DE102014214733B3 - Lichtlaufzeitsensor mit einer Vorrichtung zur Ladungskompensation - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22) mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (23) zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichts (Sp2), wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) mindestens zwei Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist und die Integrationsknoten (Ga, Gb) mit einer Vorrichtung (500) zur Ladungskompensation verbunden sind, wobei die Ladungskompensationsvorrichtung (500) wenigsten zwei SBI-Eingangstransistoren (M1, M2) aufweist, die bei einem Potenzial (Ua, Ub) der Integrationsknoten (Ga, Gb), das betragsmäßig einen SBI-Schwellenwert (USBI) überschreitet SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) derart ansteuern, dass auf beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) ein Kompensationsstrom (ik) in gleicher Höhe fließt, wobei die Source-Anschlüsse der SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) nicht mit einer Versorgungsspannung (UDD), sondern mit einer Arbeitsspannung (URES, Uarb) verbunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft Lichtlaufzeitsensor mit einer Vorrichtung zur Ladungskompensation an Integrationsknoten eines Lichtlaufzeitpixels nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
• Mit Lichtlaufzeitsensor oder allgemein Lichtlaufzeitkamerasystem sollen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma'ifm electronic GmbH' oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Insbesondere sollen unter Lichtlaufzeitkamerasystem auch Systeme mit umfasst sein, bei dem der Lichtlaufzeitsensor nur ein Pixel oder eine geringe Anzahl von Pixeln aufweist.
• Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 A1 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ(Inphase, Quadratur)-Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.
• Aus der DE 10 2004 016 626 A1 und DE 10 2005 056 774 A1 sind ferner so genannten SBI(supressed background illumination)-Schaltungen bekannt, die durch eine pixelindividuelle Unterdrückung von Hintergrundlicht die Dynamik eines Pixels erweitern.
• Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikbereich eines Lichtlaufzeitsensors weiter zu verbessern.
• Die Aufgabe wird vorteilhaft durch den Lichtlaufzeitsensor des unabhängigen Anspruchs gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichts vorgesehen, beim dem das Lichtlaufzeitpixel mindestens zwei Integrationsknoten aufweist, wobei die Integrationsknoten mit einer Vorrichtung zur Ladungskompensation verbunden sind. Die Ladungskompensationsvorrichtung weist wenigsten zwei SBI-Eingangstransistoren auf, die bei einem Potenzial der Integrationsknoten, das einen SBI-Schwellenwert erreicht und/oder in Richtung eines Sättigungspotenzials überschreitet SBI-Strom-Transistoren derart ansteuert, dass jeder Integrationsknoten eines Lichtlaufzeitpixel mit ein Kompensationsstrom in gleicher Höhe beaufschlagt wird. Die Source-Anschlüsse der SBI-Strom-Transistoren werden hierbei nicht mit einer Versorgungsspannung, sondern mit einer Arbeitsspannung verbunden sind.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch einen von der Versorgungsspannung losgelösten Betrieb der SBI-Strom-Transistoren ein größerer Spielraum für die Einstellung des SBI-Schwellenwerts bereitgestellt werden kann.
• Bevorzugt wird als Arbeitsspannung für die SBI-Strom-Transistoren eine Reset-Spannung verwendet. Durch dieses Vorgehen kann auf einfache Art und Weise auf ein bereits vorhandenes Potenzial zurückgegriffen und ohne größeren Aufwand der Spielraum für die Einstellung des SBI-Schwellenwerts erhöht werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Reset-Spannung für den Vorgang des Zurücksetzens auf ein erstes Resetpotenzial (U_RES1) zu legen und zur Bereitstellung eines SBI-Schwellenwerts auf ein zweites, vorzugsweise niedrigeres Resetpotenzial (U_RES2) zu legen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch:
• 1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
• 2 das Grundprinzip der Demodulation,
• 3 ein Querschnitt durch ein PMD-Pixel mit Potenzialverteilungen,
• 4 ein Verhalten einer Amplitude zur einfallenden Lichtmenge,
• 5 ein Potenzialverlauf an einem Lichtlaufzeitpixel mit und ohne SBI-Einsatz,
• 6 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Ladungskompensation,
• 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ladungskompensation,
• 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ladungskompensation mit Holdtransistoren,
• 9 ein Potenzialverlauf an einem Lichtlaufzeitpixel mit variabler Reset-Spannung,
• 10 eine Schaltung gemäß 6 mit einem Arbeitspotenzial an den SBI-Strom-Transistoren.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
• Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. eine Beleuchtung 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel 23, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet
• Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung Δφ des emittierten und empfangenen Lichts die Lichtlaufzeit t_L und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 = p1 + Δφ(t_L) als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung Δφ(t_L) bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• Dieses Grundprinzip ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Modulationsfrequenz M(p1) mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S(p2) entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage der Modulationsfrequenz M(p1) in einem ersten Integrationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M(p1 + 180°) in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Integrationsknoten Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm sind im Wesentlichen transparent ausgebildet und in einem lichtsensitiven Bereich eines Lichtlaufzeit bzw. PMD-Pixels angeordnet. Entsprechend der an den Modulationsgates bzw. Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung, werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Hierbei bezeichnet „Integrationsknoten” allgemein eine Struktur, in der die Ladungssammlung stattfindet. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Akkumulationsgate in einer MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)-Struktur handeln. Auch ist es denkbar die Integrationsknoten als Diodenstruktur auszubilden.
• 3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationsknoten Ga abfließen, und 3c einen komplementären Potenzialverlauf, der die Ladungen q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale können beispielsweise entsprechend der anliegenden Modulationsfrequenz vorgegeben werden. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 1000 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
• In 3a ist ferner eine Auslesevorrichtung 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten Lichtlaufzeitsensors 22 bzw. PMD-Sensors sein kann. Die Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegende Spannung Ua, Ub beispielsweise über die Auslesevorrichtung 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
• Alternativ zur Messung der an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub kann auch der bei einer Entladung fließende Strom ia, ib gemessen werden.
• 4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe beispielsweise eine Spannungsamplitude des Lichtlaufzeitpixels bzw. eines Integrationsknoten von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger q im photosensitiven Bereich erzeugt und mit Hilfe der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm anliegenden Potenziale entsprechend der Modulationsfrequenz phasenkorreliert auf die Integrationsknoten Ga, Gb verteilt. Diese aufgeteilten Ladungen q_a, q_b können entweder als Spannungssignal U_a, U_b bzw. Spannungsamplitude hochohmig am Integrationsknoten abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Integrationsknoten als Strom i_a, i_b gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge.
• Der mögliche Dynamikbereich erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereiches hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Lichtlaufzeitpixel 23 sowie der Kapazität C_int der Integrationsknoten Ga, Gb ab und ggf. auch von dynamikerweiternden Elementen in der Ausleseschaltung, beispielsweise spezielle Kennlinien oder aktive Konzepte zur Unterdrückung von Gleichanteilen ab. Die Integrationszeit t_int für den Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. einem einzelnen Lichtlaufzeitpixel 23 wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall die Lichtlaufzeitpixel 23 nicht in die Sättigung geraten. Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nehmen jedoch die zur Verfügung stehenden Ladungen bzw. das Potenzial am Integrationsknoten immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in 4 dargestellt ist. Die untere Grenze des Arbeitsbereichs der Integrationszeit sollte daher vorzugsweise so gewählt sein, dass ein zu erwartender Distanzfehler noch innerhalb einer zulässigen Toleranz bzw. Standardabweichung liegt, wobei die obere Grenze vorzugsweise unterhalb der Sättigung liegen sollte.
• Bevorzugt ist ein Lichtlaufzeitpixel 23 mit einer so genannten Hintergrundlichtausblendung bzw. SBI(supression of background illumination)-Schaltung ausgerüstet, die in Abhängigkeit bestimmter Eingangsgrößen einen Teil der an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Ladung q_a, q_b abführt, um so ggf. eine Sättigung des Lichtlaufzeitpixel 23 durch zu hohe Fremdlicht- oder Nutzsignale zu vermeiden oder zu verzögern.
• 5 zeigt einen möglichen Verlauf der während einer Messung an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub. Nach einem Reset liegt an den Integrationsknoten Ga, Gb eine Resetspannung U_RES mit einem positiven Potenzial an. Im dargestellten Beispiel soll die Ladungskompensation mit Beginn der Messung zum Startzeitpunkt t₀ noch nicht wirksam sein. Mit zunehmender Anzahl gesammelter Ladungsträger bzw. Photoelektronen nimmt die Spannung Ua, Ub an den Integrationsknoten Ga, Gb ab.
• Werden im weiteren Verlauf die Ladungen an den Integrationsknoten Ga, Gb nicht kompensiert, fällt, dargestellt mit einer gestrichelten Line, das Potenzial Ua, Ub an den Integrationsknoten Ga, Gb weiter ab. Im dargestellten Fall erreicht der zweite Integrationsknoten Gb zu einem Sättigungszeitpunkt ts ein Sättigungspotenzial U_sat, ab dem der Integrationsknoten in Sättigung gerät und der Phasenbezug der akkumulierten Ladung bzw. anliegenden Spannung verloren geht. Sättigung tritt ein, wenn entweder wegen eines unzureichenden Potenzialgefälles im Halbleiter keine weiteren Ladungsträger gesammelt werden können oder aber der Aussteuerbereich der Auslesevorrichtung 400 verlassen wird. Entfernungswerte, die ab diesem Zeitpunkt ermittelt werden, sind fehlerhaft.
• Um eine solche Sättigung zu verhindern oder zu verzögern, ist es aus der DE 10 2005 056 774 A1 bekannt, eine Ladungskompensation an beiden Integrationsknoten Ga, Gb durchzuführen, sobald ein Integrationsknoten Ga, Gb einen SBI-Potenzialgrenzwert U_SBI, hier zu einem ersten Zeitpunkt t1, erreicht. Die Ladungskompensation erfolgt, indem beide Integrationsknoten Ga, Gb mit einem Kompensationsstrom i_k beaufschlagt werden. Der Kompensationsstrom i_k kann beispielsweise aus der Steigung des größeren Potenzialabfalls aus (Ua, Ub) bestimmt und ggf. mit einem Kompensationsfaktor k angepasst werden: i_k· = C_int· ΔU / Δt·k
• Auch ist es möglich den Kompensationsstrom i_k in Abhängigkeit einer an einem Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden elektrischen Größe i_a, i_b, Ua, Ub vorzugsweise über eine Regelung bereit zu stellen. Derartige Regelungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 und insbesondere aus der DE 10 2005 056 774 A1 , auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, in verschiedenen Varianten bekannt. Eine derartige Regelung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kompensationsstrom i_k durch die Regelung so vorgegeben wird, dass der Integrationsknoten, an dem der SBI-Potenzialgrenzwert U_SBI zuerst erreicht wird, im Potenzial konstant gehalten wird.
• Ein derartiges Vorgehen ist in 5 mit der durchgezogenen Linie gezeigt. Die Akkumulation der Ladungen erfolgt wie eingangs beschrieben zunächst ohne Aufprägen eines Kompensationsstroms ik. Im dargestellten Beispiel weist der zweite Integrationsknoten Gb den größten Potenzialabfall auf und erreicht als erstes den SBI-Potenzialgrenzwert U_SBI. Über die SBI-Regelung ist es nun vorgesehen, den Kompensationsstrom ik so vorzuhalten, dass das Potenzial an diesem Integrationsknoten Gb im Wesentlichen konstant gehalten wird. Der erste Integrationsknoten Ga wird mit einem Kompensationsstrom i_k in gleicher Höhe beaufschlagt und ist somit quasi überkompensiert, so dass das Potenzial mit Beginn der Kompensation ansteigt. Diese Überkompensation kann solange erfolgen, bis der erste Integrationsknoten Ga ein Basispotenzial U_com, das im Wesentlichen schaltungstechnisch vorgegeben ist, erreicht.
• 6 zeigt exemplarisch eine bereits aus der DE 10 2005 056 774 A1 bekannte SBI-Schaltung 500 zur Ladungskompensation. Vorzugsweise ist die SBI-Schaltung 500 ein integraler Bestandteil der Auslesevorrichtung 400. Grundsätzlich ist jedoch auch ein von der Auslesevorrichtung 400 unabhängiger Aufbau denkbar. Die dargestellten Schalter bzw. Transistoren M1–M7 sind im vorliegenden und auch in den nachfolgenden Beispielen als PMOS-Transistoren ausgebildet.
• Die Ausführungen sind selbstverständlich nicht auf PMOS-Strukturen beschränkt, sondern können insbesondere auch als NMOS-Strukturen ausgebildet sein. In den Schaltungen ändern sich nur die Potenzialzuordnungen. Bei einer NMOS-Ausführung liegt die Versorgungsspannung statt auf einem positiven U_DD-Potenzial auf einem negativen GND-Potenzial, und das Bezugspotential auf U_DD. Die Relationen zu den übrigen Potentialen ändern sich entsprechend.
• Die SBI-Schaltung 500 bildet mit einem Steuertransistor M7 und einem ersten und zweiten Eingangstransistor M1, M2 einen Sourcefolger mit doppeltem Eingang mit dem ein erster und zweiter SBI-Strom-Transistor M3, M4 angesteuert wird.
• Zu Beginn einer Messung sind die Gatepotenziale typischerweise so eingestellt, dass die Transistoren M1 bis M6 geschlossen sind. Am Gate des Transistors M7 liegt vorzugsweise bereits eine Steuerspannung U_S an. Über den Transistor M7 fließt jedoch kein Strom, da Transistoren M1 und M2 noch geschlossen sind.
• Die Source-Anschlüsse der Transistoren M3, M4, und M7 sind mit der Versorgungsspannung U_DD verbunden. An den Source-Anschlüssen der Reset-Transistoren M5, M6 liegt ein Reset-Potenzial U_RES und die Gates können mit einem Reset-Schaltpotenzial U_{RES_N} angesteuert werden.
• Die Potenziale Ua, Ub der Integrationsknoten Ga, Gb sind jeweils mit einer Speichervorrichtung 300, die vorzugsweise als Sourcefolger ausgebildet ist, verbunden. Zusätzlich liegt das Potenzial Ua, Ub der Integrationsknoten Ga, Gb auch an den Gates der SBI-Eingangstransistoren M1, M2 an.
• Wird während einer Messung der SBI-Schwellenwert U_SBI von keinem Integrationsknoten Ga, Gb erreicht, bleiben die SBI-Eingangstransistoren M1 und M2 sowie die SBI-Strom-Transistoren M3 und M4 geschlossen und es erfolgt keine Ladungskompensation. Nach Abschluss der Messung werden die Integrationsknoten Ga, Gb über die Reset-Schalter M5, M6, durch Anlegen eines Reset-Schaltsignals U_{RES_N}, mit dem Reset-Potenzial U_RES verbunden und die Integrationsknoten Ga, Gb auf dieses Potential zurückgesetzt.
• Erreicht während einer Integration die Spannung Ua, Ub an einem der Integrationsknoten Ga, Gb den SBI-Schwellenwert U_SBI, schaltet einer der SBI-Eingangstransistoren M1 oder M2 durch, so dass über den Steuer-Transistor M7 ein Strom I₇ von U_DD in Richtung Masse GND fließt. Der Eingangstransistor M1, M2 mit dem tieferen Gatepotenzial bestimmt die Ausgangsspannung des Sourcefolgers. Mit der Ausgangsspannung werden beide SBI-Stromtransistoren M3, M4 angesteuert, die dann quasi als Stromquelle beide Integrationsknoten Ga, Gb mit einem Kompensationsstrom ik in gleicher Höhe beaufschlagen.
• Beim Erreichen der SBI-Schwelle ist der Kompensationsstrom ik betragsmäßig gleich dem Photostrom des tieferliegenden Kanals bzw. des Integrationsknoten Ga, Gb, der die SBI-Schwelle zuerst erreicht hat. Erreicht wie in 5 gezeigt der zweite Integrationsknoten Gb die SBI-Schwelle U_SBI zuerst, bestimmt der zweite Einschalttransistor M2 die Ausgangsspannung des Sourcefolgers und damit den Kompensationsstrom ik.
• Die SBI-Schaltschwelle U_SBI ist im Rahmen bestimmter Vorgaben frei wählbar und ist im Wesentlichen von den folgenden Faktoren abhängig.
• 
• Mit U_S: Steuerspannung, U_{th_min_a,b}: effektive SBI-Schwellenspannung an den SBI-Eingangstransistoren M1, M2; n: technologieabhängiger Fitparameter, U_T: temperaturabhängiger Spannungsanteil; I_{0_M3,4}: Transferstrom über Transistor M3 oder M4.
• Der Drain-Strom I_D bzw. Kompensationsstrom ik über die SBI-Strom-Transistoren M3, M4 ergibt sich in bekannter Weise aus:

  
• Mit I₀: Transferstrom am Transistor, U_GS: Gate-Source-Spannung, U_th: Schwellenspannung, U_T: temperaturabhängiger Spannungsanteil.
• Die SBI-Einsatzschwelle U_SBI wird vornehmlich durch die Dimensionierung der SBI- und Pixelschaltung im Chip-Design vorgegeben. Im betriebsfertigen Zustand steht für eine Anpassung der SBI-Einsatzschwelle U_SBI im Wesentlichen nur noch die Steuerspannung U_S am Transistor M7 zur Verfügung. Aufgrund der Wechselwirkung mit den übrigen Potenzialen ist sie jedoch nur in bestimmten Grenzen variabel. Eine geringe Veränderung von U_S geht typischerweise mit einer starken Veränderung des Quellenstroms einher (Subthresholdbereich). Dies führt zu einer Modifikation der Regeleigenschaften der SBI-Schaltung und kann insbesondere bei größeren Pixelmatrizen durch Anstieg des Drainstroms I₇, zu einer nicht akzeptablen Erhöhung des Gesamtstromverbrauchs führen. Die Einstellung des SBI-Schwellenwerts U_SBI ist somit über die Steuerspannung U_S nur in geringen Grenzen sinnvoll möglich.
• Zur Überwindung dieser Limitierung wird daher erfindungsgemäß, wie in 7 gezeigt, vorgeschlagen, die SBI-Strom-Transistoren M3 und M4 nicht mit der Versorgungsspannung U_DD, sondern mit einem Arbeitspotential, vorzugsweise einem Reset-Potential U_RES, zu verbinden.
• Die SBI-Einsatzschwelle U_SBI ist in der Schaltung gemäß 7 gegeben durch:

  
• Mit U_{th_min_a,b}: effektive Schwellenspannung der SBI-Eingangstransistoren M1, M2; I_{0_m3,4}: technologieabhängiger Transferstrom über Transistor M3 bzw. M4. Die Punkte für die jeweiligen Spannungsabgriffe sind in den Figuren gekennzeichnet.
• Durch dieses Vorgehen lässt sich die SBI-Schwelle USBI nicht nur über die Steuerspannung US, sondern zusätzlich, mit einem deutlich größeren Einstellbereich, auch über die Differenz: U_RES – U_DD festlegen. Hierbei liefert die Änderung der effektiven Schwellenspannung U_{th_min_a,b} der SBI-Eingangstransistoren M1, M2 aufgrund des Bodyeffekts einen weiteren Beitrag.
• Während die Schaltung gemäß 6 auf eine einzige Resetspannung U_RES und einem wenig variablen SBI-Schwellenwert U_SBI festgelegt ist, erlaubt das erfindungsgemäße Vorgehen eine Einstellung des SBI-Schwellenwerts U_SBI über einen größeren Bereich, insbesondere auch über eine gezielte Einstellung des Arbeitspotenzials bzw. der Resetspannung U_RES.
• 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Integrationsknoten Ga, Gb über einen Holdtransistor M8, M9 mit der Speichervorrichtung 300 verbunden sind.
• Ferner kann der SBI-Schwellenwert U_SBI beispielsweise auf die Buried-Channel-Kollaps-Spannung des PMD-Sensors angepasst werden.
• Auch kann die Resetspannung U_RES sowie die Sättigungsspannung U_sat auf einen Wert unterhalb der Versorgungsspannung U_DD eingestellt werden, um Ladungsverluste beispielsweise durch den Holdsprung am Ende der Integration zu vermeiden.
• Insbesondere lässt sich durch das erfindungsgemäße Vorgehen der maximal Swing der Integrationsspannungen Ua, Ub variieren.
• Die Erzeugung der Resetspannung U_RES kann so ausgebildet sein, dass mindestens zwei unterschiedliche Resetspannungen U_RES1,2 generiert werden können. Dadurch können z. B. Startpunkt der Integration und Einsatzschwelle der SBI-Schaltung 500 unabhängig voneinander eingestellt werden.
• Ein derartiges Vorgehen ist exemplarisch in 9 gezeigt. Zum Startzeitpunkt t₀ liegen die Integrationsknoten Ga, Gb auf dem ersten Reset-Potential U_RES1. Nach dem Start der Integration sind die Reset-Schalter geschlossen, so dass eine Änderung der Reset-Spannung U_RES die Ladungsintegration nicht mehr beeinflusst.
• Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, nach dem Startzeitpunkt t₀ die Reset-Spannung U_RES weiterer abzusenken und somit die für die SBI-Einsatzschwelle U_SBI relevante Differenz: U_RES – U_DD zu vergrößern. Mit U_RES2 < U_RES1 folgt U_SBI2 < U_SBI1. Durch ein solches Vorgehen kann, wie aus 9 ersichtlich, die Dynamik des Lichtlaufzeitpixels bzw. Lichtlaufzeitsensors weiter erhöht werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 10 kann es auch vorgesehen sein, die SBI-Strom-Transistoren M3, M4 an ein eigenes Arbeitspotenzial U_ARB zu legen. Durch dieses Vorgehen kann das Arbeitspotenzial auch unabhängig von Erfordernissen eines Reset-Potenzial U_RES festgelegt werden, wobei für die Potenzialverteilung gilt
  GND < U_sat < U_SBI < U_ARB < U_DD
  GND < U_sat < U_SBI < U_RES < U_DD
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitkamerasystem

10

Beleuchtung, Sender

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

12

Lichtquelle

22

Lichtlaufzeitsensor

30

Modulator

Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

M₀

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Integrationsknoten, Integrationsknoten

Ua, Ub

Spannungen an den Integrationsknoten

d

Objektdistanz

300

Speichervorrichtung

400

Ausleseschaltung

500

SBI-Schaltung, Ladungskompensatonsvorrichtung

U_com

Basispotenzial

U_SBI

SBI-Schwellenwert

U_RES

Reset-Spannung

U_{RES_N}

Reset-Schaltpotenzial

U_DD

Versorgungsspannung

U_S

Steuerspannung

U_th

Schwellenspannung

U_sat

Sättigungspotenzial

M1...

Schalter/Transistoren

M1, M2

SBI-Eingangstransistoren

M3, M4

SBI-Strom-Transistoren

M5, M6

Reset-Schalter

M7

Steuer-Transistor

M8, M9

Hold-Transistor

Claims (4)

1. Lichtlaufzeitsensor (22) mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (23) zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichts (Sp2), wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) einen ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist und die Integrationsknoten (Ga, Gb) mit einer Vorrichtung (500) zur Ladungskompensation (500) verbunden sind, wobei die Ladungskompensationsvorrichtung (500) einen ersten und zweiten SBI-Eingangstransistor (M1, M2), einen Steuertransistor (M7) und einen ersten und zweiten SBI-Strom-Transistor (M3, M4) aufweist, wobei der Steuertransistor (M7) mit einem Source-Anschluss mit einer Versorgungsspannung (U_DD), einem Gate mit einem Steuerpotential (U_S) und einem Drain-Anschluss mit den Source-Anschlüssen der SBI-Eingangstransistoren (M1, M2) und den Gates der ersten und zweiten SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) verbunden ist, wobei die Gates des ersten und zweiten SBI-Eingangstransistors (M1, M2) mit dem ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) und die Drain-Anschlüsse mit einem Bezugspotenzial (GND) verbunden sind, wobei die Ladungskompensationsvorrichtung (500) derart ausgelegt ist, dass sobald eines der Potentiale (Ua, Ub) an den Integrationsknoten (Ga, Gb) einen SBI-Schwellenwert (U_SBI) erreicht und/oder in Richtung eines Sättigungspotentials (U_sat) überschreitet, ein Arbeitspunkt an den SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) sich so einstellt, dass auf beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) ein Kompensationsstrom (ik) in gleicher Höhe fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Anschlüsse der SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) nicht mit einer Versorgungsspannung (U_DD), sondern mit einer Arbeitsspannung (U_RES, U_arb) verbunden sind.
2. Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1, bei dem die Arbeitsspannung für die SBI-Strom-Transistoren (M3, M4) eine Reset-Spannung ist (U_RES).
3. Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 2, bei dem die die Reset-Spannung (U_RES) für das Zurücksetzen der Integrationsknoten (Ga, Gb) auf einem ersten Potenzial (U_RES1) und für die Festlegung eines SBI-Schwellenwerts (U_SBI) auf ein zweites Potenzial (U_RES) gelegt wird.
4. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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