DE3921599A1

DE3921599A1 - Verfahren zur verbindung eines gekuehlten plaettchens zur vorbehandlung von signalen mit einem verarbeitungsplaettchen sowie verarbeitungseinheit zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3921599A1
Application number: DE3921599A
Authority: DE
Inventors: Henri Pruvot; Albin Virdis
Original assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Current assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-10-17
Also published as: GB2244879B; IT8967522A0; GB2244879A; GB8912712D0; FR2656186A1; IT1232124B; FR2656186B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat ihren Ausgangspunkt in der beispielsweise mit einer thermischen Kamera durchgeführten Erfassung zur Landschaftsanalyse in Echtzeit, die beispielsweise in ein Bilderzeugungssystem oder ein Überwachungssystem integriert ist.

Eine thermische Infrarotkamera besitzt in erster Linie in der Brennebene ihres optischen Systems ein Detektorplättchen, welches ein Mosaik aus mehreren hundert oder sogar mehreren tausend Infrarot-Fotodioden enthält. In Anbetracht der bedeutenden Anzahl von Dioden ist ihre Verbindung mit einem äußeren Verarbeitungskreis durch klassische Mittel ausgeschlossen. Das Detektorplättchen ist daher einem Plättchen zur Vorbehandlung überlagert und mit ihm verbunden, welches auch oder wenigstens in etwa in der Brennebene angeordnet ist - die beiden Plättchen sind auf diese Weise hybridisiert -, und das Plättchen zur Vorbehandlung enthält Schaltkreise zur Übertragung von Ladungen, nämlich und insbesondere den Fotodioden zugeordnete Eingangskreise, um deren Ausgangsströme zu integrieren, Vorrichtungen zur Vorverstärkung, zum Filtern und Multiplexieren sowie einen Ausgangskreis, der gleichzeitig ein Interface zwischen dem Plättchen zur Vorbehandlung und einem davon deutlich unterschiedenen Plättchen zur nachfolgenden Verarbeitung bildet. Die Verbindungen der Plättchen untereinander können in Trägeranschlußtechnik (beam-lead-Technik) ausgeführt sein.

Um die Leistungsfähigkeit zu optimalisieren, d. h. um die parasitären Rauschanteile zu minimalisieren, soll das Detektorplättchen bei tiefen Temperaturen arbeiten. Die in der Brennebene befindliche aus den Detektorplättchen und den Plättchen zur Vorbehandlung bestehende Einheit ist daher im Inneren einer Tiefsttemperaturzelle oder eines Kryostaten angeordnet, der an ein Kälteerzeugungssystem angeschlossen ist.

Die elektronischen Schaltkreise zur Vorbehandlung stellen indessen und insbesondere eine Belastung für das Kälteerzeugungssystem auf der Ebene des Wirkungsgrades dar, vor allem für die Ausbeute an hochfrequenten Informationen oberhalb einiger MHz. Zur Kenntnisnahme wird darauf hingewiesen, daß der Wirkungsgrad eines Kryostaten nur in der Größenordnung von 1% ist. Man könnte das Vorhandensein der Elektronik ausgleichen durch Vergrößern der kryogenischen Leistung. Aber dies würden den Nachteil eines höheren Gewichtes bedeuten, was oft nicht tolerierbar ist.

Die Anmelderin hat sich daher um das Problem einer Erniedrigung des Energieverbrauchs der Schaltkreise des Plättchens zur Vorbehandlung in der Brennebene bemüht.

In einer Detektor- und Verarbeitungseinheit, wie sie bisher realisiert wurde, liegt die für das Funktionieren der Kreise zur Vorbehandlung erforderliche elektrische Leistung in der Größenordnung von einigen Zehnern von mW, die als vernachlässigbar angesehen werden können. Es ist das Interface zwischen der Brennebene und dem Verarbeitungsplättchen, welches den größten Anteil an Energie (etwa 90%) verbraucht aufgrund der Bedingungen für die Erzeugung der Ausgangsinformation des Plättchens zur Vorbehandlung, die wegen der Multiplexierung der Empfangskanäle den Verarbeitungskreisen in aufgeprägten Steuerimpulsen für die Freigabezeit oder die Ansprechzeit mit vorgegebener Amplitude (2 bis 3 V Spannung) und insbesondere mit höchstmöglicher Taktfolge zugeführt werden soll. Im Falle von MOS-Kreisen, den einzigen bei tiefen Temperaturen praktisch verwendbaren, mit mindestens einem auf dem Plättchen zur Vorbehandlung angeordneten Ausgangs-Feld effekttransistor (FET) als Interface ist es vor allem die insbesondere durch die Verbindungen bedingte und die Quelle des Transistors belastende Streu- oder Störkapazität (in der Größenordnung von 10 bis 20 pF), welche Energie verbraucht. Es ist daher nicht möglich, diese Kapazität zu reduzieren.

Bei den gegenwärtig bekannten Einheiten zur Erfassung und Verarbeitung wird die Information durch das Plättchen zur Vorbehandlung mit niedriger Impedanz geliefert und vom Verarbeitungsplättchen mit hoher Impedanz empfangen, und zwar mit hoher Eingangsimpedanz, um Dämpfung zu vermeiden und mit niedriger Ausgangsimpedanz, um die Information mit einer zur Ausgangsimpedanz proportionalen, möglichst kleinen Zeitkonstante und damit so rasch wie möglich abzugeben. Wenn eine an das Verarbeitungsplättchen abzugebende Information am Ausgangstransistor des Plättchens zur Vorbehandlung eintrifft, ist es aufgrund der hohen Impedanz des nachgeschalteten Verarbeitungskreises die Störkapazität, die zu Beginn ihrer Aufladung den Ausgangstransistor des Kreises zur Vorbehandlung belastet und welche den wesentlichen Anteil der fließenden Information absorbiert.

Um auf das zu lösende Problem der Verringerung des Energieverbrauchs zurückzukommen, wird angemerkt, daß im Falle eines Ausgangs-Feldeffekttransistors dieser Verbrauch proportional dem Polarisationsstrom I_p und der Polarisationsspannung V_ds dieses Transistors ist. In anderen Worten, es ist die Leistung V_ds × I_p die abgeführt werden soll. Um sie zu verringern, könnte man I_p oder V_ds erniedrigen. Aber eine Erniedrigung von I_p würde zu einem Anheben der Ausgangsimpedanz führen, die sich mit den Inversen der Quadratwurzel aus I_p verändert und damit zu einem Ansteigen der Zeitkonstante, was nicht zulässig ist. Eine Verringerung von V_ds würde mit einer bedeutenden Spannungsabweichung zu einer schlechten Linearität und damit zu schlechten Leistungen führen, was nicht mehr zulässig ist. Was die Verringerung dieser Spannungsabweichung betrifft, so ist diese nur möglich mit einem geringen dynamischen Verhältnis von Signal zu Rauschen, was mit den derzeitigen Anforderungen unverträglich ist, die 12 Bits überschreiten, was einem Verhältnis von 4096 zwischen dem Spitzenwert des Signals und dem wirksamen Rauschen entspricht und zu einem Rauschen in der Größenordnung von 1 mV führt, einer Schwelle, die man nicht unterschreiten kann ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen.

Was die Anstiegszeit der Ausgangsimpulse in der Brennebene anbetrifft, wegen der Zeitkonstante so klein wie möglich bleiben soll, so ist es auch nicht möglich sie zu vergrößern, denn sie ist direkt mit der Zeitfolge der Informationen verknüpft, welche selbst von dem System aufgeprägten Charakteristiken abhängen, wie der Dauer der Abtastung, der Anzahl der Fotodioden auf dem Empfangsplättchen und der Anzahl der in der Zeiteinheit aufzunehmenden Abtastwerte.

Deshalb schlägt die Anmelderin zur Lösung des vorliegenden Problems ihre Erfindung vor.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschluß eines Eingangskreises eines Verarbeitungsplättchens an einen Ausgangskreis mit Störkapazität eines Plättchens zur Vorbehandlung von Ausgangssignalen eines Empfangsblättchens, wobei das Empfangsplättchen und das Plättchen zur Vorbehandlung aufeinander hybridisiert sind und in einer Tiefsttemperaturzelle angeordnet sind und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens so eingerichtet wird, daß er eine niedrige Impedanz darstellt.

Die vorliegende Erfindung ist bereits bemerkenswert durch die Tatsache, daß die Ausgangssignale der Brennebene in das Verarbeitungsplättchen mit niedriger Impedanz eintreten, wogegen es, wie oben dargestellt, üblich war, sie mit hoher Impedanz eintreten zu lassen.

Der Umstand, daß man die Ausgangssignale der Brennebene in das Verarbeitungsplättchen mit niedriger Impedanz eintreten läßt, erlaubt es, sich in vorteilhafter Weise von der dem Ausgangskreis der Brennebene anhaftenden Streukapazität frei zu machen. Mit anderen Worten, die laufende Information aus der Brennebene wird nicht mehr wie zuvor in die Störkapazität abgeleitet und man verringert auf diese Weise nicht nur stark die von dieser Störkapazität verbrauchte und abzuleitende Energie, sondern stellt auch eine gute Zeitfolge der Informationsübertragung sicher.

Dank dieser niedrigen Eingangsimpedanz kann man auch die Lösung des ursprünglich aufgestellten Problems verbessern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ausgangskreis des Plättchens zur Vorbehandlung so eingerichtet, daß er eine hohe Impedanz aufweist.

In Wirklichkeit vergrößert man die Ausgangsimpedanz dadurch, daß man den Polarisationsstrom des Ausgangskreises des Plättchens zur Vorbehandlung verringert. Aber eine Verringerung des Polarisationsstroms bedeutet auch eine Reduzierung der abzuführenden Energie.

Dies bedeutet, an der Schnittstelle zwischen dem Plättchen zur Vorbehandlung und dem Verarbeitungsplättchen tritt die Information mit hoher Impedanz aus und mit niedriger Impedanz ein. Dies ist genau das Gegenteil des bisher praktizierten Verfahrens.

Mit noch anderen Worten, die Erfindung hat die Verringerung des Stroms und damit des Energieverbrauchs ermöglicht, wobei eine gute Zeitkonstante und damit eine gute Zeitfolge der Übertragung bewahrt wurde.

Wenn auch die Erfindung ihren Ausgangspunkt in der Erfassung und insbesondere der Infrarot-Erfassung hat, beabsichtigt die Anmelderin nicht, den Schutzumfang ihrer Anmeldung auf diesen Anwendungsbereich zu beschränken.

In Anbetracht der aktuellen technologischen Entwicklungen, insbesondere im Informationsbereich, ist die Erfindung der Anmelderin auf die Verbindung jedes gekühlten Plättchens zur Vorbehandlung von Signalen mit einem darauf folgenden Verarbeitungsplättchens anwendbar.

Die Erfindung betrifft daher ganz allgemein ein Verfahren zum Anschluß eines Eingangskreises eines Verarbeitungsplättchens an einen Ausgangskreis mit Störkapazität eines Plättchens zur Vorbehandlung von Signalen, das in einer Tiefsttemperaturzelle angeordnet ist, welches durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß man den Eingangskreis des Verarabeitungsplättchens so einrichtet, daß er eine niedrige Impedanz darstellt.

Vorzugsweise richtet man den Ausgangskreis des Plättchens zur Vorbehandlung so ein, daß er eine hohe Impedanz aufweist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Plättchen zur Vorbehandlung von Signalen, das einen Ausgangskreis mit Störkapazität aufweist und in einer Tiefsttemperaturzelle angeordnet ist und mit einem Verarbeitungsplättchen, das einen Eingangskreis aufweist, der mit dem Ausgangskreis des Plättchens zur Vorbehandlung verbunden ist, und das durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens eine niedrige Impedanz besitzt.

Vorteilhafterweise weist der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens mindestens eine direkt polarisierte Diode auf, die somit eine niedrige Impedanz darstellt, wobei es sich vorzugsweise um die Basis-Emitter-Strecke eines bipolaren npn- Transistors in üblicher Emitter-Schaltung handelt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Ausgangskreis des Plättchens zur Vorbehandlung mindestens einen Feldeffekttransistor (FET) mit hoher Ausgangsimpedanz aufweist, dessen Quelle mit der Basis des bipolaren Eingangs-Transistors des Verarbeitungsplättchens verbunden ist, wobei der Lastwiderstand des Feldeffekttransistors außerhalb der Tiefsttemperaturzelle angeordnet ist. Das Herausnehmen des Belastungswiderstandes für den Ausgangstransistor aus der Brennebene erlaubt eine weitere Verringerung der abzuführenden Leistung, nämlich des Produktes aus der Intensität des Polarisationsstromes I_p mit dem Wert des Potentials der Quelle des Ausgangstransistors (V_dd-V_ds).

Da sich das Potential an der Basis des bipolaren Eingangstransistors nur sehr wenig ändert, ist die Abweichung der Spannung an der Quelle des Ausgangs- Feldeffekttransistors, dessen Potential an das Potential an der Basis des Eingangstransistors angekoppelt ist (clamp-Effekt), gering und die Polarisationsspannung V_dd des Feldeffekttransistors kann konstruktionsbedingt auf ein Minimum reduziert werden ohne dadurch die Linearität und damit die dynamische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.

So kann man nicht nur den Polarisationsstrom des Ausgangs-Feldeffekttransistors reduzieren, sondern außerdem seine Polarisationsspannung und damit die abzuführende Leistung beträchtlich herabsetzen.

In anderen Worten, aufgrund der Erfindung wurde die Spannungsanpassung der klassischen Schaltung ersetzt durch eine Stromanpassung, wobei die Verstärkung der laufenden Ausgangsinformation in der Vorbehandlungsstufe eine Funktion des Parameters β des Eingangstransistors der Verarbeitungsstufe ist, der gleich dem Verhältnis zwischen seinem Kollektorstrom und seinem Basisstrom ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Realisierung des Ausgangs-Feldeffekttransistors in ihrer Geometrie und insbesondere in der Geometrie seines Tors an die Intensität des ihn durchfließenden Stromes angepaßt werden kann, um die Leistungsfähigkeit zu optimalisieren.

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß das Plättchen zur Vorbehandlung und das Verarbeitungsplättchen jeweils mehrere Ausgangsstufen und mehrere Eingangsstufen aufweisen können und als Folge davon beispielsweise jeweils mehrere Ausgangs- Feldeffekttransistoren und mehrere Eingangsverstärker mit niedriger Impedanz.

Das Plättchen zur Vorbehandlung kann ein Plättchen zur Vorbehandlung der Ausgangsströme eines Mosaiks von Empfangs-Fotodioden, beispielsweise im Infrarot-Bereich sein, die auf einem Empfangsplättchen angeordnet sind, das auf das Plättchen zur Vorbehandlung aufhybridisiert ist.

Die Erfindung wird besser verstanden mit Hilfe der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Verarbeitungseinheit gemäß der Erfindung und ihrer Funktion unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung als Blockschaltbild eine thermische Kamera zur Landschaftsanalyse in Realzeit nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der Verarbeitungseinheit nach der Erfindung;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Verarbeitungseinheit nach der Erfindung und

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform der Verarbeitungseinheit nach der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden in ihren Umfang nicht beschränkender Weise unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel einer eine Landschaftsanalyse in Echtzeit vornehmenden thermischen Bilderzeugungskamera beschrieben. Im folgenden sind nur die Elemente der Kamera beschrieben, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Bezüglich der weiteren Elemente wird zweckmäßigerweise auf den dokumentierten Stand der Technik Bezug genommen und zwar insbesondere auf die französischen Patentanmeldungen Nr. 25 91 349, 25 91 350, 25 91 409 und 25 99 529 der Anmelderin.

Im Inneren einer Tiefsttemperaturzelle 1, die ihre Kälteenergie von einem Kälteaggregat 2 beispielsweise auf der Basis von flüssigem Helium bezieht, sind hinter einem Fenster, das im vorliegenden Fall die Infrarotstrahlung durchläßt, wobei es selbst hinter der Optik der Kamera angeordnet ist, in der Brennebene dieser Optik zwei Plättchen 3 und 4 angeordnet, von denen das eine Plättchen 3 auf das andere Plättchen 4 aufhybridisiert ist. Das Plättchen 3 ist ein Detektorplättchen, welches ein Mosaik von Infrarot-Fotodioden, beispielsweise auf der Basis von HgCdTe, InSb, AsGa, enthält. Das Plättchen 4 enthält im vorliegenden Fall auf einem Siliciumsubstrat Vorbehandlungsschaltungen für die Ausgangsströme der Fotodioden des Plättchens 3, und zwar insbesondere einen Ausgangskreis 5. Der Ausgangskreis 5 ist mit einer Störkapazität 6 belastet und ist an einen Eingangskreis 7 eines Verarbeitungsplättchens 8 angeschlossen, dessen Ausgang an eine Erfassungskette angeschlossen ist.

Die Kamera, wie sie bis jetzt beschrieben ist, ist bekannt.

Gemäß Fig. 2 enthält der Ausgangskreis des Vorbehandlungsplättchens 4 einen einzigen Feldeffekt- Transistor 5, FET (MOS-FET oder J-FET) 5, dessen Quelle 9 durch die Störkapazität 6 belastet ist und parallel dazu durch einen Lastwiderstand 10, der außerhalb der Zelle 1 liegt. Die Senke 11 des Transistors 5 ist mit einer Polarisationsspannung V_dd beaufschlagt, und es fließt durch sie ein Polarisationsstrom I_p. Das Tor des Transistors 5 empfängt den Informationsstrom I_s, der von den Fotodioden herrührt, und es fließt durch die Quelle des Transistors ein Strom I_p + I_s. Der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens 8 ist im vorliegenden Fall ein Verstärker mit niedriger Eingangsimpedanz, der durch einen bipolaren Transistor 7 vom npn-Typ in üblicher Emitterschaltung gebildet ist. Die Basis B des Transistors 7 ist an die Quelle des Ausgangs-FET's 5 angeschlossen, sein Emitter E liegt an Masse und sein Kollektor C ist mit einer Polarisationsspannung V_c, vorzugsweise und tatsächlich der Polarisationsspannung V_dd beaufschlagt, und zwar unter Zwischenschaltung einer Last 12.

Der Transistor 5 ist, wie weiter unten noch erkenntlich wird, für einen geringen Polarisationsstrom I_p und eine geringe Polarisationsspannung V_dd ausgelegt. Der Strom I_p + I_s verläßt das Vorbehandlungsplättchen 4 unter hoher Impedanz, und die durch den Kryostat abgegebene Leistung wird beträchtlich herabgesetzt.

Da der Lastwiderstand 10 einen Strom I_p abzweigt, ist der Ausgangsstrom des Eingangstransistors 7, nämlich sein Kollektorstrom gleich dem Produkt von I_s mit dem Parameter β des Transistors.

Die Basis-Emitter-Diode des Eingangstransistors 7 ist direkt polarisiert. Sie besitzt damit im Hinblick auf die Strom-Spannungs-Kurve einer Diode eine sehr niedrige Impedanz und ihr Potential ist quasi fest. Es handelt sich dabei um das gleiche Potential wie das an der Quelle des Ausgangs-Feldeffekttransistors 5, das mit diesem Potential verknüpft ist (clamp-Effekt).

Bei einer ersten Variante ist, wie aus Fig. 3 zu ersehen, der Eingangstransistor 7 mit seinem Kollektor an den Emitter eines zweiten bipolaren npn-Transistors 13 angeschlossen, dessen Kollektor mit der Polarisationsspannung V_dd der Senke des Transistors 5 über einen Belastungswiderstand 14 beaufschlagt ist und dessen Basis außerdem mit dieser Spannung V_dd über eine Teilerbrücke 20 beaufschlagt ist. Es handelt sich um eine bipolare Schaltung vom Kaskode-Typ, welche einen besseren Durchlaßbereich besitzt aufgrund einer Reduzierung des durch die Gegenwart der Störkapazität zwischen Basis und Kollektor des Ausgangstransistors 13 bedingten Miller-Effektes.

Bei einer zweiten, in Fig. 4 dargestellten Variante besitzt der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens einen Transimpedanz-Verstärker 15, der mit seinem negativen Eingang 16 über einen Kondensator 17 zur Verhinderung des Gleichstromdurchgangs und einen in Serie geschalteten Widerstand 18 an die Quelle des Ausgangstransistors 5 angeschlossen ist, während der positive Eingang 19 des Verstärkers mit Masse verbunden ist und der Ausgang des Verstärkers über einen Gegenkopplungswiderstand 21 auf seinen negativen Eingang zurückgekoppelt ist. Der Vorteil des Transimpedanz-Verstärker besteht darin, daß er an seinem negativen Eingang eine sehr niedrige Impedanz aufweist. Diese Schaltung besitzt den Vorteil, daß mit ihr die Übertragungsfunktion des Interface-Kreises zwischen dem Plättchen zur Vorbehandlung und dem Verarbeitungsplättchen besser beherrscht wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausgangsimpedanz des gesamten Interface-Kreises groß sein soll, und zwar sowohl gegenüber der Eingangsimpedanz des Verstärkers 15 als auch gegenüber dem Eingangswiderstand 18.

Als Transimpedanz-Verstärker kann ein Verstärker mit der Handelsbezeichnung "Analog Devices" verwendet werden.

Die Realisierung des Ausgangs-Feldeffekttransistors 5, dessen Geometrie und insbesondere die Geometrie seines Tors von dem ihn durchfließenden Strom abhängen soll, wird im folgenden geoffenbart.

Die Abmessungen des Tors, also seine Länge L und seine Breite W sind mit dem Bildseitenverhältnis ("aspect ratio") A des Transistors durch die Formel:

verknüpft, daß man insbesondere auf der Grundlage der abzuführenden Leistung nach dem im folgenden dargestellten Verfahren bestimmt.

Da die Technologie zur Realisation des Transistors an sich bekannt ist, bestimmt man im Voraus die Polarisationsspannungen, nämlich im Falle eines bipolaren Eingangstransistors auf dem Verarbeitungsplättchen

V_dd, das Potential an der Senke des Ausgangstransistors 5,
V_g, das Ruhepotential am Tor des Ausgangstransistors 5,
V_t, die Schleusenspannung des Ausgangstransistors 5,
V_gs-V_t = V_e
V_dd-V_s = V_ds
V_dd-V_BE = V_ds

Hierbei ist V_s das Potential an der Quelle des Transistors 5 und damit das Potential V_B an der Basis des Eingangstransistors 7 und V_BE die bekannte Basis-Emitter-Spannung des Transistors 7, dessen Emitter auf Masse liegt und V_ds die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des Transistors 5.

Hieraus ergibt sich ein nicht gesättigter Funktionsbereich für die Übertragung aufgrund der Ungleichung

V_e < V_ds

wie man aufgrund des weiter unten geoffenbarten Beispiels sehen wird.

Man geht aus von einer maximal zulässigen vorgegebenen Leistung P.

Daraus leitet man den entsprechenden, durch den Ausgangstransistor 5 fließenden Strom I_p ab nach der Formel

Man bildet daraus das Bildseitenverhältnis A gemäß der Formel

mit R = 0,06/V und K′ = 130 µA/V².

Man ermittelt hieraus das Verhältnis W/L für das Tor des Ausgangstransistors mittels der Gleichung (1).

Man leitet außerdem die Transkonduktanz g_m des Ausgangs-Feldeffekttransistors 5 ab nach der Formel

mit q: Ladung des Elektrons
K: Boltzmann-Konstante
T: Temperatur in der Brennebene.

Hieraus leitet man die Ausgangsimpedanz R₀ des Feldeffekttransistors 5 ab, die gegeben ist durch die Impedanz 1/g_m und seinen parallel geschalteten Lastwiderstand R_L nach der Formel

Man ermittelt daraus den Durchlaßbereich des Ausgangs-Feldeffekttransistors gemäß der Formel

Δf = 1/τ

mit

τ = R_eq.C
C: Störkapazität
R_eq: Äquivalenzimpedanz zur Ausgangsimpedanz R₀ und der dazu parallelen Eingangsimpedanz R_e des bipolaren Transistors 7.

Wenn dieser Durchlaßbereich mit den festgesetzten Erfordernissen verträglich ist, erhält man die gesuchten Ausgangswerte, wenn nicht, d. h., wenn der Durchlaßbereich beispielsweise zu klein ist, vergrößert man die Ausgangsleistung P und beginnt die Rechnung erneut.

Informationshalber wird die Berechnung für einen Ausgangs-Feldeffekttransistor beschrieben mit einer bipolaren Eingangsschaltung, bevor sie mit der eines Ausgangstransistors gemäß einer klassischen Eingangsschaltung verglichen wird.
Bipolare Eingangsschaltung
- V_dd = 5 V
- V_g = 15 V
- V_t = 1,2 V
- V_s = V_BE = 0,7 V
- V_gs = V_g - V_s = 14,3 V
- V_e = V_gs - V_t = 13,1 V
- V_ds = V_dd - V_s = 4,3 V

Da die Spannung V_e = 13,1 V höher ist als die Spannung V_ds = 4,3 V ist der Feldeffekttransistor nicht gesättigt.
- P = 1,875 mW
aus der Gleichung (2) erhält man
I_p = 436 µA
aus der Gleichung (3) erhält man
A ≃ 1/8

Aus Gleichung (1) kann man die Geometrie für das Tor des Transistors 5 erhalten, nämlich

W/L = 10/66

Der Transistor 5 ist somit durch ein Tor gekennzeichnet, dessen Länge mehr als sechsmal so groß ist als seine Breite sowie durch eine Spannung V_ds = 4,3 V, einen Polarisationsstrom von 0,4 mA und arbeitet im nicht gesättigten Bereich.

Klassische Eingangsschaltung

V_dd = 15 V
V_g = 15 V
V_t = 1,2 V
V_s = 6 V
V_gs = 9 V
V_e = 7,8 V
V_ds = 9 V

Da die Spannung V_e = 7,8 V kleiner ist als die Spannung V_ds = 9 V ist der Feldeffekttransistor gesättigt.

P = 9,375 mW
aus der Gleichung (2) erhält man
I_p = 1042 µA
aus der Gleichung (3) erhält man
A ≃ 1/2,6

Aus der Gleichung (1) kann man die Geometrie des Transistor-Tors erhalten, nämlich

W/L = 10/23

Der Feldeffekttransistor der klassischen Schaltung ist damit durch eine Länge des Tores gekennzeichnet, die nur wenig mehr als doppelt so groß ist wie seine Breite, eine Spannung V_ds = 9 V und einen Polarisationsstrom von 1 mA und arbeitet im gesättigten Bereich.

Es wurde vorstehend ein Plättchen zur Vorbehandlung betrachtet, das eine einzige Ausgangsstufe mit einem einzigen Feldeffekttransistor aufweist. Die Erfindung erstreckt sich selbstverständlich auch auf ein Plättchen zur Vorbehandlung mit mehreren Ausgangsstufen und dazu mehreren Feldeffekttransistoren.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung eines Ausgangskreises (5) mit Störkapazität (6) eines in einer Tiefsttemperaturzelle (1) angeordneten Plättchens (4) zur Vorbehandlung von Signalen mit einem Eingangskreis (7) eines Verarbeitungsplättchens (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis (7) des Verarbeitungsplättchens (8) so eingerichtet wird, daß er eine niedrige Impedanz darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (5) des Plättchens (4) zur Vorbehandlung so eingerichtet wird, daß er eine hohe Impedanz aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Tiefsttemperaturzelle (1) angeordnete Plättchen (4) die Ausgangsströme eines Mosaiks von Empfangs- Fotodioden eines auf das Plättchen (4) zur Vorbehandlung aufhybridisierten Detektorplättchens (3) vorbehandelt.

4. Verarbeitungseinheit zur Durchführung des Verfahrens zur Verbindung nach Anspruch 1 mit einem Plättchen (4) zur Vorbehandlung von Signalen, das einen Ausgangskreis (5) mit Störkapazität (6) aufweist und in einer Tiefsttemperaturzelle (1) angeordnet ist und einem Verarbeitungsplättchen (8), das einen Eingangskreis (7) aufweist, der mit dem Ausgangskreis (5) des Plättchens (4) zur Vorbehandlung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis (7) des Verarbeitungsplättchens (8) eine niedrige Impedanz besitzt.

5. Verarbeitungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des Verarbeitungsplättchens (8) mindestens einen Verstärker (7; 15) mit niedriger Eingangsimpedanz aufweist.

6. Verarbeitungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Transimpedanz- Verstärker (15) ist.

7. Verarbeitungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein bipolarer Transistor in üblicher Emitterschaltung ist.

8. Verarbeitungszeit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor (7) mit einem zweiten bipolaren Transistor zur Bildung einer Kaskodeschaltung verbunden ist.

9. Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis (7) des Plättchens (4) zur Vorbehandlung eine hohe Ausgangsimpedanz besitzt.

10. Verarbeitungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis des Plättchens (4) zur Vorbehandlung mindestens einen Feldeffekttransistor (5) mit hoher Ausgangsimpedanz aufweist, der mit seiner Quelle (9) an den Eingangskreis (7) des Verarbeitungsplättchens (8) angeschlossen ist.

11. Verarbeitungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (9) des Feldeffekttransistors (5) mit einem Widerstand (10) belastet ist, der außerhalb der Tiefsttemperaturzelle (1) angeordnet ist.

12. Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (4) zur Vorbehandlung mehrere Ausgangsstufen aufweist, von denen jede einen Feldeffekttransistor mit hoher Ausgangsimpedanz enthält.

13. Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plättchen (3) mit einem Mosaik aus Empfangs- Fotodioden auf das Plättchen (4) zur Vorbehandlung aufhybridisiert ist.