Die Erfindung bezieht sich auf das Testen von Photoempfän
gerarrays und von zugeordneten Lesekanälen und insbesondere
auf das Testen von Photoempfängerarrays und zugeordneten
Lesekanälen, die innerhalb einer einzigen integrierten
Schaltung aufgebaut sind.
Eine genaue Bestimmung der Strecke eines Bauelements über
eine Oberfläche ist bei einer Vielfalt von Anwendungen wich
tig. Zum Beispiel muß es auf dem Gebiet der optischen Ab
tastvorrichtungen (Scanner) genaue Informationen über die
Bewegung der Abtastvorrichtung entlang des Originals geben,
so daß eine getreue Darstellung eines Bildes eines abgetas
teten (gescannten) Originals erlangt werden kann. Typischer
weise ist das von einer Abtastvorrichtung gelieferte erfass
te Bild ein Pixeldatenarray, das in einem Speicher in einem
digitalen Format gespeichert ist. Ein verzerrungsfreies Bild
erfordert eine getreue Abbildung des Originalbildes auf das
Pixeldatenarray.
Informationen, wie z. B. zu der Bewegung der Abtastvorrich
tung entlang eines Originals, können durch ein optisches
Navigationssystem erhalten werden, das ein Photoempfänger
array aufweist. Optische Navigationssysteme, die in erster
Linie eine analoge Technologie verwenden, sind in der Tech
nik bekannt. Zum Beispiel sind optische Navigationssysteme
bekannt, die ein Photoempfängerarray, ein analoges Verbes
serungsfilter für räumliche Bilder und einen analogen Korre
lator mit einer nicht auf dem Chip befindlichen Vorspannung
und Steuerung aufweisen. Obwohl dieselben nutzbar sind, ist
die Genauigkeit solcher analoger Systeme nicht optimal, da
ein großer Teil des algorithmischen Verarbeitens des Bild
signals (z. B. das Filtern, das Korrelieren) in dem analogen
Bereich durchgeführt wird. Die die Komplementär-Metalloxid
silizium-(CMOS-)Technologie unterstützenden Chips, die
diese Verarbeitung durchführen, bewirken leichte Unvollkom
menheiten und Variationen der physischen CMOS-Struktur (z. B.
eine Nichtlinearität, Fehlanpassungen der Bauelemente,
Leistungsversorgungsprobleme), um wesentlich ein vorhersag
bares und wiederholbares Verhalten solcher analoger Systeme
zu beeinflussen. Als ein Resultat sind analoge optische
Navigationssysteme für eine Massenherstellung nicht sehr
geeignet.
Digitale optische Navigationssysteme, wie beispielsweise
dasselbe, das in der US-Patentanmeldung, Seriennr.
09/040,640, von Badyal u. a., eingereicht am 18. März 1998,
mit dem Titel "CMOS Digital Optical Navigation Chip", offen
bart ist, wurden daher entwickelt, um die Nachteile von ana
logen optischen Navigationssystemen zu überwinden. Badyal
offenbart einen digitalen integrierten CMOS-Schaltungschip
(CMOS-IC), auf dem ein Bild erfasst, digitalisiert und dann
im wesentlichen in dem digitalen Bereich auf dem Chip verar
beitet wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der IC
(= Integrated Circuit = integrierte Schaltung), die von
Badyal offenbart ist, umfasst eine Bilderzeugungsschaltungs
anordnung, die ein Photoempfängerarray zum Erfassen eines
Bildes und eine Ladungsübertragungsstufe zum Erzeugen eines
darstellenden analogen Signals umfasst, eine Umwandlungs
schaltungsanordnung, die einen n-Bit-Schrittnährungsregis
ter- (n-Bit-SAR-; SAR = Succesive Approximation Register)
Analog-zu-Digital-Wandler zum Umwandeln des analogen Signals
in ein zugehöriges digitales Signal umfasst, eine Filter
schaltungsanordnung, die ein räumliches Filter für die
Kanten- und Kontrastverbesserung des entsprechenden Bildes
umfasst, eine Komprimierungsschaltungsanordnung zum Redu
zieren der Speichererfordernisse des digitalen Signals, eine
Korrelationsschaltungsanordnung zum Verarbeiten des digita
len Signals, um eine Resultatoberfläche zu erzeugen, auf der
ein Minimum liegt, das die Bildverschiebung eines besten
Fits zwischen dem erfassten Bild und vorherigen Bildern
darstellt, eine Interpolationsschaltungsanordnung zum
Abbilden der Resultatoberfläche auf x- und y-Koordinaten,
und eine Schnittstelle mit einem Bauelement, wie z. B. einen
Handscanner, das den Chip verwendet, umfasst. Die Filter
schaltungsanordnung, die Komprimierschaltungsanordnung, die
Korrelationsschaltungsanordnung und die Interpolations
schaltungsanordnung sind alle vorteilhaft in einem auf dem
Chip befindlichen digitalen Signalprozessor (DSP) ausge
führt. Das DSP-Ausführungsbeispiel ermöglicht ein genaues
algorithmisches Verarbeiten des digitalisierten Signals mit,
abhängig von der Speicherkapazität, fast unendlicher Halte
zeit. Die entsprechenden mathematischen Berechnungen sind
daher den Unregelmäßigkeiten einer CMOS-Chipstruktur, die
analoge Signale verarbeitet, nicht länger ausgesetzt. Folg
lich ermöglicht eine präzise und genaue Navigation einen
vorhersagbaren, verläßlichen und herstellbaren Entwurf. Die
Parameter können ferner in die DSP-"Software" programmiert
werden, was den Chip sowohl einstellbar als auch flexibel
und für unterschiedliche Anwendungen anpassbar macht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Photoempfängers in
dem Photoempfängerarray, das von Badyal u. a. offenbart ist,
ist ferner in dem US-Patent Nr. 5,769,384 von Baumgartner
u. a., erteilt am 23. Juni 1998 mit dem Titel "Low Differen
tial Light Level Photoreceptors" und in der US-Patentan
meldung Seriennr. 09/024,092 von Knee u. a., erteilt am 17.
Februar 1998, mit dem Titel "Electronic Shutter for a Low
Differential Light Level Photo-Receiver Cell", beschrieben.
Der Betrieb des Photoempfängers, der von Baumgartner u. a.
und Knee u. a. beschrieben ist, ist ferner in dem US-Pa
tent Nr. 5,149,980 von Ertel u. a., erteilt am 22. September
1992, mit dem Titel "Substrate Advance Measurement System
Using Cross-correlation of Light Sensor Array Signals",
beschrieben.
Die oben offenbarten Patente von Baumgartner u. a. und Ertel
u. a. sowie die Patentanmeldungen von Badyal u. a. und Knee
u. a. sind hiermit durch Bezugnahme auf ihren gesamten Of
fenbarungsgehalt aufgenommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen eines Photoemp
fängerarrays und der zugeordneten Lesekanäle desselben zu
schaffen, die ein verbessertes, weniger aufwendiges Testen
von Photoempfängerarrays ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Testen eines
Photoempfängerarrays und den zugeordneten Lesekanälen
desselben gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß
Anspruch 12 oder 14 gelöst.
Ein Problem beim Aufbauen von Photoempfängerarrays und den
zugeordneten Lesekanälen derselben auf einer einzigen IC,
besteht darin, daß es schwierig ist, die Photoempfänger
arrays und ihre Lesekanäle adäquat zu testen.
Ein Verfahren zum Testen dieser Elemente besteht darin, die
IDDQ-Ströme (Ruhestromaufzeichnung) des gesamten Chips zu
beobachten. Ein globaler Test wie dieser zeigt, ob ein Bau
element kurzgeschlossen ist oder ob eine große Anzahl von
Photoelementen nicht richtig vorgespannt ist. Der Test zeigt
jedoch nicht, ob zufällige Pixel tot sind. Das optische
Testen wurde schon immer nach dem Verpacken durchgeführt.
Sowie die Arraygrößen wachsen und die Verpackungskosten
(Packaging-Kosten) ansteigen, ist es erstrebenswert, Photo
empfängerarrays mit Defekten vor dem Verpacken zu identifi
zieren. Der Erfinder hat daher Verfahren und Vorrichtungen
erfunden, die das Testen von Photoempfängerarrays und ihren
zugeordneten Lesekanälen, entweder bevor oder nachdem die
selben in eine integrierte Schaltung verpackt sind, ermög
lichen.
Zusammenfassend kann das Testen durch Einspeisen von analo
gen Testspannungen in 1) eine Multiplexerstufe, die einer
Ladungsübertragungsstufe vorausgeht, und 2) in Multiplexer,
die einer Anzahl von Analog-zu-Digital-Wandlern vorausgehen,
erreicht werden. Auf diese Art können die Analog-zu-Digi
tal-Wandler von der Ladungsübertragungsstufe getrennt wer
den, während die Testspannungen in die Analog-zu-Digital-
Wandler eingespeist werden. Nachdem ein ordnungsgemäßer
Betrieb der Analog-zu-Digital-Wandler verifiziert worden
ist, können zusätzliche Testspannungen verwendet werden, um
Ladungen zu Integrations-Kondensatoren von Photoempfängern
in einem Photoempfängerarray zu schreiben. Diese Ladungen
können dann durch dieselben Multiplexer gelesen werden, die
verwendet wurden, um die Ladungen zu dem Integrationskonden
sator zu schreiben. Das Schreiben der Testladungen zu dem
Integrationskondensator kann verwendet werden, um die
Elemente eines Photoempfängerarrays und die Lesekanäle
desselben voll anzuwenden und zu testen, wenn dasselbe mit
der Beleuchtungs- und Verschlußsteuerung kombiniert ist.
Unter Verwendung der Verfahren und Vorrichtungen, die hierin
offenbart sind, können Photoempfängerarrays und die Leseka
näle derselben vor dem Verpacken (Packaging) einer IC, wie
beispielsweise einer optischen Navigations-IC, getestet wer
den. Als nächstes können höhere Aufbaukosten dadurch vermie
den werden, daß ein Photoempfängerarray und/oder die Lese
kanäle desselben als schlecht bestimmt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer optischen Navigations-IC;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines einzelnen
Photoempfängers der IC von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Reihen- und
Spaltenanordung des Photoempfängers, der in der IC
von Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Lesekanals, der
dem Photoempfängerarray zugeordnet ist, das in der
IC von Fig. 1 enthalten ist, wobei der Lesekanal
Abschnitte der Multiplexerstufe, der Ladungsüber
tragungsstufe und der Analog-zu-Digital-Wandler
stufe aufweist, die in der IC von Fig. 1 darge
stellt sind; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm des Photoempfängerarrays und von
zugeordneten Lesekanälen, die in der IC von Fig. 1
dargestellt sind.
Eine Vorrichtung zum Testen eines Photoempfängerarrays 104
und die zugehörigen Lesekanäle 108/110/114/116 derselben
sind in Fig. 1-5 dargestellt, und dieselbe kann im allge
meinen ein Photoempfängerarray 104 (Fig. 1, 5), eine Anzahl
von Multiplexern 108, eine Ladungsübertragungsstufe 110 und
eine Anzahl von Analog-zu-Digital-Wandlern 116 aufweisen.
Das Photoempfängerarray 104 kann eine Mehrzahl von Photo
empfängern 300-328 (Fig. 3), 106 aufweisen, wobei jeder
Photoempfänger 300-328, 106 einen Kondensator 210 (z. B.
einen Integrationskondensator; Fig. 2) zum Speichern einer
Ladung aufweist, die anzeigt, wieviel Licht in den Photo
empfänger 300-328, 106 eingetreten ist. Jeder der Anzahl
von Multiplexem 108 kann eine erste Anzahl von Eingängen,
einen zweiten Eingang, eine Anzahl von Auswahleingängen und
einen Ausgang aufweisen. Die erste Anzahl von Eingängen
jedes Multiplexers ist zum Auslesen der Ladung von mindest
ens einem Kondensator 210 von mindestens einem der Mehrzahl
von Photoempfängern 106 vorgesehen. Der zweite Eingang jedes
Multiplexers ist zum Empfangen von Testspannungen vorgese
hen. Beim Betrieb ermöglichen die Auswahleingänge der Anzahl
von Multiplexern 108, daß der Ausgang jedes Multiplexers mit
einem oder mehreren der Eingänge desselben gekoppelt ist.
Die Ladungsübertragungsstufe 110 ist mit den Ausgängen der
Anzahl von Multiplexem 108 gekoppelt, und wenn dieselbe
Ladungen empfängt, die in den Kondensatoren 210 der Mehrzahl
von Photoempfängern 300-328, 106 gespeichert sind, wandelt
dieselbe Ladungen in analoge Spannungen um. Die Anzahl von
Analog-zu-Digital-Wandlern 116 ist mit den Ausgängen der
Ladungsübertragungsstufe 110 gekoppelt und sieht ein Umwan
deln der analogen Spannungen in digitale Werte vor.
Es sei bemerkt, daß bei einem einfachsten Ausführungs
beispiel der obigen Vorrichtung jedes der "Anzahl" von
Elementen auf ein derartiges Element begrenzt werden kann.
Bei diesem einfachsten Ausführungsbeispiel wird die Vorrich
tung eine Vorrichtung zum Testen eines einzelnen Photo
empfängers 106 und des zugeordneten Lesekanals 108/110/
112/116 desselben.
Es sei ferner bemerkt, daß der Betrieb der obigen Vorrich
tung ein Verfahren zum Testen eines Photoempfängerarrays 104
und der zugeordneten Lesekanäle 108/110/114/116 desselben
darstellt. Im allgemeinen weist ein derartiges Verfahren das
Multiplexen einer Anzahl von Testspannungen mit Ausgängen
der Photoempfänger 300-328, 106 in dem Photoempfängerarray
104 auf. Unter Verwendung dieses Multiplexens können Ladun
gen zu den Integrationskondensatoren 210 der gegebenen die
ser Photoempfänger 300-328, 106 geschrieben werden. Dies
wird durch Verbinden der Anzahl von Testspannungen mit den
Ausgängen der gegebenen Photoempfänger 300-328, 106 durch
geführt. Folgend dem Schreiben von Ladungen zu den Integra
tionskondensatoren 210 der gegebenen der einen oder mehreren
Photoempfänger 300-328, 106 können Ladungen von einigen
oder von allen der Integrationskondensatoren 210 der Photo
empfänger 300-328, 106 in dem Photoempfängerarray 104
gelesen werden. Die Ladungen können wieder unter Verwendung
des zuvor erwähnten Multiplexens und durch Verbinden der
Ausgänge der Photoempfänger 300-328, 106 in dem Photo
empfängerarray 104 mit einer Ladungsübertragungsstufe 110,
die die Ladungen in analoge Spannungen umwandelt, gelesen
werden. Schließlich können die analogen Spannungen unter
Verwendung eines Analog-zu-Digital-Wandlers 114 in digitale
Werte umgewandelt werden und dann mit erwarteten digitalen
Werten verglichen werden.
Nachdem die Verfahren und Vorrichtungen zum Testen von einem
Photoempfängerarray 104 und von den zugeordneten Lesekanälen
108/110/114/116 desselben allgemein beschrieben wurden,
werden die Verfahren und Vorrichtungen nun im weiteren
Detail beschrieben.
Die oben dargestellten Verfahren und Vorrichtungen sind vor
zugsweise in der integrierten CMOS-Schaltung (CMOS-IC) des
optischen Navigationssystems von Fig. 1 ausgeführt. Die IC
weist eine Bilderzeugungsschaltungsanordnung 102 auf, die
ein Photoempfängerarray 104 zum Erfassen eines Bildes, das
auf dasselbe projiziert wird, und zum Erzeugen eines analo
gen Signals, das dasselbe darstellt, umfasst. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst jeder Photoempfänger
106 des Photoempfängerarrays 104 einen vertikalen parasitä
ren Phototransistor, der bei der CMOS-Technologie Standard
ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und wie wei
ter unten mit Bezug auf das Verarbeiten des DSP beschrieben
ist, ist jeder Photoempfänger 106 in dem Array 104 angeord
net, um eine programmierbare Verschlußgeschwindigkeit aufzu
weisen, und es sind Regionen des Arrays 104 auswählbar, um
während des Betriebs der Bilderzeugungsschaltungsanordnung
aktiv zu sein. Das Array 104 kann gemäß der beabsichtigten
Anwendung der IC 100 entweder einen Phototransistor oder
eine Photodiode aufweisen. Die Bilderzeugungsschaltungs
anordnung umfasst ferner eine erste Multiplexerstufe 108,
eine Ladungsübertragungsstufe 110 zum Umwandeln von Photo
empfängerladungen in spannungsbasierte analoge Signale und
eine Vorspannschaltungsanordnung 112 zum Vorspannen des
analogen Signals vor der Digitalisierung.
Die IC 100 weist ferner eine zweite Multiplexerstufe 114 und
einen n-Bit-SAR-Analog-zu-Digital-Wandler 116 zum Umwandeln
von analogen Photoempfängersignalen in zugehörige digitale
Werte auf. Günstigerweise sind die Auflösung und die Umwand
lungsrate des Analog-zu-Digital-Wandlers 116 gemäß speziel
len Anwendungen und/oder Ausführungsbeispielen konfigurier
bar. Es ist offensichtlich, daß der Analog-zu-Digital-Wand
ler 116 verschieden ausgeführt und verwendet werden kann,
und daß zwei oder mehr Wandler parallel eingesetzt werden
können, um die Rahmenrate zu erhöhen.
Es ist ferner offensichtlich, daß das Digitalisieren des
Bildes viele Merkmale des Chips 100 ermöglicht. DSP-Algo
rithmen sind auf dem Chip verfügbar, um das Bild präzise mit
unendlich ausgedehnter Haltezeit einzustellen. Parameter,
die in die Algorithmen programmiert werden können, können
eingestellt werden, um einen sehr genauen Bilderzeugungs
prozeß vorzusehen, der sowohl vorhersagbar als auch wieder
holbar ist und daher sehr gut herstellbar ist.
Die IC 100 weist ferner die Filterschaltungsanordnung 118
auf, die ein räumliches Filter für die Kanten- und Kontrast
verbesserung des entsprechenden Bildes umfasst. Das räumli
che Filter ermöglicht diese Verbesserung durch Dämpfen oder
Verstärken der hohen optischen Frequenzen, um entsprechend
die Kanten des Bildes weicher oder schärfer zu machen.
Vorteilhafterweise komprimiert die Filterschaltungsanordnung
118 ferner das digitale Signal, obwohl eine Komprimierung
ferner durch eine getrennte Komprimierungsschaltungsanord
nung 120, die in der IC 100 positioniert ist, durchgeführt
werden kann.
Die IC 100 weist ferner eine Korrelationsschaltungsanordnung
122 auf, die das digitale Signal mit dem entsprechenden
Signal, das für vorherige Bilder (Rahmen) erzeugt wurde,
vergleicht. Das Resultat des Vergleichs ist eine Resultat
oberfläche, auf der ein Minimum liegt, das eine Bildver
schiebung eines besten Fits zwischen dem aktuellen Bild und
dem vorherigen darstellt. Durch das Verfolgen der Minima auf
einer Resultatoberfläche können x-y-Navigationsinformationen
zu einem außerhalb des Chip befindlichen Prozessor geliefert
werden. Die IC 100 umfasst ferner eine Interpolationsschal
tungsanordnung 124 zum Abbilden der Resultatoberfläche in
räumlich definierende Koordinaten. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel sind diese Koordinaten orthogonal (z. B.
x- und y-Koordinaten), obwohl andere Konventionen verwendet
werden können, wie z. B. ein Vektorbezugssystem (z. B.
Winkel und Abstand).
Schließlich weist die IC 100 eine Schnittstellenschaltungs
anordnung 126 zum Formatieren des digitalen Signals auf, um
für eine Signalkommunikation mit einem Bauelement kompatibel
zu sein, bei dem die IC verwendet werden soll, wie bei
spielsweise ein Miniatur- oder Handscanner.
Es wird offensichtlich sein, daß die Filterschaltunganord
nung 118, die Komprimierungsschaltungsanordnung 120, die
Korrelationsschaltungsanordnung 122 und die Interpolations
schaltungsanordnung 124 alle vorteilhafterweise in einem auf
dem Chip befindlichen DSP ausgeführt sind. Das DSP-Ausfüh
rungsbeispiel ermöglicht ein präzises algorithmisches Verar
beiten des digitalisierten Signals mit einer, abhängig von
der Speicherkapazität, fast unendlichen Haltezeit. Folglich
sind die entsprechenden mathematischen Berechnungen keinen
Unregelmäßigkeiten einer CMOS-Chipstruktur ausgesetzt, die
analoge Signale verarbeitet. Folglich ermöglicht eine prä
zise und genaue Navigation einen vorhersagbaren, verläßli
chen und herstellbaren Entwurf.
Parameter können ferner in die "Software" des DSP program
miert werden, was die IC 100 sowohl einstellbar als auch für
unterschiedliche Anwendungen flexibel und anpassbar macht.
Zum Beispiel kann der DSP Regionen des Photoempfängerarrays
104 auswählen, die zu verarbeiten sind. Die "Verschlußge
schwindigkeit" des Photoempfängers 106 ist ebenfalls pro
grammierbar. Ferner können unterschiedliche Filterkoeffi
zienten in die Filterschaltungsanordnung 118 für unter
schiedliche Anwendungen programmiert werden. Unterschiedli
che Korrelationsverfahren sind auswählbar (z. B. a-b gegen
(a-b)2 etc.). Räumliche Filteralgorithmen, die für eine
analoge Schaltungsanordnungen zu komplex sind, sind in dem
digitalen Bereich erhältlich. Es ist offensichtlich, daß die
vorhergehenden programmierbaren Merkmale lediglich beispiel
haft sind.
Die Verfahren und Vorrichtungen, die hierin offenbart sind,
sind entworfen, um ein Photoempfängerarray 104 und die Lese
kanäle 108/110/114/116 zu testen und sind besonders geeig
net, um Photoempfängerarrays 104 und die zugeordneten Lese
kanäle 108/110/114/116 desselben zu testen, die denjenigen
ähnlich sind, die in der zuvor beschriebenen IC 100 des
optischen Navigationssystems ausgeführt sind. In der IC 100
weisen die "zugeordneten Lesekanäle", die getestet werden
sollen, eine Multiplexerstufe 108, eine Ladungsübertragungs
stufe 110, einen Multiplexer 114 und einen Analog-zu-Digi
tal-Wandler 116 auf.
Um ein besseres Verständnis der Elemente eines Photoempfän
gerarrays 104 zu erhalten, das unter Verwendung der hierin
offenbarten Verfahren und Vorrichtungen getestet werden
kann, wird nun ein Ausführungsbeispiel des Photoempfänger
arrays 104 der IC 100 beschrieben.
Ein Photoempfängerarray 104, das eine Anzahl von Photoemp
fängern 106 aufweist, die in M Spalten und in N Reihen ange
ordnet sind, ist in Fig. 1 dargestellt. Während die Verfah
ren und die Vorrichtungen, die hierin beschrieben sind, bei
eindimensionalen Photoempfängerarrays und sogar bei einzel
nen Photoempfängern anwendbar sind, werden die hierin be
schriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Verfahren
und der Vorrichtungen in Verbindung mit dem MxN-Photoempfän
gerarray 104 von Fig. 1 beschrieben.
Fig. 2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines einzelnen Photoempfängers 106 des Photoempfängerarrays
104 von Fig. 1. Einfallendes Licht 200 wird in einen Strom
umgewandelt, der während einer Abtastperiode integriert
wird. Der gespeicherte Wert wird periodisch ausgelesen, so
daß derselbe für einen nächsten Schritt in einer Prozeßfolge
verfügbar ist. Am Anfang eines Integrationszyklusses wird
der von der Photodiode 202 erzeugte Photostrom durch einen
PNP-Transistor 204 verstärkt. Die Photodiode 202 und der
Transistor 204 definieren zusammen mit einer Parasitär
kapazität 206 ein Photoelement 208. Der verstärkte Photo
strom lädt den Integrationskondensator 210 von seinem
anfänglichen Bezugspegel nach unten.
Die Photodiode 202 des Photoelements 208 erzeugt als Antwort
auf den Empfang von Lichtphotonen 200 einen Strom. Die
Photodiode 202 ist tatsächlich die Basis des PNP-Transitors
204. Die Sperrspannungsdiodenkapazität 206 ist eine Para
sitärkapazität, die abhängig von der Diodengröße groß sein
kann. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Photo
elements 208 von Fig. 2 wurde die optische Leistung auf der
Photodiode 202 als etwa 1,1 nW bestimmt. Dies bewirkt in der
Diodenstromquelle einen Strom von ungefähr 0,6 nA. Wegen
diesem niedrigen Strompegel ist es nötig, daß die Verstär
kung sicherstellt, daß das optische Variationssignal, das
lediglich ungefähr 10% des konstanten Photostroms ist, aus
reichende Spannungsunterschiede erzeugt, die vom Rauschen
unterscheidbar sind.
Der PNP-Transistor 204 des Photoelements 208 verstärkt den
Photostrom. Die Verstärkung, die durch den Transistor 204
geliefert wird, ermöglicht die Verwendung eines Integra
tionskondensators 210, der die Reproduzierbarkeit von Photo
element zu Photoelement erleichtert. Ohne die Verstärkung
erfordert der niedrige Strom der Photodiode 202 einen sehr
kleinen Kondensator, z. B. 10 fF, als einen Integrator, um
einen Hub von 1 Volt zu erhalten. Aufgrund der Parasitär
effekte ist dies auf einer Element-zu-Element-Basis schwer
zu wiederholen. Eine zweckmäßige Möglichkeit zum Vorsehen
einer Stromverstärkung ist das Ändern des Entwurfs des
Photoelements 208 von einer Diode 202 zu einem Substrat-
PNP-Bauelement 204. Ein Betawert von 18 erhöht den Ausgangs
emitterstrom auf 11,4 nA. Daher kann ein Integrationskonden
sator 210 mit 0,20 pF verwendet werden. Dies erleichtert die
Reproduzierbarkeit und erfordert keine übermäßige Fläche.
Eine Servoschaltung 212 wird durch MOS-Transistoren 214 und
216 gebildet. Die MOS-Transistoren 214 und 216 bilden einen
Arbeitspunktverstärker mit einer Gateschaltungsstufe für den
Ausgang des Phototransistors 204. Die Transistoren 214 und
216 können manchmal als "Servoschaltung" bezeichnet sein.
Wenn das richtige Signal von der Vorspannungsleitung PBB
empfangen wird, führt der MOS-Transistor 218 den Vorstrom
über die analoge Leistungsversorgungsleitung AVDD zu. Um
eine gute Übertragung des Stroms, der in dem Photoelement
208 erzeugt wird, zu dem Integrationskondensator 210 zu
erreichen, muß die Sperrspannung der Photodiode 202 (d. h.
die Transistorbasisspannung) auf einem im wesentlichen
konstanten Pegel gehalten werden. Wenn es ermöglicht wird,
daß sich die Spannung an dem Basisknoten 220 verschiebt,
wird der Photostrom zumindest teilweise zum Laden und
Entladen der Diodenkapazität 206 und nicht zum Liefern von
Strom verbraucht, der durch den Substrat-PNP-Transistor 204
verstärkt werden soll.
Die Transistorbasisspannung an dem Knoten 220 wird im
wesentlichen durch die drei MOS-Transistoren 214, 216 und
218 auf einem konstanten Pegel gehalten. Obwohl es nicht
schwierig ist, den gewünschten Betrieb bei dem Ausführungs
beispiel von Fig. 2 zu erreichen, ist der im wesentliche
feste Spannungspegel etwa gleich dem NMOS-Schwellenpegel
über AVDD an dem Kollektorknoten 222. Die MOS-Transistoren
214, 216, 218 wirken als Gegenkopplungsschleife, wobei der
Transistor 216 als Sourcefolger zu dem Emitterknoten 224 des
PNP-Transistors 204 wirkt. Daher wird die Basisspannung
durch die Emitterspannung des Transistors 204 gesteuert.
Dies ist möglich, da die Basisspannung, d. h. das Photo
diodenausgangssignal, einen sehr hohen Gleichimpedanzpegel
aufweist. Das Vorspannverfahren der Emittersteuerung
arbeitet während des Tests effektiv. Aus der Sicht des Aus
gangs ist der Transistor 216 eine normale Gateschaltungs
stufe, die einen zusätzlichen Vorteil besitzt, indem
dieselbe eine zusätzliche Trennung des Emitterknotens 224
und des Basisknotens 220 des Transistors von dem Span
nungshub eines Knotens 226 vorsieht.
Der elektronische Verschluß 228 ist aus dem NMOS-Transistor
230 und dem PMOS-Transistor 232 gebildet. Wenn sich ein
Signal von dem Eingangsknoten VERSCHLUß in einem niedrigen
logischen Zustand befindet, befindet sich der Transistor 232
in einem leitfähigen Modus, und der Transistor 230 befindet
sich in einem nicht-leitfähigen Modus. In diesem Zustand
entlädt die Servoschaltung 212 weiterhin den Integrations
kondensator 210. In diesem Modus ist die elektronische Ver
schlußschaltung 228 in einem "offenen" Modus. Wenn von dem
VERSCHLUß-Knoten ein logisches Signal in einem hohen Zustand
empfangen wird, dann ist der Transistor 230 in einem leit
fähigen Modus, und der Transistor 232 ist in einem nicht
leitfähigen Modus. In diesem Zustand wird der photoerzeugte
Emitterstrom von dem Photoelement 208 von dem Integrations
kondensator 210 zu der Leistungsversorgungsleitung AVDD
umgeleitet. In diesem Modus ist die elektronische Verschluß
schaltung 228 in einem "geschlossenen" Modus, und der Inte
grationskondensator 210 integriert keine photoerzeugten
Ladungen. Daher ist die elektronische Verschlußschaltung
228, um eine Integrationsperiode zu beenden, in einem ge
schlossenen Modus konfiguriert. Während des geschlossenen
Modus hält der Integrationskondensator 210 seine Ladung, bis
derselbe gelesen wird.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt nach einer Integrationsperiode
wird durch ein logisches Signal von der Leitung NRD0 ein
Leseschalter 234 "ein"-geschaltet, um den im Integrations
kondensator 210 gespeicherten Wert zu einer Ladungsübertra
gungsstufe 110 über den Knoten OUT auszugeben. Der Lese
schalter kann ein PMOS-Transistor sein, der durch eine
Lesesteuerleitung NRD0 gesteuert wird. Auf diese Weise hält
der Integrationskondensator 210, während sich die Verschluß
schaltung 228 in einem geschlossenen Modus befindet, seine
Ladung, solange bis derselbe durch den Lesetransistor 234
gelesen wird. Der Betrieb der Ladungsübertragungsstufe 110
zieht den Knoten 226 nach oben zu einer Bezugsspannung (d. h.
zu der Vorintegrationsladung desselben), so daß eine neue
Integrationsperiode begonnen werden kann. Zu einem be
stimmten Zeitpunkt während des Leseprozesses wird bewirkt,
daß die Lesesteuerungsleitung NRD0 in einen logischen nie
drigen Zustand zurückkehrt, und der Transistor 234 kehrt in
einen nicht-leitfähigen Zustand zurück.
Fig. 3 stellt eine Anzahl von Photoempfängern 300-328, 106
dar, die verbunden sind, um ein Photoempfängerarray 104 zu
bilden. Die Photoempfänger 300-328, 106 sind in Reihen und
Spalten angeordnet. Ladungen können von den Integrations
kondensatoren von einer Reihe von Photoempfängern gelesen
werden, indem eine spezielle Reihenauswahlleitung (NRD0-3)
aktiviert wird, um die Reihenauswahlschalter für eine Reihe
zu schließen. Zum Beispiel können die Reihenauswahlschalter
330-336 geschlossen werden, indem die Reihenauswahlleitung
NRD3 aktiviert wird, die Reihenauswahlschalter 338-344
können geschlossen werden, indem die Reihenauswahlleitung
NRD2 aktiviert wird, die Reihenauswahlschalter 346-352
können geschlossen werden, indem die Reihenauswahlleitung
NRD1 aktiviert wird, und Reihenauswahlschalter 354-358 und
234 können geschlossen werden, indem die Reihenauswahllei
tung NRD0 aktiviert wird. Wie es durch die Serie von drei
Punkten vorgeschlagen ist, die sich zu dem linken, rechten
und oberen Ende von Fig. 3 erstrecken, kann ein Photoemp
fängerarray 104 mehr als 16 Photoempfänger 300-328, 106
aufweisen, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Wie vorher dar
gelegt, weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der IC von
Fig. 1 ein 47 × 47-Array von Photoempfängern auf. Es ist fer
ner möglich, daß ein Photoempfängerarray 104 weniger als die
16 Photoempfänger 300-328, 106 aufweist, die in Fig. 3
gezeigt sind.
Wenn eine Reihenauswahlleitung aktiviert wird (z. B. NRD0),
werden die Ladungen, die in dem Integrationskondensatoren
der Photoempfänger (z. B. 324-328, 106) dieser Reihe ge
speichert sind, in Spaltenleseleitungen COL0-COL3 aus
gegeben. An diesem Punkt ermöglichen der Multiplexer 108 und
die Leitungsübertragungsstufe 110 das Auslesen und die
Umwandelung der Ladungen in analoge Spannungen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Multiplexerstufe 108 und der Ladungsübertragungsstufe
110 ist in Fig. 4 detaillierter dargestellt.
Der Ladungsübertragungsstufe 110 geht eine erste Multiple
xerstufe 108 voraus. Die Eingänge der Multiplexerstufe 108
weisen Ladungen, die in einer oder mehreren Spaltenleselei
tungen (z. B. COL0-COL3) von Fig. 3 getragen werden, und
eine Testspannung auf, die über einen Hilfseingang (z. B.
AUXA) eingespeist wird. Die Ausgänge der Multiplexerstufe
108 sind mit der Ladungsübertragungsstufe 110 verbunden. In
Fig. 4 ist der der Ladungsübertragungsstufe 110
vorausgehende einzelne Multiplexer als eine Anzahl von
Schaltern (z. B. 400-408) dargestellt. Auswahleingänge,
die zu dem Multiplexer vorgesehen sind, steuern das Öffnen
und Schließen dieser Schalter 400-408, so daß der Ausgang
des Multiplexers mit einem oder mehreren der Eingänge
desselben verbunden sein kann. Obwohl in Fig. 4 lediglich
ein Multiplexer der Ladungsübertragungsstufe 108 vorausgeht,
können bei einer tatsächlichen Implementierung eines
Photoempfängerarrays 104 und der Lesekanäle desselben ein
oder mehrere Multiplexer 108 erforderlich sein, wie es durch
die Größe des bei einer Anwendung verwendeten Photo
empfängerarrays 104, durch Speicherbegrenzungen, durch die
Geschwindigkeitserfordernisse etc. bestimmt sein kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Ausgang
eines Multiplexers mit den Eingängen desselben wie folgt
verbunden sein. Erstens kann der Ausgang des Multiplexers
einzeln mit jeder der Spaltenleseleitungen verbunden sein,
die mit den Eingängen desselben verbunden sind, so daß die
Ladungen, die in diesen Spaltenleseleitungen getragen
werden, einzeln durch die Ladungsübertragungsstufe 110 in
analoge Spannungen umgewandelt werden können. Sowie die
Ladungen gelesen werden, kann eine Bezugsspannung an die
Integrationskondensatoren jedes Photoempfängers, der mit
einer Anzahl von Spaltenleseleitungen über Reihenauswahl
schalter verbunden ist, angelegt werden. Die Bezugsspannung
kann dann von den Integrationskondensatoren während eines
Testmodus gelesen werden. Alternativ können die Photoelemen
te, die den Integrationskondensatoren zugeordnet sind, die
die Bezugsspannung empfangen, Licht ausgesetzt werden (mög
licherweise über die Verschlußsteuerung, wie in Fig. 2), so
daß Lichtlesungen und/oder Bilddaten durch die Integrations
kondensatoren gespeichert werden. Danach können die Licht
lesungen und/oder Bilddaten von den Integrationskondensa
toren gelesen werden, und Bezugsspannungen können wieder zu
den Integrationskondensatoren geschrieben werden, so daß der
Zyklus wiederholt werden kann.
Zweitens kann der Ausgang des Multiplexers mit einer oder
mehreren der Spaltenleseleitungen, die mit den Eingängen
desselben verbunden sind, und mit dem Hilfseingang verbunden
sein, der mit den Eingängen desselben verbunden ist, so daß
eine Ladung, die durch die Testspannung bestimmt ist, die
durch den Hilfseingang empfangen wird, in den Integrations
kondensatoren der Photoempfänger, die über Reihenauswahl
schalter mit den Spaltenleseleitungen verbunden sind, pla
ziert werden kann. Anschließend können die Ladungen in den
Integrationskondensatoren (wenn entweder die zugeordneten
Photoelemente derselben Licht ausgesetzt sind oder nicht
ausgesetzt sind) gelesen werden.
Drittens kann der Ausgang des Multiplexers mit dem Hilfs
eingang desselben verbunden sein, so daß eine Testladung
unabhängig von dem Photoempfängerarray 104 an die Ladungs
übertragungsstufe 110 angelegt sein kann.
Die Ausgangsignale der Ladungsübertragungsstufe (z. B. OUTA)
werden von einer zweiten Multiplexerstufe 114 empfangen.
Diese zusätzliche Multiplexerstufe 114 ist als Schalter 410,
412 dargestellt. Die Auswahlleitungen, die das Schließen der
Schalter, beispielsweise des Schalters 410, steuern, dienen
dazu, die Ausgänge der Ladungsübertragungsstufe 110 mit
einem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC; ADC = Analog-to-Digital
Converter) 116 zu verbinden, während Auswahlleitungen, die
das Schließen des Schalters 412 steuern, dazu dienen, einen
Hilfseingang (der wieder eine Testspannung trägt) mit dem
ADC 116 zu verbinden.
Unter Verwendung der Hilfseingänge, die in Fig. 4 (d. h.
AUXA, AUXB) offenbart sind, können ein Photoempfängerarray
104 und die zugeordneten Lesekanäle 108/110/114/116 dessel
ben mit ihrem vollsten Potential angewendet werden. Es sei
bemerkt, daß jeder der Eingänge AUXA und AUXB vorzugsweise
zum Empfangen eines Bereichs von analogen Testspannungen
angepasst ist, der ausreichend ist, um die Komponenten eines
Photoempfängerarrays 104 und die Lesekanäle 108/110/114/116
desselben vollkommen zu testen. Zum Beispiel sollte AUXA
fähig sein, Spannungen zu liefern, die Vollausschläge der
Integrationskondensatoren darstellen, zu denen dieselben
schreiben. Ebenso sollte AUXB fähig sein, Spannungen zu
liefern, die den vollen Bereich der analogen Spannungen
darstellen, die während der tatsächlichen Verwendung der IC
100 der optischen Navigation an einem Eingang des ADC 116
erscheinen können.
Das Testen kann mit einer Prüfung des ADC 116 beginnen. Der
ordnungsgemäße Betrieb des ADC 116 kann durch das Öffnen des
Schalters 410 und durch Liefern von Testspannungen zu dem
ADC 116 über den Schalter 412 und den Eingang AUXB bestätigt
werden.
Sobald der ordnungsgemäße Betrieb des ADC 116 bestätigt ist,
können Ladungen zu den Integrationskondensatoren von ver
schiedenen und/oder von allen Photoempfängern 300-328, 106
in dem Photoempfängerarray 104 geschrieben werden. Zu den
Integrationskondensatoren können Ladungsmuster geschrieben
werden, beispielsweise gesamt hohe Zustände, gesamt niedrige
Zustände, ein Schachbrettmuster, ein verschobenes Schach
brettmuster und Streifen. Diese Ladungen können dann durch
geeignete Lesekanäle ausgelesen werden, um zu verifizieren,
ob Elemente des Photoempfängerarrays 104, der Multiplexer
stufe 108, der Ladungsübertragungsstufe 110 und der Multi
plexerstufe 114 in einem hohen, niedrigen Zustand festsitzen
oder kurz geschlossen sind. Zum Beispiel kann ein Photoemp
fänger 106 mit jedem seiner nächsten Nachbarn bezüglich von
Kurzschlüssen verifiziert werden. Ferner kann eine Spalte
306, 314, 322, 106 oder eine Reihe 324-328, 106 von Pho
toempfängern mit ihrem nächsten Nachbarn bezüglich Kurz
schlüssen verifiziert werden. Ferner können Photoempfänger
106 und/oder die Reihen und Spalten derselben bezüglich
Kurzschlüssen zu globalen Netzen (z. B. der Leistungsver
sorgung, der Masse, einer Leseleitung, etc.) verifiziert
werden. Zusätzliche Verifikationen von einem Photoempfänger
array 104 und den Lesekanälen 108/110/114/116 desselben
können durch Kombinieren von 1) dem Schreiben von Test-
und/oder von Bezugsspannungen zu den Integrationskonden
satoren und 2) dem Aussetzen der zugeordneten Photoelemente
208 derselben gegenüber Licht und 3) dem Betrieb von anwend
baren Verschlüssen (d. h. die Transistoren 230 und 232 von
Fig. 2) durchgeführt werden. Die Beleuchtung von Photo
elementen 208 ist für den Test von Servoschaltungen (d. h.
der Transistoren 214 und 216 von Fig. 2) kritisch.
Während des gesamten Testvorgangs können digitale Werte, die
an den Ausgängen des ADC erscheinen, mit Standardwerten
(oder erwarteten digitalen Werten) verglichen werden und als
korrekt oder fehlerhaft beurteilt werden.