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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der Halbleiter-Fotosensoren
und -Bildwandler, insbesondere Bildwandler, die als "Active Pixel Sensors" (APS) bezeichnet
werden.
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Aktive
Pixelsensoren (Active Pixel Sensors/APS) sind Halbleiter-Bildwandler,
bei denen jedes Pixel ein Lichtfühlmittel,
ein Rückstellmittel,
ein Ladungsübertragungsmittel,
ein Ladungsumwandlungsmittel und sämtliche oder einige Teile eines
Verstärkers
beinhaltet. APS-Vorrichtungen werden bislang in einer Weise betrieben,
bei der jede Zeile oder Reihe des Bildwandlers mit einem Spaltenauswahlsignal
ausgewählt
und dann ausgelesen wird (analog zu Wörtern und Bit-Zeilen in Speichervorrichtungen). In
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, wie im "Hintergrund der Erfindung" des US-Patents 5,539,461
in Bezug auf die Schaltung aus 34 beschrieben,
erfolgt die Verbindung oder der Kontakt zu den verschiedenen Knoten
innerhalb der Pixel einer gegebenen Reihe auf pixelweiser Grundlage,
auch wenn es sich dabei nicht um denselben elektrischen Knoten innerhalb
einer Reihe handelt (siehe 1). Da
Kontaktbereiche in jedem Pixel angeordnet sind, und da die Kontaktbereiche üblicherweise
eine große Fläche des
Pixels aufgrund der notwendigen Überlagerung
der Metallschichten belegen, reduziert die Einbringung dieser Kontaktbereiche
in jedem Pixel den Füllfaktor
für das
Pixel, da sie Fläche
belegen, die sonst für
den Fotodetektor zur Verfügung
stünde. Die
Verbindung dieser Komponenten mit dem entsprechenden Timing-Signal
erfolgt über
Metallbusse, die die gesamte Pixelreihe kreuzen. Diese Metallbusse
sind optisch opak und können
Bereiche des Photodetektors verdecken, damit sie in die Pixelteilung hineinpassen.
Auch dies reduziert den Füllfaktor
der Pixel. Eine Reduzierung des Füllfaktors bewirkt eine Reduzierung
der Empfindlichkeit und des Sättigungssignals
des Sensors. Dies beeinträchtigt
die fotografische Empfindlichkeit und den Dynamikbereich des Sensors,
also Leistungskriterien, die zur Erzielung einer guten Bildqualität wichtig
sind.
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Um
hoch auflösende
APS-Vorrichtungen mit kleinen Pixeln zu bauen, ist es notwendig, sub-μm-CMOS-Prozesse zu verwenden,
um die Fläche
des Pixels zu minimieren, die den Komponenten in dem Pixel zugeordnet
sind, bei denen es sich nicht um Fotodetektorkomponenten handelt.
Im Vergleich mit einem üblichen
CCD-Sensor (Charge Coupled Device) bedarf es im Wesentlichen eines
technologisch fortschrittlicheren und kostspieligeren Prozesses,
um eine APS-Vorrichtung mit gleicher Auflösung und Empfindlichkeit zu
realisieren. Allerdings haben APS-Vorrichtungen den Vorteil, dass
sie im Vergleich mit CCD-Sensoren mit einer einzigen Spannung betrieben
werden, wenig Energie verbrauchen, X-Y-adressierbar sind, Bildfenster
ermöglichen
und eine effektive Integration der Signalverarbeitungselektronik
auf einem Chip ermöglichen.
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In
dem vorstehend genannten US-Patent 5,539,461 wird die Verwendung
eines Vertikalauswahlleitungs-Busses VS (d.h. einer Reihenauswahlleitung)
der einen Reihe für
eine andere Auswahlfunktion (nämlich
die Rückstellfunktion)
einer benachbarten Reihe beschrieben.
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Die
internationale Publikation Nummer WO 96/03773 beschreibt in Bezug
auf 3 die Verwendung derselben Leitung/desselben Busses
zur Durchführung
der Reihenauswahlfünktion
für eine Reihe
von Pixeln und der Rückstellfunktion
für eine benachbarte
Reihe von Pixeln.
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Die
Europäische
Patentanmeldung
EP
0 809 394 A2 beschreibt ein Verfahren zur Reihenauswahl für Aktivpixelsensoren,
die die Notwendigkeit eines separaten Reihenauswahlgatters pro Pixel
erübrigt. Dies
wird in einem Fall (
3A) durch simultanes Anlegen
einer VDD-Spannung an den SIG-Transistor
35 und das Gatter
des Reihenauswahltransistors ROWST erreicht, während gleichzeitig eine Off-Spannung
an die vergleichbaren Elemente der anderen Reihen angelegt wird.
Alternativ hierzu (
3B) entfällt der
Reihenauswahltransistor, und die VDD-Spannung wird an den SIG-Transistor
45 angelegt,
während
gleichzeitig die VDD-Spannung von den SIG-Transistoren der nicht
ausgewählten Reihen
entfernt wird, wodurch die nicht ausgewählten SIG-Transistoren potenzialfrei
sind.
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Aus
der vorstehenden Erörterung
wird deutlich, dass in der Technik weiterhin Bedarf nach einem verbesserten
Verfahren für
den Einsatz von Signalbusstrukturen innerhalb von APS-Vorrichtungen besteht.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere in einem aktiven Pixelsensor
verwendbar mit einem CMOS Halbleitersubstrat mit einer Vielzahl
von Pixeln, die in einer Vielzahl von Spalten und Reihen ausgebildet
sind, wobei jedes Pixel einen Fotodetektor und aktive Schaltelemente
aufweist, die dem Fotodetektor zugeordnet sind. Die aktiven Schaltelemente
müssen
von mindestens drei verschiedenen Steuersignalen gesteuert werden,
wobei die jeweils mindestens drei verschiedenen Steuersignale jeweils an
mindestens drei verschiedene Typen von Steuergattern angelegt sind.
Das Steuergatter umfasst ein Rückstellgatter,
ein Reihenauswahlgatter und ein Übertragungsgatter,
die an einem Ausgangsende des Fotodetektors angeordnet sind. Innerhalb
einer jeden Reihe von Pixeln und für mindestens einen ersten und
zweiten Typ von Steuergattern sind die Steuergatter des gleichen
Typs miteinander verbunden und bilden jeweils erste und zweite Steuerbusse,
an die verschiedene externe Steuersignale anlegbar sind. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für jedes
Steuergatter eines dritten Typs von Steuergattern innerhalb einer
jeden Reihe durch eine Verbindung eines jeden Steuergatters mit einem
Steuerbus eines anderen Typs, ausgewählt aus den ersten und zweiten
Typen von Steuerbussen, einer benachbarten Reihe von Pixeln erzeugt wird,
worin die Steuergatter des dritten Typs von Steuergattern innerhalb
einer jeden Reihe entweder: Rückstellgatter
sind, die mit einem Übertragungsgatterbus
einer benachbarten Reihe verbunden sind; oder Übertragungsgatter sind, die
mit einem Reihenauswahlbus einer benachbarten Reihe verbunden sind.
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Diese
und weitere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden unter Berücksichtigung
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und
anhängenden
Ansprüche
sowie durch Bezug auf die anliegenden Zeichnungen besser verständlich und
verdeutlicht.
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Alle
Merkmale und Vorteile von APS-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik
werden beibehalten, während
gleichzeitig weniger Pixelfläche
für Kontaktbereiche
und Metallbusse benötigt
wird. Dies bietet folgende Vorteile: höherer Füllfaktor, höhere Empfindlichkeit und höheres Sättigungssignal
bei gleicher Pixelgröße, kleinerer
Pixelgröße und Vorrichtungsgröße bei gleichem
Füllfaktor.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a eine
schematische Zeichnung einer Pixelkonstruktion nach dem Stand der
Technik;
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1b eine
Draufsicht zur Darstellung eines typischen Layouts der Pixelkonstruktion
aus 1a nach dem Stand der Technik;
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2 ein
Zeitablaufdiagramm für
das in 1a und 1b gezeigte
Pixel;
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3 eine
schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Draufsicht zur Darstellung des Layouts eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Zeitablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 eine
schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Draufsicht zur Darstellung des Layouts des in 7 gezeigten
bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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9 ein
Zeitablaufdiagramm für
das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel,
wie in 10 gezeigt;
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10 eine
schematische Zeichnung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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Zum
besseren Verständnis
wurden, soweit möglich,
identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen,
die den verschiedenen Figuren gemeinsam sind.
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Es
wurde festgestellt, dass Reihensignalleitungen kombiniert werden
können,
wodurch sich größere Füllfaktoren
für aktive
Pixelsensoren (APS) erzielen lassen, bei denen es sich typischerweise
um CMOS-basierte Bildsensoren handelt. Dies dient zur Lösung der
Nachteile von Pixeln 10 nach dem Stand der Technik, wie
in 1a dargestellt, bei der es sich um eine schematische
Zeichnung eines typischen APS nach dem Stand der Technik handelt.
Der erste Teil der vorliegenden Erfindung lässt sich konzeptionell folgendermaßen beschreiben:
um eine korrelierte Doppelabtastung zur Unterdrückung von Leserauschen und
Offset-Rauschen zu erreichen, muss die Floating Diffusion 12 zurückgesetzt
werden, bevor die Signalladung für
den Fotodetektor 14 zur Floating Diffusion 12 übertragen
wird. In der Technik wird dieser Betrieb dadurch erreicht, dass
ein separates Signal bereitgestellt wird, um das Rückstellgatter 16 unmittelbar
vor dem Abtasten und Halten des Rückstellpegels zurückzustellen.
Wenn die Rückstellung
nicht unmittelbar, sondern eine gewisse Zeit vor dem Abtasten und
Halten des Rückstellsignals
erfolgt, lassen sich die gleichen Ergebnisse erzielen. Das Zeitintervall
zwischen dem Anlegen des Signals an das Rückstellgatter 16 muss
allerdings kurz genug sein, damit kein Dunkelstrom die Höhe des Sättigungssignals
nennenswert verringert (d.h. eine deutliche Null erzeugt). Zudem
ist jede Reihe mit ihrem eigenen Reihenauswahlgatter 18 versehen,
welches Bestandteil einer Sourcefolgertransistor-Konfiguration mit
SIGNAL-Transistor 19 ist. In der Vorrichtung nach dem Stand
der Technik aus 1a werden separate Rückstellgatterbusse 15, Übertragungsgatterbusse 13 und
Reihenauswahlbusse 17 innerhalb jeder Reihe des aktiven
Pixelsensors verwendet. 1b zeigt ein
typisches Layout eines schematisch in 1a dargestellten
Pixels nach dem Stand der Technik, wonach deutlich wird, dass der Übertragungsgatterbus 13,
der Reihenauswahlbus 17 und der Rückstellgatterbus 15 einen
großen
Teil des Raums innerhalb des Pixels 10 belegen.
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Die
Reihenzeitsignale für
einen Sensor unter Verwendung des Pixels in 1 werden
in 2 gezeigt. Dies zeigt der Betrieb eines 6-reihigen
Bildsensors. Der gesamte Bildsensor startet in einem Rückstellzustand,
wobei alle Übertragungsgatter 11 und alle
Rückstellgatter 16 eingeschaltet
sind. Jede Reihe startet mit sequenzieller Integration, indem sie
ihr jeweiliges Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 nacheinander
abschaltet. Nachdem Reihe 1 die Integration für die gewünschte Zeit
durchgeführt
hat, geht das Reihenauswahlsignal für Reihe 1 high, die Floating
Diffusion 12 für
jedes Pixel 10 in Reihe 1 wird zurückgestellt,
indem das Rückstellgatter 16 eingeschaltet
wird, der Rückstellpegel
wird abgetastet und gehalten, die Signalladung wird dann zur Floating
Diffusion 12 übertragen,
indem das Übertragungsgatter 11 eingeschaltet
wird, und der Signalpegel wird abgetastet und gehalten. Das Reihenauswahlsignal
für Reihe 1 geht
dann low, gefolgt von dem Reihenauswahlsignal für Reihe 2, das high
geht. Das gleiche Timing für
Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 wird
dann für
Reihe 2 durchgeführt.
Dies wird für die
verbleibenden Reihen des Sensors wiederholt, in diesem Fall also
für 6 Reihen.
Es ist klar, dass jede Reihe einen separaten Metallbus für jedes
Reihenzeitsteuerungssignal, Reihenauswahlgatter 18, Rückstellgatter 16 und Übertragungsgatter 11 enthält.
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Das
Konzept der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Signalleitungen
innerhalb eines Sensors verringert werden können, indem bestimmte Typen
von Signalleitungen zwischen den Reihen gemeinsam genutzt werden.
Es wird Bezug genommen auf 3. Jedes
Pixel 20 führt
die Integration für
die gewünschte
Zeit durch, das Reihenauswahlsignal 27 für eine ausgewählte Reihe
geht high, die Floating Diffusion 22 für jedes Pixel 20 in
ausgewählten
Reihe 1 wird zurückgestellt,
indem das Rückstellgatter 26 eingeschaltet
wird, der Rückstellpegel
wird abgetastet und gehalten, die Signalladung wird dann zur Floating
Diffusion 22 übertragen,
indem das Übertragungsgatter 21 eingeschaltet
wird, und der Signalpegel wird abgetastet und gehalten. Das Reihenauswahlsignal
für die
gewählte
Reihe geht dann low, gefolgt von dem Reihenauswahlsignal für die nächste eingelesene
Reihe, das high geht. Das gleiche Timing für Rückstellgatter 26 und Übertragungsgatter 21 wird
dann für
diese nächste
ausgewählte
Reihe durchgeführt.
Dieser Vorgang wird für
jede der Reihen wiederholt. Es ist klar, dass jede Reihe einen separaten
Reihenauswahlgatter-(RSG)-Bus 27 enthält. Der Rückstellgatter-(RG)-Bus in einer
Reihe wird allerdings mit dem Übertragungsgatter-Bus 23 in
einer benachbarten Reihe geteilt.
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Es
gibt zwei optimale Möglichkeiten,
dies zu erreichen, welche als bevorzugte Ausführungsbeispiele vorgestellt
werden. Die folgenden beiden Beispiele der vorliegenden Erfindung
werden in der Reihenfolge der abnehmenden Zeitintervalle zwischen dem
Rückstellen
der Floating Diffusion 22 und dem Abtasten und Halten des
Rückstellpegels
vorgestellt. Wie in 3 gezeigt, wurde der vorher
eingelesene Übertragungsgatter-Bus 23 einer
Reihe als Rückstellgatter-Bus
für die
Reihe verwendet, die derzeit eingelesen wird. Dieses Verfahren wird
benutzt, um die Gesamtzahl der Signalleitungen zu reduzieren, und
zwar unter Verwendung eines Zeitsteuerungssignals aus der vorherigen
Reihe innerhalb des Ausleseschemas der vorhandenen Reihe. In dem
ersten Beispiel wird das Übertragungsgatter 21 von
Reihe n als Rückstellgatter 26 von
Reihe n+1 verwendet, wobei n die derzeit eingelesene Reihe ist. 4 zeigt eine
Draufsicht eines möglichen
Layouts für
dieses erste Verfahren zur Reduzierung der Signalbusleitungen und
zeigt zwei benachbarte Pixel in unterschiedlichen Reihen. Die Rückstellgatter 26 der
oberen Reihe werden als elektrisch mit dem Übertragungsgatter-Bus 23 der
unteren Reihe verbunden betrachtet.
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Ein
zweites Beispiel wird in 6 gezeigt, worin der Reihenauswahlgatter-Bus 37 von
Reihe n als Rückstellgatter-Bus 36 von
Reihe n+1 verwendet wird. Diese Busarchitektur reduziert die Anzahl
der Busse je Reihe von 3 auf 2 und verringert somit die Fläche, die
vom Fotodetektor 34 belegt wird, was zu einem höheren Füllfaktor
des Pixels führt.
Außerdem ist
der Weg von einem Bus oder einer aktiven Komponente innerhalb eines
Pixels in einer gegebenen Reihe zum Rückstellgatter der nächsten Reihe
kurz und kann in Polysilicium ausgeführt werden, wodurch eine sehr
effektive Verbindung vorgesehen wird, die ebenfalls zu einem höheren Füllfaktor
beiträgt.
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Ein
weiteres, schematisch in 7 und in Draufsicht in 8 gezeigtes
Beispiel zeigt, dass die Anzahl der Signalleitungen verringert werden
kann, indem die Rückstellgatter-Busse 45 gemeinsam
genutzt werden. Dies stellt ein effektives Mittel zur Reduzierung
der Anzahl der Kontaktbereiche und Busse dar, weil es die Tatsache
nutzt, dass es möglich ist,
jede Floating Diffusion kontinuierlich zurückzustellen, wenn irgend eine
Reihe zurückgestellt
wird, ohne den Betrieb der Vorrichtung zu beeinträchtigen. Daher
kann der Rückstellgatter-Bus 45 einer
beliebigen Reihe mit einer anderen oder mehreren Reihen gemeinsam
genutzt werden. In einer noch konsequenteren Form kann das Rückstellgatter 46 für ein Pixel
oder für
eine Pixelmenge das Signal mit einem beliebigen anderen Pixel oder
eine Pixelmenge gemeinsam nutzen, das an das Rückstellgatter 46 angelegt
wird. Hierdurch reduziert sich ebenfalls die Anzahl der Busse und
Kontaktbereiche pro Reihe, wodurch der Füllfaktor der Pixel erhöht wird.
Die verbleibende Struktur ist ähnlich
der in den vorherigen Ausführungsbeispielen
gezeigten, wobei der Fotodetektor 44 Elektronenpaare aus
dem einfallenden Licht erzeugt und diese Elektronen als eine Signalladung speichert,
bis das Übertragungsgatter 41 die
gespeicherte Ladung an die Floating Diffusion 42 überträgt, die
als ein Leseknoteneingang für
den Signaltransistor 49 dient.
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Ein
weiteres Mittel zur Reduzierung der Anzahl von Bussen und Kontaktbereichen
ist in 10 gezeigt, wo die Reihenauswahlgatter 58 aus
einer Reihe desselben Signalbusses wie die Übertragungsgatter 51 in
der nächsten
auszulesenden Reihe stammen. Dieser Ansatz kehrt die Reihenfolge des
Betriebs zwischen Übertragungsgatter 51 und Rückstellgatter 52 um.
Der Fotodetektor-Signalpegel wird übertragen und abgetastet und
gehalten vor Rückstellung
der Floating Diffusion 52 und dem Abtasten und Halten des
Rückstellpegels.
Auf diese Weise wird eine Pixelversatz-Beseitigung erzielt, wogegen
eine korrelierte Doppelabtastung (CDS/Correlated Double Sampling)
nicht erfolgen kann. Aufgrund dessen erhöht sich das zeitliche Rauschen. Dadurch
verringert sich die Anzahl der Busse pro Reihe von 3 auf 2. Das
Zeitablaufdiagrammist in 9 dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung weist u.a. folgende Merkmale auf: Aktiver
Pixelsensor, worin der Reihenauswahlbus für eine derzeit ausgelesene
Reihe als Rückstellgatter-Bus
für die
nächste
auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin der Steuerbus,
der als Steuerbus für
eine andere Reihe dient, ein Rückstellbus
für jede
der Reihen ist; aktiver Pixelsensor, worin der Reihenauswahlbus
für eine
derzeit ausgelesene Reihe als Übertragungsgatter-Bus
für die
nächste
auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin der Übertragungsgatterbus
für eine derzeit
ausgelesene Reihe als Rückstellgatter-Bus für die nächste auszulesende
Reihe dient; aktiver Pixelsensor, wobei die aktiven Schaltungselemente
zudem einen Sourcefolgerverstärker
umfassen, der in Wirkbeziehung mit dem Fotodetektor verbunden ist; aktiver
Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse beides Rückstellgatter-Busse
sind; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse zudem
einen Reihenauswahlbus und einen Rückstellbus umfassen und worin
der Reihenauswahlbus für
eine derzeit ausgelesene Reihe als Rückstellbus für die nächste auszulesende
Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens zwei Signalbusse zudem
einen Übertragungsgatter-Bus
und einen Reihenauswahlbus umfassen und worin der Reihenauswahlbus
für eine
derzeit eingelesene Reihe als Übertragungsgatter-Bus
für die
nächste
auszulesende Reihe dient; aktiver Pixelsensor, worin die mindestens
zwei Signalbusse zudem einen Übertragungsgatter-Bus
umfassen und worin der Übertragungsgatter-Bus
für eine
derzeit eingelesene Reihe als Rückstellgatter-Bus
für die
nächste
einzulesende Reihe dient.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die konkret beschriebenen und bereitgestellten
Beispiele Ausführungsbeispiele
sind, die zur Darstellung dieser Erfindung dienen. Andere konkrete
physische Ausführungsbeispiele
sind möglich.