DE69111800T2

DE69111800T2 - Photodiodenanordnung.

Info

Publication number: DE69111800T2
Application number: DE69111800T
Authority: DE
Inventors: Hubert Kuderer; Stefan Rohrer
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Agilent Technologies Deutschland GmbH
Priority date: 1991-06-20
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-06-21
Also published as: JPH05215607A; EP0519105A1; ES2076414T3; DE69111800D1; EP0519105B1; US5303027A

Description

Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung gemäß der Präambel von Anspruch 1. Eine Photodiodenanordnung ist eine in der Regel lineare Anordnung lichtempfindlicher Elemente, die Ausgangssignale erzeugt, welche die Lichtintensität des von den einzelnen lichtempfindlichen Elementen aufgefangenen Lichts angeben. Photodiodenanordnungen werden beispielsweise in Spektralphotometern zur Messung des Lichts verwendet, das die zu untersuchende Probe passiert hat und danach an einem Beugungsgitter gebeugt wurde.
Ein Spektralphotometer mit einer Photodiodenanordnung wird in dem Artikel "A High-Speed Spectrophotometric LC Detector" im Hewlett-Packard Journal vom April 1984 beschrieben. Das dort vorgestellte Spektrometer wird in einem Flüssigkeitschromatographen zur Analyse der aus der Chromatographiesäule eluierten Substanzen verwendet. Bei diesem Spektrometer wird ein breites Spektrum aus ultraviolettem und sichtbarem Licht durch eine Probenzelle geleitet, durch die die aus der Säule eluierte Probe fließt. Nachdem das Licht die Probenzelle durchlaufen hat, wird das durch die Probensubstanzen veränderte Licht mit Hilfe eines Beugungsgitters, das Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedene Richtungen lenkt, in sein Spektrum zerlegt. Eine lineare Photodiodenanordnung ist so angeordnet, daß sie das vom Gitter gebeugte Licht empfängt. Auf diese Weise empfangen die einzelnen Dioden jeweils Licht eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs.
Die im oben genannten Spektralphotometer verwendete Photodiodenanordnung ist vom Typ "selbstabtastende Photodiodenanordnung". Solche selbstabtastenden Photodiodenanordnungen werden auf Halbleitermaterial aufgebaut und umfassen eine Vielzahl von Photozellen, von denen jede aus einem lichtempfindlichen Element (Photodiode) und einem Kondensator besteht, der die Übergangskapazität der Photodioden darstellt oder getrennt auf dem Halbleiterchip angeordnet ist. Die Photozellen sind über elektronische Schalter mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung (Videoleitung) verbunden, die ihrerseits an einen externen Ladungsverstärker angeschlossen ist. Die Schalter der einzelnen Photozellen werden so durch ein Schieberegister gesteuert, daß die Photozellen entsprechend dem Taktsignal des Schieberegisters der Reihe nach ausgelesen werden. Während des Betriebs werden die Kondensatoren der Photozellen, die zu Beginn auf einen festen Wert aufgeladen worden sind, durch den Strom entladen, den die Photodioden erzeugen, wenn Licht auf sie trifft. Diese Kondensatoren werden in regelmäßigen Abständen wieder auf den anfänglichen Wert aufgeladen, wobei die Menge der übertragenen Ladung ein Maß für die während der Integrationsdauer auf die Photodiode gefallenen Lichtmenge ist. Das Wiederaufladen der Kondensatoren erfolgt der Reihe nach von der Photozelle am einen Ende der Anordnung zur Photozelle am anderen Ende der Anordnung. Die Übertragung von Ladung auf eine Photozelle bewirkt eine Spannungsänderung am Ausgang des Ladungsverstärkers und erzeugt so ein Signal, das die Lichtintensität auf der Photodiode wiedergibt. Dieses Signal wird nun durch einen alle Photozellen der Anordnung gemeinsamen Analog-/Digital- Wandler (A/D-Wandler) in ein digitales Signal umgewandelt. Das so erhaltene digitale Signal kann anschließend durch Datenverarbeitungsmittel weiter verarbeitet werden, um ein der zu analysierenden Probe entsprechendes Spektrum zu erzeugen.
Ein zweiter Typ von Photodiodenanordnungen sind sogenannte "Photodiodenanordnungen mit wahlfreiem Zugriff". Ihr Aufbau ähnelt den selbstabtastenden Photodiodenanordnungen insofern, daß sie eine Vielzahl von Photozellen umfassen, die an eine gemeinsame Videoleitung und einen nachgeschalteten Ladungsverstärker sowie einen A/D-Wandler angeschlossen sind. Der Unterschied zu den selbstabtastenden Photodiodenanordnungen besteht darin, wie die Schalter der Photozellen gesteuert werden: Das Schieberegister wird durch einen Adreßdecoder ersetzt, der es ermöglicht, die zu aktivierenden Schalter wahlfrei und somit eine beliebige Photozelle in beliebiger Reihenfolge auszuwählen.
Eine dritter Typ von Photodiodenanordnungen sind sogenannte "Multielement-Photodiodenanordnungen". Sie umfassen für gewöhnlich weniger als 50 linear auf einem Siliciumchip angeordnete Photodioden, wobei der Chip keine zusätzliche Schaltung für den Betrieb der Photodiodenanordnung besitzt. Ein Ende jeder Photodiode wird direkt aus dem Chip herausgeführt, während das jeweils andere Ende mit dem Substrat auf dem Chip verbunden ist. Diese Photodiodenanordnungen können auf zwei Arten betrieben werden: In der ersten Betriebsart ist jede Photodiode zur Signalaufbereitung mit einem Operationsverstärker verbunden. Die Ausgangssignale dieser Verstärker werden zeitlich gemultiplext und einem gemeinsamen A/D-Wandler zugeführt. Wegen der zu jeder Photozelle gehörenden Verstärker ist dieser Aufbau sehr umfangreich. Bei einem weniger umfangreichen alternativen Aufbau ist der Multiplexer zwischen den Photodioden und einem gemeinsamen Operationsverstärker angeordnet. Bei dieser Anordnung ist jedoch die Wiedergabegüte des Signals beeinträchtigt.
Die Multielement-Photodiodenanordnungen arbeiten somit im Sampling-Betrieb, während die selbstabtastenden Photodiodenanordnungen und die Photodiodenanordnungen mit wahlfreiem Zugriff integrierend arbeiten, d.h. der Photostrom der Photozellen wird während der Zeit gesammelt, in der das Signal einer anderen Photozelle verarbeitet wird.
Aus der EP-A-0 118 919 sind ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtintensitätswerten in digitale Daten bekannt. Die dort vorgestellte Vorrichtung basiert ausschließlich auf optischen Methoden und umfaßt einen Bildsensor mit mindestens einer Reihe von Sensorelementen. Der Bildsensor wird zunächst mit einer Referenzlichtquelle bekannter Intensität durch einen Filter mit neutralem Dichtegradienten bestrahlt, wobei das digitale Ausgangssignal des Sensors für die Reihe ermittelt wird, um digitale Daten zu erhalten. Anschließend wird der Bildsensor durch den Filter mit einer Lichtquelle unbekannter Intensität bestrahlt, wobei das digitale Ausgangssignal des Sensors für die Reihe ermittelt wird, um digitale Daten zu erhalten. Die Intensität der unbekannten Lichtquelle wird für die Reihe in digitaler Form als Funktion der digitalen Daten und der bekannten Intensität der Referenzlichtquelle bestimmt.
Ein A/D-Wandler allein, ohne Bezug zu Photodiodenanordnungen, ist aus der US-A-4 558 301 bekannt. Der dort vorgestellte Wandler beruht auf dem Prinzip der Spannungs- /Frequenzumwandlung und umfaßt eine Integratorschaltung, welche sowohl mit einem Mikroprozessor als auch mit einer Vielzahl von Widerständen verbunden ist, deren Widerstandswerte auf spezielle Weise ausgewählt werden. Ein weiteres Verfahren der A/D-Wandlung wird, ebenfalls ohne Bezug zu Photodiodenanordnungen, von U. Tietze und Ch. Schenk auf S. 774-775 in "Halbleiter-Schaltungstechnik" von 1983 beschrieben. Dieses Verfahren ist das bestens bekannte Doppelsteigungsverfahren, bei dem eine zu digitalisierende Spannung in einer ersten Meßphase während einer zuvor festgelegten Zeit integriert wird, so daß sich eine zu dieser Ladungsmenge proportionale Spannung auf einem Integrator ansammelt. In einer zweiten Meßphase wird die unbekannte Ladungsmenge durch einen bekannt großen Strom entladen, und die bis zur vollständigen Entladung benötigte Zeitspanne wird mit Hilfe eines Zählers gemessen. Ein Komparator ermittelt die zur vollständigen Entladung benötigte Zeit.
Die in einem integrierenden Modus betriebenen Photodiodenanordnungen, d.h. die selbstabtastenden Photodiodenanordnungen und die Photodiodenanordnungen mit wahlfreiem Zugriff, führen zu einem Problem, das Spektralverzerrung genannt wird und wie folgt definiert wird:
Das Problem der Spektralverzerrung tritt bei Spektralphotometern auf, bei denen sich die zu analysierende Probe zeitabhängig ändert. Ein typisches Beispiel ist ein Spektralphotometer, wie es zur Feststellung der Probensubstanzen verwendet wird, die aus der Säule eines Flüssigkeitschromatographen eluieren. In diesem Fall werden verschiedene Probenkomponenten vom Spektralphotometer zu verschiedenen Zeiten wahrgenommen; außerdem ist selbst bei einer reinen Probensubstanz die entsprechende Probenkonzentration eine Funktion der Zeit, was einem chromatographischen Peak entspricht, der eine ansteigende Flanke, eine Spitze und eine fallende Flanke besitzt. Da die Signale von den einzelnen Photozellen in einer integrierenden Photodiodenanordnung der Reihe nach verarbeitet werden, sehen die Photodioden auf der Seite der Anordnung, die den kürzeren Wellenlängen des Spektrums entspricht, die kurzwellige Strahlung früher als die Photodioden auf der anderen Seite, die langwellige Strahlung sehen. Wird gerade ein Peak beobachtet, der einer gerade in der Säule abgetrennten Substanz entspricht, unterscheidet sich das sich ergebende Wellenlängenspektrum am oberen Ende des Peaks (Spitzenspektrum) vom Spektrum an der ansteigenden Flanke des Peaks (aufsteigendes Spektrum), das sich wiederum von dem Spektrum unterscheidet, welches sich an der fallenden Flanke des Peaks ergibt. Im aufsteigenden Spektrum sind die größeren Wellenlängen überbetont, da die Probenkonzentration während des Aufbaus des Spektrums steigt, der von den kleineren zu den größeren Wellenlängen hin erfolgt. Im abfallenden Spektrum sind die kleineren Wellenlängen überbetont, da die Probenkonzentration abnimmt, so daß beim Verarbeiten der größeren Wellenlängen eine kleinere Probenkonzentration vorliegt als beim Verarbeiten der kleineren Wellenlängen.
Da die Probensubstanzen ermittelt werden, indem die gemessenen Spektren mit Spektren verglichen werden, die in einer elektronischen Datenbank gespeichert sind, beschränkt die oben beschriebene Spektralverzerrung die Fähigkeit, unbekannte Probensubstanzen zu identifizieren.
In der Flüssigkeitschromatographie kann es vorkommen, daß zwei verschiedene Probenkonstituenten in der chromatographischen Säule nicht ganz getrennt sind, so daß die entsprechenden Peaks im Chromatogramm nicht aufgelöst werden, sondern einen einzigen Peak bilden. Ein Verfahren festzustellen, ob ein Peak eines Chromatogramms einen einzigen Bestandteil oder mehrere Bestandteile wiederspiegelt, ist die Peak-Reinheitsprüfung ("peak purity check"). Sie besteht im Vergleich des aufsteigenden Spektrums eines Peaks mit dem abfallenden Probenspektrum bei der jeweiligen Probenkonzentration. Fallen beide Spektren dicht zusammen, so bestätigt dies, daß der chromatographische Peak einem einzigen Bestandteil entspricht. Falls die Spektralaufnahmen jedoch nicht übereinstimmen, gibt dies einen starken Hinweis darauf, daß ein weiterer Bestandteil zu dem chromatographischen Peak beiträgt. Aufgrund der oben genannten Spektralverzerrung kann die Peak-Reinheitsprüfung nur angewendet werden, wenn die Änderung der Probenkonzentration während des Integrationsintervalls klein ist oder falls die Probenkonzentration konstant gehalten wird, indem der Fluß der Probensubstanzen angehalten wird. Das Anhalten des Flusses durch die Trennsäule und die Probenzelle sind jedoch häufig unerwünscht, da dies zu Störungen führt, die die quantitative Genauigkeit der chromatographischen Messung stören.
EP-A-O 192 200 beschreibt eine der Arten gemäß dem Stand der Technik, sich dem oben beschriebenen Problem der Spektralverzerrung zu nähern. Gemäß diesem Stand der Technik besteht die Photodiodenanordnung aus der Art "Multielement-Photodiodenanordnung" mit 35 Dioden, von denen jede Photodiode mit einem Operationsverstärker zur Signalauffrischung und einer Sample- und Hold-Schaltung zum Samplen und Halten der Ausgangssignale der Operationsverstärker verbunden sind. Die Ausgangssignale der Sample- und Hold- Schaltungen werden von einem Multiplex-Schalter gemultiplext und dann der Reihe nach von einem einzigen A/D- Wandler in Digitalsignale umgewandelt. Die Schaltweise dieser bekannten Vorrichtung ist sehr komplex, da sie einen Operationsverstärker und eine Sample- und Hold-Schaltung für alle Photodioden sowie einen Multiplexer mit einer Reihe von Kanälen, deren Zahl der Zahl der Photodioden entspricht, sowie einen Hochleistung-A/D-Wandler erfordert. Außerdem sind alle elektronischen Komponenten einzeln auf einer gedruckten Leiterplatte aufgebaut, so daß viel Leiterplattenplatz und eine hohe Versorgungsleistung erforderlich sind.
Ein zusätzliches Problem bei bekannten Photodiodenanordnungen ergibt sich aus der A/D-Umwandlung der Signale, die dem Licht entsprechen, das auf die Photodioden trifft. Bei allen oben genannten Arten von Photodiodenanordnungen wird ein einziger A/D-Wandler verwendet, der der Reihe nach die Signale von den einzelnen Photodioden konvertiert. Da die Zahl der Photodioden in spektralphotometrischen Anwendungen sehr groß ist (bis zu 1024 Photodioden), muß auch die Umwandlungsgeschwindigkeit der A/D-Wandler sehr hoch sein, z. B. über 100 kHz, um eine Zeitauflösung von 100 Datenpunkten pro Sekunde bei allen Photodioden zu erzielen. Zudem muß neben einer guten Linearität eine hohe Auflösung (vorzugsweise über 16 Bit) erreicht werden, um bei spektralphotometrischen Anwendungen eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen. Um diese Bedingungen voll und ganz erfüllen zu können, wäre ein aufwendiger und teurer A/D-Wandler erforderlich. Als Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit und der Auflösung einerseits und den Kosten und der Komplexibilität andererseits, verwenden die meisten Photodiodenanordnungen gemäß dem Stand der Technik A/D-Wandler des Typs "sukzessive Annäherung". Solche A/D-Wandler leiden jedoch an differentiellen Nichtlinearitäten, die auch als "fehlende Codes" (missing codes) bekannt sind. Diese Fehler in der A/D-Umwandlung beschränken die Erfassungsgrenze in der Spektralphotometrie für chemische Analysen, bei denen geringe Intensitätsunterschiede gemessen werden müssen.
Gegenüber dem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Photodiodenanordnung wie in der Präambel von Anspruch 1 zu offenbaren, die von vornherein die erwähnten Nachteile nach dem Stand der Technik, insbesondere jedoch Spektralverzerrungen, vermeidet und ein einfaches Schaltdesign besitzt.
Dieses Erfindungsziel wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 erreicht.
Nach einem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip ist jede Photodiode mit einem getrennten A/D-Wandler verbunden, um das Signal, das der Intensität des auf die Photodiode fallenden Lichts entspricht, in ein digitales Signal umzuwandeln. Da für jede Photodiode ein A/D-Wandler vorgesehen ist, können alle digitalen Signale, die den Lichtintensitätswerten an den einzelnen Photodioden entsprechen, gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden. Dies ist anders als bei Photodiodenanordnungen nach dem Stand der Technik, bei denen die digitalen Signale nacheinander geliefert werden. Somit vermeidet die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung Signalverzögerungen gemäß dem Stand der Technik und somit Spektralverzerrungen, die durch solche Verzögerungen verursacht werden.
Da die Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der A/D-Umwandlung nicht ganz so hoch liegen wie nach dem Stand der Technik, wo die Signale von einer Vielzahl von Photodioden sehr rasch umgewandelt werden müssen, so daß die Zeitspanne zwischen der Umwandlung der Signale von der ersten und der letzten Photodiode nicht zu groß wird, kann bei der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung ein integrierender Typ von A/D-Wandler verwendet werden. Dieser hätte dann den Vorteil einer sehr hohen Linearität und stellt somit eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Photodiodenanordnungen mit A/D-Umwandlung mit "sukzessiver Annäherung" dar.
Die Photodiodenanordnungen sind in Rückwärtsrichtung vorgespannt und wirken als Stromquelle, wobei der Strom proportional zum eintreffenden Lichtpegel ist. Die A/D-Umwandlung verläuft wie folgt: Jede Photodiode ist mit dem Summenknoten eines Integrators verbunden, der stetig die zu diesem strom gehörende Ladung aufsummiert. Eine steuerbare Stromquelle ist vorgesehen, um den Strom der Photodiode mit einem regelbaren, anpaßbaren Strom zu überlagern, wobei Größe und Polarität des angleichbaren Stroms so gewählt werden, daß das Ausgangssignal des Integrators auf einem zuvor festgelegten Niveau gehalten wird. Die steuerbare Stromquelle wird vorzugsweise als Entladungsvorrichtung ausgeführt, um Ladung vom und/oder zum Integrator zu übertragen. Das Ausgangssignal des Integrators wird nun regelmäßig mit einem festgelegten Signalpegel verglichen, und in Abhängigkeit dieser Vergleiche werden Ladungsübertragungen vom und/oder zum Integrator durchgeführt, um das Ausgangssignal auf einem festgelegten Pegel zu halten. Die Zahl solcher Ladungsübertragungen während einer festgelegten Zeitspanne (Integrationszeit) wird gemessen. Diese Zahl stellt den Photostrom in digitaler Form und somit die auf die Photodiode auftreffende Lichtintensität dar. Das beschriebene A/D-Umwandlungsverfahren gehört zu den integrierenden Verfahren und ermöglicht somit eine sehr gute Linearität des Umwandlungsprozesses.
Die Ladungsübertragungsschaltung kann auf bipolare Weise ausgeführt sein, um Ladung vom und zum Integrator zu übertragen; sie kann jedoch auch auf unipolare Weise realisiert werden, um die Ladung nur in eine Richtung zu übertragen. Im ersten Fall läßt sich die Ladungsübertragungsschaltung aus einem Kondensator und vier Umschaltern aufbauen; im zweiten Fall genügen dazu zwei Umschalter und ein Kondensator.
Zusammengefaßt bietet die Erfindung folgende Vorzüge gegenüber dem Stand der Technik:
Da zu jeder Photodiode ein A/D-Wandler gehört, wird der gleichzeitige und unabhängige Betrieb jedes der jeweils eine Photodiode umfassende Signalkanäle ermöglicht, so daß die oben genannten Spektralverzerrungsprobleme vermieden werden.
Das Verfahren des gleichzeitigen und unabhängigen Betriebs jedes der Signalverarbeitungskanäle bietet ferner einen sehr wichtigen Vorteil bei der quantitativen Analyse der chromatographischen Signale, da die Beschränkungen eines als optische Referenzkompensation bezeichneten Verfahrens überwunden werden. Bei diesem Verfahren wird ein Bezugssignal in einem Wellenlängenbereich, in welchem der zu analysierende Bestandteil nicht absorbiert, laufend überwacht und in einem Wellenlängenbereich vom Probensignal abgezogen, in welchem der Bestandteil absorbiert. Bei diesem Verfahren der optische Referenzkompensation lassen sich zugehörige Rausch- und Driftquellen im Meßsystem, wie z. B. Flickerrauschen der Lichtquelle, Brechungsindexeffekte der mobilen Phase sowie Temperaturverschiebung der Elektronik unterdrücken. Das Verfahren zur optischen Kompensation dieser zugehörigen Rausch- und Driftquellen erfordert, daß sich die Signale von Proben- und Referenzwellenlänge stets in Phase befinden, wie dies aus der Theorie der Überlagerung zweier harmonischer Wellen bekannt ist. Da die Signale der einzelnen Photodioden einer integrierenden Photodiodenanordnung der Reihe nach verarbeitet werden, wird das Signal von der Referenzwellenlänge gegenüber dem Signal der Probenwellenlänge verzögert. Daraus ergibt sich eine Phasenverschiebung des Bezugssignals, die von der Frequenz des zugehörigen Rauschsignals abhängt. Die verbleibende Amplitude der zugehörigen Rauschquelle des korrigierten Signals wird durch Vektoraddition der beiden Signale ermittelt und kann sogar bei bestimmten Frequenzen verstärkt werden, wenn die Phasenverschiebung zwischen 90 und 180 Grad liegt. Daher ist das Verfahren optischer Referenzkompensation bei Photodiodenanordnungen nach dem Stand der Technik nicht immer brauchbar. Durch die gleichzeitige Verarbeitung der Signale gemäß der Erfindung gibt es jedoch keine Phasenverschiebung, und die zugehörige Rauschquelle kann vollständig kompensiert werden. Dies führt zu einer Verbesserung des Signal-/Rausch-Verhältnisses, was wiederum zu verbesserten quantitativen Ergebnissen bei chromatographischen Analysen führt.
Obwohl jeder Signalkanal einen A/D-Wandler enthält, bleibt der resultierende Schaltungsaufbau trotzdem einfach und benötigt lediglich wenige Komponenten. Die Photodioden können zusammen mit den A/D-Wandlern auf einem einzigen Chip integriert werden, was zu einer raumsparenden Anordnung führt. Die sich ergebende Größe des Chips liegt nach wie vor in der gleichen Größenordnung wie bei Photodiodenanordnungen nach dem Stand der Technik. Die Fläche zum Aufbau eines vollständigen Kanals ist fast so groß wie die Fläche zum Aufbau des Kondensators, der die Ladung während der Integrationsdauer in Photodiodenanordnungen nach dem Stand der Technik ansammelt. Die Größe eines Kondensators, wie er in einer Photodiodenanordnung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, liegt um Größenordnungen unter der Größe eines Ladungssammlungskondensators nach dem Stand der Technik. Die Möglichkeit, die Photodioden und die Signalverarbeitungsschaltung einschließlich des A/D-Wandlers auf einem einzigen Chip unterzubringen führt auch zu einer Kostensenkung gegenüber Bausteinen nach dem Stand der Technik, bei denen die Signalverarbeitungsschaltungen mit A/D- Wandlern als separate Komponenten auf getrennt gedruckten Leiterplatten ausgeführt sind.
Ein weiterer Vorteil der Integration auf einem einzigen Halbleiterchip besteht im verbesserten Wärmedriftverhalten der Signalelektronik. Dies liegt daran, daß alle Komponenten auf dem Chip praktisch der gleichen Temperatur unterliegen, so daß sich die Driftbeiträge vieler Komponenten ausgleichen.
Die Photodiodenanordnung der Erfindung besitzt den zusätzlichen Vorteil geringen Rauschens, da die Zahl der Signalverarbeitungsstufen klein bleibt. Einen weiteren Beitrag zum geringen Rauschen liefert die Tatsache, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die A/D-Wandlung durch einen Ladungsübertragungsmechanismus ausgeführt wird, bei dem die Zahl der Ladungsübertragungen proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Daher ist die Zahl der Entladungen bei kleinen Lichtintensitäten klein, was bei kleinen Signalen wiederum zu einem besseren Signal-/Rausch- Verhältnis führt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines der signalverarbeitenden Kanäle in einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung.
Fig. 2a zeigt die Schaltung gemäß Figur 1 mit einer ausführlicheren Ansicht der Stromquelle.
Fig. 2b und 2c sind Zeitablaufdiagramme, die den Schaltvorgang der in Figur 2a gezeigten Stromquelle zeigen.
Fig. 3a zeigt die Schaltung gemäß Figur 1 mit einer ausführlicheren Ansicht einer alternativen Ausführung der Stromquelle.
Fig. 3b ist eine Erweiterung der Schaltung von Figur 3a, die zusätzlich einen Stromverstärker umfaßt.
Fig. 3c ist eine Erweiterung der Schaltung von Figur 3b, bei der der Stromverstärker programmierbar ist.
Fig. 4a und 4b sind Zeitablaufdiagramme, die die A/D-Wandlung des Photostroms gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlichen.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer ganzen Photodiode gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisch einen Signalverarbeitungskanal in einer Photodiodenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das aus einer Photodiode 1 und einem zugehörigen A/D-Wandler zur Umwandlung des Signals von Photodiode 1 in ein digitales Ausgangssignal DATEN besteht. Die ganze Photodiodenanordnung der Erfindung umfaßt eine Anzahl von n identischen Signalverarbeitungskanälen von der in Figur 1 gezeigten Art, wobei n die Zahl der Photodioden der Anordnung ist und zwischen mehreren hundert und etwa tausend liegt. Die n Signalverarbeitungskanäle mit den n Photodioden lassen sich auf einem einzigen Halbleiterchip unterbringen. Figur 5 zeigt eine vollständige Photodiodenanordnung gemäß der Erfindung.
Gemäß Figur 1 ist die Photodiode 1 in Rückwärtsrichtung vorgespannt und wirkt als symbolisch als Stromquelle 2 abgebildere Stromquelle. Der Strom ist proportional zum Pegel des einfallenden Lichts. Die Photodiode 1 ist an den Summenknoten 10 eines Integrators aus einem Operationsverstärker 3 und einem Kondensator 4 in dessen Rückkopplungsschleife angeschlossen. Die Vorspannung der Photodiode entspricht der Spannung Vsum (virtuelle Vref) am Summenknoten 10. Es gibt eine zusätzliche Stromquelle 5, welche je nach Größe der Ausgangssignale einer Schaltlogik 6 gesteuert werden kann. Der Eingang der Schaltlogik 6 ist mit dem Ausgang eines Komparators 7 verbunden, dessen eines Eingangssignal das Ausgangssignal Vaus des Integrators 3,4 und dessen anderes Eingangssignal ein vorgegebenes Signal Vschwelle bildet. Die Schaltung aus Figur 1 ist in der Lage, das Ausgangssignal Vaus des Integrators 3,4 auf dem vorgegebenen Wert Vschwelle zu halten. Dazu steuert die Schaltlogik 6 die Stromquelle 5 so, daß sie dem Integrator 3,4 regelmäßig Ladung zu- bzw. abführt. Die Zahl der Ladungspakete, die während einer festgelegten Integrationsdauer in den Integrator entladen werden, wird vom Zähler 8 mitgezählt und stellt ein digitales Maß des Photostroms Iph dar, welcher von Photodiode 1 erzeugt wird. Gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Länge der Integrationsdauer programmierbar und bestimmt die Auflösung des A/D-Wandlers. Die Integrationsdauer ist proportional zu 2n, wobei n die Auflösung des A/D-Wandlers in Bits ist.
Figur 2a zeigt die Schaltung aus Figur 1, wobei ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Stromquelle 5 ausführlicher dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht es, sowohl Ladung von der Stromquelle 5 zum Integrator 3,4 als auch von ihm zu übertragen ("zu entladen"). Mit Hilfe dieses Ausführungsbeispiels, das in der Folge als "bipolar" bezeichnet wird, können Eingangsströme beider Richtungen verarbeitet werden. Die Stromquelle bzw. der "Entladungsvorgang" werden mit Hilfe eines Schaltkondensatorverfahrens ausgeführt und umfaßt einen Kondensator Cd und vier Umschalter S1, S2, S3 und S4. Dem Summenknoten des Integrators wird Strom zugeführt, indem zunächst der Kondensator Cd durch Schließen der Umschalter S2 und S3 auf die Spannung Vd aufgeladen und anschließend durch Schließen der Umschalter S1 und S4 die Ladung auf den Integrator übertragen wird.
Den Schaltvorgang der Umschalter S1 bis S4 für diese Ladungsübertragung zum bzw. vom Integrator zeigen die beiden Zeitablaufsdiagramme der Figuren 2b und 2c, wobei g1 bis g4 die Steuersignale zum Betrieb der Umschalter S1 bis S4 bedeuten. Figur 2b stellt die Situation dar, daß Ladung zum Integrator übertragen wird, während Figur 2c die Situation darstellt, in der Ladung vom Integrator übertragen wird. Ein Puls in den Signalen g1 bis g4 stellt einen geschlossenen Umschalter dar.
Um Ladung auf den Integrator zu übertragen, werden die Umschalter S2 und S3 geschlossen, um den Kondensator Cd auf Vref aufzuladen. Anschließend wird durch Schließen der Umschalter S1 und S4 Ladung zum Integrator entladen. Die Aufladephase und die Entladephase werden in Figur 2b mit "Aufladen" bzw. "Entladen" bezeichnet. Gemäß Figur 2c wird Ladung vom Integrator entfernt, indem der Kondensator Cd durch Schließen der Umschalter S1 und S2 auf die Spannung Vsum (virtuelle Vref) aufgeladen und anschließend die Ladung durch Schließen der Umschalter S2 und S4 entladen wird.
Die A/D-Wandlung des Photostroms Iph verläuft wie folgt:
Der Komparator 7 wird regelmäßig aktiviert, um die Signale Vaus und Vschwelle als seine Eingänge zu vergleichen und ein Ausgangssignal Vcomp zu erzeugen, welches einer logischen "1" entspricht, falls Vaus größer als Vschwelle ist, und das einer logischen "0" entspricht, falls Vaus kleiner als Vschwelle ist. Entspricht Vcomp einer logischen "1", leitet die Schaltlogik 6 eine Entladung zum Integrator durch entsprechende Aktivierung der Umschalter S1 bis S4 ein. Dies führt zu einem negativen Spannungssprung am Ausgang des Integrators. Entspricht Vcomp einer logischen "0", veranlaßt die Schaltlogik 6 eine Entladung vom Integrator. Durch diese Merkmale einer negativen Rückkopplung liegt das Ausgangssignal Vaus des Integrators stets innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs um Vschwelle herum. Dieser Spannungsbereich hängt von der Kapazität Cint des Kondensators im Integrator sowie von der Ladungsmenge der Entladung ab. Bei einem Photostrom Iph=0 ist die Zahl der Entladungen vom Integrator gleich der Zahl der Entladungen zum Integrator. Wird der Strom von der Photodiode aus dem Summenknoten des Integrators hinausgetrieben, so überschreitet die Zahl der Entladungen zum Integrator die Zahl der Entladungen vom Integrator. Liegt der Photostrom an der Obergrenze (Iphmax) des Betriebsbereichs des A/D-Wandlers, werden alle Entladungen zum Integrator geführt. Oberhalb Iphmax überschreitet die vom Photostrom angesammelte Ladung die Ladungsmenge, die zum Integrator entladen werden kann. Diese Grenze hängt von der Frequenz eines Entladungszyklus (gemessen nach der Haupttaktfrequenz, Signal Mclk in Fig. 2a), der Kapazität Cd des Entladungskondensators sowie von Vref ab. Vref und die Kapazität des Entladungskondensators sind festgelegt, jedoch kann die Taktfrequenz durch einen externen Oszillator vorgegeben werden, wodurch eine Anpassung an die Intensität der Strahlung auf die Photodioden erreicht wird.
Die digitalen Daten, die den Photostrom darstellen, werden durch Zählen der Entladungen in einer Richtung während der Integrationsdauer ermittelt. Diese Zählung übernimmt der Zähler 8. Ein vollständiger Entladungszyklus, um Ladung vom bzw. zum Integrator zu entladen, umfaßt 6 Taktzyklen des Signals Mclk: 2 Taktzyklen für die Aufladephase (Laden des Kondensators), 2 Taktzyklen für die Entladungsphase (Entladen zum bzw. vom Integrator) und 2 Taktzyklen, um die beiden Phasen voneinander zu trennen. Der Komparator 7 ist gegen Ende der Entladungsphase stets aktiviert und bewirkt, daß die Schaltlogik 6 eine Entscheidung trifft, ob die nächste Entladung vom bzw. zum Integrator stattfinden soll und diese Entladung auch anschließend durchführt.
Figur 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem nur eine Entladungfunktion in einer Richtung vorgesehen ist. Dieses Ausführungsbeispiel, das nachfolgend als "unipolar" bezeichnet wird, besitzt den Vorteil, daß die Entladungsfunktion (bzw. die Stromquelle) im Gegensatz zum oben beschriebenen bipoiaren Ausführungsbeispiel nicht vier, sondern lediglich zwei Umschalter benötigt. Die elektronische Anordnung von Photodiode 1 wird so gewählt, daß der Photostrom Iph aus dem Summenknoten des Integrators 3,4 fließt. Dies läßt sich erreichen, indem die Photodiode 1 zwischen der Versorgungsspannung Vdd und dem Inversionsknoten des Integrators 3,4 angeschlossen wird. In diesem Fall beträgt die Umkehrvorspannung Vbias über der Photodiode 1 Vbias = Vdd - Vref. Die Stromquelle umfaßt einen Kondensator Cd sowie die Umschalter S1 und S2. Die übrige Schaltung des unipolaren Ausführungsbeispiels entspricht der bipolaren Schaltung in Figur 2a. Die Schaltsequenz zur Ladungsentladung vom Integrator besteht zunächst darin, den Umschalter S1 zu aktivieren, um den Kondensator Cd auf die Spannung Vsum aufzuladen, und anschließend darin, den Umschalter S2 zu aktivieren, um den Kondensator zu entleeren. Die Ladungsmenge Qd, die durch eine Entladung vom Integrator entfernt wird, beträgt Qd = Vref Cd. Dabei wird angenommen, daß der Operationsverstärker 3 ideal arbeitet und daß Vsum = Vref ist.
Wie im bipolaren Ausführungsbeispiel werden die dem Photostrom entsprechenden digitalen Daten durch Auszählen der Entladungen in einer Richtung erzeugt, d.h. in diesem Fall vom Integrator. Aufgrund der kleineren Anzahl von Schaltvorgängen gegenüber dem bipolaren Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Vorteil des unipolaren Ausführungsbeispiels ein verbessertes Signal-/Rausch-Verhältnis.
Die Figuren 3b und 3c verdeutlichen zusätzliche Ausführungsbeispiele der in Figur 3a gezeigten Schaltung. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von der in Figur 3a dargestellten Schaltung durch Zusatzschaltungen zur Verstärkung des Photostroms Iph von Photodiode 1. Der Grund für solche Stromverstärkungsschaltungen liegt darin, daß sich die Größenordnung des Photostroms mit der Intensität des auf die Photodiode treffenden Lichts ändert, so daß der A/D-Wandler wegen der sich ändernden Lichtintensitäten nicht immer bei seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann. Durch die Stromverstärkung wird jedoch der Photostrom von kleineren eintreffenden Lichtintensitäten mehr verstärkt als bei größeren eintreffenden Lichtintensitäten, so daß der A/D-Wandler unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann.
Figur 3b zeigt ein erstes Beispiel eines Stromverstärkers zur Verstärkung des Photostroms, der in der Technik als Wilson'scher Stromspiegel bekannt ist. Diese Schaltung umfaßt vier MOS-Transistoren T1 bis T4, die wie in Figur 3b dargestellt an die Versorgungsspannung Vdd und die Photodiode 1 angeschlossen sind. Der Verstärkungsfaktor wird bei dieser Anordnung durch das Seitenverhältnis von Kanallänge L und Kanalbreite W des Transistorpaares T1, T2 bestimmt. Der Verstärkungsfaktor g, d.h. das Verhältnis von Photostrom Iph zum verstärkten Strom Iein, beträgt:
g = Iph/Iein = L1/L2 W2/W1
Durch sorgsame Auswahl der Seitenverhältnisse der Transistoren T1 und T2 lassen sich ohne weiteres Verstärkungsfaktoren bis zu 50 verwirklichen. Abgesehen von anderen Vorteilen besitzt der Wilson'sche Stromspiegel den Vorteil einer einfachen Schaltanordnung.
Figur 3c zeigt eine Weiterentwicklung des in Figur 3b gezeigten Stromverstärkers, die einen programmierbaren Verstärkungsfaktor ermöglicht. Dies wird durch Parallelanordnung mehrerer Spiegeltransistoren, z. B. vier parallele Transistoren T2a, T2b, T2c, T2d, sowie durch entsprechende Umschalter Sa, Sb, Sc, Sd zum Ein- und Ausschalten der Transistoren ermöglicht. Das Seitenverhältnis für die Geometrie der Transistoren T2a, T2b, T2c und T2d wird so gewählt, daß ein binär gewichtetes Stromverhältnis für die an die Umschalter Sa, Sb, Sc bzw. Sd gelieferten Ströme Ia, Ib, Ic bzw. Id erreicht wird, so daß folgende Beziehungen gelten:
Ia = Iph ; Ib = 2 Iph ; Ic = 4 Iph ; Id = 8 Iph
Da die Umschalter Sa bis Sd unabhängig voneinander betätigt werden können, können beliebige Verstärkungsfaktoren g = Iein/Iph zwischen 1 und 15 in Schritten von 1 eingestellt werden.
Die gewünschte Verstärkung kann über die Leitungen VERST 1, VERST 2, VERST 3 und VERST 4 zu einem Verstärkerregister 30 übermittelt werden, von wo sie zur Schaltlogik 6 übermittelt wird, welche entsprechende Steuersignale ga, gb, gc bzw. gd zur Betätigung der Umschalter Sa, Sb, Sc bzw. Sd abgibt. Die Schaltlogik 6 erzeugt zudem die Ausgangssignale g1 und g2 zur Steuerung des Schaltvorgangs der Umschalter S1 und S2 der Entladungsschaltung. Datenregister 31 ist mit dem Ausgang von Zähler 8 verbunden, um die Daten aufzunehmen, die von der A/D-Wandlung des Photostroms stammen.
Die A/D-Wandlung des Photostroms Iph gemäß den beiden oben beschriebenen bipolaren und unipolaren Ausführungsbeispielen wird nun in Verbindung mit den Figuren 4a bzw. 4b beschrieben. Figur 4a ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung Vaus von Integrator 3,4 gegen die Zeit für das bipolare Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2a, wobei die Wellenformen (A1, A2) in den oberen bzw. unteren Hälften unterschiedlichen Photoströmen entsprechen. Figur 4b ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung Vaus von Integrator 3,4 gegen die Zeit für das unipolare Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3a, wobei die Wellenformen (B1, B2) in den oberen bzw. unteren Hälften verschiedenen Photoströmen entsprechen.
Die Wellenformen in Fig. 4a und 4b zeigen eine Auf- und Abbewegung, welche die Entladung von Ladung zum und/oder vom Integrator darstellt. Die Pfeile auf der Zeitachse mit den Buchstaben a bis i bezeichnen die Zeitpunkte, zu denen die Schaltlogik 6 eine Entscheidung trifft, ob und in welche Richtung eine Entladung stattfinden muß, damit die Ladung auf dem Integrator ausgeglichen bleibt. Fig. 4a zeigt Entladungen in beide Richtungen, während Fig. 4b nur Entladungen in eine Richtung zeigt. Es läßt sich erkennen, daß die resultierenden Wellenformen innerhalb eines Spannungsbereichs um die Spannung Vschwelle herum bleiben. Die Steigungen der Wellenformen (mit m1, m2, m3, m4 bezeichnet) sind proportional zum Photostrom Iph und umgekehrt proportional zur Kapazität Cint. Im gezeigten Beispiel ist die Kapazität Cint fest, so daß die Wellenformen A1 bzw. B1 (mit den Steigungen m1 bzw. m2) von einem größeren Photostrom stammen als die Wellenformen A2 bzw. B2 (mit den Steigungen m3 bzw. m4).
Der digitale Wert des Photostroms Iph ergibt sich durch Auszählen der Zahl der Entladungen in einer Richtung (d.h. in Figur 4a entweder in positiver oder in negativer Richtung) während der Integrationszeit Tint und daraus durch Berechnen des Werts Iph gemäß der nachfolgenden Erklärung. Die Figuren 4a und 4b zeigen nur einen kleinen Teil der ganzen Integrationszeit, die - je nach gewünschter Auflösung der A/D-Wandlung - mehrere tausendmal größer sein kann als der in den Figuren 4a und 4b gezeigte Zeitausschnitt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß sich das A/D-Wandlungsverfahren gemäß der Erfindung wie ein integrierendes A/D-Wandlungsverfahren verhält und somit eine gute Linearität aufweist.
Nachstehend werden einige Formeln abgeleitet, die die A/D- Wandlung und die resultierende Auflösung beschreiben.
Zunächst wird das bipolare Ausführungsbeispiel betrachtet, wobei folgende Abkürzungen verwendet werden:
Qph : aufgrund des Photostroms Iph während der Integrationszeit Tint angesammelte Ladung
Qdall: Nettobetrag der Ladung, die von der Entladungsschaltung zur Verfügung gestellt wird, um den Integrator im Gleichgewicht zu halten
Nzu : Anzahl der Entladungen zum Integrator
Nvon : Anzahl der Entladungen vom Integrator
Qzu : Größenordnung des Ladungspakets von einer Entladung zum Integrator
Qvon : Größenordnung des Ladungspakets von einer Entladung vom Integrator
Es gelten folgende Beziehungen:
Qph = Qdall
Iph Tint = Nzu Qzu - Nvon Qvon
Angenommen, Qzu = Qvon = Qd und Nvon = N - Nzu, wobei N die Gesamtzahl von Entladungen in beide Richtungen für ein gegebenes Integrationsintervall Tint ist. N kann als N = Tint / Td ausgedrückt werden, wobei Td die Ausführungsdauer einer Entladung ist.
Iph Tint = Qd (2 Nzu - N)
Mit Qd = Vref Cd, wobei Cd die Kapazität des Entladungskondensators ist, ergibt sich:
Iph Tint = Vref Cd (2 Nzu - N)
Diese Gleichung nach Nzu aufgelöst ergibt:
Nzu = [[Iph Tint]/[2 Vref Cd]] + [N/2] = [[Iph Tint]/[2 Vref Cd]] + [Tint/[2 Td]]
Da Vref, Cd und Td konstant und durch die Dimensionierung der Schaltung festgelegt sind, läßt sich die oben stehende Gleichung schreiben als:
Nzu = m Iph Tint + b Tint = Tint (m Iph + b)
Diese Form der Gleichung zeigt, daß die Anzahl Nzu der Entladungen zum Integrator proportional zur Größe des Photostroms Iph ist, jedoch um N/2 verschoben ist. Um diese Verschiebung zu vermeiden, läßt sich der Zähler zu Beginn der Umwandlung ganz einfach mit einem Wert initialisieren, der (-1) N/2 darstellt. Durch diesen modifizierten Algorithmus ist der Status des Zählers am Ende des Umwandlungsintervalls proportional zur Größe des Photostroms.
Die Auflösung des A/D-Wandlers ist gegeben durch:
Auflösung = Bereich von Iph/Bereich von DATEN [A/Lsb = Ampere/niederwertigstes Bit]
Mit Hilfe der oben stehenden, abgeleiteten Formeln gelten für "Bereich von Iph" und "Bereich von DATEN" die folgenden Gleichungen, wobei Iphmax und Iphmin der größte bzw. der kleinste Photostrom sind, der vom A/D-Wandler verarbeitet werden kann und "Bereich von DATEN" das entsprechende Intervall digitaler Daten ist:
Bereich von Iph = Iphmax - Iphmin
Bereich von DATEN=([[Iphmax Tint]/[2 Vref Cd]] + [N/2]) - ([[Iphmin Tint]/[2 Vref Cd]] + [N/2])
= [(Iphmax - Iphmin) Tint]/[2 Vref Cd]
Daraus ergibt sich folgende Gleichung für die Auflösung:
Auflösung = Bereich von Iph/Bereich von DATEN = [2 Vref Cd]/Tint [A/Lsb]
Nachstehend wird das unipolare Ausführungsbeispiel betrachtet, wobei folgende Abkürzungen verwendet werden:
Qph : aufgrund des Photostroms Iph während der Integrationszeit Tint angesammelte Ladung
Qdall: Nettobetrag der Ladung, die von der Entladungsschaltung zur Verfügung gestellt wird, um den Integrator im Gleichgewicht zu halten
Nd : Zahl der Entladungen vom Integrator
Qd : Größe des Ladungspakets einer Entladung vom Integrator
Es gelten folgende Beziehungen:
Qph = Qdall
Iph Tint = Nd Qd
Mit Qd = Vref Cd ergibt sich:
Iph Tint = Vref Cd Nd
Aufgelöst nach Nd ergibt sich daraus:
Nd = [Iph Tint]/[Vref Cd]
Die Auflösung des A/D-Wandlers ist gegeben durch:
Auflösung = Bereich von Iph/Bereich von DATEN = [Vref Cd]/Tint [A/Lsb]
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Auflösung beim unipolaren Ausführungsbeispiel um einen Faktor 2 besser als beim bipolaren Ausführungsbeispiel ist, vorausgesetzt, daß die gleiche Integrationszeit Tint und die gleichen Werte für Vref bzw. Cd verwendet werden. Außerdem ist die Anzahl der Entladungen Nd vom Integrator direkt proportional zum Photostrom Iph, wobei es anders als beim bipolaren Ausführungsbeispiel keine Verschiebung gibt.
Nach der vorstehenden Ableitung ist die Auflösung des A/D- Wandlers sowohl beim bipolaren als auch beim unipolaren Ausführungsbeispiel abhängig von Vref, Cd und Tint. Sind Vref und Cd festgelegt, hängt die Auflösung nur noch von der Integrationszeit Tint ab. Dies bietet die Möglichkeit, einen A/D-Wandler mit programmierbarer Auflösung zu konstruieren. Die Auflösung kann durch Steuerung der Integrationszeit Tint eingestellt werden, wobei Tint der Zeitspanne zwischen der Initialisierung von Zähler 8 in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3a und dem Lesen des Zählerstnads entspricht.
Nachstehend wird eine vollständige Photodiodenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Einbeziehung des Blockdiagramms in Figur 5 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist für den oben beschriebenen unipolaren Modus ausgelegt, bei welchem zur A/D-Wandlung Ladung nur in einer Richtung entladen wird. Die Photodiodenanordnung umfaßt n Kanäle (Kanal 1 ... Kanal n), wobei jeder Kanal eine Photodiode (1, ..., n) und anschließend eine Schaltung zur Verstärkung und A/D-Wandlung der Photoströme (Iph1, ..., Iphn) besitzt. Insbesondere umfaßt jeder Kanal folgendes (die Bezugsnummern im folgenden Absatz gelten für Kanal 1):
einen programmierbaren Stromverstärker 50, eine Entladungseinheit 51, eine Integratorschaltung 52, 53, einen Komparator 54, eine Logikschaltung 55 und einen Zähler 56. Diese Schaltung arbeitet wie oben beschrieben, um die A/D-Wandlung des Photostroms von Photodiode 1 durchzuführen. Ferner besitzt jeder Kanal ein Verstärkerregister 57 zum Speichern des Verstärkungsfaktors für den Photostrom für jeden Kanal und ein Datenregister 58 zur Aufnahme des aus der A/D-Wandlung resultierenden Digitalwerts. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt es n = 128 Kanäle, wobei es sich versteht, daß eine erfindungsgemäße Photodiodenanordnung eine beliebige Anzahl von Kanälen (d. h. Photodioden) umfassen kann.
Die n Photodioden und die entsprechende A/D-Wandlungsschaltung, wie sie oben beschrieben wurde, kann auf einem einzigen Halbleiterchip untergebracht werden, wobei die zu jeder Photodiode in einem Kanal gehörende Schaltung auf platzsparende Weise auf dem Chip hinter der Photodiode angeordnet werden kann. Dieser Chip ist vorzugsweise mit einem Mikroprozessor (nicht abgebildet) über zwei mit DATEN und ADRESSE beschriftete Busleitungen und drei Steuerleitungen mit den Aufschriften DATEN_BEREIT, LESEN und SCHREIBEN verbunden. Die Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor und der Photodiodenanordnung wird von der Schnittstellen- und Steuerlogik 60 übernommen. Das Arbeitsprinzip ähnelt der Art und Weise, in der ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) mit einem Mikroprozessor kommuniziert. Ein einer logischen "0" entsprechendes Signal auf der Leitung SCHREIBEN steuert das Speichern der Verstärkungsinformationen in den Verstärkerregistern (z. B. 57) vom DATEN-Bus, während die Signale auf dem ADRESSEN-Bus bestimmen, zu welchem der Verstärkerregister die Verstärkungsinformationen geleitet werden.
Es gibt ferner ein Konfigurationsregister 61 zur Aufnahme von Informationen über die Wandlungsfrequenz und die Auflösung des A/D-Wandlers. Diese Informationen werden codiert auf den Leitungen KONF1 und KONF2 zu allen n Logikschaltungen (z. B. Logikschaltung 55) und der Schnittstellen- und Steuerlogik 60 geleitet. Das Auslesen der Datenregister (z. B. des Datenregisters 58) wird durch das Signal READ gesteuert. Entspricht das Signal READ einer logischen "0", wird die zugehörige Signalleitung OE i (i = 1 bis n) aktiviert, wodurch im Gegenzug die Tristate-Puffer der Datenregister nach der auf dem ADRESSEN-Bus angelegten Adresse geöffnet werden, so daß der Inhalt des entsprechenden Datenregisters auf dem DATEN-Bus zur Verfügung steht und vom Mikroprozessor übernommen werden kann.
Das Signal DATEN_BEREIT dient dazu, dem Mikroprozessor anzuzeigen, daß neue, vom A/D-Wandler am Ende der Integrationszeit erzeugte Digitaldaten zur Verfügung stehen. Dieses Signal fungiert als Interrupt-Signal, um den Mikroprozessor zu zwingen, die Digitaldaten der Reihe nach aus allen n Kanälen zur weiteren Verarbeitung auszulesen.
Die Schnittstellen- und Steuerlogik 60 steuert die Integrationszeit durch vergleichen der Anzahl der Taktzyklen mit einem Wert, der aus der im Konfigurationsregister 61 gespeicherten Parametereinstellung für die Auflösung des A/D-Wandlers abgeleitet wird. Die Taktzyklen werden mit einem Taktzähler gezählt, der Teil der Schnittstellen- und Steuerlogik 60 ist. Die Zahl der Taktzyklen Nclock innerhalb der gewählten Integrationszeit ist gegeben durch Nclock = 6 2n, wobei n die Auflösung des A/D-Wandlers in Bits darstellt und der Faktor 6 angibt, daß sechs Taktzyklen für eine Entladung benötigt werden. Bei einer Auflösung des A/D-Wandlers von z. B. 16 Bit entspricht die Integrationszeit 393216 Taktzyklen. Bei einer Haupttaktfrequenz (Signal Mclk) von z. B. 39216 MHz ergibt dies eine Integrationszeit Tint = 10 ms bzw. eine Umwandlungsfrequenz von 100 Hz.
Am Ende der Integrationszeit sendet die Schnittstellen- und Steuerlogik 60 ein Triggersignal über die Leitung STROBE zu jeder Kanallogikschaltung (z. B. Kanallogikschaltung 55). Jede der Logikschaltungen erzeugt im Gegenzug ein Signal auf Leitung STRDi (i = 1 bis n), welches das Speichern des Inhalts des entsprechenden Entladungszählers (z. B. des Zählers 56) im zugehörigen Datenregister (z. B. Datenregister 58) bewirkt. Das Signal STRDi bewirkt ferner, daß die entsprechende Logikschaltung ein Signal Clr erzeugt, das den entsprechenden Entladungszähler für die nächste Integrationsperiode initialisiert. Gleichzeitig wird das Signal DATEN_BEREIT aktiviert. Es wird von einem Quittungssignal vom Mikroprozessor durch Setzen eines Flags (ein Bit) im Konfigurationsregister 61 inaktiviert.
Die Logikschaltung (z. B. Schaltkreis 55) jedes Kanals erzeugt vier Steuersignale gai, gbi, gci, gdi (i = 1 bis n) zur Steuerung des programmierbaren Stromverstärkers des in Figur 3c gezeigten Typs. Ferner erzeugt jede Logikschaltung zwei Steuersignale g1i, g2i zum Steuern der Umschalter der Entladungseinheit (z. B. der Entladungseinheit 51), wobei die Entladungseinheit vom in Figur 3a gezeigten Typ ist. Wie bereits erwähnt, liefert jede Logikschaltung auch die Takt- und Rücksetzsignale für den zugehörigen Zähler (Signale Clr und Clk) und zum Speichern des Ergebnisses der A/D-Wandlung im zugehörigen Datenregister. Die Wellenformen der Signale g1i und g2i hängen vom Strom Iein ab, der vom Stromverstärker geliefert wird.

Claims

1. Photodiodenanordnung mit einer Vielzahl von Kanälen, von denen jeder folgendes umfaßt:

- eine Photodiode (1), die so in Umkehrrichtung vorgespannt ist, daß sie als Stromquelle fungiert, und die als Reaktion auf das auf die Photodiode treffende Licht ein elektrisches Ausgangssignal (Iph) liefert sowie

- eine Schaltung zur Verarbeitung der elektrischen Ausgangssignale (Iph) der Photodiode (1),

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal eine Analog- /Digital-Wandlerschaltung (3, 4, 5, 6, 7, 8) zum Liefern eines digitalen Ausgangssignals umfaßt, welches die Intensität des auf die Photodiode (1) treffenden Lichts anzeigt, wobei die Analog-/Digitalwandlerschaltung folgendes umfaßt:

- eine Integratorschaltung (3, 4) zum Sammeln von Ladung entsprechend dem von der Photodiode gelieferten Photostrom (Iph),

- eine steuerbare Stromquelle (5) zum Entladen von Ladungspaketen zu und/oder von der Integratorschaltung (3, 4),

- eine Komparatorschaltung (7) zum Vergleichen des Ausgangssignals (Vaus) der Integratorschaltung (3, 4) mit einem vorgegebenen Signal (Vschwelle),

- eine Logikschaltung (6), die mit dem Ausgang der Komparatorschaltung (7) und einem Steuereingang der Stromquelle (5) verbunden ist, um die Stromquelle (5) so zu steuern, daß das Ausgangssignal (Vaus) der Integratorschaltung (3, 4) innerhalb eines Bereichs um das vorgegebene Signal (Vschwelle) herum gehalten wird, und

- an die Logikschaltung (6) gekoppelte Mittel (8) zum Erzeugen des digitalen Ausgangssignals aus der Anzahl der Entladungen zu oder von der Integratorschaltung während einer vorgegebenen Zeitspanne (Tint).

2. Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Stromquelle (5) einen Kondensator (Cd) und eine Vielzahl von Umschaltern (S1, S2, S3, S4) umfaßt, welche in Reaktion auf von der Logikschaltung (6) gelieferte Steuersignale (g1, g2, g3, g4) aktiviert werden, so daß Ladung zur und/oder von der Integratorschaltung (3, 4) durch entsprechendes Laden und Entladen des Kondensators (Cd) entladen werden kann.

3. Photodiodenanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die einen Stromverstärker (T1, T2, T3, T4) zur Verstärkung des von der Photodiode (1) gelieferten Stroms (Iph) vor der Analog-/Digitalwandlung umfaßt.

4. Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 3, wobei der Stromverstärker einen Wilson'schen Stromspiegel umfaßt.

5. Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 3, wobei der Stromverstärker eine programmierbare Verstärkung besitzt.

6. Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 5, wobei kleine Ströme (Iph) mehr verstärkt werden als große Ströme.

7. Photodiodenanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Photodioden (1 bis n) und die zu den Photodioden gehörenden Analog-/Digitalwandlerschaltungen auf einem einzigen Halbleiterchip untergebracht werden.

8. Verwendung einer Photodiodenanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einem Spektralphotometer, wobei das Spektralphotometer eine Lichtquelle, die polychromatische Lichtstrahlen aussendet, eine Probenzelle, die der Lichtstrahl durchläuft, sowie ein Wellenlängenzerlegungselement umfaßt, das den aus der Probenzelle austretenden Lichtstrahl aufnimmt und einen Ausgangsstrahl erzeugt, der eine Vielzahl räumlich getrennter Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge umfaßt, welche auf die Photodiodenanordnung gelenkt werden.