DE10227619A1 - sensor circuit - Google Patents

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Abstract

Eine Sensorschaltung hat einen hochohmigen Sensor und eine von dem hochohmigen Sensor entfernt angeordnete Signalverarbeitungseinheit, die mit dem Sensor über eine Signalübertragungseinrichtung in Verbindung steht. Trotz des hochohmigen Ausgangs des Sensors kann eine fehlerarme Erfassung des Sensorsignals erreicht werden, in dem ein mit dem Ausgang des Sensors verbundener erster Transistor und ein zweiter Transistor der Signalverarbeitungseinheit als Differenztransistorpaar verschaltet sind, so daß eine Kompensation ihrer Gate-Source-Spannungen erreicht wird.A sensor circuit has a high-impedance sensor and a signal processing unit arranged remotely from the high-resistance sensor, which is connected to the sensor via a signal transmission device. Despite the high-impedance output of the sensor, a low-error detection of the sensor signal can be achieved in which a sensor connected to the output of the first transistor and a second transistor of the signal processing unit are connected as a differential transistor pair, so that a compensation of their gate-source voltages is achieved.

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Sensorschaltung. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Sensorschaltung, bei der ein Signal an einem hochohmigen Sensor abzugreifen ist und über eine Signalstrecke bzw. Signalübertragungseinrichtung zu einem anderen, typischerweise entfernten Ort zu übertragen ist, an dem das Signal beispielsweise durch Verstärkung weiterzuverarbeiten ist.The present invention is concerned with a sensor circuit. In particular, the invention is concerned with a Sensor circuit, in which a signal at a high-impedance sensor is to tap and over a signal path or signal transmission device to transfer to another, typically remote location is where the signal continues to process, for example by amplification is.

Es gibt in der Elektrotechnik viele Anwendungsfälle, bei denen ein von einer hochohmigen Signalquelle stammendes Signal zunächst über eine Signalstrecke oder Signalübertragungseinrichtung übertragen werden muß, bevor eine Weiterverarbeitung des Signals möglich ist. Diese Problematik tritt immer dann auf, wenn auf der Seite der Signalquelle bzw. des Sensors nicht genügend Platz für die Anordnung eines Verstärkers direkt an der Quelle zur Verfügung steht.There are many in electrical engineering Use cases, where a signal originating from a high-impedance signal source initially over a signal path or transmitted signal transmission device must become, before further processing of the signal is possible. This problem occurs whenever on the side of the signal source or the Sensor not enough space for the arrangement of an amplifier available directly at the source stands.

Diese Problematik soll im folgenden am Beispiel eines elektronischen Bildsensors verdeutlicht werden, wobei jedoch hervorgehoben sein soll, daß der Begriff "Sensor" im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung nicht auf Bildsensoren beschränkt ist, sondern alle Arten von Signalquellen einschließt.This problem should be explained below be illustrated with the example of an electronic image sensor, However, it should be emphasized that the term "sensor" in the sense of the present Patent application is not limited to image sensors, but all types of signal sources.

Die typische Beschaltung eines Bildsensors ist in 3 gezeigt, in der mit dem Bezugszeichen S ein hochomiger Sensor bezeichnet ist. Im Beispielsfall kann es sich um ein Sensorpixel aus einem Bildsensorarray handeln. Der Sensor S kann auch eine übliche Ansteuerung, eine Sample-Hold-Stufe oder ähnliche Schaltungsstrukturen umfassen, die den die erfaßte Lichtmenge eines Sensors darstellenden Ladungswert in einen Spannungswert abbildet, der an einem typischerweise hochohmigen Ausgang des Sensors anliegt. Mit dem Sensorausgang ist ein erster Transistor T in Source-Folger-Schaltung verbunden, dessen Source mit einer Seite einer Signalübertragungseinrichtung B verbunden ist, welche beispielsweise aus einer Leitung, Multiplexern oder allgemein aus einer Strecke besteht, die zu einer noch zu diskutierenden externen Verstärkerschaltung führt. Auf der anderen Seite ist die Signalübertragungseinrichtung B an eine ausgangsseitige Verstärkerschaltung V angeschlossen, die das Signal hochohmig abgreift und es typischerweise an einen Analog-digital-Umsetzer weiterleitet. Mit dem Bezugszeichen R sei der Arbeitswiderstand des Source-Folgers bezeichnet, der die Verstärkerschaltung bildet.The typical wiring of an image sensor is in 3 is shown, in which the reference numeral S denotes a hochomiger sensor. In the example, it may be a sensor pixel from an image sensor array. The sensor S may also comprise a conventional control, a sample-hold stage or similar circuit structures, which maps the charge value representing the detected light quantity of a sensor into a voltage value which is applied to a typically high-resistance output of the sensor. Connected to the sensor output is a first transistor T in source-follower circuit, the source of which is connected to one side of a signal transmission device B, which consists for example of a line, multiplexers or generally of a path leading to an external amplifier circuit to be discussed , On the other hand, the signal transmission device B is connected to an output side amplifier circuit V, which picks up the signal high impedance and typically forwards it to an analog-to-digital converter. The reference character R denotes the working resistance of the source follower which forms the amplifier circuit.

Im Falle eines elektronischen Bildsensors befinden sich der Sensor S (gegebenenfalls mit zugehöriger Ansteuerung, Sample-Hold-Stufe) sowie der erste Transistor T innerhalb des Bildsensorarrays, während der Arbeitswiderstand R und der Verstärker V sich am Rande des Arrays befinden. In diesem Fall ist die Signalübertragungseinrichtung B ein Bus, der beispielsweise alle Pixel einer Spalte auf einen gemeinsamen Block mit Verstärker V und Arbeitswiderstand R zusammenführt. Wegen der zu geringen zur Verfügung stehenden Fläche eines Pixels innerhalb eines Bildsensorarrays kann der erste Transistor T nicht als komplexer Verstärker ausgeführt werden, sondern nur als einfacher Source-Folger.In case of an electronic image sensor are located the sensor S (possibly with associated control, sample hold level) and the first transistor T within the image sensor array, during the Resistance R and the amplifier V are at the edge of the array are located. In this case, the signal transmission device B is a bus, for example, all pixels of a column on a common Block with amplifier V and working resistance R merges. Because of the low to disposal standing area of a pixel within an image sensor array may be the first transistor T not as a complex amplifier accomplished but only as a simple source follower.

Ein erstes Problem bei dieser bekannten Bildsensorschaltung liegt in der Gate-Source-Spannung des ersten Transistors T begründet. Diese streut zwischen den verschiedenen Transistoren innerhalb des Bildsensorarrays und ist temperaturabhängig. Außerdem ist, sie arbeitspunktabhängig, d.h. sie hängt vom Drainstrom des Transistors und von der Source-Bulk-Spannung ab. Wegen dieser Fehlergrößen bzw. der durch diese bedingten Offset-Spannungen kann die eigentliche Ausgangsspannung des Sensors S nur ungenau am Ausgang der Sensorschaltung abgebildet werden.A first problem with this known image sensor circuit is due to the gate-source voltage of the first transistor T. This scatters between the different transistors within the image sensor array and is temperature dependent. In addition is, depending on the operating point, i.e. she hangs from the drain current of the transistor and from the source-bulk voltage from. Because of these error sizes or The offset voltages caused by these conditions can be the actual ones Output voltage of the sensor S only inaccurately at the output of the sensor circuit be imaged.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensorschaltung mit einem Sensor und einer Signalübertragungseinrichtung zwischen dem Sensor und einer entfernt von dem Sensor angeordneten Signalverarbeitungseinheit zu schaffen, welche trotz einfacher Schaltungstechnik mit erhöhter Genauigkeit arbeitet.Based on this state of the art The present invention is based on the object, a sensor circuit with a sensor and a signal transmission device between the sensor and a remote from the sensor signal processing unit to create, which in spite of simple circuit technology with increased accuracy is working.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensorschaltung nach Anspruch 1 gelöst.This task is performed by a sensor circuit solved according to claim 1.

Die Erfindung schafft eine Sensorschaltung mit einem Sensor, dessen Ausgang mit einem ersten Transistor verbunden ist. Ein zweiter Transistor, der mit dem ersten Transistor als Differenztransistorpaar verschaltet ist, liegt innerhalb einer Signalverarbeitungseinheit von dem Sensor entfernt, wobei die Signalverarbeitungseinheit mit dem Sensor über eine Signalübertragungseinrichtung verbunden ist, die einerseits mit dem ersten Transistor in Wirkverbindung steht und andererseits mit dem in der Signalverarbeitungseinheit angeordneten zweiten Transistor in Wirkverbindung steht.The invention provides a sensor circuit with a sensor whose output is connected to a first transistor is. A second transistor, which connects to the first transistor as a differential transistor pair is within a signal processing unit of the sensor removed, wherein the signal processing unit with the sensor via a Signal transmission means is connected, on the one hand is in operative connection with the first transistor and on the other hand with the arranged in the signal processing unit second transistor is in operative connection.

Wie nachfolgend erläutert wird, kann der Erfindungsvorschlag als Übertragung eines aus dem Bereich der Operationsverstärkertechnik bekannten Schaltungskonzeptes auf eine Sensorschaltung verstanden werden, wobei jedoch das Differenztransistorpaar beim Gegenstand der vorliegenden Anmeldung nicht die bei Operationsverstärkern übliche Eingangsstufe bildet, sondern die beiden entfernt voneinander angeordneten Transistoren auf beiden Seiten der Signalübertragungsstrecke bzw. Signalübertragungseinrichtung.As explained below, can the invention proposal as a transfer from the field the operational amplifier technology Known circuit concept understood to a sensor circuit but with the difference transistor pair in the subject the present application is not the usual in operational amplifiers input stage forms, but the two transistors arranged remote from each other on both sides of the signal transmission path or signal transmission device.

Zur besseren Verdeutlichung dieses Schaltungskonzeptes sei unter Bezugnahme auf 2 daher zunächst die im Bereich der Operationsverstärkertechnik übliche interne Verschaltung eines Oerationsverstärkers erläutert, der in 2 in einer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen OPV bezeichnet ist und einen positiven Eingang INP, einen negativen Eingang INN und ein Differenztransistorpaar TP1, TP2 umfaßt, die mit ihren Sources miteinander sowie mit einem gemeinsamen Arbeitswiderstand oder einer Stromquelle I1 verbunden sind, die ihrerseits mit einem Bezugspotential verbunden ist. Die Gate-Elektrode des ersten Transistors TP1 ist mit dem positiven Eingang INP verbunden, während die Gate-Elektrode des zweiten Transistors TN1 mit dem negativen Eingang INN verbunden ist. Die Drains der beiden Transistoren TP1, TN1 sind mit den Eingängen einer üblichen Operationsverstärker-Innenschaltung IS verbunden, deren Ausgang den Schaltungsausgang A1 bildet, welcher wiederum mit dem negativen Eingang INN verbunden ist, wodurch der Operationsverstärker als Spannungsfolger mit einer Verstärkung V = 1 verschaltet ist.For a better clarification of this circuit concept, reference is made to 2 Therefore, the usual internal circuitry of an oeration amplifier, which is common in the field of operational amplifier technology, will first be explained 2 in a Ge is denoted by the reference numeral OPV and a positive input INP, a negative input INN and a differential transistor pair TP1, TP2, which are connected with their sources together and to a common load resistor or a current source I1, which in turn is connected to a reference potential. The gate of the first transistor TP1 is connected to the positive input INP, while the gate of the second transistor TN1 is connected to the negative input INN. The drains of the two transistors TP1, TN1 are connected to the inputs of a common operational amplifier internal circuit IS whose output forms the circuit output A1, which in turn is connected to the negative input INN, whereby the operational amplifier is connected as a voltage follower with a gain V = 1 ,

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed figures closer explained. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bildsensorschaltung; 1 an embodiment of an image sensor circuit according to the invention;

2 den bereits erläuterten, aus dem Stand der Technik bekannten Operationsverstärker; und 2 the previously discussed, known from the prior art operational amplifier; and

3 die bereits erläuterte, bekannte Bildsensorschaltung. 3 already explained, known image sensor circuit.

Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt die Sensorschaltung wiederum einen Sensor S, der ein Bildsensorpixel eines Bildsensorarrays mit zugehöriger Ansteuerschaltung und Sample-Hold-Schaltung umfaßt. Dieser hochohmige Sensor ist ausgangsseitig mit einem ersten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 1 derart verbunden, daß die Sensorausgangsspannung am Gate des n-Kanal-MOS-Eeldeffekttransistors T anliegt. Dessen Source ist mit einer Seite einer Signalübertragungseinrichtung B verbunden, die durch die Leitungen und Multiplexer innerhalb des Bildsensorarrays gebildet wird. Die Signalübertragungseinrichtung ist ausgangsseitig mit einer gegen ein Bezugsspannungspotential geschalteten Stromquelle I sowie einem Kompensationswiderstand RK verbunden, dessen Widerstandswert an den Innenwiderstand der Signalübertragungseinrichtung angepaßt ist. Der Kompensationswiderstand ist mit seinem anderen Anschluß mit der Source eines zweiten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors TN verbunden, der zusammen mit dem ersten Transistor T ein Differenztransistorpaar bildet. Die beiden Transistoren T, TN weisen vorzugsweise identische elektrische Charakteristika auf, so daß sich deren Gate-Source-Spannungen gegenseitig aufheben.As in 1 is shown, the sensor circuit in turn comprises a sensor S, which comprises an image sensor pixel of an image sensor array with associated drive circuit and sample-hold circuit. On the output side, this high-resistance sensor is connected to a first n-channel MOS field-effect transistor 1 such that the sensor output voltage is present at the gate of the n-channel MOS field effect transistor T. Whose source is connected to a side of a signal transmission device B, which is formed by the lines and multiplexers within the image sensor array. On the output side, the signal transmission device is connected to a current source I connected to a reference voltage potential and to a compensation resistor R K whose resistance value is matched to the internal resistance of the signal transmission device. The compensation resistor is connected at its other terminal to the source of a second n-channel MOS field-effect transistor TN, which forms a differential transistor pair together with the first transistor T. The two transistors T, TN preferably have identical electrical characteristics, so that their gate-source voltages cancel each other out.

Da der Spannungsabfall über die Signalübertragungseinrichtung B von dem Spannungsabfall über den Kompensationswiderstand RK kompensiert wird, erscheint die vom Sensor abgegebene Ausgangsspannung fehlerarm am Schaltungsausgang A. Vorzugsweise liegt ein als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker V mit seinem Eingang am Drain des zweiten Transistors TN, wobei der Ausgang A der Sensorschaltung mit dem Gate des zweiten Transitors TN verbunden ist.Since the voltage drop across the signal transmission device B is compensated by the voltage drop across the compensation resistor R K , the output voltage from the sensor appears with little error at the circuit output A. Preferably, an operational amplifier V connected as a voltage follower lies with its input at the drain of the second transistor TN, the output A of the sensor circuit is connected to the gate of the second transistor TN.

Es sei angemerkt, daß das Konzept der Erfindung darin gesehen wird, den mit dem Ausgang des Sensors verbundenen ersten Transistor T und den ausgangsseitigen Verstärkungstransistor TN als Differenztransistorpaar zu verschalten, indem diese Transistoren mit den beiden Seiten der Signaübertragungseinrichtung B in Wirkverbindung stehen, so daß es bei Betrieb des Differenztransistorpaars T, TN im gleichen Arbeitspunkt zu einer Kompensation der Gate-Source-Spannungen dieser Transistoren und somit zu einer korrekten Spannungsabbildung der Sensorspannung am Ausgang der Sensorschaltung kommt.It should be noted that the concept the invention is seen in that with the output of the sensor connected first transistor T and the output-side amplifying transistor TN as a differential transistor pair to connect by these transistors with the two sides of the Signaübertragungseinrichtung B are in operative connection, so that when operating the Differenztransistorpaars T, TN at the same operating point to a compensation of the gate-source voltages these transistors and thus to a correct voltage mapping the sensor voltage at the output of the sensor circuit comes.

Hierbei ist die Art der dem zweiten Transistor folgenden ausgangsseitigen Verstärkerschaltung unmaßgeblich. Es ist daher denkbar, anstelle des beschriebenen ausgangsseitigen, als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers einen beliebigen anderen Verstärker zu verwenden. Auch kann ein Spannungsteiler zwischen dem Schaltungsausgang A und dem Gate des zweiten Transistors TN vorgesehen werden.Here is the type of the second Transistor following output side amplifier circuit irrelevant. It is therefore conceivable, instead of the described output side, as a voltage follower switched operational amplifier any other amplifier to use. Also, a voltage divider between the circuit output A and the gate of the second transistor TN.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden für beide Transistoren n-Kanal-MOS-FETs verwendet. Natürlich können auch p-Kanal-MOS-FETs oder Transistoren anderer Technologien, wie beispielsweise Bipolartransistoren, verwendet werden.In the preferred embodiment were for both transistors use n-channel MOS FETs. Of course you can too p-channel MOS FETs or transistors of other technologies, such as Bipolar transistors, are used.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Sensor aus einem Bildsensorpixel innerhalb eines Bildsensorarrays mit zugehöriger Ansteuerschaltung und Sample-Hold-Stufe. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für andere Sensoren, die örtlich beabstandet von einer Signalverarbeitungseinheit angeordnet werden müssen und findet immer dann bevorzugte Anwendung, wenn es sich bei dem Sensor um einen Sensor mit hochohmigen Ausgang handelt. Als Sensor im Sinne der Anmeldung seien auch andere Signalquellen zu verstehen.In the preferred embodiment The sensor consists of an image sensor pixel within an image sensor array with associated Drive circuit and sample hold stage. The invention is suitable but also for other sensors that are locally spaced must be arranged by a signal processing unit and always finds favored application when it comes to the sensor is a sensor with high-impedance output. As a sensor in the sense The application should also be understood as other signal sources.

Die Anordnung der Quellen ist dabei nicht auf zweidimensionale Arrays beschränkt, sondern kann z.B. auch als Zeile oder Einzelelement ausgeführt sein oder allgemein Ndimensional sein. Das Konzept der Erfindung eignet sich für beliebige geordnete oder ungeordnete Ansammlungen von Quellen.The arrangement of the sources is included not limited to two-dimensional arrays, but may e.g. also be executed as a line or a single element or generally Ndimensional his. The concept of the invention is suitable for any ordered or disorderly collections of sources.

Bei elektronischen Bildsensoren befinden sich meist die Elemente der Sensorschaltung auf einem Mikrochip. Das erfindungsgemäße Konzept kann jedoch auch auf Schaltungen angewendet werden, bei denen die Baugruppen beliebig verteilt sind.Electronic image sensors are located usually the elements of the sensor circuit on a microchip. The inventive concept can However, also be applied to circuits in which the modules are distributed arbitrarily.

Claims (9)

Sensorschaltung, mit: einem Sensor (S), einem mit dem Ausgang des Sensors (S) verbundenen ersten Transistor (T); einer Signalübertragungseinrichtung (B), die auf ihrer einen Seite mit dem ersten Transistor in Wirkverbindung steht; und einer einen zweiten Transistor (TN) aufweisenden Signalverarbeitungseinheit, wobei der. zweite Transistor mit der Signalübertragungseinrichtung (B) auf ihrer anderen Seite in Wirkverbindung steht, wobei der erste Transistor (T) und der zweite Transistor (TN) als Differenztransistorpaar verschaltet sind.Sensor circuit, with:  a sensor (S),  one the first transistor (T) connected to the output of the sensor (S);  one Signal transmission means (B), which on its one side with the first transistor in operative connection stands; and  a signal processing unit having a second transistor (TN), the. second transistor with the signal transmission device (B) is in active connection on the other side,  the first transistor (T) and the second transistor (TN) as a differential transistor pair are interconnected. Sensorschaltung nach Anspruch 1, mit einer zwischen der Signalübertragungseinrichtung (B) und einem Bezugspotential geschalteten Stromquelle (I).Sensor circuit according to claim 1, with a between the signal transmission means (B) and a reference potential switched current source (I). Sensorschaltung nach Anspruch 2, mit einem zwischen der Signalübertragungseinrichtung (B) und einem Bezugsspannungspotential geschalteten Widerstand.Sensor circuit according to claim 2, with a between the signal transmission means (B) and a reference voltage potential switched resistor. Sensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Transistor (T) und der zweite Transistor (TN) Feldeffekttransistoren sind, wobei die Source des ersten Transistors (T) auf der einen Seite mit der Signalübertragungseinrichtung (B) verbunden ist, und wobei die Source des zweiten Transistors (TN) auf der anderen Seite mit der Signalübertragungseinrichtung (B) verbunden ist.Sensor circuit according to one of claims 1 to 3, wherein the first Transistor (T) and the second transistor (TN) field effect transistors are,  wherein the source of the first transistor (T) on the one Side with the signal transmission device (B) is connected, and wherein the source of the second transistor (TN) on the other side with the signal transmission device (B) connected is. Sensorschaltung nach Anspruch 4, bei der die Feldeffekttransistoren (T, TN) im gleichen Arbeitspunkt betrieben werden, so daß sich ihre Gate-Source-Spannungen innerhalb der Sensorschaltung aufheben.Sensor circuit according to claim 4, wherein the field effect transistors (T, TN) are operated at the same operating point, so that their Gate-source voltages within the sensor circuit. Sensorschaltung nach Anspruch 2, bei der die Stromquelle (I) mit der Signalübertragungseinrichtung (B) auf ihre anderen Seite verbunden ist, wobei zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle (I) und der anderen Seite der Signalübertragungseinrichtung (B) einerseits und dem zweiten Transistor (TN) andererseits ein Kompensationswiderstand (RK) geschaltet ist, dessen Widerstandswert denjenigen der Signalübertragungseinrichtung (B) entspricht.Sensor circuit according to Claim 2, in which the current source (I) is connected to the signal transmission device (B) on its other side, wherein between the connection point between the current source (I) and the other side of the signal transmission device (B) on the one hand and the second transistor ( TN) on the other hand, a compensation resistor (R K ) is connected, whose resistance value corresponds to that of the signal transmission device (B). Sensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Operationsverstärker, der eingangsseitig mit dem Drain des zweiten Transistors (TN) und ausgangsseitig mit einem Schaltungsausgang (A) und der Source des zweiten Transistors (TN) verbunden ist.Sensor circuit according to one of claims 1 to 6, further comprising a Operational amplifier, the input side to the drain of the second transistor (TN) and on the output side with a circuit output (A) and the source of the second transistor (TN) is connected. Sensorschaltung nach Anspruch 7, bei der der Operationsverstärker als Spannungsfolger geschaltet ist.Sensor circuit according to claim 7, wherein the operational amplifier as Voltage follower is switched. Sensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Sensor ein Bildsensorpixel in einem Bildsensorarray ist.Sensor circuit according to one of claims 1 to 8, wherein the sensor is an image sensor pixel in an image sensor array.
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