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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein
Brennebenen-Detektorgruppenanordnungen und insbesondere die Betrachtung
von Brennebenen-Detektorgruppenanordnungen, welche integrierte fotovoltaische Detektoren
verwenden, um gleichzeitig Infrarotstrahlung (IR) innerhalb zweier
Spektralbänder
zu detektieren (d.h. „Zweifarben-Detektoren").
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine wünschenswerte Art eines Fotodetektors
ist ein Zweifarben-Infrarotstrahlungs-Detektor (IR-Detektor), welcher
eine Empfindlichkeit in zwei Spektralbändern hat. Die Spektralbänder können kurzwellige
Infrarotstrahlung (SWIR), Infrarotstrahlung mittlerer Wellenlänge (MWIR),
langwellige Infrarotstrahlung (LWIR) sowie sehr langwellige Infrarotstrahlung
(VLWIR) umfassen. Eine Gruppenanordnung von Zweifarben-Infrarotdetektoren
kann in einer Anzahl von Abbildungsanwendungen verwendet werden,
bei welchen es notwendig ist, gleichzeitig Strahlung innerhalb zweier
Spektralbänder
aus einer Szenerie innerhalb eines Blickfeldes der Gruppenanordnung
zu detektieren. Beispielsweise kann die Gruppenanordnung LWIR und
MWIR oder LWIR und SWIR detektieren.
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Diesbezüglich sei auf das ebenso wie
die vorliegende Erfindung übertragene
US-Patent Nr. 5,113,076 Bezug genommen, das am 12. Mai 1992 an E.
F. Schulte erteilt wurde und den Titel „Two Terminal Multi-band Infrared
Radiation Detector" trägt. Bei
dieser Art von Geräten
wird das Detektieren eines bestimmten Wellenlängenbandes durch Schalten einer
Vorspannungsquelle erreicht.
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Es sei auch auf das ebenfalls übertragene US-Patent
Nr. 5,149,956 Bezug genommen, das am 22. September 1992 an P. R.
Norton erteilt wurde und den Titel „Two-Color Radiation Detector
Array and Methods of Fabricating Same" trägt,
sowie auf das ebenfalls übertragene
US-Patent Nr. 5,380,669, welches am 10. Januar 1995 an P. R. Norton
erteilt wurde und den Titel „Method
of Fabricating a Two-Color Radiation Detector Using LPE Crystal
Growth" trägt. Weiter
kann in diesem Zusammenhang Bezug genommen werden auf das ebenfalls
auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragene US-Patent 5,457,331,
das am 10. Oktober 1995 an K. Kosai und G. R. Chapman übertragen
wurde und den Titel „Dual Bank
Infrared Radiation Detector Optimized for Fabrication in Compositionally
Graded HgCdTe" trägt.
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Von besonderem Interesse sind hier
Detektoren, welche in der Lage sind, gleichzeitig elektromagnetische
Energie innerhalb der zwei interessierenden Spektralbänder zu
detektieren.
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Eine herkömmliche Schaltung zur Unterscheidung
der Ausgänge
von zwei gleichzeitig aktiven fotovoltaischen Strahlungsdetektoren
ist in 1 dargestellt.
Die zwei Detektoren sind gegeneinander geschaltet (d.h., Anode gegen
Anode) und sind als ein Langwellendetektor (LW-Detektor), welcher
einen Fotostrom ILW erzeugt, und ein Mittelwellenlängendetektor
(MW-Detektor) ausgelegt, der einen Fotostrom IMW erzeugt.
Die Kathode des Langwellendetektors ist über einen Widerstand mit einem
Integrationskondensator CLW verbunden, der
wiederum mit einem Schalter (nicht dargestellt) verbunden ist, der
durch ein Langwellen-Auslese- und Rückstell-Steuersignal gesteuert
wird. Ein Langwellen-Vorspannungssteuerungssignal ist an die Gateelektrode
des LW-Transistors gelegt. Die Anoden der beiden Detektoren, nämlich des
LW-Detektors und des MW-Detektors, sind über einen Transistor mit einem
Integrationskondensator CMW verbunden, der
wiederum mit einem nicht dargestellten Schalter verbunden ist, der
durch ein Mittelwellen-Auslese- und -Rückstell-Steuersignal gesteuert
wird. Ein MW-Vorspannungs-Steuersignal ist an die Gateelektrode
des MW-Transistors gelegt. Die dargestellte Schaltung soll unmittelbar
das LW-Fotostromsignal auslesen und das MW-Fotostromsignal durch
Subtrahieren der LW-Komponente von der MW-Komponente unter Verwendung
einer Stromschleifentechnik ableiten.
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Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes
besteht darin, daß die
parasitäre
Kapazität
(Cparasitic) der Schaltung einen wesentlichen
Betrag von spektralem Nebensprechen oder spektraler Interferenz
in das Fotostromsignal einführt,
das durch die Subtraktion abgeleitet wird. Bekannte Lösungsversuche
zur Überwindung
dieser Begrenzung leiden an vergrößerter Störung und vergrößerter Kompliziertheit
der Schaltung.
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Die US-A-5523570 offenbart eine Eingangsschaltung
für eine
Zweiband-Brennebenen-Detektoranordnung mit doppelter direkter Injektion,
wobei die Schaltung eine gleichzeitige und gesonderte Integration
des Stromes von zwei Sensoren vorsieht, welche einen Knotenpunkt
gemeinsam haben. Die Sensoren sind solche mit konstanter Spannung
und variablem Strom, beispielsweise HgCdTe-Infrarot-Fotodioden. Die
Sensor-Vorspannungen sind unabhängig
einstellbar. Eine mehrfache Integration des Signales von einem Sensor
kann innerhalb einer Integrationszeit des anderen Sensors vorgenommen
werden. Die Schaltung dient zur Betrachtung von Zweiband-Brennebenen-Infrarotdetektoranordnungen
und kann dazu eingesetzt werden, die Information von mehr als zwei
Detektoren zu verarbeiten.
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ZIELE DER ERFINDUNG
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Es ist das vornehmliche Ziel der
vorliegenden Erfindung, eine unterscheidende Ausleseschaltung für die Verwendung
mit Zweifarben-Strahlungsdetektoren zu schaffen, welche die vorstehenden
und weitere Probleme überwindet.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Gruppenanordnung von Zweifarben-Strahlungsdetektor-Einheitszellen
oder -Pixeln zu schaffen, von denen jede bzw. jedes mit einer Fotostrom-Differenzbildungsschaltung
gekoppelt ist und Schaltungsmittel zur Unterdrückung von spektraler Interferenz
oder spektralem Nebensprechen enthält.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorstehend angegebenen und weitere Probleme
werden überwunden
und die Ziele der Erfindung werden erreicht durch Verfahren und
Einrichtungen gemäß den Ausführungsformen
dieser Erfindung.
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Die Erfindung richtet sich auf eine
integrierte Zweifarben-Brennebenenbetrachtungs-Detektorgruppenanordnung,
welche aus Zeilen und Spalten von Fotodetektoren besteht, welche
jeweils in der Lage sind, gleichzeitig Fotoströme zu integrieren, welche aus
der Erfassung von zwei Spektralbändern resultieren.
Eine Ausleseschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung führt
eine Subtraktionsfunktion durch und enthält einen ladungsdetektierenden
Differenzialverstärker
in einer Anordnung von einem Verstärker je Spalte. Der Verstärker arbeitet
mit Schaltungsmitteln zusammen, welche in jeder Einheitszelle angeordnet
sind. Die Subtraktionsfunktion dient zur Erzeugung eines gesonderten
Band-1-Signales gegenüber
einem Band-2-Signal und einem (Band 1 + Band 2)-Signal, welche durch
jeden gleichzeitig zwei Farben erfassenden Detektor erzeugt werden.
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Ein bemerkenswerter Vorteil der offenbarten Schaltungsausführung besteht
darin, daß sie
ein niedriges spektrales Nebensprechen oder eine niedrige spektrale
Interferenz zwischen den beiden Spektralbändern bedingt. Dies wird mit
einer verhältnismäßig einfachen
Schaltungsgestaltung erreicht, welche weiter einen Betrieb mit niedriger
Störung
bietet und das Problem einer hohen spektralen Interferenz, großer Störungen,
eines komplexen Schaltungsaufbaus und/oder Kombinationen dieser
Nachteile überwindet,
wie sie bei bekannten Schaltungsarten eigentümlich sind.
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Gemäß einem Verfahren nach der
Erfindung und einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens wird ein neuartiger Betrieb eines gleichzeitig aktiven
Zweifarbendetektros angegeben. Der Zweifarbendetektor ist von einer
Art, welche eine erste Fotodiode enthält, die an einem gemeinsamen Schaltungsknotenpunkt
mit einer zweiten Fotodiode verbunden ist. Ein zweiter Schlaltungsknotenpunkt oder
Anschlußpunkt
der ersten Fotodiode ist mit einem ersten Kondensator gekoppelt
und der gemeinsame Schaltungsknotenpunkt ist mit einem zweiten Kondensator
gekoppelt.
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Ein erster Schritt des Verfahrens
ist während eines
ersten Teiles einer Integrationsperiode wirksam und bewirkt einen
Kurzschluß der
ersten Fotodiode, während
im zweiten Kondensator ein Fotostrom integriert wird, der nur durch
die zweite Fotodiode erzeugt wird. Ein zweiter Schritt des Verfahrens,
der während
eines zweiten Teiles der Integrationsperiode durchgeführt wird,
beseitigt den Kurzschluß und
integriert in dem zweiten Kondensator einen Fotostrom, der durch
die erste Fotodiode erzeugt wird, sowie den Fotostrom, der durch
die zweite Fotodiode erzeugt wird, während gleichzeitig in dem ersten
Kondensator der Fotostrom integriert wird, der nur durch die erste
Fotodiode erzeugt wird.
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Das Verfahren enthält weiter,
während
eines ersten Teiles einer Ausleseperiode, welche auf die Integrationsperiode
folgt, die Schritte a) des Koppelns des ersten Kondensators mit
einer Ausleseschlatung; b) der Speicherung und Verstärkung eines
ersten Potentials in der Ausleseschaltung, das aus der Integration
des Fotostromes in dem ersten Kondensator resultiert; und während eines
zweiten Teiles der Ausleseperiode, c) die Ankopplung des zweiten
Kondensators an die Ausleseschaltung; d) das Subtrahieren eines
zweiten Potentials, das aus der Integration des Fotostroms in dem
zweiten Kondensator von dem gespeicherten ersten Potential resultiert,
in der Ausleseschaltung, zur Erzeugung, eines Differenzpotentials;
und e) Verstärken
des Diffenenzpotentials in der Ausleseschaltung.
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Ein weiterer Schritt bewirkte eine
Tastung und Festhaltung des verstärkten ersten Potentials und
in einem nach Wünsch
vorgesehenen Schritt ist eine Tastung und Festhaltung des verstärkten Differnzpotentials
vorgesehen.
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In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
befinden sich die Zweifarbendetektoren jeweils innerhalb einer Gruppenanordnung
von Einheitszellen, beispielsweise einer Brennebenen-Detektorgruppenanordnung.
Die Gruppenanordnung von Einheitszellen ist in Zeilen und Spalten
organisiert und jede Einheitszelle in einer Spalte ist schaltbar
mit einer der Ausleseschaltungen verbunden. Jede der Ausleseschaltungen
enthält
einen neuartigen ladungsdetektierenden Differnezialverstärker.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die oben dargelegten und weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich noch deutlicher im Zuge der
Lektüre
der detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen. In diesen stellen dar:
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1 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild einer herkömmlichen,
gleichzeitig aktiven Zweifarben-Einheitszelle;
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2A ein
schematisches Schaltbild einer Zweifarben-Einheitszelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2B ein
Zeitdiagramm, welches die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
gemäß 2A erläutert;
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3A ein
schematisches Schaltbild einer je Spalte vorgesehenen Ausleseschaltung
mit einem ladungsdetektierenden Differenzialverstärker gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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3B ein
Zeitdiagramm, welches die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß 3A erläutert;
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3C ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild der je Spalte vorgesehenen
Ausleseschaltung von 3A;
und
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4 ein
Grafik, welche ein MW-Ausgangssignal über der LW-Integrationszeit
wiedergibt und den niedrigen Pegel eines spektralen Nebensprechens oder
einer spektralen Interferenz aufzeigt, der mit der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung erreicht wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Schaltung nach der Erfindung
soll mit gleichzeitig aktiven Zweifarbendetektoren einer Art betrieben
werden, welche zwei Signalströme
erzeugt: einen Band-1-Strom und einen (Band 1 + Band 2)-Summenstrom.
Diese besondere Zweifarben-Detektorkonstruktion wird vorgezogen,
da sie leichter herstellbar ist als viele andere Konstruktionen.
Nachfolgend bezieht sich "Band
1" auf langwellige
Strahlung (LW) und "Band
2" bezieht sich
auf mittelwellige Strahlung (MW). Die Erfindung ist jedoch nicht
auf irgendwelche besonderen Spektralbänder beschränkt und die genannte Nomenklatur
soll nicht den Umfang der Erfindung beschränken. Tatsächlich umfassen die Spektralbereiche,
welche in anderen Ausführungsformen
der Erfindung ausgewertet werden können, ohne daß hierauf
ein Beschränkung
vorliegt, den sichtbaren Bereich (annähernd 0,4 bis 0,8 μm), den kurzwelligen
Infrarotbereich (SWIR annähernd
0,8 bis 3 μm),
den mittelwelligen Infrarotbereich (MWIR, annähernd 3 bis 8 μm), den langwelligen
Infrarotbereich (LWIR, annähernd
8 bis 12 μm), den
sehr langwelligen Infrarotbereich (VLWIR, annähernd 12 bis 20 μm) und den
fernen Infrarotbereich (FIR, annähernd
20 bis 2000 μm).
UV-Detektoren können
auch von der Lehre nach der vorliegenden Erfindung profitieren.
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Ein Zweifarbendetektor 1 ist
schematisch innerhalb des in unterbrochenen Linien gezeichneten Blockes
von 2A dargestellt,
welche eine Einheitszelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt. Ein vereinfachtes Zeitdiagramm für die Einheitszelle von 2A ist in 2B gezeigt. Es versteht sich, daß die Einheitszelle 10 eine
charakteristische Zelle aus einer Vielzahl identischer Einheitszellen
ist, welche in horizontalen Reihen oder Zeilen und vertikalen Spalten
innerhalb einer Brennebenen-Gruppenanordnung (FPA) geordnet sind.
In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Einheitszellen längs jeder Spalte der Brennebenen-Gruppenanordnungen
der Reihe nach Zeile um Zeile mit einer ladungsdetetktieren den Differenzialverstärkerschaltung
einer Art gekoppelt, wie sie in 3A dargestellt
ist. Beispielsweise sind für
eine Brennebenen-Gruppenanordnung mit N Zeilen oder Reihen und M,
Spalten M der ladungsdetektierenden Diffenenzialverstärkerschaltungen
vorgesehen, deren Ausgänge
typischerweise der Reihe nach im Multiplexverfahren an einen Auslesebus
der Brennebenen-Gruppenanordnung gelegt werden. In dieser Weise
werden sämtliche
Einheitszellen aus einer ersten Zeile oder der Zeile i gleichzeitig
durch die M ladungsdetektierenden Differenzialverstärkungsschaltungen
verarbeitet und dann der Reihe nach von der Brennebenen-Gruppenanordnung
ausgegeben, während
sämtliche
der Einheitszellen von der nächsten
Zeile oder Reihe (Reihe i + 1) gleichzeitig ihre Eingänge an die
M ladungsdetektierenden Differenzialverstärkerschaltungen geben und diese
Eingänge eine
Verarbeitung dort erfahren.
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In der Einheitszelle 10,
welche in 2A gezeigt
ist, sind der LW-Detektor (Band-1-Detektor) und der MW-Detektor
(Band-2-Detektor) gegeneinander geschaltet (d. h. Anode zu Anode).
Der LW-Detektor erzeugt den Fotostrom ilw in
Abhängigkeit
der langwelligen Infrarotstrahlung (λ1),
und der MW-Detektor erzeugt gleichzeitig den Fotostrom imw in Abhängigkeit
von der mittelwelligen Infrarotstrahlung (λ2).
Die Kathode des LW-Detektors ist über den Transistor M1 mit einem
Integrationskondensator C1 verbunden, der wiederum an einen Auslesetransistor
M2 angeschlossen ist. Der Ausgang des Transistors M2 ist ein integrierter
LW-Fotostrom, der in den ladungsdetektierenden Differnzialverstärker 22 der
Einheitszellen-Ausleseschaltung 20 eingegeben wird, welche
in 3A gezeigt ist. Ein
LW-Vorspannungsteuersignal wird an die Gateelektrode des Transistors
M1 gelegt und ein Auslese-LW-Zeitgabesignal wird an die Gateelektrode
des Transistors M2 geführt.
Die Anoden sowohl des LW-Detektors als auch des MW-Detektors sind über einen
Transistor M3 mit einem Integrationskondensator C2 verbunden, der
seinerseits mit einem Auslesetransistor M4 verbunden ist. Der Ausgang
des Transistors M4 ist ein integrierter (LW + MW)-Fotostrom der
in den ladungsdetektierenden Differnenzialverstärker 22 der Einheitszellen-Ausleseschaltung 22 von 3A eingegeben wird. Ein MW-Vorspannungssteuersignal
wird an die Gateelektrode des Transistors M3 gelegt und ein Auslese-MW-Zeitgabesignal
wird der Gateelektrode des Transistors M4 zuge führt. Die Kathode des MW-Detektors
kann an das Detektor-Substratpotential gelegt sein.
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Im einzelnen ist zu sagen, daß der LW-Fotostrom
von dem LW-Detektor durch den MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET)
M1 fließt,
der als herkömmlicher
Direkt-Injektionspuffer wirkt, und in dem Kondensator C1 integriert
wird. Gleichzeitig fließt
der (LW + MW)-Fotostrom von dem MW-Detektor und dem LW-Detektor
durch den MOSFET M3 (ein weiterer Direkt-Injektionspuffer) und wird
in dem Kondensator C2 integriert. Die Detektorvorspannungen und
die Zeitsteuerung der Integrationszeiten für die beiden Detektoren werden
durch die Signale gesteuert, welche zu den Gateelektroden der beiden
Puffertransistoren geführt
werden, im einzelnen die LW- und MW-Vorspannungssteuerungssignale.
Es ist möglich,
den MW-Fotostom alleine, und nicht den LW-Fotostrom während bestimmter
Abschnitte der Gesamtintegrationszeit zu integrieren. Dies geschieht
durch Zuführung
geeigneter Signale zu den Gateelektroden der Puffertransistoren
M1 und M3. Beispielsweise kann die LW-Fotodiode ausgeschaltet werden,
indem ein geeigneter Steuersignalpegel an die Gateelektrode des
Transistors M1 gelegt wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein zusätzlicher
Transistor M5, der parallel zu dem LW-Detektor geschaltet ist, nur
dann eingeschaltet sein, wenn der MW-Detektor integriert. Das Einschalten
des Transistors M5 bewirkt das Anlegen eines Kurzschlusses um den LW-Detektor
und damit wirkungsmäßig eine
Null-Vorspannung desselben. Bei einer Null-Vorspannung und unter
der Annahme, daß die
LW-Fotodiode durch den Transistor M1 ausgeschaltet worden ist, summieren
sich keine anomalen Leckströme
oder andere Ströme
zu dem MW-Fotostrom. Dies hat das Ergebnis, das der im Kondensator
C2 integrierte Strom nur der MW-Fotostrom ist. Diese Anordnung vermindert ein
spektrales Nebensprechen oder eine spektrale Interferenz und bietet
weitere Vorzüge.
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Der Transistor M2 stellt die Spannung
am Kondensator C1 zu Beginn einer Integrationsperiode zurück und dient
zum Auslesen des integrierten LW-Ladungssignales zu dem je Spalte
vorgesehenen ladungsdetektierenden Differenzialverstärker 20, wel cher
in 3A gezeigt ist. Der
Transistor M4 erfüllt
dieselbe Funktion für
den Kondensator C2.
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Wie man aus dem Zeitdiagramm von 2B erkennen kann, kann die
MW-Integrationsperiode bedeutend länger sein, als die LW-Integrationsperiode, welche
dann innerhalb der MW-Integrationsperiode gelegen ist. Obwohl nur
eine LW-Integrationsperiode gezeigt ist, kann innerhalb der MW-Integrationsperiode,
falls gewünscht
ein Mehrzahl von LW-Integrationsperioden vorgesehen sein. Die LW-Integrationsperiode
wird durch Ausschalten des Transistors M5 initiiert, indem das Null-Vorspannungs-LW-Detektorsignal
auf niedrigen Pegel gebracht wird. Dies beseitigt den Kurzschluß um den
LW-Detektor herum und ermöglicht
es, daß der
LW-Fotostrom im Kondensator C1 (und auch im Kondensator C2 integriert
wird).
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Die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform
des je Spalte vorgesehenen ladungsdetektierenden Differenzialverstärkers (CSDA) 20 ist
in 3A dargestellt. Der
CSDA-Differenzialverstärker 20 besteht
aus einer ladungsdetektierenden Verstärkerschaltung 22,
einem Haltekreis 24 (gegebenenfalls vorgesehen) und einer
Tast- und Halteschaltung (S/H) 26. Der ladungsdetektierende
Differenzialverstärker 20 ist
eine kapazitiv gekoppelte Verstärkerschaltung
mit dualen Eingängen,
welche präzis
den Unterschied zwischen den Ladungssignalen mißt, die zu verschiedenen Zeiten
an die zwei Eingangsanschlüsse
InputMW und InputLW gelegt werden. Der CSDA-Differenzialverstärker 20 stellt
eine Verbesserung gegenüber
der Schaltung dar, die in dem ebenfalls übertragenen US-Patent 5,043,820
(27. August 1991) mit dem Titel "Focal
Plane Array Readout Employing One Capacitive Feedback Transimpedance Amplifier
for Each Column",
von R.H. Wyles et al. beschrieben ist, wobei die Offenbarung dieser
Schrift hier in der Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen sei.
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Es sein nun auch auf 2A Bezug genommen. Der CSDA-Differenzialverstärker 20 arbeitet
in einer zweistufigen Folge. Zuerst wird das LW-Signal von der Einheitszelle
(Kondensator C1) über
den Transitor M2 abgelesen und in den Eingang Input LW eingegeben
und das resultierende LW-Spannungssignal vom Ausgang des Verstärkers 22 und
der Halteschaltung 24 wird in dem LW-Teil der Tastungs-
und Haltungsschaltung 26 gespeichert. Als nächstes wird das
(LW + MW)-Signal von der Einheitszelle (Kondensator C2) über den
Transistor M4 abgelesen und in den Eingang Input MW eingegeben.
Der ladungsdetektierende Differenzialverstärker 22 erzeugt an seinem
Ausgang das Differenzsignal ((LW + MW) – LW = MW). Das Differenz-Spannungssignal
wird in dem MW-Teil der Tastungs- und Halteschaltung 26 gespeichert.
Die Ladungssubtraktion kann mit hoher Präzision durchgeführt werden,
wenn der Verstärkungsgewinn
der offen Schleife des ladungsdetektierenden Differenzialverstärkers 22 sehr
hoch gemacht wird (beispielsweise 500 bis 1000), und wenn die beiden
Kondensatoren Cfbl und Cfbm so hergestellt sind, daß sie im
wesentlichen gleichen Wert haben (beispielsweise 1 pF).
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Es sein jetzt auch 3B betrachtet. Der Ablesungszyklus beginnt
eine bestimmte Zeit, nachdem die Einheitszellen ihre Signale integriert
haben, wobei die aufintegrierten Signalladungen in den Kondensatoren
C1 und C2 innerhalb jeder Einheitszelle gespeichert sind. Die Transistoren
M2 und M4 sind ausgeschaltet, wodurch die integrierte Ladung im Kondensator
C1 bzw. C2 gehalten wird. Zuerst werden der Verstärker 22 und
der Haltekreis 24 zurückgesetzt
oder rückgestellt,
wenn die Transistoren M8 und mM13 durch die Signale ϕRSTAMP
bzw. ϕCLAMP zurückgestellt
werden. Die Transistoren M6 und M7 werden durch die Signale ϕRSTUCL
bzw. ϕRSTUCM ebenfalls jeweils eingeschaltet, um die Vertikal-Einheitszellen-Busleitungen
(Input MW und Input LW) auf die Einheitszellen-Rücksetzspannungen VRSTUCL bzw.
VRSTUCM zu treiben. Diese Busleitungen sind gemeinsam an jede Einheitszelle 10 innerhalb
der Spalte angeschlossen. Auf diese Weise wird der Eingang Input
LW auf die Rücksetzspannung
für den
Kondensator C1 getrieben und der Eingang Input MW wird auf die Rücksetzspannung für den Kondensator
C2 getrieben. Die Transistoren M8, M13 und M6 werden dann ausgeschaltet
und der Transistor M7 bleibt eingeschaltet, was den Verstärker 22 in
den ladungsdetektierenden Betrieb für den Eingang Input LW bringt.
Der Transistor M2 wird durch das Signal (read LW) eingeschaltet,
wodurch das integrierte LW-Ladungssignal zu dem Eingang Input LW
gegeben wird.
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Nachdem sich die Verstärkerschaltkreise
beruhigt haben, erscheint das LW-Spannungssignal, das an dem Kondensator
Cfbl auftritt, in gleicher Weise an dem Kondensator Cfbm. Das Auftreten
eines gleichen LW-Spannungssignales auch an dem Kondensator Cfbm
ist wichtig für
die nachfolgende Ladungssubtraktionsoperation, wie in Kürze beschrieben
wird. Das LW-Spannungssignal, welches an dem Ausgangsknotenpunkt
(No) des Verstärkers 22 auftritt,
wird dann getastet und in dem Kondensator Chold 1 für eine spätere Auslesung über die
gegebenenfalls vorgesehene Halteschaltung 24 und ein Übertragungsgatter
gespeichert, das aus parallelgeschalteten MOSFET-Transistoren M18
und M19 mit N- und P-Kanal besteht.
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Zu dieser Zeit ist der Transistor
M7 ausgeschaltet und der Transistor M6 ist eingeschaltet. Dies bringt
den Verstärker 22 in
einen ladungsdetektierenden Betrieb für den Eingang Input MW. Der
Transistor M4 (2A) wird
durch das READ-MW-Signal eingeschaltet, wodurch das (LW + MW) Ladungssignal an
den Eingang Input MW des Verstärkers 22 geliefert
wird. Das (LW + MW)-Signal wird dann von dem LW-Signal subtrahiert,
das zuvor in der Rückkopplungskapazität Cfbm gespeichert
worden war, so daß als
Differenzsignal ein Potential erzeugt wird, daß die Größe des integrierten MW-Fotostromes
allein reflektiert. Nachdem sich die Schaltung beruhigt hat, wird das
resultierende verstärkte
Spannungssignal (MW allein) an dem Schaltungsknotenpunkt No getastet und über die gegebenenfalls vorgesehene
Halteschaltung 24 und das Übertragungsgatter aus den Transistoren
M16 und M17 in dem Kondensator Choldm festgehalten. An diesen Punkt
können
die Signale in den Kondensatoren Choldl und Choldm von der Brennebenen-Gruppenanordnung
(FPA) unter Verwendung herkömmlicher
Multiplexverfahren ausgelesen werden und zu einer geeigneten Schaltung geliefert
werden, um eine gewünschte
Art oder gewünschte
Arten der Signalverarbeitung und/oder Bildbearbeitung durchzuführen.
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3C ist
ein vereinfachtes schematisches Schaltbild der je Spalte vorgesehenen
Ausleseschaltung von 3A und
zeigt die Verbindung der Rückkopplungskapazitäten relativ
zu dem Eingangsknotenpunkt (Ni) des Spannungsverstärkers hohen
Verstärkungsgewinns
(AMP). Es sei bemerkt, daß die MW-Tastungs-
und Halteschaltung nur wunschgemäß vorgesehen
ist, da das MW-Signal auch unmittelbar an dem Ausgangspunkt No des Verstärkers 22 abgelesen
werden kann. Ein "Auto-Null-Kondensator" Cazl bewirkt, daß die Spannung
an dem Eingang Input LW auf dem Rücksetzpegel während des
Ablesezyklus konstant bleibt, so daß die ganze LW-Spannung, welche
in der Einheitszelle integriert worden ist, dem Kondensator Cfbl
aufgeprägt
wird. Der Kondensator Cazm führt
dieselbe Funktion für
das MW-Signal aus. Die Kondensatoren Cpchgl (Vorladung LW) und Cpchgm
(Vorladung MW) sind nach Belieben vorgesehene Kondensatoren, welche
eine Gleichstrompegel-Verschiebungsfunktion an dem Ausgang des Verstärkers 22 unter
der Steuerung des Signales ϕPCHGAMP (Voraufladung der Verstärker) durchführen. Wird
es verwendet, so wird das ?PCHGAMP-Signal einmal je Zeilenausleseperiode
geschaltet. Die Transistoren M9 und M10 bilden eine Kaskadenverstärker-Treiberschaltung,
wobei die Gateelektrode des Transistors M9 der Eingangsknotenpunkt
(Ni) des Verstärkers ist. Die Transistoren
M11 und M12 bilden eine Strom-Source-Last für den Verstärker. Der Kondensator Cbl hat
die Funktion eines Bandbegrenzungskondensators (Filterkondensators).
Der Transistor M14 hat die Funktion eines nach Belieben vorgesehenen
Source-Folgepuffers und kann vorgesehen sein, wenn der Haltekreis 24 verwendet
wird oder auch nicht. Im allgemeinen kann der Haltekreis 24 verwendet
werden, um die Störung zu
reduzieren, welche aus dem Vorhandensein eines Vestärkerrücksetzstörungssockels
resultiert. Der Transistor M15 ist die Strom-Source-Last für den Transistor
M14.
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4 ist
eine Grafik, welche ein Beispiel der spektralen Nebensprechdaten
oder Interferenzdaten zeigt, wie sie mit der in den 2A und 3A offenbarten
Schaltungsanordnung erreicht werden. Die Daten zeigen deutlich einen
niedrigen Pegel des spektralen Nebensprechens oder der spektralen
Interferenz in dem MW-Signal, das aus der Ladungssubtraktionsoperation
abgeleitet wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß 3A eine mögliche Konfiguration
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung verdeutlicht und daß eine Anzahl von
Modifikationen der dargestellten Schaltungen vom Fachmann in Betracht
gezogen wird. Das heißt, daß beispielsweise
eine Anzahl von äquivalenten Schaltungsarchitekturen
zur Verwirk lichung der (nach Belieben vorgesehenen) Gleichstrompegel-Verschiebungsschaltung
(Cpchgl und Cpchgm), der Verstärkertreiberschaltung
(M9 und M10), der Verstärker-Strom-Source-Belastungsschaltung (M15),
der (nach belieben vorgesehenen) Halteschaltung 22, der
(nach Belieben vorgesehenen) Source-Folge-Pufferschaltung (M14),
des LW-Tastungs- und Haltekreises (M18, M19, Choldl, M21), und der
(nach Belieben vorgesehenen) MW-Tastungs- und Halteschaltung (M16,
M17, Choldm, M20) gegeben ist. Es wird somit deutlich, daß die Erfindung
in der Weise ausgeübt
werden kann, daß nur die
Versträrkertreiberschaltung
(M9 und M10) und die zugehörigen
Eingangs- und Rücksetzschaltungen
einschließlich
der Rückkopplungskapazitäten Cfbl
und Cfbm, der Verstärker-Strom-Source-Belastungsschaltung
(M11 und M12) und der LW-Tastungs- und Halteschaltung (M18, M19, Choldl,
M21) vorgesehen sind.
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Es ist weiter zu erkennen, daß zwar die
Erfindung im Zusammenhang mit einer Zweifarben-Fotodetektorarchitektur
beschrieben worden ist, die Lehren der vorliegenden Erfindungen
aber ebensogut mit geeigneten Modifikationen auf Fotodetektorarten anwendbar
sind, welche in der Lage sind, drei oder mehr Spektralbänder zu
detektieren. Außerdem
ist die Lehre nach der Erfindung auf Strahlungsdetektoren anwendbar,
welche eine einzige Einheitszelle aufweisen, und auch auf lineare
Gruppenanordnungen von Einheitszellen.