DE69632532T2

DE69632532T2 - Multiplexe schaltung

Info

Publication number: DE69632532T2
Application number: DE69632532T
Authority: DE
Inventors: Christopher Neil BIRD
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: WO1997025779A3; EP0815646B1; JPH11502396A; WO1997025779A2; US5912578A; DE69632532D1; GB9600543D0; EP0815646A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Multiplexerschaltung und auf eine Gliederung von Anordnungselementen, die in Reihen und Spalten gegliedert sind, und Spaltenmultiplexerschaltungen aufweisen. Insbesondere sind die Anordnungselemente Bildabtastelemente eines großflächigen Bildsensors.
Es ist bekannt, Reihen- und Spaltenmultiplexer zum Adressieren oder zum Auslesen einer Gliederung von elektronischen Anordnungen vorzusehen. Derartige Multiplexerschaltungen umfassen im Allgemeinen eine Anordnung von Schaltern, die selektiv einen der Schalteingänge mit einem gemeinsamen Ausgang koppeln.
Es sind mehrere Schaltertypen verfügbar, die zum Bilden von Multiplexerschaltungen benutzt werden können. Ein Schaltertyp erfordert die Verwendung einer Diodenbrücke mit vier Dioden, wobei die vier Verbindungspunkte um die Brücke einen Eingang, einen Ausgang und zwei Steuerklemmen definieren. Die Steuerklemmen ermöglichen es, dass die vier Dioden zwischen Durchlassspannung, wenn der Eingang mit dem Ausgang gekoppelt ist, und Sperrspannung, wenn der Ausgang gegenüber dem Eingang isoliert ist, geschaltet werden können. Die Verwendung eines derartigen Schalters als Spannungsschaltelement ist beispielsweise in den nachfolgenden Dokumenten beschrieben worden:
US 4 150 256 (beispielsweise 3) beschreibt eine Multiplexerschaltung mit einer Anordnung von Schaltern, wobei jeder Schalter die Diodenbrücke mit vier Dioden aufweist, die selektiv in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden, und zwar durch Zuführung von Steuerspannungen zu zwei Steuerklemmen. Die zwei Steuerklemmen sind mit gegenüber liegenden Enden einer Sekundärwicklung eines Transformators verbunden. Auf diese Weise ist ein Strom, der durch die Transformatorwicklung der Diodenbrücke zugeführt wird, gleich einem Strom, der der Diodenbrücke entnommen wird. Die Schaltungsanordnung weist den Nachteil auf, dass für jeden Schalter ein Transformator vorgesehen werden muss und deswegen eignet sich die Schaltungsanordnung nicht für Integration in einem großflächigen Schaltungssubstrat.
US 4 518 921 beschreibt einen Abtast-und-Haltesschalter, wobei die Diodenbrücke durch betreffende Paare von Stromquellen ein- und abgeschaltet wird. Auch hier wird gewährleistet, dass die Ströme zu der Diodenbrücke und von derselben gleich sind. Der Abtast-und-Halteschalter von US 4 518 921 hat einen Ausgangskondensator, so dass die Ausgangsspannung ansteigen oder abfallen kann um der Eingangsspannung zu folgen, wenn der Diodenbrückeschalter sich in dem EIN-Zustand befindet.
Damit die Diodenbrücke einwandfrei funktioniert bei der Umsetzung der Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung müssen die Spannungen an den Steuerklemmen der Diodenbrücke nicht fest sein und in den oben genannten Fällen kann eine Sekundärwicklung eines Transformators verwendet werden (die eine schwebende Spannung liefert) oder es können Stromquellen vorgesehen sein (die einen konstanten Strom liefern, unabhängig von den Spannungen an denselben).
US 3 059 228 beschreibt eine andere Verwendung eines Diodenbrückenabtastschalters, wobei die Steuerklemmen der Diodenbrücke in Abhängigkeit von der Eingangsspannung schweben können, durch die Verwendung einer Diode und eines Widerstandsnetzwerkes. Das Netzwerk umfasst zwei Spannungsquellenpaare zur Steuerung des Ein- und Abschaltens der Diodenbrücke. Der Schalter funktioniert zum Übertragen einer Eingangsspannung über den Schalter zu der Ausgangsklemme, die ein Ladungsspeicherelement aufweist, wodurch die Ausgangsspannung entsprechend der Eingangsspannung ansteigen oder abfallen kann. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, gewährleistet eine Widerstandsspeisung von Hochspannungsquellen, dass der Diodenbrücke im Wesentlichen konstante und gleiche Ströme zugeführt und derselben entnommen werden.
Die vorliegende Erfindung versucht eine Multiplexerschaltung für eine Gliederung von elektrischen Anordnungen zu schaffen, und zwar unter Verwendung von Diodenbrückenschaltern, die integriert werden können, zusammen mit der betreffenden Speiseschaltung, und zwar auf dem Substrat der Gliederung von elektronischen Anordnungen, und wobei diese Multiplexerschaltung verwendet werden kann um einen Strom von dem Eingang der Diodenbrücke zu dem Ausgang zu schalten. Der oben beschriebene Stand der Technik befasst sich weder mit den speziellen Problemen in Bezug auf die Integration der Schaltungsanordnung in einer Anordnung von elektrischen Elementen, noch mit der Verwendung der Diodenbrücke als eine Stromschaltvorrichtung.
Da der Strom an dem Ausgang der Diodenbrücke dem Eingangsstrom entsprechen soll, muss der der Diodenbrücke durch die Steuerschaltung gelieferte Strom dem Strom entsprechen, der der Diodenbrücke entnommen wird. Die folgt aus dem Basisprinzip, dass der Gesamtstrom, der in die Schaltungsanordnung einfließt, dem Gesamtstrom entsprechen soll, der die Schaltungsanordnung verlässt (Kirchhoffsches Stromgesetz). Deswegen wird erwartet, wenn die Diodenbrücke als Stromschalter verwendet werden soll, dass entweder die Speiseklemmen der Diodenbrücke miteinander gekoppelt sein müssen, beispielsweise auf die Art und Weise dargestellt in US 4 150 256 , oder dass gleiche Stromquellen vorgesehen werden müssen, beispielsweise auf die Art und Weise wie in US 4 518 921 dargestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Kopplung der Steuerschaltung mit der Diodenbrücke über weitgehend nichtlineare Widerstandselemente zu einem Ausgangsstrom führen kann, der zu dem Eingangsstrom proportional ist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Multiplexerschaltung geschaffen mit einer Anzahl Multiplexerschalter, je zum Umschalten eines Stromsignals zwischen einem Eingang des Schalters und einer gemeinsamen Klemme, wobei jeder Schalter die nachfolgenden Elemente umfasst:

– eine betreffende Diodenbrücke mit einem ersten und einem zweiten Schenkel, die sich je zwischen einem Speiseknotenpunkt der Diodenbrücke und einem Abführungsknotenpunkt der Diodenbrücke erstrecken, wobei jeder Schenkel ein betreffendes Diodenpaar enthält, die an einem betreffenden Knotenpunkt dieses Schenkels miteinander gekoppelt sind und dieselbe Polarität haben wie jede andere zwischen dem Speise- und Abführungsknotenpunkt, wobei der betreffende Eingang des Schalters mit dem Knotenpunkt des ersten Schenkels gekoppelt ist, wobei die gemeinsame Klemme mit dem Knotenpunkt des zweiten Schenkels gekoppelt ist;
– eine Speisesteuerleitung, der eine Speisespannung zugeführt wird, und die über eine Speisediode mit dem Speiseknotenpunkt der Diodenbrücke gekoppelt ist, und
– eine Abführungssteuerleitung, der eine Abführungsspannung zugeführt wird, und die über eine Abführungsdiode mit dem Abführungsknotenpunkt der Diodenbrücke gekoppelt ist,
– wobei die Speise- und die Abführungsdioden dieselbe Polarität haben wie die Dioden der Diodenbrücke,

Die Verwendung von Dioden, trotz deren weitgehend nicht-linearen Charakteristik, als die Widerstandsverbindung der Speise- und Abführungsknotenpunkte mit den Steuerleitungen ermöglicht es, dass die Multiplexerschaltung in der Ganz-Diodentechnologie ausgebildet und auf dem Substrat der elektronischen Anordnung integriert werden kann.
Die vorliegende Erfindung schaffte ebenfalls eine elektronische Anordnung mit einer Gliederung von Ladungsspeicherelementen, die in Reihen und Spalten gegliedert sind und die mit Reihen- und Spaltenleitern gekoppelt sind, wobei die Spaltenleiter in wenigstens einer Gruppe gegliedert sind, wobei jede Gruppe eine betreffende gemeinsame Klemme haben, wobei eine Spaltenmultiplexerschaltung nach der vorliegenden Erfindung die Spaltenleiter einer betreffenden Gruppe mit der betreffenden gemeinsamen Klemme koppeln, wobei der Eingang jedes Multiplexerschalters einen betreffenden Spaltenleiter aufweist, und eine Ladungsmessanordnung, die das Potential der gemeinsamen Klemme auf ein festes Potential klemmt und den Fluss an Ladung von der gemeinsamen Klemme misst.
Vorzugsweise ist ein Klemmschalter mit dem betreffenden Spaltenleiter gekoppelt zum Klemmen des Potentials des Spaltenleiters in dem zweiten Zustand der Brücke.
Die Ladungsmessanordnung klemmt den Ausgang der Diodenbrücke auf eine feste Spannung, wodurch es ermöglicht wird, dass der Ausgangsstrom der Diodenbrücke gemessen wird, wodurch vermieden wird, dass die Ausgangsspannung als Ergebnis des Ladungsflusses an dem Eingang des Schalters, sich ändert.
Die Multiplexerschaltung nach der vorliegenden Erfindung kann eine feste Schaltgeschwindigkeit haben, bestimmt durch niedrige Werte der Diodenkapazitäten. Die Multiplexerschaltungen können beispielsweise zur Verwendung mit den Spaltenleitern einer Bildabtastanordnung entworfen sein.
Die elektronische Anordnung ist vorzugsweise ein Bildsensor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Bildabtastpixels,
2 ein einfaches Schaltbild eines Teils einer Bildabtastanordnung nach der vorliegenden Erfindung mit einer Spaltenmultiplexerschaltung,
3 ein Schaltbild eines Multiplexerschalters des in der Schaltungsanordnung nach 2 verwendeten Multiplexers,
4 ein Schaltbild zur Erläuterung der Stromschaltkennlinien des Multiplexerschalters nach 3 und
5 bis 7 eine Analyse der Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom des Multiplexerschalters nach 3 für bestimmte Diodencharakteristiken.
Es sei bemerkt, dass alle Zeichnungen schematisch und nicht maßstabsgerecht gezeichnet worden sind.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung von Ladungsspeicherelementen, die in Reihen und Spalten gegliedert sind, wobei Signale aus den Spaltenleitern ausgelesen werden. Jede Spalte hat einen Multiplexerschalter, dargestellt in 3, so dass Signale von einer Anzahl Spalten zu einem gemeinsamen Ausgang geschaltet werden können. Jeder Multiplexerschalter umfasst eine Diodenbrücke (36–39) mit einem Eingang (60) und einem Ausgang (34). Strom wird der Diodenbrücke über eine Speisediode (52) zugeführt und über eine Abführungsdiode (54) von der Brücke abgeführt, zur Steuerung der Schaltvorgänge der Brücke. Der Ganz-Diodenschalter kann auf dem Substrat der Anordnung integriert sein und hat ein im Wesentlichen lineares Schaltverhalten.
1 zeigt ein Beispiel von vier Pixeln einer bekannten Ladungsspeicheranordnung in Form eines Bildsensors 10. Obschon nur vier Pixel 12 dargestellt sind, wird der Bildsensor 10 eine zweidimensionale Matrix von Reihen und Spalten mit Pixeln mit zugeordneten Reihenleitern 14 und Spaltenleitern 15 aufweisen.
Jedes Pixel 12 umfasst eine photoempfindliche Diode PD und eine Schaltdiode SD, die in Reihe zwischen dem zugeordneten Reihenleiter 14 und dem Spaltenleiter 16 vorgesehen sind. In dem dargestellten Beispiel sind die Schaltdiode SD und die Photodiode PD derart vorgesehen, dass die Kathoden miteinander gekoppelt sind, obschon sie entge gengesetzt gekoppelt sein können. Ein Kondensator C ist dargestellt, der über die photoempfindliche Diode PD gekoppelt ist. Dieser Kondensator C kann die Streukapazität der photoempfindlichen Diode PD sein oder kann ein zusätzlicher Kondensator sein, der hinzugefügt worden ist um den dynamischen Bereich des Bildsensors 100 zu Steigern.
Wenn eine Photodiode rückwärts vorgespannt und elektrisch isoliert gehalten wird, dann wird Licht, das auf die Photodiode trifft, einen Minoritätsträgerstrom in der Photodiode verursachen, wie durch den Pfeil 18 dargestellt.
Dieser Strom kann entweder durch direktes Messen des Photodiodenstroms, der erzeugt wird, indem die schaltende Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, ausgelesen werden, oder der Photodiodenstrom kann die Kapazität C während einer sog. Integrationsperiode entladen, wobei der Beleuchtungspegel durch den Strom bestimmt wird, der erforderlich ist um den Kondensator danach neu aufzuladen. Auf jeden Fall wird der Strom gemessen unter Verwendung von ladungsempfindlichen Verstärkern 20, die mit den Spaltenleitern gekoppelt sind.
Ein bekanntes Problem mit den Bildsensoranordnungen ist, dass da die Reihentreiberschaltung und Spaltenausleseschaltung nicht auf dem Substrat der Bildsensoranordnung integriert sind, Verbindungen zwischen jeder Reihe R und der Reihentreiberschaltung, sowie zwischen jeder Spalte C und der Spaltenausleseschaltung gemacht werden müssen. Deswegen sind Multiplexerschaltungen erforderlich, die auf dem Substrat des Bildsensors integriert werden können um die Anzahl Ausgänge des Substrats zu reduzieren.
Die 2 und 3 zeigen einen Bildsensor, wobei eine Spaltenmultiplexerschaltung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Der Bildsensor 100 aus 2 umfasst eine Anordnung 10 von Bildsensorpixeln 12 entsprechend denen aus 1. Der Deutlichkeit halber sind die mit den Photodioden assoziierten Kapazitäten nicht dargestellt. Es ist eine Reihentreiberschaltung 30 vorgesehen zum Erzeugen von Zeilenabtastimpulsen, die danach den Reihenleitern 14 zugeführt werden um daraufhin die Reihen R der Anordnung zu adressieren. Wie anhand der 1 erläutert, dienen diese Zeilenabtastimpulse zum Vorspannen der Schaltdioden SD der adressierten Reihe in der Vorwärtsrichtung.
Die Spalten C sind in Gruppen gegliedert, wie die Gruppe C1 bis C3, und die Gruppe C4 bis C6. Jede derartige Gruppe hat eine betreffende gemeinsame Klemme 34. Der Spaltenleiter 16 für jede Spalte ist mit einem assoziierten Multiplexerschalter 32 ver bunden, der den Spaltenleiter 16 mit der gemeinsamen Klemme 34 verbindet. Auf diese Weise übertragen die Multiplexerschalter 32 das Signal von einem selektierten Spaltenleiter 16 zu der gemeinsamen Klemme 34. Auf diese Weise wird das photo-erzeugte Signal von der Photodiode PD einer selektierten Reihe über die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Schaltdiode SD dem gemeinsamen Leiter zugeführt und wird über den betreffenden Spaltenmultiplexerschalter 32 ausgelesen. Die Multiplexerschalter 32 bilden zusammen die Spaltenmultiplexerschaltung 33. Der ladungsempfindliche Verstärker 20 ist mit der gemeinsamen Klemme 34 verbunden um dieses photo-erzeugte Signal auf bekannte Art und Weise auszulesen.
Die ladungsempfindlichen Verstärker 20 können als monolithisches Silizium-ICs gebildet werden, separat von dem Anordnungssubstrat, auf dem die Anordnung 100 und die Spaltenmultiplexerschalter 32 durch Dünnfilmschaltungen gebildet sein können. Auf diese Weise können die gemeinsamen Klemmen 34 die Ausgangsklemmen des Anordnungssubstrats sein. Auf gleiche Weise kann die Reihentreiberschaltung 30 als eine monolithisches Silizium-IC gebildet sein, so dass die Verbindungen zwischen der Reihentreiberschaltung 30 und den Reihenleitern 14 ebenfalls Ausgangsklemmen des Anordnungssubstrat sein können. Es kann auch möglich sein, wenigstens einen Teil der Reihentreiberschaltung 30 und/oder der ladungsempfindlichen Verstärker 20 in Dünnfilmschaltungstechnik auszubilden, die dazu auf demselben Anordnungssubstrat wie die Anordnung 100 gebildet sein können.
Die Multiplexerschalter 32 sind nur schematisch in 2 dargestellt und 3 zeigt das Schaltbild für jeden Multiplexerschalter 32.
Der Multiplexerschalter 32 umfasst eine Diodenbrücke, die aus Dioden 36 bis 39 gebildet ist, die in Form von zwei Schenkeln 40 und 42 gegliedert sind. Die sich je zwischen einem Speiseknotenpunkt 44 und einem Abführungsknotenpunkt 46 der Diodenbrücke erstrecken. Jeder Schenkel 40, 42 umfasst ein Paar der Dioden 36 bis 39, die in Reihe verbunden sind und die gleiche Polarität haben wie jedes andere Paar zwischen dem Speiseknotenpunkt 44 und dem Abführungsknotenpunkt 46. Der Spaltenleiter 16 ist mit dem ersten Schenkel 40 an dem Verbindungspunkt der Dioden 36 und 37 verbunden. Der Ausgang der Diodenbrücke, der mit der gemeinsamen Klemme 34 verbunden ist, ist mit dem zweiten Schenkel 42 an dem Verbindungspunkt der zwei Dioden 38 und 39 verbunden. Die Steuerleitungen 48 und 50 sind vorgesehen um Schaltspannungen zuzuführen zum Schalten der Dioden 36 bis 39 der Diodenbrücke zwischen der Vorspannung in Vorwärtsrichtung in einem ersten Zustand der Brücke und der Vorspannung in der Sperrrichtung in einem zweiten Zustand der Brücke. Auf diese Weise wird zwischen dem Spaltenleiter 16 und der gemeinsamen Klemme 34 in dem ersten Zustand der Brücke ein Signal übertragen und wird nicht in dem zweiten Zustand der Diodenbrücke übertragen. Die Steuerung der Diodenbrücke wird in den nachfolgenden Abschnitten näher beschrieben.
Die Verwendung einer Diodenbrücke als eine Schaltanordnung ist bekannt. So werden beispielsweise derartige Diodenbrückenschalter zum Schalten von Spannungen zwischen einem Eingang und einem Ausgang in US 4 518 921 verwendet. Wenn die Diodenbrücke zum Schalten von Spannungen verwendet werden soll, muss das Potential des Speiseknotenpunktes 44 und des Abführungsknotenpunktes nicht fest sein. Deswegen wurde vorgeschlagen, wenn dieser Typ von Diodenbrücke als eine Spannungsschaltvorrichtung verwendet wird, die Diodenbrücke mit Spannungsquellen zu speisen und abzuführen, die einen konstanten Strom liefern, unabhängig von der Spannung daran. Auf alternative Weise wurde vorgeschlagen, beispielsweise in US 4 150 256 , den Speiseknotenpunkt und den Abführungsknotenpunkt der Diodenbrücke mit entgegengesetzten Enden einer Sekundärwicklung eines Transformators zu verbinden. Dies schafft einen konstanten Spannungsabfall an der Diodenbrücke, legt aber das Potential des Speiseknotenpunktes oder des Abführungsknotenpunktes nicht fest. Es ist deutlich, dass es unerwünscht ist oder unpraktisch, Stromquellen oder Transformatoren für jeden Multiplexerschalter vorzusehen, wenn der Diodenbrückenschalter auf dem Substrat einer integrierten großflächigen elektronischen Anordnung integriert werden soll.
Wenn der Diodenbrückenschalter zum Schalten einer Spannung verwendet werden soll, wie in dem Stand der Technik, wird vorzugsweise eine Ladungsspeicheranordnung an dem Ausgang der Diodenbrücke vorgesehen um die an dem Ausgang erreichte Spannung festzuhalten. Wenn die Diodenbrücke einen stabilen Zustand erreicht hat, fließt kein Strom zu dem Ausgang, so dass in dem zweiten Schenkel 42 der Diodenbrücke in den zwei Dioden 38, 39 dieses Schenkels ein gleicher Strom fließt. Deswegen sind die Spannungen an den zwei Dioden einander gleich (vorausgesetzt, dass die zwei Dioden gleichwertig sind) und die Ausgangsspannung ist zwischen den Spannungen des Speiseknotenpunktes 44 und des Abführungsknotenpunktes 46 zentriert. Da die Schaltungsanordnung derart vorgesehen ist, dass der dem Abführungsknotenpunkt 44 zugeführte Strom dem dem Abführungsknotenpunkt 46 abgeführten Strom entspricht, fließt kein Strom in den Eingang. Dadurch wird die Eingangsspannung ebenfalls zwischen den Spannungen des Speiseknotenpunktes 44 und des Abführungsknotenpunktes 46 zentriert. Auf diese Weise muss der der Brücke gelieferte Strom dem von der Brücke abgeführten Strom gleich sein, damit die Ausgangsspannung einen stabilen Zustand erreicht, wenn sie der Eingangsspannung gleich ist.
Die Verwendung eines Diodenbrückenschalters als ein Element für eine Multiplexerschaltung einer Bildsensoranordnung erfordert, dass der Schalter einen Ausgangsstrom liefert, der dem Eingangsstrom entspricht, wie anhand der 4 näher erläutert wird, wobei es sich um ein Schaltbild handelt zur Erläuterung der Wirkungsweise der Diodenbrücke beim Umschalten eines Stromes zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Folgendes wird dabei vorausgesetzt:

• i_i = Eingangsstrom, der zu dem Ausgang geschaltet werden soll,
• i_o = Ausgangsstrom
• i_s = Strom, der dem Speiseknotenpunkt 44 zugeführt wird,
• i_d = Strom, der von dem Abführungsknotenpunkt 46 abgeführt wird,
• i₃₆, i₃₇, i₃₈, i₃₉ = Ströme, die in der Diode 36 bis 39 fließen.

44

i38 = is – i36 (1)

ii = i37 – i36 (2)

46

i39 = id – i37 (3)

io = i38 – i39 (4)

io = ii + is – id (5)

Dies folgt auch durch Betrachtung der Ströme, die in die Diodenbrückenschaltung als Ganze einfließen und aus derselben ausfließen.
Die Gleichung (5) zeigt, dass der Speisestrom und der Abführungsstrom einander entsprechen sollen, damit der Ausgangsstrom von der Diodenbrücke dem Ein gangsstrom entspricht. Wenn die Ströme i_s und i_d entsprechend einer Änderung in dem Eingangsstrom (verschieden) variieren, dann wird der Ausgangsstrom dem Eingangsstrom nicht folgen. Dadurch würde die Verwendung gleicher Stromquelle als Speisung zu und als Abführung von der Diodenbrücke als geeignet erscheinen, wenn die Diodenbrücke zum Schalten von Strömen verwendet werden soll. Auf alternative Weise würde die Verbindung des Speiseknotenpunktes 44 und des Abführungsknotenpunktes 46 mit entgegengesetzten Enden einer Sekundärwicklung eines Transformators gewährleisten, dass die Ströme an der Speiseelektrode und der Abführungselektrode der Diodenbrücke immer gleich sind.
In 3 umfasst der Multiplexerschalter 32 nach der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen eine Speisediode 52, die zwischen der Speisesteuerleitung 48 und dem Speiseknotenpunkt 44 der Diodenbrücke vorgesehen ist, und eine Abführungsdiode 54, die zwischen dem Abführungsknotenpunkt 46 der Diodenbrücke und der Abführungssteuerleitung 50 vorgesehen ist. Die Speise- und Abführungsdiode 52, 54 haben die gleiche Polarität wie die Dioden der Diodenbrücke und sind deswegen in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Steuerleitungen 48, 50 im Betrieb sind um die Dioden der Diodenbrücke in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Auf diese Weise sind, wenn der Multiplexerschalter 32 sich in dem EIN-Zustand befindet, und die Diodenbrücke leitend ist, die Speisediode und die Abführungsdiode ebenfalls leitend.
Die in dem Multiplexerschalter 32 nach der vorliegenden Erfindung verwendete Speisediode und Abführungsdiode erfordern nicht, dass der Speisestrom und der Abführungsstrom einander gleich sind. Die durch diese zwei Dioden fließenden Ströme werden tatsächlich variieren, und zwar abhängig von der Eingangsspannung, die variieren wird, wenn der Eingangsstrom variiert. Insbesondere wird die Eingangsspannung die Spannungen an dem Speiseknotenpunkt 44 und dem Abführungsknotenpunkt 46 bestimmen und wird dadurch den Potentialabfall an der Speisediode 52 und der Abführungsdiode 54 bestimmen. Diese Dioden brauchen keine lineare Strom-Spannungskennlinie zu haben. Insbesondere brauchen amorphe Siliziumdioden keinen linearen Frequenzgang zu haben, sogar wenn die Diode stark in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Stromschaltkennlinie erhalten werden kann, die der Linearität annähert, trotz der nicht ohmschen Widerstandsspeisung der Diodenbrücke. Diese Linearität kann erwartet werden, wenn der von den Spaltenleitern empfangene Eingangsstrom im Vergleich zu den Schaltströmen, die in der Diodenbrücke fließen, wenn sie sich in dem EIN-Zustand befindet, sehr klein ist. Die Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung hat aber nach wie vor einen im Wesentlichen linearen Frequenzgang, sogar wenn der Eingangsstrom (von den Spaltenleitern) den Ruheströmen, die in der Diodenbrücke fließen annähert. Die Linearität der Schaltungsanordnung wird anhand der 5 bis 7 näher erläutert, wie nachstehend beschrieben.
Der Ausgang der Diodenbrücke ist mit der gemeinsamen Klemme 34 und dadurch mit dem ladungsempfindlichen Verstärker 20 verbunden. Der ladungsempfindliche Verstärker umfasst einen integrierenden Verstärker mit einer kapazitiven Rückkopplungsschleife und wobei der Eingang auf einem festen Potential gehalten wird. Auf diese Weise kann der ladungsempfindliche Verstärker einen Operationsverstärker aufweisen, wobei eine Klemme geerdet und die andere Klemme mit dem gemeinsamen Eingang und über eine kapazitive Last mit dem Ausgang verbunden ist. Die Rückkopplungsschleife kann auch einen Rückstellschalter aufweisen, der verwendet werden kann zum Rückstellen des Ausgang auf das Erdpotential. Auf diese Weise wird der Ausgang der Diodenbrücke auf Null Volt gehalten, was vermeidet, dass die Ausgangsspannung der Eingangsspannung der Diodenbrücke folgt und ebenfalls eine wesentliche Verschiebung der Spannungspegel an dem Speiseknotenpunkt 44 und dem Abführungsknotenpunkt 46 vermieden wird. Dies liefert einen Beitrag dazu, dass die Ströme, die dem Speiseknotenpunkt 44 und dem Abführungsknotenpunkt 46 über die Speisediode 52 bzw. die Abführungsdiode 54 zugeführt werden im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Wie in 2 dargestellt, sind die Spalten C in Gruppen gegliedert. Wie es aus dem Multiplexerschalter 32 aus 3 einleuchten dürfte, erfordert jeder Schalter ein Paar Steuerleitungen 48, 50, und ein Multiplexerschalter 32 muss unabhängig selektierbar sein aus diesen Schaltern 32 für eine Gruppe von Spalten. Auf diese Weise werden die Multiplexerschalter in einer Gruppe mit einzelnen Steuerleitungen 48, 50 gespeist, wie in 2 dargestellt. Die Spaltenmultiplexerschalter 32 für verschiedene Gruppen von Spalten C teilen sich aber gemeinsame Steuerleitungen 48, 50, damit die Anzahl derartiger Steuerleitungen in der Multiplexerschaltung reduziert wird. Diese Steuerleitungen 48, 50 können sich bis an die Ausgangsklemmen auf dem Anordnungssubstrat erstrecken, oder sie können mit einer in Dünnfilmtechnik gebildeten Steuerschaltung auf demselben Anordnungssubstrat verbunden werden. Die Steuerschaltung erzeugt Sequenzen von Spannungsimpulsen zum sequentiellen Schalten der Multiplexerschalter 32 in jeder Gruppe von Spalten.
In 3 umfasst jeder Multiplexerschalter 32 vorzugsweise auch einen Klemmschalter mit Dioden 56, 58, die mit dem betreffenden Spaltenleiter 16 in dem Nicht-Übertragungszustand der Diodenbrücke gekoppelt sind. In dem in 3 dargestellten Beispiel sind die Dioden 56, 58 zwischen den Steuerleitungen 48, 50 mit zu der Polarität der Brückendioden 36 bis 39 entgegengesetzter Polarität gekoppelt. Die Klemmdioden 56, 58 sind an dem Klemmknotenpunkt 60 mit dem Spaltenleiter 16 gemeinsam gekoppelt zum Klemmen des Potentials des Spaltenleiters, wenn die Brücke sich in dem Nicht-Übertragungszustand befindet.
Wenn die Diodenbrücke sich in dem EIN-Zustand befindet, sind die Dioden 56. 58 des Klemmschalters umgekehrt vorgespannt und spielen im Betrieb des Schalters keine Rolle. Wenn aber die Diodenbrücke sich in dem AUS-Zustand befindet, und den Steuerleitungen 48, 50 Spannungen zugeführt worden sind um die Diode 36 bis 39 der Brücke und die Speise- und Abführungsdioden umgekehrt vorzuspannen, funktionieren die Dioden des Klemmschalters als eine Spannungsklemme, die den Spaltenleiter 16 auf einem konstanten Potential klemmt Dieses konstante Potential ist Null Volt in der vorausgesetzten Situation, wobei die Spannung den Steuerleitungen 48, 52 gleicher Größe und entgegengesetzten Potentials zugeführt wird, und wenn die Klemmdioden 56, 58 dieselben Schaltkennlinien haben. Der Klemmeffekt kann am besten verstanden werden durch Betrachtung der Anordnungselemente PD, SD der jeweiligen Reihen, die mit diesem Spaltenleiter 16 gekoppelt sind. Auf diese Weise kann beispielsweise die Multiplexerschaltung 32 aus 3 der Multiplexerschalter für die Spalte 1 aus 2 sein und die Pixel der Reihe 1 können durch einen negativen Spannungsabtastimpuls an dem Reihenleiter 14 für die Reihe R1 adressiert werden. In diesem Fall wird die Schaltdiode SD der Reihe 1, Spalte 1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die Schaltdioden SD aller anderen Reihen R2, R3 usw. in der Spalte C1 werden umgekehrt vorgespannt. Obschon die Schaltdiode SD in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wird das Bildsignal des Pixels 1 nicht von dem ladungsempfindlichen Verstärker ausgelesen, weil der betreffende Multiplexerschalter 32 sich in einem Sperrzustand befindet. Obschon die Schaltdioden SD der anderen Reihen der Spalte C1 umgekehrt vorgespannt sind, gibt es dennoch einen geringfügigen Leckstrom durch diese Dioden. In dem Klemmzustand der Dioden 56, 58 werden Leckströme i_L, die das Ergebnis aus dem Bildsignal des Pixels (R1, C1) und de, Leckstrom durch die Schaltdioden SD der anderen Reihen der Spalte C1 sind, die an dem anderen Spaltenleiter 16 vorhanden sein können, auf sicher Art und Weise über die in Vorwärtsrichtung vorgespannten Dioden 56 und 58 abgeführt. Auf diese Weise ist das Summieren des Stromes an dem Klemmknotenpunkt 60, wie in 3 dargestellt: i1 = i2 + iL wobei i₁ und i₂ die Ströme durch die in Vorwärtsrichtung vorgespannten Klemmdioden 56 bzw. 58 sind. Beim Fehlen dieser in Vorwärtsrichtung vorgespannten Klemmdioden 52 und 54 würden diese Ströme verursachen, dass das Potential des Spaltenleiters 16 variiert und auf diese Weise die Vorspannbedingungen der Pixel in den nicht adressierten Reihen R2, R3 usw. der Spalte C1 sich ändern könnten. Wenn diese Pixel in den nicht adressierten Reihen R2, R3 usw. später adressiert werden, kann ein falsches Signal (das nicht repräsentativ ist für die Bildbeleuchtung, die auf diese Pixel trifft) als Ergebnis dieser geänderten Vorspannbedingungen ausgelesen werden. Dieser unerwünschte Effekt wird dadurch vermieden, dass ein Klemmschalter vorgesehen wird, wie dargestellt.
Die 5 bis 7 sind Graphiken, verwendet zum Analysieren der Linearität des Multiplexerschalters 32.
5 zeigt eine Diodenstrom-Spannungskennlinie, wobei diese Kennlinie in einem Schaltungsmodell des Multiplexerschalters 32 verwendet wird um jede der Dioden in der Diodenbrücke darzustellen, wobei die Speisediode und die Abführungsdiode vorhanden sind. Dieses Modell basiert auf einem quadratischen Frequenzgang, was ein ziemlich genaues Modell der Diodenkennlinien schafft, insbesondere für Dioden, die in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind mit einer Vorwärts-Vorspannung größer als etwa 2 Volt. 6 ist eine Graphik, die den Ausgangsstrom darstellt, der von der Diodenbrücke geliefert wird, und zwar in Reaktion auf einen variierenden Eingangsstrom. Die Kurve A stellt den Frequenzgang dar, der erhalten wird für eine einwandfrei lineare Diodenkennlinie (mit anderen Worten, jede Diode wird durch einen ohmschen Widerstand dargestellt), und die Kurve B stellt die Schaltkennlinie des Multiplexerschalters 32 dar, wobei die Dioden durch die in 5 dargestellte Kennlinie modelliert ist. Wie ersichtlich, ist der Frequenzgang des Multiplexerschalters 32 nach wie vor linear. Mit linearen und identischen Dioden (Kurve A) ist die Verstärkung der Schaltungsanordnung 0,5, während die Verstärkung einigermaßen abfällt, wenn die Schaltungssimulation das nicht lineare Diodenmodell benutzt.
Die überraschende Linearität des Frequenzgangs des Multiplexerschalters 32 könnte als ein kleiner Signaleffekt erklärt werden, wenn die Photodiodenströme wesentlich kleiner sind als die Diodenbrückenströme. Der Frequenzgang ist aber nach wie vor wesentlich linear, sogar für einen Eingangsstrom zu der Diodenbrücke, der größer ist als 50% des Wertes der Ruheströme, die in den Dioden der Diodenbrücke fließen.
7 zeigt den Prozentsatz der Abweichung von einem linearen Frequenzgang des Multiplexerschalters 32 als eine Funktion des Eingangsstroms. Es wird vorausgesetzt, dass eine gewisse Verstärkungskorrektur eingeführt worden ist, so dass für Eingangsströme von –10 μA und +10 μA jeder beliebige Fehler eliminiert wird. Mit anderen Worten der Fehler stellt die Abweichung von einem linearen Frequenzgang dar, aber nicht den Abfall in der Verstärkung, wenn verglichen mit dem ohmschen Modell. Wenn der Punkt X als Beispiel genommen wird, zeigt dieses Diagramm, dass für einen Eingangsstrom von 5 μA die maximale Abweichung des Frequenzgangs des Multiplexerschalters 32 von einem einwandfrei linearen Frequenzgang 0,02% beträgt, dies auf Basis des Diodenmodells nach 5, das repräsentativ ist für den Pegel der Nicht-Linearität einer praktischen Diode. Wenn die gleiche Analyse durchgeführt wird für Eingangsströme von –100 μA bis +100 μA, ist der maximale Fehler von der Größenordnung von 1%. Das bei dieser Simulation verwendete Modell gibt Anlass zu Ruheströmen, die in der in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diodenbrücke strömen, von 150 μA, so dass der Eingangsstrom 67% des Ruhestroms darstellt. Auf diese Weise ist der Frequenzgang nach wie vor im Wesentlichen linear, sogar wenn die Ruheströme zu derselben Größenordnung wie der Eingangsstrom reduziert werden. Dadurch kann die Größe der Dioden in Reaktion auf einen Abfall in den erforderlichen Ruheströmen reduziert werden.
Die Verwendung einer Multiplexerschaltung nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass die Multiplexschaltung in Ganz-Diodentechnologie hergestellt wird und deswegen auf einfache Weise mit den elektrischen Elementen der Anordnung integriert werden kann. Insbesondere wenn die Anordnung Bildsensorpixel in Form von Photodioden aufweist, können zum Herstellen der Dioden der Multiplexerschalter 32 dieselben Verarbeitungsschritte benutzt werden wie für die Bildsensorpixel 12. Es gibt keine Notwendigkeit Stromquellen zu bilden zum Liefern und Abführen der Diodenbrücke, oder zum Schaffen von Transformatorwicklungen. Weiterhin erfordert das Umschalten des Multiplexerschalters 32 nicht das Umschalten von Stromquellen oder das Ändern der Spannungen an Transformatorwicklungen, und die Reaktion des Multiplexerschalters 32 kann viel schneller sein als alternative Anordnungen.
Obschon die Verstärkung des Multiplexerschalters 32 ein theoretisches Maximum von 0,5 hat, kann die wirkliche Verstärkung der Schaltungsanordnung nahe bei diesem theoretischen Maximum gehalten werden, und zwar dadurch, dass das Gebiet der Speisediode und der Abführungsdiode reduziert wird, wodurch der Vorwärtswiderstand gesteigert wird.
Wenn die Diodenbrücke eingeschaltet wird und die Dioden 36 bis 39 in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, muss der dem Speiseknotenpunkt 44 zugeführte Strom und der von dem Abführungsknotenpunkt 46 abgeführte Strom wenigstens dem Eingangsstrom entsprechen, damit die Dioden einwandfrei vorgespannt werden, wenn ein Strom geschaltet wird. Da der Eingangsstrom ein Photodiodenstrom geringer Größe ist, erfordert dies nicht, dass die Speisediode oder die Abführungsdiode eine verhindernde Größe hat. Mit einer geeigneten Selektion der Steuerspannungen, die den Steuerleitungen 48, 50 zugeführt werden, kann der Multiplexerschalter 32 tatsächlich ein sehr kleines Gebiet belegen. So können beispielsweise die Dioden Abmessungen von 100 μm × 100 μm oder sogar weniger haben.
Auf diese Weise können die Multiplexerschalter 32 in Dünnfilmtechnologie hergestellt werden. So können beispielsweise alle Dioden des Multiplexerschalters 32 amorphe Silizium-N-I-P-Dioden sein, gebildet durch Ablagerung, in der nachfolgenden Reihenfolge, einer n-leitenden, einer eigenleitenden und einer p-leitenden Siliziumschicht.
In 2 sind nur drei Reihen und sechs Spalten dargestellt. Ein Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung kann typischerweise mehrere Hundert oder Tausend Reihen und Spalten haben. 2 zeigt die Spalten C, vorgesehen in Dreiergruppen. Ein Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung kann aber mehr als drei Spaltenleiter 16 haben, gruppiert und durch die Multiplexerschalter 32 mit der Spaltenklemme gekoppelt. Auf alternative Weise kann eine einzelne Gruppe vorgesehen sein, die ein größeres Multiplexerverhältnis erlaubt.
Weil die Spalten einer Gruppe sequentiell zu der gemeinsamen Klemme 34 ausgelesen werden, nimmt die Auslesegeschwindigkeit für die Anordnung mit der Anzahl Spalten in jeder Gruppe ab. Auf diese Weise wird für einen Bildsensor mit einer bestimmten Anzahl Spalten die Anzahl Gruppen entsprechend der gewünschten Auslesegeschwindigkeit gewählt.
3 zeigt einzelne Dioden 36 bis 39 in jedem Schenkel der Brücke, einzelne Klemmdioden 52, 54 und einzelne Speise- und Abführungsdioden 44, 46. Aber statt dieser einzelnen Dioden können zwei Dioden oder mehr in Reihe verwendet werden.
Die Anordnungselemente der Anordnung 100 können Dünnfilmtransistoren enthalten. Auf diese Weise kann beispielsweise jedes Pixel eine bekannte Anordnung zweier Schalttransistoren und eines Photoleiters enthalten. In diesem Fall können die Dioden der Multiplexerschaltung 32 als diodenverbundene Dünnfilmtransistoren gebildet werden, d. h. eine Gate- und eine Drain-Elektrode des Transistors können zusammen als eine einzige Elektrode des Schaltungselementes gekoppelt sein. Weiterhin kann, wenn Transistoren verwendet werden, die Klemmanordnung ein einziger Transistor sein, dessen Source-Elektrode mit dem Spaltenleiter 16 gekoppelt ist, dessen Drain-Elektrode mit einer Klemmspannungsleitung gekoppelt ist und dessen Gate-Elektrode mit einer Steuerleitung gekoppelt ist, und zwar zum Ein- und Ausschalten des Transistors in entgegengesetzter Synchronisation zu der Diodenbrücke 36 bis 39.
Ein Bildsensor nach der vorliegenden Erfindung kann als Dokumentabtaster entworfen sein. Ein großflächiger Bildsensor kann derart gebildet werden, dass er imstande ist, eine A4-Seite mit einer Auflösung von 300 dpi ("dots per inch") abzutasten.
Der Ausdruck "Spalte" und "Reihe" für eine Anordnung ist beliebig und die Verwendung der Ausdrücke Reihe und Spalte soll vorwiegend als eine zweidimensionale Anordnung von Anordnungselementen darstellend verstanden werden.
Text in der Zeichnung
7

Fehler

Claims

Multiplexerschaltung (33) mit einer Anzahl Multiplexerschalter (32) je zum Umschalten eines Stromsignals zwischen einem Eingang (16) des Schalters und einer gemeinsamen Klemme (34), wobei jeder Schalter die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine betreffende Diodenbrücke (36-39) mit einem ersten und einem zweiten Schenkel, die sich je zwischen einem Speiseknotenpunkt (48) der Diodenbrücke und einem Abführungsknotenpunkt (50) der Diodenbrücke erstrecken, wobei jeder Schenkel ein betreffendes Diodenpaar enthält, die an einem betreffenden Knotenpunkt dieses Schenkels miteinander gekoppelt sind und dieselbe Polarität haben wie jede andere zwischen dem Speise- und Abführungsknotenpunkt, wobei der betreffende Eingang des Schalters mit dem Knotenpunkt (40) des ersten Schenkels gekoppelt ist, wobei die gemeinsame Klemme mit dem Knotenpunkt (42) des zweiten Schenkels gekoppelt ist; – eine Speisesteuerleitung, der eine Speisespannung zugeführt wird, und die über eine Speisediode (52) mit dem Speiseknotenpunkt der Diodenbrücke gekoppelt ist, und – eine Abführungssteuerleitung, der eine Abführungsspannung zugeführt wird, und die über eine Abführungsdiode (54) mit dem Abführungsknotenpunkt der Diodenbrücke gekoppelt ist, – wobei die Speise- und die Abführungsdioden dieselbe Polarität haben wie die Dioden der Diodenbrücke, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schalter ein Diodenschalter ist, wobei die Speisediode mit der einen Klemme unmittelbar mit der Speisesteuerleitung verbunden ist und mit der anderen Klemme unmittelbar mit dem Speiseknotenpunkt, und wobei die Abführungsdiode mit der einen Klemme unmittelbar mit der Abführungssteuerleitung verbunden ist und mit der anderen Klemme unmittelbar mit dem Abführungsknotenpunkt, und dass die Steuerleitungen Schaltspannungen zuführen um die Dioden zwischen Vorwärtsspannung in einem ersten Zustand der Brücke und Rückwärtsspannung in einem zweiten Zustand der Brücke zu schalten, wobei zwischen dem Eingang des Schalters und der gemeinsamen Klemme in dem ersten Zustand der Diodenbrücke ein Stromsignal übertragen wird.
Multiplexerschaltung nach Anspruch 1, wobei jeder Multiplexerschalter weiterhin einen Klemmschalter aufweist, der mit dem betreffenden Eingang gekoppelt ist zum Klemmen des Potentials des Eingangs in dem zweiten Zustand der Diodenbrücke.
Multiplexerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Klemmschalter für jeden Multiplexerschalter ein Paar Klemmdioden aufweist, die zwischen den Steuerleitungen mit entgegengesetzter Polarität der Brückendiode gekoppelt sind, wobei die Klemmdioden an einem Knotenpunkt mit dem Eingang des Schalters zusammen gekoppelt sind zum Klemmen des Potentials des Eingangs, wenn die Brücke sich in dem zweiten Zustand befindet.
Elektronische Anordnung mit einer Gliederung von Ladungsspeicherelementen, die in Reihen und Spalten gegliedert sind und die mit Reihen und Spaltenleitern gekoppelt sind, wobei die Spaltenleiter in wenigstens einer Gruppe vorgesehen sind, wobei jede Gruppe eine betreffende gemeinsame Klemme hat, wobei eine Spaltenmultiplexerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 die Spaltenleiter einer betreffenden Gruppe mit der betreffenden gemeinsamen Klemme koppelt, wobei der Eingang jedes Multiplexerschalters einen betreffenden Spaltenleiter aufweist, und eine Ladungsmessanordnung, die das Potential der gemeinsamen Klemme auf ein festes Potential festklemmt und den Ladungsfluss von der gemeinsamen Klemme misst.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Ladungsspeicherelemente der Gliederung Dioden aufweisen, und die Dioden der Spaltenmultiplexerschaltungen von dem gleichen Technologietyp sind wie die Dioden der Gliederung.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Dioden der Gliederung und der Spaltenmultiplexerschaltungen in Form von Dünnfilmdioden auf einem gemeinsamen Substrat sind.
Elektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Ladungsspeicherelemente der Gliederung lichtempfindliche Dioden sind.
Elektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei jede mit den Spaltenleitern innerhalb einer Gruppe von Spaltenleitern assoziierte Multiplexerschaltung eine einzelne assoziierte Speise- und Abführungssteuerleitung hat.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 8, wobei Multiplexerschaltungen von verschiedenen Gruppen von Spalten Speise- und Abführungssteuerleitungen sich teilen.
Elektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 mit einem Bildsensor, wobei die Ladungsspeicherelemente lichtempfindliche Pixel enthalten.