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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Pixelarray mit mindestens einer
Gruppe mehrerer gleichartiger Pixel, die in einem auf Strahlung
empfindlichen Material ausgebildet sind, wobei jedes Pixel mindestens
ein Speicherbereich aufweist, das elektrische Ladungen aufnimmt,
die aufgrund einer in dem Bereich eines Pixels auf das Array auftreffenden
Strahlung in dem Material frei beweglich werden, wobei der Speicherbereich
mit dem Gate eines dem Pixel zugeordneten ersten Transistors verbunden
ist, der das durch die Ladung hervorgerufene Signal am Speicherbereich
verstärkt, wobei das durch den ersten Transistor verstärkte
Signal über mindestens einen dem Pixel zugeordneten Auswahltransistor
einer Auswerteschaltung zugeführt wird, welche ein der Zahl
der durch die Strahlung erzeugten Ladungsträger näherungsweise
proportionales Ausgangssignal liefern soll
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Ebenso
betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Messung
und Verstärkung der Ladungsmenge auf dem Speicherbereich
eines Pixels in einem Pixelarray mit mindestens einer Gruppe gleichartiger
Pixel, die in einem auf Strahlung empfindlichen Material ausgebildet
sind, wobei jedes Pixel mindestens ein Speicherbereich aufweist,
der elektrische Ladungen aufnimmt, die aufgrund einer in dem Bereich
eines Pixels auf das Array auftreffenden Strahlung in einer zur
Strahlungsintensität proportionalen Anzahl in dem Material
frei beweglich werden, wobei das dadurch hervorgerufene Signal am Speicherbereich über
einen dem Pixel zugeordneten ersten Transistor verstärkt
und über mindestens einen Auswahltransistor einer Auswerteschaltung
zugeführt wird, welche ein der Zahl der durch die Strahlung
erzeugten Ladungsträger näherungsweise proportionales
Ausgangssignal liefern soll.
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Der
Begriff ”Pixelarray” bezeichnet im Sinne der vorliegenden
Erfindung jede beliebige Anordnung mehrerer gleichartiger Pixel,
einschließlich sogenannter Zeilensensoren und einschließlich
einer Matrixanordnung von Pixeln in Zeilen und Spalten, ohne jedoch
hierauf beschränkt zu sein. Eine Gruppe von Pixeln kann
in diesem Zusammenhang das gesamte Pixelarray sein, jedoch kann
eine Gruppe auch aus einer beliebigen Teilmenge von Pixeln bestehen, im
Falle eines Matrixarrays also beispielsweise aus einer Reihe oder
Spalte von Pixeln. Zweckmäßigerweise kann man
ein zahlenmäßig großes Array als in mehrere
Gruppen von Pixeln (z. B. Zeilen, Spalten, Abschnitte hiervon oder
Teilmatrizen) aufgeteilt betrachten.
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Entsprechende
Pixelarrays und Messverfahren sind im Stand der Technik von lichtempfindlichen Halbleitersensoren,
insbesondere von den lichtempfindlichen Halbleiterchips digitaler
Kameras bekannt. Die an einem Pixel pro Zeiteinheit erzeugte Ladungsmenge
ist im Allgemeinen proportional zu der Intensität der auftreffenden
Strahlung bzw. des auftreffenden Lichtes und die Messung dieser
Ladungsmenge erfolgt typischerweise dadurch, dass die Ladung über
ein Speicherbereich einem dem betreffenden Pixel zugeordneten Transistoranschluss,
genauer gesagt dem Gate eines ersten Transistors zugeführt wird
und an diesem eine Spannung erzeugt, die durch den ersten Transistor
verstärkt und einer Auswerteschaltung zugeführt
wird. Die Auswerteschaltung setzt diesen Spannungswert dann in Helligkeitswerte
eines entweder digital gespeicherten oder auf einem entsprechenden
Display angezeigten Pixelwertes um.
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Der
Begriff ”erster Transistor” wird hier nur wegen
der besseren Unterscheidung gegenüber anderen Transistoren
verwendet, was nicht zwingend bedeutet, dass jedem Pixel auch eine
zweiter Transistor zugeordnet sein muß, auch wenn dies
bei konkreten Ausführungsbeispielen, die für jedes
Pixel mindestens einen weiteren Transistor, nämlich einen Auswahltransistor,
aufweisen, der Fall ist.
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Zusätzlich
kann bei der Bestrahlung des Pixelarrays noch eine Farbfilterung
erfolgen, so dass die Pixel bzw. je eine Teilmenge der Pixel verschiedene
Farbauszüge erfassen, und für die Erzeugung eines
Farbbildes überlagert werden.
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Um
zum Einen eine gute Empfindlichkeit bzw. Lichtstärke und
zum Anderen auch eine möglichst hohe Auflösung
eines Pixelarrays zu erreichen, kommt es bei derartigen Pixelarrays
darauf an, dass eine möglichst große Fläche
der einer Bestrahlung ausgesetzten Fläche des Halbleiters
bzw. des Pixelarrays für die Erzeugung von entsprechenden
Ladungen genutzt wird. Diese Flächennutzung, d. h. den
Quotienten aus der effektiv für die Erzeugung von Ladungen
genutzten Fläche und der Gesamtfläche des Pixelarrays,
nennt man im Allgemeinen den Füllfaktor des Arrays.
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Um
die Spannungen bzw. Ladungen der einzelnen Pixel auslesen zu können,
sind aber neben den strahlungsempfindlichen Pixelflächen,
Reihen- und Spaltenauswahltransistoren sowie Resettransistoren erforderlich,
die zumindest teilweise auch auf dem Array und in unmittelbarere
Nähe zu dem jeweiligen Pixel untergebracht werden müssen.
All diese für den Betrieb des Pixelarrays notwendigen Schaltelemente
beanspruchen Platz auf der zur Verfügung stehenden Halbleiterfläche
und verringern unvermeidlich den Füllfaktor.
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Da
auch der jeweilige erste Transistor, welcher die an einem Pixel
erzeugte Ladung bzw. die dadurch hervorgerufene Spannung erfasst
und verstärkt, in unmittelbarer Nähe zu dem Pixel
untergebracht werden muss und hierfür einen entsprechenden
Anteil der für ein Pixel zur Verfügung stehenden Fläche
beansprucht, sind die entsprechenden (ersten) Transistoren notwendigerweise
relativ klein und einfach aufgebaut, um den Füllfaktor,
d. h. das Verhältnis der strahlungsempfindlichen Fläche
der Pixel zur Gesamtfläche des Pixelarrays, möglichst
groß zu halten.
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Entsprechend
einfache Transistoren haben allerdings den Nachteil, dass sie in
der Regel einen nicht-linearen Verstärkungsfaktor haben,
d. h. schwache Signale und geringe Ladungsmengen werden nicht um
den gleichen Faktor verstärkt wie stärkere Signale
bzw. stärkere Ladungsmengen. Dies führt zu einer
Verfälschung der tatsächlichen Helligkeitswerte
und kann im Fall der entsprechenden Farbauszüge bzw. Farbbilder
zur Verfälschung der Farben und Helligkeitswerte der durch
die Auswerteschaltung erzeugten Bilder führen.
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Auch
bei Halbleitersensoren, bei denen aus anderen Gründen Helligkeitswerte
exakt erfasst werden sollen, ist eine entsprechende nicht-lineare Kennlinie
von Transistoren nachteilig und führt zu Verfälschungen
der Bildhelligkeit gegenüber der abgebildeten Originalszene.
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Eine
Anwendung, bei welcher es ganz besonders auf die möglichst
genaue Messung der an einem Pixel erzeugten Ladungsmenge ankommt,
ist die Erfassung dreidimensionaler Bilder mit Hilfe des sogenannten
PMD-Verfahrens, wobei die Abkürzung „PMD” für „Photonic
Mixier Device” steht. Die Pixel eines PMD-Sensors weisen
jeweils zwei Auslesespeicherbereiche auf, denen Modulationsgates
zugeordnet sind, oder die direkt mit einer Modulationsspannung beaufschlagt
werden, wobei die Modulationsspannung mit einer Intensitätsmodulation
einer Bestrahlung bzw. Beleuchtung korreliert ist, die nach Reflektion
von einem Objekt durch die PMD-Pixel erfasst wird. Dabei wird die
Differenz einer Ladungsmenge an den beiden Speicherbereichen (auch
als Auslesespeicherbereich bezeichnet) eines PMD-Pixels in einer
Auswerteschaltung unmittelbar in eine Signallaufzeit bzw. Entfernung
des durch ein Pixel erfassten Objektes bzw. Objektpunktes umgesetzt.
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Dies
ermöglicht eine sehr genaue pixelweise Abstandsmessung
einer betrachteten bzw. durch ein PMD-Array abgebildeten Szene und
in Verbindung mit den entsprechenden (2-dimensionalen) Farb- und
Helligkeitswerten eine echte 3D-Wiedergabe der Szene. Einzelheiten
eines solchen PMD-Verfahrens sind beispielsweise in der
deutschen Patentanmeldung P 197
04 496 beschrieben.
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Die
entscheidende Messgröße ist bei dem PMD-Verfahren
die Differenz der Ladungsmengen an den beiden Auslesespeicherbereichen
eines Pixels. Diese Differenz der Ladungsmengen an den beiden Auslesespeicherbereichen
wird dabei ausschließlich aufgrund der Korrelation der
modulierten Beleuchtung mit der Modulation der Auslesespeicherbereiche
erzeugt. Ladungen, die aufgrund von Hintergrundlicht in dem Halbleitermaterial
erzeugt werden, tragen an beiden Auslesespeicherbereichen in gleicher
Weise zu der Gesamtladungsmenge bei und werden durch die Differenzbildung
eliminiert. Diese Differenzbildung erfolgt jedoch erst nach der
Verstärkung und Messung der jeweils an jedem der Auslesespeicherbereiche
erzeugten Ladungsmenge. Sofern dort durch eine nicht-lineare Verstärkung
der Messgröße durch den ersten Transistor verfälschte
Ausgangssignale erzeugt werden, schlägt dies unmittelbar
und relativ wesentlich stärker auf die zu messende Differenz
der Ladungsmengen als auf die Absolutwerte der Ladungsmengen durch
und verfälscht damit die gewünschte Entfernungsmessung.
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Es
besteht daher ein Bedarf an der Herstellung und Entwicklung von
Pixelarrays und entsprechenden Verfahren zur Messung der an den
jeweiligen Auslesespeicherbereichen bzw. Speicherbereichen erfassten
Ladungsmenge, welche für eine exakte Wiedergabe der Helligkeits-
und Farbwerte und/oder für eine exakte Entfernungsmessung
eine verbesserte Genauigkeit aufweisen, ohne dass der Füllfaktor
der entsprechenden Pixelarrays dadurch nennenswert beeinträchtigt
wird.
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Hinsichtlich
eines Pixelarrays mit den eingangs genannten Merkmalen wird diese
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass
eine jeweils einer Gruppe von mehreren Pixeln zugeordnete Linearisierungsschaltung
vorgesehen ist, die über den mindestens einen Auswahltransistor mit
dem Ausgang des ersten Transistors eines jeden Pixels verbindbar
ist, um eine Nichtlinearität zwischen der Ladungsmenge
im Speicherbereich und dem Ausgangssignal des ersten Transistors
mindestens teilweise zu kompensieren.
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Hinsichtlich
des ebenfalls eingangs erwähnten Verfahrens zur Messung
des Ausgangssignals eines ersten Transistors in einem Pixelarray
wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst,
dass eine jeweils einer Gruppe von Pixeln zugeordnete Linearisierungsschaltung
mit den einzelnen Pixeln der Gruppe nacheinander über den
mindestens einen Auswahltransistor mit dem Ausgang des ersten Transistors
des jeweiligen Pixels verbunden wird und die Nichtlinearität
zwischen der Ladungsmenge im Speicherbereich und dem Ausgangssignal
des jeweiligen ersten Transistors (M1A) mindestens teilweise kompensiert.
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Dabei
wird zunächst einmal unterstellt, dass die am Speicherbereich
anliegende Gatespannung ihrerseits proportional zu der im Bereich
des Pixels erzeugten Ladungsmenge ist.
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Auf
diese Weise wird das der Auswerteschaltung zugeführte nicht-lineare
Signal des Ausgangs des ersten Transistors linearisiert und entspricht
wesentlich besser und unabhängig von der nicht-linearen
Kennlinie der ersten Transistoren dem jeweiligen, aktuellen Helligkeitswert
an einem Pixel bzw. der im Bereich eines Pixels durch auftreffende
Strahlung erzeugten Menge freibeweglicher Ladungsträger.
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Da
die Linearisierungsschaltung nicht an jedem einzelnen Pixel vorgesehen
sein muß, sondern jeweils für eine Vielzahl bzw.
eine ganze Gruppe von Pixeln vorgesehen ist, beansprucht sie, auch
wenn sie gemeinsam mit den Pixeln irgendwo auf dem Pixelarray angeordnet
ist, pro Pixel nur sehr wenig Fläche, so dass der Füllfaktor
des Arrays dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Insbesondere kann die Linearisierungsschaltung außerhalb
des eigentlichen Pixelarrays (zum Beispiel am Rand desselben) angeordnet
und jeweils einer Gruppe (zum Beispiel einer Spalte) von mehreren
Pixeln zugeordnet sein, die nacheinander einzeln über die
Linearisierungsschaltung ausgelesen werden. Dabei bleibt der Füllfaktor
eines solchen Arrays unverändert, auch wenn die Linearisierungsschaltung
ihrerseits noch Platz beansprucht, der aber außerhalb des
eigentlichen Arrays liegt und wobei eine Linearisierungsschaltung gleichzeitig
für eine größere Anzahl von Pixeln bzw. Auslesespeicherbereiche
vorgesehen ist und selbst dann, wenn sie auf demselben Halbleitersubstrat
am Rand des Pixelarrays angeordnet ist nur einen geringen Teil der
gesamten Substratfläche benötigt. Selbst wenn
also eine Linearisierungsschaltung allein soviel zusätzliche
Fläche auf dem Halbleitersubstrat benötigt wie
ein komplettes Pixel oder auch mehrere, ist der gesamte Flächenbedarf
für die Linearisierungsschaltung nur um einen Bruchteil
größer, der dem Verhältnis der Zahl der
erforderlichen Linearisierungsschaltungen zu der Gesamtzahl der
Pixel entspricht. Dieses Verhältnis liegt bei höchstens
1 zu 10, in der Regel aber bei höchstens 1 zu 100 oder noch
darunter, wenn beispielsweise in einem typischen Pixelarray ein
oder zwei Linearisierungsschaltungen pro Pixelspalte (oder -reihe)
vorgesehen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Pixelarrays
ist vorgesehen, dass die Linearisierungsschaltung in demselben Halbleitermaterial
ausgebildet ist, wie die zugehörige Pixelgruppe und einen
mit dem ersten Transistor identisch aufgebauten äußeren
Transistor aufweist, der mit einer variabel einstellbaren Eingangsspannung
beaufschlagbar ist und eine Nachführschaltung aufweist, welche
die Eingangsspannung des äußeren Transistors auf
einen Wert einstellt, bei welchem das Ausgangssignal des äußeren
Transistors mit durch die Linearisierungsschaltung erfassten Ausgangssignal bzw.
der Ausgangsspannung des ersten Transistors übereinstimmt.
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Die
Linearisierungsschaltung erfasst also eingangsseitig zunächst
das Ausgangssignal des ersten Transistors. Ein weiterer, außerhalb
des Pixel-Arrays vorgesehener gleichartiger und mit dem ersten Transistor
identisch ausgebildeter Transistor wird nun an seinem Gate, welches
dem Auslesespeicherbereich des ersten Transistors entspricht, mit
einer variablen Spannung beaufschlagt, die in der Weise eingestellt
wird, dass das Ausgangssignal des äußeren Transistors
mit dem gemessenen Ausgangssignal des ersten Transistors übereinstimmt. Dies
führt wegen der Identität beider Transistoren
dazu, dass dann auch das Eingangssignal, das über die variable
Spannungsquelle eingestellt wird, mit dem Eingangssignal des ersten
Transistors übereinstimmen muss. Diese Eingangsspannung
liegt aber nunmehr außerhalb des eigentlichen Pixel-Arrays in
der Linearisierungsschaltung vor, so dass dieses Eingangssignal
des äußeren Transistors über eine entsprechend
aufwendigere Schaltung, konkret einen integrierten Linearverstärker
mit einer exakt linearen Kennlinie, verstärkt und von dem
Ausgang dieses Linearverstärkers auf die Auswerteschaltung
gegeben werden.
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Die
Begriffe ”Signal” und ”Spannung” werden im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung im Wesentlichen synonym verwendet,
wobei klar ist, dass die ”Signale” prinzipiell
auch Stromsignale sein könnten.
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Ein
solcher Linearverstärker (am Eingang der Auswerteschaltung)
besteht im allgemeinen aus einer ganzen Gruppe von Transistoren
und sonstigen Schaltelementen, die unmittelbar bei oder auf den einzelnen
Pixeln selbst nicht untergebracht werden könnten, ohne
den Füllfaktor des Pixelarrays beträchtlich zu
verringern.
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Da
aber die Linearisierungsschaltung jeweils nur für eine
Gruppe von entsprechenden Pixeln vorgesehen ist, beispielsweise
für eine komplette Spalte eines Arrays, und auch außerhalb
des eigentlichen Arrays angeordnet werden kann, hat diese aufwendige
lineare Verstärkung des an einem spiegelbildlichen Transistor
erzeugten Signals keinen Einfluss auf den Füllfaktor.
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Je
nach Ausgestaltung der einzelnen Pixel und des Pixel-Arrays ist
die nicht-lineare Kennlinie des ersten Transistors aber nicht die
einzige Fehlerquelle, die bei der Ermittlung der korrekten Ladungsmenge,
welche durch auftreffende Strahlung im Bereich des Pixels erzeugt
wurde, auftreten kann. Je nach Größe und Ausgestaltung
der einzelnen Pixel weisen diese auch eine inhärente (parasitäre)
Kapazität auf, wobei die erzeugten Ladungen an dem Gate des
Transistors eine von dieser parasitären Kapazität abhängige
Spannung erzeugen, wobei diese Spannung wiederum nicht mehr exakt
proportional zu der durch die Bestrahlung erzeugten Menge an Ladungen
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
auch diese parasitäre Kapazität berücksichtigt
und in der Weise kompensiert, dass dem Linearverstärker
ein Spannungssignal zugeführt wird, das der erzeugten Ladungsmenge
exakt proportional ist bzw. das von der erzeugten Ladungsmenge linear
abhängig ist, mit einem exakt bekannten Linearfaktor und
ggf. einem ebenso bekannten, bei der Auswertung zu berücksichtigenden Sockelwert.
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Hierzu
ist eine Kompensationsschaltung vorgesehen, die vorzugsweise in
die bereits beschriebene Linearisierungsschaltung jeweils integriert
ist, aber auch anstelle derselben vorgesehen sein kann, wobei die
Kompensationsschaltung über einen Schalter eine Verbindung
des Eingangs des (sofern vorhanden) äußeren Transistors
(oder des Ausgangs des ersten Transistors) mit einer Referenzkapazität aufweist,
die in einem bekannten Verhältnis zur Pixelkapazität
steht, wobei eine Verstärkerschaltung zwischen der Referenzkapazität
und dem Eingag des Linearverstärkers vorgesehen ist, welche
als Eingangsgröße für den Linearverstärker
ein Ausgangssignal erzeugt, das von der auf der Referenzkapazität gespeicherten
Ladung linear abhängig ist.
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Dabei
kann man die Pixelkapazität beispielsweise durch Messung
und oder aber durch Nachbildung eines entsprechenden Pixels außerhalb
des eigentlichen Pixelarrays erfassen, wobei ein solches nachgebildetes
Pixel außerhalb des Pixelarrays abgeschattet werden kann,
um dieses nachgebildete Pixel unmittelbar als Referenzkapazität
zu verwenden.
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Wahlweise
können jedoch auch entsprechende spannungsabhängige
Kondensatoren in die Schaltung integriert werden, nachdem die jeweilige Pixelkapazität
unabhängig bestimmt worden ist.
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Die
weitere Verstärkerschaltung kann dabei aus einem Differenzverstärker
bestehen, dessen einer Eingang mit einer Referenzspannung verbindbar ist
und dessen zweiter Eingang über einen Schalter mit der
Referenzkapazität verbunden ist, wobei zu dem Differenzverstärker
parallel jeweils eine weitere bekannte Kapazität und ein
dritter Schalter zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang des
Differenzverstärkers angeordnet sind.
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Dabei
kann es zweckmäßig sein, wenn diese zweite Kapazität
denselben Wert hat wie die Referenzkapazität.
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Es
versteht sich, dass auch die vorstehend beschriebene Kompensationsschaltung
zur Kompensation der parasitären Kapazitäten der
einzelnen Pixel eine Linearisierungsschaltung im Sinne des Anspruchs
1 darstellt, wobei hier nur zur Vermeidung von Missverständnissen
und Verwechselungen begrifflich zwischen der erstgenannten Linearisierungsschaltung
zur Linearisierung der Transistorverstärkung und der Kompensationsschaltung
unterschieden wird. Beide Schaltungen können jedoch unabhängig
voneinander als Linearisierungsschaltung im Sinne des Anspruchs
1 realisiert werden.
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Wie
bereits erwähnt, ist die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und das Vorsehen einer entsprechenden Linearisierungs-
und/oder Kompensationsschaltung besonders zweckmäßig bei
einem Pixelarray, welches aus PMD-Pixeln besteht, die jeweils zwei
Auslesespeicherbereiche aufweisen, deren Ladungsmenge genau erfasst
werden muss, wobei jeweils einer Gruppe von Auslesespeicherbereichen
eine Linearisierungsschaltung gemäß den Ansprüchen
1 bis 7 zugeordnet wird. Dabei können einer Spalte von
PMD-Pixeln demnach jeweils zwei Linearisierungsschaltungen zugeordnet sein,
wobei je eine Linearisierungsschaltung für eine Reihe analoger
Auslesespeicherbereiche der Spalte von PMD-Pixeln zugeordnet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der vorliegenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren.
Es zeigen:
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1 eine
herkömmliche Schaltung zur Erfassung der Spannungen bzw.
Ladungsmengen an den Auslesespeicherbereichen einer Spalte von Pixeln,
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2 eine
gemäß der Erfindung modifizierte Schaltung mit
einer außerhalb des Pixels vorgesehenen Linearisierungsschaltung
und
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3 eine
weitere Ausführungsform, bei welcher in die Linearisierungsschaltung
nach 2 zusätzlich eine Kompensationsschaltung
zur Kompensation parasitärer Kapazität enthalten
ist.
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Man
erkennt in
1 ein insgesamt mit
1 bezeichnetes
Pixel, dessen strahlungsempfindliche Bestandteile schematisch als
Diodenpaar dargestellt sind. Das Pixel hat in diesem Fall zwei Speicher-
bzw. Auslesespeicherbereiche (aufgrund der Art ihrer Herstellung
auch ”Auslesediffusionen” genannt), welche durch
die Gates der Feldeffekttransistoren M1A und M1B gebildet werden.
Details von PMD-Pixeln und entsprechenden Pixelarrays sind beispielsweise
den
deutschen Patentanmeldungen
Nr. 197 04 496 und
198
21 974 zu entnehmen.
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Zu
jedem Pixel 1 gehören außerdem eine Spannungsversorgung
VDD sowie Reihenauswahltransistoren M2A und M2B.
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Außerdem
erkennt man noch zwei Reset-Transistoren M3A und M3B, die dazu dienen, nach
dem Auslesen eines Spannungswertes U1 oder eines entsprechenden
Stromes die Auslesespeicherbereiche auf eine Referenz aufzuladen.
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Derartige
Pixel sind beispielsweise in Spalten angeordnet, die man sich in 1 in
vertikaler Richtung fortgesetzt denken kann als Wiederholung des
das Pixel 1 einrahmenden strichpunktierten Kastens.
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Am
Ende einer Spalte und unmittelbar außerhalb des Arrays
ist auf demselben Material eine herkömmliche Verstärkungsschaltung 20' vorgesehen,
die aus einer Stromquelle I1 besteht, welche als aktive Last wirkt
und die Ausgangsspannung U2 des Transistors M1A unabhängig
vom jeweiligen Verstärkungsfaktor ohne weitere Verfälschung
dem Eingang des Linearverstärkers A2 zuführt.
Dieser verstärkt die an der aktiven Last I1 abfallende
Spannung U2, die der durch den Transistor M1A verstärkten
Spannung U1 entsprechen sollte, linear und führt den Ausgangswert
U3 über einen Spaltenauswahltransistor M4A einer globalen
Auswerteschaltung 10 zu, welche wiederum die Ausgangsspannung
U3 des Linearverstärkers A2 auf den Messwert U4 verstärkt.
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Dabei
kann man davon ausgehen, dass die Linearverstärker A2 und
A1 in dem interessierenden Bereich eine exakt lineare Kennlinie
haben, wohingegen allerdings der erste Transistor M1A, der jeweils
in das Pixel integriert ist und demzufolge einen sehr einfachen
und platzsparenden Aufbau haben muss, nicht notwendigerweise eine
lineare Kennlinie hat, d. h. die Spannung U2 (und somit auch U3
und U4) ist im allgemeinen keine lineare Funktion der Spannung U1
auch wenn außerhalb des Pixels 1 alle weiteren Fehlerquellen
ausgeschlossen werden. Für viele Anwendungsfälle
ist dies allerdings von geringerer Bedeutung, da die nicht-linearen
Transistoren M1A und M1B nur zu geringfügig veränderten
Helligkeitswerten des Pixels führen, die als Ausgangsspannung
U4 ausgegeben werden.
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Für
eine normale Bildwiedergabe mögen derartige Abweichungen
nur von untergeordneter Bedeutung sein.
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Es
versteht sich, dass im vorliegenden Fall die einzelnen PMD-Pixel
genau betrachtet aus je zwei herkömmlichen Pixeln bestehen,
so dass eine Spalte von Pixeln 1 jeweils zwei Spalten A
und B von Auslesespeicherbereichen hat, die jeweils eine eigene
Auslese- und Linearisierungselektronik 20' haben, da jedes
Pixel 1 der gesamten Spalte von Pixeln zwei Auslesespeicherbereiche
A und B hat.
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Die
Schaltung in 1 entspricht dem Stand der Technik
auch für die bisher bekannten PMD-Arrays.
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In 2 ist
nunmehr eine erfindungsgemäße Linearisierungsschaltung 20' für
jede Spalte von Pixeln bzw. von Pixelhälften vorgesehen,
da das Pixel 1 aus einem PMD mit zwei Auslesediffusionen
PA und PB besteht, die als parallele Dioden dargestellt sind und
die getrennte Auslesespeicherbereiche aufweisen, die gleichzeitig
die Gates von Feldeffekttransistoren M1A bzw. M1B bilden. Das Pixel 1 und
auch die globale Auswerteschaltung 10 in der 2 sind vollständig
identisch mit dem Pixel 1 und der globalen Auswerteschaltung 10 aus 1.
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Der
Unterschied zwischen den beiden Schaltungen liegt nur in der jeweils
für eine Spalte von Auslesespeicherbereichen vorgesehen
Linearisierungsschaltung 20. Da die PMD-Pixel, wie sie
in den vorliegenden Ausführungsbeispielen dargestellt sind,
jeweils zwei Auslesespeicherbereiche haben, sind in diesem Fall
pro Pixelspalte jeweils zwei Linearisierungsschaltungen vorgesehen.
Es versteht sich, dass die Pixel bzw. deren Auslesespeicherbereiche auch
auf beliebige andere Weise in Gruppe aufgeteilt und jeweils mit
einer eigenen Linearisierungsschaltung versehen werden könnten.
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Die
Linearisierungsschaltung 20 ist vorzugsweise noch auf demselben
Halbleitersubstrat angeordnet und ausgebildet, wie auch das gesamte
Pixelarray.
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Auch
hier ist der äußere Transistor M1A' als Sourcefollower
geschaltet, d. h. über den Reihenauswahltransistor M2A'
fällt die Sourcespannung U2' des äußeren
Transistors M1A' über eine aktive Last nach Masse ab, während
das Drain mit der Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Die Spannung
U2' ist zwar keine lineare Funktion der Spannung U1, dient aber
zu deren Rekonstruktion außerhalb des Pixels 1,
wie nachstehend erläutert wird.
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Die
Spannung U2 des ersten Transistors M1A wird einem Eingang eines
Differenzverstärkers zugeführt, dessen zweiter
Eingang mit der Spannung U2' beaufschlagt wird, die von einem spiegelbildlich zu
der Pixelausleseschaltung ausgebildeten äußeren.
Transistor M1A' erzeugt wird. Die spiegelbildliche Anordnung besteht
demnach aus einem Transistor M1A', einem entsprechenden Schalttransistor M2A',
welcher dem Reihenauswahltransistor M2A entspricht, wobei die Ausgangsspannung
U1' des Differenzverstärkers dem Gate des Transistors M1A' zugeführt
wird. Nachfolgend ist in der Betrachtung der Spannungsabfall über
den Transistoren M2A', M2A vernachlässigbar und wird daher
mit 0 V angenommen. Der Differenzverstärker A3 passt demnach seine
am Gate des Transistors M1A' anliegende Ausgangsspannung U1' so
an, dass seine Eingangsspannung U2', die gleichzeitig die Ausgangsspannung
des Transistors M1A' ist und die über der Stromquelle I1'
abfällt, einen Wert U2 einnimmt, der gleich der Spannung
U2 an dem ersten Eingang des Differenzverstärkers ist.
Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung U1' des Differenzverstärkers
A3 ist über den Transistor M1A' rückgekoppelt,
und führt die Spannung U1' in der Weise nach, dass der
Wert U2' am zweiten Eingang gleich dem Wert U2 am ersten Eingang
ist. Ungeachtet der Nichtlinearität der Kennlinien der
Transistoren M1A bzw. M1A' bei der Verstärkung der Spannung
U1 zu U2 bzw. U1' zu U2' kann man dann davon ausgehen, dass wegen
der identischen Ausbildung der Transistoren M1A und M1A' bei gleichen
Ausgangsspannungen U2 bzw. U2' auch die Spannung U1' am Eingang
des Transistors M1A' mit der Eingangsspannung U1 des Transistors M1A übereinstimmt.
Somit liegt auch am Ausgang des Differenzverstärkers A3
dieselbe Spannung U1' = U1 vor, die nunmehr außerhalb des
Pixels 1 exakt erfasst und dem Eingang eines Linearverstärkers
A2 zugeführt wird, der über den Spaltenauswahltransistor
M4A mit der Auswerteschaltung 10 verbunden ist.
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Auf
diese Weise wird die durch den Transistor M1A nicht-linear verstärkte
Spannung U1 durch die spiegelbildliche Ausbildung des Transistors
M1A' und die erfindungsgemäße Linearisierungsschaltung außerhalb
des Pixels exakt reproduziert und dient nunmehr anstelle der zuvor
verwendeten (nicht-linear von U1 abhängigen) Spannung U2
als Eingangsgröße für den Linearverstärker
A2.
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Damit
sind die Nichtlinearitäten des Transistors M1A eliminiert.
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In 3 erkennt
man eine nochmals modifizierte Linearisierungsschaltung 20'',
wobei auch hier das Pixel 1 und die Auswerteschaltung 10 wieder
mit den entsprechenden Pixeln und Auswerteschaltungen nach dem Stand
der Technik gemäß 1 übereinstimmen.
Auch hier ist wieder eine spiegelbildliche Anordnung von Transistoren
M1A' und M2A' analog zu den Transistoren M1A und M2A auf dem Pixel 1 in der
Linearisierungsschaltung vorgesehen und sorgt dafür, dass
am Ausgang des Differenzverstärkers A3 die Spannung U1
am Gate des Transistors M1A reproduziert wird.
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Allerdings
ist die Spannung U1 nicht exakt proportional zu der eigentlich interessierenden
Ladungsmenge, die durch einfallende Strahlung im Bereich des Pixels
bzw. der jeweiligen Pixelhälfte erzeugt wird.
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Dies
hängt mit parasitären Kapazitäten zusammen,
die durch die Auslesediffusionen PA, PB, die Anschlüsse
der Reset-Transistoren und den Auslesespeicherbereich des ersten
Transistors M1A gebildet werden.
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Zu
diesem Zweck ist in dem Ausgang des Differenzverstärkers
A3 und dem Eingang des Linearverstärkers A2 eine zusätzliche
Kompensationsschaltung vorgesehen, welche sicherstellt, dass die Eingangsspannung
am Linearverstärker A2 nunmehr eine exakte lineare Funktion
der photogenerierten Ladungsmenge ist, die durch die Auslesediffusion
PA des Pixels 1 eingesammelt wurde. Die Kompensationsschaltung
besteht, ausgehend vom Ausgang des Differenzverstärkers
A3 aus einem Schalter S1 und einer darauffolgenden Referenzkapazität
C1' nach Masse, die wiederum über einen Schalter S2 mit
dem ersten Eingang eines weiteren Differenzverstärkers A4
verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannung
Uref beaufschlagt wird. Der über einen Schalter S2 mit
dem Kondensator C1' verbindbare Eingang des Differenzverstärkers
A4 wird außerdem überbrückt durch einen
parallelen Kondensator C2, der zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang
des Differenzverstärkers A4 liegt und einem hierzu wiederum
parallelen Schalter S3. Die Referenzkapazität C1' kann
beispielsweise durch Nachbildung eines Pixels 1 erzeugt
werden, das aber abgeschattet ist und somit keine durch Strahlung
erzeugte freie Ladungsträger erhält, sondern nur
die parasitäre Kapazität C1, die an dem Pixel 1 vorliegt,
nachbildet.
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Die
Spannung U1' am Ausgang des Differenzverstärkers A3 wird
nunmehr über den Schalter S1 an die Referenzkapazität
C1' angelegt, wobei der Schalter S2 geöffnet ist. Wenn
die Kapazität C1' mit der Kapazität C1 des Pixels übereinstimmt
und die Spannung U1' mit der Spannung U1 übereinstimmt, findet
sich nunmehr auf dem Kondensator C1' exakt dieselbe Ladungsmenge
wie auf dem Pixel. Die Kapazität C1' kann jedoch auch von
der Kapazität C1 abweichen, sollte aber bekannt sein.
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Nun
wird der Schalter S1 geöffnet. Nunmehr wird der Schalter
S3 geschlossen, so dass der Differenzverstärker A4 den
ersten Eingang auf dieselbe Spannung Uref zieht, die auch am zweiten
Eingang anliegt. Diese Spannung liegt dann wegen des geschlossenen
Schalters S3 auch auf beiden Seiten des Kondensators C2 an.
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Anschließend
wird der Schalter S3 geöffnet und dann wird der Schalter
S2 geschlossen, wodurch die Integrator-Schaltung aus A4 und C2 beginnt,
die Ladungen von C1' solange auf C2 zu transferieren, bis die Spannung
an C1' gleich Uref ist.
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Wenn
Q1 die ursprünglich auf C1' gespeicherte Ladung war, so
ergibt sich schließlich am Ausgang von A4 eine Spannung
UA, die sich ausdrücken lässt als (Q1 + Uref(C2 – C1'))/C2.
Wählt man z. B. C2 = C1', so vereinfacht sich die Gleichung
zu UA = Q1/C2, wobei man ggf. auch C1' = C1 wählen kann, wenn
das Pixel 1 bzw. eine Pixelhälfte in der Kompensationsschaltung
als Referenzkapazität C1' identisch aufgebaut ist, so daß dann
de Spannung UA gleich Q1/C1 ist.
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Ansonsten
kann C1' aber durchaus beliebige Werte annehmen, z. B. ein ganzzahliges
Vielfaches oder ein Bruchteil von C1 sein, da sich aus der obigen
Gleichung der Wert für Q1 immer eindeutig ergibt, der letztlich
die interessierende Messgröße ist.
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Auch
wenn C2 ≠ C1' ist, so kann Q1 aus der obigen Gleichung
immer eindeutig ermittelt werden, da alle Größen
(C2, C1' und Uref) der obigen Gleichung bekannt sind. Es versteht
sich, dass man die Schaltung zur Kompensation parasitärer
Kapazitäten unabhängig von der Linearisierungsschaltung
zum Reproduzieren der Spannung U1 verwirklichen kann. Falls beispielsweise
bei entsprechender Ausgestaltung des Pixels bzw. der Pixelbausteine
der Transistor M1A in seinem Ansteuerungsbereich eine relativ lineare
Kennlinie hat, so könnte man auf die in 2 dargestellte
Spiegelschaltung aus den Transistoren M1A', M2A' und den Differenzverstärker
A3 verzichten und die Spannung U2 über den Schalter S1
direkt mit dem Kondensator C1' verbinden, wenn nur eine Korrektur
bzw. Kompensation der parasitären Kapazitäten
erfolgen soll und ausreichend ist. Wenn umgekehrt die parasitären
Kapazitäten vernachlässigbar klein sind, so reicht
die Linearisierung gemäß 2 aus, und
man kann auf die Kompensationsschaltung verzichten, die in 3 zwischen
Differenzverstärker A3 und dem Linearverstärker
A2 vorgesehen ist.
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Der
zusätzliche Platz, der auf einem Halbleiterchip durch die
Linearisierungsschaltung und die Kompensationsschaltung benötigt
wird, ist gegenüber der Gesamtfläche eines typischen
Arrays vernachlässigbar klein, da jeweils für
eine komplette Spalte von Pixeln nur ein oder zwei derartiger Schaltungen
benötigt werden. Gerade für PMD-Pixel wird aber
durch die erfindungsgemäße Schaltung die Messgenauigkeit
der Entfernungsmessung, die sich aus der Differenz der an den Gates
der Transistoren M1A bzw. M1B erzeugten Ladungen ergibt, erheblich verbessert.
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Für
Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen,
daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden
Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen
für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie
konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben
wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen
mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar
sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde
oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich
oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit
der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze
und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19704496 [0013, 0039]
- - DE 19821974 [0039]
