还包括耦合输出电容器15，其中能量存储单兀5的电容器7 (和光电二极管2)在充电过程期间与所述稱合输出电容器15并联。为了能量获得的效率尽可能高，耦合输出电容器15对于有用信号电流In必须相比于能量存储单元5的电容器7而言小。但是有用信号电流In由此被减小，也即有用信号被减弱，因为电压根据电容器比例划分到电容器上。因此只有当能量存储单元5的电容器7从光电二极管2去耦，才可以利用在图6中所示的电路读出有用信号。对于该情况，包括跨导放大器41和NMOS晶体管的回转器电路14承担光电二极管的工作点稳定。回转器电路14因此作为光电二极管电压限制器工作并且从而被构造为光电二极管限制器电路26。因此保证，二极管的正向电压被限制和稳定到大约O. 5伏特。为了节约电流，在测量、也即有用信号的采样之间的暂停一般为原本测量时间的至少十倍大。因此，对连续运行的该限制是不严格的。但是由此接收机电路的效率降低高达20%。光学接收机I的在图中所示的实施形式特别适用于存储和最终适用于对光学接收机I进行电压供应，其中来自利用光电二极管2所接收的环境光的能量可以被存储并且例如可以被“馈送回”给作为蓄电池所构造的集能存储器9。在对光电二极管2足够照射的情况下，因此光学接收机I的自给自足的运行也是可能的。本发明具有以下优点，即自给自足的运行在无电压源、例如电池或蓄电池的情况下仅利用光电二极管是可能的。当然也可以串联两个或多个光电二极管，以便获得能量存储单元的较高的起动电压。不过，由此接收机的结构尺寸增大，同样其成本也增大。具有光电二极管2的光学接收机I因此特别良好地适用于使用在接收机或集成有光学接收机I的光学传感器不具有电网接入并且电流消耗因此必须特别小的应用中。例如可设想的是，这种传感器在晚上利用蓄电池或利用"Supercap电容器”支持。如果环境光强足够大，则通过日间再次充电可以对能量缓冲器再次充电。由此可以显著增大这样的传感器的维护时间。在此有利的是，光学接收机I在其制造方面几乎不变贵，因为对于能量存储所需要的光电二极管已经在用于接收有用信号的光学接收机中存在。尤其是在也可以在强环境光情况下使用和无误差地工作的光学测量装置中，这种光学接收机是非 常有利的。正好该特性(强环境光)是重要的，以便能够有意义地在光学接收机I中使用能量获得。此外，可以设想的是，例如通过透镜增大光电二极管的有效面。通过这种方式，可以最大化光电流，而不明显增加这种光学接收机或光学传感器的成本，因为反射器和光学集中器可以由塑料材料制造，并且因此比例如光电二极管的增大和其硅面更便宜。图7示出光学接收机I的实施形式，所述光学接收机集成在光电子测量装置16中。光电子测量装置16除了具有一个(或多个)光电二极管的光学接收机I之外还包括有用信号光源17、补偿光源18和外来光补偿电路19。外来光补偿电路19包括时钟发生器20、用于时钟同步地分析有用信号电流In的解调器21、用于为有用信号光源17产生有用信号控制电流Ins的调制器22、用于为补偿光源18产生补偿信号控制电流Iks的调制器23和用于为调制器22、23中的至少一个产生至少一个控制信号的调节单元24。有用信号光源17和/或补偿光源18优选地被构造为LED。两个光源这样被控制，使得所述光源时间连续时钟控制地、分相位地发送光。在此，有用信号控制电流Ins和补偿信号控制电流Iks的相位移相180°。两个控制电流因此具有不同的符号。在根据图7的实施形式中，调制器23由调节单元24这样控制，使得补偿信号控制电流Iks这样被改变，使得由补偿光源18辐射的光强和/或相位可被调节。补偿光源18在此这样被调节，使得在不同相位之间出现的时钟同步的交变光有用信号电流变为零，所述交变光有用信号电流从光电二极管2经由耦合单元3流到外来光补偿电路19中。外来光补偿电路的准确的工作原理在DE 103 00 223 B3中得以描述。光电子测量装置16包括能量存储调节装置10和构造为回转器电路14的光电二极管限制器电路26。优选地，光电二极管限制器电路26由被调节的负载组成，所述负载如此多地汲取电流，使得使二极管2的正向电压恒定地保持在O. 5伏特。回转器电路14包括跨导放大器41、滤波器电容42、参考源43和场效应晶体管44。所述回转器电路也即具有低通特性。由此保证，来自时间上恒定的环境光的外来光电流If被输送给能量存储单元5，而高频电流分量(有用信号电流In)不被输送给能量存储单元5，所述高频电流分量经由有用信号光源17和补偿光源18以交变有用信号的形式被发送。光电流Ip的有用信号电流经由率禹合输出电容器15被I禹合输出并且被输送给放大单兀4和外来光补偿电路19。对于有用信号的耦合输出(信息耦合输出)需要的是，利用尽可能高的内阻来运行光电二极管2。光电二极管2因此需要在正向上不完全导通，因为在该情况下，内阻可能非常小并且有用信号电流不再能够容性地被耦合输出。回转器电路14因此用作光电二极管电压限制器并且将光电二极管2的工作点调整到O. 2伏特至O. 6伏特、优选地到O. 5伏特正向电压。由此内阻对于有用信号电流耦合输出足够高。高内阻对于光电二极管2的传感器功能能够实现必要的高灵敏度。同时，光电二极管2如所期望的那样作为用于能量馈送的源起作用。在光电子测量装置16中，(低频)外来光电流If经由回转器电路14这样被耦合输出，使得所述外来光电流被输送给能量存储单元5和能量存储单元5的至少一个电容器8并且在那里被中间存储。优选地构造为电荷泵6的能量存储单元5可以使优选一个光电二极管2的电压水平为多倍。例如，电压可以被抬高到2. 5伏特。例如，电荷泵可以由至少两个电容器和至少两个开关构成。由此可能的是，提供用于包括有用信号光源17和补偿光源18的光电子测量装置的运行电压。构造为LED的光源例如需要大约2伏特的运行电压，因为LED的二极管正向电压一般处于I. 2和I. 8伏特之间。如果例如两个光电二极管串联，则电荷泵6可以相应地被匹配。可替代地，可以通过电压转换器(英语=Up-Converter)代替电荷泵。电压转换器具有至少一个线圈和一个开关、优选地两个开关，其中开关之一可以是二极管。电压转换器例如可以是DC-DC转换器。根据实现光电子测量装置16或光学传感器的所使用的技术(IC技术)，有时困难或不可能的是，在无外部电压源或辅助电压源的情况下运行能量存储单元5和回转器电路14 (光电二极管限制器电路26)并且仅利用由光电二极管2提供的大约O. 5至O. 7伏特的电压起动。如果放弃备用电压源(外部电压源、辅助电压源，例如电池或蓄电池)，则可以使用如在图8中所示的实施形式。相比于根据图7的实施形式，根据图8的光电子测量装置16具有附加的起动电路25，所述附加的起动电路例如类似于电荷泵6可以由多个电容器构建。在根据图8的电路装置中，耦合单元3由回转器电路14和耦合输出电容器15构成。能量存储单元5的输入电容Cin经由场效应晶体管44与耦合输出电容器15连接。同时，输入电容Cin和耦合输出电容器15通过场效应晶体管分离。在此情况下，回转器41以PMOS晶体管技术实现。通过该电路装置可能的是，与有用信号电流In的测量同时地运行能量存储单元5，也即同时存储能量(能量存储单元5的电容器被充电)并且执行信息传输。出于该原因，该电路装置是特别有效的。 起动电路25 —般这样被构造，使得所述起动电路已经在特别低的运行电压时工作。所述起动电路可以被用于将光电二极管电压从大约O. 5伏特转变到较高的电压水平，以便能够用足够高的运行电压供应回转器(回转器电路14)连同能量存储单元5。起动电路25在此具有比电荷泵6或能量存储单元5低的能量效率。光电子测量装置16在该情况下可以在无单独的电压源的情况下被运行。因此，测量装置16是自给自足的并且可以尤其被使用在移动设备或车辆中。因为不必使用其他的电池或另外的电压供应，所以这种存储装置的维护需求也减少。在此重要的是，在图8中所绘出的参考电压源43、45可以被代替。所述电压源通过能量存储单元5或集能存储器9提供。所述电压源在图中因此仅可看作功能的示意性阐述并且因此不在电路装置中实现。为了光学接收机I和光电子测量装置16能够自给自足地工作，必须相应地提高由光电二极管2提供的电压，以便例如能够用足够高的电压水平供应回转器电路14或类似的电压转换器电路。为此使用的起动电路25必须与此相应地被设计。
图9示出起动电路25的第一实施形式的原理图，所述启动电路如在图8中的电路装置中所使用的。在充电过程开始时，开关SO和SI首先闭合，以便将可选的中间存储器29或集能存储器9以及能量存储单元5的两个电容器7充电到光电二极管电压，所述光电二极管电压一般处于O. 5伏特和O. 7伏特之间。一旦能量存储单元5的电容器7或者集能存储器9或中间存储器29相应地被充电，则开关SO和SI被打开。通过现在闭合开关S2，两个电容器7对集能存储器9再充电。通过接着在开关SO同时被打开的情况下交替地切换开关SI和S2，进行逐步地提高集能存储器9的电压。该过程例如可以进行如此长时间，直至集能存储器9中的电压至少对应于光电二极管2的光电二极管电压的双倍为止。开关S0、SI和/或S2可以以CMOS技术实现。图IOa示出用于控制根据图9的起动电路25的开关S0、SI和S2的电路装置30的实施形式。电路装置30具有输入端30a、输出端30b和切换输入端30c，在所述切换输入端处存在相应的切换信号。利用该电路，作为CMOS模拟开关构造的开关S0、SI、S2的接通电阻被减小。该装置解决以下问题，即CMOS晶体管作为开关一般仅在高于其阈电压的开关电压情况下保证可靠的切换工作。在低光电二极管电压的情况下，只有当开关的接通电阻能够被减小时，才保证可靠的切换。一般情况下，CMOS模拟开关的切换过程经由PMOS晶体管和Ν0Μ0晶体管的栅极电压进行。衬底端子BN、BP相对于源极端子S处于相同的电势或者为负，使得衬底二极管 (Substratdiode)在截止方向上被运行。图IOc示出在PMOS晶体管情况下衬底电压VBP的在此情况下所使用的计数方向和在NMOS晶体管情况下VBN的在此情况下所使用的计数方向。衬底二极管也即以时间上恒定的截止电压被运行并且因此最大具有电压O伏特。如果电路装置如此被调整，使得衬底电压VBN、VBP被调节或设置为正值，其比衬底二极管的正向电压小大约0. 2伏特，则晶体管的阈电压减小。接通电阻在给定的栅极电压的情况下被最小化。值得期望的是，将衬底电压设置或调节为等于或小于O伏特的值，以便晶体管即使在切断的状态下也尽可能是高欧姆的。由此，晶体管的阈电压提高并且晶体管可靠地被切断。通过将衬底电压VBN或VBP从在切断的状态下尽可能低的电压转换到小于在接通状态下衬底二极管的通向电压的正电压，保证可靠地和精确地接通和切断晶体管。从图IOa可以看出，晶体管的衬底端子由与(在切换输入端30c处存在的)接通信号同步地将PMOS晶体管的衬底电压VBP和NMOS晶体管的VBN在单独情况下设置为例如大约0. 4伏特的正值的单元控制。在切断的状态下，电压被设置为O伏特、优选地被设置为尽可能负的值、也即小于O伏特。在图IOb中示出电路装置31，利用该电路装置31可以实现对于起动电路25的控制需要的衬底电压控制装置。借助于肖特基二极管，抽取在模拟开关的两个端子处的“最正的”和“最负的”电压。经由两个场效应晶体管Pl和NI实现相应的转换。在此情况下所产生的输出电压VBP是PMOS晶体管的衬底电压。电压VBN是NMOS晶体管的衬底电压。可能有利的是，代替两个晶体管NI和Pl也使用受控电流源。对于专业人员清楚的是，类似的实施形式和电路装置同样导致相同的目的。主要的仅仅是，产生可靠的开关，所述开关即使在低于0. 7伏特、优选地小于等于0. 5伏特的低电压时也可靠地工作，以便能够利用光电二极管2的存在的光电二极管电压对能量存储器充电，借助于所述能量存储器，光学接收机的能量存储单元5的控制可靠地起作用。
权利要求
1.用于接收交变光有用信号和用于存储从外来光获得的电能的光学接收机，包括 -光电ニ极管(2)，用于接收具有外来光和与外来光相比较高频的交变光有用信号分量的光和用于将光转换成光电流(Ip)，所述光电流包括有用信号电流(In)和外来光电流(If), -耦合单元(3)，用于将由光学交变光有用信号分量产生的有用信号电流(In)与由外来光产生的外来光电流(If)退稱和分离， -放大单元(4)，用于放大有用信号电流(In)，和 -能量存储单元(5)，其通过外来光电流(If)充电并且包括用于提高电压的电路， 其中在能量存储单元(5)中所存储的能量被使用用于光学接收机(I)的至少部分的能量供应和/或用于包括光学接收机(I)的測量装置(16)的至少部分的能量供应。
2.根据权利要求I所述的光学接收机，其特征在于，能量存储单元(5)中的用于提高电压的电路包括至少两个电容器(7 )和开关(8 )，使得电容器(7 )能够以串联方式或以并联方式连接并且能够从串联电路转换成并联电路。
3.根据权利要求2所述的光学接收机，其特征在于，电容器(7)串联，以便将被充电的能量存储单元(5 )的能量以较高的电压水平对集能存储器(9 )再充电。
4.根据权利要求3所述的光学接收机，其特征在于开关，所述开关至少暂时地将光电ニ极管(2 )与放大单元(4 )这样分离，使得如果发生能量存储单元(5 )对集能存储器(9 )的再充电，则光电ニ极管(2)与放大单元(4)分离。
5.根据前述权利要求之一所述的光学接收机，其特征在于用于控制能量存储单元(5)的能量存储调节装置(10)。
6.根据权利要求5所述的光学接收机，其特征在于，能量存储单元(5)能够经由回转器(41)与光电ニ极管(2)退耦。
7.根据权利要求I所述的光学接收机，其特征在于，能量存储单元(5)包括电压转换器，所述电压转换器优选地具有至少ー个线圈和ー个开关。
8.根据前述权利要求之一所述的光学接收机，其特征在干，耦合单元(3)是变换器(11)或包括回转器(41)。
9.根据前述权利要求之一所述的光学接收机，其特征在于，放大单元(4)包括带通滤波器或高通滤波器和/或放大单元(4)被设计为电流放大器或作为电流电压转换器工作。
10.根据前述权利要求之一所述的光学接收机，其特征在于，光电ニ极管(2)被接在正向上，其中优选地光电ニ极管限制器电路(26)将光电ニ极管(2)的正向电压调节到低于O.7伏特，优选地在O. 2和O. 6伏特之间的范围中调节正向电压、优选地调节到O. 5伏特。
11.根据前述权利要求之一所述的光学接收机，其特征在于，在能量存储单元(5)中所使用的开关(8)这样被构造，使得尤其是在开关是集成开关(8)时，开关(8)已经从O. 4伏特的电压起、优选地从O. 3伏特的电压起、特别优选地从O. 2伏特的电压起能被切換，使得其阈电压低于O. 4伏特、优选地低于O. 3伏特、特别优选地处于O. 25伏特。
12.光电子测量装置，包括 -有用信号光源(17)和补偿光源(18)，它们时间连续时钟控制地、分相位地发送光， -光学接收机(1)，尤其是根据前述权利要求之一所述的光学接收机(1)，具有用于接收包括由光源(17，18)发送的时钟同步的交变光有用信号分量和外来光分量的光以及具有用于放大基于所接收的交变光有用信号分量的有用信号电流(In)的放大单元(4)，和-外来光补偿电路(19)，所述有用信号电流(In)被输送给所述外来光补偿电路， 其中所述外来光补偿电路(19)包括 -时钟发生器(20)， -用于时钟同步地分析有用信号电流(In)的解调器(21 )， -用于为有用信号光源(17)产生有用信号控制电流(Ins)的调制器(22)， -用于为补偿光源(18)产生补偿信号控制电流(Iks)的调制器(23)，和-用于为调制器(22，23)中的至少ー个产生至少ー个控制信号的调节单元(24)，通过在其光强方面在幅度和相位方面控制补偿信号控制电流能够借助于调节単元(24)这样调节补偿光源(18)，使得在不同相位之间出现的时钟同步的交变光有用信号分量变为零， 其特征在干， -用于将有用信号电流(In)与外来光电流(If)分离的耦合単元(3)，所述外来光电流由在光中所包含的外来光分量产生， -能量存储单元(5)，其通过外来光电流(If)充电并且包括至少ー个用于存储能量的存储元件， 其中所述至少一个存储元件通过外来光电流(If)充电并且在能量存储单元(5)中被充电的能量被用于光电子測量装置(16)的至少部分的能量供应。
13.根据权利要求12所述的光电子测量装置，其特征在于集能存储器(9)，其通过能量存储单元(5 )这样被充电，使得所述集能存储器具有比能量存储单元(5 )高的电压电势。
14.根据权利要求12或13所述的光电子测量装置，其特征在于，有用信号光源(17)和/或补偿光源(18)是LED。
15.用于利用用于接收包括交变光有用信号分量和外来光分量的光的光学接收机(I)来存储从外来光获得的电能和用于接收光学交变光有用信号的方法，其中光学接收机(I)包括光电ニ极管(2)、耦合单元(3)、放大单元(4)和能量存储单元(5)，所述方法包括以下步骤 -借助于光学接收机(I)的光电ニ极管(2)接收光并且转换成光电流(Ip)，所述光电流包括基于光学交变光有用信号分量的有用信号电流(In)和基于外来光分量的外来光电流(If), -借助于耦合単元(3)将有用信号电流(In)与外来光电流(If)分离， -借助于放大単元(4)放大有用信号电流(In)并且为分析単元提供以用于进ー步处理，-借助于外来光电流(If)对能量存储单元(5)充电，其中能量存储单元(5)具有至少ー个存储元件，所述存储元件通过外来光电流(If)充电， -提供和使用在能量存储单元(5)中所存储的能量以用于光学接收机(I)的至少部分的能量供应。
全文摘要
本发明涉及一种用于接收交变光有用信号和用于存储从外来光获得的电能的光学接收机(1)，所述光学接收机包括光电二极管(2)，用于接收具有外来光和与外来光相比较高频的交变光有用信号分量的光和用于将光转换成光电流(IP)，所述光电流包括有用信号电流(IN)和外来光电流(IF)；耦合单元(3)，用于将由光学交变光有用信号分量产生的有用信号电流与由外来光产生的外来光电流退耦和分离；放大单元(4)，用于放大有用信号电流；和能量存储单元(5)，其通过外来光电流(IF)充电并且包括用于提高电压的电路，其中在能量存储单元(5)中所充电的能量被使用用于光学接收机(1)的至少部分的能量供应和/或用于包括光学接收机(1)的测量装置(16)的至少部分的能量供应。
文档编号H04B10/00GK102687425SQ201080036526
公开日2012年9月19日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年8月19日
发明者R.梅尔歇尔, U.希尔 申请人:梅卡雷斯系统有限责任公司