DE102011052874A1

DE102011052874A1 - CMOS TDI sensor for the use of X-ray imaging

Info

Publication number: DE102011052874A1
Application number: DE102011052874A
Authority: DE
Inventors: Chinlee Wang; Shizu Li
Original assignee: SCAN IMAGING CORP X; X-SCAN IMAGING CORP
Current assignee: SCAN IMAGING CORP X; X-SCAN IMAGING CORP
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2031-08-20
Also published as: GB201113980D0; JP2012120153A; CN102611853B; CN102611853A; ITUD20110133A1; DE102011052874B4; GB2486039A; JP5809492B2; GB2486039B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMOS-TDI-Bildsensor, der aus M-maligen Pixeln besteht, wobei jeder Pixel aus einer Spalte von N-maligen TDI-Stufen gebildet ist. Jede TDI-Stufe umfasst eine Photodiode, die Photoladungen sammelt, und einen Vorverstärker, der die Photoladung in eine Spannung proportional umwandelt. Jede TDI-Stufe weist auch einen Satz von Kondensatoren, Verstärkern und Schaltern auf, die zum Speichern der integrierten Signalspannungen dienen, wobei die korrelierte Doppelabtastungs(Correlated Double Sampling, CDS)-Technologie (wahre oder Pseudo-) das Photosignal und die Rückstellspannungen gleichzeitig aufrechterhält. Die CDS-Signalspannungen können entlang einer Spalte von einer TDI-Stufe auf die folgende TDI-Stufe übertragen und somit summiert werden. Die CDS-Signalspannungen der letzten TDI-Stufen von M-maligen Pixeln werden mittels eines Differenzverstärkers (20) abgelesen. Besonders vorteilhaft ist die CMOS-TDI-Struktur für die Ausführung von Röntgen-Detektorsystemen, die große Pixelgrößen und Signalverarbeitungsschaltungen erfordern, wobei die Signalverarbeitungsschaltungen physikalisch von dem Photodiodenarray isoliert werden können, um dadurch vor schädlichen Röntgenstrahlungsschäden abgeschirmt zu werden.The invention relates to a CMOS TDI image sensor which consists of M-times pixels, each pixel being formed from a column of N-times TDI levels. Each TDI stage includes a photodiode that collects photocharge and a preamplifier that proportionally converts the photocharge to voltage. Each TDI stage also includes a set of capacitors, amplifiers, and switches that are used to store the integrated signal voltages, with Correlated Double Sampling (CDS) technology (true or pseudo) maintaining the photo signal and reset voltages simultaneously . The CDS signal voltages can be transmitted along a column from one TDI stage to the following TDI stage and thus added up. The CDS signal voltages of the last TDI stages of M-times pixels are read by means of a differential amplifier (20). The CMOS TDI structure is particularly advantageous for implementing x-ray detector systems that require large pixel sizes and signal processing circuitry, where the signal processing circuitry can be physically isolated from the photodiode array to thereby be shielded from harmful x-ray damage.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich das Gebiet der monolithischen Bildsensoren, insbesondere einen CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Zeitverzögerung-und-Integration(Time Delay and Integration, TOI)-Sensor für Anwendungen beim Röntgen-BildabtastenThe present invention is primarily related to the field of monolithic image sensors, and more particularly to a CMOS (Time-Delay and Integration (TOI) sensor for X-ray image scanning applications)

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Die Erfindung betrifft einen TDI-CMOS-Sensor für lineare Bilder, der für Anwendungen in der Hochgeschwindigkeits-Röntgen-Bildabtastung geeignet ist. TDI-CMOS-Sensoren werden zum Zeilenabtasten bei Hochgeschwindigkeit eingesetzt, wobei das integrierte Eingangslichtsignal sehr niedrig ist. Bei der Anwendung eines normalen Zeilenabtastens wird zum Verstärken des integrierten Eingangslichtsignals die Abtastgeschwindigkeit herabgesetzt, so dass die Integrationszeit vergrößert wird. Der TDI-Sensor gestattet dem Zeilenabtastdetektorsystem, das Lichtsignal zu verstärken, ohne die Abtastgeschwindigkeit zu opfern. Es wird unter Einsatz einer Ladungsverschiebeschaltung, wie eines ladungsgekoppelten Bausteins (charge-coupled device, CCD), normalerweise durchgeführt.The invention relates to a linear image TDI CMOS sensor suitable for high speed X-ray image scanning applications. TDI CMOS sensors are used for line scanning at high speed, with the integrated input light signal being very low. When a normal line scan is applied, the scan speed is lowered to enhance the integrated input light signal, so that the integration time is increased. The TDI sensor allows the line scan detector system to amplify the light signal without sacrificing the scan speed. It is normally performed using a charge transfer circuit such as a charge-coupled device (CCD).

In einem CCD-TDI-Array enthält jedes Detektorpixel N-malige Stufen von TDI-Lagen. Zum Beispiel umfasst ein linearer Detektor mit M-maligen Pixels ein CCD-Array mit zweidimensionalen M×N-maligen Stufen. Der CCD mit N-maligen Stufen für jedes Pixel steht parallel zur Abtastrichtung. In Betrieb integriert der Erststufen-CCD das Lichtsignal innerhalb einer Integrationszeit, die einer Einzeilenzeit entspricht. Die Signalladung wird dann von der ersten Stufe auf die zweite Stufe des CCD übertragen, wobei sich der gerade abgetastete Gegenstand synchron mit der Bewegung der Signalladung auch von der ersten Stufe auf die zweite Stufe des CCD verschiebt. Der Zweitstufen-CCD wird während der zweiten Integrationszeit für denselben Gegenstand die Signalladung integrieren. Infolgedessen wird am Ende der Integrationszeit die Signalladung des Zweitstufen-CCD zweimal so groß sein wie die Signalladung, die der Zweitstufen-CCD von der ersten Stufe erhält. Die Signalladung der zweiten Stufe wird sich dann synchron mit der Bewegung des Gegenstands auf die dritte Stufe verschieben. Neben dem Signal, das der Drittstufen-CCD von der zweiten Stufe erhält, integriert der Drittstufen-CCD wieder das Lichtsignal. Der Arbeitsvorgang wiederholt sich. Beim Erreichen des letzten, N-ten-Stufen-CCD ist das Lichtsignal N-mal verstärkt. Sodann liest ein Ausgangs-CCD-Schieberegister das Signal mit M-maligen Pixeln der Reihe nach ab.In a CCD TDI array, each detector pixel contains N-fold stages of TDI layers. For example, a M-pixel linear detector includes a CCD array with two-dimensional M × N-times steps. The N-level CCD for each pixel is parallel to the scan direction. In operation, the first stage CCD integrates the light signal within an integration time that corresponds to a one-line time. The signal charge is then transferred from the first stage to the second stage of the CCD, the object being scanned also shifting from the first stage to the second stage of the CCD in synchronism with the movement of the signal charge. The second stage CCD will integrate the signal charge for the same item during the second integration time. As a result, at the end of the integration time, the signal charge of the second stage CCD will be twice as large as the signal charge received by the second stage CCD from the first stage. The second stage signal charge will then shift synchronously with the movement of the item to the third stage. In addition to the signal received by the third-stage CCD from the second stage, the third-stage CCD again integrates the light signal. The process is repeated. Upon reaching the last, N-th stage CCD, the light signal is amplified N times. Then, an output CCD shift register sequentially reads the signal with M-times pixels.

Das CCD-TDI-Bildgebungssystem findet zwar eine breite Anwendung bei sichtbarer Hochgeschwindigkeits-Industriekontrolle und bei medizinischen Röntgenverfahren, z. B. bei der Computertomographie und beim panoramischen Zahnabtasten, doch weist das CCD-TDI-Bildgebungssystem Nachteile bei Anwendungen bei industrieller Röntgen-Kontrolle auf. Bei einem industriellen Röntgen-Kontrollsystem ist die Pixelgröße des Detektors normalerweise ziemlich groß im Vergleich zu der Pixelgröße eines normalen CCD-Sensors. Die erforderliche Pixelgröße bei einer solchen Anwendung erstreckt sich von ein paar Zehntel Millimetern bis zu ein paar Millimetern. Wenn die Pixelgröße zunimmt, nimmt die Abtastgeschwindigkeit des CCD erheblich ab; infolgedessen eignet sich das herkömmliche CCD-TDI-Bildgebungssystem nicht für eine solche Anwendung.While the CCD TDI imaging system is widely used in high speed, visible industrial inspection and medical X-ray procedures, e.g. In computed tomography and panoramic tooth scanning, however, the CCD-TDI imaging system has disadvantages in industrial X-ray inspection applications. In an industrial X-ray control system, the pixel size of the detector is usually quite large compared to the pixel size of a standard CCD sensor. The required pixel size in such an application ranges from a few tenths of a millimeter to a few millimeters. As the pixel size increases, the scanning speed of the CCD decreases significantly; as a result, the conventional CCD-TDI imaging system is not suitable for such an application.

Ein zweiter Nachteil eines CCD-TDI-System liegt darin, dass es für Röntgenstrahlungsschäden sehr anfällig ist. Bei medizinischen Röntgen-Abtast-Anwendungen ist die Energie und Dosierung des Röntgenstrahls normalerweise viel niedriger als die der Anwendungen bei industrieller Kontrolle. Bei medizinischen Anwendungen ist nicht nur die Röntgen-Dosierung durch die Food and Drug Administration (FDA) geregelt; die Energie ist aufgrund des weichen Menschengewebes normalerweise geringer als 100 KeV. Für industrielle Anwendungen kann sich die eingesetzte Energie von 50 KeV bis 15 MeV erstrecken, wobei es darauf kommt, was für ein Material kontrolliert wird. Da es keine Reglung zum Einschränken der Röntgen-Dosierung bei einem industriellen Kontrollsystem gibt, kann die Dosierung viel höher als die der medizinischen Abtastsysteme sein. Unter der Röntgenstrahlung führt die Ansammlung der Strahlungsbelastung eines CCD-Sensors dazu, dass der Dunkelstrom vergrößert wird und die Potentiale des Potentialtopfs geschoben werden, so dass die Lebensdauer verkürzt wird.A second disadvantage of a CCD TDI system is that it is very susceptible to X-radiation damage. In medical x-ray scanning applications, the energy and dosage of the x-ray beam is usually much lower than that of industrial control applications. In medical applications, not only is the dosage of X-rays regulated by the Food and Drug Administration (FDA); the energy is usually less than 100 KeV due to the soft human tissue. For industrial applications, the energy used can range from 50 KeV to 15 MeV, depending on what kind of material is being controlled. Since there is no control for restricting X-ray dosage in an industrial control system, the dosage may be much higher than that of the medical scanning systems. Under the X-radiation, the accumulation of the radiation load of a CCD sensor causes the dark current to be increased and the potential well potentials to be pushed, thus shortening the life.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein CMOS-Detektorsystem auszuführen, das die Nachteile des CCD-Detektors bei einem industriellen Röntgen-Kontrollsystem mindert. Da im Ladungsgebiet sich die Signalladungen nicht von einer CMOS-Schaltung auf eine weitere CMOS-Schaltung verschieben, ist es schwieriger, unter Einsatz einer CMOS-Schaltung einen TDI-Sensor auszuführen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren dar, mit dem der TDI-Sensor in der CMOS-Schaltung unter Einsatz von ladungsintegrierenden und -summierenden Verstärkern ausgeführt wird.It is an object of the present invention to provide a CMOS detector system which mitigates the disadvantages of the CCD detector in an industrial X-ray control system. Since in the charge region the signal charges do not shift from one CMOS circuit to another CMOS circuit, it is more difficult to implement a TDI sensor using a CMOS circuit. The present invention is a method by which the TDI sensor is implemented in the CMOS circuit using charge-integrating and -summing amplifiers.

Demgemäß ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zeitverzögerung-und-Integration(Time Delay and Integration, TDI)-Bildabtaststruktur bereitzustellen, die unter Einsatz von Standard-CMOS-Herstellungsverfahren ausgeführt werden kann.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a Time Delay and Integration (TDI) image sampling structure which can be performed using standard CMOS fabrication techniques.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein TDI-Bildabtastdetektorsystem bereitzustellen, das für größere Pixel-zu-Pixel-Abstände, wie z. B. in einem industriellen Röntgen-Detektorsystem, geeignet ist, ohne die Ablesegeschwindigkeit zu opfern.Another object of the present invention is to provide a TDI image pick-up detector system which is suitable for larger pixel-to-pixel distances, e.g. In an industrial X-ray detector system, without sacrificing the reading speed.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Röntgen-TDI-Detektorsystem bereitzustellen, bei dem die CMOS-Schaltung von den Photodioden-Detektoren getrennt werden kann, so dass die CMOS-Schaltung einfach vor Röntgenstrahlungsschäden geschützt werden kann.Another object of the present invention is to provide an X-ray TDI detector system in which the CMOS circuit can be separated from the photodiode detectors so that the CMOS circuit can be easily protected from X-radiation damage.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer CMOS-TDI-Stufe der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic circuit diagram of a CMOS TDI stage of the present invention.

2 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Reihe des TDI-Pixels mit N-maligen TDI-Stufen und ein Blockdiagramm eines digitalen Abtast-Schiebe-Registers. 2 Fig. 12 is a schematic circuit diagram of a series of the NDI TDI TDI pixel and a block diagram of a sample scan digital register.

3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausgangsdifferenzverstärkers zum Ablesen eines Videosignals. 3 shows a block diagram of an output differential amplifier for reading a video signal.

4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zum Betreiben des TDI-Sensors. 4 shows a timing diagram for operating the TDI sensor.

5 zeigt einen schematischen Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 5 shows a schematic circuit diagram of another preferred embodiment of the present invention.

6 zeigt ein alternatives Zeitablaufdiagramm zum Betreiben des TDI-Sensors. 6 shows an alternative timing diagram for operating the TDI sensor.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung unter Einsatz einer CMOS-Schaltung einen TDI-Sensor auszuführen sind vielfältig. Erstens können alle periphereren Schaltungen, wie z. B. Verstärkers, Taktgeneratoren und Treiber mit Photodioden unter Einsatz eines kommerziellen Standard-CMOS-Herstellungsverfahrens integriert werden. Zweitens kann er mit einem Detektor mit großer Pixelgröße, wie z. B. einer Pixelgröße von 0,8 mm bis ein paar Millimeter, ausgeführt werden. Dies ist für die Anwendung von Röntgenverfahren besonders vorteilhaft, wo eine große Pixelgröße erforderlich ist; beispielsweise ist für die Überprüfung eines Gütercontainers und einer Ölleitung eine große Pixelgröße erforderlich. Es ist bekannt, dass CCDs mit kleinerer Pixelgröße besser arbeiten. Wenn die Pixelgröße größer wird, wird die CCD-Geschwindigkeit erheblich herabgesetzt. Deswegen ist der CMOS-TDI-Sensor besser für Anwendungen bei industriellem Röntgenverfahren geeignet. Drittens ist bekannt, dass CCD-Elemente und CMOS-Schaltungen für Röntgenstrahlungsschäden anfällig sind. Bei der vorliegenden CMOS-Ausführung können die peripheren Schaltungen mit einem Photodiodenarray in denselben Chip, aber mit einem ausreichenden Abstand oder einer ausreichende Spalte zu den Photodiodendetektoren integriert werden, so dass die peripheren Schaltungen einfach mit Schwermetall, wie z. B. Blei, abgedeckt werden können, um zum Schutz vor Röntgenstrahlungsschäden abgeschirmt zu werden.The advantages of the present invention using a CMOS circuit to perform a TDI sensor are manifold. First, all peripheral circuits, such. For example, amplifiers, clock generators, and photodiode drivers can be integrated using a standard commercial CMOS manufacturing process. Second, he can with a detector with large pixel size, such. As a pixel size of 0.8 mm to a few millimeters, are executed. This is particularly advantageous for the use of X-ray methods where a large pixel size is required; For example, a large pixel size is required to inspect a freight container and an oil line. It is known that smaller pixel size CCDs work better. As the pixel size becomes larger, the CCD speed is significantly lowered. Therefore, the CMOS TDI sensor is better suited for industrial X-ray applications. Third, it is known that CCD elements and CMOS circuits are susceptible to X-radiation damage. In the present CMOS embodiment, the peripheral circuits with a photodiode array can be integrated into the same chip, but with a sufficient gap or column to the photodiode detectors, so that the peripheral circuits are easily covered with heavy metal, such as metal. As lead, can be covered to be shielded for protection against X-ray damage.

Die vorliegende Erfindung setzt Photodioden als Detektoren ein, um das Eingangslichtsignal zu integrieren. Jede TDI-Stufe umfasst einen Photodiodendetektor, eine Mehrzahl von Verstärkern, eine Mehrzahl von Speicherkondensatoren und eine Mehrzahl von Steuerschaltern. Jede Photodiode ist mit einem integrierenden Verstärker, einer summierenden Schaltung und eine Mehrzahl von Speicherschaltungen verbunden. Das Integrieren und Summieren kann in einem einzelnen Verstärker oder mehreren Verstärkern ausgeführt werden. Die Speicherschaltung wird unter Einsatz eines Speicherkondensators und eines Pufferverstärkers ausgeführt. Mit der Technik der korrelierten Doppelabtastung (Correlated Double Sampling, CDS) können das Aufrechterhalten des Lichtsignals und das Rückstellen der Spannung gleichzeitig durchgeführt werden. Die CDS-Photosignal(Signal- und Rückstell-)-Spannungen können auf die folgende TDI-Stufe übertragen werden, ohne Offset-Störgeräusche zu akkumulieren. In dieser Reihenfolge integriert die folgende TDI-Stufe nicht nur das Photosignal während einer Integrationszeit (Linienzeit), sie empfängt auch die gespeicherten CDS-Spannungen von der vorherigen TDI-Stufe. Eine summierende Schaltung kombiniert den Strom mit den vorherigen TDI-Stufen-CDS-Photosignalen und gibt die neuen CDS-Spannungen auf die Speicherschaltungen aus. Dann werden die gespeicherten CDS-Spannungen auf die folgende TDI-Stufe übertragen. Der Arbeitsvorgang wiederholt sich soweit, bis dass die letzte TDI-Stufe erreicht ist, wo das CDS-Signal mit einem Differenzverstärker abgelesen wird. Normalerweise wird das Ablesen mittels eines digitalen Abtast-Schiebe-Registers, das einem Standard-CMOS-Linear-Photodiodenarray (PDA) ähnlich ist, vorgenommen. Der Betrieb der TDI-Funktion, der das Ladungsintegrieren, das Summieren, das Speichern und des Übertragen eines CDS-Signals umfasst, wird durch eine Mehrzahl von Steuerschaltern und einen Satz von Taktsignalen gesteuert.The present invention employs photodiodes as detectors to integrate the input light signal. Each TDI stage includes a photodiode detector, a plurality of amplifiers, a plurality of storage capacitors, and a plurality of control switches. Each photodiode is connected to an integrating amplifier, a summing circuit and a plurality of memory circuits. The integrating and summing can be performed in a single amplifier or multiple amplifiers. The memory circuit is implemented using a storage capacitor and a buffer amplifier. The Correlated Double Sampling (CDS) technique allows the simultaneous maintenance of the light signal and the resetting of the voltage. The CDS photosignal (signal and reset) voltages can be transferred to the following TDI stage without accumulating offset noise. In this order, the following TDI stage not only integrates the photosignal during an integration time (line time), but also receives the stored CDS voltages from the previous TDI stage. A summing circuit combines the current with the previous TDI level CDS photosignals and outputs the new CDS voltages to the memory circuits. Then the stored CDS voltages are transferred to the following TDI stage. The process repeats until the last TDI stage is reached, where the CDS signal is read with a differential amplifier. Normally, reading is done by means of a scan-scan digital register similar to a standard CMOS linear photodiode array (PDA). The operation of the TDI function, which includes charge-integrating, summing, storing, and transmitting a CDS signal, is controlled by a plurality of control switches and a set of clock signals.

Ein Vorteil des Einsatzes einer CMOS-Schaltung zur Ausführung des TDI-Detektorsystems liegt darin, dass die CMOS-Schaltung unter Verwendung des Standard-CMOS-Verfahrens mit allen Betriebstaktgeneratoren und Signalverarbeitungsschaltungen in einen einzelnen Chip integriert werden kann. Dadurch werden die Herstellungskosten reduziert.One advantage of using a CMOS circuit to implement the TDI detector system is that the CMOS circuitry can be used with the standard CMOS method Operating clock generators and signal processing circuits can be integrated into a single chip. This reduces the manufacturing costs.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes einer CMOS-Schaltung zur Ausführung des Röntgen-TDI-Detektorsystems liegt darin, dass das Röntgen-TDI-Detektorsystem mit größerer Pixelgröße und gleichzeitig bei einer sehr hohen Abtastgeschwindigkeit ausgeführt werden kann.Another advantage of using a CMOS circuit to implement the X-ray TDI detector system is that the X-ray TDI detector system can be designed with larger pixel size and at the same time at a very high scanning speed.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes einer CMOS-Schaltung zur Ausführung des TDI-Detektors gemäß der Erfindung liegt darin, dass die CMOS-Schaltung vom Photodiodenarray getrennt werden kann. Somit kann die CMOS-Schaltung angemessen vor Röntgenstrahlungsschäden abgeschirmt werden.Another advantage of using a CMOS circuit to implement the TDI detector according to the invention is that the CMOS circuit can be separated from the photodiode array. Thus, the CMOS circuit can be adequately shielded from X-ray damage.

Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuchten angesichts der Beschreibung der zur Zeit bekannten besten Weise zur Ausführung der Erfindung ersichtlich, wie in der Beschreibung erläutert und in den Zeichnungen dargestellt ist.These and other objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art in view of the description of the best mode presently known for carrying out the invention, as illustrated in the specification and illustrated in the drawings.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed Description of the Preferred Embodiments

1 bis 4 stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildlich dar. 1 zeigt den schematischen Schaltplan einer TDI-Stufe 100. 2 zeigt den schematischen Schaltplan eines Pixels eines linearen Detektors mit N-maligen TDI-Stufen. Ein Array mit M-maligen Pixels umfasst M-malige Reihen von Schaltungen, wie es in 2 gezeigt ist. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines CDS-Differenzverstärkers auf der letzten TDI-Stufe zum Ablesen des Signals. 4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm für den Betrieb des TDI-Sensors. 1 to 4 illustrate a preferred embodiment of the present invention. 1 shows the schematic diagram of a TDI stage 100 , 2 shows the schematic diagram of a pixel of a linear detector with N-times TDI stages. An array of M-times pixels comprises M-series of circuits, as in 2 is shown. 3 shows a block diagram of a CDS differential amplifier on the last TDI stage for reading the signal. 4 shows a timing diagram for the operation of the TDI sensor.

Wie in 1 gezeigt, besteht jede TDI-Stufe aus einer Photodiode 101, einem summierenden Kondensator 102, einem integrierenden und summierenden Verstärker 103 und einer CDS-Schaltung 104. Der integrierende und summierende Verstärker 103 umfasst einen Verstärker A1, einen integrierenden Kondensator C1 und einen Resetschalter SW1. Der integrierende Kondensator C1 und der Resetschalter SW1 sind zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangspol des Verstärkers A1 gekoppelt. Die CDS-Schaltung 104 umfasst zwei Eingangsschalter SW2 und SW3, eine erste Speicherschaltung mit einem Kondensator C2 und einem Pufferverstärker A2, einen Übertragungsschalter SW4, eine zweite Speicherschaltung mit einem Speicherkondensator C3 und einem Pufferverstärker A3, eine dritte Speicherschaltung mit einem Speicherkondensator C4 und einem Pufferverstärker A4 und zwei Ausgangsschalter SW5, SW6. Der summierende Kondensator 102 wird zum Empfangen einer Rückstell- und einer Photo-Signalspannung von der vorherigen TDI-Stufe eingesetzt. Der integrierende und summierende Verstärker 103 wird zum Rückstellen der Photodiode 101 und zum Integrieren und Summieren der Rückstell- und einer Photo-Signalspannungen von der vorherigen TDI-Stufe und ihrer eigenen Photodiode 101. Die CDS-Schaltung 104 wird zum Abtasten und Halten der kombinierten Rückstell- und Photo-Signalspannungen vom Ausgang des integrierenden und summierenden Verstärkers 103 eingesetzt.As in 1 As shown, each TDI stage consists of a photodiode 101 , a summing capacitor 102 , an integrating and summing amplifier 103 and a CDS circuit 104 , The integrating and summing amplifier 103 includes an amplifier A1, an integrating capacitor C1 and a reset switch SW1. The integrating capacitor C1 and the reset switch SW1 are coupled between an input and an output terminal of the amplifier A1. The CDS circuit 104 comprises two input switches SW2 and SW3, a first memory circuit having a capacitor C2 and a buffer amplifier A2, a transmission switch SW4, a second memory circuit having a storage capacitor C3 and a buffer amplifier A3, a third storage circuit having a storage capacitor C4 and a buffer amplifier A4, and two output switches SW5 , SW6. The summing capacitor 102 is used to receive a reset and a photo signal voltage from the previous TDI stage. The integrating and summing amplifier 103 is used to reset the photodiode 101 and integrating and summing the reset and photo signal voltages from the previous TDI stage and its own photodiode 101 , The CDS circuit 104 is used to sample and hold the combined reset and photo signal voltages from the output of the integrating and summing amplifier 103 used.

2 zeigt eine Spalte von Pixeln, die einzelne TDI-Schaltungen aufweist, die mit N-maligen Stufen hintereinander geschaltet sind. Bis auf die erste und die letzte Stufe 50, 200 ist jede einzelne TDI-Stufe eine Nachbildung der TDI-Stufe 100. Da in der ersten TDI-Stufe 50 keine vorherige Stufe vorhanden ist, ist eine Platte des summierenden Kondensators 52 geerdet. In der letzten Stufe 200 sind die Pufferverstärker A3 und A4 mit Pufferverstärkern 205 und 206 ersetzt, die mehr Antriebsleistung zur Verfügung stellen, um schwerere kapazitive Ladungen des Ausgangsdifferenzverstärkers 20 anzutreiben, wie es in 3 gezeigt ist. Um das Ablesen des Rückstell- und Photosignals zu erleichtern, werden die Ausgangsschalter SW5 und SW6 der letzten Stufe 200 mit einem Satz von Schaltern 207 ersetzt. Die Schalter 207 werden durch einen SM angetrieben, der den Ausgang vom digitalen Abtast-Schiebe-Registers 10 repräsentiert. Das digitale Abtast-Schiebe-Register 10 liest jedes Pixel des dem Standard-Photodiodenarray ähnlichen Arrays mit M-maligen Stufen in Reihenfolge ab. Alle Schalter SW1 bis SW6 in jeder TDI-Stufe werden durch die gleichen Taktsignale angetrieben, wie es in 4 gezeigt ist. 2 Figure 11 shows a column of pixels comprising individual TDI circuits connected in series with N-times steps. Except for the first and the last stage 50 . 200 Each TDI level is a replica of the TDI level 100 , Because in the first TDI stage 50 there is no previous stage, is a summing capacitor plate 52 grounded. In the last stage 200 are the buffer amplifiers A3 and A4 with buffer amplifiers 205 and 206 which provide more drive power to heavier capacitive charges of the output differential amplifier 20 to drive as it is in 3 is shown. To facilitate reading the reset and photosignal, the output switches SW5 and SW6 become the last stage 200 with a set of switches 207 replaced. The switches 207 are driven by a SM, which is the output from the scan-scan digital register 10 represents. The digital sample-shift register 10 reads each pixel of the standard photodiode array-like M-level array in order. All the switches SW1 to SW6 in each TDI stage are driven by the same clock signals as shown in FIG 4 is shown.

Mit Bezug auf 1 werden in Betrieb die Photodiode 101 und der integrierende und summierende Verstärker 103 durch Ausschalten des Schalters SW1 zurückgesetzt, bevor das Integrieren des Photosignals startet. Zugleich werden die Schalter SW2 und SW6 auch ausgeschaltet. Das Ausschalten des Schalters SW6 gestattet, die am Kondensator C4 gespeicherte Rückstellspannung auf die folgende TDI-Stufe zu übertragen. Daraufhin wird die Rückstellspannung der vorherigen TDI-Stufe mittels des summierenden Kondensators 102 mit der Rückstellspannung des Verstärkers 103 summiert. Die kombinierte Rückstellspannung wird durch den Schalter SW2 am Kondensator C2 gespeichert. Zum Starten des Integrationsverfahrens jeder TDI-Stufe wird der Schalter SW1 eingeschaltet; anschließend werden die beiden Schalter SW2 und SW6 eingeschaltet. Es gibt eine Verzögerung zwischen den Einschaltvorgängen der Schalter SW2 und SW1 (Der Schalter SW1 wird früher als der Schalter SW2 eingeschaltet), wie es im Zeitablaufdiagramm aus 4 gezeigt ist. Dies gestattet das Einstellen des Verstärkers A1, bevor die Rückstellspannung im Kondensator C2 abgetastet wird.Regarding 1 become the photodiode in operation 101 and the integrating and summing amplifier 103 reset by turning off the switch SW1 before starting to integrate the photosignal. At the same time, the switches SW2 and SW6 are also turned off. Turning off switch SW6 allows the reset voltage stored on capacitor C4 to be transferred to the following TDI stage. Thereafter, the reset voltage of the previous TDI stage by the summing capacitor 102 with the reset voltage of the amplifier 103 summed. The combined reset voltage is stored by the switch SW2 on the capacitor C2. To start the integration process of each TDI stage, the switch SW1 is turned on; then the two switches SW2 and SW6 are turned on. There is a delay between the turn-ons of the switches SW2 and SW1 (the switch SW1 is turned on earlier than the switch SW2) as shown in the timing chart 4 is shown. This allows the setting of the amplifier A1 before the reset voltage in the capacitor C2 is sampled.

Sobald das Integrationsverfahren beginnt, wird der Schalter SW5 ausgeschaltet, um zu gestatten, dass das am Kondensator C3 gespeicherte Photosignal auf die folgende TDI-Stufe übertragen wird. Daraufhin wird das Photosignal der vorherigen TDI-Stufe durch den summierenden Kondensator 102 mit dem Photosignal der aktuellen TDI-Stufe von der Photodiode 101 summiert. Am Ende des Integrationszykluses wird der Schalter SW3 ausgeschaltet und wird das kombinierte Photosignal abgetastet und in den Kondensator C3 gespeichert. Nachdem der Schalter SW3 eingeschaltet ist, wird der Schalter SW4 ausgeschaltet und wird die am Kondensator C2 gespeicherte Rückstellspannung auf den Kondensator C4 übertragen. Die Photodiode 101 und der Verstärker A1 werden wieder zurückgesetzt, um den nächsten Integrationszyklus einzusetzen. Der Arbeitsvorgang wiederholt sich, bis die letzte TDI-Stufe 200 erreicht ist, wie es in 2 gezeigt ist.Once the integration process begins, the switch SW5 is turned off to allow the photosignal stored at the capacitor C3 to be transferred to the following TDI stage. Thereupon, the photosignal of the previous TDI stage becomes the summing capacitor 102 with the photosignal of the current TDI stage from the photodiode 101 summed. At the end of the integration cycle, the switch SW3 is turned off and the combined photosignal is sampled and stored in the capacitor C3. After the switch SW3 is turned on, the switch SW4 is turned off and the reset voltage stored on the capacitor C2 is transferred to the capacitor C4. The photodiode 101 and the amplifier A1 are reset again to use the next integration cycle. The process repeats until the last TDI stage 200 is achieved, as is in 2 is shown.

Sodann wird ein Abtast-Schiebe-Register 10 durch einen Startimpuls SI initialisiert, um das Signal der Reihe nach von einem Standard-Photodiodenarray ähnlichen linearen Array mit M-maligen Pixeln abzulesen. Wenn ein Pixel durch den Ausgang SM des Abtast-Schiebe-Registers 10 adressiert wird, werden die Rückstell- und Photodiodensignalspannung des Pixels auf den CDS-Ausgangdifferenzverstärker 20 für Verarbeitung übertragen. Eine Verstärkungsstufe 30 kann zusätzlich vorgesehen sein, um die Signalhöhe zu vergrößern. Dadurch wird ein einendiges Videosignal erhalten, wie es in 4 gezeigt ist.Then a scan-shift register 10 initialized by a start pulse SI to read the signal sequentially from a standard photodiode array-like linear array of M-times pixels. When a pixel passes through the output SM of the sample shift register 10 is addressed, the reset and photodiode signal voltage of the pixel to the CDS output differential amplifier 20 transferred for processing. An amplification stage 30 may be additionally provided to increase the signal level. This will result in a single-ended video signal as shown in 4 is shown.

5 zeigt einen schematischen Schaltplan eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Sie bildet eine TDI-Stufe ab. Der einzige Unterschied zwischen den Schaltungen in 1 und 5 liegt darin, dass die Funktion des integrierenden und summierenden Verstärkers 103 in 1 mit einem integrierenden Verstärker 60 und einem Addierer 70 in 5 ersetzt wird. Die CDS-Schaltungen in 1 und 5 sind gleich. Der integrierende Verstärker 60 umfasst einen Verstärker A1a, einen integrierenden Kondensator C1a und einen Resetschalter SW1a und dient zum Zurücksetzen der Photodiode 101 und zum Integrieren seines Photosignals in den integrierenden Kondensator C1a. Der Addierer 70 umfasst einen Verstärker Alb, einen integrierenden Kondensator C1b und einen Resetschalter SW1b und dient zum Summieren der Rückstell- und Photodiodensignalspannungen der Photodiode 101 über den summierenden Kondensator 61 mit den von der vorherigen TDI-Stufe durch den summierenden Kondensator 62 empfangenen Rückstell- und Photodiodensignalspannungen. 5 shows a schematic circuit diagram of another preferred embodiment of the present invention. It depicts a TDI level. The only difference between the circuits in 1 and 5 lies in the fact that the function of the integrating and summing amplifier 103 in 1 with an integrating amplifier 60 and an adder 70 in 5 is replaced. The CDS circuits in 1 and 5 are equal. The integrating amplifier 60 comprises an amplifier A1a, an integrating capacitor C1a and a reset switch SW1a and serves to reset the photodiode 101 and for integrating its photosignal into the integrating capacitor C1a. The adder 70 includes an amplifier Alb, an integrating capacitor C1b, and a reset switch SW1b, and is for summing the photodiode reset and photodiode signal voltages 101 over the summing capacitor 61 with those from the previous TDI stage through the summing capacitor 62 received reset and photodiode signal voltages.

Danach führt die CDS-Schaltung 104 die oben beschriebene gleiche Antast- und Halte-Funktion aus. Das Zeitdiagramm in 4 muss leicht modifiziert werden, um die Trennung der integrierenden und der summierenden Funktion zu erleichtern.After that performs the CDS circuit 104 the same probing and holding function described above. The timing diagram in 4 must be slightly modified to facilitate separation of the integrating and summing functions.

Wie in 1 und 4 gezeigt, verwendet die CDS-Schaltung 104 zwei parallele, unabhängige Speicherschaltungen, um das Rückstell- und das Photosignal zu senden. Alternativ kann eine Kette von Speicherschaltungen eingesetzt werden, wobei das Rückstell- und das Photosignal durch diese Kette einzeln eins nach dem anderen übertragen werden kann. Der Vorteil des Einsatzes einer einzelnen Kette von Speicherschaltungen liegt darin, dass das Rückstell- und das Photosignal den gleichen Versatz (offset) haben, der durch die Pufferverstärker verursacht ist. Folglich kann der Versatz vollständig durch die folgende TDI-Stufe eliminiert werden.As in 1 and 4 shown uses the CDS circuit 104 two parallel, independent memory circuits to send the reset and the photosignal. Alternatively, a chain of memory circuits may be employed wherein the reset and the photosignal may be transmitted one by one through this chain one at a time. The advantage of using a single chain of memory circuits is that the reset and the photosignal have the same offset caused by the buffer amplifiers. Consequently, the offset can be completely eliminated by the following TDI stage.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die TDI-Stufe aus 1 wechselseitig mit der in 6 gezeigten Taktsequenz betrieben werden. In diesem Betriebsmodus wird zuerst die Differenz zwischen dem Rückstell- und dem Photosignal, die in der CDS-Schaltung 104 gespeichert sind, erfasst, bevor diese beiden Signale mit dem Photosignal der Photodiode 101 summiert werden. Danach wird das kumulative Photosignal abgetastet und im Kondensator C3 gehalten. Das Rückstellsignal der Photodiode 101 allein wird auch abgetastet und im Kondensator C3 gehalten und wird nicht mit dem Rückstellsignal der vorherigen TDI-Stufe kombiniert. Die beiden durch die Zeitdiagramme aus 4 und 6 dargestellten Betriebsmodi erhalten die Vorteile der vorliegenden Erfindung.In another preferred embodiment of the present invention, the TDI stage may be off 1 Mutual with the in 6 operated clock sequence can be operated. In this mode of operation, first, the difference between the reset and the photosignal that is in the CDS circuit 104 are stored, detected, before these two signals with the photo signal of the photodiode 101 be summed up. Thereafter, the cumulative photo signal is sampled and held in the capacitor C3. The reset signal of the photodiode 101 alone is also sampled and held in capacitor C3 and is not combined with the reset signal of the previous TDI stage. The two out through the timing diagrams 4 and 6 illustrated operating modes receive the advantages of the present invention.

Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele stellen lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung dar. Es gibt zahlreiche Variationen, die von dieser Erfindung hergeleitet werden können.The preferred embodiments described above are merely examples of the present invention. There are numerous variations that can be derived from this invention.

Gleichermaßen ist der mit 6 dargestellte neue Betriebsmodus mit geringfügiger Taktmodifikation auch für die TDI-Schaltung in 5 anwendbar, um die Trennung der integrierenden und der summierenden Funktionen zu erleichtern.Likewise, the one with 6 illustrated new operating mode with slight clock modification also for the TDI circuit in 5 applicable to facilitate the separation of the integrating and summing functions.

Claims

CMOS TDI detector stage comprising: - an integrating and summing amplifier ( 103 ) comprising an integrating input terminal, a summing input terminal connectable to or separable from the integrating input terminal, an output terminal, an integrating capacitor and a reset switch, - a photodetector connected to the integrating input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ) connected is, A summing capacitor whose first electrode is connected to the output of the previous TDI stage and whose second electrode is connected to the summing input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), and - a correlated double sample and hold (CDS) circuit ( 104 ) comprising a plurality of switches and a plurality of memory circuits, the CDS circuit ( 104 ) an input terminal connected to the output terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), and an output terminal connected to the summing capacitor of the following TDI stage, characterized in that the integrating and summing amplifier ( 103 ) is reset by turning off the reset switch and the reset signal of the photodetector and in the CDS circuit ( 104 ) is then summed and immediately reset by the CDS circuit (FIG. 104 ) can be sampled and held when the reset switch is then turned on, then the integrating and summing amplifier ( 103 ) starts the integration of the photo signal of the photodetector and at the same time the integrated photo signal of the photodetector and in the CDS circuit ( 104 ) sums the photoswitch stored in the previous TDI stage into a combined photosignal which is reproduced by the CDS circuit ( 104 ) is sampled and held, and that the combined photosignal and the reset signal in the CDS circuit ( 104 ) and stand by for a transfer to the following TDI level.

CMOS TDI detector stage according to claim 1, characterized in that the combined reset signal and the combined photosignal in the parallel, independent memory circuits in the CDS circuit ( 104 ) be transmitted.

CMOS TDI detector stage according to claim 1, characterized, that the combined reset signal and the combined photosignal are transmitted in a single chain of memory circuits, and the combined reset signal and the combined photosignal are transmitted one by one by the memory circuits.

CMOS TDI detector stage comprising: - an integrating and summing amplifier ( 103 ) comprising an integrating input terminal, a summing input terminal connectable to or separable from the integrating input terminal, an output terminal, an integrating capacitor and a reset switch, - a photodetector connected to the integrating input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), a summing capacitor whose first electrode is connected to the output of the previous TDI stage and whose second electrode is connected to the summing input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), and - a correlated double sample and hold (CDS) circuit ( 104 ) comprising a plurality of switches and a plurality of memory circuits, the CDS circuit ( 104 ) an input terminal connected to the output terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), and an output terminal connected to the summing capacitor of the following TDI stage, characterized in that the integrating and summing amplifier ( 103 ) is reset by turning off the reset switch and the generated signal is then reset by the CDS circuit ( 104 ) is sampled and held when the reset switch is then turned on, then the integrating and summing amplifier ( 103 ) starts integrating the photosignal of the photodetector and generates a cumulative signal which is a sum of the photodetector integrated photodetector and the difference between that in the CDS circuit ( 104 ) of the previous TDI stage held previous cumulative signal and that in the CDS circuit ( 104 ) represents the reset signal held on the previous TDI stage, that further comprises the cumulative signal through the CDS circuit ( 104 ) is sampled and held and that the cumulative signal and the reset signal in the CDS circuit ( 104 ) and stand by for a transfer to the following TDI level.

CMOS TDI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the integrating and summing amplifier ( 103 ) comprises one or more stages.

CMOS-TDI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the integrating input terminal and the summing input terminal are combined in an input terminal and that the integrating capacitor of the integrating and summing amplifier ( 103 ) comprises a first electrode connected to the input terminal and a second electrode connected to the output terminal.

CMOS TDI detector stage according to claim 6, characterized in that the integrating and summing amplifier ( 103 ) an analogue Amplifier which has either single or differential inputs.

CMOS TOI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the integrating and summing amplifier ( 103 ) comprises a dual-stage amplifier, wherein the first-stage amplifier performs the integration of the photosignal and the second-stage amplifier performs the summing, further wherein the input of the first-stage amplifier of the integrating input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), the second stage amplifier being connected to the output of the first stage amplifier and the summing input terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ), the output of the second-stage amplifier being the output terminal of the integrating and summing amplifier ( 103 ) becomes.

A CMOS TDI detector stage according to claim 8, characterized in that the first stage amplifier is an analog amplifier having either single or differential inputs and further comprising the integrating capacitor having a first electrode connected to the integrating input terminal and one output Having the first-stage amplifier connected second electrode.

CMOS TDI detector stage according to claim 8, characterized in that the second stage amplifier is an analog amplifier having either single or differential inputs and further comprising an additional capacitor, whose first electrode to the input of the second stage amplifier and whose second electrode is connected to the output of the second stage amplifier.

CMOS TDI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the photodetector comprises a photosensitive diode which can convert light into electric current.

CMOS TDI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the sequential circuit of the CDS circuit ( 104 ) has a storage capacitor and a buffer amplifier.

CMOS TDI detector stage according to claim 4, characterized in that the reset signal and the cumulative signal in the parallel, independent memory circuits in the CDS circuit ( 104 ) be transmitted.

A CMOS TDI detector stage according to claim 4, characterized in that the reset signal and the cumulative photo signal are transmitted in a single chain of memory circuits and further that the reset signal and the cumulative photo signal are transmitted one by one by the memory circuits.

CMOS TDI detector stage according to claim 1 or 4, characterized in that the photodetector, the integrating and summing amplifier ( 103 ) and the CDS circuit ( 104 ) are integrated into a single substrate, and in that a plurality of integrating and summing amplifiers ( 103 ) and CDS circuits ( 104 ) is physically isolated from a plurality of photodetectors such that the plurality of integrating and summing amplifiers ( 103 ) and CDS circuits ( 104 ) is shielded from harmful radiation upon receipt of the light, while the plurality of photodetectors are exposed to some of the harmful radiation upon receipt of the light.