DE69728636T2

DE69728636T2 - Photoelektrisches Umwandlungsgerät

Info

Publication number: DE69728636T2
Application number: DE69728636T
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Ohta-ku Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: DE69728636D1; US6147338A; JPH10190038A; JP3495866B2; EP0851670A2; EP0851670A3; EP0851670B1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG UND IN BETRACHT GEZOGENER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf ein fotoelektrisches Wandlergerät, bei dem eine Verstärkung von Ladungen in dem fotoelektrischen Wandlerbereich eines Sensors in Verbindung mit einer Änderung des Verstärkungsfaktors erzielbar ist.
Ein CMOS-Sensor mit invertierender Verstärkung stellt ein mit Verstärkung arbeitendes fotoelektrisches Wandlergerät dar, bei dem auf einem Chip eine Rauschunterdrückung stattfindet. Ein solches fotoelektrisches Wandlergerät ist z. B. aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift JP-A-9 200 629 (Patentanmeldung Nr. 8-7 329) bekannt und besitzt den in 8 veranschaulichten Schaltungsaufbau.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 8 bilden eine ein fotoelektrisches Wandlerelement darstellende Fotodiode 1, ein eine Inversionsverstärkung durchführender MOS-Verstärkungstransistor 2, ein MOS-Wählschalttransistor 3 und ein MOS-Rückstelltransistor 4 eine fotoelektrische Wandler-Sensorzelle S. Ein MOS-Speichertransistor 9, ein MOS-Verstärkungstransistor 10, ein MOS-Wählschalttransistor 11 sowie ein MOS-Rückstelltransistor 12 bilden eine Speicherzelle M. Eine Einheit der Schaltungsanordnung eines Übertragungssystems wird von einem zur Rückkopplung von Ladungen zu der Sensorzelle S dienenden MOS-Rückkopplungsschalter 18, einem zur Zuführung von Ladungen zu der Übertragungsschaltung dienenden Übertragungsschalter 19, einem zur Zuführung von Ladungen zu der Speicherzelle M dienenden Übertragungsschalter 20, einem zur Rückkopplung von Ladungen zu der Speicherzelle M dienenden MOS-Rückkopplungsschalter 21, sowie einem MOS-Klemmschalter 22, einem Klemmkondensator 23 und einem MOS-Verstärkungstransistor 24 einer Sourcefolgerschaltung gebildet, wobei diese Einheit für jede Zeile vorgesehen ist. Das Wandlergerät umfasst außerdem einen MOS-Horizontal-Übertragungsschalter 15, einen Ausgangsverstärker 16 und einen MOS-Rückstelltransistor 17. Die Steuerung von Impulsen ϕSL1 und ϕPS1 erfolgt über ein jeweiliges Übertragungsverknüpfungsglied 5 bzw. 6, während die Steuerung von Impulsen ϕSL2 und ϕPS2 über ein jeweiliges Übertragungsverknüpfungsglied 13 bzw. 14 erfolgt.
9 zeigt zeitabhängige Ansteuersignalverläufe bei dem fotoelektrischen Wandlergerät. Zeilenausgangssignale V11 und V21 von Vertikal-Abtastschaltungen 1 und 2 werden auf "H" eingestellt. Zur Zeit T₀ werden Impulse ϕRS, ϕPS1, ϕFT1, ϕFT2 und ϕPS2 zur Rückstellung der Sensorzelle S, der Speicherzelle M und der Übertragungsschaltung auf "H" gesetzt. Zur Zeit T₁ werden Impulse ϕSL1 und ϕLS zum Sperren eines MOS-Rückstelltransistors 7 und Durchschalten des Übertragungsverknüpfungsgliedes 5 auf "H" gesetzt, wodurch das von der Fotodiode 1 als Sensor abgegebene Signal invertiert und verstärkt wird. Der MOS-Wählschalttransistor 3 wird zur Zuführung des Signals zu dem Klemmkondensator 23 der Übertragungsschaltung durchgeschaltet. Sodann wird der Übertragungsimpuls ϕFT1 zum Sperren des Übertragungsschalters 19 auf "H" gesetzt. Der Rückstellimpuls ϕRS wird zum Durchschalten des MOS-Rückstelltransistors 17 auf "H" gesetzt, wodurch die Ausgangsleitung der Sensorzelle S zurückgestellt wird. Zur Zeit T₂ werden die Impulse ϕPS1 und ϕFB1 zur Rückkopplung des Signals von der Übertragungsschaltung zu der Gate-Elektrode des MOS-Verstärkungstransistors 2 der Sensorzelle S auf den Wert "H" gesetzt. Hierbei werden anfängliche Signalschwankungen bzw. Signalabweichungen (Rauschen) in der Sensorzelle S durch die gegenphasige Wechselwirkung zwischen der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 2 und der Verstärkung der Klemmschaltung (Begrenzerschaltung) der Übertragungsschaltung unterdrückt.
Wenn in diesem Falle mit G_S der Inversionsverstärkungsfaktor, mit G_T der Verstärkungsfaktor der Klemmschaltung (Begrenzerschaltung) und mit N_init an Anfangsrauschen bezeichnet sind, ist das nach dem Rückkopplungsvorgang erhaltene Rauschen N gegeben durch: N = Ninit(1 + GS × GT)
Der Inversionsverstärkungsfaktor, durch den sich das Rauschen minimal halten lässt, ist durch G_S = –1/G_T gegeben. Wenn somit der Verstärkungsfaktor der Klemmschaltung 0,98 beträgt, kann der Inversionsverstärkungsfaktor –1/0,98 = –1,02 betragen.
Zur Zeit T₃ wird das Signal von der Sensorzelle S erneut der Übertragungsschaltung zugeführt und begrenzt. Zur Zeit T₄ werden Impulse ϕFB2 und ϕPS2 auf "H" gesetzt, um eine den von dem Klemmkondensator 23 gespeicherten Ladungen proportionale Spannung in die Speicherzelle M einzuschreiben.
Dieser Vorgang wird für sämtliche Zeilen bei der Vertikalabtastung durchgeführt, womit der Rückstellvorgang abgeschlossen ist. Nach einer beliebigen Speicherzeit wird das Signal aus der Sensorzelle S ausgelesen. Zur Zeit T₅ wird der Impuls ϕSL1 auf "H" gesetzt, um das Signal zu invertieren und zu verstärken und es aus der Sensorzelle S auszulesen. Zur Zeit T₆ wird der Impuls ϕSL2 auf "H" gesetzt, um ein in der Speicherzelle M gespeichertes Anfangssignal auszulesen und die Spannungsdifferenz zu dem Sensorsignal zu erhalten. Zur Zeit T₇ wird diese Spannungsdifferenz in die Speicherzelle M eingeschrieben. Danach führt eine Horizontal-Abtastschaltung einen Abtastvorgang durch und gibt das Signal über den Verstärker 16 und den Vertikal-Ausgang ab. Das Rauschen N nimmt schließlich folgenden Wert an: N = Ninit(1 + GM × GT)
Wenn der Inversionsverstärkungsfaktor der Speichereinheit G_M = –1/G_T beträgt, wird das Rauschen minimal gehalten. Der Verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärkers 10 hängt von dem Verhältnis des Leitwertes gm des MOS-Verstärkungstransistors 10 zu dem Leitwert gm' eines MOS-Lasttransistors 8 ab. Wenn somit die Gatelänge L oder die Gatebreite W des MOS-Lasttransistors 8 zur Änderung des Leitwertes gm' verändert wird, kann der Inversionsverstärkungsfaktor dahingehend eingestellt werden, dass der Rauschanteil minimal gehalten wird. Dies trifft nicht nur auf eine Rauschverringerung über den MOS-Lasttransistor 8 der Speicherzelle M sondern auch auf eine Rauschverringerung durch den MOS-Lasttransistor 7 der Sensorzelle S zu.
Bei dem vorstehend beschriebenen fotoelektrischen Wandlergerät können jedoch bereits geringfügige Abweichungen der Potentialmuldenkonzentration, der Oxidschichtdicke oder der Fertigungsabmessungen bzw. -toleranzen bei Fertigungslosen, Wafern oder Chips Veränderungen des Leitwertes gm des MOS-Transistors zur Folge haben, was dann zu Abweichungen des Inversionsverstärkungsfaktors von seinem Optimalwert führt. Bei Abweichungen des Inversionsverstärkungsfaktors vom Optimalwert nimmt jedoch die Rauschunterdrückungswirkung ab, sodass die Ausgangssignalschwankungen zwischen Zellen, d. h., das sogenannte Strukturrauschen (fixed pattern noise bzw. FPN) ansteigt. Hierdurch kann sich der Prozentsatz von defekten Chips mit einem über einem vorgegebenen Wert liegenden Rauschen erhöhen, was dann zu einer geringeren Gutausbeute führt.
In Bezug auf das Problem der erforderlichen Unterdrückung eines Anstiegs dieses Strukturrauschens ist erfindungsgemäß eine Lösung gefunden worden, die nachstehend näher beschrieben wird.
Hierbei wird auf ein fotoelektrisches Wandlergerät der z. B. aus der vorstehend bereits genannten japanischen Patent-Offenlegungsschrift JP-A-9 200 629 (Patentanmeldung Nr. 8-7 329) bekannten Art Bezug genommen, das eine Vielzahl von Bildelementen umfasst, die jeweils eine fotoelektrische Wandlereinrichtung und eine Verstärkungseinrichtung zur Verstärkung der von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten Ladungen und Zuführung der verstärkten Ladungen zu einer Ausgangsleitung aufweisen.
Dieses fotoelektrische Wandlergerät ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch:
eine Vielzahl von mit der Ausgangsleitung verbundenen und der Verstärkungseinrichtung zugeordneten Lastelementen, die jeweils eine unterschiedliche Charakteristik aufweisen, und
eine Wähleinrichtung zur Auswahl eines beliebigen Lastelements aus der Vielzahl der Lastelemente, wobei die Verstärkungseinrichtung in einem beliebigen Bildelement und das von der Wähleinrichtung ausgewählte Lastelement als Inversionsverstärkungseinrichtung für dieses eine Bildelement zusammenwirken.
Wenn bei dieser Anordnung der Inversionsverstärkungsfaktor durch Auswahl eines Lastelements mit einer geeigneten Charakteristik optimal eingestellt wird, kann ein Signal ohne Strukturrauschen erhalten werden. Alternativ kann ein geeigneter Verstärkungsfaktor derart eingestellt werden, dass ein hoher Störabstand, eine hohe Empfindlichkeit und ein großer Dynamikbereich erhalten werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
2A und 2B schematische Darstellungen von Ausgangssignalverläufen bei einem Bildelement einer Sensorzelle des ersten Ausführungsbeispiels,
3A und 3B schematische Darstellungen von Ausgangssignalverläufen bei dem Bildelement der Sensorzelle des ersten Ausführungsbeispiels,
4 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
5 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
6 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung der Auswahlsteuerung eines MOS-Lasttransistors bei dem dritten oder vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 eine Schaltungsanordnung gemäß dem in Betracht gezogenen Stand der Technik, und
9 Ansteuersignalverläufe bei dem in Betracht gezogenen Stand der Technik.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Vereinfachung der Beschreibung ein Bereichssensor mit 2 × 2 Bildelementen veranschaulicht ist. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 bilden eine als Sensorelement dienende Fotodiode 1, ein zur Durchführung einer Inversionsverstärkung dienender MOS-Verstärkungstransistor 2, ein MOS-Wählschalttransistor 3 und ein MOS-Rückstelltransistor 4 eine fotoelektrische Wandler-Sensorzelle S (die nachstehend vereinfacht als Sensorzelle S bezeichnet ist). Ein MOS-Speichertransistor 9, ein MOS-Verstärkungstransistor 10, ein MOS-Wählschalttransistor 11 sowie ein MOS-Rückstelltransistor 12 bilden eine Speicherzelle M.
Eine in jeder Spaltenzeile angeordnete Einheit der Schaltungsanordnung eines Übertragungssystems umfasst einen MOS-Rückkopplungsschalter 18 zur Rückkopplung von Ladungen zu der Sensorzelle S, einen Übertragungsschalter 19 zur Übertragung von Ladungen zu der Übertragungsschaltung, einen Übertragungsschalter 20 zur Übertragung von Ladungen zu der Speicherzelle M, einen MOS-Rückkopplungsschalter 21 zur Herbeiführung einer Rückkopplung auf die Speicherzelle M, sowie einen MOS-Klemmschalter 22 für die Übertragungsschaltung, einen Klemmkondensator 23 und einen MOS-Verstärkungstransistor 24 einer Sourcefolgerschaltung. Außerdem umfasst das fotoelektrische Wandlergerät einen MOS-Horizontal-Übertragungsschalter 15 für die Zuführung eines Signals zu einer Ausgangsleitung 34, wenn ein Abtastsignal H11 einer Horizontal-Abtastschaltung 31 den Wert "H" aufweist, einen Ausgangsverstärker 16 zur Verstärkung des Signals an der Ausgangsleitung 34 sowie einen MOS-Rückstelltransistor 17 zur Rückstellung des Restsignals an einer Sensor-Ausgangsleitung 37.
Durch Veränderung der Gatelänge L und der Gatebreite W lässt sich der Leitwert gm von MOS-Lasttransistoren 71, 72 und 73 für den MOS-Verstärkungstransistor 2 der als fotoelektrische Wandlerzelle dienenden Sensorzelle S verändern. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dieser MOS-Lasttransistoren vorgesehen sind. In ähnlicher Weise ist eine Vielzahl von MOS-Lasttransistoren 81, 82 und 83 mit unterschiedlichen Leitwerten gm für die Speicherzelle M vorgesehen. Wenn die Schwankungen des Leitwertes gm eines MOS-Transistors auf Grund von fertigungsbedingten Abweichungen ±5% betragen, beträgt auch der Sollwert des Leitwertes gm eines jeden MOS-Transistors vorzugsweise ±5%. Obwohl vorstehend MOS-Lasttransistoren in Betracht gezogen worden sind, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kann jeder Transistor Verwendung finden, der als Lasttransistor dienen kann.
Die Wirkungsweise und zeitliche Ansteuerung des vorstehend beschriebenen fotoelektrischen Wandlergerätes entsprechen im wesentlichen weitgehend dem fotoelektrischen Wandlergerät gemäß 8, sodass nachstehend im einzelnen nur auf die bestehenden Unterschiede eingegangen wird.
In den 2A, 2B, 3A und 3B sind die Ausgangssignalverläufe bei jedem Bildelement in der Sensorzelle S bzw. der Speicherzelle M schematisch dargestellt. Hierbei sind in den 2A, 2B, 3A und 3B über der Abszisse die jeweiligen Bildelemente aufgetragen, während über der Ordinate die Ausgangsspannung für jedes Bildelement aufgetragen ist. Mit FPN_PP ist der Spitzen-Spitzenwert der Ausgangsspannung eines jeden Bildelements bezeichnet. Gemäß den 2A, 2B, 3A und 3B findet eine Ansteuerung durch Einstellimpulse ϕLS1, ϕLS2, ϕLS3, ϕLM1, ϕLM2 und ϕLM3 statt. Da die MOS-Verstärkungstransistoren 2 und 10 unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen, fällt auch der jeweilige Rauschunterdrückungsgrad unterschiedlich aus, was wiederum den Betrag bzw. die Größenordnung des Rauschens beeinflusst. Diese Daten werden im Rahmen einer Inspektion unter Verwendung eines Prüfgeräts oder dergleichen erhalten. Von den Einstellimpulsen ϕLS1, ϕLS2, ϕLS3, ϕLM1, ϕLM2 und ϕLM3 kann ein Einstellimpuls zur Minimierung des Rauschens aufgezeichnet und dann im praktischen Betrieb verwendet werden. So wird z. B. bei dem in 2A veranschaulichten Fertigungslos A der Einstellimpuls ϕLS3 verwendet, während bei dem in 2B veranschaulichten Fertigungslos B der Einstellimpuls ϕLS2 Verwendung findet. Bei dem in 3A veranschaulichten Fertigungslos A wird der Einstellimpuls ϕLM2 verwendet, während bei dem in 3B veranschaulichten Fertigungslos B der Einstellimpuls ϕLM1 Verwendung findet. Der Einstellimpuls kann hierbei natürlich nicht nur in Einheiten von Fertigungslosen, sondern auch in Einheiten von Wafern oder Chips verwendet werden.
Wenn somit ein Einstellimpuls zur Minimierung des Rauschens verwendet wird, kann in der vorstehend beschriebenen Weise ein besseres Ergebnis in Bezug auf die Unterdrückung des Strukturrauschens erzielt werden. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel für die Sensorzelle S die drei MOS-Lasttransistoren 71 bis 73 und für die Speicherzelle M die drei MOS-Lasttransistoren 81 bis 83 eingesetzt werden, kann die Anzahl der MOS-Lasttransistoren natürlich auch zwei oder vier oder mehr betragen. Außerdem können PMOS-Transistoren und/oder NMOS-Transistoren Verwendung finden, soweit sie als MOS-Lasttransistoren für die MOS-Verstärkungstransistoren 2 und 10 dienen können.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein MOS-Lasttransistor einer Sensorzelle wie im Falle des Strandes der Technik zugeordnet ist, während einer Speicherzelle mehrere MOS-Lasttransistoren zugeordnet sind. Wenn der Inversionsverstärkungsfaktor einer jeweiligen Speicherzelle M einen Optimalwert (= –1/G_T) aufweist, lässt sich das Rauschen im Sensor unterdrücken. Dieses Ausführungsbeispiel kann daher Verwendung finden, wenn nur ein Speicher-Ausgangssignal erforderlich ist.
Die grundlegende Wirkungsweise des fotoelektrischen Wandlergeräts gemäß diesem Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend der Wirkungsweise des fotoelektrischen Wandlergeräts, dessen Signalverläufe in 9 veranschaulicht sind, sodass nachstehend nur auf die bestehenden Unterschiede eingegangen wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich das in Bezug auf die Unterdrückung des Strukturrauschens erzielbare Ergebnis ohne nennenswerte Vergrößerung der Chipabmessungen und der Anzahl der Ansteuerimpulse verbessern.
Betrieb und Wirkungsweise entsprechen weitgehend der Schaltungsanordnung gemäß 8 sowie dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Wafer- oder Chipzustand werden Einstellimpulse ϕLM1 bis ϕLM3 zur Ermittlung eines Einstellimpulses für die Minimierung des Strukturrauschens angelegt. Wenn das fotoelektrische Wandlergerät aktiviert werden soll, wird der Einstellimpuls auf "L" gesetzt, um einen spezifischen MOS-Lasttransistor für die Speicherzelle M anzusteuern.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem CMOS-Sensor mit invertierender Verstärkung, bei dem zur Rauschunterdrückung keine Speicherzelle, sondern Signal- und Rauschanteil-Speicherkondensatoren Verwendung finden.
Gemäß 5 umfasst das fotoelektrische Wandlergerät einen Dunkelausgangspotential-Speicherkondensator C_TN 40, einen Signalausgangspotential-Speicherkondensator C_TS 41, einen MOS-Übertragungsschalter 42 für den Dunkelausgangspotential-Speicherkondensator C_TN, einen MOS-Übertragungsschalter 43 für den Signalausgangspotential-Speicherkondensator C_TS, MOS-Übertragungsschalter 44 und 45 zur Zuführung eines Signals zu einer Signalleitung 47 bzw. einer Rauschpotentialleitung 48 und einen Differenzverstärker 46 zur Subtraktion des Dunkelausgangspotentials von dem Signalpotential. Eine Fotodiode 1, ein MOS-Verstärkungstransistor 2, ein MOS-Wählschalttransistor 3 und ein MOS-Rückstelltransistor 4 einer Sensorzelle S sowie der Sensorzelle S zugeordnete MOS-Lasttransistoren 71 bis 73 entsprechen dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Nachstehend wird auf die zeitliche Steuerung des Auslesens bei diesem Ausführungsbeispiel näher eingegangen. Ein von der Sensorzelle S abgegebenes Bildsignal wird in dem Signalausgangspotential-Speicherkondensator C_TS 41 gespeichert. Sodann wird der von der Sensorzelle S selbst erzeugte Rauschsignalanteil in dem Dunkelausgangspotential-Speicherkondensator C_TN 40 gespeichert. Die MOS-Übertragungsschalter 44 und 45 werden in Abhängigkeit von einem von einer Horizontal-Abtastschaltung 31 zugeführten Lese-Abtastsignal H11 zum Auslesen der Ladungen auf die Ausgangsleitungen 47 bzw. 48 durchgeschaltet. Als Ausgangssignal des Differenzverstärkers 46 kann dann ein Bildsignal erhalten werden, bei dem der Rauschsignalanteil bzw. die Rauschkomponente unterdrückt ist.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls mehrere MOS-Lasttransistoren vorgesehen sind, kann der Verstärkungsfaktor verändert werden. Ein MOS-Lasttransistor, bei dem das Strukturrauschen (FPN) minimal gehalten wird, wird im Wafer- oder Chipzustand bestimmt, wobei im Betrieb dann einer der Einstellimpulse ϕLS1 bis ϕLS3 zur Ansteuerung dieses MOS-Lasttransistors angelegt wird.
Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das Auslesen eines Signalausgangspotentials und eines Dunkelausgangspotentials unter Verwendung des gleichen Inversionsverstärkungsfaktors erzielbar ist, lässt sich der Rauschanteil durch den Differenzverstärker in der Endstufe unterdrücken. Demzufolge muss in diesem Fall die Bedingung für die Rauschunterdrückung in einer Speicherzelle, nämlich ein Inversionsverstärkungsfaktor = –1/G_T, nicht erfüllt sein. Der Inversionsverstärkungsfaktor kann auf –1, –2 oder –4 eingestellt werden. Üblicherweise werden die Ladungen von einer externen Schaltungsanordnung verstärkt, wobei in diesem Fall das Signal jedoch stör- bzw. rauschempfindlich ist und kein hoher Störabstand erzielt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Ladungen jedoch in der Sensorzelle S der Bildelementeinheit verstärkt werden, sodass das Signal rauschunempfindlich ist und ein hoher Störabstand erhalten werden kann.
Mit Hilfe dieses Ausführungsbeispiels lässt sich ein fotoelektrisches Wandlergerät mit variabler Verstärkung erhalten, das bei geringem Lichteinfall ein Signal unter Vergrößerung der Verstärkung und bei hohem Lichteinfall unter Verringerung der Verstärkung ausliest. Wie in 7 veranschaulicht ist, wird hierbei die Lichtmenge von einem Sensor 101 ermittelt und eine Impulsgeneratorschaltung 103 von einer Zentraleinheit CPU 102 zur Auswahl eines MOS-Lasttransistors in einem Sensorchip 104 gesteuert. Als Sensor zur Ermittlung der Lichtmenge kann ein PN-Übergangssensor oder ein fotoleitfähiger Sensor Verwendung finden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung von 2 × 2 Bildelementen beschrieben worden, jedoch kann ein Signal auch von einer Vielzahl von Flächensensoren oder einem Zeilensensor ausgelesen werden. Bei einem Zeilensensor können die Ausgangssignale V11 und V12 einer Vertikal-Abtastschaltung 33 stets auf "H" eingestellt sein, wobei dann diese Vertikal-Abtastschaltung 33 entfallen kann.
In 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, bei dem die Schaltungsanordnung dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch eine andere Bildelementanordnung vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Übertragungsverknüpfungsglied 49 zwischen einer Fotodiode 1 und einem MOS-Verstärkungstransistor 2 angeordnet, wobei die in der Fotodiode 1 erzeugten Ladungen vollständig abgeschöpft und der Gate-Elektrode des MOS-Verstärkungstransistors 2 zugeführt werden. Das Gate-Potential ändert sich somit in Abhängigkeit von den vollständig abgeschöpften und sodann zugeführten Ladungen. Diese Potentialänderung wird zum Auslesen des Signals invertiert und verstärkt. Die Erfindung ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass der Inversionsverstärkungsfaktor durch MOS-Lasttransistoren 71 bis 73 dahingehend verändert werden kann, dass das Strukturrauschen (FPN) minimal gehalten wird.
Durch dieses Ausführungsbeispiel lässt sich ein fotoelektrisches Wandlergerät mit variabler Verstärkung erhalten, das einen hohen Störabstand und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Die Wirkungsweise und Funktionen der anderen Bauelemente entsprechen denjenigen des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl von MOS-Lasttransistoren zur Änderung der Verstärkung vorgesehen. Diese MOS-Lasttransistoren können im Rahmen des gleichen Musterausbildungsvorgangs hergestellt werden, in dem die Ausbildung anderer MOS-Transistoren erfolgt. Außerdem wird durch diese Vergrößerung des für die Herstellung erforderlichen Bereichs die Chipgröße nicht nennenswert beeinträchtigt, da der in Anspruch genommene Bereich ebenfalls eine MOS-Struktur aufweist.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei dem ersten oder dem zweiten Ausführungsbeispiel der Inversionsverstärkungsfaktor stets auf einen Optimalwert eingestellt. Da auf diese Weise ein rauschfreies Signal erhalten werden kann, lässt sich eine bessere Unterdrückung des Strukturrauschens bei verringerten Herstellungskosten erzielen.
Bei dem dritten oder vierten Ausführungsbeispiel wird die Verstärkung in Abhängigkeit von der Lichtmenge eingestellt, sodass ein fotoelektrisches Wandlergerät mit einem hohen Störabstand, einer hohen Empfindlichkeit und einem großen Dynamikbereich realisierbar ist.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch in Form einer Vielzahl anderer Ausführungsbeispiele ausgeführt werden, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Schutzumfang abzuweichen.

Claims

Photoelektrisches Wandlergerät, mit einer Vielzahl von Bildelementen (S), die jeweils eine photoelektrische Wandlereinrichtung (1) und eine Verstärkungseinrichtung (2) zur Verstärkung der von der photoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten Ladungen und Zuführung der verstärkten Ladungen zu einer Ausgangsleitung (37) aufweisen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von mit der Ausgangsleitung (37) verbundenen und der Verstärkungseinrichtung zugeordneten Lastelementen (71 bis 73), die jeweils eine unterschiedliche Charakteristik aufweisen, und eine Wähleinrichtung (ϕLS1, ϕLS2, ϕLS3) zur Auswahl eines beliebigen Lastelements aus der Vielzahl der Lastelemente, wobei die Verstärkungseinrichtung in einem beliebigen Bildelement und das von der Wähleinrichtung ausgewählte Lastelement als Inversions-Verstärkungseinrichtung für dieses eine Bildelement zusammenwirken.
Wandlergerät nach Anspruch 1, bei dem die photoelektrischen Wandlereinrichtungen, die Verstärkungseinrichtungen und die Lastelemente auf dem gleichen Chip angeordnet sind.
Wandlergerät nach Anspruch 1, mit einer Dunkelausgangspotential-Speichereinrichtung (40) zur Speicherung von von der photoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten und über die Ausgangsleitung zugeführten Dunkelladungen (C_TN), und einer Signalausgangspotential-Speichereinrichtung (41) zur Speicherung von von der photoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten und über die Ausgangsleitung zugeführten Signalladungen (C_TS).
Wandlergerät nach Anspruch 3, bei dem Rauschen durch Bildung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Signalausgangspotential-Speichereinrichtung und dem Ausgangssignal der Dunkelausgangspotential-Speichereinrichtung unterdrückt wird.
Wandlergerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jedes Lastelement (71 bis 73) einen Transistor umfasst.
Wandlergerät nach Anspruch 5, bei dem der Transistor einen MOS-Transistor umfasst.
Wandlergerät nach Anspruch 6, bei dem die Wähleinrichtung eines der Lastelemente durch Anlegen eines Impulses an einen Gate-Bereich des MOS-Transistors auswählt.
Wandlergerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eines der Vielzahl von Lastelementen bei seiner durch die Wähleinrichtung erfolgenden Auswahl und Verwendung eine Charakteristik zur Minimierung des Rauschanteils des Ausgangssignals an der Ausgangsleitung aufweist.
Wandlergerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Bildelement als photoelektrische Wandlereinrichtung eine Photodiode und als Verstärkungseinrichtung einen MOS-Transistor aufweist.
Wandlergerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Speicherzellen (M) vorgesehen ist, die jeweils einen MOS-Transistor (10) und einen Kondensator (9) aufweisen.