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Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung. Auch betrifft die Erfindung eine THz-Bildgebungsvorrichtung.
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Elektromagnetische (EM) Wellen im Terahertzbereich (THz), deren Frequenzen grob zwischen 100 GHz und 10 THz definiert sind, haben insbesondere für Bildgebungsanwendungen, ein weitreichendes Potenzial gezeigt. THz-Wellen können von gewöhnlichen dielektrischen Materialien (Pappe, Kunststoffe, Keramik, Papier, Stoff, etc.) durchgelassen und reflektiert werden und zeigen einen besseren Abbildungskontrast als Röntgenstrahlen. Die Bildgebung mit THz-Strahlung ist auch biologisch sicher, da THz-Photonen nicht ionisierend sind. Die THz Technologie hat eine Reihe von Anwendungen - einschließlich industrieller Qualitätsüberwachung, industrieller Prozesskontrolle, Überwachung der Lieferkette, Überwachung der Produktqualität, Sicherheitsüberprüfung und biomedizinischer Diagnose usw.
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Für die Bildgebung mit THz-Wellen muss die THz-Strahlungsleistung mit einem Wandler oder einer Anordnung von Wandlern erfasst werden. Der Wandler, der auch als Leistungsdetektor bezeichnet wird, wandelt das THz-Strahlungssignal in ein direktes (nicht-alternierendes) elektrisches Photoreaktionssignal um. Das THz-Eingangssignal kann entweder optisch mit einer Antenne oder einer leistungssammelnden Vorrichtung oder elektronisch über geführte Medien wie Übertragungsleitungen oder Hohlleiter an den Detektor gekoppelt werden. Die Größe des Ausgangs-Photoreaktionssignals bezieht sich auf die Eingangs-THz-Signalleistung. Die Photoreaktion kann dabei auch einer relativ langsamen Änderungsrate der Leistung (bis zu ein paar GHz) in einem amplitudenmodulierten THz-Signal folgen. Im Stand der Technik wurden THz-Leistungsdetektoren in verschiedenen Technologien und Formen implementiert, einschließlich Wellengleichrichterdetektoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren (FETs), Bipolartransistoren (BJTs) oder Dioden (einschließlich Schottky-Barriere-Dioden); thermische Detektoren einschließlich pyroelektrischer und Bolometer-Detektoren; und photoleitende Detektoren. Die Leistungsdetektoren können mit einer Vielzahl von Herstellungsverfahren hergestellt werden, darunter Silizium, III-V-Halbleiter oder Graphen-Technologien. Unabhängig von der Technologie des Leistungsdetektors muss das Ausgangs-Photoreaktionssignal extrahiert und mit einer Ausleseschaltung verstärkt werden. Das Design dieser Schaltung wird besonders anspruchsvoll bei bildgebenden Anordnungen, bei denen mehrere Leistungsdetektoren auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind. Das Photoreaktionssignal setzt sich aus elektrischen Ladungen zusammen, die entweder als Spannung (Voltage-Mode-Readout) oder als Strom (Current-Mode-Readout) ausgelesen werden können.
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Die 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ausführungsbeispiel. Ein THz-Leistungsdetektor 2 dient dazu, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom iph zu erzeugen. Der Detektorausgang des THz-Leistungsdetektors ist mit einem hochohmigen (z.B. kapazitiven) Eingang Vx eines Spannungsverstärkers 5 verbunden. Der Photoreaktionsstrom iph wird über die Kapazität Cint integriert, um eine elektrische Spannung vph zu erzeugen, die verstärkt und ausgelesen wird. Die Vorspannung am kapazitiven Eingang des Verstärkers wird über den THz-Leistungsdetektor 2 zugeführt. Im Stand der Technik benötigt der THz-Leistungsdetektor 2 eine Vorspannungsumschaltung 4 für den Set- und Resetbetrieb, insbesondere für die Kalibrierung der Offset-Spannung unter einer Dauerstrich-THz-Beleuchtung.
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In 2 ist ein Signaldiagramm eines THz-Leistungsdetektors 2 mit einer Empfängerschaltung 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die 2 a) zeigt die Detektorvorspannung eines THz-Leistungsdetektors 2. Die Detektorvorspannung wird zwischen einer Set-Spannung VSet und einer Reset-Spannung VReset geschaltet. Die 2 b) zeigt die entsprechende Detektorantwort Vx. Da der Spannungsverstärker 5 durch den THz-Leistungsdetektor 2 vorgespannt ist, erzeugt eine Änderung des Detektorwiderstandes eine unerwünschte gleitende Offsetspannung VOFFSET zwischen Set- und Resetbetrieb am Input des Spannungsverstärkers 5, wodurch das Photoreaktionssignal vph übersteuert wird. Dieser gleitende Offset kann nur mit einer häufigen Dunkelmessung (durch Abschalten der THz-Beleuchtung) kalibriert werden, was in vielen Fällen nicht möglich ist. Noch wichtiger ist, dass die gleitende Verschiebung auch den Dynamikbereich des Verstärkereingangs Vx überlastet und dominiert, was externe Verstärkungsstufen mit großen Vorspannungen erforderlich macht. Im Endeffekt verschlechtert die Auslese im Spannungsmodus den Dynamikbereich und die Linearität des Photoreaktionssignals vph, was insbesondere die Integration von Bildgebungsanordnungen mit größerer Pixelzahl verhindert.
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Das Dokument
US 2008 / 0 078 923 A1 offenbart die Unterdrückung einer Abnahme der Lichtempfindlichkeit eines photoelektrischen Umwandlungselements, das in einer Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, durch Verringerung des parasitären Widerstands einer Verstärkerschaltung. Außerdem wird die Verstärkerschaltung, die den Ausgangsstrom des fotoelektrischen Wandlerelements verstärkt, stabil betrieben. Eine Halbleitervorrichtung enthält ein fotoelektrisches Wandlerelement, eine Stromspiegelschaltung mit mindestens zwei Dünnschichttransistoren, eine Stromversorgung mit hohem Potential, die mit jedem der Dünnschichttransistoren elektrisch verbunden ist, und eine Stromversorgung mit niedrigem Potential, die mit jedem der Dünnschichttransistoren elektrisch verbunden ist. Wenn ein Referenz-Dünnschichttransistor vom n-Typ ist, ist der Referenz-Dünnschichttransistor näher an der Niederpotential-Stromversorgung angeordnet als ein Ausgangs-Dünnschichttransistor. Wenn ein Referenz-Dünnschichttransistor vom p-Typ ist, ist der Referenz-Dünnschichttransistor näher an der Hochpotential-Stromversorgung angeordnet als ein Ausgangs-Dünnschichttransistor.
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Das Dokument
WO 2005/ 114 749 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung, die in kurzer Zeit hergestellt wird, indem der Schritt der Bildung des Dünnfilmtransistors und der Schritt der Bildung der photoelektrischen Umwandlungsschicht parallel durchgeführt werden, und ein Herstellungsverfahren. Dabei wird ein Halbleiterbauelement so hergestellt, dass ein Dünnfilmtransistor auf einem ersten Substrat gebildet wird, ein photoelektrisches Konversionselement auf einem zweiten Substrat gebildet wird und der Dünnfilmtransistor und das photoelektrische Konversionselement elektrisch verbunden werden, indem eine leitende Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat einander gegenüberliegend angeordnet wird, so dass der Dünnfilmtransistor und das photoelektrische Konversionselement zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereitgestellt werden, dass die Zunahme der Anzahl von Schritten unterdrückt und den Durchsatz erhöht.
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Das Dokument
WO 2021/ 021 690 A1 offenbart ein bolometrisches Abbildungssystem, das eine Anordnung von Nanopixeln umfasst, die jeweils einen optischen Stapel enthalten, der eine absorbierende Schicht, in der einfallende Strahlung in Wärme umgewandelt wird und die gleichzeitig als erste Elektrodenschicht wirkt, die vertikal neben der freien Schicht angeordnet ist, eine Schicht mit fester magnetischer Polarität (feste Schicht) in einer ersten magnetischen Richtung, eine Sperrschicht, die vertikal neben der festen Schicht angeordnet ist, eine Schicht mit selektiver magnetischer Polarität (freie Schicht), die vertikal neben der Sperrschicht angeordnet ist, und eine zweite Elektrodenschicht, die vertikal neben der festen Schicht angeordnet ist, umfasst. Die vom optischen Stapel absorbierten Photonen werden in Wärme umgewandelt, wodurch die magnetische Polarität in der freien Schicht umgeschaltet wird. Die Polaritätsumschaltung erfordert nicht, dass der Stapel vor der Umschaltung in einen neutralen Zustand zurückgesetzt wird. Jeder Nanopixel-Ausgang ist ein digitales Signal, das von Photonen oberhalb einer vorher festgelegten Energieschwelle erzeugt wird. Das System umfasst außerdem eine Ausleseschaltung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine schnelle sowie kompakte Empfängerschaltung für THz-Strahlung anzugeben.
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Bei einer Empfängerschaltung für THz-Strahlung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Empfängerschaltung angegeben wird, umfassend:
- zumindest einen THz-Leistungsdetektor, wobei der THz-Leistungsdetektor derart eingerichtet ist, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom zu erzeugen, eine Stromausleseschaltung zum Auslesen des Photoreaktionsstroms, wobei die Stromausleseschaltung derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom in einer geschlossenen Stromschleife laufen zu lassen, die Empfängerschaltung zumindest einen Stromspiegel umfasst und derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstrom zu spiegeln, die Empfängerschaltung weiter zumindest einen Anschluss zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals des gespiegelten Photoreaktionsstrom umfasst.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, den beim Empfangen von THz-Strahlung erzeugten Photoreaktionsstrom in einer geschlossenen Stromschleife laufen zu lassen. Dieser Strom wird anschließend gespiegelt. Die Schaltungstopologie ermöglicht ein kompaktes Ausleseschema. Außerdem ist der Auslesevorgang aufgrund des Fehlens großer Signalintegrationskondensatoren im Vergleich zum Stand der Technik schneller. Die Schaltung erhält einen wohldefinierten DC-Arbeitspunkt, welcher unabhängig von dem Arbeitspunkt des Detektors ist. Dadurch wird eine systematische Offsetspannung bei Umschaltung des Arbeitspunktes des Detektors vermieden. Dies ermöglicht einen höheren Dynamikbereich und eine höhere Linearität als im Stand der Technik.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der THz-Leistungsdetektor und/oder die Stromausleseschaltung und/oder der Stromspiegel massebezogen oder differentiell ausgebildet.
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Erfindungsgemäß umfasst die Stromausleseschaltung zumindest einen Transistor in der geschlossenen Stromschleife und/oder der Stromspiegel umfasst zumindest einen Transistor zum Spiegeln des in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms.
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Weiter erfindungsgemäß ist der THz-Leistungsdetektor differentiell ausgebildet, der THz-Leistungsdetektor eine Antenne für den Empfang der zu erfassenden THz-Strahlung umfasst, der THz-Leistungsdetektor weiter zumindest zwei Transistoren umfasst, wobei ein differentielles Signal der Antenne mit einem Source-Anschluss eines ersten Transistors des THz-Leistungsdetektors und mit einem Source-Anschluss eines zweiten Transistors des THz-Leistungsdetektor elektrisch verbunden ist. Eine differentielle Ausführung des Detektors hat bezogen auf das THz-Signal eine virtuelle Masse an den Source Kontakten der Transistoren. Dadurch sind keine Hochfrequenzdrosseln für die Arbeitspunkteinstellung des Detektors notwendig.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest zwei Transistoren des THz-Leistungsdetektors ein Paar von differentiellen Common-Gate-MOSFET-Transistoren vom n-Typ und die Antenne ist als eine On-Chip-Antenne in dem THz-Leistungsdetektor implementiert.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen ersten Transistor, wobei der erste Transistor in einem ersten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung einen zweiten Transistor umfasst, wobei der zweite Transistor in einem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der THz-Leistungsdetektor in Reihe zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor geschaltet ist und der erste Transistor und der zweite Transistor als Diode geschaltet sind, wobei die Stromausleseschaltung derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom in der geschlossenen Stromschleife zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor laufen zu lassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen dritten Transistor, wobei der dritte Transistor in dem ersten Schaltungsteil angeordnet ist und der dritte Transistor derart eingerichtet ist, den ersten Transistor vorzuspannen und eine Konstantstromlast zu bilden, die Empfängerschaltung einen vierten Transistor umfasst, wobei der vierte Transistor in dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist und der vierte Transistor derart eingerichtet ist, den zweiten Transistor vorzuspannen und eine Konstantstromlast zu bilden, wobei eine Gate-Vorspannung für den dritten Transistoren und eine Gate-Vorspannung für den vierten Transistor gleich oder unterschiedlich ist.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen fünften Transistor, wobei der fünfte Transistor in einem dritten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung einen sechsten Transistor umfasst, wobei der sechste Transistor in einem vierten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der fünfte Transistor derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms des ersten Transistors zu spiegeln und der sechste Transistor derart eingerichtet sind, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms des zweiten Transistors zu spiegeln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen siebten Transistor, wobei der siebte Transistor in dem dritten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung weiter einen achten Transistor umfasst, wobei der achte Transistor in dem vierten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der siebte Transistor derart eingerichtet ist, den fünften Transistor mit einer Vorspannung zu versorgen und der achte Transistor derart eingerichtet ist, den sechsten Transistor mit einer Vorspannung zu versorgen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung zumindest zwei Anschlüsse zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals des gespiegelten Photoreaktionsstrom, wobei zumindest ein Anschluss zwischen dem fünften Transistor und dem siebten Transistor und zumindest ein Anschluss zwischen dem sechsten Transistor und dem achten Transistor angeordnet sind.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen jeweils das Transistorpaar gebildet aus dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor, gebildet aus dem dritten Transistor und dem vierten Transistor, gebildet aus dem fünften Transistor und dem sechsten Transistor und gebildet aus dem siebten Transistor und dem achten Transistor, jeweils aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften auf, um einen minimalen Offset an den Anschlüssen zum Abgreifen der Spannungsausgangssignale zu erzeugen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Empfängerschaltung vollständig symmetrisch konfiguriert, wobei die Transistoren im ersten Schaltungsteil und im dritten Schaltungsteil und die Transistoren im zweiten Schaltungsteil und im vierten Schaltungsteil die gleichen elektrischen Eigenschaften haben und eine Vorspannung des dritten Transistors und eine Vorspannung des vierten Transistors gleich sind. Dies hat den Vorteil, dass die Spannungen über dem THz-Leistungsdetektor gleich sind, unabhängig von der Gate-Vorspannung des THz-Leistungsdetektors. In diesem Fall wird die Vorspannung der Stromausleseschaltung nicht durch die Gatespannung beeinflusst.
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Erfindungsgemäß ist außerdem eine THz-Bildgebungsvorrichtung angegeben, wobei die THz-Bildgebungsvorrichtung eine Mehrzahl von THz-Leistungsdetektoren umfasst, wobei die THz-Leistungsdetektoren in einer Pixelmatrix angeordnet sind, wobei jeder Pixel der Pixelmatrix eine zuvor beschriebene Empfängerschaltung umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Pixel der Pixelmatrix auf einem einzigen Silizium-basierten Chip integriert, wobei die Pixel auf dem Silizium-basierten Chip mittels CMOS- und/oder Silizium-Germanium Bipolartransistor-Prozesstechnologien implementiert sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Ausleseschaltung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Signaldiagramm eines THz-Leistungsdetektor mit einer Ausleseschaltung gemäß dem Stand der Technik, wobei 2 a) die Detektorvorspannung zeigt und 2 b) die Detektorantwort,
- 3 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Stromausleseschaltung, wobei die Variante in 3 a) ein erstes Ausführungsbeispiel und die Variante in 3 b) ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
- 4 ein Signaldiagramm einer Empfängerschaltung eines THz-Leistungsdetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Stromausleseschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine Multiplex-Auslesekette mit einer Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 7 ein Blockschaltbild einer THz-Bildgebungsvorrichtung für die Verwendung der Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 und 2 wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.
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Die 3 zeigt eine Empfängerschaltung 1 für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor 2 und einer Stromausleseschaltung 3 gemäß zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die beiden in 3 gezeigten gestrichelt umrandeten Schaltungsteile können untereinander ausgetauscht werden und stellen daher zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Der in 3 a) gezeigte Schaltungsteil wird mit dem linken Teil der Schaltung im Punkt VY verbunden. Das in 3 a) gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine massebezogene Spannungsquelle 27, die in dem Punkt VY mit dem linken Teil der Schaltung verbunden ist. Der THz-Leistungsdetektor 2 wird mittels einer Detektorvorspannung 4 betrieben, die eine Set-Spannung VSet und eine Reset-Spannung VReset bereitstellt. Die Empfängerschaltung 1 umfasst eine Stromausleseschaltung 3, wobei die Stromausleseschaltung 3 derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor 2 erzeugten Photoreaktionsstrom iph in einer geschlossenen Stromschleife 11 laufen zu lassen. Der in der geschlossenen Stromschleife 11 laufenden Photoreaktionsstrom iph wird anschließend in einen weiteren Schaltungsteil 9 der Empfängerschaltung 1 mittels eines Stromspiegels 12 gespiegelt. Zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals VO+ umfasst die Empfängerschaltung zumindest einen Anschluss 28.
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3 b) zeigt eine vollständig differentiell gestaltete Topologie der Empfängerschaltung 1. In 3 b) ist die Empfängerschaltung 1 derart eingerichtet, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iph in einer geschlossenen Stromschleife 11 zwischen einem ersten Schaltungsteil 7 und einem zweiten Schaltungsteil 8 laufen zu lassen. Der in der geschlossenen Stromschleife 11 laufende Strom wird anschließend von dem ersten Schaltungsteil 7 in einen dritten Schaltungsteil 9 und von dem zweiten Schaltungsteil 8 in einen vierten Schaltungsteil 10 mittels Stromspiegel 12, 13 gespiegelt. Dabei kann das Stromübertragungsverhältnis A1:1 zwischen dem ersten Schaltungsteil 7 und dem dritten Schaltungsteil 9 und das Stromübertragungsverhältnis 1:A1 zwischen dem zweiten Schaltungsteil 8 und dem vierten Schaltungsteil 10 größer als 1 sein um eine Stromverstärkung zu ermöglichen. Der gespiegelte Strom A1iph wird anschließend in ein differentielles Spannungssignal VO+ , VO- umgewandelt.
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Die 4 zeigt ein Signaldiagramm eines THz-Leistungsdetektor mit einer Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 4 a) ist die Detektorvorspannung des THz-Leistungsdetektors gezeigt. Die Detektorvorspannung wird zwischen einer Set-Spannung VSet und einer Reset-Spannung VReset geschaltet. Die Topologie der Ausleseschaltung ist in einem Ausführungsbeispiel vollständig differentiell ausgeführt und weist eine wohldefinierte Vorspannung auf, die unabhängig vom Detektorvorspannungspunkt ist. Infolgedessen erzeugt diese Schaltung unabhängig von der Umschaltung der Detektorvorspannung keinen beweglichen Offset, und das Auslesespannungssignal VO+, VO- besteht nur aus einem verstärkten Photoreaktionsstrom iph. Das Auslesespannungssignal VO+ ist in 4 b) gezeigt. Das Auslesespannungssignal VO- ist in 4 b) gezeigt. Da der Dynamikbereich dieses Signals nicht mit einem unerwünschten Offset überlastet wird, ermöglicht dieses Schema die Integration mehrerer Verstärker (Großsignalverstärkung) zusammen mit dem THz-Leistungsdetektor 2 beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat mit technologieüblichen Vorspannungen.
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Die 5 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, die mit komplementären p- und n-Metalloxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) M1, M2, M3, M4, M5, M7, M8 in Siliziumtechnologie implementiert ist. Auf der linken Seite der 5 ist eine Detailzeichnung der THz-Leistungsdetektors 2 gezeigt. Der THz-Leistungsdetektor 2 ist mit einem differentiellen Common-Gate-MOSFET-Paar vom n-Typ MA, MB mit einer On-Chip-Antenne 14 implementiert, die differentiell mit den Source-Anschlüssen der Transistoren MA, MB gekoppelt ist. Der THz-Leistungsdetektor 2 wird durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an seinem Gate-Anschluss G in den Set- und Reset-Zustand geschaltet. THz-Strahlung die durch den THz-Leistungsdetektor 2 empfangen wird, erzeugt in dem THz-Leistungsdetektor 2 einen Photoreaktionsstrom iph. Die in 5 gezeigte Empfängerschaltung 1 umfasst hierfür eine Stromausleseschaltung 3 zum Auslesen des Photoreaktionsstroms iph wobei die Stromausleseschaltung 3 derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iph in einer geschlossenen Stromschleife 11 zwischen einem ersten Schaltungsteil 7 und einem zweiten Schaltungsteil 8 laufen zu lassen. Einzelne Transistoren M5, M6 entlang des Source- und Sink-Strompfades in dieser geschlossenen Stromschleife 11 spiegeln den Photoreaktionsstrom iph an eine zweite, stromverstärkende Stufe. Der in 5 gezeigte THz-Leistungsdetektor 2 ist in Reihe zwischen zwei als Dioden geschalteter (Gate- und Drain-Anschlüsse kurzgeschlossen) Transistoren M1 und M2 geschaltet. Wenn der THz-Leistungsdetektor 2 eine THz-Signalleistung empfängt, fließt der Photoreaktionsstrom iph von M2 (Source-Pfad) zu M1 (Sink-Pfad) oder andersherum. Die absolute Richtung des Photoreaktionsstroms iph ist dabei irrelevant. Der Photoreaktionsstrom iph wird anschließend in ein differentielles Spannungssignal VO+ , VO- umgewandelt, das mit zusätzlichen Spannungspufferstufen oder Verstärkerstufen ausgelesen werden kann. Der Transistor M1 ist in dem ersten Schaltungsteil 7 angeordnet ist, der Transistor M2 ist in dem zweiten Schaltungsteil 8 angeordnet ist. Die Stromausleseschaltung 3 ist dabei derart eingerichtet, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iph in der geschlossenen Stromschleife 11 zwischen dem ersten Transistor M1 und dem zweiten Transistor M1 laufen zu lassen. Die Transistoren M1 und M2 werden mit den Transistoren M3 bzw. M4 vorgespannt und bilden eine Konstantstromlast. Die Gate-Vorspannungen VA, VB für die Transistoren M3 bzw. M4 können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Die Transistoren M5 und M6 spiegeln den Strom der Transistoren M1 bzw. M2 in den dritten Schaltungszweig 9 und in den vierten Schaltungszweig 10. Die Transistoren M5 und M6 sind im aktiven Modus vorgespannt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Stromübertragungsverhältnis 1:A1, A1:1 größer als 1. Dies kann durch die Dimensionierung der Transistoren M1, M2, M5, M6 erreicht werden. Beispielsweise können die Transistoren M5 und M6 größer als die Transistoren M1 und M2 sein. Für die Vorspannung der Transistoren M5 und M6 sind in 5 die Transistoren M7 und M8 vorgesehen. Die Transistoren M7 und M8 bilden ein aktives Lastpaar, das einen großen Ausgangswiderstand bereitstellt. Die differentiellen Spannungsausgangssignale VO+ und VO- werden an den Anschlüssen 28, 29 an den Verbindungspunkten zwischen den Transistoren M5 und M7 bzw. M6 und M8 ausgelesen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Transistorpaare M1 und M2, die Transistoren M3 und M4, die Transistoren M5 und M6 und die Transistoren M7 und M8 aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften. Die elektrischen Eigenschaften können beispielsweise die Größe der Transistoren, die Einschaltspannung, die Transkonduktanz oder der Wärmekoeffizient sein. Hierdurch wird ein minimaler Offset am Differenzspannungsausgang erreicht. Eine durch Prozessschwankungen entstehende Differenzspannung kann durch Anlegen eines Spannungsoffsets VA und VB an den Gate-Anschlüssen der Transistoren M3 oder M4 abgestimmt werden. Hierdurch kann auch eine Vorspannung für den THz-Leistungsdetektor 2 bereitgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können zusätzliche Kondensatoren zu bestimmten Knoten in der Topologie der Empfängerschaltung 1 hinzugefügt werden. Hierdurch können elektrische Ladungen ausgeglichen und kompensiert werden, die durch das Schalten des THz-Leistungsdetektors 2 entstehen. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Empfängerschaltung 1 vollständig symmetrisch konfiguriert. Dabei haben die auf der linken Seite in dem ersten 7 und dritten 9 Schaltungsteil in 5 gezeigten Transistoren M1, M3, M5, M7 und die auf der rechten Seite in dem zweiten 8 und vierten 10 Schaltungsteil gezeigten Transistoren M2, M4, M6, M8 im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften. Sind auch noch die Vorspannung VA und VB gleich, sind die Spannungen VX und VY über dem THz-Leistungsdetektor 2 gleich, unabhängig von der Gate-Vorspannung des THz-Leistungsdetektors 2. In diesem Fall wird die Vorspannung der Auslesung nicht durch die Gatespannung beeinflusst. Die Schaltung wird mittels einer positiven Versorgungsspannung VDD mit Energie versorgt.
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Die 6 zeigt eine Multiplex-Auslesekette mit einer Empfängerschaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die zuvor beschriebene Empfängerschaltung 1 ist insbesondere für eine Pixelarray-Integration vorgesehen. Nach der zuvor beschriebenen Empfängerschaltung 1 mit einer Stromspiegelung 12, 13 können zusätzliche gemultiplexte Spannungsverstärkungsstufen 15, 16 vorgesehen sein. Die Verstärkerstufen 15, 16 können dabei teilweise auf die Zeilen und/oder Spalten verteilt 15 und/oder auch global verteilt 16 sein. Anschließend kann das analoge Signal mittels eines Analog-zu-Digital-Konverters 17 in ein digitales Signal umgewandelt werden.
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Die 7 zeigt ein Blockschaltbild einer THz-Bildgebungsvorrichtung 18 für die Verwendung der Empfängerschaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die THz-Bildgebungsvorrichtung 18 umfasst eine NxM Pixelmatrix 19 mit N Spalten 21 und M Zeilen 20. Für die Auswahl der Zeilen 20 ist eine Zeilenauswahl 22 vorgesehen. Für die Auswahl der Spalten 21 ist eine Spaltenauswahl 23 vorgesehen. Insbesondere ist es bei der Verwendung der Empfängerschaltung 1 bei einer THz-Bildgebungsvorrichtung 18 vorgesehen, dass die Pixelmatrix 19 mit den Empfängerschaltungen 1 auf einem einzelnen Siliziumchip integriert sind, wobei die Pixel auf dem Silizium-basierten Chip beispielsweise mittels CMOS- und/oder Silizium-Germanium Bipolartransistor-Prozesstechnologien implementiert sein können. Weiter umfasst die THz-Bildgebungsvorrichtung 18 einen Timing-Generator 24 und eine global geteilte Auslese 25. Mittels eines Analog-zu-Digital-Konverters 17 werden die Daten der Pixelmatrix 19 digitalisiert und die digitalen Fotoreaktionsdaten 26 bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Empfängerschaltung
- 2
- THz-Leistungsdetektor
- 3
- Stromausleseschaltung
- 4
- Detektorvorspannung
- 5
- Spannungsverstärker
- 6
- Vorspannungslast
- 7
- Erster Schaltungsteil
- 8
- Zweiter Schaltungsteil
- 9
- Dritter Schaltungsteil
- 10
- Vierter Schaltungsteil
- 11
- Geschlossene Stromschleife
- 12
- Stromspiegel zwischen ersten und dritten Schaltungsteil
- 13
- Stromspiegel zwischen zweiten und vierten Schaltungsteil
- 14
- Antenne
- 15
- Verstärkerstufe
- 16
- Verstärkerstufe
- 17
- Analog-zu-Digital-Konverter
- 18
- THz-Bildgebungsvorrichtung
- 19
- Pixelmatrix
- 20
- Zeilen
- 21
- Spalten
- 22
- Zeilenauswahl
- 23
- Spaltenauswahl
- 24
- Timing-Generator
- 25
- Global geteilte Auslese
- 26
- digitale Fotoreaktionsdaten
- 27
- Spannungsquelle
- 28
- Anschluss
- 29
- Anschluss
- VOFFSET
- Offsetspannung
- vph
- Photoreaktionssignal
- Cint
- Kapazität
- VO+
- Differentielles Ausgangssignal
- VO-
- Differentielles Ausgangssignal
- VX
- Spannung
- VY
- Spannung
- VSet
- Set-Spannung
- VReset
- Reset-Spannung
- iph
- Photoreaktionsstrom
- Z
- Konstantstromlast
- 1:A1
- Stromübertragungsverhältnis
- A1: 1
- Stromübertragungsverhältnis
- A1 iph
- Gespiegelter Strom
- MA
- n-Typ Common-Gate-MOSFET
- MB
- n-Typ Common-Gate-MOSFET
- RF+
- differentielles Signal
- RF-
- differentielles Signal
- G
- Gate-Anschluss
- VA
- Gate-Vorspannung
- VB
- Gate-Vorspannung
- M1
- Erster Transistor
- M2
- Zweiter Transistor
- M3
- Dritter Transistor
- M4
- Vierter Transistor
- M5
- Fünfter Transistor
- M6
- Sechster Transistor
- M7
- Siebter Transistor
- M8
- Achter Transistor
- VDD
- positive Versorgungsspannung
