DE19754626A1 - Programmierbare, optisch sensitive Schaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine programmier­ bare, optisch sensitive Schaltung, und insbesondere auf eine monolithisch integrierte, programmierbare, optisch sensitive Schaltung.

Im Stand der Technik werden für Anwendungen, bei denen opti­ sche Sensoren erforderlich sind, wie beispielsweise in Dreh­ winkelgebern, bei denen die optischen Sensoren in den Meßge­ räten enthalten sind, diese optischen Sensoren diskret auf­ gebaut. Die optischen Sensoren umfassen beispielsweise Pho­ todioden, die auf einer Fläche von ca. 20 bis 100 mm² ange­ ordnet werden. Hierzu werden ca. 20 Photodioden und Verstär­ ker benötigt. Dies erfordert im Stand der Technik 20 einzel­ ne Photodioden, die für die spezifische Anwendung entspre­ chend zu verschalten sind.

Ein Nachteil dieses diskreten Aufbaus besteht in dem aufwen­ digen mechanischen Aufbau der optischen Sensoren und in der mangelnden Flexibilität, da ein Aufbau nur für eine bestimm­ te Anwendung geeignet ist, und nicht für unterschiedliche Meßgeräte verwendet werden kann, da die optische Anordnung bei unterschiedlichen Anwendungen unterschiedlich ist. Fer­ ner resultiert der bekannte diskrete Aufbau der Schaltung in deutlich höheren Kosten und erfordert zusätzlich viel Zeit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optisch sensitive Schaltung zu schaffen, die eine flexible räumliche Zusammen­ fassung und eine flexible Anzahl der entstehenden photosen­ sitiven Flächen sowie eine flexible Verschaltung der Auswer­ teschaltungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine programmierbare, optisch sen­ sitive Schaltung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine programmierbare, op­ tisch sensitive Schaltung mit einer Mehrzahl von optisch sensitiven Einzelzellen, wobei jede der Mehrzahl der optisch sensitiven Einzelzellen zumindest ein optisch sensitives Bauelement, zumindest einen Schalter und zumindest ein Spei­ cherelement aufweist. Der Schalter ist dem zumindest einem optisch sensitiven Bauelement zugeordnet und über den Schal­ ter ist die optisch sensitive Einzelzelle mit einer oder mehreren der Mehrzahl der optisch sensitiven Einzelzellen verbindbar. Das Speicherbauelement ist dem zumindest einen Schalter zugeordnet und in dasselbe sind Informationen ein­ lesbar, die angeben, ob der zumindest eine Schalter eine Verbindung mit einer oder mehreren optisch sensitiven Ein­ zelzellen bewirkt.

Die erfindungsgemäße programmierbare, optisch sensitive Schaltung hat den Vorteil, daß sie gegenüber der oben be­ schriebenen diskreten Lösung einen einfachen mechanischen Aufbau ermöglicht, und daß ein und dieselbe Schaltung gleichzeitig durch die Programmierung für unterschiedliche Geräte verwendet werden kann, da die optische Anordnung der photosensitiven Flächen programmiert werden kann. Ein weite­ rer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Schal­ tung als monolithisch integrierter Chip aufgebaut werden kann, so daß sich insbesondere bei nicht zu großen Chipflä­ chen deutliche Kostenvorteile gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ergeben. Wiederum ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die erfindungsgemäße Schal­ tung der Aufbau von Prototypen beschleunigt wird.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Schaltung, wel­ che auf einem Chip monolithisch integriert ist, in einem Drehwinkelgeber eingesetzt. Die optischen Sensoren, die der­ zeit noch diskret aufgebaut werden, werden durch die erfin­ dungsgemäße Schaltung ersetzt, welche darüberhinaus natür­ lich auch für andere Anwendungen programmiert werden kann.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nä­ her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer optisch sensitiven Einzelzelle, die in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendet wird;

Fig. 2 ein mögliches Layout der optisch sensitiven Einzel­ zelle aus Fig. 1;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Schaltung, bei der neun Einzelzellen aus Fig. 1 in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung einer der programmier­ baren Schaltungseinrichtungen aus Fig. 3;

Fig. 5 ein mögliches Layout der 3 × 3-Matrix aus Fig. 3;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Schaltung mit einem optisch sensitiven Be­ reich, der getrennt von der Verdrahtungsmatrize an­ geordnet ist;

Fig. 7 einen Transimpedanzverstärker;

Fig. 8 einen Ladungsverstärker;

Fig. 9 einen Differenzverstärker; und

Fig. 10 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Schaltung, bei der eine Vielzahl von Einzel­ zellen, Ansteuerschaltungen und Auswertungsschal­ tungen in einem Chip integriert sind.

In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden in den einzelnen Figuren für gleiche Bauteile auch die gleichen Be­ zugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer optisch sensitiven Einzel­ zelle, die in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendet wird. Die Einzelzelle ist in ihrer Gesamtheit mit dem Be­ zugszeichen 100 versehen und umfaßt ein optisch sensitives Bauelement 102, das bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel durch eine Photodiode gebildet ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Einzel­ zelle 100 ferner vier Schalter 104-1, 104-2, 104-3 und 104-4, über die die Photodiode 102 mit einer ersten Verbindungs­ leitung 106-1, einer zweiten Verbindungsleitung 106-2, einer dritten Verbindungsleitung 106-3 bzw. einer vierten Verbin­ dungsleitung 106-4 verbindbar ist.

Den Schaltern 104-1 bis 104-4 ist jeweils ein Speicherele­ ment 108-1, 108-2, 108-3 und 108-4 zugeordnet, in welche In­ formationen eingelesen werden, die angeben, ob die Schalter 104-1 bis 104-4 eine Verbindung mit einer der Verbindungs­ leitungen 106-1 bis 106-4 bewirken.

Die Photodiode 102 ist an einem Anschluß mit Masse 110 ver­ bunden, und ein zweiter Anschluß der Photodiode 102 ist mit einem Zentralknoten 112 verbunden. Die Verbindungsleitungen 106-1 bis 106-4 weisen jeweils einen Verbindungsknoten 114-1, 114-2, 114-3 und 114-4 auf. Der Schalter 104-1 ist zwi­ schen den Zentralknoten 112 und den Verbindungsknoten 114-1 auf der Verbindungsleitung 106-1 geschaltet. Der Schalter 104-2 ist zwischen den Zentralknoten 112 und den Verbin­ dungsknoten 114-2 auf der Verbindungsleitung 106-2 geschal­ tet. Der Schalter 104-3 ist zwischen den Zentralknoten 112 und den Verbindungsknoten 114-3 auf der Verbindungsleitung 106-3 geschaltet. Der Schalter 104-4 ist zwischen den Zen­ tralknoten 112 und den Verbindungsknoten 114-4 auf der Ver­ bindungsleitung 106-4 geschaltet.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Speicherelemente 108-1 bis 108-4 durch D-Flip-Flops gebildet, welche an einem ersten Eingang ein Taktsignal T empfangen, welches zur Pro­ grammierung der Einzelzelle verwendet wird, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Der D-Eingang des Speichereingangs 108-1 ist mit einem externen Anschluß (nicht dargestellt) verbunden, an den ein Programmierungssignal angelegt wird, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Der Ausgang Q des Speicherelements 108-1 ist mit dem D-Eingang des Speicher­ elements 108-2 verbunden, wie dies durch die gepunktete Linie dargestellt ist. Ebenso ist der Q-Ausgang des Flip- Flops 108-2 mit dem D-Eingang des Flip-Flops 108-3 verbun­ den, und dessen Q-Ausgang ist mit dem D-Eingang des Flip- Flops 108-4 verbunden. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sind die gestrichelten Verbindungslinien zwischen den Flip- Flops 108-1 bis 108-4 jeweils über die Symbole für die Schalter 104-1 bis 104-4 geführt, wodurch angedeutet ist, daß durch die im Flip-Flop gespeicherte Information bestimmt wird, in welcher Stellung sich der jeweilige Schalter befin­ det. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 108-4 ist zum einen auf den Schalter 104-4 geführt, und zum anderen über eine wei­ terführende Leitung 116 aus der Einzelzelle 100 herausge­ führt. Diese weiterführende Leitung 116 wird dann verwendet, wenn eine Mehrzahl von Einzelzellen vorgesehen ist, und de­ ren Programmierung auf serielle Art und Weise erfolgen soll.

Die Programmierung einer solchen Einzelzelle erfolgt auf an sich bekannte Art und Weise, nämlich dadurch, daß abhängig von den zu programmierenden Schaltern ein Bit-Wort an den Eingang Q des Flip-Flops 108-1 angelegt wird. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist z. B. ein 4-Bit-Wort erforder­ lich, welches durch Anlegen eines Taktsignals mit vier Tak­ ten bewirkt, daß die einzelnen Flip-Flops programmiert wer­ den. Soll beispielsweise lediglich das Flip-Flop 108-4 pro­ grammiert werden, so wird eine Bitfolge 0001 an den D-Ein­ gang des Flip-Flops 108-1 angelegt, und nach vier Taktimpul­ sen liegen an den Q-Ausgängen der Flip-Flops 108-1 bis 108-3 jeweils eine logische 0 an, wohingegen am Q-Ausgang des Flip-Flops 108-4 eine logische 1 anliegt. Soll statt dessen zusätzlich das Flip-Flop 108-2 programmiert werden, so wird an den D-Eingang des Flip-Flops 108-1 das Bitwort 0101 ange­ legt, so daß sich nach vier Takten am Q-Ausgang der Flip- Flops 108-2 und 108-4 eine logische 1 einstellt, wohingegen an den Q-Ausgängen der Flip-Flops 108-1 und 108-3 eine logi­ sche 0 anliegt. Durch eine logische 1 am Q-Ausgang wird be­ wirkt, daß der jeweilige Schalter geschlossen wird, um eine Verbindung zwischen dem Zentralknoten 112, also dem Ausgang des photoempfindlichen Elements 102, und der jeweiligen Ver­ bindungsleitung herzustellen. Bei dem erstgenannten Beispiel wäre z. B. nur der Schalter 104-4 geschlossen, und die übri­ gen Schalter wären offen, wohingegen beim zweiten Beispiel die Schalter 104-2 und 104-4 geschlossen wären, und die Schalter 104-1 und 104-3 offen wären, so daß das photoemp­ findliche Bauelement 102 mit den Verbindungsleitungen 106-2 und 106-4 verbunden wäre.

Die Einzelzelle 100, welche auch als Photoelement bezeichnet werden kann, enthält, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, min­ destens einen Schalter, welcher beispielsweise als Schalt­ transistor ausgestaltet sein kann, sowie mindestens ein Speicherelement, welches die logische Information, ob der Schalter geschlossen ist oder nicht, beinhaltet. Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Einzelzelle 100, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß anstelle der in Fig. 1 gezeigten vier Schalter und vier Speicherelemente auch nur ein einzel­ ner Schalter und ein einzelnes Speicherelement verwendet werden kann. Ebenso ist es möglich, anstelle der gezeigten vier Schalter und vier Speicherelemente auch mehr als vier Schalter und vier Speicherelemente zu verwenden, sofern dies erwünscht ist.

Anstelle der in Fig. 1 beschriebenen Photodiode 102 können auch andere photoempfindliche Bauelemente eingesetzt werden, wie beispielsweise Photobipolartransistoren oder photoemp­ findliche MOS-Transistoren, beispielsweise PMOS-Transistoren mit floatender Wanne. Anstelle der beschriebenen D-Flip- Flops 108-1 bis 108-4 können andere Elemente zur Speicherung der erforderlichen Informationen gewählt werden. Es können flüchtige Speicherzellen, wie z. B. Flip-Flops, SRAM-Zellen oder ähnliche, oder nicht-flüchtige Speicherzellen, wie z. B. EEPROMS, Fuses oder ähnliches, verwendet werden.

Anhand der Fig. 2 wird nun ein mögliches Layout einer op­ tisch sensitiven Einzelzelle, wie sie anhand der Fig. 1 be­ schrieben wurde, dargestellt. Das Layout 200 hat eine qua­ dratische Form und umfaßt einen kreuzförmigen ersten Bereich 202 und quadratische Bereiche 204-1 bis 204-4, die in den ausgesparten Bereichen des Bereichs 202 angeordnet sind. Im Bereich 202 kommt das photoempfindliche Bauelement, wie z. B. die Photodiode, zum Liegen, wohingegen in den Bereichen 204-1 bis 204-4 die anhand der Fig. 1 beschriebenen Schalter und Speicherelemente angeordnet werden.

Anhand der Fig. 3 wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Erfindung be­ schrieben. In Fig. 3 ist eine 3 × 3-Matrix von Einzelzellen gezeigt, wobei die Einzelzellen der anhand der Fig. 1 be­ schriebenen Einzelzelle entsprechen und daher mit dem Be­ zugszeichen 100-1 bis 100-9 bezeichnet sind. Die Speicher­ zellen 100-1 bis 100-3 sind über horizontale Verbindungslei­ tungen 302-1 und 302-2 miteinander verbindbar. Die Speicher­ zellen 100-4 bis 100-6 sind über horizontale Verbindungslei­ tungen 302-3 und 302-4 miteinander verbindbar, und die Ein­ zelzellen 100-7 bis 100-9 sind über horizontale Verbindungs­ leitungen 302-5 und 302-6 miteinander verbindbar, die Ein­ zelzellen 100-1, 100-4 und 100-7 sind über vertikale Verbin­ dungsleitungen 304-1 und 304-2 miteinander verbindbar, die Einzelzellen 100-2, 100-5 und 100-8 sind über vertikale Ver­ bindungsleitungen 304-3 und 304-4 verbindbar, und die Ein­ zelzellen 100-3, 100-6 und 100-9 sind über vertikale Verbin­ dungsleitungen 304-5 und 304-6 miteinander verbindbar. Um eine Verbindung von beliebigen der Einzelzellen 100-1 bis 100-9 in den unterschiedlichen Zeilen und Spalten der 3 × 3-Matrix zu ermöglichen, sind zwischen den Einzelzellen 100-1 und 100-2, den Einzelzellen 100-2 und 100-3, den Einzelzel­ len 100-4 und 100-5, den Einzelzellen 100-5 und 100-6, den Einzelzellen 100-7 und 100-8, und zwischen den Einzelzellen 100-8 und 100-9 programmierbare Schaltungseinrichtungen 306-1 bis 306-6 vorgesehen.

Beispielhaft wird nachfolgend anhand der Fig. 4 die program­ mierbare Schaltungseinrichtung 306-1 näher beschrieben, wo­ bei Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des oberen linken Abschnitts aus der Fig. 3 ist und neben der Einrichtung 306-1 die Einzelzellen 100-1 und 100-2 sowie Teile der hori­ zontalen Verbindungsleitungen 302-1 und 302-2 und Teile der vertikalen Verbindungsleitungen 304-1, 304-2, 304-3 und 304-4 zeigt.

Die programmierbare Schaltungseinrichtung 306-1 umfaßt vier Schalter 308-1 bis 308-4 sowie vier Speicherelemente 310-1 bis 310-4, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch D-Flip-Flops gebildet sind, die seriell miteinander verschaltet sind, wie dies durch die gestrichelte Linie dar­ gestellt ist, und wie es anhand der Fig. 1 schon beschrieben wurde. Die Programmierung dieser D-Flip-Flops erfolgt auf ähnliche Art und Weise, wie sie bereits beschrieben wurde, d. h., daß bei der Einstellung einer logischen 1 in einem der D-Flip-Flops der zugeordnete Schalter geschlossen wird. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, ist der Schalter 308-1 zwischen einem Knoten K1 auf der horizontalen Verbindungsleitung 302-2 und einem Knoten K2 auf der vertikalen Verbindungslei­ tung 304-2 geschaltet. Auf ähnliche Art und Weise ist der zweite Schalter 308-2 zwischen einem Knoten K3 auf der ver­ tikalen Verbindungsleitung 304-2 und einem Knoten K4 auf der horizontalen Verbindungsleitung 302-1 geschaltet. Der Schal­ ter 308-3 ist zwischen einem Knoten K5 auf der horizontalen Verbindungsleitung 302-1 und einem Knoten K6 auf der verti­ kalen Verbindungsleitung 304-3 geschaltet. Der vierte Schal­ ter 308-4 ist zwischen einem Knoten K7 auf der vertikalen Verbindungsleitung 304-3 und einem Knoten K8 auf der hori­ zontalen Verbindungsleitung 302-2 geschaltet.

Durch eine entsprechende Programmierung der vier Speicher­ elemente 310-1 bis 310-2 kann somit jede beliebige Verbin­ dung zwischen den horizontalen Verbindungsleitungen 302-1 und 302-2 und den vertikalen Verbindungsleitungen 304-2 und 304-3 hergestellt werden. Wie es auch schon in Fig. 3 zu sehen ist, umfaßt die Schaltung eine Mehrzahl von Program­ miereingängen 312-1 bis 312-3, über welche die jeweiligen Zeilen der Matrix und die darin angeordneten Einzelzellen und programmierbaren Schaltungseinrichtungen entsprechend dem Anwendungsfall programmiert werden können. Um dies zu ermöglichen, sind die Speicherelemente in jeder Zeile der Matrix seriell über eine Leitung verbunden, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 3, und wie es noch besser in Fig. 4 zu erkennen ist, dargestellt ist. Die gestrichelte Linie endet an den Ausgängen 314-1 bis 314-3, wodurch dar­ gestellt ist, daß durch einfaches Einfügen weiterer Einzel­ zellen und programmierbarer Schaltungseinrichtungen die Matrix auf beliebige Art und Weise vergrößert werden kann.

Durch die Programmierung der Matrix, wie sie in Fig. 3 dar­ gestellt ist, können die Einzelzellen bzw. die einzelnen Photosensoren zu größeren Einheiten zusammengefaßt werden. Damit werden technische Anwendungen, welche die räumliche Anwendung vieler diskreter Photoelemente mit unterschiedli­ chen Abständen und Flächen benötigen, einfach fertigbar. Durch die erfindungsgemäße programmierbare, optisch sensiti­ ve Schaltung wird es ermöglicht, eine Vielzahl diskreter Photosensoren zu ersetzen. Die Anzahl der Einheiten und de­ ren Anordnung wird durch die Anzahl der programmierbaren Verbindungsleitungen begrenzt.

In Fig. 5 ist ein mögliches Layout der in Fig. 3 dargestell­ ten Schaltung dargestellt, welche im wesentlichen neun Ein­ zelzellen 200 umfaßt, die bereits anhand der Fig. 2 be­ schrieben wurden. Zwischen den Einzelzellen sind die anhand der Fig. 3 bereits beschriebenen vertikalen und horizontalen Verbindungsleitungen 302-1 bis 302-6 sowie 304-1 bis 304-6 angeordnet. Mittels eines solchen Layouts ist die vorliegen­ de Erfindung in der Form einer monolithisch integrierten Schaltung, die programmierbar und optisch sensitiv ist, rea­ lisierbar. Als Fertigungstechnologien für eine integrierte Schaltung kommen in erster Linie CMOS- und BiCMOS-Technolo­ gien in Frage, da diese am einfachsten die Realisierung ei­ nes bidirektionalen Schalters, wie z. B. eines MOS- bzw. CMOS-Transmissionsgates, erlauben. In einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel sind die verwendeten photoempfindlichen Bauelemente derart ausgewählt, daß diese einen Empfindlich­ keitsbereich aufweisen, der den Bereich des sichtbaren Lichts sowie den benachbarten UV-Bereich und den nahen In­ frarotbereich (200 bis 1200 nm Wellenlänge) umfaßt.

Bei dem anhand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Einzelzellen in einer regelmäßigen Struktur, näm­ lich in einer Matrixstruktur, angeordnet. Die Einzelzellen können jedoch statt dessen in einer Zeilenstruktur auf dem Chip angeordnet sind, oder sie können in einer unregelmäßi­ gen Anordnung auf dem Chip plaziert sein.

Bei einem Ausführungsbeispiel können die photoempfindlichen Bauelemente der Einzelzellen mit unterschiedlicher Polarität hergestellt werden, z. B. in einer N-Wannen-CMOS-Technologie die n-Implantation-Substrat und die p-Implantation-Wanne- Diode, so daß sich gegenseitig auslöschende Photoströme er­ zeugt werden. Eine Differenzbildung von zwei oder mehr Pho­ toströmen kann jedoch auch auf elektronischem Wege vorgenom­ men werden, wie später noch beschrieben wird.

Wie es in Fig. 5 zu erkennen ist, ist die programmierbare Verdrahtung der Einzelsensoren durch die horizontalen und vertikalen Verbindungsleitungen realisiert, die bei dem an­ hand der Fig. 5 beschriebenem Beispiel zwischen den Einzel­ zellen bzw. Photosensoren 200 verlaufen. Bezüglich der Fig. 5 wird darauf hingewiesen, daß die programmierbaren Schal­ tungseinrichtungen 306-1 bis 306-6 in dem Layout für die Einzelzellen enthalten sind.

Anhand der Fig. 6 wird nachfolgend ein zweites Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Schaltung näher beschrieben. Die Schaltung ist in der Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 600 versehen und umfaßt einen ersten Bereich 602, in dem eine Mehrzahl von photoempfindlichen Bauelementen P gebildet sind, die bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbei­ spiel durch Photodioden realisiert sind. Die Photodioden sind mit einem Anschluß mit Masse M verbunden. Der andere Anschluß der Photodioden P ist mit einem Schalter S verbun­ den, über den die Photodioden P in einer ersten Zeile 604-1 mit den einzelnen Photodioden zugeordneten Verbindungslei­ tungen 606-1 bis 606-4 verbindbar sind. Die Photodioden P in einer zweiten Zeile 604-2 sind über die Schalter S mit zuge­ ordneten Verbindungsleitungen 606-5 bis 606-8 verbindbar. Ebenso sind die Photodioden P in einer dritten Zeile 604-3 über die Schalter S mit zugeordneten Verbindungsleitungen 606-9, 606-10, 606-11 und 606-12 verbindbar. Den Schaltern S in jeder Zeile 604-1 bis 604-3 ist jeweils ein Flip-Flop F zugeordnet, welches die erforderlichen Informationen zur Steuerung der Schalter S, d. h. zum Schließen oder Öffnen der Schalter, enthält. Die Flip-Flops F in jeder Zeile 604-1 bis 604-3 sind über eine gemeinsame Programmierleitung 608-1, 608-2 bzw. 608-3 verbunden, um die Flip-Flops z. B. auf die anhand der Fig. 1 beschriebenen Art und Weise zum Pro­ grammieren und die Schalter S entsprechend anzusteuern.

Mit dem Bereich 602 wird somit auf der integrierten Schal­ tung bzw. auf dem Chip eine photosensitive Fläche bzw. ein photosensitiver Bereich geschaffen. Zusätzlich zu dem pho­ tosensitiven Bereich 602 ist ein zweiter Bereich 610 gebil­ det, welcher als Schaltungsbereich bezeichnet wird, welcher die Verbindung einer Photodiode- P mit einer beliebigen an­ deren Photodiode in der Anordnung 600 ermöglicht. Der Be­ reich 610 umfaßt eine Mehrzahl von programmierbaren Schal­ tungseinrichtungen PS, wobei in einer ersten Spalte 612-1, in einer zweiten Spalte 612-2 und in einer dritten Spalte 612-3 jeweils drei programmierbare Schaltungseinrichtungen PS angeordnet sind. Die programmierbaren Schaltungseinrich­ tungen ermöglichen eine Verbindung von jeder der vertikalen Verbindungsleitungen 606-1 bis 606-12 auf eine der vertika­ len Verbindungsleitungen 614-1 bis 614-3. Jede der program­ mierbaren Schaltungseinrichtungen PS umfaßt vier Schalter S, die über die dargestellten Flip-Flops angesteuert werden. Wie aus der Fig. 6 zu entnehmen ist, sind die Flip-Flops derjenigen programmierbaren Schaltungseinrichtungen PS, die sich in der Zeile 604-1 befinden, seriell mit den Flip-Flops F über die Leitung 608-1 verbunden. Ebenso sind die Flip- Flops der programmierbaren Schaltungseinrichtungen in der zweiten Zeile 604-2 seriell über die Leitung 608-2, und die Flip-Flops in den programmierbaren Schaltungseinrichtungen in der dritten Zeile 604-3 seriell über die Leitung 608-3 verbunden.

Durch eine entsprechende Programmierung der Flip-Flops F so­ wie der Flip-Flops der programmierbaren Schaltungseinrich­ tungen PS kann jedes beliebige photoempfindliche Bauelement mit jedem anderen beliebigen photoempfindlichen Bauelement über die Verbindungsleitungen 606 und 614 verbunden werden.

Anders als bei den im vorhergehenden beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen sind bei dem Schaltungsbeispiel gemäß der Fig. 6 die Verbindungsleitungen nicht zwischen den Photosen­ soren angeordnet, sondern außerhalb derselben.

Neben der anhand der bisherigen Ausführungsbeispiele be­ schriebenen Integration der Photoelemente, Verdrahtungslei­ tungen, Schalter und Speicherelemente können auch weitere Schaltungsteile zur Ansteuerung der Photoelemente und Aus­ werteschaltungen mit integriert werden, diese Schaltungen können sich jedoch auch außerhalb der integrierten Schaltung befinden.

Anhand der Fig. 7 bis 9 werden einige Beispiele für Schal­ tungsteile zur Ansteuerung der Photoelemente bzw. Auswerte­ schaltungen näher beschrieben.

Mittels der in Fig. 7 bis 9 dargestellten Schaltungsele­ mente, die z. B. zusammen mit den photoempfindlichen Ele­ menten auf einem gemeinsamen Chip integriert sein können, wird es ermöglicht, eine programmierbare, optisch sensitive Schaltung zu schaffen, die die Zusammenschaltung nahezu be­ liebig angeordneter photoempfindlicher Elemente zu einem ge­ meinsamen Photoelement mit der Summation der Photoströme er­ möglicht (I1 + I2). Weiterhin kann die Verschaltung und die Ausführung der photoempfindlichen Elemente so vorgenommen werden, daß die Differenz der Photoströme mehrerer photoemp­ findlicher Elemente gebildet werden kann, z. B. (I1 + I2) - (I3 + I4), wobei In den Photostrom des photoempfindlichen Elements n darstellt. Die vorliegende Erfindung schafft so­ mit eine programmierbare, optisch sensitive Schaltung mit einer Summierungseinrichtung, die die von der Mehrzahl von beliebig angeordneten optisch sensitiven Einzelzellen er­ zeugten Ausgangssignale (I1, I2, . .) summiert. Ferner wird eine programmierbare, optisch sensitive Schaltung geschaf­ fen, die alternativ oder zusätzlich zu der Summierungsein­ richtung eine Differenzbildungseinrichtung aufweist, die die Differenz, I1 - I2 oder (I1 + I2) - (I3 + I4), von einem Ausgangs­ signal (I1) einer ersten optisch sensitiven Einzelzelle oder einer Mehrzahl von ersten optisch sensitiven Einzelzellen (I1 + I2) und einem Ausgangssignal einer zweiten optisch sen­ sitiven Einzelzelle (I3) oder einer Mehrzahl von zweiten op­ tisch sensitiven Einzelzellen (I3 + I4) erzeugt, wobei die op­ tisch sensitiven Einzelzellen beliebig angeordnet sind.

Fig. 7 zeigt einen Transimpedanzverstärker 700, welcher ei­ nen Operationsverstärker 702 umfaßt, dessen erster Eingang 704 mit dem Ausgang eines photoempfindlichen Elements 102-1 verbunden ist, und dessen zweiter Eingang 706 auf Masse ruht. Der erste Eingang 704 ist über eine Widerstand 708 mit dem Ausgang 710 des Operationsverstärkers verbunden. An­ stelle des mit dem ersten Eingang 704 verbundenen Elements 102-1 können eines oder mehrere, beliebig angeordnete photo­ empfindliche Elemente 102-2 . . 102-n mit dem Eingang 704 ver­ bunden werden, wie dies in Fig. 7 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

In Fig. 8 ist ein Differenzverstärker 800 dargestellt, wel­ cher die Differenz zwischen einem Signal des ersten Photo­ element 102-1 und des zweiten Photoelement 102-2 bildet. Der Verstärker umfaßt einen Operationsverstärker 802, dessen er­ ster Eingang 804 über einen Kondensator 806 mit einem An­ schluß des Photoelements 102-2 verbunden ist. Ein zweiter Eingang 808 des Operationsverstärkers 802 ist über einen zweiten Kondensator mit dem Photoelement 102-1 verbunden. Der Operationsverstärker 802 weist einen ersten Ausgang 812 und einen zweiten Ausgang 814 auf. Der erste Ausgang 812 ist über einen Kondensator 816 mit einem Knoten 820 zwischen dem ersten Kondensator 806 und dem 102-2 verbunden. Der zweite Ausgang 814 ist über einen Kondensator 822 mit einem zweiten Knoten 824 verbunden, der zwischen dem zweiten Kondensator 810 und dem Photoelement 102-1 liegt. Anstelle des einzelnen Elements 102-2 können eines oder mehrere, beliebig angeor­ dnete photoempfindliche Elemente 102-3 . . 102-n mit dem Ein­ gang 804 verbunden werden, wie dies in Fig. 8 durch die ge­ strichelte Linie angedeutet ist. Ferner ist es auch möglich, anstelle des einzelnen Elements 102-1 eines oder mehrere, beliebig angeordnete photoempfindliche Elemente mit dem Ein­ gang 808 zu verbinden, um so eine Differenz zwischen mehreren Photoelementen zu erzeugen.

Anhand der Fig. 9 ist ein Ladungsverstärker 900 dargestellt, der einen Operationsverstärker 902 umfaßt, dessen erster Eingang 904 auf Masse liegt, und dessen zweiter Eingang 906 über einen Kondensator 908 mit einem photoempfindlichen Bau­ element 102, wie es im vorhergehenden bereits beschrieben wurde, verbunden ist. Das Photoelement 102-1 ist ferner über einen Schalter S1 mit einem Vorspannungsanschluß 910 verbun­ den. Zwischen dem Kondensator 908 und dem Photoelement 102-1 ist ein zweiter Schalter 52 vorgesehen, und ebenso ist zwi­ schen dem zweiten Eingang 906 des Operationsverstärkers 902 und dem Kondensator 908 ein dritter Schalter S3 vorgesehen.

Über die Schalter S2 und S3 kann eine Verbindung mit einer Leitung 912 herbeigeführt werden, die über einen Kondensator 914 mit einem Ausgang 916 des Operationsverstärkers verbun­ den ist. Der Operationsverstärker 914 kann über einen vier­ ten Schalter S4 überbrückt werden. Anstelle des einzelnen Elements 102-1 können auch eines oder mehrere, beliebig an­ geordnete photoempfindliche Elemente 102-2 . . 102-n mit dem Eingang 904 verbunden werden, wie dies in Fig. 9 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Die Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Vielzahl von Einzel­ zellen sowie Auswertungsschaltungen und Ansteuerschaltungen auf einem Chip integriert sind. Wie in Fig. 10 zu erkennen ist, ist eine Vielzahl von Einzelzellen 200 in einer Matrix angeordnet, und an einem peripheren Rand der Anordnung sind eine Mehrzahl der anhand der Fig. 8 und 9 beschriebenen Schaltungen angeordnet, wobei an deren Ende jeweils eine Ab­ tast/Halte-Schaltung 1002 angeordnet ist.

Gemäß dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel kön­ nen die am peripheren Rand angeordneten Schaltungen belie­ bigen Einzelzellen oder Kombinationen von Einzelzellen, die auf die oben beschriebene Art und Weise verschaltet wurden, über die Schalterleisten 1004, welche ebenfalls programmiert werden können, zugeordnet werden.

Zusätzlich sind auf der integrierten Schaltung bzw. auf dem Chip eine Programmierschnittstelle 1006, eine Takterzeu­ gungseinrichtung 1008, ein Basisnetzwerk 1010 und ein Leuchtdiodentreiber sowie eine Leuchtstärkeregelung 1012 vorgesehen, die in Fig. 10 lediglich schematisch dargestellt sind.

Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltung kann diese kontinuierlich oder mittels gepulstem Licht beleuchtet werden.

Obwohl anhand der obigen Ausführungsbeispiele lediglich Schaltungen beschrieben wurden, bei denen nur ein einziges photoempfindliches Bauelement in einer Einzelzelle vorhanden ist, ist es offensichtlich, daß abhängig vom jeweiligen An­ wendungsfall auch mehrere photoempfindliche Bauelemente ver­ wendet werden können, beispielsweise dann, wenn eine vorge­ schriebene minimale Detektorfläche oder photoempfindliche Fläche für ein bestimmtes Anwendungsgebiet mittels eines einzelnen photoempfindlichen Bauelements gar nicht erreicht werden kann. In diesem Fall können dann auch mehrere photo­ empfindliche Bauelemente in einer Einzelzelle integriert werden, und über die Programmierung kann eine beliebige Kom­ bination von Einzelzellen mit mehreren oder einzelnen photo­ empfindlichen Bauelementen herbeigeführt werden.

Claims (10)

1. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung mit einer Mehrzahl von optisch sensitiven Einzelzellen (100, 200), wobei jede der Mehrzahl der optisch sensitiven Einzel­ zellen (100, 200) folgende Merkmale aufweist:
zumindest ein optisch sensitives Bauelement (102; P);
zumindest einen Schalter (104; S), der dem zumindest einem optisch sensitiven Bauelement (102; P) zugeordnet ist, und über den die optisch sensitive Einzelzelle mit einer oder mehreren der Mehrzahl der optisch sensitiven Einzelzellen verbindbar ist; und
zumindest einem Speicherelement (108; F), welches dem zumindest einem Schalter (104; S) zugeordnet ist, und in welches Informationen einlesbar sind, die angeben, ob der zumindest eine Schalter (104; S) eine Verbindung mit einer oder mehreren optisch sensitiven Einzelzellen be­ wirkt.

2. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß An­ spruch 1, die eine Mehrzahl dem zumindest einem optisch sensitiven Bauelement (102; P) zugeordnete Schalter (104; S) und eine Mehrzahl von Speicherelementen (108; F) aufweist.

3. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß An­ spruch 1 oder 2, die ferner eine Mehrzahl von Verbin­ dungsleitungen (106; 302, 304; 606, 614) umfaßt, mit denen die Mehrzahl von optisch sensitiven Einzelzellen (100; 200) über den zumindest einen Schalter oder die Mehrzahl von Schaltern verbindbar sind.

4. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Mehrzahl der optisch sensitiven Einzelzellen (100; 200) in Zeilen- oder Matr­ izenform angeordnet sind.

5. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisch sensitive Bauelement (102; P) durch eine Photodiode, einen Photo­ bipolartransistor oder einen photoempfindlichen Feldef­ fekttransistor gebildet ist.

6. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Speicherelement (108; F) durch flüchtige oder nicht-flüchtige Speicherzellen gebildet ist.

7. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner Ansteuer- und Aus­ werteschaltungen (700; 800; 900) für die Mehrzahl der optisch sensitiven Einzelzellen umfaßt.

8. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Ansteuer- und Aus­ werteschaltungen eine Summierungseinrichtung aufweisen, die die von der Mehrzahl von beliebig angeordneten op­ tisch sensitiven Einzelzellen erzeugten Ausgangssignale summiert.

9. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Ansteuer- und Aus­ werteschaltungen eine Differenzbildungseinrichtung auf­ weisen, die die Differenz von einem Ausgangssignal zu­ mindest einer ersten optisch sensitiven Einzelzelle und einem Ausgangssignal zumindest einer zweiten optisch sensitiven Einzelzelle erzeugt, wobei die zumindest eine erste optisch sensitive Einzelzelle und die zumindest eine zweite optisch sensitive Einzelzelle beliebig ange­ ordnet sind.

10. Programmierbare, optisch sensitive Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die auf einem Chip in mono­ lithisch integrierter Form gebildet ist.