DE19842010C2 - Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals ansprechend auf einen Empfang von Lichtenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Er­ zeugen eines elektrischen Signals, bei der ein Photoelement auf Lichtenergie anspricht. Die Schaltung ist insbesondere im Zusammenhang mit Abtastvorrichtungen anwendbar.

Eine exakte Bestimmung des Wegs einer Vorrichtung über eine Oberfläche ist bei einer Vielzahl von Anwendungen wichtig. Beispielsweise wenn eine genaue Darstellung eines Bildes ei­ nes abgetasteten Originals erfaßt werden soll, müssen exakte Informationen bezüglich der Bewegung der Abtastvorrichtung entlang des Originals existieren. Typischerweise ist das aufgenommene Bild, das durch eine Abtastvorrichtung (Scan­ ner) geliefert wird, ein Pixeldatenarray, das in einem digi­ talen Format in einem Speicher gespeichert wird. Ein verzer­ rungsfreies Bild erfordert eine genaue Abbildung des ur­ sprünglichen Bildes auf das Pixeldatenarray.

Das U.S.-Patent 5,149,980 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung beschreibt die Verwendung einer Kreuzkorrelations­ funktion, um die relative Bewegung zwischen einem Original und einem Array von Photoelementen in einer gegebenen Rich­ tung zu bestimmen. Das Patent gibt an, daß der eindimensio­ nale Lösungsansatz erweitert werden kann, um den Vektor ei­ ner zweidimensionalen Relativbewegung zwischen dem Original und dem Array zu bestimmen, um eine Translation, eine Rota­ tion und eine Skalierung in einer zweidimensionalen Ebene zu verfolgen.

Das oben angegebene Patent beschreibt die Verwendung eines optischen Sensorarrays, um eine "Signatur" eines Originals zu sammeln. Die Signatur kann durch das Beleuchten und Ab­ bilden der Oberflächentextur oder anderer optischer Charak­ teristika des Originals geliefert werden. Die Lichtintensi­ tät wird mit Variationen der Oberflächentextur auf einer Pixel-Um-Pixel-Basis variieren. Durch ein Kreuzkorrelieren der Bilder der Oberfläche des Originals kann eine Relativ­ bewegung zwischen dem Array und dem Original festgestellt werden.

Ein kritisches Element des Entwurfs eines Systems, wie es in dem U.S.-Patent 5,149,980 beschrieben ist, ist der Schal­ tungsaufbau, um das Signal/Rausch-Verhältnis jedes Photoele­ ments ausreichend hoch zu halten, um die Signatur des Origi­ nals zuverlässig zu bestimmen. Wenn das Signal die Differenz des Reflexionsvermögens von Pixel zu Pixel als ein Ergebnis leichter Variationen der Papiertextur eines weißen Papiers ist, kann die Variation des Reflexionsvermögens nur nähe­ rungsweise sechs Prozent betragen. Die Gesamtauflösungsziele übertragen sich in ein relativ geringes Signal/Rausch-Ver­ hältnis für jedes Photoelement, wobei das gewünschte Signal die kleine Änderung des Reflexionsvermögens des interessie­ renden Mediums ist, während der dominante Rauschbeitrag das Schrotrauschen der Photodiode als ein Ergebnis des festen Teils des Reflexionsvermögens ist. Das U.S.-Patent 5,149,980 verwendet eine Mittelung, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu erhöhen, um brauchbare Informationen zu erhalten.

Die ebenfalls auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung zurückgehende EP 0 786 897 A2 beschreibt ebenfalls die Ver­ wendung eines Schaltungsaufbaus für ein optisches Sensor­ array, um eine "Signatur" eines Originals zu sammeln. Der Gegenstand der EP 0 786 897 A2 sei hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Ein kritisches Element des dort beschriebenen Schaltungsaufbaus ist eine Servoschaltung in Verbindung mit einem Photoelement zum Vorspannen eines Basisknotens über einen Emitterknoten eines Phototransistors. Der Phototran­ sistor-Basisknoten wird dadurch auf einer im wesentlichen festen Spannung gehalten, so daß ein Photostrom, der durch den Empfang von Lichtenergie er­ zeugt wird, zu einem Pixelspeicher oder einem Signalintegra­ tionskondensator geleitet wird, und nicht verwendet wird, um eine parasitäre Kapazität des Phototransistors zu laden und zu entladen. Folglich hält die Servoschaltung des Photoele­ ments den Vorspannungspunkt auf der Transistorbasis, um wirksam den Lichtinduzierten Strom zu dem geeigneten Inte­ grationskondensator zu liefern. Überdies erreicht dieser Schaltungsentwurf einen großen Photoempfangsbereich.

Obwohl dieselbe bis zu einem gewissen Ausmaß verdienstvoll ist, umfaßt die genannte Servoschaltung mehrere Nachteile. Zunächst ist ein direktes Ergebnis des großen Basisbereichs eine große zugeordnete Kollektor-Basis-Kapazität. Diese Ka­ pazität bewirkt, daß die Servoschaltung sehr langsam auf Störungen der Spannung des Basisknotens anspricht. Überdies ist die Servoschaltungs-Ansprechzeit ferner eine Funktion des Umgebungslichts, das auf das Photoelement einfällt. Da­ her ist die Fähigkeit der Servoschaltung, auf dynamische Schwankungen des auf die Photoelement-Basis einfallenden Lichts anzusprechen, eine Funktion des Mittelwerts oder DC- Pegels des einfallenden Lichts. Wenn folglich der einfallen­ de Lichtpegel gering ist, wie dies bei bestimmten Bilderfas­ sungsanwendungen der Fall ist, ist auch die Servoschal­ tungs-Ausgangsbandbreite unannehmbar gering.

Ferner umfaßt bei der EP 0 786 897 A2 das optische Sensor­ array eine Anzahl von Zellen, wobei jede Zelle ein oder meh­ rere Photoelemente mit zugeordneten Integrationskondensa­ toren enthält. Bei diesem System werden die Integrationskon­ densatoren während einer verteilten Zeitperiode mittels ei­ ner Lesesteuerleitung, die die Übertragung der Integrations­ kondensatorladung zu einem Übertragungsverstärker signali­ siert, gelesen. Somit hängt die Integrationszeit für jeden Integrationskondensator von der Länge der Lesezeitperiode ab. Während einer Bilderfassung integriert jedoch jede Zel­ le, oder jede Reihe von Zellen, mit einer unterschiedlichen Zeit, wenn auch innerhalb der Lesezeitperiode, was ein Bildverschmieren über das Array von Photoelementen bewirkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung zu schaffen, die eine zuverlässige Verwendung ei­ nes Photoelementsignals bei Anwendungen ermöglicht, bei de­ nen geringe Lichtintensitätsdifferenzen als Anwendungsinfor­ mationen verwendet werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 ge­ löst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltung, die ver­ wendet wird, um eine Verbesserung eines Systems zu schaffen, um ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis bei Photo­ element-Anwendungen, die eine Differenzierung geringer Lichtintensitäten erfordern, zu erreichen. Die Schaltung liefert spezifisch eine elektronische Verschlußfähigkeit für den Photoempfangsschaltungsaufbau zu dem Zweck, die Integra­ tion einer Photo-erzeugenden Ladung auf einem Integrations­ kondensator zu deaktivieren, bis eine Lesevorrichtung das integrierte Lichtsignal von dem Integrationkondensator liest.

Spezieller ausgedrückt umfaßt die erfindungsgemäße Schaltung bzw. der erfindungsgemäße Schaltungsaufbau ein Photoelement, das konfiguriert ist, um ein Signal ansprechend auf die Dif­ ferenzierung kleiner Lichtintensitäten zu erzeugen, einen Integrationskondensator zum Empfangen und Integrieren des Photoelementsignals für ein periodisches Auslesen und eine weitere Verarbeitung, sowie ein elektronisches Verschlußmo­ dul zum periodischen Deaktivieren der Integrationsladung mit dem Integrationskondensator, bis die Ladung über eine Lese­ vorrichtung ausgelesen ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der elektronische Ver­ schlußmechanismus mit dem Photoelement und dem Integrations­ kondensator gekoppelt und spricht auf ein erstes Eingangs­ signal an, um den Photoelementstrom von dem Integrationskon­ densator weg zu leiten, um den Integrationskondensator tem­ porär zu deaktivieren, bis derselbe durch die Lesevorrich­ tung ausgelesen ist. Der Verschlußmechanismus spricht ferner auf ein zweites Signal an, um den Strom zwischen Lesezyklen für eine Photoelement-Signalintegration zu dem Integrations­ kondensator zu leiten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet der Ver­ schlußmechanismus in Verbindung mit einer Servoschaltung, die mit dem Photoelement gekoppelt ist. Die Servoschaltung wird verwendet, um einen Basisknoten über einen Emitterkno­ ten eines Phototransistors vorzuspannen. Der Basisknoten wird dadurch auf einer im wesentlichen festen Spannung ge­ halten, so daß ein Photostrom, der durch den Empfang von Lichtenergie erzeugt wird, zu dem Lichtsignal-Integrations- oder Pixelspeicher-Kondensator geleitet wird. Die Verwendung des Phototransistors liefert eine Stromverstärkung für ein Photodiodenausgangssignal.

Spezieller ausgedrückt ist die Servoschaltung eine Negativ­ rückkopplungsschleife, in der eine Spannungsvariation am Basisknoten des Phototransistors in eine inverse Spannungs­ variation an dem Emitterknoten übersetzt wird. Bei dem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel ist der Basisknoten mit der Gate-Elektrode eines ersten Transistors verbunden. Die Drain-Elektrode des ersten Transistors ist mit einer kon­ stanten Stromquelle verbunden, beispielsweise einem Transi­ stor, der eine hohe Impedanz festlegt. Die Drain-Elektrode des ersten Transistors ist ferner mit der Gate-Elektrode ei­ nes zweiten Transistors verbunden, der für diese Operation als ein Source-Folger wirksam ist. Die Source-Elektrode des zweiten Transistors ist mit dem Emitterknoten des Phototran­ sistors verbunden, während die Drain-Elektrode selektiv mit einer Festspannungsquelle verbunden ist.

Der Integrationskondensator kann zwischen den Kollektor des Phototransistors und die Drain-Elektrode des zweiten Transi­ stors geschaltet sein. Ein Photostrom wird durch die Aufnah­ me von Licht erzeugt, wobei der Integrationskondensator ge­ laden wird. Der Integrationskondensator wird dann selektiv mit einer Leseleitung für eine Ausgabe durch einen Übertra­ gungsverstärker verbunden.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Verschluß­ modul einen ersten Verschlußtransistor mit einer Gate-Elek­ trode, die mit der Verschlußsignalleitung verbunden ist, einem Source-Knoten, der mit dem Servoschaltungsaufbau ge­ koppelt ist, und einer Drain-Elektrode, die mit einer Lei­ stungsquelle gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor mit einer Gate-Elektrode, die mit der Verschlußsignalleitung verbunden ist, einer Source-Elektrode, die mit dem Integra­ tionskondensator verbunden ist, und einer Drain-Elektrode, die mit der Servoeinrichtung gekoppelt ist, aufweisen. Ob­ wohl dies kein notwendiges Merkmal der Erfindung ist, kann der erste Verschlußtransistor ein n-Typ-Metalloxidhalblei­ ter-Transistor (NMOS-Transistor) sein, während der zweite Verschlußtransistor ein p-Typ-Metalloxidhalbleiter-Transi­ stor (PMOS-Transistor) sein kann.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verschlußmoduls ist der erste MOS-Transistor mit einem Eingangssignal von der Verschlußleitung einer hohen logischen Spannung in einen leitenden Zustand vorgespannt, während der zweite MOS-Tran­ sistor in einen nicht-leitenden Zustand vorgespannt ist, um den Photoelementstrom zu der Leistungsversorgung und weg von dem Integrationskondensator zu leiten, um das Laden des In­ tegrationskondensators zu unterbrechen. In diesem Modus ist der elektronische Verschlußschaltungsaufbau in dem geschlos­ senen Modus.

Mit einem Eingangssignal einer tiefen logischen Spannung von der Verschlußleitung ist der zweite MOS-Transistor in einen leitenden Zustand vorgespannt, während der erste MOS-Transi­ stor in einen nicht-leitenden Zustand zurückkehrt, um den Photoelementstrom zu dem Integrationskondensator zu leiten. In diesem Modus ist der elektronische Verschlußschaltungs­ aufbau in dem offenen Modus.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Verschlußmechanismus einen einzelnen Transistor aufweisen, dessen Gate-Elektrode mit der Ver­ schlußsignalleitung verbunden ist, dessen Drain-Elektrode mit dem zweiten Transistor in dem Servoschaltungsaufbau ver­ bunden ist, und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist. Liegt bei dem alternativen Ausführungsbeispiel ein Ein­ gangssignal einer ersten hohen logischen Spannung von der Verschlußleitung an, ist der Verschlußtransistor in einem leitenden Zustand in dem Servoschaltungsaufbau vorgespannt, was die Spannung an der Gate-Elektrode des zweiten Servo­ schaltungstransistors auf einen tiefen Pegel zieht, um den zweiten Servoschaltungstransistor in einen nicht-leitenden Zustand vorzuspannen, was verhindert, daß ein durch Licht erzeugter Strom von dem Emitterknoten des Photoelements den Integrationskondensator erreicht. In diesem Modus ist der elektronische Verschlußschaltungsaufbau in dem geschlossenen Modus. Bei einer zweiten Eingabe einer tiefen logischen Spannung von der Verschlußleitung ist der Verschlußtransi­ stor in einem nicht-leitenden Zustand, wobei der Emitterkno­ ten des Photoelements nicht beeinträchtigt ist, was ermög­ licht, daß das Photoelement den Integrationskondensator lädt. In diesem Modus ist der elektronische Verschlußschal­ tungsaufbau in einem offenen Modus. Bei diesem Ausführungs­ beispiel kann der Verschlußtransistor ein NMOS-Bauelement sein.

Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die Photoelemente, die gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet sind, nur ein Element in einem Array von Photoelementen sind. In einem solchen Array kann oder können jedes Photoelement oder Paare von Photoelementen eine zuge­ ordnete Verschlußleitung zum Steuern der Dauer der Photoele­ ment-Ladungsintegration auf den Integrationskondensator für jedes Element besitzen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der elektroni­ sche Verschluß die Integration einer Photoerzeugten Ladung auf den Integrationskondensator deaktivieren kann, was er­ möglicht, daß der Integrationskondensator seine Signalladung hält, bis derselbe über eine Lesevorrichtung ausgelesen wird. Der elektronische Verschluß liefert daher eine gut ge­ steuerte Integration. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Integrationszeit durch den elektronischen Verschluß und nicht durch das Auslesen der Zelle gesteuert wird. Da die Integrationszeit unabhängig von der Zellenausleserate ist, ermöglicht das Verschlußmodul eine automatische Ver­ stärkungssteuerung der Photoempfänger-Ladungsintegration durch eine Verschlußsteuerung, wenn derselbe einem breiten Lichtbereich ausgesetzt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt, wo­ bei vielmehr der klaren Darstellung der Grundsätze der vor­ liegenden Erfindung Vorrang gegeben ist. In den beigefügten Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in mehreren An­ sichten gleiche Teile. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Handabtastvor­ richtung, die einem meanderförmigen Weg auf einem Original folgt;

Fig. 2 eine Unteransicht von Abbildungs- und Navigations- Sensoren der Abtastvorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Photoelementschaltung mit einem elektronischen Verschlußmodul gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Photo­ elementschaltung mit einem elektronischen Ver­ schlußmodul gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine tragbare Handabtastvorrichtung 10 ge­ zeigt, die einem meanderförmigen Weg 12 entlang eines Origi­ nals 14 gefolgt ist. Das Original kann ein Stück Papier sein, wobei die Erfindung jedoch mit anderen Substraten, die ein Bild tragen, verwendet werden kann. Bei der Verwendung der Handabtastvorrichtung können die Positionen inhärenter struktureller Merkmale, beispielsweise Papierfasern, ver­ folgt werden, wobei die resultierenden Positionsinformatio­ nen verwendet werden können, um Bilddaten zu korrigieren. Jedoch kann die Erfindung bei anderen Anwendungen verwendet werden.

Die Abtastvorrichtung 10 ist vorzugsweise unabhängig und batteriebetrieben. Jedoch kann die Vorrichtung eine Verbin­ dung zu einer externen Leistungsquelle oder Datenanschlüssen von Computern oder Netzwerken aufweisen. Die Abtastvorrich­ tung besitzt eine Bildanzeige 16. Die Anzeige kann eine bei­ nahe unmittelbare Betrachtung eines aufgenommenen Bildes liefern. Die Anzeige ist kein wesentliches Merkmal.

Die Abtastvorrichtung 10 ermöglicht drei Freiheitsgrade, wo­ bei zwei in einer Translation bestehen und einer in einer Rotation besteht. Der erste Freiheitsgrad ist die Bewegung von einer Seite zur anderen (X-Achsenbewegung) entlang des Originals 14. Der zweite Freiheitsgrad ist die Aufwärts- und Abwärts-Bewegung entlang des Originals (Y-Achsenbewegung). Der dritte Freiheitsgrad ist die Fähigkeit, die Vorrichtung mit einer Rotationsfehlausrichtung eines linearen Arrays von Bildsensorelementen relativ zu dem Rand des Originals 14 zu bewegen (q-Achsenbewegung). Das heißt, daß das lineare Array von Abbildungselementen einen Angriffswinkel besitzen kann, der nicht senkrecht zu der Translationsrichtung der Vorrich­ tung ist.

Wie nun in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besitzt die Unter­ seite 18 der Abtastvorrichtung 10 ein Drehbauglied 20, das das Beibehalten eines ordnungsgemäßen Kontakts zwischen dem Original 14 und einem Bilderzeugungssensor 22 unterstützt. Navigationssensoren 24 und 26 befinden sich an den gegen­ überliegenden Enden des Bilderzeugungssensors. Da die Navi­ gationssensoren auf dem Drehbauglied befestigt sind, befin­ den sich die Navigationssensoren relativ zu dem Bilderzeu­ gungssensor an einer festen Position.

Aus Gründen der physikalischen Kompaktheit ist der Bilder­ zeugungssensor 22 vorzugsweise eine Kontaktbildvorrichtung, wobei jedoch für Anwendungen, bei denen die Kompaktheit eine geringere Bedeutung hat oder ein kleineres Bild erwünscht ist, Sensoren verwendet werden können, die Projektionsopti­ ken mit einer Vergrößerung von weniger als eins benutzen. Kontaktbildvorrichtungen verwenden typischerweise Linsen, die unter der Marke SELFOC verkauft werden, was eine behörd­ lich registrierte Marke der Nippon Sheet Glass Company Limi­ ted ist. In einer weniger üblichen Form kann eine Kontakt­ bilderzeugung unter Verwendung von verschachtelten Arrayele­ menten von Quellen- und Proximalsensoren ohne irgendwelche Abbildungslinsen erhalten werden. Übliche Bilderzeugungssen­ soren für Abtastanwendungen können verwendet werden. Der Bilderzeugungssensor kann Teil einer Einheit sein, die auch eine Beleuchtungsquelle, Beleuchtungsoptiken und Bildüber­ tragungsoptiken enthält.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß der Meanderweg 12 vier Bänder und einen Teil eines Bandes aufweist, d. h. Durchläufe von einer Seite zur anderen über das Original 14. Ein brauchbarer Bilderzeugungssensor 22 für die meisten Anwendungen besitzt eine Länge in dem Bereich von 25,4 mm und 101,6 mm. Die Bän­ der sollten Überlappungsregionen einschließen, so daß ein Flickverfahren verwendet werden kann, um eine genaue Dar­ stellung des abgetasteten Originals zu erzeugen.

Die Abtastvorrichtung umfaßt zumindest einen Navigationssen­ sor 24 oder 26. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um­ faßt die Vorrichtung ein Paar von Navigationssensoren, wobei die Sensoren an gegenüberliegenden Enden des Bilderzeugungs­ sensors 22 angeordnet sind. Obwohl eindimensionale Arrays von Photoelementen, die senkrecht zueinander angebracht sind, verwendet werden können, ist ein viel bevorzugteres Ausführungsbeispiel ein solches, bei dem jeder Navigations­ sensor ein zweidimensionales Array von Elementen ist. Die Navigationssensoren 24 und 26 werden verwendet, um eine Be­ wegung der Abtastvorrichtung 10 relativ zu dem Original zu verfolgen.

Jeder Navigationssensor ist ein Array von Photoelementen, das auf einem integrierten Schaltungssubstrat gebildet ist, das einen Auslese- und Signalverarbeitungs-Schaltungsaufbau aufweist. Die Positionsgenauigkeit, die über den Bereich eines Pixelabstands von 40 mm notwendig ist, beträgt 2,0 mm. Die sehr hohe Positionsgenauigkeit macht erforderlich, daß die einzelnen Photoelemente keine größere Länge als 10 µm aufweisen, um ausreichend unterschiedliche Signale von Ele­ ment zu Element zu erfassen.

Im Betrieb der Navigationssensoren 24 und 26 ist das ge­ wünschte Bild die Differenz des Reflexionsvermögens von Pixel zu Pixel, wie sie durch Variationen entlang der Ober­ fläche des Originals 14 bewirkt wird. Wenn die Oberflächen­ variationen Variationen der Papiertextur entlang eines weißen Papiers sind, ist es möglich, daß das Reflexionsver­ mögen nur um näherungsweise sechs Prozent des elementaren Reflexionsvermögens eines weißen Papiers variiert. Die Ge­ samtauflösungsziele würden sich dann in ein Signal/Rausch- Verhältnis von näherungsweise zwei für jedes Photoelement übertragen. Der dominante Rauschbeitrag ist das Schrotrau­ schen des Photoelementsignals, das durch den festen Teil des Reflexionsvermögens bewirkt wird. Die vorliegende Erfindung adressiert das Signal/Rausch-Verhältnis-Problem, indem eine Verschlußfähigkeit für die Photoelement-Servoschaltung ge­ liefert wird, um eine automatische Verstärkungssteuerung der Photoempfänger-Ladungsintegration zu ermöglichen, wenn die Lichtsensoren 24 und 26 einem breiten Einfallsbereich ausge­ setzt sind.

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Photoelement­ schaltung, die in das integrierte Schaltungssubstrat der Lichtsensoren 24 und 26 eingebaut ist. Ankommendes Licht 37 wird in einen Strom umgewandelt, der während einer Abtast­ periode integriert wird. Der gespeicherte Wert wird perio­ disch ausgelesen, so daß derselbe für einen nächsten Schritt in einer Verarbeitungssequenz verfügbar ist. Am Beginn eines Integrationszyklusses wird ein Photostrom, der mittels einer Photodiode 34 erzeugt wird, durch eine PNP-Transistor 36 verstärkt. Die Photodiode und der Transistor definieren zu­ sammen mit einer parasitären Kapazität 38 ein Photoelement 40. Der verstärkte Photostrom entlädt den Integrationskon­ densator 30 auf einen Pegel von etwa 1,5 Volt herunter.

Die Photodiode 34 des Photoelements 40 erzeugt einen Strom ansprechend auf den Empfang von Lichtphotonen. Die Photodio­ de ist mit der Basis des PNP-Transistors 36 verbunden. Die Rückwärtsvorspannungs-Diodenkapazität 38 ist eine parasitäre Kapazität, die 0,16 pF betragen kann. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wurde die optische Leistung auf die Photodiode zu etwa 1,1 nW bestimmt. Dies bewirkt einen Strom von nähe­ rungsweise 0,6 nA in der Diodenstromquelle. Aufgrund des ge­ ringen Strompegels wird eine Verstärkung benötigt, um sicher zu stellen, daß das Signal der optischen Variation, das nur näherungsweise sechs Prozent des konstanten Photostroms be­ trägt, ausreichend Spannungsdifferenzen erzeugen wird, um von dem Rauschen unterschieden zu werden.

Der PNP-Transistor 36 des Photoelements 40 verstärkt den Photostrom. Die Verstärkung, die durch den Transistor ge­ liefert wird, ermöglicht die Verwendung eines Integrations­ kondensators 30, der die Reproduzierbarkeit von Photoelement zu Photoelement erleichtert. Bei dem Fehlen einer Verstär­ kung würde der geringe Strom von der Photodiode 34 einen sehr kleinen Kondensator als einen Integrator erfordern, um einen Spannungshub von einem Volt zu erhalten, beispielswei­ se 10 pF. Aufgrund der parasitären Effekte wäre dies auf einer Element-Zu-Element-Basis schwer zu reproduzieren. Ein Ändern des Photoelement-Layouts von einer Diode zu einem Substrat-PNP-Bauelement ist eine bequeme Weise, um eine Stromverstärkung zu liefern. Ein Beta-Wert von 18 erhöht den ausgegebenen Emitterstrom auf 11,4 nA. Folglich kann ein Integrationskondensator von 0,20 pF verwendet werden. Dies erleichtert die Reproduzierbarkeit, ist jedoch nicht so groß, um eine übermäßige Fläche zu erfordern.

Eine Servoschaltung 29 ist durch MOS-Transistoren 50 und 52 gebildet. Die MOS-Transistoren bilden einen Vorspannungs­ punkt-Verstärker mit einer Common-Gate-Stufe für das Aus­ gangssignal des Phototransistors 36. Ein MOS-Transistor 54 liefert den Vorspannungsstrom über eine analoge Leistungs­ versorgungsleitung AVDD, wenn das ordnungsgemäße Signal von der Vorspannungs-Spannungsleitung PBB empfangen wird. Um eine ordnungsgemäße Übertragung des Stroms, der in dem Pho­ toelement 40 erzeugt wird, zu dem Integrationskondensator 30 zu erhalten, muß die Photodioden-Umkehrspannung (d. h. die Transistorbasisspannung) auf einem im wesentlichen konstan­ ten Pegel gehalten werden. Wenn erlaubt wäre, daß sich die Spannung an dem Basisknoten 56 verschiebt, würde der Photo­ strom zumindest teilweise beim Laden und entladen der Dio­ denkapazität 38 verbraucht werden, und nicht zum Liefern von Strom, der durch den Substrat-PNP-Transistor 36 verstärkt werden soll.

Die Transistorbasis-Spannung an dem Knoten 56 wird durch die drei MOS-Transistoren 50, 52 und 54 auf einem im wesentli­ chen festen Pegel gehalten. Obwohl dies kein wesentliches Merkmal darstellt, um den gewünschten Betrieb zu erhalten, ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 der im wesentli­ chen feste Spannungspegel näherungsweise gleich dem NMOS- Schwellenpegel über AVDD an dem Kollektorknoten 58. Die MOS-Transistoren sind durch den Transistor 52, der als ein Source-Folger zu dem Emitterknoten 62 des PNP-Transistors 36 wirksam ist, wirksam. Folglich wird die Basis-Spannung durch die Emitter-Spannung des Transistors gesteuert. Dies ist möglich, da die Basis-Spannung, d. h. der Photodiodenausgang, einen sehr hohen DC-Impedanzpegel (DC = direct current = Gleichstrom) aufweist. Die Vorspannungstechnik der Emitter­ steuerung hat während des Testens wirksam gearbeitet. Aus der Ausgangsperspektive ist der Transistor 52 eine Common- Gate-Stufe, die den zusätzlichen Vorteil besitzt, eine zu­ sätzliche Isolation des Emitterknotens 62 und des Basiskno­ tens 56 des Transistors bezüglich des Spannungshubs eines Knotens 64 zu liefern.

Der elektronische Verschluß 31 ist aus einem NMOS-Transistor 53 und einem PMOS-Transistor 55 gebildet. Wenn ein Signal von dem Eingangsknoten SHUTTER auf einem logisch tiefen Pe­ gel ist, ist der Transistor 55 in einem leitenden Modus, während der Transistor 53 in einem nicht-leitenden Modus ist. In diesem Zustand fährt die Servoschaltung fort, den Integrationskondensator 30 zu entladen. In diesem Modus ist die elektronische Verschlußschaltung 31 in einem "offenen" Modus. Wenn ein hohes logisches Signal von dem Knoten SHUT- TER empfangen wird, ist der Transistor 53 in einem leitenden Modus, während der Transistor 55 in einem nicht-leitenden Modus ist. In diesem Zustand wird der Photo-erzeugte Emit­ terstrom von dem Photoelement 40 von dem Integrationskonden­ sator 30 zu der Leistungsversorgungsleitung AVDD abgeleitet.

In diesem Modus ist die elektronische Verschlußschaltung 31 in einem geschlossenen Modus, wobei der Integrationskonden­ sator 30 keine Photo-erzeugte Ladung integriert. Um eine Integrationsperiode zu beenden, wird folglich die elektroni­ sche Verschlußschaltung in einen "geschlossenen" Modus kon­ figuriert. Während des geschlossenen Modus hält der Integra­ tionskondensator 30 seine Ladung, bis er ausgelesen wird.

Am Ende einer Ausleseperiode wird ein Ausleseschalter 42 über ein logisches Signal von einer Leitung NRD "ein"-ge­ schaltet, um den gespeicherten Wert in dem Integrationskon­ densator 30 über einen Knoten OUT zu einem Übertragungsver­ stärker (nicht gezeigt) auszugeben. Der Ausleseschalter kann ein PMOS-Transistor sein, der durch eine Auslesesteuerlei­ tung NRD gesteuert wird. Auf diese Weise hält der Integra­ tionskondensator 30 seine Ladung, bis derselbe gelesen wird, nachdem die Verschlußschaltung in einem geschlossenen Modus ist, bis über den Auslesetransistor 42 ausgelesen wird. Der Betrieb des Übertragungsverstärkers (nicht gezeigt) zieht den Knoten 64 auf 1,5 Volt herunter. Dies ermöglicht die Übertragung des Signals zu einem Übertragungsverstärker­ schaltungsaufbau (nicht gezeigt). Am Schluß des Übertra­ gungsprozesses wird bewirkt, daß die Auslesesteuerleitung NRD zu einem logisch tiefen Pegel zurückkehrt, wobei der Transistor 42 in einen nicht-leitenden Zustand zurückkehrt.

Bezugnehmend nun auf Fig. 4 wird ein alternatives Ausfüh­ rungsbeispiel einer elektronischen Verschlußschaltung 31' gezeigt. Der Photoelementschaltungsaufbau 40 und der Servo­ schaltungsaufbau 29 sind identisch zu dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel von Fig. 3, mit der Ausnahme, daß der elek­ tronische Verschluß 31 beseitigt ist und ein alternativer elektronischer Verschluß 31' zwischen der Leitung AGND und dem Knoten 61 eingefügt ist. Bei einem Eingangssignal eines tiefen Logikpegels von dem Knoten SHUTTER ist ein NMOS-Tran­ sistor 59 in einem nicht-leitenden Zustand, wobei die Span­ nung und der Knoten 61 unbeeinflußt sind. In diesem Modus ist der elektronische Verschlußschaltungsaufbau 31' in einem "offenen" Modus, wobei der Integrationskondensator 30 mit der Aufladung fortfährt. Wenn der Knoten SHUTTER einen hohen Logikpegel zu dem Transistor 59 überträgt, betritt der Tran­ sistor 59 einen leitenden Zustand. Die Spannung an dem Kno­ ten 61 wird dann über den Transistor 59 auf einen tiefen Pe­ gel gezogen. Folglich betritt der Transistor 52 einen nicht-leitenden Zustand. Bei dem nicht-leitenden Zustand des Transistors 52 ist verhindert, daß ein Photo-erzeugter Strom den Integrationskondensator 30 erreicht. In diesem Modus ist der elektronische Verschluß 31' "geschlossen", wobei der Kondensator 30 das Integrieren weiterer Ladung beendet. Der Integrationskondensator 30 hält dann seine Ladung, bis die Ladung auf den Empfang eines hohen logischen Pegels von der Leitung NRD über den PMOS-Transistor 42 zu einem Übertra­ gungsverstärker (nicht gezeigt) übertragen wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die elektroni­ schen Verschlüsse 31 und 31' die Integration einer Photoer­ zeugten Ladung auf den Integrationskondensator deaktivieren können, was ermöglicht, daß der Integrationskondensator 30 seine Ladungsänderung hält, bis derselbe über den Transistor 42 ausgelesen wird. Die elektronischen Verschlüsse 31 und 31' liefern daher eine gut gesteuerte Integration. Ein wei­ terer Vorteil besteht darin, daß die Integrationszeit durch den elektronischen Verschluß und nicht durch das Auslesen der Zelle gesteuert wird. Da die Integrationszeit unabhängig von der Zellenausleserate ist, ermöglicht das Verschlußmodul eine automatische Verstärkungssteuerung der Photoempfänger- Ladungsintegration durch eine Verschlußsteuerung der Inte­ grationsperiode, wenn die Vorrichtung einem breiten Licht­ bereich ausgesetzt ist.

Claims (10)

1. Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals an­ sprechend auf einen Empfang von Lichtenergie, mit folgenden Merkmalen:
einem Photoelement (40) mit einer Verstärkungsvorrich­ tung (36) und einem Photorezeptor (34), wobei das Pho­ toelement (40) einen Emitterknoten (62) und einen Ba­ sisknoten (56) aufweist, wobei der Photorezeptor (34) verschaltet ist, um an dem Basisknoten (56) einen Strom ansprechend auf einen Empfang von Lichtenergie (37) zu erzeugen;
einem Integrationskondensator (30) zur Aufladung auf den Empfang des Stroms hin; und
einer elektronischen Verschlußeinrichtung (31, 31'), die mit dem Photoelement (40) und dem Integrations­ kondensator (30) gekoppelt ist, wobei die Verschluß­ einrichtung (31) auf ein erstes Eingangssignal an­ spricht, um den Photoelementstrom von dem Integra­ tionskondensator (30) zu trennen, und auf ein zweites Eingangssignal anspricht, um den Strom zu dem In­ tegrationskondensator (30) zu leiten.

2. Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die elektronische Verschlußeinrichtung (31) ferner folgende Merkmale aufweist:
eine erste Einrichtung (53), die auf das erste Signal anspricht, um den Strom, der durch das Photoelement (40) erzeugt wird, zu einer Leistungsquelle (AVDD) zu koppeln; und
eine zweite Einrichtung (55), die auf das zweite Si­ gnal anspricht, um den Strom, der durch das Photo­ element (40) erzeugt wird, zu dem Integrationskonden­ sator (30) zu koppeln.

3. Schaltung gemäß Anspruch 2, die ferner eine Servo-Ein­ richtung (29) zum dynamischen Stabilisieren einer Spannung an dem Photoelement-Basisknoten (56) während des Empfangs von Lichtenergie (37) durch den Photo­ rezeptor (34) aufweist, wobei die Servo-Einrichtung (29) eine Rückkopplungsschleife von dem Photoelement- Basisknoten (56) zu dem Photoelement-Emitterknoten (62) aufweist.

4. Schaltung gemäß Anspruch 3, bei der die erste Einrich­ tung (53) einen ersten MOS-Transistor (53) mit einer Gate-Elektrode, die mit einer Verschlußsignalleitung (SHUTTER) verbunden ist, einem Emitterknoten, der mit der Servo-Einrichtung (29) gekoppelt ist, und einer Drain-Elektrode, die mit einer Leistungsquelle (AVDD) gekoppelt ist, aufweist; und bei der die zweite Ein­ richtung (55) einen zweiten MOS-Transistor (55) mit einer Gate-Elektrode, die mit der Verschlußsignallei­ tung (SHUTTER) verbunden ist, einer Source-Elektrode, die mit dem Integrationskondensator (30) verbunden ist, und einer Drain-Elektrode, die mit der Servoein­ richtung (29) gekoppelt ist, aufweist.

5. Schaltung gemäß Anspruch 4, bei der der erste MOS- Transistor (53) in einen leitenden Zustand vorgespannt ist, um den momentanen Photoelementstrom ansprechend auf das erste Verschlußsignal zu der Leistungsquelle (AVDD) zu leiten.

6. Schaltung gemäß Anspruch 4, bei der der zweite MOS- Transistor (55) in einen leitenden Zustand vorgespannt ist, um den Photoelementstrom zu dem Integrationskon­ densator (30) zu leiten.

7. Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Photoelement (40) ein Photoelement in einem Array von Photoelementen ist.

8. Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Verschlußein­ richtung (31, 31') den Emitterknoten (62) des Photo­ elements ansprechend auf das erste Eingangssignal mit Masse (AGND) verbindet, wodurch der Photoelementstrom von dem Integrationskondensator (30) weggeleitet wird.

9. Schaltung gemäß Anspruch 8, die ferner folgende Merk­ male aufweist:
Vorrichtungen (50, 52) in der Rückkopplungsschleife, um den Basisknoten des Photoelements über den Emit­ terknoten vorzuspannen, wobei die Vorrichtungen einen ersten MOS-Transistor (50) mit einer Drain-Elektrode und einer Gate-Elektrode, die mit dem Basisknoten (56) des Photoelements verbunden ist, und einen zweiten MOS-Transistor (52) mit einer Gate-Elektrode, die mit der Drain-Elektrode des ersten MOS-Transistors (50) verbunden ist, und einer Source-Elektrode, die mit dem Emitterknoten (62) verbunden ist, aufweisen, wodurch eine negative Rückkopplungsschleife definiert ist; und
wobei die Verschlußeinrichtung (31') einen dritten MOS-Transistor (59) mit einer Gate-Elektrode, die mit einer Verschlußsignalleitung (SHUTTER) verbunden ist, einer Drain-Elektrode, die mit der Gate-Elektrode des zweiten MOS-Transistors verbunden ist, und einer Source-Elektrode, die mit Masse verbunden ist, auf­ weist.

10. Schaltung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der das Photoelement (40) ein Photoelement eines Arrays von Photoelementen ist.