Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung in Form einer Transimpedanzverstär kerstufe sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltung mit wenigstens einem Signalverstärker, der wenigstens ei nen Ausgangsanschluss, wenigstens einen Eingangsanschluss oder wenigstens ein Paar differenzieller Eingangsanschlüsse sowie wenigstens zwei Spannungsversor gungsanschlüsse, von denen einer auch ein Masse bzw. Groundanschluss sein kann, aufweist, wobei der Signalverstärker wenigstens einen zusätzlichen Anschluss aufweist, der intern über mindestens ein weiteres Bauelement, z.B. eine Diode, mit wenigstens einem der Eingangsanschlüsse bzw. dem Eingangsanschluss verbunden ist.

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Schaltungen zur Signalverstärkung elektrischer Signale. Transimpedanzverstärker (TIA) wandeln und verstärken einen Eingangsstrom in ein davon abhängiges Ausgangssignal, meist in Form einer Aus gangsspannung. Zu den wesentlichen Kenngrößen eines Transimpedanzverstärkers zählen der mögliche Dynamikumfang des Eingangsstroms, die Bandbreite und das Eingangsstromrauschen. Da das Rauschen generell mit der Bandbreite wächst, er fordert die Konstruktion schneller, rauscharmer Transimpedanzverstärker ein beson ders geringes Rauschen. Üblicherweise werden Transimpedanzverstärker resistiv, logarithmierend oder seltener kapazitiv realisiert.

Resistive Transimpedanzverstärker besitzen als Rückkopplungselement einen ohm schen Widerstand. Um das Eingangsstromrauschen zu verkleinern, muss der Wider stand erhöht werden. Ein rauscharmer, resistiver Transimpedanzverstärker besitzt demnach einen großen Rückkopplungswiderstand, was für einen großen Dynamikbe reich bedeutet, dass große Ausgangsspannungsamplituden von einigen hundert Volt getrieben werden müssen. Der resultierende schaltungstechnische Aufwand ist da her unpraktikabel.

Logarithmierende Transimpedanzverstärker verwenden eine Diode oder einen Biopo lartransistor als Rückkopplungselement und komprimieren so das Ausgangssignal. Flierdurch wird die Notwendigkeit großer Ausgangsspannungsamplituden umgangen. Als nachteilig erweisen sich hierbei aber die starke Temperaturabhängigkeit der Rückkopplungseigenschaften der Halbleiterbauelemente und die relativ großen Leck ströme, die den Eingangsstrombereich nach unten hin begrenzen.

Kapazitive Transimpedanzverstärker besitzen als Rückkopplungselement einen Kon densator. Die Ausgangsspannung entspricht dem Integral des Eingangsstroms über der Zeit. Durch den sehr großen Isolationswiderstand des Kondensators fügt dieser im Gegensatz zum ohmschen Widerstand des resistiven Transimpedanzverstärker praktisch kein Rauschen hinzu. Gleichzeitig ist die Ausgangsspannungsamplitude durch die Integrationsdauer begrenzt, wodurch keine aufwendige Hochspannungs versorgung für einen rauscharmen Transimpedanzverstärker benötigt wird. Außer dem ist die Temperaturabhängigkeit im Gegensatz zum logarithmischen Transimpe danzverstärker vergleichsweise gering. Deshalb ist die kapazitive Transimpedanzver stärker-Architektur bestens für einen rauscharmen Verstärker mit einem extrem ho hen Dynamikbereich mit Strömen von einigen fA bis hin zu einigen mA geeignet. Ent scheidend für einen leistungsfähigen Transimpedanzverstärker ist neben den Eigen schaften des Integrationskondensators die Rücksetzschaltung zum Entladen des In tegrationskondensators. Diese sollte idealerweise den Eingangspfad des Transimpe danzverstärkers nicht beeinträchtigen.

Leckströme fließen auch durch geöffnete Schaltelemente und sind oftmals hochgra dig temperaturabhängig. Diese lassen sich daher nicht trivial kompensieren und re duzieren so den Eingangsstrombereich wesentlich. Ladungsinjektion entsteht durch parasitäre Kapazitäten im Schaltelement, die beim Öffnen oder Schließen des Schaltelements Ladung auf den Eingangspfad verschieben und so parasitäre Ein gangsströme verursachen und den Integrationskondensator u. U. sogar sättigen kön nen. Außerdem weisen geschlossene Schaltelemente einen Widerstand größer Null auf und behindern durch diesen den Stromfluss und damit das schnelle Entladen.

Da Relais sehr träge sind, werden als Schaltelemente in der Regel Analogschalter auf Halbleiterbasis verwendet, die aber höhere Leckströme aufweisen. Heutige Schaltelemente weisen zudem alle Ladungsinjektion auf. Aus diesen Gründen lassen sie sich als Schaltelement zum Zurücksetzen des Integrationskondensators nicht für Eingangsströme unterhalb von 100 fA verwenden, weshalb bestehende kapazitive Transimpedanzverstärker-Designs vergleichsweise schlechte Leistungsdaten aufwei sen.

Eine Schaltung mit einem kapazitiven Transimpedanzverstärker ist aus der US 9,324,546 B2 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung in Form einer Transimpendanzverstärkerstufe mit verbesserten Betriebsdaten und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltung anzugeben. Ferner soll eine verbesserte Schaltung mit wenigstens einem Signalverstärker eingangs genannter Art angege ben werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Schaltung in Form einer Transim pedanzverstärkerstufe, wobei die Schaltung einen Eingangsknoten, einen Ausgangs knoten und einen Rückkoppelknoten aufweist, mit folgenden Merkmalen: a) wenigstens einen Signalverstärker, der wenigstens einen Ausgangsanschluss und wenigstens einen Eingangsanschluss oder wenigstens ein Paar differenziel- ler Eingangsanschlüsse aufweist, wobei ein an wenigstens einem Eingangsan schluss anliegendes Eingangssignal in ein vielfach verstärktes, an dem Aus gangsanschluss abgegebenes Ausgangssignal gewandelt wird, wobei der Aus gangsanschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Ausgangsknoten und wenigstens einer der Eingangsanschlüsse unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Eingangsknoten ange schlossen oder anschließbar ist, wobei bei einem einzelnen Eingangsanschluss das Bezugspotential des Signalverstärkers oder bei einem Paar differenzieller Eingangsanschlüsse das Potential des anderen Eingangsanschlusses, der nicht an den Eingangsknoten angeschlossen oder anschließbar ist, als erstes Refe renzpotential bezeichnet wird, b) wenigstens ein Rückkopplungselement, das mit einem ersten Anschluss unmit telbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Eingangsknoten und mit einem zweiten Anschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Rückkoppelknoten angeschlossen oder anschließbar ist, c) wenigstens ein Rückkopplungssteuerelement, das mit einem ersten Anschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Rückkoppel knoten und mit einem zweiten Anschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Ausgangsknoten angeschlossen oder anschließbar ist, d) wenigstens einen ersten Schalter, durch den der Rückkoppelknoten unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement mit einem zweiten Referenzpo tenzial verbindbar ist, e) wenigstens einen zweiten Schalter, durch den der Ausgangsknoten unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement mit dem Eingangsknoten verbind bar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, dass eine kapazitive oder zumin dest teilweise kapazitive Transimpedanzverstärker-Architektur bereitgestellt werden kann, bei der über die vorhandenen Schalter ein sehr effizientes Zurücksetzen des Rückkopplungselements, zum Beispiel ein Entladen des Rückkopplungskondensa tors, möglich ist. Dabei weist die Schaltung praktisch keine Störungseinflüsse durch Leckströme der vorhandenen Schalter auf. Es ist zudem eine hohe Schaltgeschwin digkeit der vorhandenen Schalter bei zugleich geringer Ladungsinjektion möglich. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Rückkopplungselement nicht wie in bisheri gen Schaltungen überdas nichtideale Schaltelement kurzgeschlossen wird, sondern die Spannung über dem Rückkopplungselement aktiv auf einen bestimmten Wert, beispielsweise Null, geregelt wird. Die Schaltung erlaubt es, einen Rückkopplungs kondensator aktiv und extrem schnell zu entladen, ohne dabei den Eingangspfad sig nifikant zu beeinträchtigen.

Die elektrische Schaltung eignet sich beispielsweise als Signalverstärker für hoch sensitive Messgeräte, zum Beispiel für Gaschromatographen, lonenmobilitätsspekt- rometer, Massenspektrometer, andere Arten von Spektrometern oder Analysatoren für elektrische Materialparameter.

Der Signalverstärker weist üblicherweise einen hohen Verstärkungsfaktor auf, bei spielsweise wenigstens 1000 oder wenigstens 10000. Der Signalverstärker kann zum Beispiel als Operationsverstärker ausgebildet sein, vorteilhafterweise als ein Elektro- meterverstärker mit geringen Leckströmen.

Das erste Referenzpotential kann dabei ein festes (unveränderliches) Spannungspo tential sein, insbesondere auch das Massepotential der Schaltung. Alternativ könnte auch ein veränderliches Potential genutzt werden, um die Eigenschaften der Schal tung im Betrieb zu ändern.

Ferner wird die Aufgabe ebenfalls gelöst durch eine elektrische Schaltung in Form ei ner Transimpedanzverstärkerstufe, wobei die Schaltung einen Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten aufweist, mit folgenden Merkmalen: a) wenigstens einen Signalverstärker, der wenigstens einen Ausgangsanschluss und wenigstens einen Eingangsanschluss oder wenigstens ein Paar differenziel- ler Eingangsanschlüsse aufweist, wobei ein an wenigstens einem Eingangsan schluss anliegendes Eingangssignal in ein vielfach verstärktes, an dem Aus gangsanschluss abgegebenes Ausgangssignal gewandelt wird, wobei der Aus gangsanschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Ausgangsknoten und wenigstens einer der Eingangsanschlüsse unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Eingangsknoten ange schlossen oder anschließbar ist, wobei bei einem einzelnen Eingangsanschluss das Bezugspotential des Signalverstärkers oder bei einem Paardifferenzieller Eingangsanschlüsse das Potential des anderen Eingangsanschlusses, der nicht an den Eingangsknoten angeschlossen oder anschließbar ist, als erstes Refe renzpotential bezeichnet wird, b) wenigstens ein Rückkopplungselement, das mit einem ersten Anschluss unmit telbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Eingangsknoten und mit einem zweiten Anschluss unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement an den Ausgangsknoten angeschlossen oder anschließbar ist, c) wenigstens einen weiteren Signalverstärker, der wenigstens einen weiteren Aus gangsanschluss und wenigstens einen weiteren Eingangsanschluss oder we nigstens ein weiteres Paar differenzieller Eingangsanschlüsse aufweist, wobei ein an wenigstens einem weiteren Eingangsanschluss anliegendes Eingangssig nal in ein vielfach verstärktes, an dem weiteren Ausgangsanschluss abgegebe- nes Ausgangssignal gewandelt wird, wobei der weitere Ausgangsanschluss un mittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement mit einem zweiten Schalter verbunden ist und wenigstens ein weiterer Eingangsanschluss derart unmittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement mit dem Ausgangs knoten verbunden ist, wobei bei einem einzelnen weiteren Eingangsanschluss das Bezugspotential des weiteren Signalverstärkers oder bei einem weiteren Paar differenzieller Eingangsanschlüsse das Potential des anderen weiteren Ein gangsanschlusses, der nicht an den Ausgangsknoten angeschlossen oder an schließbar ist, als zweites Referenzpotential bezeichnet wird, d) wenigstens den zweiten Schalter, durch den der weitere Ausgangsanschluss un mittelbar oder über wenigstens ein weiteres Bauelement mit dem Eingangskno ten verbindbar ist.

Auf diese Weise kann der zweite Signalverstärker die erfindungsgemäße Regelung übernehmen, durch die das Rückkopplungselement in den Neutralzustand zurückge setzt wird, ohne dass hierfür der erste oder zweite Anschluss des Rückkopplungsele ments unmittelbar miteinander verbunden (kurzgeschlossen) werden müssen. Statt- dessen wird der weitere Signalverstärker zwischen den Ausgangsknoten und den zweiten Schalter geschaltet.

Das zweite Referenzpotenzial kann ein von dem ersten Referenzpotential getrenntes Potential oder ein mit dem ersten Referenzpotential verbundenes (kurzgeschlosse nes) Potential sein. Dabei stellen diese Elemente nur das Grundgerüst der Schaltung dar. Beispielsweise können zusätzliche Signalverstärker oder mehrfache Invertierun gen des Signals zwischen diesen Elementen eingefügt werden, ohne die Funktions weise der Schaltung zu verändern. Das Rückkopplungselement kann z.B. einen drit ten Anschluss haben, der auf einem beliebigen Referenzpotential liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Rückkopplungselement durch einen Widerstand, einen Kondensator oder eine Schal tung aus einem oder mehreren Widerständen und/oder einem oder mehreren Kon densatoren gebildet ist. Dies erlaubt eine einfache Realisierung des Rückkopplungs elements sowie einen besonders wirksam arbeitenden Transimpedanzverstärker mit hoher Empfindlichkeit. Es ist vorteilhaft, wenn das Rückkopplungselement zumindest einen kapazitiven Anteil aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Rückkopplungssteuerelement durch einen Widerstand, einen Kondensator oder eine Schaltung aus einem oder mehreren Widerständen und/oder einem oder mehreren Kondensatoren gebildet ist. Dies erlaubt eine einfache Realisierung des Rückkopp lungssteuerelements sowie einen besonders wirksam arbeitenden Transimpedanz verstärker mit hoher Empfindlichkeit. Insbesondere ist es vorteilhaft, das Rückkopp lungssteuerelement so zu gestalten, dass es den durch das Rückkopplungselement erzeugten Frequenzgang der Transimpedanzverstärkerstufe verbessert. D.h. dass durch das Rückkopplungssteuerelement beispielsweise eine ungewünschte Tief passwirkung des Rückkopplungselements ausgeglichen werden kann.

Über den ersten Schalter kann somit der Rückkopplungsknoten wahlweise, das heißt wenn der erste Schalter in eine bestimmte Schaltstellung gebracht wird, mit dem zweiten Referenzpotenzial verbunden werden und in einer anderen Schaltstellung vom zweiten Referenzpotenzial getrennt werden. Der erste Schalter kann beispiels weise als einfacher Ein/Aus-Schalter ausgebildet sein. Dass der Rückkopplungskno ten in diesem Fall über das Rückkopplungssteuerelement mit dem Ausgangsan schluss des Signalverstärkers verbunden sein kann, beeinflusst die Schaltung nicht, solange die Impedanz des Rückkopplungssteuerelements gegenüber der Impedanz des geschlossenen ersten Schalters hoch ist, beispielsweise mindestens zehnmal so groß.

Durch den zweiten Schalter kann der Ausgangsanschluss des Signalverstärkers, wenn der Schalter in eine entsprechende Schaltstellung gestellt ist, mit dem Ein gangsknoten verbunden sein oder, wenn der Schalter in einer anderen Schaltstellung ist, davon getrennt sein. Der zweite Schalter kann beispielsweise als Ein/Aus-Schal ter ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es durch die Anordnung des ersten und des zweiten Schalters insbesondere, dass das Rückkopplungselement in einen Neut ralzustand zurückgesetzt wird, zum Beispiel indem sein erster und zweiter Anschluss auf praktisch das gleiche Spannungspotenzial gesetzt werden, ohne dass hierfür der erste oder zweite Anschluss unmittelbar miteinander verbunden (kurzgeschlossen) werden müssen.

Der erste und der zweite Schalter können insbesondere durch elektrische Steuersig nale steuerbare Schalter sein. Die Schalter können galvanische Schaltkontakte, Halbleiterschalter, Signalverstärker mit einem abschaltbaren Ausgang und/oder Sig nalverstärker mit einer Eingangshysterese aufweisen. Beispielsweise kann der erste und/oder zweite Schalter als Analogschalter ausgebildet sein. Solche Analogschalter erlauben ein zuverlässiges und schnelles Schalten. Je nach Ausführungsform kön nen hierdurch jedoch zusätzliche Störeffekte erzeugt werden, zum Beispiel durch Leckstrom und/oder Ladungsinjektion des Analogschalters.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Referenzpotenzial dem ersten Referenzpotential entspricht. Auf diese Weise kann ein Rücksetzen des Rückkopplungselements, beispielsweise ein Entladen des Kondensators, schnell und zugleich ohne Beeinträchtigung des Eingangspfads erfol gen. Denn bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist es nicht erforderlich, das Rück kopplungselement über einen Schalter direkt zu überbrücken und dementsprechend kurzzuschließen. Stattdessen kann die Funktionalität des Signalverstärkers genutzt werden, der aufgrund seines hohen Verstärkungsfaktors das Bestreben hat, die Po tentialdifferenz zwischen seinem Eingangsanschluss und dem ersten Referenzpoten tial gering zu halten und diese dementsprechend praktisch auf gleichem Potenzial zu halten. Dadurch werden auch Spannungsabfälle an den Schaltern und weiteren im Entladepfad befindlichen Bauelemente ausgeglichen, die ansonsten das Entladen beeinträchtigen würden. Auf diese Weise werden der erste und der zweite Anschluss des Rückkopplungselements sozusagen virtuell kurzgeschlossen, da der erste und der zweite Anschluss im Ergebnis durch den ersten und den zweiten Schalter auf dasselbe Spannungspotenzial gebracht werden können.

Es ist auch möglich, als zweites Referenzpotenzial ein anderes Spannungspotenzial zu verwenden als erste Referenzpotential. Dann kann das Rückkopplungselement, zum Beispiel ein Kondensator, auf eine vordefinierte Spannung, die der Differenz zwischen diesen Spannungspotenzialen entspricht, vorgeladen werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigs tens ein Strombegrenzungselement in Reihe zum zweiten Schalter geschaltet ist, das eine Stromübertragungscharakteristik aufweist, durch die kleine Ströme, insbeson dere Leckströme des zweiten Schalters, unterbunden und größere Ströme durchge lassen werden. Anders ausgedrückt fließt bei kleiner anliegender Spannung prak tisch kein Strom, bei einer größeren Spannung jedoch ein Strom, der um weit mehr als das Verhältnis dieser Spannungen größer ist. Das Strombegrenzungselement kann zum Beispiel eine Diode oder eine Schaltung aus Dioden sein, zum Beispiel zwei antiparallel geschaltete Dioden, oder eine entsprechende Schaltung aus JFETs (JFET - Junction Field Effect Transistor bzw. Sperrschicht-Feldeffekttransistor). Hier durch können eventuelle Störeffekte des ersten und/oder zweiten Schalters, zum Bei spiel Leckstrom und/oder Ladungsinjektion, weiter minimiert werden.

Die genannten Teile der Schaltung können jeweils als separate Bauteile, das heißt als diskrete Bauteile ausgebildet sein. Insbesondere können das Rückkopplungsele ment, das Rückkopplungssteuerelement, das Strombegrenzungselement, der erste Schalter und der zweite Schalter als separate Bauteile von dem Signalverstärker ausgebildet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strombegrenzungselement durch in dem Signalverstärker integrierte Schutzdioden gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile für die Bildung des Strombegrenzungselements erforderlich sind. Ein weiterer, besonders wesentlicher Vorteil für eine Transimpedanzverstärkerstufe mit hoher Empfindlichkeit besteht da rin, dass durch die Nutzung von in dem Signalverstärker bereits vorhandenen inte grierten Schutzdioden der Eingangspfad der Schaltung in keiner Weise durch das Strombegrenzungselement oder die übrigen Teile, die mit dem ersten Schalter und/o der dem zweiten Schalter verbunden sind, beeinträchtigt wird. Am Eingangsknoten ist dann lediglich der Eingang des Signalverstärkers und der erste Anschluss des Rückkopplungselements anzuschließen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Schalter durch elektrische Steuersignale steuerbar sind, wobei die Schaltung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Schaltens des ersten und des zweiten Schalters aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebsmodus den ersten und den zweiten Schalter in Schaltstellun gen zu schalten, durch die ein in den Eingangsknoten fließender Strom in ein ver stärktes, integriertes oder anderweitig abhängiges Ausgangssignal am Ausgangs knoten der Schaltung gewandelt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus den ers ten und den zweiten Schalter in Schaltstellungen zu schalten, durch die die Schal tung, insbesondere das Rückkopplungselement, aktiv in einen Neutralzustand gere gelt wird. Die Steuereinrichtung gibt somit die elektrischen Steuersignale an den ers ten und den zweiten Schalter ab, um wahlweise den ersten Betriebsmodus oder den zweiten Betriebsmodus zu aktivieren.

Die Steuereinrichtung kann dementsprechend in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise in einem festen Takt im Millisekunden-Bereich, wenn dies von außerhalb vorgegeben wird, wenn der letzte Wechsel des Betriebsmodus eine bestimmte Zeit zurückliegt oder wenn die Ausgangsspannung des Signalverstär kers einen bestimmten Schwellwert überschreitet, den ersten und den zweiten Schal ter vom ersten Betriebsmodus in zweiten Betriebsmodus u.s.w. schalten. Hierdurch wird zu bestimmten Zeitpunkten die Schaltung, insbesondere das Rückkopplungsele ment, in den Neutralzustand zurückgesetzt. Kapazitive Anteile des Rückkopplungs elements können auf diese Weise schnell entladen werden. Es ist vorteilhaft, wenn der zweite Betriebsmodus nur relativ kurz aktiviert wird, sodass die Schaltung in den überwiegenden Zeiträumen im ersten Betriebsmodus betrieben wird, in dem mittels der Transimpedanzverstärkerstufe die Eingangssignale erfasst und als verstärkte Ausgangssignale abgegeben werden können und dementsprechend Messungen durchgeführt werden können. So kann beispielsweise das Tastverhältnis, mit dem der zweite Betriebsmodus aktiviert wird, bei 10 % oder weniger liegen. Die Steue rungseinrichtung kann beispielsweise hardwaremäßig als Taktgeber ausgebildet sein, als eine konfigurierbare Hardware wie FPGA oder CPLD, oder sie kann eine mikroprozessorgesteuerte Einrichtung sein, die ein Computerprogramm ausführt, durch das die elektrischen Steuersignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters erzeugt und ausgegeben werden. Insbesondere kann ein externes Steuersignal dazu genutzt werden, die Transimpe- danzverstärker gezielt zurückzusetzen, beispielsweise während eines Zeitraums, in dem aufgrund von Schaltvorgängen Störungen erwartet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Schalter gleich sinnig zu schalten. Wenn der erste und der zweite Schalter jeweils als Ein/Aus-Schal ter ausgebildet sind, ist somit der zweite Schalter immer dann im Zustand „Ein“, wenn der erste Schalter im Zustand „Ein“ ist, und der zweite Schalter ist im Zustand „Aus“ wenn der erste Schalter im Zustand „Aus“ ist.

Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rückkopplungssteuerele ment als dritter Schalter ausgebildet, der von der Steuereinrichtung entgegengesetzt zum ersten Schalter geschaltet wird. Somit können erster und dritter Schalter vorteil hafterweise anstatt durch zwei Ein/Aus-Schalter durch einen einzigen Wechselschal ter umgesetzt werden, der deren Schaltfunktion übernimmt.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Be treiben einer Schaltung der zuvor erläuterten Art, bei der das Rückkopplungselement zurückgesetzt wird, indem die Spannung über dem Rückkopplungselement aktiv auf einen bestimmten Wert, beispielsweise Null, geregelt wird. Somit wird das Rückkopp lungselement nicht wie in bisherigen Schaltungen über ein nichtideales Schaltele ment kurzgeschlossen wird, sondern aktiv geregelt, z.B. mittels des Signalverstär kers.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in ei nem ersten Betriebsmodus der Schaltung ein in den Eingangsknoten fließender Strom in ein verstärktes, integriertes oder anderweitig abhängiges Ausgangssignal am Ausgangsknoten der Schaltung gewandelt wird und einem zweiten Betriebsmo dus der Schaltung die Schaltung, insbesondere das Rückkopplungselement, aktiv in einen Neutralzustand geregelt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird. Der erste Betriebsmodus ist damit ein Arbeitsbe triebsmodus der Schaltung, der zweite Betriebsmodus ein Rücksetzbetriebsmodus der Schaltung. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, falls der erste Signalverstärker nicht unity- gain-stable ist, in dem Schaltungspfad mit dem zweiten Schalter ein zusätzliches Kompensationsnetzwerk einzufügen bzw. dem zweiten Signalverstärker einen spezi ellen Frequenzgang zu geben, so dass sichergestellt ist, dass der Noise Gain der Schaltung in beiden Fällen ausreichend hoch für einen stabilen Betrieb des ersten Signalverstärkers ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ausgangsknoten mit einem Differenzierer gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein endgültiges Ausgangssignal bereitgestellt werden, dass um einen gegebenenfalls vorhandenen integrierenden Einfluss des Rückkopplungselements, zum Beispiel, wenn dieses eine Kapazität aufweist, bereinigt ist. Der Differenzierer kann zum Bei spiel in Analogtechnik ausgebildet sein, das heißt als Analog-Differenzierer. Der Dif ferenzierer kann auch digitaltechnisch realisiert sein, beispielsweise mit einem Ana- log-Digital-Wandler und einem mit dem Analog-Digital-Wandler verbundenen Rech ner, Mikrocontroller oder FPGA, auf dem durch digitale Rechenschritte die Differen zierung durchgeführt wird. In diesem Fall werden vorteilhafterweise übliche Filter schaltungen zur Begrenzung der Signalbandbreite zwischen Transimpedanzverstär kerstufe und Analog-Digital-Wandler geschaltet. Durch die Differenzierung wird das vom Ausgangsanschluss des Signalverstärkers empfangene Signal nach der Zeit dif ferenziert. Vorteilhafterweise kann das digitalisierte Signal auch zum Auslösen der Steuereinrichtung ausgewertet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann auch die Häufigkeit des bei Über schreiten einer bestimmten Ausgangsspannung erzeugten Rücksetzsignals ausge wertet werden, um den in diesem Zeitraum geflossenen mittleren Strom zu bestim men.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Schaltung mit we nigstens einem Signalverstärker, der wenigstens einen Ausgangsanschluss, wenigs tens einen Eingangsanschluss oder wenigstens ein Paar differenzieller Eingangsan schlüsse sowie wenigstens zwei Spannungsversorgungsanschlüsse, von denen ei- ner auch ein Masse bzw. Groundanschluss sein kann, aufweist, wobei der Signalver stärker wenigstens einen zusätzlichen Anschluss aufweist, der intern über mindes tens ein weiteres Bauelement, z.B. eine Diode, mit wenigstens einem der Eingangs anschlüsse bzw. dem Eingangsanschluss verbunden ist, wobei die Schaltung we nigstens ein mit diesem Anschluss verbundenes Bauelement aufweist, durch das ein elektrischer Strom in diesen Anschluss eingespeist oder eine elektrische Spannung an diesen Anschluss angelegt wird. Insbesondere können hierbei auch Anschlüsse genutzt werden, die für den Fachmann ersichtlich eigentlich als Ausgang für ein Sig nal konfiguriert sind. Das zuvor erwähnte Bauelement kann z.B. ein weiterer Signal verstärker oder eine mit einem bestimmten Potential verbundene Leitung sein.

Beispielsweise kann es sich bei diesem zusätzlichen Anschluss um einen sogenann ten Guard-Anschluss handeln, der normalerweise dazu dient, Eingangsanschlüsse gegenüber Leckströmen auf einer bzw. durch eine Leiterplatte oder Die, auf dem der Signalverstärker angeordnet ist, zu isolieren. Zudem wird hierdurch ein ESD-Schutz bereitgestellt. Der Signalverstärker kann beispielsweise eine Guard-Schaltung auf weisen, bei der ein Paar antiparallel geschalteter Dioden zwischen dem Guard-An schluss und positiven Eingangsanschluss geschaltet sind und/oder ein Paar antipa rallel geschalteter Dioden zwischen dem Guard-Anschluss und dem negativen Ein gangsanschluss geschaltet sind. In dem Signalverstärker kann der Guard-Anschluss noch mit weiteren Bauelementen verbunden sein, beispielsweise mit einem Guard- Buffer. Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, dass ein Signalverstärker mit einem solchen Guard-Anschluss auch anderweitig appliziert werden kann, beispielsweise um Bauelemente, die ansonsten zur externen Beschaltung des Signalverstärkers notwendig wären, zu eliminieren und durch Teile der Guard-Schaltung des Signalver stärkers zu ersetzen.

Beispielsweise können im zuvor beschriebenen Beispiel der Transimpedanzverstär kerstufe zwei antiparallel geschaltete Dioden zur Verringerung von Leckstrom -Störef fekten der Analog-Schalter eingesetzt werden. Durch Nutzung eines entsprechenden Teils der Guard-Schaltung innerhalb des Signalverstärkers können diese extern an geschlossenen Dioden entfallen, wie nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels noch detaillierter erläutert wird. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen dung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - eine erste Ausführungsform einer elektrischen Schaltung und

Fig. 2, 3 - eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Schaltung in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus und

Fig. 4, 5 - eine dritte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus und Fig. 6 - eine vierte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung und

Fig. 7 - eine fünfte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung und

Fig. 8 - eine sechste Ausführungsform einer elektrischen Schaltung.

Die in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Schaltungen sind jeweils beispielhaft als Transimpedanzverstärkerstufe dargestellt. Auch andere Ausführungsformen sind möglich.

Die Figur 1 zeigt die Schaltung mit einem Signalverstärker V1 , einem Rückkopp lungselement RE, einem ersten Schalter S1 und einem zweiten Schalter S2. Der Sig nalverstärker V1 weist einen negativen Eingangsanschluss 1, einen positiven Ein gangsanschluss 2 und einen Ausgangsanschluss 3 auf. Der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 sind beispielhaft als Ein/Aus-Schalter dargestellt. Sie weisen jeweils zwei Schaltstellungen auf. In einer Schaltstellung ist ein Kontakt C mit einem Kontakt A des jeweiligen Schalters S1 , S2 verbunden, in einer anderen Schaltstel lung sind die Schalter offen.

An dem Eingangsknoten IN wird ein zu messendes Eingangssignal eingespeist, in diesem Fall ein Eingangsstrom IIN. Der Eingangsknoten IN ist mit dem negativen Ein gangsanschluss 1, einem ersten Anschluss des Rückkopplungselements RE und dem Kontakt C des zweiten Schalters S2 verbunden. Der positive Eingangsan schluss 2 ist mit einem festem Spannungspotenzial, dem ersten Referenzpotential REF1, z.B. Massepotenzial, verbunden. Der Ausgangsanschluss 3 ist mit dem Ausgangsknoten verbunden, an dem das Aus gangssignal UOUT bereitgestellt wird. Dieser ist weiterhin mit dem Kontakt A des zwei ten Schalters S2 und dem ersten Anschluss des Rückkopplungssteuerelements RSE verbunden. Der zweite Anschluss des Rückkopplungselements RE, der zweite An schluss des Rückkopplungssteuerelements RSE und der Kontakt A des ersten Schalters S1 sind mit dem Rückkopplungsknoten FB verbunden. Der Kontakt C des ersten Schalters S1 ist mit einem zweiten Referenzpotenzial REF2 verbunden, zum Beispiel mit dem Massepotenzial.

Im nebenstehenden Kasten sind verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Rückkopplungssteuerelements gezeigt, beispielsweise ein Widerstand R1 , ein Netz werk N1 sowie ein Ein/Aus-Schalter S3.

Die Schaltung befindet sich in einem ersten Betriebsmodus, in dem die normale Mess- und Verstärkungsfunktion der Transimpedanzverstärkerstufe durchgeführt werden kann.

Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der als Rückkopplungselement RE ein Kondensator CF genutzt wird sowie als Rückkopplungssteuerelement ein Schalter S3, der entgegengesetzt zu S1 schaltet und die Kontakte A und B verbindet. Die Ein/Aus-Schalter S1 und S3 wurden vorteilhafterweise zu einem Wechselschalter S1 kombiniert.

Die Figur 2 zeigt die Schaltung in einem ersten Betriebsmodus, in dem die normale Mess- und Verstärkungsfunktion der Transimpedanzverstärkerstufe durchgeführt werden kann. Im ersten Betriebsmodus ist überden ersten Schalter S1 eine Verbin dung zwischen Ausgangsanschluss 3 und dem zweiten Anschluss des Rückkopp lungselements CF hergestellt. Durch den zweiten Schalter S2 ist der Ausgangsan schluss 3 von dem negativen Eingangsanschluss 1 getrennt. Die Schaltung kann in diesem Zustand beispielsweise als übliche kapazitive Transimpedanzverstärkerstufe betrieben werden. Der eingangsseitig zugeführte Strom / _/ w wird über die Transimpe danzverstärkerstufe in ein vielfach verstärktes bzw. integriertes Ausgangssignal UOUT gewandelt. Je nach Eingangssignal kann es erforderlich sein, dass das Rückkopp lungselement CF entladen werden muss, um störende Effekte zu vermeiden, wenn aufgrund der integrierenden Funktion die maximal zulässige Spannung am Rück kopplungselement CF erreicht wird. Hierzu wird die Schaltung in einen zweiten Be triebsmodus gebracht, der in Figur 3 dargestellt ist.

Im zweiten Betriebsmodus sind der erste und der zweite Schalter S1 , S2 im Ver gleich zu Figur 2 umgeschaltet. Der zweite Anschluss des Rückkopplungselements CF ist nun über den ersten Schalter S1 mit dem Kontakt C und damit mit dem zweiten Referenzpotenzial, das dort angeschlossen ist, verbunden. Über den zweiten Schal ter S2 ist eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 3 und dem negativen Eingangsanschluss 1 und damit auch mit dem ersten Anschluss des Rückkopplungs elements CF hergestellt. In diesem Zustand wird das Rückkopplungselement CF durch den Signalverstärker V1 schnell auf eine Spannung entladen oder geladen, die der Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten Referenzpotenzial am Kontakt C des ersten Schalters S1 und dem ersten Referenzpotenzial am positiven Eingangsan schluss 2 entspricht. Ist die Spannungsdifferenz zwischen diesen Spannungspotenzi alen gleich Null, wird das Rückkopplungselement CF somit vollständig entladen.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der Schaltung, die sich von den Fi guren 2 und 3 dadurch unterscheidet, dass in der Verbindung von dem Ausgangsan schluss 3 überden zweiten Schalter S2 zu dem negativen Eingangsanschluss 1 ein Strombegrenzungselement D1 , D2 in Reihe geschaltet ist. Das Strombegrenzungs element D1, D2 kann als zwei antiparallel geschaltete Dioden ausgebildet sein. Hier durch können Störeffekte durch Leckströme und/oder Ladungsinjektionen aufgrund des ersten und des zweiten Schalters S1 , S2 weiter minimiert werden. Im Übrigen zeigt die Figur 4 die Schaltung im ersten Betriebsmodus, die Figur 5 zeigt die Schal tung im zweiten Betriebsmodus. Die Funktionsweise entspricht ansonsten der Funkti onsweise der Schaltung der Figuren 2 und 3.

Die Figur 6 zeigt eine weitere Variante der Schaltung, bei der das Rückkopplungs steuerelement RSE durch einen Kurzschluss ersetzt wurde und der dadurch über flüssige Schalter S1 entfernt. Somit ist der zweite Anschluss des Rückkopplungsele ments RE, in diesem Fall der Kondensator C _F , direkt mit dem Ausgangsknoten OUT verbunden. Da der Ausgang des Signalverstärker V1 nun dauerhaft mit dem zweiten Anschluss des Rückkopplungselements verbunden ist, kann er die erfindungsge- mäße Regelfunktion nicht mehr erfüllen. Um dennoch die erfindungsgemäße Regel funktion bereit stellen zu können, wird ein zweiter Signalverstärker V2 mit seinem po sitiven Eingang an den Ausgangsknoten, mit seinem negativen Eingang an dem zweiten Referenzpotential und mit seinem Ausgang an den Kontakt A des Schalters S2 angeschlossen. Dieser hat ebenfalls das Bestreben, die Potentialdifferenz zwi schen seinen Eingängen zu minimieren und treibt nun so lange einen Strom in den Eingangsknoten, bis das Potential am zweiten Anschluss des Rückkopplungsele ments dem zweiten Referenzpotential entspricht.

Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung, die wie die Ausführungsform der Figuren 4 und 5 ein Strombegrenzungselement D1, D2 in Reihe zum zweiten Schalter S2 aufweist. Das Strombegrenzungselement D1, D2 ist in diesem Fall aber nicht durch eine externe Diodenschaltung realisiert, sondern durch in dem Signalver stärker V1 integrierte Schutzdioden. Flierzu kann beispielsweise ein Guard-Anschluss 4 des Signalverstärkers V1 genutzt werden. Es wird dann einfach der zweite Schalter S2 mit dem Guard-Anschluss 4 verbunden. Durch die interne Beschaltung des Sig nalverstärkers V1 ist damit bereits die Verbindung über das Strombegrenzungsele ment D1, D2 zum negativen Eingangsanschluss 1 hergestellt.

Die Figur 8 zeigt die aus Figur 6 bekannte Schaltung ebenfalls unter Nutzung eines über in dem Signalverstärker V1 integrierte Schutzdioden D1, D2 realisierten Strom begrenzungselement.