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Die
Erfindung betrifft die elektronischen Systeme zur Bildaufnahme.
Derartige Systeme werden im Allgemeinen durch eine elektronische
Karte (meistens eine gedruckte Schaltung) gebildet, die bestückt ist
mit
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integrierten Schaltungs-Chip, der eine Matrix aus lichtempfindlichen
Elementen umfasst; die Matrix bildet das Herz des Bildaufnahmesystems
und ist dazu vorgesehen, in der Brennebene einer Optik, die ein
Bild auf den Chip projiziert, platziert zu werden; der Chip umfasst,
zusätzlich zur
Matrix, Schaltungen zur Steuerung der Matrix und Schaltungen zum
Lesen der lichtempfindlichen Ladungen, die durch das Licht in jedem
Matrixelement verursacht werden; im Fall von Zeilensensoren kann
die Matrix auf eine Zeile oder einige wenige Zeilen lichtempfindlicher
Elemente reduziert sein, aber nachfolgend wird der Ausdruck Matrix
unabhängig
von der Anzahl der Zeilen verwendet;
- – verschiedenen
Schaltungen, die für
das Funktionieren des Chips notwendig sind, darunter insbesondere
digitale Schaltungen, die Digitalsignale zur Steuerung der Zeilen
und Spalten der Matrix erzeugen, Taktschaltungen, die eine für die ganze
Karte gemeinsame Zeitreferenz erzeugen, und Schaltungen zur elektrischen
Versorgung, die die für
den Chip und die anderen Schaltungen notwendigen Gleichspannungen
liefern.
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Meistens
wird die Karte mit einer allgemeinen Versorgungsspannung von beispielsweise
9 oder 12 Volt versorgt, aber die Schaltungen der Karte und des
Chips können
andere Versorgungsspannungen erfordern, beispielsweise 3,3 Volt
für die
digitalen Schaltungen, 10 Volt für
einige Schaltungen, 15 Volt für
die Schaltungen zum Lesen der Ladungen des Chips. In diesem Fall
werden alle diese verschiedenen Versorgungsspannungen ausgehend
von der allgemeinen Versorgungsspannung erzeugt, und ein oder mehrere
Gleichspannungswandler (nachfolgend DC/DC-Spannungswandler genannt)
sind auf der Karte vorgesehen, um die diversen Spannungen zu erzeugen.
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Die
DC/DC-Spannungswandler können
lineare analoge Spannungsregler sein, aber derartige Regler verbrauchen
viel Energie, um an ihrem Ausgang die gewünschte stabile Spannung aufrechtzuerhalten;
zudem benötigen
sie viel Platz. Bevorzugt werden DC/DC-Spannungswandler in der Form
von Schaltspannungsversorgungen, die wenig verbrauchen und Bauelemente
kleiner Größe benutzen;
eine Schaltspannungsversorgung ist im Übrigen erforderlich, wenn eine
Spannung erzeugt werden muss, die höher ist als die allgemeine
Versorgungsspannung, zum Beispiel 15 Volt ausgehend von 12 Volt.
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Die
Schaltspannungsversorgungen funktionieren mit einem Schalter, der
einen Eingangsgleichstrom bei hoher Frequenz zerhackt (typischerweise bei
einer Frequenz von mehreren Dutzend kHz bis mehreren MHz); der bei
hoher Frequenz zerhackte Strom dient zum Erzeugen einer Wechselspannung bei
dieser Frequenz, und die Wechselspannung kann verarbeitet, gleichgerichtet
und gefiltert werden; der die Spannung zerhackende Schalter arbeitet
mit einem festen oder veränderlichen
Tastverhältnis,
das durch eine Steuerschaltung definiert wird, und die Ausgangsgleichspannung
der Versorgung hängt
von dem Tastverhältnis
ab.
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Der
bekannte Nachteil von Schaltspannungsversorgungen ist, dass diese
aufgrund des Zerhackvorgangs bei hoher Frequenz in den Schaltungen
Rauschen hervorrufen. Dieses Rauschen findet sich in den umliegenden
Schaltungen wieder.
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Im
Fall von Bilderfassern hat man in der Vergangenheit festgestellt,
dass das Rauschen der Schaltspannungsversorgungen auf der elektronischen
Karte Überlagerungen
im von der Karte ausgesendeten Videosignal erzeugen kann. In der
Tat ist das Videosignal selbst mit einer Bildfrequenz getaktet,
die beispielsweise 100 Hz ist, einer Zeilenfrequenz, die beispielsweise
in der Größenordnung
von 80 kHz liegt, und einer Pixelfrequenz, die beispielsweise in
der Größenordnung
von 50 MHz liegt. Das Rauschen der Schaltspannungsversorgung enthält Komponenten
bei harmonischen Frequenzen der Zerhackfrequenz und kann typischerweise
Schwebungen mit der Pixelfrequenz hervorrufen; diese Schwebungen
sind im Videobild sichtbar, wenn es auf einem Bildschirm reproduziert
wird. Sie sind in gewissen Anwendungen, bei denen die Bildqualität sehr hoch
sein muss, störend.
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Diese
Schwankungen können
nicht entfernt werden, denn sie sind nicht stationär, weil
die Frequenz der Schaltspannungsversorgungen sowie ihr Schalt-Tastverhältnis ständig schwankt.
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Für hochwertige
Anwendungen wäre
es notwendig, die Schwankungen des Videosignals für ein Videosignal
mit einer maximalen Amplitude von 1 Volt auf wenige Mikrovolt zu
beschränken.
In der Praxis ist es nicht möglich,
die Ausgangsspannung einer Schaltspannungsversorgung so zu filtern,
dass die Restwelligkeit bei einigen Mikrovolt liegt, es sei denn man
verwendet extrem große
Bauteile.
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Um
diese Bildverschlechterung zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen,
in diesem Zusammenhang Schaltspannungsversorgungen zu verwenden,
die einen Synchronisationseingang aufweisen. Es existieren in der
Tat derartige Schaltspannungsversorgungen, die synchronisierbar
sind. Der Synchronisationseingang muss typischerweise ein Synchronisationssignal
empfangen, das eine Frequenz aufweist, die niedriger ist als die
Zerhackfrequenz. Dieser Eingang erlaubt es, die Zerhacksignale wieder
zu synchronisieren, wenn sie mit den Synchronisationssignalen nicht
mehr in Phase sind.
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Man
synchronisiert damit die Schaltspannungsversorgung beispielsweise
auf eine Frequenz von ungefähr
2 MHz, die man in den Taktschaltungen der Karte finden kann. Diese
Frequenz ist ein Teiler der Pixelfrequenz und ein Mehrfaches der
Zeilenfrequenz, und die Schwebungen verschwinden.
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Aber
es erscheint jetzt ein anderes Phänomen, das eines festen Bildrauschens
(auf Englisch „Fixed
Pattern Noise” oder
FPN), das durch die Änderungen
der Ausgangsspannung der Schaltspannungsversorgung während des
Lesens einer Pixelzeile hervorgerufen wird: Die Spannung schwankt
ein wenig mit der Zerhackfrequenz, und mehrere Wellen entstehen
während
einer Zeile und auf jeder Zeile. Ein wellenartiges Motiv erscheint
sichtbar in dem Bild; es repräsentiert
die Restwelligkeit der Versorgungsspannung, die von der Schaltspannungsversorgung
geliefert wird. Dieses feste Rauschen kann theoretisch durch eine
logische Korrektur unterdrückt werden
(Abspeichern des festen Rauschens und Subtraktion des gespeicherten
Rauschens). Aber in der Praxis ändert
sich das feste Rauschen im Laufe der Zeit abhängig von den Schwankungen der
allgemeinen Versorgungsspannung und der Temperatur.
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Um
die Verschlechterung des Videosignals aufgrund der Verwendung von
Schaltspannungsversorgungen zu verringern, schlägt die Erfindung vor, eine
Zerhackfrequenz der Schaltspannungsversorgung zu verwenden, die
die Pixel-Lesefrequenz
des Bilderfassers ist und nicht ein Teiler dieser Frequenz. Damit
sind nicht nur Schwebungen nicht mehr möglich, sondern es gibt auch
kein Rauschen des Typs FPN mehr. Die Verwendung der Pixelfrequenz
für die Schaltspannungsversorgungen
wird für
die Spannungsversorgungen erfolgen, die für die Erzeugung eines qualitativ
hochwertigen Videosignals kritisch sind und insbesondere für die Spannungsversorgung im
Verstärker
zum Lesen der von den Pixeln ausgehenden Signale.
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In
einer Anwendung mit Bilderfassern in CCD-Technologie (Sensoren mit
Ladungstransfer oder auf Englisch Charge Coupled Devices) werden die
vom Licht erzeugten Ladungen in eine Lesediode geleitet, die diese
in eine Spannung umwandelt, die von einem Leseverstärker gelesen
wird; die von der Erfindung betroffene Spannungsversorgung ist diejenige,
die die Versorgungsspannung sowie eine Referenzspannung für diese
Diode und den Leseverstärker
liefert. Typischerweise handelt es sich bei der Spannungsversorgung
um eine spannungserhöhende
Schaltspannungsversorgung, wobei sie eine allgemeine Spannung von
12 Volt empfängt
und eine Spannung von ungefähr
15 Volt erzeugt.
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Die
Erfindung schlägt
ein Bilderfassungssystem vor, umfassend einen integrierten Schaltungs-Chip,
der eine Matrix aus Zeilen und Spalten lichtempfindlicher Pixel
und einen Leseverstärker
beinhaltet, wobei der Verstärker
aufeinanderfolgende Signale liefert, die die Belichtung der verschiedenen Bildpixel
repräsentieren,
mit einer Pixel-Lesefrequenz, die durch einen Systemtakt bestimmt
ist, wobei das System durch eine allgemeine Versorgungsspannung
versorgt wird und wobei der Leseverstärker durch eine stabilisierte
Versorgungsspannung versorgt wird, die von einem DC/DC-Spannungswandler
geliefert wird, der die allgemeine Versorgungsspannung empfängt, wobei
der DC/DC-Spannungswandler
eine Schaltspannungsversorgung umfasst, die einen Schalter verwendet,
um mit hoher Frequenz einen Gleichstrom zu zerhacken, und einen
Gleichrichter, um den zerhackten Strom gleichzurichten und zu filtern,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein periodisches Steuersignal
mit der Pixel-Lesefrequenz
empfängt,
um das Zerhacken bei dieser Frequenz vorzunehmen.
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Vorzugsweise
arbeitet die betreffende Schaltspannungsversorgung mit einem festen Schalt-Tastverhältnis, und
dieses Verhältnis
ist vorzugsweise nahe 50% oder gleich 50%.
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Die
Schaltspannungsversorgung kann von einem linearen Spannungsregler
gefolgt sein. Ihr kann auch ein Linearregler vorausgehen, der die Spannung
der allgemeinen Systemspannungsversorgung absenkt.
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Neben
der oben erwähnten
stabilisierten Versorgungsspannung kann der Chip auch eine Referenzspannung
empfangen, die für
das Lesen der von der Matrix ausgehenden Signale nutzbar ist, diese
Referenzspannung wird erzeugt durch eine Spannungsteilung, ausgehend
von der stabilisierten Spannung, die vom DC/DC-Wandler geliefert
wird.
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Der
Schalter der Schaltspannungsversorgung kann ein MOS-Leistungstransistor
sein, der auf seinem Gate das Steuersignal mit der Pixel-Lesefrequenz
empfängt,
und dessen Source mit einer Masse verbunden ist und dessen Drain
mit einem induktiven Element verbunden ist, das induktive Element
ist mit dem Eingang des Gleichrichters verbunden, wobei Letzterer
wenigstens eine Gleichrichterdiode und eine Filterkapazität umfasst.
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In
einer Ausführungsform
ist das induktive Element eine Induktivität, die zwischen dem Drain des
Transistors und einer Grundversorgungsspannung verbunden ist, und
der Verbindungspunkt zwischen der Induktivität und dem Drain des Transistors ist
mit dem Eingang des Gleichrichters verbunden. In einer anderen Ausführungsform
ist das induktive Element ein Autotransformator, der zwischen einer Grundversorgungsspannung
und dem Drain des Transistors verbunden ist, und ein Zwischenabgriff des
Autotransformators ist mit dem Eingang des Gleichrichters verbunden.
Die Last des Schalttransistors kann auch ein LC-Resonanzschaltkreis
sein.
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Die
Pixelfrequenz liegt vorzugsweise zwischen 10 MHz und 50 MHz.
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Die
Schaltspannungsversorgung kann eine Schaltung zum Unterbinden des
Stromdurchgangs durch den Schalter enthalten, wenn kein periodisches
Schalter-Steuersignal vorhanden ist. Diese Schaltung kann einen
Transistor umfassen, der in Reihe zwischen die Versorgung und das
induktive Element geschaltet ist, und einen Spitzenwertdetektor,
der das Steuersignal mit der Pixel-Lesefrequenz empfängt, wobei der Spitzenwertdetektor
das Leiten dieses Transistors nur erlaubt, wenn das periodische Steuersignal
vorhanden ist.
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Das
Erfassungssystem kann mehrere DC/DC-Wandler umfassen, die verschiedene
Gleichspannungen liefern, um verschiedene Teile des Systems zu versorgen
und insbesondere Logikkreise zur Steuerung der Fotodetektormatrix.
In diesem Fall verwenden die anderen Wandler klassische Schaltspannungsversorgungen
mit einer niedrigeren Frequenz und mit variablem Tastverhältnis. Nur
die Versorgung, die die stabilen Referenzspannungen an die Leseschaltkreise
liefert, arbeitet mit der Pixel-Lesefrequenz; sie liefert einen
kleinen Teil der vom System verbrauchten Leistung, die anderen Versorgungen
liefern den größten Teil
der Leistung, haben aber wenig Einfluss auf die Qualität des Videosignals.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der detaillierten
Beschreibung deutlich werden, die folgt und die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, in denen:
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1 die
allgemeine Architektur einer elektronischen Karte darstellt, auf
der Bauteile montiert sind, die ein elektronisches Bilderfassungssystem bilden;
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2 den
DC/DC-Spannungswandler mit seiner Schaltspannungsversorgung, die
bei der Pixel-Lesefrequenz arbeitet, zeigt;
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3 ein
Beispiel eines linearen Regelschaltkreises nach der Schaltspannungsversorgung zeigt;
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4 eine
Realisierungsvariante für
die Schaltspannungsversorgung zeigt;
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5 eine
Ausführungsform
der Schaltspannungsversorgung mit Sperrung durch einen Detektor
für das
Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Schaltsteuersignals zeigt.
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1 zeigt
die allgemeine Architektur des Bilderfassungssystems. Das System
umfasst eine elektronische Karte EC, deren Herz durch einen monolithischen
Chip zur Bilddetektion gebildet ist, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen
CHP. Die obere Fläche
des Chips ist dafür
vorgesehen, in der Brennebene einer Fokalisierungsoptik, die nicht
gezeigt ist, montiert zu werden, die das zu erfassende Bild auf
den Chip projiziert.
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Der
Chip CHP umfasst im Wesentlichen eine Matrix MP von Pixeln, die
in Zeilen und Spalten angeordnet sind, nicht dargestellte periphere
interne elektronische Schaltungen, die die Arbeit der Matrix erlauben,
Eingangsklemmen, um diese Steuerung von außerhalb des Chips sicherzustellen,
Versorgungsklemmen und Masseklemmen und wenigstens einen Leseverstärker AMP,
um ein analoges Signal zu erzeugen, das die in jedem Pixel der Matrix
detektierte Ladung repräsentiert.
In dem dargestellten Beispiel liefert der Verstärker AMP ein analoges Signal
an eine Ausgangsklemme des Chips, aber man könnte auch vorsehen, dass der
Chip einen Analog-Digital-Wandler umfasst, um ein digitales Signal
auszugeben.
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Die
elektronische Karte EC umfasst neben dem Chip CHP
- – digitale
Schaltungen, die im Diagramm unter dem Bezugszeichen DIGB zusammengefasst sind;
diese Schaltungen stellen insbesondere die Bereitstellung der digitalen
Steuersignale für
die Steuerung der Zeilen und Spalten des Chips CHP sicher;
- – Verstärker (oder „Drivers”) DR, die
die Signale des Blocks DIGB empfangen und auf Steuereingangsklemmen
des Chips legen;
- – einen
Quarzoszillator QZ und einen oder mehrere Frequenzteiler DIVF, um
Grundfrequenzen für das
Funktionieren des digitalen Schaltungsblocks DIGB zu erzeugen; der
Quarzoszillator liefert zum Beispiel eine Frequenz, die ein Mehrfaches
des Pixelausgangstaktes im Videosignal ist; zum Beispiel kann der
Quarzoszillator für
eine Pixelfrequenz von 40 MHz eine Frequenz von 120 MHz liefern,
und der Frequenzteiler kann verschiedene Teiler dieser Frequenz
liefern und insbesondere die Lesefrequenz Fpix, die den Pixelausgangstakt festlegt;
das Signal bei der Frequenz Fpix kann auch im Innern des digitalen
Schaltungsblocks DIGB erzeugt werden;
- – Versorgungsblöcke, die
die verschiedenen Versorgungsspannungen Vcc0, Vcc1, Vcc2 für die verschiedenen
Teile der elektronischen Karte liefern; diese Blöcke sind DC/DC-Wandler, CONV0, CONV1,
CONV2, die die allgemeine Versorgungsspannung Vcc der elektronischen
Karte empfangen, sie sind vorzugsweise ausgehend von Schaltspannungsversorgungen
realisiert, um den Energieverbrauch zu minimieren, und für einige
unter ihnen, um Spannungen erzeugen zu können, die höher sind als die allgemeine
Versorgungsspannung Vcc;
- – analoge
Signalverarbeitungsschaltungen ANC, die das analoge (vom Ausgangsverstärker AMP gelieferte)
Ausgangssignal des Chips empfangen, wenn der Chip die Bildinformation
in analoger Form liefert;
- – ein
Analog-Digital-Wandler ADC, der das Ausgangssignal der analogen
Signalverarbeitungsschaltungen ANC empfängt und aufeinanderfolgende
digitale Signale liefert, die die Informationen aus jedem Pixel
repräsentiert;
der ADC-Wandler
arbeitet bei der Pixel-Lesefrequenz Fpix;
- – ein
Pufferspeicher BF empfängt
vom ADC-Wandler den digitalen Datenfluss, um ihn an einen Kartenausgang
OUT anzulegen; der Ausgang ist hier als eine einzige Klemme dargestellt, die
es erlaubt, den binären
Fluss seriell zu übertragen,
aber es ist selbstverständlich,
dass in dem Fall, wo die digitale Information in der Form von parallelen
Worten geliefert wird, die Ausgangsklemme OUT in Realität durch
so viele Klemmen gebildet wird, wie es Bits in jedem gelieferten
Wort gibt, die Worte werden im Takt Fpix geliefert;
- – die
elektronische Karte EC kann außerdem
einen Eingang STRT umfassen, an den ein Startsignal angelegt wird;
vor dem Empfang dieses Signals ruht die Karte in einem Wartezustand
mit geringem Verbrauch.
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In
dem dargestellten Beispiel wird angenommen, dass es sich bei dem
Erfassungschip CHP um einen Chip in CCD-Technologie handelt, aber
die Erfindung kann auch auf einen Bilderfasser in MOS-Technologie
angewandt werden. In der CCD-Technologie sammeln die Pixel Ladungen,
die vom Licht erzeugt werden, und transferieren sie senkrecht durch
Verschieben Zeile für
Zeile bis zu einem horizontalen Leseregister, das am Fuß der Matrix
platziert ist; die in dem Leseregister gesammelten Ladungen werden
zwischen zwei Zeilenverschiebungen schnell durch ein horizontales
Verschieben ins Innere des Registers und einem Abgeben an eine Lesediode
gelesen; der Verstärker
AMP liest die abgegebenen Ladungen nacheinander in der Lesediode mit
einem Takt, der der Pixelfrequenz Fpix entspricht, typischerweise
in der Größenordnung
von 40 MHz.
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In
der CCD-Technologie wird man typischerweise mehrere Versorgungsspannungen
benötigen; der
digitale Schaltungsblock DIGB ist in CMOS-Technologie realisiert und kann eine
Versorgungsspannung Vcc2 verwenden, die 3,3 Volt beträgt und nicht streng
stabilisiert sein muss; die Steuersignale für die Verschiebephasen der
Register, spaltenweise oder zeilenweise, werden durch die Treiber
DR angelegt, die eine Versorgungsspannung Vcc1 von 10 Volt verwenden;
diese Spannung muss auch nicht streng stabilisiert sein; der Leseverstärker AMP
verwendet eine Versorgungsspannung Vcc0 von 15 Volt, die besonders
stabil sein muss, und eine Referenzspannung Vref, die in der Größenordnung
von 10 Volt sein kann und die auch sehr stabil sein muss; die Spannung
Vref kann ausgehend von der Spannung Vcc0 durch einen resistiven
Teiler R1, R2 erzeugt werden. Die analogen Signalverarbeitungsschaltungen
ANC und der Analog-Digital-Wandler können auch eine besonders stabile
Referenzspannung verwenden, die Vcc0 sein kann.
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Der
Chip selbst empfängt
die Spannung Vcc0 und die Spannung Vref und kann außerdem die allgemeine
Spannung Vcc von 12 Volt und die Spannung Vcc2 von 3,3 Volt empfangen.
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Klassischerweise
sind die DC/DC-Wandler auf Schaltspannungsversorgungen aufbauend
realisiert. Jeder Wandler besitzt im Prinzip einen internen Oszillator,
der die Frequenz zum Zerhacken des Eingangsgleichstroms liefert.
Die Zerhackfrequenzen können
einige Dutzend Kilohertz betragen. Die Schaltspannungsversorgungen
können
einen Synchronisationseingang besitzen (synchro in 1); dieser
Eingang empfängt eine
niedrigere Frequenz, die vom digitalen Schaltungsblock oder von
außerhalb
der Karte kommen kann, und die Oszillatorfrequenz der Schaltspannungsversorgung
richtet ihre Phase (nicht ihre Frequenz) auf die Phase des Synchronisierungssignals
aus.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass einer der DC/DC-Wandler anders als die anderen realisiert ist.
Genauer ist es der DC/DC-Wandler CONV0, der eine besonders stabile
Spannung Vcc0 (und eine Referenzspannung Vref) für den Leseverstärker AMP und
eventuell für
den Analog-Digital-Wandler ADC liefern muss. Dieser Wandler CONV0
umfasst keinen internen Oszillator und keinen Synchronisationseingang,
sondern er empfängt
direkt vom Digitalblock DIGB (oder vom Frequenzteiler DIVF) die
Frequenz Fpix, die den Ausgangstakt der Pixel repräsentiert.
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Die
Zerhackfrequenz ist die Frequenz Fpix, und sie wird an einen Schalter
(MOS-Transistor) angelegt, der das Zerhacken ausführt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das Schaltsignal ein festes Tastverhältnis von 50%, das heißt es kann
direkt aus dem Frequenzteiler DIVF kommen, ohne spezielle Verarbeitung,
die darauf ausgerichtet ist, sein Tastverhältnis zu verändern.
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Die 2 zeigt
das bevorzugte Prinzip für die
Realisierung des DC/DC-Wandlers
CONV0 für den
Fall, dass die zu erzeugende Spannung Vcc0 höher ist (zum Beispiel 15 Volt)
als die allgemeine Versorgungsspannung Vcc (zum Beispiel 12 Volt).
Der Wandler ist dann vorzugsweise zusammengesetzt aus einer spannungserhöhenden Schaltspannungsversorgung
ALD, die eine Spannung Vcc'0
erzeugt, gefolgt von einem linearen Spannungsregler REG mit geringem
Spannungsabfall, der die Spannung von Vcc'0 auf Vcc0 absenkt. Die Verwendung eines linearen
Spannungsreglers, um die Spannung Vcc0 genau einzustellen, wirft
keine Probleme eines übermäßigen Leistungsverbrauchs
auf, weil die von dem Wandler CONV0 gelieferte Leistung gering ist:
er versorgt praktisch nur den Leseverstärker AMP und die zum Lesen
des Videosignals und für
den Analog-Digital-Wandler notwendigen Spannungsreferenzen; er versorgt
weder den digitalen Schaltungsblock DIGB noch die Verstärker (Drivers)
DR, die die Ladungsverschiebephasen des Chips steuern. Da die vom Wandler
CONV0 gelieferte Leistung gering ist, ist der Leistungsverlust im
Linearregler gering.
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Die
Schaltspannungsversorgung umfasst in einer sehr einfachen Version
einen MOS-Transistor T1, der den Schalter zum Zerhacken des Stroms
bildet. Der Transistor T1 empfängt
direkt auf seinem Gate den Takt mit der Frequenz Fpix. Seine Source ist
an die Masse gelegt und sein Drain ist mit einem induktiven Element
L1 verbunden, das die allgemeine Versorgungsspannung Vcc empfängt. Der
Transistor T1 zerhackt mit der Frequenz Fpix den Strom, der im induktiven
Element L1 zirkuliert. Der Drain des Transistors ist mit einer Gleichrichterdiode
D1 verbunden. Die Diode ist an den Ausgang der Schaltspannungsversorgung
angeschlossen. Es handelt sich vorzugsweise um eine Diode mit einer
geringen Schwellspannung (zum Beispiel eine Schottky-Diode mit einem Metall/Halbleiter-Kontakt).
Eine Kapazität C1,
die zwischen dem Ausgang mit Vcc0 und der Masse platziert ist, dient
dazu, die Spannungsschwankungen am Ausgang Vcc'0 zu glätten.
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Der
Linearregler REG, der der Spannungsversorgung ALD nachgeschaltet
ist, kann von klassischer Konstruktion sein, und ein illustratives
Beispiel ist in der 3 mit einer Zenerdiode D2 gezeigt,
die die Spannung am Eingang eines nicht invertierenden Operationsverstärkers festlegt,
einem Längstransistor
T2, um die Spannung von Vcc'0
auf Vcc0 fallen zu lassen, und eine Gegenkopplung des Spannungsausgangs
Vcc0 zum invertierenden Eingang des Verstärkers über eine resistive Teilerbrücke, um
die Ausgangsspannung Vcc0 in Abhängigkeit
von der Spannung der Zenerdiode und dem Teilungsverhältnis der resistiven
Brücke
auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Andere Schaltpläne von Linearreglern
sind möglich.
Der Leistungsverlust wird definiert durch den Stromverbrauch der
dem Regler nachgelagerten Schaltkreise, multipliziert mit der Differenz
Vcc'0 – Vcc0.
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Die 4 zeigt
eine Realisierungsvariante für
die Schaltspannungsversorgung ALD, in der das induktive Element
durch einen Autotransformator (AT1) gebildet ist, der in Serie zwischen
Versorgung Vcc und Drain des Transistors T1 geschaltet ist. Der Gleichrichter
D1 ist verbunden mit einem Zwischenabgriff des Autotransformators,
was es erlaubt, die gewünschte
Ausgangsspannung Vcc'0
zu definieren, ohne auf das Tastverhältnis des Schaltsteuerungssignals
bei der Frequenz Fpix einzuwirken. Das Tastverhältnis kann dann gleich 50%
gewählt
werden, was die einfachste Lösung
ist. Ein nachgeschalteter Spannungsregler ist nicht nötig, kann
aber vorgesehen werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
fügt man der
Schaltspannungsversorgungsschaltung einen Detektor zum Erkennen
der Präsenz
der Lesefrequenz Fpix am Gate des Schalttransistors hinzu, derart,
dass die Stromversorgung des induktiven Elements L1 unterbrochen
wird, wenn die Taktfrequenz Fpix nicht anliegt. Das erlaubt es,
einen unnötigen Stromverbrauch
zu vermeiden, wenn die Schaltung im Ruhezustand ist (vor dem Anlegen
eines allgemeinen Startbefehls für
die elektronische Karte auf dem Eingang STRT), und es vermeidet
insbesondere die Beschädigung
des Transistors T1 beim Anschalten.
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Die 5 zeigt
die Schaltspannungsversorgung, die für den Anwesenheitsdetektor
von Fpix vorgesehen ist. Die Elemente, die mit denen in 2 gemeinsam
sind, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht aufs Neue
beschrieben.
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Das
induktive Element ist in diesem Beispiel aus zwei in Serie geschalteten
Induktivitäten
L1 und L'1 gebildet,
die einen Verbindungspunkt haben, der über eine Kapazität C2 an
Masse gelegt ist. Das induktive Element ist über einen Unterbrechungstransistor
T3 (hier ein PMOS-Transistor) mit der Versorgung Vcc verbunden und
empfängt
nur einen Strom, wenn der Transistor leitend ist.
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Ein
Spitzenwertdetektor DET, gebildet aus zwei Kapazitäten C3 und
C4, zwei Dioden D3 und D4 und einem Widerstand, erzeugt auf dem
Gate des Transistors T3 eine Gleichspannung, die genügend weit
unter Vcc liegt, wenn die Frequenz Fpix anliegt, und bringt diese
Gate-Spannung auf Vcc, wenn die Frequenz Fpix nicht mehr vorhanden
ist. Im ersten Fall erlaubt sie die Leitfähigkeit des Transistors T3; im
zweiten Fall verbietet sie den Durchgang des Stroms in Richtung
induktivem Element.
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Typischerweise,
falls die Spannung Vcc 12 Volt beträgt und falls das Taktsignal
ein Signal zwischen 0 Volt und 3,3 Volt Spitze-Spitze ist, erscheint auf
dem Gate des Transistors T3 ein Potenzial von ungefähr 9 Volt,
was ausreichend niedrig ist, um den Transistor (der ein PMOS-Transistor
ist) leitend zu machen.
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In
den vorangegangenen Figuren wurde das Zerhacken eines Stroms beschrieben,
der durch ein induktives Element (Induktivität oder Autotransformator) fließt, es wäre auch
möglich
vorzusehen, dass das induktive Element mit einer Kapazität assoziiert ist,
um einen LC-Resonanzkreis als Last des Schalttransistors zu bilden,
insbesondere, wenn die Pixelfrequenz sehr hoch ist.
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Die
vorstehend beschriebene Schaltspannungsversorgung umfasst keinen
Oszillator, um die Schaltfrequenz zu erzeugen, und benutzt kein
Regelsystem für
das Schalt-Tastverhältnis.
Man könnte
jedoch auch wie oft in Schaltspannungsversorgungen eine Tastverhältnisregelung
benutzen. In diesem Fall würde
man das rechteckige Taktsignal der Frequenz Fpix in ein etwa sägezahnförmiges Signal
bei dieser Frequenz umformen und würde dieses Sägezahnsignal
an einen Eingang eines Komparators anlegen, dessen zweiter Eingang
eine Spannung empfangen würde,
die die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung repräsentieren
und zwischen dem niedrigen und dem hohen Niveau der Sägezahnspannung liegen
würde.
Der Ausgang des Komparators steuert dann das Schalten, und das Tastverhältnis kann durch
die Relativregelung zwischen den Spannungsniveaus des Sägezahns
und dem Niveau, das mit dem Sägezahn
verglichen wird, eingestellt werden. Diese Lösung ist jedoch weniger einfach
als die zuvor beschriebene.