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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Verfahren
von und System zur Erfassung von Fingerabdruckbildern und spezieller
auf ein Verfahren von und ein System zur Kompensierung eines Injektionsgradienten
bzw. Einkoppelungsgradienten in einer kapazitiven Fingerabdruck-Abtast-Schaltanordnung.
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Die
Fingerabdruck-Erkennung wurde zur Anwendung in vielen Sicherheitsanwendungen
vorgeschlagen, wie z. B. das Steuern des Zugangs zu Gebäuden, Zugriff
auf Computer oder dergleichen. Fingerabdruck-Erkennungssysteme ermöglichen
es einem Nutzer, auf die gesteuerte Einrichtung zuzugreifen, und
zwar ohne eine Vorrichtung bereitstellen zu müssen, wie z. B. ein Tastaturpad
oder einen Kartenleser, und ohne dass sich der Nutzer an ein Passwort oder
eine andere Personen-Identifikationsnummer erinnern muss oder einen
Kartenschlüssel
bei sich tragen muss.
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Ein
wichtiges Element eines Fingerabdruck-Erkennungssystems ist eine
Abtastvorrichtung. Ein Beispiel einer Abtastvorrichtung ist der TouchChip-(TM)-Silizium-Fingerabdrucksensor,
welcher von STMicroelectronics, Inc. zur Verfügung gestellt wird. Der TouchChip
verwendet eine aktive Pixelanordnung, die auf einer kapazitiven
Rückkopplungsabtastschaltung
basiert. Die Anordnung weist 360 Zeilen und 256 Spalten von Zellen
auf, die Pixel repräsentieren.
Jede Pixelzelle beinhaltet einen Verstärker mit hoher Verstärkung, der
an zwei angrenzende obere Metallplatten angeschlossen ist, die von der
Hautoberfläche
durch eine ultraharte schützende Beschichtung
getrennt ist. Der Verstärkereingang
ist an eine der oberen Metallplatten angeschlossen und der Inverterausgang
ist an die andere obere Metallplatte angeschlossen. Die Zellen stellen
einen Ladungsintegrator bereit, dessen Rückkopplungskapazität die effektive
Kapazität
zwischen den zwei oberen Metallplatten ist.
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Wenn
ein Finger auf dem Sensor platziert wird, agiert die Oberfläche der
Haut über
einer Pixelzelle als eine dritte Platte, die von den zwei angrenzenden
Platten durch eine dielektrische Schicht getrennt ist, die aus Luft
zusammengesetzt ist. Da Fingerabdruck-Täler
weiter von der Sensoroberfläche entfernt
sind als Fingerabdruck-Grate, werden die Pixelzellen unterhalb von
Tälern
einen größeren Abstand
zwischen ihren oberen Metallplatten und der Hautoberfläche aufweisen
als die Pixelzellen unter Graten. Die Dicke der dielektrischen Schicht
moduliert die kapazitive Kopplung zwischen den oberen Metallplatten
der Pixelzellen so, dass die oberen Metallplatten unter Tälern unterschiedlich
effektive Kapazitäten
aufweisen als die oberen Platten unter Graten.
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Die
EP 0 790 479 würdigt z.
B. einen kapazitiven Distanzsensor besonders für die Erfassung von Fingerabdrücken.
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Die
Pixelzellen arbeiten in drei Phasen. Die erste Phase ist ein RESET
bzw. eine Rückstellung,
in welchem der Eingang und Ausgang des Ladungsintegrators Pixelzellen
durch einen CMOS-Rückstelltransistor
zurückstellen,
der durch ein Rückstellsignal angetrieben
wird. Die zweite Phase löst
die Verbindung der Ausgangs- und Eingangsplatten, indem der Rückstelltransistorschalter
auf Masse aktiviert bzw. gelegt wird, wobei die Kanalladung in sowohl
den Eingangs- als auch Ausgangsplatten eingekoppelt wird. Während der
dritten Phase wird eine feste Ladung an dem Ladungsintegratoreingang
angelegt, welcher eine Ausgangsspannungsschwingung verursacht, die
invers proportional zu der Rückkopplungskapazität ist, welche
die effektive Kapazität
zwischen den oberen Metallplatten ist. Da die Distanz zwischen der
Haut und der Pixelzellen die effektive Rückkopplungskapazität des Ladungsintegrators ändert, wird der
Ausgang der Pixelzellen unter Graten unterschiedlich von dem Ausgang
der Pixelzellen unter Tälern
sein.
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Kehrt
man zu dem Konzept der Einkopplung zurück, so gibt es, wenn der Rückstelltransistor
aktiv oder an ist, einen Leitungspfadkanal, der sich von der Source
zu der Drain des Rückstelltransistors
erstreckt. Wenn die Gatespannung abnimmt, um den Rückstelltransistor
auszuschalten, werden bewegliche Träger von dem Kanal durch sowohl
die Source- als auch die Drainenden abgeleitet. Der Umfang der Kanalladung,
der in den Eingang eingekoppelt ist, verschiebt bzw. versetzt den
Ausgang des Ladungsintegrators, der den Hintergrund des Bildes modifiziert.
Der Umfang der Ladungseinkopplung hängt von verschiedenen Faktoren
ab. Diese Faktoren schließen
die Steigung bzw. das Abfallen des Signals, das an das Gate angelegt
ist, das Eingangs/Ausgangs-Kapazitätsverhältnis und
die Größe des Rückstelltransistors
selbst ein.
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Das
Rückstellsignal
wird durch einen gemeinsamen bzw. gewöhnlichen Puffer getrieben,
der oben auf dem Array angeordnet ist. Während die Distanz zwischen
dem gemeinsamen bzw. gewöhnlichen
Puffer und der lokalen Pixelzelle ansteigt, wird die Steigung bzw.
das Abfallen des Resetsignals auf Grund der RC-Last der Leitung
geringer. Die Änderung
in der Steigung bzw. in dem Abfallen des Rückstellsignals über die
Länge der
Leitung verursacht verschiedene Ladungseinkopplungen, während die Distanz
von dem Ausgang zu dem Puffer ansteigt. Am oberen Ende der Anordnung,
nahe des Rückstellpuffers
bringt der Umfang der Ladung, die eingekoppelt ist, das Pixel zu
seinem maximalen Sättigungsniveau,
das ein sehr dunkles Bild gibt. Nahe dem unteren Ende der Anordnung
nimmt der Umfang der eingekoppelten Ladung ab, die das Bild heller
macht. Das hellere Bild nahe dem unteren Ende der Anordnung kann
bewirken, dass gewisse Fingerabdruck-Merkmale weniger leicht unterscheidbar
sind, das dadurch zu einer inakkuraten Fingerabdruck-Erkennung führt. Das
Injektionsgradientenproblem bzw. Einkopplungsgradientenproblem ist
besonders akut bei großen
Anordnungen, wo die Distanz von dem Rückstellpuffer zu dem unteren
Ende der Anordnung signifikant ist.
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Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fingerabdrucksensor
bereitgestellt, welcher eine Vielzahl von kapazitiven Pixelzellen
aufweist, wobei jede der kapazitiven Pixelzellen ein Paar Metallplatten
und eine Drain einschließt, die
an die andere der Metallplatten angeschlossen ist, und einen Rückstellpuffer
aufweist, der einen Ausgang zum Bereitstellen eines Rückstellsignals
zu der Vielzahl der kapazitiven Pixelzellen aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass jede kapazitive Pixelzelle bzw. Bildelementzelle einen Inverter
mit einem Eingang, der an den Ausgang des Rückstellpuffers angeschlossen
ist, und einem Ausgang, der an das Gate des Rückstelltransistors angeschlossen
ist, aufweist.
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Entsprechend
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Erfassung eines Bildes eines Fingerabdrucks bereitgestellt,
welches die Schritte aufweist, mehrere kapazitive Pixelzellen bzw.
Bildelementzellen werden bereitgestellt, wobei jede der kapazitiven
Pixelzellen bzw. Bildelementzellen ein Paar Metallplatten und einen
Rückstelltransistor
aufweist, wobei der Rückstelltransistor
ein Gate, eine Source, die an eine der Metallplatten angeschlossen
ist, und eine Drain einschließt,
die an die andere der Metallplatten angeschlossen ist; und ein Rückstellsignal
wird für
die mehreren kapazitiven Pixelzellen bzw. Bildelementzellen mit
Hilfe eines Rückstellpuffers
bereitgestellt bzw. erzeugt, gekennzeichnet durch den Schritt, das
Rückstellsignal
wird wieder erzeugt bzw. regeneriert, um den Rückstelltransistor von jeder
der kapazitiven Pixelzellen bzw. Bildelementzellen zurückzustellen,
indem jede kapazitive Pixelzelle bzw. Bildelementzelle aufweist,
einen Inverter bzw. Wandler, der einen Eingang, der an einen Ausgang
des Rückstellpuffers
angeschlossen ist, und einen Ausgang hat, der an das Gate des Rückstelltransistors
angeschlossen ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen kapazitiven Fingerabdrucksensor
und ein Verfahren zur Erfassung eines Fingerabdrucks bereit, der
bzw. das einen Injektionsgradienten bzw. Einkupplungsgradienten
kompensiert. Der Fingerabdrucksensor der vorliegenden Erfindung
schließt
eine Anordnung ein, die eine Vielzahl von kapazitiven Pixelzellen
bzw. Bildelementzellen aufweist. Jede der kapazitiven Pixelzellen
bzw. Bildelementzellen schließt
ein Paar Metallplatten, einen Ladungsintegrator und einen Rückstelltransistor
unter anderen Dingen ein. Die Source des Rückstelltransistors ist an eine
der Metallplatten angeschlossen und seine Drain ist an die andere
der Metallplatten angeschlossen. Der Fingerabdrucksensor der vorliegenden
Erfindung schließt
eine Vielzahl von Rückstellsignal-Regeneratoren
ein, wobei es zumindest einen Regenerator gibt, der mit jeder kapazitiven
Pixelzelle bzw. Bildelementzelle verbunden ist. Der Regenerator
schließt
einen Inverter bzw. Wandler ein. Jeder lokale Inverter bzw. Wandler
empfängt den
Eingang von der globalen Rückstellleitung,
die durch den gemeinsamen bzw. gewöhnlichen Puffer angetrieben
wird und erzeugt wieder bzw. regeneriert die Steigung bzw. das Abfallen
des Rückstellsignals, das
direkt den CMOS-Schalter steuert. Der Fingerabdrucksensor der vorliegenden
Erfindung schließt
einen gemeinsamen bzw. gewöhnli chen
Rückstellpuffer
zur Erzeugung bzw. Bereitstellung eines Rückstellsignals ein. Der Rückstellpuffer
schließt
einen Ausgang ein, der durch eine gemeinsame Leitung an den Eingang
von jedem lokalen Inverter bzw. Wandler angeschlossen ist. Wenn
der Rückstellpuffer
ein Rückstellsignal
erzeugt bzw. bereitstellt, regeneriert jeder Inverter die Rückstellsignalsteigung
bzw. das Rückstellsignalabfallen
an jedem Rückstelltransistor von
jeder kapazitiven Pixelzelle, wobei dadurch die Rückstellsignalsteigung
bzw. das Rückstellsignalabfallen
und so die Injektion bzw. Einkopplung abgeglichen bzw. gleich gemacht
wird, und zwar für
jede Pixelzelle bzw. Bildelementzelle. Dies kompensiert deshalb
einen Einkopplungsgradienten bzw. Injektionsgradienten entlang der
Spalte der Anordnung der kapazitiven Pixelzellen bzw. Bildelementzellen.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand von Beispielen und mit Bezug auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Fingerabdruck-Detektionssystems entsprechen
der vorliegenden Erfindung;
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2 veranschaulicht
die physikalische Struktur und den elektrischen Betrieb der individuellen
kapazitiven Pixelzellen entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Blockdiagramm einer Spalte einer Anordnung von kapazitiven Pixelzellen
bzw. Bildelementzellen entsprechend dem Stand der Technik.
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4 ist
ein Blockdiagramm einer Spalte einer Anordnung von kapazitiven Pixelzellen
bzw. Bildelementzellen mit Einkopplungsgradientenkompensation bzw.
Injektionsgradientenkompensation entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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Bezieht
man sich nun auf die Zeichnungen und zuerst auf 1,
so wird ein Fingerabdruck-Detektor entsprechend der vorliegenden
Erfindung im Allgemeinen durch die Zahl 11 bezeichnet.
Der Fingerabdruck-Detektor 11 schließt eine Sensoranordnung 13 und
einen geeigneten Ausgang ein, der im Allgemeinen mit 15 angezeigt
ist. Wie es im Detail hiernach erklärt ist, weist die Sensoranordnung
eine rechteckige Anordnung von einer Vielzahl von kapazitiven Pixelzellen
bzw. Bildelementzellen auf, die in Zeilen und Spalten angeordnet
sind. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die kapazitiven Pixelzellen bzw. Bildelemente in einem Abstand
von ungefähr
50 μm, welcher
einer Auflösung
von ungefähr
508 dpi entspricht. Wie es in 1 gezeigt
ist, weist die Sensoranordnung eine Größe auf bzw. ist abgemessen, um
ein Bild eines Fingerabdrucks eines Fingers 17 zu erfassen,
der darauf platziert ist. Die Sensoranordnung 13 ist vorzugsweise
auf einem einzelnen Halbleiterchip hergestellt.
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Bezieht
man sich nun auf 2, so ist dort die Struktur
und der Betrieb einer kapazitiven Pixelzelle bzw. Bildelementzelle 19 entsprechend
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Jede Zelle 19 schließt eine
erste Leiterplatte 21 und eine zweite Leiterplatte 23 ein,
die von einem Halbleitersubstrat getragen werden, welches vorzugsweise
ein herkömmliches
Siliziumsubstrat ist, das eine herkömmliche flache epitaxiale Schicht
aufweisen kann, die einen oberen Oberflächenbereich darauf definiert.
Die obere Oberfläche
des Substrats schließt
eine isolierende Schicht bzw. Isolationsschicht 25 ein.
Die isolierende Schicht bzw. Isolationsschicht 25 ist vorzugsweise
eine Oxidschicht, welche eine herkömmlich thermisch gewachsene
Siliziumdioxidschicht sein kann. Die Leiterplatten 21 und 23 werden
durch eine schützende
Beschichtung bzw. einen schützenden Überzug 27 eines
harten Materials abgedeckt, welche die Zelle 19 vor dem
Nass werden bzw. vor Feuchtigkeit, Kontamination, Abnutzung bzw.
Abrasion und elektrostatischer Entladung schützt.
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Jede
Zelle 19 schließt
einen invertierenden Verstärker 29 mit
einem hohen Gewinn bzw. einer hohen Verstärkung ein. Der Eingang des
invertierenden Verstärkers 29 ist
an eine Referenzspannungsquelle bzw. Bezugsspannungsquelle VREF durch bzw. über einen Eingangskondensator 31 angeschlossen.
Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 29 ist an einen
Ausgang VOUT angeschlossen. Der Eingang
des invertierenden Verstärkers 29 ist
ferner an die Leiterplatte 21 angeschlossen und der Ausgang
des invertierenden Verstärkers 29 ist
an die Leiterplatte 23 angeschlossen, wobei dadurch ein
Ladungsintegrator erzeugt bzw. bereitgestellt wird, dessen Rückkopplungskapazität die effektive
Kapazität
zwischen den Leiterplatten 21 und 23 ist.
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Wenn
ein Finger 33 auf die Fläche bzw. Oberfläche der
schützenden
Beschichtung bzw. des schützenden Überzuges 27 platziert
wird, agiert die Oberfläche
der Haut über
jeder Zelle 19 als eine dritte Kondensatorplatte, die von
den angrenzenden Leiterplatten 21 und 23 durch
eine dielektrische Schicht getrennt ist, die die schützende Beschichtung
bzw. den schützenden Überzug 27 und
eine variable Luftdicke einschließt. Da die Fingerabdruck-Täler 35 weiter
von den Leiterplatten 21 und 23 entfernt sind
als die Fingerabdruck-Grate 37, werden die Zellen 19 unterhalb
der Täler 35 eine
andere effektive Kapazität
zwischen ihren Leiterplatten 21 und 23 und der Hautoberfläche aufweisen
als die Zellen unter den Graten 37. Die Dicke dieser dielektrischen
Schicht wird die Kapazität
modulieren, die zwischen den Platten 21 und 23 von
jeder Zelle 19 gekoppelt ist. Dementsprechend werden die
Zellen 19 unter Tälern 35 eine
andere effektive Kapazität
aufweisen als die Zellen 19 unter den Graten 37.
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Die
Zellen arbeiten in drei Phasen. Während der ersten Phase wird
der Ladungsintegrator mit einem Schalter 39 zurückgestellt,
indem der Eingang und Ausgang des invertierenden Verstärkers 29 kurzgeschlossen
werden. Vorzugsweise ist der Schalter 39 ein Rückstelltransistor
mit einer Source, die an den Eingang des invertierenden Verstärkers 29 angeschlossen
ist und einer Drain, die an den des Ausgang angeschlossen ist. Der
Eingang und Ausgang werden kurzgeschlossen, indem eine Rückstellspannung
an dem Gate eines Rückstelltransistors
angelegt wird. Die zweite Phase löst die Verbindung des Ausgangs
und Eingangs, indem der Schalter 39 geöffnet wird, indem das Gate
des Rückstelltransistors auf
Masse bzw. Erde gelegt wird. Das Anlegen der Masse bzw. Erde an
das Gate des Rückstelltransistors
verursacht ein Phänomen,
das Injektion bzw. Einkopplung genannt wird, in welchem Ladungen
in sowohl den Eingangs- als auch Ausgangsplatten eingekoppelt werden.
Während
der dritten Phase wird eine feste Ladung an den Ladungsintegratoreingang angelegt,
welches eine Ausgangsspannungsschwingung verursacht, die invers
proportional zu der Rückkopplungskapazität ist, welche
die effektive Kapazität zwischen
den Leiterplatten 21 und 23 ist. Für eine feste
Menge der Eingangsladung wird der Ausgang des invertierenden Verstärkers 19 zwischen
zwei Extremen liegen, die von der Ladungsinjektion bzw. Ladungseinkopplung
und dem effektiven Rückkopplungskapazitätswert abhängen. Das
erste Extrem ist ein gesättigtes
Spannungsniveau, falls die effektive Rückkopplungskapazität sehr klein
ist. Das zweite Extrem ist eine Spannung, die nahe bei dem logischen
Schwellenwert ist, welcher kleiner als der Rückstellwert ist, wenn die effektive
Rückkopplungskapazität groß ist.
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Während der
ersten Phase, wenn der Rückstelltransistor
des Schalters 39 aktiv oder an ist, gibt es einen Leitungspfadkanal,
der sich von der Source zu der Drain des Rückstelltransistors erstreckt.
Während
der zweiten Phase, wenn die Gatespannung des Rückstelltransistors abnimmt,
werden bewegliche Träger
von dem Kanal durch sowohl die Source- als auch Drainenden abgeleitet.
Der Prozentsatz bzw. das Verhältnis
von Kanalladung, die in den Eingang eingekoppelt ist, mit Bezug
zu der Gesamtkanalladung hängt
von mehreren Faktoren ab. Diese Faktoren schließen die Steigung bzw. das Abfallen des
Signals, das an dem Gate anliegt, das Eingangs/Ausgangs-Kapazitätsverhältnis und
die Größe des Rückstelltransistors
selbst ein. Diese Ladung, die an dem Eingang des Pixelladungsintegrators
eingekoppelt wurde, überlappt
das Eingangssignal und modifiziert den Ausgang der Pixelzellen bzw.
Bildelementzellen.
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Bezieht
man sich nun auf 3, ist dort eine Spalte einer
Sensoranordnung vom Stand der Technik gezeigt. Das Rückstellsignal
wird durch einen Rückstellpuffer 41 getrieben,
der an der Spitze bzw. am oberen Ende der Anordnung angebracht ist.
Da die Distanz von dem Ausgang des Rückstellpuffers zu einem Rückstelltransistor 40 ansteigt,
wird die Steigung bzw. das Abfallen des Rückstellsignals auf Grund der
RC-Last der Leitung geringer. Die Ladung in der Steigung bzw. dem
Abfallen des Rückstellsignals über die
Länge der
Leitung verursacht weniger Ladungseinkopplung, während die Distanz von dem Ausgang
des Puffers ansteigt. An der Spitze bzw. am oberen Ende der Anordnung,
nahe des Rückstellpuffers,
bringt die Ladungsmenge, die eingekoppelt wurde, das Pixel auf sein
maximal gesättigtes
Niveau, das ein sehr dunkles Bild ergibt. Nahe an dem unteren Ende
der Anordnung fällt
die Menge der eingekoppelten Ladung, die das Bild heller macht.
Das hellere Bild in der Nähe
des unteren Endes der Anordnung kann bewirken, dass gewisse Fingerabdruck-Merkmale
weniger leicht unterscheidbar sind, das dadurch zu einer inakkuraten
Fingerabdruck-Erkennung führt.
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Bezieht
man sich nun auf 4, so ist dort eine Spalte einer
Sensoranordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Spalte der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen ähnlich zu der
Spalte von 3, und zwar mit gleichen Bezugszeichen,
die bei gleichen Elementen angewendet sind. Die Spalte der vorliegenden
Erfindung schließt jedoch
Mittel zur Regeneration bzw. Wiedererzeugung der Rückstellsignalsteigung
bzw. des Rückstellsignalabfallens
an dem Rückstelltransistor 40 von
jeder Zelle 19 ein. In der veranschaulichten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Regenerationsmittel bzw. Wiedererzeugungsmittel
einen Inverter 43 auf, der mit jedem Rückstelltransistor 40 verbunden
ist. Wenn das Rückstellsignal
von dem Rückstellpuffer 41 an
den Eingang eines Inverters 43 angelegt wird, wird ein
invertiertes Rückstellsignal
an das Gate des Rückstelltransistors 40 angelegt.
Die Steigung bzw. das Abfallen des invertierten Rückstellsignals,
das an jedem Rückstellgate 40 angewendet
wird, wird dieselbe bzw. dasselbe sein, sogar wenn die Steigung
bzw. das Abfallen des Rückstellsignals,
das an jedem Inverter 43 empfangen wurde, unterschiedlich
sein wird. Somit wird die Ladung, die an jeder Zelle 19 eingekoppelt
wurde, dieselbe sein. Dementsprechend ist die Anordnung der vorliegenden
Erfindung nicht dem Injektionsgradientenproblem bzw. Einkopplungsgradientenproblem
vom Stand der Technik unterworfen.
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Die
Fachleute werden erkennen, dass geschätzte Entwurfsschritte genommen
werden müssen,
um die Inversion des Rückstellsignals
am Inverter 43 zu berücksichtigen.
Wenn das Rückstellsignal aktiviert
bzw. bereitgestellt ist, muss es bewirken, dass der Rückstelltransistor 40 leitet.
Eine Lösung
ist, zwei Inverter 43 in Serie zu dem Gate von jedem Rückstelltransistor 40 zu
verbinden, falls es zur Verfügung
stehenden Platz gibt. Alternative Lösungen schließen das
Verwenden eines Einzelinverters bzw. einzelnen Inverters 43 mit
einem invertierten Rückstellsignal
oder mit einem p-Kanal-Rückstelltransistor 40 ein.
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Die
vorliegende Erfindung wurde beschrieben und veranschaulicht mit
Bezug auf eine gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsform.
Die Fachleute, denen der Nutzen der vorangehenden Offenbarung gegeben
ist, werden alternative Ausführungsformen erkennen.
Dementsprechend ist die vorangehende Offenbarung zum Zwecke der
Illustration und nicht der Begrenzung gedacht.