DE1917324C3 - Schaltung zum Umwandeln eines optischen Musters in ein elektrisches Signal - Google Patents
Schaltung zum Umwandeln eines optischen Musters in ein elektrisches SignalInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schaiiurig isi aus der ÄÜ-PS 4 09 328
bekannt, bei der die Umwandlung in der ersten Kapazität erfolgt und die dabei erzeugte Ladung danach
durch Ansteuerung des ersten Halbleiterschaltelements auf beide Kapazitäten aufgeteilt wird. Die zweiten
Kapazitäten sind über die zweiten Halbleiterschaltelemente mit einem Kreuzschienensystem verbunden, über
das die zweiten Kapazitäten durch entsprechende Ansteuerung dieser zweiten Halbleiterschaltelemente
nacheinander ausgelesen werden. Da die Umwandlung in der ersten Kapazität und die elektrische Speicherung
in der zweiten Kapazität und damit getrennt erfolgt, wird eine elektronische Blendensteuerung möglich. Eine
ähnliche Schaltung ist auch aus der Zeitschrift »Electronics«, 1. Mai 1967, S. 75 bis 78, bekannt.
Bei den bekannten Schaltungen sind die Halbleiterschaltelemente der Aufnahmeeinheiten als MOS-Transistoren
ausgebildet. Von den MOS-Transistoren vom p-Kanaltyp ist ein in den gesperrten Zustand gebrachter
pn-Übergang als photoempfindliche Kapazität wirksam. Auf diese Kapazität wird die von der zu
beobachtenden Szene herrührende Strahlung geworfen. Abhängig von der Stärke der Strahlung werden in der
Grenzschicht zwischen den halbleitenden p- und η-Schichten mehr oder weniger Löcher und Elektronen
erzeugt, wodurch die aufgeladene Kapazität entladen wird. Dadurch, daß weiter mit Hilfe einer impulsförmigen
Spannung die Kapazität wieder aufgeladen und die dazu erforderliche Ladung bestimmt wird, wird für eine
Aufnahmeeinheit eine Information über die Stärke der auftreffenden Strahlung in Form eines elektrischen
Signals erhalten.
Das Auslesen eines aus Aufnahmeeinheiten gebildeten Aufnahmepaneels mit Hilfe eines Kreuzschienensystems
bietet viele Probleme und Nachteile. Dadurch,
daß die einander kreuzenden Leiter des Kreuzschienensystems nahe beieinander liegen, sind zwischen den
Leitern verhältnismäßig große Streukapszitäten vorhanden. Da zum Auslesen der Aufnahmeeinheiten ein
hochfrequentes Schaltsignal erforderlich ist, erzeugen diese Streukapazitäten ein störendes Übersprechen.
Da die Anforderung gilt, daß nur eine Aufnahmeeinheit
einer Reihe oder einer Spalte ihre Information abgibt, ist die Folge, daß zwischen der betreffenden
Aufnahmeeinheit und dem Leiter ein kleiner und zwischen der anderen Aufnahmeeinheit und dem Leiter
ein großer Widerstand vorhanden sein muß. Dazu ist angegeben, daß jeder umwandelnden Kapazität ein als
Schalter wirksamer MOS-Transistor zugeordnet werden muß. Zugleich gilt, daß der Widerstand eines Leiters
sehr niederohmig sein muß, damit das Schaltsignal möglichst wenig vom Leiter gedämpft wird. Die
Dämpfung und der beispielsweise sich darajs ergebende
Spannungsabfall am Leiter kann nämlich dazu führen, daß auch eine andere als die betreffende
Aufnahmeeinheit Informationen abgibt. Die Forderung nach einem langen niederohmigen Leiter führt zu
Schwierigkeiten bei der Integration der Schaltung.
Außerdem sind zur Erzeugung der Scna'tsignale für
die Reihen und die Spalten mindestens zwei Schieberegister erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die
unvermeidlichen Streukapazitäten das Ausgangssignal nicht beeinträchtigen und bei der das Integrieren
vereinfacht ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Die erfindungsgemäße Schaltung bietet mit ihrer seriellen Übertragung signalabhängiger Ladungen eine
völlig neue und vorteilhafte Art und Weise, die Aufnahmeeinheit auszulesen und ein einwandfreies
elektronisches Ausgangssignal herzustellen.
Es sei bemerkt, daß in »Electronics Letters«, Dezember 1967, Band 3, Nr. 12, S. 544-546, ein mit
elektronischem Ladungstransport arbeitendes Schieberegister beschrieben ist, das mit einer Reihe abwechselnd
angeordneter Dioden, Widerständen und Transistoren gebildet ist. Die Basiselektroden der Transistoren
liegen an Masse, und die Verbindungspunkte der Dioden und Widerstände sind über Kondensatoren wechselweise
mit zwei Steuerleitungen verbunden. Zum Betrieb des auf diese Weise gebildeten Schieberegisters werden an
die zwei Steuerleitungen zwei gegenphasige Taktimpulssignale gelegt.
Die Verwendung der Dioden ist erforderlich, um zu vermeiden, daß bei einer negativen Spannung an der
Emitterelektrode eines Transistors die Basis-Kollektordiode des benachbarten, mit der Emitterelektrode
verbundenen Transistors leitend wird. Weiterhin wirkt bei dem beschriebenen Aufbau die Kapazität der
Basis-Kollektordiode als Streukapazität, die den Ladungstransport zwischen den Kapazitäten beeinträchtigt.
In der älteren deutschen Patentanmeldung P 15 41 954 ist bereits vorgeschlagen worden, für die
Verzögerung von audio- bzw. videofrequenten Eingangssignalen eine Kondensatorumladevorrichtung zu
verwenden, welche aufeinanderfolgende, in gleicher Weise aufgebaute Stufen aufweist, bei der jede Stufe
einen ersten und einen zweiten Kondensator enthält, der zweite Kondensator der vorangehenden Stufe
gleichzeitig der erste Kondensator der nachfolgenden Stufe ist, und zwischen jedem ersten und jedem zweiten
Kondensator jeder Stufe ein Transistor angeordnet ist, wobei in jeder Stufe die Emitter-Koilektorstrecke des
Transistors zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet ist und die von der Emitter-Kollektorstrecke
abgekehrten Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators alternierend mit den
Polen einer das Umladen steuernden Schaltspannungsquelle angeschlossen sind, und in jeder Stufe die
Basiselektrode des Transistors mit dem von der Kollektorelektrode abgekehrten Anschluß des zweiten
Kondensators verbunden ist
Damit wird eine andere Aufgabe gelöst, nämlich audio- bzw. videofrequente Eingangssignale in verzögerte
Ausgangssignale umzusetzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltung, bei der die Aufnahmeeinheiten mit als MOS-Transistoren ausgebildeten Halbleiter-
"Ό schaltelementen versehen sind
F i g. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 und einige
schematische Diagramme als Funktion der Zeit,
F i g. 3 eine mit mehreren Reihen von Aufnahmeeinheiten versehene Schaltung,
F i g. 4 eine Ausführungsform der in Integrationstechnik ausgebildeten Aufnahmeeinheiten.
In Fi g. 1 sind von einer Schaltung mit Aufnahmeeinheiten Sn bis ßindie ersten drei Aufnahmeeinheiten Sn,
Bn und Bn detailliert dargestellt. Da die Aufnahmeeinheiten
Sn bis Bin auf gleiche Weise ausgebildet sind,
genügt eine detaillierte Beschreibung der Aufnahmeeinheit Sn. Die Aufnahmeeinheit Bn enthält zwei
Halbleiterschaltungselemente 71 und TJ, die als Metall-Oxyd-Halbleiter
(MOS)-Transistoren vom n-Kanaltyp ausgebildet sind. Eine mit einem 5 und mit einem die
Stromrichtung andeutenden Pfeil bezeichnete Eingangselektrode des MOS-Transistors Tl ist mit einer
durch ein D bezeichneten Ausgangselektrode des MOS-Transistors T2 verbunden, während von den
MOS-Transistoren Γι und T2 eine am Substrat jedes
einzelnen angeordnete Masseelektrode B mit einer ein negatives Potential — V3 führenden Klemme verbunden
ist. Eine Torelektrode G des MOS-Transistors Γι bzw.
Γ2 ist über eine als Kondensator Q bzw. C2 dargestellte
Kapazität mit der Ausgangselektrode Dgekoppelt.
Die Aufnahmeeinheiten Sn bis Bjn sind dadurch
aneinander angeschlossen, daß von jeder Aufnahmeeinheit, ausgenommen die letzte Aufnahmeeinheit B\„, die
Eingangselektrode S des MOS-Transistors T2 mit der
Ausgangselektrode D des MOS-Transistors Ti in der nachfolgenden Aufnahmeeinheit verbunden und die
Torelektrode C der MOS-Transistoren T\ bzw. Γ2
jeweils miteinander verbunden sind. Die Eingangselek-
M trode Sdes MOS-Transistors T2 in der nicht dargestellten
Aufnahmeeinheit B\„ kann sowohl an eine ein positives Potential führende Klemme gelegt werden,
oder nicht weiter verbunden sein, d. h. schwebend gehalten werden. Die Ausgangselektrode D des
MOS-Transistors Ti in der Aufnahmeeinheit Bw ist mit
der Eingangselektrode S eines MOS-Transistors T0
verbunden, dessen Elektrode B an der das negative Potertia! — V3 führenden Klemme liegt, und dessen
Torelektrode C mit der der MOS-Transistoren T2
verbunden ist. In den Aufnahmeeinheiten Bn, Bn und
Bn sind die Potentiale an den Ausgangselektroden D
der MOS-Transistoren Ti bzw. TJ mit Vu, V12 und Vn
bzw. Vn', Vu'und Vn'bezeichnet.
Die verbundenen Torelektroden G der MOS-Transistoren Γι bzw. MOS-Transistoren T2 und des MOS-Transistors
To sind jeweils über eine Spannungsquelle P\/Pi mit Masse verbunden, die gemeinsam eine
Spannungsquelle für eine Gegentakt-Rechteckspannung bilden. Die Spannungsquelle PiZP2 erzeugt die in
F i g. 1 daneben angegebenen Spannungen U\ und U2 als
Funktion der Zeit, welche Spannungen zwischen dem durch eine Null angegebenen Massepotential und einem
Potentialwert + E wechseln. Die Spannung U2 eilt um
eine halbe Periode der Spannung U\ nach. Die Ausgangselektrode D des MOS-Transistors T0 ist über
einen Kondensator CJ an Masse gelegt. Parallel zum Kondensator Cb ist eine Spannungsquelle P3 geschaltet,
die über eine mit ihrer Kathode an den Kondensator CJ gelegte Diode D3 die dabei angegebene Spannung U3
liefert. Die Rechteck-Spannung U$ wechselt zwischen
dem Potentialwert +fund einem Bezugswert +2£
Die ein Potential V0 führende Klemme des Kondensators CJ ist mit der Torelektrode G eines MOS-Transistors
Ti vom n-Kanaltyp verbunden, dessen Elektrode B
an ein Potential - Va und dessen Ausgangselektrode D
an ein Potential + Vt gelegt sind. Die Eingangselektrode
S des MOS-Transistors T3 liegt über einen Widerstand
R3 an Masse. Die am Widerstand R3 erzeugte Spannung
in Abhängigkeit vom Wert des Potentials VO erscheint
an einer Ausgangsklemme Zder Schaltung.
An Stelle von MOS-Transistoren sind auch Germanium- oder Siliziumtransistoren in der Schaltung verwendbar.
Dabei entspricht die genannte Eingangselektrode 5 oder Ausgangselektrode D einer Emitter- oder
Kollektor-Elektrode. Die genannte Torelektrode C entspricht der Basiselektrode, wobei beide als Steuerelektroden
betrachtet werden können.
Die Ausbildung der genannten Transistoren als MOS-Transistoren 7J, 71, Ti und T3 bietet bekanntlich
gegenüber normalen Germanium- oder Siliziumtransistoren für dieselbe Aussteuerung den Vorteil eines
bedeutend geringeren Stromes in die Torelektroden G als in die Basiselektroden der normalen Transistoren.
Selbstverständlich könnten zum Erhalten desselben Effektes normale Transistoren in der bekannten
Darlington-Schaltung verwendet werden.
In der gegerenen Ausführung beeinflußt das in ein elektrisches Signal umzuwandelnde optische Muster
durch eine physikalische Wechselwirkung, die mit durch strichpunktierte Linien dargestellten Pfeilen schematisch
angegeben ist, die Spannungen an den Kondensatoren C\ und C2 und dadurch die Werte der Potentiale
Vn, Vn'. V12. V12' usw. Die Kondensatoren Q und C2
umfassen jeweils die Kapazität zwischen Substrat und Ausgängseiekiroden D (PN-Übergang in den MOS-Transistoren
Γι und T2) und die zwischen den
Torelektroden C und den Ausgangselektroden D vorhandene Kapazität. In den dargestellten Kondensatoren
Cj und C2 sind die Streukapazitäten in die
MOS-Transistoren Tj und T2 aufgenommen, und diese
werden somit ausgenutzt
Auch ist es möglich, die Kondensatoren Ci und C2 als
gesonderte Komponenten mit einem Leckwiderstand auszubilden, dessen Wert von der Anzahl der auf
beispielsweise das Dielektrikum oder einen parallelgeschalteten Photowiderstand einfallenden Photonen
abhängig ist.
Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 wird an Hand der in Fig.2 dargestellten Diagramme näher
erläutert Die in Fig.2 schematisch dargestellten Diagramme als Funktion der Zeit zeigen die von den
Spannungsquellen P3, P\ und P2 gelieferten Spannungen
U3, U1 und U2 und die Potentiale V0, Vn, Vn', Ki2, V12',
Vi3 und Vn, die an den bereits bei F i g. 1 angegebenen
Stellen auftreten. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 reicht es aus, nur drei
Aufnahmeeinheiten B\\,B\2 und B\3 zu betrachten. Dabei
wird vorausgesetzt, daß die Eingangselektrode 5 des MOS-Transistors T2 in der Aufnahmeeinheit Bn
schwebend gehalten ist. Zur Erklärung der zyklischen Wirkungsweise der Schaltung wird von einem bestimmten
Zustand ausgegangen. Es wird sich herausstellen, daß nach der zu erläuternden Periode auf automatische
Weise der vorausgesetzte bestimmte Zustand wieder erreicht wird. Die Periode der Rechteckspannung LZ3 ist
in Fig.2 mit einigen Zeitintervallen ta bis in, in bis /]2
und ii2 bis t\3 angegeben.
in F i g. 2 ist ein Zeitpunkt to-AtRangegeben, wonach
die gezeichneten Potentiale Vn, Vn', Vi2, Vj2', Vi3 und
Vn' alle den Wert +£" haben, während das Potential V0
dem Wert +2E gleich ist Ausgehend vom Zeitpunkt to-AtR folgt ein Zeitintervall AtR, das für Fernsehen in
der Größenordnung von einigen 10 Millisekunden liegt.
Im Zeitintervall AtR tritt folgendes auf: Der Wert der
während des Zeitintervalls AtR durch die Spannungsquellen
P1 und P2 den Torelektroden G der MOS-Transistoren
T0, T1 und T2 zugeführten Spannungen U\ und U2
entspricht dem Massepotential, so daß diese Transistoren durch das höhere Potential an den Eingangselektroden
S während des Zeitintervalls AtR gesperrt sind. Im
Zeitintervall Δ Ir wechselt der Wert der von der Spannungsquelle P3 abgegebenen Spannung U3 zwischen
den Potentialen +2E und +£ Da das Potential V0 den Wert +2E hat und diesen während des
Zeitintervalls AtR beibehält wenn Leckverluste vernachlässigbar
sind, wird die Diode D3 nichtleitend sein. Um anzugeben, daß beispielsweise für Fernsehen das
Zeitintervall AtR gegenüber der Wiederholungsperiode der Spannung U3 verhältnismäßig lang ist, ist die
Spannung U3 während der mit einer gestrichelten Linie
angegebenen verkürzten Zeitachse gegenüber der, die mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist mit einer
scheinbar schneller sich ändernden Rechteckspannung abermals gezeichnet Während des verhältnismäßig
langen Zeitintervalls AtR beeinflußt das umzuwandelnde
optische Muster die Spannung an den Kondensatoren G und C2 und läßt diese je nach der Größe der
Information abnehmen. Da die Information in Form von Photonen eine aufzunehmende Szene darstellt bei der
das von der Szene herrührende Licht in seiner Helligkeit von Maximalweiß über Grau nach Schwarz verläuft,
kann angenommen werden, daß beispielsweise das heiiweiße Licht auf den Kondensator Ci der Aufnahmeeinheit
Bu und kein Licht auf den Kondensator C2 der
Aufnahmeeinheit Bn fällt während die zwischenliegenden
Werte gleichmäßig über die anderen Kondensatoren Ci und C2 verteilt sind. Das Ergebnis ist, daß
während des Zeitintervalls AtR die Potentiale Vj1, Vn',
V)2, V12' und V]3 sinken, während das Potential Vn für
vernachlässigbaren Dunkelstrom konstant bleibt. Die Potentialsenkung während des Zeitintervalls AtR ist in
F i g. 2 linear dargestellt, was jedoch nicht erforderlich ist Auch eine nichtlineare, beispielsweise exponentiell
Senkung ist durchaus möglich. Wie sich im Laufe der Beschreibung herausstellen wird, darf der minimal
auftretende Potentialwert für den Maximalwert der Helligkeit des Lichtes nicht kleiner sein als +'/2£
Dieser Wert wird für Maximalweiß durch das Potential Vn am Ende des Zeitintervalls A f«, d. h. im ZeitDunkt in.
erreicht. Es stellt sich heraus, daß die Potentiale Vn bis
einschließlich Vi3' am Ende des Zeitintervalls Alu Werte
aufweisen, die je nach der Helligkeit des Lichtes zwischen + W2Efür Maximalweiß und + Efür Schwarz
liegen.
Im Zeitpunkt ίο springt der Wert der von der
Spannungsquelle P\ abgegebenen Spannung U\ von Massepotential 0 auf + E. Dies hat zur Folge, daß dieser
Potentialsprung den Torelektroden G der MOS-Transistoren 71 und den damit verbundenen Klemmen der
Kondensatoren Ci aufgeprägt wird. Dadurch wird der Potentialsprung um einen Wert Eüber die Kondensatoren
C\ gleichzeitig in den Potentialen Vn, Vn und V]3
auftreten, so daß diese im Zeitpunkt ίο Werte erreichen,
die zwischen +VhE und etwa +2E liegen. Der Potentialsprung von 0 auf +fan der Torelektrode G
eines MOS-Transistors Γι bringt diesen, wenn das
Potential an der Eingangselektrode 5 niedriger ist als + E in den leitenden Zustand. Dadurch werden die
Kondensatoren Q und C2 in den Aufnahmeeinheiten B\ 1
und B\2 aneinander angeschlossen, bis, abgesehen von
Schwellenspannungen, der Wert des Potentials an der Eingangselektrode S gleich dem an der Torelektrode G
des MOS-Transistors Ti geworden ist. Die dazu erforderliche Ladung kann nicht über die Torelektrode
G zugeführt werden, sondern muß aus dem Kondensator Ci über die Ausgangselektrode D und die
Eingangselektrode S dem Kondensator C2 zugeführt
werden. Ausgehend von nahezu gleichen Werten der Kondensatoren Ci und C2 ergibt sich, daß, wie in F i g. 2
im Zeitintervall fo bis ii 1' dargestellt ist, die entsprechenden
Potentiale Vu'und V\2 steigen werden.
Da auf den Kondensator C? in der Aufnahmeeinheit B13 kein Licht gefallen ist, ist die Ladung des
Kondensators C2 konstant geblieben. Der Potential-Sprung
von 0 auf +E an der Torelektrode G des MOS-Transistors Ti in der Aufnahmeeinheit Bi3 wird
dadurch diesen nicht in den leitenden Zustand bringen.
Das Ergebnis des Potentialsprungs in der Spannung U\ im Zeitpunkt ίο ist, daß in einer Aufnahmeeinheit der
Ladungsverlust in den Kondensatoren C2 durch die Aufladung bis zum Potential + Eüber die Eingangselektrode
S und die Ausgangselektrode D des leitenden MOS-Transistors Ti an den Kondensator Ci weitergeleitet
ist. Die Potentiale Vn, V]2 und Vi3 erhalten somit
einen bestimmten Wert gegenüber dem Wert +2E, wobei dieser Differenzwert der Helligkeit des Lichtes,
das auf die Aufnahmeeinheiten Sn, Bn und Bm gefallen
ist, entspricht.
Im Zeitpunkt in' springt der Wert der von der
Spannungsquelle P1 bzw. Pz abgegebenen Spannung Uy
bzw. U1 vom Wert +F bzw. + 2E auf Massepotential
bzw. den Potentialwert + £ zurück. Gleichzeitig springt
die von der Spannungsquelle P2 abgegebene Spannung Ui von Massepotential auf den Wert + £. Der
Potentialsprung in der Spannung U\ bzw. LZ2 im
Zeitpunkt in' hat zur Folge, daß die Potentiale Vn, V]2
tind Vn bzw. Vn', Vi2'und V13' einen Potentialsprung E
abwärts bzw. aufwärts aufweisen. Dabei können in den Aufnahmeeinheiten Bn, Bn und Bu an Stelle der
MOS-Transistoren Γι die bisher gesperrten MOS-Transistoren
T2 in den leitenden Zustand gelangen, was auch für den MOS-Transistor T0 gilt Dadurch wird über den
MOS-Transistor T0 die ein Potential V0 gleich Λ-2Ε
führende Klemme des Kondensators Cq an die ein Potential Vj 1 führende Klemme des Kondensators Ci in
der Aufnahmeeinheit Bn angeschlossen. Da das Potential
Vn niedriger ist als +E, welcher Wert von der
Spannungsquelle P2 mit der Spannung LZ2 der Torelektrode
G des MOS-Transistors T0 gegeben ist, wird das
Potential Vu auf den Wert +E steigen. Wie bereits obenstehend angegeben ist, wird die dazu erforderliche
Ladung vom Kondensator Co geliefert. Für einen Kapazitätswert des Kondensators Co gleich dem des
Kondensators Ci in der Aufnahmeeinheit Bw wird die
Anhebung des Potentials Vn der Senkung des Potential Vo entsprechen.
Derselbe Vorgang erfolgt zwischen den Aufnahmeelementen Bw, Bn und Bn, wobei der Ladungsverlust in
den Kondensatoren Ci in den Aufnahmeeinheiten Bn
und Bi3 an die Kondensatoren C2 in die Aufnahmeeinheiten
Bn bzw. Bi2 weitergeleitet wird. In Fig. 2 ist dies
während des angegebenen Zciiintervails in' bis in bei
dem Vergleich der Potentiale Vomit Vn, Vn'mit Vi2und
Vi2' mit V13 zu erkennen. Während dieses Zeitintervalls
ii 1' bis ii 1 bleibt dadurch, daß der Wert der Spannung Uj
gleich + Eist, die Diode Eh gesperrt.
Das von +2E auf etwa -f fabgenommene Potential
Vo verursacht über den MOS-Transistor Γ3 einen kleineren Strom durch den Widerstand R1, so daß
gegenüber Masse an der Ausgangsklemme Z der Schaltung eine dem Potential Vo entsprechende Spannung
auftritt. Die an der Ausgangsklemme Z auftretende Spannungssenkung entspricht somit der Helligkeit
des Lichtes, das auf die Aufnahmeeinheit Bn gefallen ist.
Im Zeitpunkt in tritt in den Spannungen Uu Vi und Uj
ein Potentialsprung auf, wonach diese Spannungen dieselben Werte erhalten wie kurz nach dem Zeitpunkt
ίο. Dies führt zu derselben Wirkung der Schaltung wie bereits beim Zeitpunkt (0 beschrieben worden ist. Ein
Unterschied ist jedoch, daß im Zeitintervall in bis ii2'
das Potential Vo auf den Wert +2E steigen wird, da dieser über die leitende Diode EH von der Spannungsquelle P1 verursacht wird.
Zur Erläuterung ist in Fi g. 2 ein Teil der Potentialänderungen, die der Helligkeit des auf die Aufnahmeeinheit
Bi2 geworfenen Lichtes entsprechen, schraffiert
dargestellt. Es ist ersichtlich, daß während des Zeitintervalls ίο bis in' die Differenz des Potentials V]2'
gegenüber + E auf das Potential Vi2 übertragen und
damit dem Wert +2E überlagert wird. Während des Zeitintervalls in'bis tu wird die Gesamtinformation, die
während des Zeitintervalls Δ Ir der Aufnahmeeinheit Bi2
zugeführt ist, zum Kondensator C2 in der Aufnahmeeinheit
Bu weitergeschoben, und dadurch ändert sich das Potential Vn' gegenüber dem Wert +2E Während der
Periode tu bis ii2' wird die Information der Aufnahmeeinheit
Bi2 in der Aufnahmeeinheit Bu vom Kondensator
C2 mit dem Potential Vu' zum Kondensator Q mit
dem Potential Vn weitergeschoben. Das Ergebnis ist, daß im Zeitintervall ii2' bis ii2 die von der Aufnahmeeinheit
B12 abgegebene Information zum Kondensator Co
und somit zur Ausgangsklemme Z weitergeschoben wird. Die Information der Aufnahmeeinheit B13 steht im
Zeitintervall tu' bis ta zur Weiterverarbeitung an der
Ausgangsklemme Zzur Verfugung.
Zum Auslesen einer mit drei Aufnahmeeinheiten versehenen Schaltung müssen die von den Spannungsquellen P] und P2 abgegebenen Spannungen U\ und LZ2
drei rechteckförmige Impulse während des Zeitintervalls
ίο bis iI3 aufweisen. Dabei stellt es sich heraus, daß
unmittelbar nach dem Zeitpunkt i]3 der Wert der
Potentiale V11, V,,', V12, V12', V,3und V13'gleich +Eist
während der des Potentials V0 gleich +2E ist Wie
obenstehend angegeben ist, stellt es sich heraus, daß nach dem Auslesen der Schaltung auf automatische
Weise der Zustand erreicht ist, von dem für Erläuterung ausgegangen worden ist. Dies hat zur Folge, daß der
Zeitpunkt tu für einen zyklischen Betrieb der Schaltung
demZeitpunkt ίο—4f/?entspricht.
Für eine mit π Aufnahmeeinheiten Bn, Bu, Si3 bis B\„
versehene Schaltung folgt, daß ein Zeitintervall AtR, in dem das Licht der aufzunehmenden Szene die
Potentiale Vu, V,,', V12, K12', K13', V13 bis V1n, V1n'
beeinflußt, gegenüber dem Zeitintervall ίο bis Z1n
verhältnismäßig groß sein muß.
Aus dem Verlauf der Potentiale V11 und Vn' geht
deutlich hervor, daß die Potentialsenkung unter dem Einfluß des von der Szene herrührenden Lichtes
maximal nicht mehr als xliE betragen darf. Wenn auf
beide Kondensatoren C1 und C2 in der Aufnahmeeinheit
S11 das Licht mit maximaler Helligkeit fällt, so wird im
Zeitintervall ίο bis in'das Potential V11 von l'/^fauf + E
abnehmen. Dies hat zur Folge, daß unmittelbar vor dem Zeitpunkt T11' das Potential K11 an der Ausgangselekt rode
D, das Potential V11 an der Eingangselektrode Sund
das Potential an der Torelektrode C des; MOS-Transistors T1 in der Aufnahmeeinheit S11 alle den Wert + E
aufweisen. Wenn jedoch die Potentiale K11 und V11'eine
größere Senkung als um xhEerfahren und beispielsweise
den Wert +2hE erreichen wurden, so wird im
Zeitintervall ίο bis in das Potential V11 von +l2/s£auf
+ fabnehmen. Das Potential V11' kann dadurch nur um 2IiE bis zum Wert -t-Vsf zunehmen. Da es für eine
einwandfreie Wirkung der Schaltung erforderlich ist, daß das Potential V11' an der Eingangselektrode 5 bis
zum Bezugswert + F zunimmt, folgt die bereits gestellte Grenze.
Die gegebene Grenze von 1Z2EfUr eine Potentialsenkung
gilt für den Fall, wo in jeder Aufnahmeeinheit die Spannungen an beiden Kondensatoren Ci und C2 durch
die optische Information beeinflußt werden. Wenn die Spannung an einem dieser Kondensatoren Ci oder C2
konstant gehalten wird, gilt diese Grenze nicht. Der andere Kondensator in der Aufnahmeeinheit kann
dadurch eine Spannungssenkung um den Wert E erfahren, also nahezu entladen werden, ohne daß die
einwandfreie Wirkung der Schaltung beeinträchtigt wird. Dies läßt sich dadurch verwirklichen, daß
beispielsweise das Dielektrikum eines Kondensators C1 oder C2 in jeder Aufnahmeeinheit gegen die optische
Information abgeschirmt und dadurch unempfindlich gemacht wird.
Bei der Inbetriebnahme der Schaltung erfolgt die Aufladung der Kondensatoren C1 und C2 in den
Aufnahmeeinheiten S11, S12, Bu bis S1n auf einfache
Weise mit Hufe der bereits in Fig. 1 dargestellter·.
Spannungsquellen P„ P2 und P3. Die von der Spannungsquelle P3 abgegebene rechteckförmige Spannung Uz
lädt bei dem Wert +2E über die Diode D3 den
Kondensator Co, so daß das Potential V0 den Wert +2E
erhält. Die von der Spannungsquelle Pi abgegebene
Spannung LZ2 bringt danach beim Wert +E den MOS-Transistor 7ö in den leitenden Zustand, so daß auf
die bereits beschriebene Weise die Potentiale Vo und Vn
den Wert +E erhalten. Die von der Spannungsquelle P\ abgegebene Spannung U\ bringt danach beim Wert + E
den MOS-Transistor 71 in den leitenden Zustand. Selbstverständlich läßt sich die Aufladung dadurch
beschleunigen, daß die Frequenz der Spannungen LZ1, LZ2
und U] erhöht wird.
Zur Analyse der optischen Erscheinungen, die sich in
einem eindimensionalen Muster darstellen, ist es möglich, wie in Fi g. 1 dargestellt ist, eine einzige Reihe
von Aufnahmeeinheiten zu verwenden, um das optische Muster in ein elektrisches Signal als Funktion der Zeit
umzuwandeln. Wenn es erwünscht ist, auf zweidimensionale Weise die Information umzuwandeln, ist die
Schaltung nach Fig. 3 eine Lösung.
In Fig.3 Lt eine Schaltung dargestellt, die mit m
Reihen mit η Aufnahmeeinheiten versehen ist. Da in Fig. 1 bereits eine Reihe Aufnahmeeinheiten Bn, S12,
S|3 bis B1n beschrieben worden ist, und in Fig.3 die
Reihen auf entsprechende Weise ausgebildet sind, sind die Bestandteile der Aufnahmeeinheiten nur summarisch
angegeben. Weitere bereits in Fig. 1 dargestellte Bestandteile sind in Fig.3 mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet. Der zur Reihe in F i g. 1 gehörende MOS-Transistor To, der zum Auslesen einer Reihe von
Aufnahmeeinheiten diese an den Kondensator Co anschließt, ist in Fig. 3 m-fach ausgebildet und für die
Reihen 1, 2, 3 ... m mit To1, To2, 7"oj... Ton, bezeichnet.
Statt der bei der Erläuterung der Fig. I schwebend angenommenen Eingangselektrode S des MOS-Transistors
7"2 in der letzten Aufnahmeeinheit B1J, sind in
Fig. 3 die entsprechenden Eingangselektroden S der MOS-Transistoren T2 in den letzten Aufnahmeeinheiten
Bin, B2n. B3 η bis Bn, „ miteinander verbunden und an eine
das Potential + V* führende Klemme gelegt. Beides ist
für die Erfindung nicht wesentlich.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung kann beispielsweise
in einer Fernsehkamera verwendet werden, wobei das von einer aufzunehmenden Szene herrührende
Licht auf die Aufnahmeeinheiten B11 bis Sn, n fällt.
Damit an der Ausgangsklemme Zdas durch die Kamera erzeugte Bildsignal erhalten wird, ist bei einer
Eingangsklemme der Kamera die Spannung LZ3
dargestellt, die von einer nicht dargestellten Spannungsquelle P3 erzeugt wird. Zum Erzeugen der Spannungen
U\ und LZ2 ist eine kombinierte Spannungsquelle (P1, P2)
dargestellt, die beispielsweise eine symmetrisch ausgebildete bistabile Triggerschaltung enthalten kann, die
durch die Spannung Ui angeregt wird. Die Spannung Us
wird ebenfalls einem mit »:n« bezeichneten n-Teiler
zugeführt. Die Ausgangsspannung des η-Teilers wird einem mit »:m« bezeichneten m-Teiler und jeder der ein
Schieberegister bildenden Schieberegisterstufen K\, K?,
Ki bis Kn, zugeführt. Die vom /η-Teiler abgegebene
Spannung wird der ersten Schieberegislerstufe /C1
zugeführt. Die Ausgänge der Schieberegisterstufen K\. /C2, K3 bis Kn, sind mit einem Eingang der Tore (U, L1'),
(L2, L2'), (L3, L3') bis (Ln,. Ln,') verbunden, wobei einem
zweiten Eingang der Tore L die Spannung LZ1 und einem
zweiten Eingang der Tore L 'die Spannung LZ2 zugeführt
wird. Der Ausgang eines Tores L bzw. L'liefert je nach
der von der zugehörenden Schieberegisterstufe K abgegebenen Spannung einer Reihe der Aufnahmeeinheiten
die Spannung LZ1 bzw. LZ2.
Die vom /η-Teiler abgegebene Spannung hat eine Wiederholungsperiode, die m-n Perioden der Spannungen
U], U2 und LZj gleich ist, und ist für die erste
Schieberegisterstufe K als Startspannung wirksam. Diese gibt danach während η Perioden den Toren L1 und
L\ eine Spannung, wodurch die Spannungen LZ] und U2
an die Aufnahmeeinheiten Sn bis Bin weitergegeben
werden. An der Ausgangsklemme Zerscheint während der η Perioden das durch die erste Reihe von
Aufnahmeeinheiten Bn bis S1n gelieferte Bildsignal.
Nach den η Perioden ändert sich die von der Schieberegisterstufe K\ abgegebene Spannung, wodurch
sich die Tore L\ und L/ schließen und die Schieberegisterstufe K2 angeregt wird, so daß sich durch
die von der Stufe A^ abgegebene geänderte Spannung
die Tore Li und L-ϊ für die zweite Anzahl η Perioden
öffnen. Nach der m-ten Anzahl η Perioden hat die Reihe
der Aufnahmeeinheiten B„,\ bis Bn,„ ihr Bildsignal der
Ausgangsklemme Zzugeführt.
Bei der Beschreibung der Fig. 1 und 2 ist das Zeitintervall AtR angegeben, das zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Auslesevorgängen einer Reihe von Aufnahmeeinheiten Bu bis B\„ auftritt. Für die in der
Fig.3 dargestellte Schaltung mit m Reihen von Aufnahmeeinheiten stellt es sich heraus, daß bei
zyklischem Betrieb das Zeitintervall AtR etwa dem (m-l)-fachen des Ausleseintervalls einer Reihe von
Aufnahmeeinheiten entspricht Für ein Fernsehsystem mit 25 Bildern in der Sekunde und 625 Bildzeilen ist das
Zeitintervall Δ f« etwa gleich 40 ms minus 64 μ5.
Es dürfte einleuchten, daß auf einfache Weise das bekannte Zeilensprungverfahren mit zwei Teilbildern
erhalten werden kann, wenn die von der Schieberegisterstufe K.2 abgegebene Spannung den Toren Lj und Lz
zugeführt wird, während die Tore Li und L2' mit einer
Schieberegisterstufe verbunden werden, die diese nach etwa '/2 m· π Perioden öffnet.
Zugleich dürfte es einleuchten, daß zum Erzeugen eines Videosignals mit der sogenannten Zeilenaustastzeit
aus dem an der Ausgangsklemme Z auftretenden Bildsignal sowohl ein Teil der durch die Reihen von
Aufnahmeeinheiten abgegebenen Informationen unbenutzt gelassen werden kann, als auch das Schieberegister
dadurch angepaßt werden kann, daß in den Stufen K beispielsweise eine der Zeilen- oder Teilbildaustastzeit
entsprechende Verzögerung vorgesehen wird.
Eine drei- oder zweifache Ausbildung der in Fig. 3
dargestellten Schaltung führt durch die Spaltung des von der Szene herrührenden Lichtes in drei oder zwei
Grundfarben zu einer für Farbfernsehen geeigneten Kamera.
Untenstehend wird ein als Halbleiterbauelement ausgebildetes Aufnahmepaneel, bei dem die Aufnahmeeinheiten
vorzugsweise in nur einem Halbleiterkörper integriert sind, an Hand der F i g. 4 beschrieben. F i g. 4a
zeigt schematisch einen Teil einer Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines derartigen Halbleiterbauelementes,
während Fig.4b schematisch einen Schnitt
gemäß der Linie IVb-IVb nach F i g. 4a darstellt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig.4 enthält ein Substrat 40, das beispielsweise aus isolierendem
Material bestehen kann, wobei das Substrat dann mit einem oder mehreren Oberflächengebieten aus Halbleitermaterial
versehen ist oder, wie im vorliegenden Beispiel, selbst aus Halbieiierinaieriai, beispielsweise
aus p-leitendem Silizium, bestehen kann. Auf in der Halbleitertechnik durchaus übliche Weise, beispielsweise
mit Hilfe üblicher Photoätz- und Diffusionstechniken, sind in einem Oberflächengebiet des Substrats 40
Oberflächenzonen 41 entgegengesetzten Leitungstyps angebracht, beispielsweise mit Abmessungen von
64 χ 64 (im. Diese Oberflächenzonen 41 bilden zusammen
mit den zwischenliegenden Gebieten 42 die Halbleiterzonen einer Anzahl MOS-Transistoren. Diese
MOS-Transistoren sind in Reihen gegliedert, wobei jede der dargestellten Zonen 41 die Ausgangs- oder
Drainelektrode eines MOS-Transistors einer Reihe und zugleich die Eingangs- oder Sourceelektrode des
nachfolgenden MOS-Tranistors jener Reihe bildet, Die zwischenliegenden Gebiete 42, die beispielsweise etwa
6 μίτι breit sind, bilden die Kanalgebiete zwischen der
Source- und der Drainelektrode jedes MOS-Transistors. Weiter sind die MOS-Transistoren mit Torelektroden
47 mit Abmessungen von etwa 60 χ 60 μιη versehen, die
durch eine Isolierschicht 43', beispielsweise durch eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 0,1 μίτι, gegen
die Halbleiteroberfläche isoliert sind. Die Torelektroden 47 sind wechselweise mit nur einer der Leiterbahnen 43
und 44 bzw. 45 und 46 verbunden. Vorzugsweise ist die Dicke der Isolierschicht unter den Leiterbahnen 43 bis
46 größer als unter den Torelektroden 47 (beispielsweise etwa 0,5 μηι), dies zur Vermeidung unerwünschter
Kanalbildung. Auch sind Kanalunterbrecher, beispielsweise diffundierte Kanalunterbrecher, ν erwendbar.
Die Torelektroden 47 und die Metallbahnen 43 bis 46 bestehen beispielsweise aus Gold und weisen eine Dicke
von etwa 25 nm auf. Derartige Goldelektroden sind durchsichtig, so daß auf die Oberfläche fallende
Strahlung im Halbleiterkörper absorbiert und die Photoempfindlichkeit der pn-Übergänge zwischen den
Oberflächenzonen 41 und dem umliegenden Oberflächengebiet des Substrats 40 benutzt werden kann. Der
Abstand zwischen der Oberfläche des Halbieiterkörpers und den genannten pn-Übergängen beträgt vorzugsweise
etwa 1 μιη. Im Betriebszustand sind die genannten pn-Übergänge in Sperrichtung vorgespannt. Dazu wird
das umliegende Oberflächengebiet, in diesem Fall über einen nicht dargestellten, mit dem Substrat 40
verbundenen Anschlußleiter an ein negatives Potential gelegt.
Die Aufnahmeeinheiten des Aufnahmepaneels werden je durch zwei aufeinanderfolgende MOS-Transistoren
gebildet. Die beiden Kapazitäten, zwischen denen ein von der Information des optischen Musters
abhängiger Ladungstransport auftreten kann, befinden sich zwischen der Torelektrode und der Drainelektrode
der beiden MOS-Transistoren der Aufnahmeeinheit. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden diese
Kapazitäten durch die Innenkapazität zwischen der Torelektrode und der Drainelektrode für jeden
MOS-Transistor gebildet, wobei diese Innenkapazität dadurch vergrößert ist, daß die Toreiekiroden 47 sich
über einen wesentlichen Teil ihrer Oberfläche über den Oberflächenzonen 41 erstrecken. Der genannte Ladungstransport
läßt sich mit Steuersignalen, die über die Leiterbahn 43 bis 46 den Torelektroden 47 der
MOS-Transistoren zugeführt werden können, steuern.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Zur Umwandlung eines optischen Musters, in ein elektrisches Signal dienende Schaltung mit einer
Anzahl in einer Reihe angeordneter, das optische Muster in elektrische Signale umwandelnder Aufnahmeeinheiten,
die je eine erste und eine zweite Speicherkapazität sowie zwei steuerbare Halbleiterschaltelemente
enthalten, wobei die Steuerelektroden entsprechender Halbleiterschaltelemente aller
Aufnahmeeinheiten der Reihe miteinander verbunden sind und jeweils die eine Kapazität mit der
Ausgangselektrode des einen Halbleiterschall elements und die andere Kapazität mit der Eingangselektrode
des einen und der damit verbundenen Ausgangselektrode des anderen Halbleiterschalielementes
verbunden ist und eine der Kapazitäten in Abhängigkeit von den optischen Informationen
entladen wird und so eine von der optischen Information abhängige Spannung führt, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem bekannten Prinzip eines elektronischen Ladungstransports die
Aufnahmeeinheiten in Reihe geschaltet sind, wobei die Eingangselektrode (S) des einen Halbleiter-Schaltelements
(T2) in einer Aufnahmeeinheit (Sn;
B\2 ■ ■.) mit der Ausgangselektrode (D) des anderen
Halbleiterschaltelements (71) in der vorangehenden Aufnahmeeinheit (Bn; ßn ...) verbunden ist und die
eine Kapazität (Q) zwischen der Ausgangselektrode
(D) und der Steuerelektrode (G) des einen Halbleiterschaltelements (Ti) und die andere Kapazität
(C2) zwischen der Ausgangselektrode (D) und
der Steuerelektrode (G) des anderen Halbleiter schaltelemente (Γ2) vorhanden ist, und daß die
untereinander verbundenen Steuerelektroden (G) der einen Halbleiterschaltelemente (Ti) über eine
eine Gegentakt-Rechteckspannung liefernde Spannungsquelle (P\IP2) mit den untereinander verbundenen
Steuerelektroden (G) der anderen Halbleiterschaltelemente (T2) verbunden sind und die Spannungsquelle
(P\/Pi) nach der Erzeugung der von dem optischen Muster abhängigen Spannungen eine
Folge von die beiden Halbleiterschaltelemente (Ti, T2) aller Aufnahmeeinheiten (Bu, Bn ...) der Reihe «
abwechselnd sperrenden und leitend machenden Gegentaktimpulsen mindestens entsprechend der
Anzahl der Aufnahmeeinheiten (Bn, R]2 ■ ■■) der
Reihe liefert, derart, daß ein Transport der dem optischen Muster entsprechenden Ladungen der
anderen Kapazität (C2) der Aufnahmeeinheiten zeitlich nacheinander an den Ausgang erfolgt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen der elektrischen Signale
aus der Schaltung diese ein Halbleiterschaltelement (T0) enthält, dessen Steuerelektrode (G) bzw.
Eingangselektrode (S) mit der Steuerelektrode (G) des einen (T2) bzw. der Ausgangselektrode (D) des
anderen Halbleiterschaltelementes (T1) in der letzten Aufnahmeeinheit (Bu) verbunden ist und <>o
dessen Ausgangselektrode (D) mit einer Klemme eines Kondensators (Co) verbunden ist, dem eine
Bezugsspannungsquelle (Pi), die eine periodische Spannung liefert, parallel geschaltet ist (F ig. 1).
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Reihen von Aufnahmeeinheiten
(Bu... B1n; B21... B2n; B1n ,... Bm„) enthält, die
zum Auslesen je über ein zur betreffenden Reihe von Aufnahmeeinheiten gehörendes Halbleiterschaltelement
(Toi; 7J2; ... 70m) mit dem genannten
Ausgangskondensator (Co) verbunden sind (Fig. 3).
4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Reihen von
Aufnahmteinheiten (Bn ■■■ B\„; B2I ... B2n; ß-ni ·--
Bmn) enthält, die zum Auslesen mit Hilfe der
erstgenannten Spannungsquelle (PiZP2) über zwei zu
einer Reihe von Aufnahmeeinheiten gehörende Tore (Lu Li'; L2, L2';...; Lm Lm') angeregt werden,
wozu zwischen einem Eingang des einen (Ly, L2;...;
Lm) und einem Eingang des anderen Tores (L)'; L2;
...; Lm) die erstgenannte Spannungsquelle (P\IPi\
angeordnet ist und ein zweiter Eingang beider Tore (Li, Li'; L2, L2';...; Lm Ln,') mit einem eine die Tore
öffnende oder schließende Spannung abgebenden Schieberegister (Ky, K2; Kn,) verbunden ist, so daß
das Auslesen der Reihe von Aufnahmeeinheiten (Bu ... Bin; B2] ... B2n; ...; Bmi ... Bmn) wechselseise
erfolgt (F ig. 3).
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinheiten
(Bu, B\2...) in einem oder mehreren
Halbleiterkörpern integriert sind.
6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung
in einer i emsehkamera.
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