DE60318180T2

DE60318180T2 - Integrierte schaltung mit niedriger stromaufnahme zur verwendung mit einem fotodetektor und optischer sensor mit einer solchen integrierten schaltung

Info

Publication number: DE60318180T2
Application number: DE60318180T
Authority: DE
Inventors: James Harold Lauffenburger; Kevin Scott Buescher
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: US20030150979A1; TWI287818B; AU2003205642A1; WO2003069287A1; DE60318180D1; TW200307970A; EP1476734A1; EP1476734B1; US6849845B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf optische Sensoren und insbesondere auf eine Integratorschaltung und ein Verfahren zum Umsetzen eines photoerzeugten Eingangsstroms in ein Ausgangsspannungssignal.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Sensoren werden in einer großen Anzahl von Anwendungen verwendet, z. B. in Abtast- und Digitalisierungssystemen, optischen Zeigevorrichtungen und Abbildungsvorrichtungen. Optische Sensoren arbeiten im Allgemeinen durch das Erfassen elektromagnetischer Strahlung und das Erzeugen eines elektrischen Signals, das der Intensität der elektromagnetischen Strahlung entspricht, die auf den optischen Sensor einfällt. Im Allgemeinen werden mehrere optische Sensoren verwendet, wobei sie oft in Gruppen geometrisch angeordnet sind, wobei jeder einzelne optische Sensor einem jeweiligen Bildpunkt der Gruppe entspricht.
Jeder optische Sensor umfasst typischerweise einen Photodetektor oder eine Photodetektions-Vorrichtung, z. B. eine Photodiode oder einen Phototransistor, um die elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umzusetzen. Ein spezifischer Typ des optischen Sensors enthält ferner eine Integratorschaltung, die der Photodetektions-Vorrichtung zugeordnet ist. In einem derartigen Typ des optischen Sensors erzeugt der Photodetektor einen Photostrom, dessen Wert eine Funktion der elektromagnetischen Energie ist, die auf den Photodetektor einfällt, wobei dieser Photostrom durch die Integratorschaltung über die Zeit integriert wird, d. h. umgesetzt wird, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen.
Es sind bereits optische Sensoren bekannt, die eine passive Integratorschaltung enthalten. In einem derartigen passiven optischen Sensor sind die als der Photodetektor verwendete Photodiode (ebenso wie ihre zugeordnete Sperrschichtkapazität und die mit ihr verbundene parasitäre Kapazität) anfangs auf eine hohe Sperrspannung vorgespannt. Die Photodiode erzeugt einen Photostrom, der die Kapazität entlädt und dadurch eine Abnahme der Spannung verursacht. Die Ausgangsspannung für diesen Typ des optischen Sensors ist im Allgemeinen in Bezug auf die integrierte Ladung nichtlinear, weil die Diodenkapazität eine Funktion der Diodenspannung ist. Ein weiterer Nachteil des obigen passiven optischen Sensors liegt in der Tatsache, dass die integrierende Kapazität (die in diesem Fall durch die Kapazität der Photodiode und die parasitäre Kapazität definiert ist) in erster Linie durch die Größe der Photodiode bestimmt ist. Demgemäß kann die Empfindlichkeit nicht vergrößert werden, indem die Größe der Photodiode vergrößert wird, weil die Kapazität etwa proportional zunimmt.
Es sind außerdem aktive optische Sensoren bekannt, die einen Photodetektor (typischerweise eine Photodiode) umfassen, der an eine aktive Integratorschaltung gekoppelt ist, die im Wesentlichen einen Operationsverstärker, der einen an eine Referenzspannung gekoppelten nichtinvertierten Eingang, einen an die Photodiode gekoppelten invertierenden Eingang und einen Ausgang besitzt, und einen integrierenden Kondensator, der über den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist, umfasst.
Ein verbesserter optischer Sensor und eine verbesserte Integratorschaltung werden im US-Patent Nr. 6.031.217 vorgeschlagen. Gemäß diesem Patent umfasst der optische Sensor einen Photodetektor (vorzugsweise eine Photodiode), der eine Ausgabe besitzt, die proportional zur Intensität der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist, und eine aktive Integratorschaltung, die mit dem Ausgang des Photodetektors gekoppelt ist, um die Ausgabe des Photodetektors über die Zeit zu integrieren, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Diese Integratorschaltung umfasst im Wesentlichen einen Operationsverstärker, der einen nichtinvertierten Eingang, der an eine Referenzspannung gekoppelt ist, einen invertierenden Eingang und einen Ausgang besitzt, wobei der Photodetektor an den invertierenden Eingang des Verstärkers und an die Referenzspannung gekoppelt ist. Die Integratorschaltung umfasst ferner eine Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung, d. h. einen Kondensator, die über den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist, um ein akkumuliertes elektrisches Signal vom Photodetektor zu speichern. Es ist ferner eine Umschalt-Schaltung vorgesehen, um die aktive Integratorschaltung zeitlich zu steuern.
Gemäß dem obigen Patent wird die Integratorschaltung in einer derartigen Weise betrieben, um eine Photodiode auf einem Pegel nahe bei Null vorgespannt zu halten und dadurch alle zugeordneten Dunkelströme zu verringern. Indem der Ausgang der Integratorschaltung vor dem Beginn jedes Integrationszyklus auf etwa Null reinitialisiert wird, liegt die Ausgabe des Dunkelpegels der Schaltung ausreichend nah bei Masse, so dass normalerweise die Wiederherstellung der Grundlinie des Dunkelpegels nicht erforderlich ist. Das Ergebnis ist eine niedrigere Variation des Dunkelpegels von Bildpunkt zu Bildpunkt und außerdem eine Verringerung der Dunkelstrom-Fehler bei erhöhten Temperaturen. Außerdem können in Situationen mit variablen Temperaturen im Vergleich zu vergleichbaren Techniken unter Verwendung von Photodioden, in denen eine Vorspannung in Sperrrichtung anliegt, die Dunkelpegel-Ströme verringert und die Empfindlichkeit vergrößert werden.
Wie oben erwähnt worden ist, wird vor dem Beginn jedes Integrationszyklus der Ausgang der Integratorschaltung auf etwa Null reinitialisiert. Die Spannung über dem integrierenden Kondensator ist deshalb während der Reinitialisierung Null, d. h. unter der Schwellenspannung eines Standard-MOS-Transistors. Demgemäß liegt ein Nachteil der im US-Patent Nr. 6.031.217 offenbarten Lösung in der Tatsache, dass es nicht möglich ist, den integrierenden Kondensator als einen Standard-MOS-Transistor zu verwirklichen, d. h. einen Transistor, dessen Source- und Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Deshalb müssen Poly- oder Metallschichten verwendet werden, die sehr flächenineffizient sind.
Das Aufrechterhalten einer Vorspannung von Null über der Photodiode besitzt in der Tat den Vorteil der Verringerung aller zugeordneten Dunkelströme, wie in dem obigen Patent beschrieben ist. Die Photodiode "benötigt" jedoch eine große Sperrspannung über sich, damit sie bei ihrer Sammlung des photonen-erzeugten Stroms schnell und effizient ist. Für Anwendungen, die eine kurze Ansprechzeit und einen hohen Sammelwirkungsgrad benötigen, ist deshalb die im US-Patent Nr. 6.031.217 vorgeschlagene Lösung nicht angemessen.
Ein weiterer Nachteil der obigen Lösung liegt in der Tatsache, dass der optische Sensor zwei separate Steuerleitungen erfordert (die im US-Patent Nr. 6.031.217 als OSZERO und RUN bezeichnet sind), um den Operationsverstärker auf Null einzustellen und um die Integratorschaltung zeitlich zu steuern. Es ist im Allgemeinen bevorzugt, die Anzahl der externen Leitungen auf einem Minimum zu halten, um die Anzahl der Verbindungen zu jedem optischen Sensor zu verringern, die unvermeidlich Fläche auf dem Chip erfordern.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor, der einen Photodetektor umfasst, und eine Integratorschaltung, die es möglich macht, eine Standard-MOS-Komponente als den integrierenden Kondensator zu verwenden, um dadurch zusätzliche Prozessschritte, wie z. B. die Ausbildung einer zweiten Poly- oder Metallschicht, zu vermeiden und die Chip-Fläche in einer effizienteren Weise zu verwenden, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu schaffen, die es erlaubt, eine relativ große Sperrspannung über einer Photodiode aufrechtzuerhalten, um eine schnelle und effiziente Sammlung der photonen-erzeugten Ladungen sicherzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anzahl der externen Verbindungen des optischen Sensors zu minimieren, um die Verschwendung von Fläche in Anwendungen zu vermeiden, die mehrere optische Sensoren erfordern, wie z. B. im Fall optischer Abtast-Gruppen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor zu schaffen, der bei niedrigen Spannungen betrieben werden kann und der eine niedrige Verlustleistung zeigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu schaffen, die mehrere andere Anforderungen und Beschränkungen erfüllt, wie z. B. unter anderem einen großen Ausgangssignalhub, einen hohen Integrationsgewinn, einen hohen Verstärkungsfaktor in beiden Betriebsarten (Integration/Betrieb und Reinitialisierung) für die genaue Reinitialisierung und Integration, eine Verstärkerstabilität, eine niedrige Ausgangsimpedanz, um die folgenden Signalverarbeitungsstufen anzusteuern, derartige Ausgangssignalpegel, damit Einzel-Durchgangstransistor-Schalter in den folgenden Signalblöcken verwendet werden können, eine minimale parasitäre Kapazität am Photodiodeneingang und ein flächeneffizientes Layout.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Integratorschaltung zur Verwendung mit einem Photodetektor mit einem Ausgang, der ein elektrisches Signal ausgibt, das proportional zu der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist, geschaffen, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optischer Sensor zum Erzeugen eines elektrischen Signals als Antwort auf elektromagnetische Strahlung geschaffen, wie er im Anspruch 6 definiert ist.
Gemäß der Erfindung enthält die Integratorschaltung eine Endstufe, die einen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbundenen Gate-Anschluss und einen mit dem ersten Anschluss der Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung verbundenen Ausgangsanschluss umfasst, wobei die Umschalt-Schaltung umfasst:
eine erste Umschaltvorrichtung, um den Gate-Anschluss der Endstufe während der Reinitialisierungsphase an den invertierenden Eingang anzuschließen, und um den Gate-Anschluss der Endstufe während der Integrationsphase von dem invertierenden Eingang zu trennen; und
eine zweite Umschaltvorrichtung, um den Ausgangsanschluss der Endstufe während der Reinitialisierungsphase auf das Referenzpotential zu bringen, und um den Ausgangsanschluss der Endstufe während der Integrationsphase von dem Referenzpotential zu trennen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung, die es erlaubt, dass Photodetektoren mit einer großen Lichterfassungsfähigkeit (ungeachtet der folglich großen Kapazität der Photodiode) verwendet werden. Falls der Photodetektor eine Photodiode ist, erlaubt die Erfindung ferner, dass eine große Vorspannung über der Photodiode angelegt wird, damit sie bei ihrer Sammlung des photonen-erzeugten Stroms schnell und effizient ist, ohne dass dies zu Beschränkungen der Niederspannungsversorgung führt, die verwendet werden kann, um die Schaltung mit Energie zu versorgen.
Außerdem muss die Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung klein sein, damit der Verstärkungsfaktor der Photostrom-zu-Spannung-Ausgabe groß ist. Indem die Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung um einen Rückkopplungsverstärker angeordnet wird, wird der Photostrom auf die gewünschte Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung gezwungen (anstatt in den großen parasitären Kondensator der Photodiode). In der Tat erzwingt der Rückkopplungsverstärker, dass die Eingangsspannung des Verstärkers konstant bleibt, was verhindert, dass der Kondensator der Photodiode irgendeine Ladung akkumuliert, und was den Strom zwingt, durch die Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung zu fließen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass die Schaltung erlaubt, dass verschiedene Spannungen während der Reinitialisierungsphase am Eingang und am Ausgang erzeugt werden, wobei sie folglich erlaubt, dass eine Spannung (die im Wesentlichen gleich der Vorspannung des Photodetektors ist) über der Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung angelegt wird, wobei die Spannung ausreichend ist, damit die Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung aus einem als Kondensator geschalteten Standard-MOS-Transistor ausgebildet ist, wobei die Spannung über der Schwellenspannung eines derartigen Transistors liegt.
Ein noch weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass die Integratorschaltung bei einer niedrigen Spannung in einer optimalen Weise betrieben werden kann. Weil der Ausgang der Integratorschaltung während der Reinitialisierung auf ein Referenzpotential, wie z. B. Masse gebracht ist, während eine ausreichende Spannung über der Vorrichtung zum Speichern der Integrierspannung aufrechterhalten wird, steigt in der Tat der Ausgang der Integratorschaltung während der Integration von Masse linear an (falls der Photodetektor eine n-Wannen-Photodiode ist). Die maximale Ausgangsspannung der Schaltung (in Bezug auf Masse) ist folglich so definiert, dass sie der maximal zulässige lineare Ausgangsspannungs-Anstieg am Ende der Integration ist. Für eine Niederspannungsversorgung kann die maximale Ausgangsspannung der Schaltung deshalb maximiert werden, was zu einer optimalen Konstruktion führt.
Außerdem steuert der Ausgang der Integratorschaltung typischerweise nachfolgende Signalverarbeitungsblöcke an, die oft aus Multiplexern und anderen Schaltern bestehen. Um die Fläche (Signalverbindungen und Transistoren) in einer vollständig auf dem Chip vorhandenen Schaltungsanordnung zu minimieren, müssen diese Schalter Einzeltransistorschalter mit kleiner Fläche sein. Im Fall einer niedrigen Versorgungsspannung muss die Gate-Ansteuerung dieser Schalter beträchtlich über eine Schwellenspannung über sowohl dem minimalen (in diesem Fall Masse) als auch dem maximalen Signalhub (d. h. der maximalen Ausgangsspannung) gelangen können. Weil der Ausgang der Integratorschaltung von Masse (immer noch im Fall einer n-Wannen-Photodiode) linear ansteigt, kann diese Anforderung mit der Schaltung der vorliegenden Erfindung leichter erfüllt werden.
Außerdem ist es normalerweise schwierig, eine Sourcefolger-Endstufe in einen Rückkopplungsverstärker einzupassen, um die Ausgangsimpedanz zu verringern. Die Ausführung dessen erfordert im Allgemeinen eine zusätzliche Zunahme der Versorgungsspannung oder eine Verringerung des Verstärkungsfaktors. Wenn die Ausgangsimpedanz hoch ist, dann müssen in den folgenden Signalverarbeitungsblöcken Kompromisse geschlossen werden, die eine zusätzliche Schaltungsanordnung, Energie oder Leistungsnachteile erfordern. Die vorliegende Erfindung erlaubt vorteilhaft, dass eine derartige Sourcefolger-Endstufe verwendet wird.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung nicht einschränkender Beispiele und Ausführungsformen offensichtlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Blockschaltplan eines optischen Sensors, der einen Photodetektor und eine Integratorschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist ein Stromlaufplan, der ein erstes Beispiel einer Integratorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
3 ist ein Stromlaufplan, der ein zweites Beispiel einer Integratorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein verallgemeinerter schematischer Blockschaltplan eines optischen Sensors, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 1 global bezeichnet ist und der einen Photodetektor 10 und eine Integratorschaltung 20 umfasst. Der hier veranschaulichte Photodetektor 10 umfasst eine Photodiode 11 (wie z. B. eine n-Wannen-Photodiode, die in einem p-Typ-Halbleitersubstrat ausgebildet ist), an der eine Vorspannung in Sperrrichtung anliegt. Für die Zwecke dieser Beschreibung enthält der Begriff "Photodetektor" jeden Detektor, der für Strahlungsenergie empfindlich ist. Beispiele enthalten insbesondere Photodioden, Photogatter und Phototransistoren. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet die Kapazität C_PD der Photodiode. Der Photodetektor 10 besitzt einen Ausgang 13, der an die Integratorschaltung 20 gekoppelt ist.
Die Integratorschaltung 20 enthält einen Operationsverstärker 30, der einen an den Photodetektor 10 gekoppelten invertierenden Eingang 31, einen an eine Vorspannung V_PD-BIAS ungleich Null, die auf die gewünschte Sperrspannung der Photodiode gesetzt ist, gekoppelten nichtinvertierenden Eingang 32 und einen Ausgang 33 besitzt. Als nicht einschränkende Veranschaulichung beträgt die Vorspannung des Photodetektors nominell 1,5 Volt.
Eine Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung (mit einem Kapazitätswert C_INT) ist in eine Verstärker-Gegenkopplungsschleife geschaltet, d. h., sie besitzt einen ersten Anschluss (den Ausgang der Integratorschaltung), der an den Ausgang 33 des Operationsverstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der an den invertierenden Eingang 31 des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Eine Endstufe 40 ist zwischen den Ausgang 33 des Operationsverstärkers und den ersten Anschluss der Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung geschaltet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist diese Endstufe 40 eine Sourcefolger-Endstufe, die einen an den Ausgang 33 des Operationsverstärkers gekoppelten Gate-Anschluss 41 und einen an die Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung gekoppelten Ausgangsanschluss 42 (den Source-Anschluss des Transistors 45) besitzt. Wie hierin bereits oben erwähnt worden ist, erlaubt diese Sourcefolger-Endstufe, dass die Ausgangsimpedanz verringert ist.
Wie in 1 schematisch veranschaulicht ist, werden sowohl der Operationsverstärker 30 als auch die Endstufe 40 durch eine erste und eine zweite Versorgungsspannung V_SS (Masse) und V_DD versorgt. Ausschließlich für den Zweck der Veranschaulichung kann die Leistungsversorgung V_DD – V_SS so niedrig wie etwa 1,7 Volt bis zu etwa 5,5 Volt sein. An diese zwei Blöcke ist außerdem eine angemessene Vorspannung V_BIAS angelegt.
Die Integratorschaltung 20 umfasst ferner eine Umschalt-Schaltung zum zeitlichen Steuern der Integratorschaltung 20 und zum Umschalten der Integratorschaltung zwischen einer Reinitialisierungsphase und einer Integrationsphase. Während der Reinitialisierungsphase wird der Operationsverstärker 30 auf Null eingestellt und abgeglichen, während die Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung reinitialisiert wird (über der Vorrichtung 25 eine Spannung, die im Wesentlichen gleich der Vorspannung V_PD-BIAS ist, angelegt ist). Gleichzeitig wird der Ausgang OUT der Integratorschaltung auf eine Referenzspannung (in diesem Fall das Massepotential V_SS) gebracht. Während der Integrationsphase steigt der Ausgang OUT der Integratorschaltung (der ein Spannungsausgang ist) entsprechend der Intensität der auf den Photodetektor 10 einfallenden elektromagnetischen Strahlung linear an. Gemäß dieser Ausführungsform und lediglich zur Ver anschaulichung steigt der Ausgang der Integratorschaltung von V_SS auf eine Maximalspannung, die etwa gleich 0,6 Volt ist, linear an.
Es ist klar, dass die obige Erklärung auf der Tatsache basiert, dass eine n-Wannen-Photodiode als der Photodetektor 10 verwendet wird, wobei die Vorspannung des Photodetektors in der Nähe der positiven Versorgung V_DD liegt. Falls der Photodetektor 10 eine in einem n-Typ-Halbleitersubstrat ausgebildete p-Wannen-Photodiode ist, ist die Architektur der Integratorschaltung offensichtlich umgekehrt, wobei der Ausgang der Integratorschaltung vom "Masse"-Potential (in einem derartigen Fall V_DD) linear abfällt.
Gemäß der Ausführungsform nach 1 enthält die Umschalt-Schaltung eine erste Umschaltvorrichtung 51, um den Ausgang 33 des Operationsverstärkers während der Reinitialisierungsphase mit seinem invertierenden Eingang zu verbinden und um den Ausgang 33 des Operationsverstärkers während der Integrationsphase von seinem invertierenden Eingang 31 zu trennen. Die Umschalt-Schaltung enthält ferner eine zweite Umschaltvorrichtung 52, um den Ausgangsanschluss 42 der Endstufe während der Reinitialisierungsphase auf die Referenzspannung zu bringen und um diesen Ausgangsanschluss 42 der Endstufe während der Integrationsphase von der Referenzspannung zu trennen.
Wie in der Ausführungsform nach 1 schematisch veranschaulicht ist, werden sowohl die erste als auch die zweite Umschaltvorrichtung 51 und 52 durch ein einziges Steuersignal RUN gesteuert. Während der Initialisierungsphase (RUN befindet sich in einem tiefen Zustand) ist die Umschaltvorrichtung 51 geschlossen, wobei dadurch der Ausgang 33 und der invertierende Eingang 31 des Operationsverstärkers verbunden sind, während die Umschaltvorrichtung 52 offen ist, wobei der Ausgang OUT der Integratorschaltung mittels einer Stromquelle, die mit der Umschaltvorrichtung 52 in Reihe geschaltet ist, auf das Massepotential V_SS gebracht ist. Während der Integration (RUN findet sich in einem hohen Zustand) ist die Umschaltvorrichtung 51 offen, während die Umschaltvorrichtung 52 geschlossen ist, wobei dadurch erlaubt ist, dass der Ausgang OUT der Integratorschaltung von Masse als eine Funktion der Beleuchtungsintensität des Photodetektors linear ansteigt.
Es ist in dieser Stufe klar, dass die Spannung über der Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung immer größer als eine Schwellenspannung eines Standard-CMOS-Transistors ist. Demgemäß kann die Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung vorteilhaft in der Form eines MOS-Transistors verwirklicht sein, der in einem Akkumuliermodus betrieben wird, wobei die Source- und Drain-Anschlüsse (und der Volumenanschluss) miteinander verbunden sind. Dies ist in dem Sinn vorteilhaft, dass es erlaubt, beträchtlich Fläche einzusparen und die Speichervorrichtung 25 in einem Standard-CMOS-Prozess herzustellen (bei dem keine zusätzliche Poly- oder Metallschicht erforderlich ist). Es ist außerdem klar, dass herkömmliche Poly-Poly-, Metall-Poly- oder Metall-Metall-Kondensatoren trotzdem verwendet werden können.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun ein mögliches und vorteilhaftes Beispiel der Integratorschaltung 20 nach 1 ausführlicher beschrieben. In diesem Beispiel ist der Operationsverstärker 30 ein Differentialverstärker, der ein differentielles Transistorpaar MN6 und MN7 und eine halb-gefaltete Kascodenstufe, die im Wesentlichen die Transistoren MP4, MP7, MP9 und MN26 umfasst, umfasst.
Wie im Stromlaufplan nach 2 veranschaulicht ist, bilden die Gate-Anschlüsse der Transistoren MN6 und MN7 den nichtinvertierenden Eingang 32 bzw. den invertierenden Eingang 31 des Operationsverstärkers. Die Source-Anschlüsse der Transistoren MN6 und MN7 sind gemeinsam mit einer durch die Vorspannung V_BIAS gesteuerten Stromquelle MN8 verbunden, (lediglich zum Zweck der Veranschaulichung liefert diese Stromquelle – ebenso wie die anderen Stromquellen – einen Strom von etwa 0,3 μA). Die Drain-Anschlüsse der Transistoren MN6 und MN7 sind mit den Drain-Anschlüssen der Transistoren MP4 bzw. MP7 verbunden, die einen Stromspiegel bilden. Die Transistoren MP9 und MN26 sind Kascodentransistoren, die verwendet werden, um die Knotenimpedanz und den Verstärkungsfaktor zu vergrößern. Die in Reihe geschalteten Transistoren MP22 und MP11 werden verwendet, um eine angemessene Vorspannung für den Gate-Anschluss des Kascodentransistors MP9 zu schaffen. Die Transistoren MP7, MP9 und MN26 sind mit einer weiteren Stromquelle MN4, die durch die Vorspannung V_BIAS gesteuert wird, in Reihe geschaltet. Ähnlich sind die Transistoren MP22 und MP11 ebenfalls mit einer durch die Vorspannung V_BIAS gesteuerten Stromquelle MN16 in Reihe geschaltet.
Wie hierin oben kurz erwähnt worden ist, enthält die Endstufe 40 vorteilhaft einen Sourcefolger-Transistor 45 (den Transistor MN42), dessen Gate- und Drain-Anschlüsse mit dem Ausgang 33 des Operationsverstärkers (dem Verbindungsknoten zwischen den Kascodentransistoren MP9 und MN26) bzw. der positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden sind.
Die erste Umschaltvorrichtung 51 ist ein einziger p-MOS-Transistor MP18, der über die Anschlüsse 33, 41 und 31 geschaltet ist, während die zweite Umschaltvorrichtung 52 ein einziger n-MOS-Transistor MN25 ist, der zwischen den Source-Anschluss des Sourcefolger-Transistors 45 und eine weitere Stromquelle MN24, die durch die Vorspannung V_BIAS gesteuert wird, geschaltet ist. Der Verbindungsknoten zwischen den Transistoren MN25 und MN24 bildet den Ausgang OUT der Integratorschaltung. Außerdem werden, wie deutlich veranschaulicht ist, die Umschalttransistoren MP18 und MN25 beide durch das RUN-Steuersignal gesteuert, das sich während der Reinitialisierung in einem tiefen Zustand und während der Integration in einem hohen Zustand befindet.
Die Vorrichtung 25 zum Speichern der Integrierspannung ist aus einem als Kondensator geschalteten Transistor MP30 ausgebildet, wobei der Gate-Anschluss des Transistors MP30 mit dem invertierenden Eingang 31 des Operationsverstärkers verbunden ist, während die Drain-, Source- und Volumenanschlüsse dieses Transistors MP30 mit dem Ausgang OUT der Integratorschaltung gekoppelt sind. In diesem Beispiel ist der zusätzliche Transistor MP31 lediglich eine Reserve für eine Einstellung, falls diese notwendig ist. Es sollte angegeben werden, dass sich der MOS-Transistor MP30 in einem "umgekehrten" Akkumuliermodus und nicht in einem normalen Inversionsmodus befindet.
Ein Kompensationskondensator 60 (der MOS-Transistor MN31) ist ferner zwischen den Ausgang 33 des Operationsverstärkers und Masse V_SS geschaltet, um eine Hochfrequenzkompensation für den Operationsverstärker 30 zu schaffen.
2 zeigt außerdem zwei Überbrückungskondensatoren 71, 72, die aus den MOS-Transistoren MP32 bzw. MN29 gebildet sind. Der Überbrückungskondensator 71 (der Transistor MP32) ist über die Versorgungsleitungen V_DD und V_SS geschaltet, während der Überbrückungskondensator 72 (der Transistor MN29) über den positiven Eingang (den nichtinvertierenden Eingang 32) und Masse V_SS geschaltet ist. Diese Überbrückungskondensatoren 71, 72 sind eigentlich kein funktionaler Teil der Schaltung und können entfernt werden.
Als eine vorteilhafte Ergänzung für die Schaltung, die soeben beschrieben worden ist, können zwei zusätzliche Sourcefolger-Endstufen hinzugefügt werden, um minimale und maximale elektrische Ausgangssignale bereitzustellen, die die Bestimmung des optischen Sensors mit der kleinsten bzw. größten Intensität in einer Gruppe aus mehreren optischen Sensoren erlauben. Dies kann erreicht werden, indem für jeden optischen Sensor in der Gruppe erste und zweite Sour cefolger-Endstufen 91, 92 vorgesehen werden, wie veranschaulicht ist, und indem ihre Ausgänge zusammen mit einer einzigen externen Stromquelle (eine für jede Maximum/Minimum-Sourcefolger-Endstufe) verbunden werden. Insbesondere umfasst die erste Sourcefolger-Endstufe 91 einen p-MOS-Transistor MP29, dessen Source-Anschluss den MinOut-Ausgang bildet, der mit einer (nicht veranschaulichten) externen Stromquelle verbunden ist, die allen Sensoren der Gruppe gemeinsam ist. Der Gate-Anschluss des Transistors MP29 ist mit dem Ausgang OUT der Integratorschaltung verbunden, während der Drain-Anschluss mit Masse V_SS verbunden ist. Ähnlich umfasst die zweite Sourcefolger-Endstufe 92 einen n-MOS-Transistor MN21, dessen Source-Anschluss den MaxOut-Ausgang bildet, der mit einer weiteren (nicht veranschaulichten) externen Stromquelle verbunden ist, die allen Sensoren der Gruppe gemeinsam ist. Der Gate-Anschluss des Transistors MN21 ist mit dem Ausgang 33 des Operationsverstärkers verbunden, während der Drain-Anschluss mit der positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden ist.
3 ist ein weiteres mögliches Beispiel der Integratorschaltung 20 nach 1. Sie zeigt eine ein wenig vereinfachte Version des Stromlaufplans nach 2. Insbesondere enthält dieses Beispiel die Überbrückungskondensatoren 71, 72 und den Reservetransistor MP31 nicht, wobei die Vorspannungs-Transistoren MP22 und MP11 konzeptionell auf einen einzigen Transistor MP22 verringert sind (die Zwei-Transistor-Anordnung wird in 2 infolge von Layout-Überlegungen verwendet). Der Rest der Schaltung ist im Wesentlichen zu jenem nach 2 ähnlich und wird folglich nicht abermals beschrieben.
An der Schaltung nach 3 können einige weitere Modifikationen vorgenommen werden. Es kann z. B. ein optionaler Block 80, um die Photodetektor-Vorspannung V_PD-BIAS selbst zu erzeugen, im Bereich jedes optischen Sensors ausgebildet sein, um die Anzahl der externen Leitungen zu verringern und die V_PD-BIAS- und V_BIAS-Leitungen zu eliminieren, weil keine von diesen entscheidend ist. Die Herstellung dieser als Drähte anstelle einer Schaltungsanordnung im Bildpunkt besitzt jedoch den Vorteil, die Einsparung weiterer Fläche zu erlauben.
Außerdem verbessert eine optionale zusätzliche Stromquelle (der Transistor MN32), der direkt mit dem Source-Anschluss des Sourcefolger-Transistors 45 verbunden ist, die Wirkung dieses Sourcefolgers (des Transistors MN42) während des Übergangs von der Reinitialisierung zum Betrieb, erfordert aber etwas Fläche.
Nachdem die Erfindung bezüglich bestimmter spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass diese Ausführungsformen nicht als Einschränkungen der Erfindung beabsichtigt sind. In der Tat können ohne Abweichung vom Umfang der beigefügten Ansprüche verschiedene Modifikationen und/oder Anpassungen für die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich werden. Die vorgeschlagenen Ausführungsformen sind z. B. nicht notwendigerweise auf optische Sensoren unter Verwendung von n-Wannen-Photodioden eingeschränkt. Wie bereits erwähnt worden ist, können in gleicher Weise p-Wannen-Photodioden verwendet werden (dies erfordert eine komplementäre Schaltungsarchitektur). Als Erweiterung können außerdem Photodetektoren, die zu Fotodioden funktional äquivalent sind, verwendet werden.

Claims

Integratorschaltung (20) zur Verwendung mit einem Photodetektor (10) mit einem Ausgang (13), der ein elektrisches Signal ausgibt, das proportional zu der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist, wobei diese Integratorschaltung umfasst: einen Operationsverstärker (30) mit einem an eine Vorspannung ungleich Null angeschlossenen nicht-invertierenden Eingang (32), einem invertierenden Eingang (31), der mit dem Photodetektor verbindbar ist, und einem Ausgang (33); Mittel zum Abgleichen des Operationsverstärkers; eine Endstufe (40), die einen mit dem Ausgang (30) des Operationsverstärkers verbundenen Gate-Anschluss (41) und einen Ausgangsanschluss (42) umfasst, eine Vorrichtung (25) zum Speichern der Integrierspannung mit einem ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss (42) der Endstufe (40) verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem invertierenden Eingang (31) des Operationsverstärkers verbunden ist; und eine Umschalt-Schaltung (51, 52) zum zeitlichen Steuern der Integratorschaltung und zum Umschalten der Integratorschaltung zwischen einer Reinitialisierungsphase und einer Integrationsphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalt-Schaltung Mittel umfasst, um den ersten Anschluss der Vorrichtung (25) zum Speichern der Integrationsspannung während der Reinitialisierungsphase auf eine Referenzspannung zu bringen, um somit während der Reinitialisierungsphase an der Vorrichtung (25) zum Speichern der Integrierspannung eine Spannung zu erzeugen, die im Wesentlichen der Vorspannung ungleich Null entspricht.
Integratorschaltung (20) nach Anspruch 1, wobei die Umschalt-Schaltung (51, 52) umfasst: eine erste Umschaltvorrichtung (51), um den Ausgang (33) des Operationsverstärkers während der Reinitialisierungsphase an den invertierenden Eingang (31) des Operationsverstärkers anzuschliessen, und um den Ausgang des Operationsverstärkers während der Integrationsphase von dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zu trennen; und eine zweite Umschaltvorrichtung (52), um den Ausgangsanschluss (42) der Endstufe während der Reinitialisierungsphase auf das Referenzpotential zu bringen, und um den Ausgangsanschluss (42) der Endstufe während der Integrationsphase von dem Referenzpotential zu trennen.
Integratorschaltung (20) nach Anspruch 1, wobei die Endstufe (40) eine Sourcefolger-Endstufe ist.
Integratorschaltung (20) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (25) zum Speichern der Integrierspannung ein MOS-Transistor (MP30, MP31) ist, der in einem Akkumuliermodus betrieben wird.
Integratorschaltung (20) nach Anspruch 1, wobei der Operationsverstärker (30) ein Differentialverstärker ist, der ein differentielles Transistorpaar (MN6, MN7) umfasst und eine halb-gefaltete Kaskodenstufe (MP4, MP7, MN9, MN26) aufweist.
Optischer Sensor (1) zum Erzeugen eines elektrischen Signals als Antwort auf elektromagnetische Strahlung, umfassend: einen Photodetektor (10) mit einem Ausgang (13), der ein elektrisches Signal ausgibt, das proportional zu der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist; und eine Integratorschaltung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die mit dem Ausgang des Photodetektors verbunden ist, um das elektrische Signal von dem Photodetektor zu akkumulieren.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei der Photodetektor eine in Photodiode ist, an der eine Vorspannung in Sperrrichtung anliegt.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei die Integratorschaltung ferner einen Kondensator (60) zur Frequenzkompensation umfasst, der zwischen dem Gate-Anschluss der Endstufe und dem Referenzpotential angeschlossen ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 8, wobei der Kondensator (60) zur Frequenzkompensation ein MOS-Transistor (MN31) mit gemeinsamen Gate- und Source-Anschlüssen ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Umschaltvorrichtung CMOS-Transistoren sind (MP18, MN25).
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Umschaltvorrichtung beide von einem einzigen Steuersignal (RUN) gesteuert sind.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei der Operationsverstärker (30) ein Differentialverstärker ist, der ein differentielles Transistorpaar (MN6, MN7) umfasst und eine halb-gefaltete Kaskodenstufe (MP4, MP7, MN9, MN26) aufweist, und wobei die Integratorschaltung ferner eine mit dem differentiellen Transistorpaar verbundene erste Stromquelle (MN8), eine mit der halb-gefalteten Kaskodenstufe verbundene zweite Stromquelle (MN4) und eine mit der Endstufe verbundene dritte Stromquelle (MN32) umfasst.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 12, wobei die zweite Umschaltvorrichtung zwischen dem Ausgangsanschluss (42) der Endstufe und der dritten Stromquelle (MN32) angeschlossen ist, und wobei die Integratorschaltung ferner eine vierte Stromquelle (MN24) umfasst, die direkt an dem Ausgangsanschluss der Endstufe (42) angeschlossen ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6 zur Verwendung in einer Gruppe optischer Sensoren, weiter umfassend erste und zweite Sourcefolger-Endstufen (MN21, MN29) zum Bereitstellen von minimalen und maximalen elektrischen Ausgangssignalen, die eine Bestimmung desjenigen optischen Sensors in der Gruppe mit der kleinsten bzw. der grössten Intensität erlauben.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 14, wobei die erste Sourcefolger-Endstufe (MN29) einen an den ersten Anschluss der Vorrichtung (25) zum Speichern der Integrierspannung angeschlossenen Gate-Anschluss und einen an eine erste Versorgungsspannung (Vss) angeschlossenen Drain-Anschluss aufweist, wobei ein Source-Anschluss der ersten Sourcefolger-Endstufe (MN29) mit einer ersten externen Stromquelle verbunden ist, die allen optischen Sensoren innerhalb der Gruppe gemeinsam ist, und wobei die zweite Sourcefolger-Endstufe (MN21) einen an den Ausgang (33) des Operationsverstärkers angeschlossenen Gate-Anschluss und einen an eine zweite Versorgungsspannung (Vdd) angeschlossenen Drain-Anschluss aufweist, wobei ein Source-Anschluss der zweiten Sourcefolger-Endstufe mit einer zweiten externen Stromquelle verbunden ist, die allen optischen Sensoren innerhalb der Gruppe gemeinsam ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 6, wobei die Vorspannung ungleich Null von einer Spannungserzeugungsschaltung (80) bereitgestellt wird, die in der Integratorschaltung ausgebildet ist.