DE69824398T2

DE69824398T2 - Photodiodenanordnung

Info

Publication number: DE69824398T2
Application number: DE69824398T
Authority: DE
Inventors: Hubert Kuderer
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: EP0967794A1; US6300613B1; DE69824398D1; EP0967794B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung in Übereinstimmung mit dem charakterisierenden Teil des Anspruchs 1. Solch eine Photodiodenanordnung wird z. B. verwendet zum Messen des Absorptionsspektrums einer Probensubstanz, um daraus Information abzuleiten bezüglich der chemischen Zusammensetzung der Probe und den Mengen der einzelnen Bestandteile in der Probe.
Eine Photodiodenanordnung dieser Art ist in der Technik bekannt durch das Europäische Patent EP 0 519 105 B1 . Diese konventionelle Photodiodenanordnung kann in einem Flüssigkeitschromatographen verwendet werden zum Analysieren der Substanzen, die der chromatographischen Säule entweichen. Sie weist eine Lichtquelle auf, welche ein breites Spektrum an ultravioletter und sichtbarer Strahlung ausgibt, sowie ein optisches System zum Fokussieren des Strahls in eine Probenzelle durch welche die zu analysierenden Probensubstanzen fließen. Abhängig von den spezifischen Substanzen, welche durch die Zelle fließen, absorbiert die Probe bestimmte charakteristische Spektralanteile der Strahlung, welche in die Probenzelle eindringt, so dass die Spektralkomposition der Strahlung, welche die Zelle verlässt, ein Indiz für die Probensubstanzen ist.
In einem solchen Spektrometer wird das Strahlungsspektrum, welches die Probenzelle verlässt, extrahiert unter Verwendung eines Diffraktionsgitters in dem optischen Pfad hinter der Zelle. Das Diffraktionsgitter richtet die Lichtstrahlen differierender Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen. Eine lineare Photodiodenanordnung ist dazu angepasst, das durch das Gitter gebrochene Licht zu empfangen. Jede Diode empfängt hierbei Licht, das einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich entspricht. Die elektrischen Signale, welche in jeder Photodiode durch das einfallende Licht produziert werden, werden durch einen Lese-Schaltkreis ausgelesen und in digitale Datenwerte umgewandelt, welche die Intensität des auf die jeweilige Diode einfallenden Lichts repräsentieren. Diese Datenwerte werden dann angezeigt als eine Wellenlängenfunktion in jeder passenden Weise, zum Beispiel auf einem CRT Bildschirm.
Die Photodiodenanordnung ist eine Halbleitervorrichtung und weist eine Vielzahl von photosensitiven Elementen auf, welche über elektronische Schalter mit einer gemeinsamen Ausgabeleitung verbunden sind, z. B. einer Video-Leitung, welche ihrerseits mit einem Ladungsverstärker verbunden ist. Jedes photosensitive Element hat einen zugeordneten Kompensator, welcher die Verbindungskapazität der Photodioden darstellt. Die Kombination eines photosensitiven Elements und zugeordneten Kompensators wird auch als „Photozelle" bezeichnet.
Licht, welches auf das photosensitive Material trifft, generiert Ladungsträger, welche diese Kompensatoren entladen. Die Kompensatoren der Photozellen werden anfänglich geladen bis zu einem vorgegebenen Wert und werden dann entladen durch den Photostrom, welcher durch die Photozellen generiert wird, wenn Licht auf sie einwirkt. Die Ladungsmenge, welche benötigt wird zum erneuten Laden der Kompensatoren auf ihre ursprünglichen Werte verursacht eine Spannungsänderung an der Ausgabe des Ladungsverstärkers, ein Signal, welches die Lichtintensität an der Photodiode anzeigt.
Eine Photodiodenanordnung weist eine Vielzahl von Photozellen auf, jede generiert diese Ausgabesignale, welche dann sequentiell verarbeitet werden. Die Photodiodenanordnung arbeitet im Allgemeinen in einem integrierenden Modus (selbst scannende und zufällig zugängliche Photodiodenanordnungen). Die Verteilung der Ausgabesignale über die Zeit ist verbunden mit dem Problem spektraler Verformung. Insbesondere für Spektralphotometer, welche verwendet werden zum Detektieren von Probensubstanzen, welche aus der Flüssigkeitschromatograhpensäule entweichen, ändert sich die zu analysierende Probe als eine Zeitfunktion. Da die Signale aus den individuellen Photozellen sequentiell verarbeitet werden, werden die Ausgabesignale, welche durch Lichtstrahlen unterschiedlicher, gleichzeitig auf die Photodioden treffender Wellenlängen verursacht werden, in zeitlich aufgeteilter Weise verarbeitet.
Ein weiteres Problem ist, dass ein einzelner A/D Umwandler normalerweise verwendet wird zum sequentiellen Umwandeln individueller Photodioden der Photodiodenanordnung. Da die Zahl von Photodioden im Allgemeinen sehr groß ist, d. h. 1024 Photodioden, muss die Umwandlungsrate des A/D Umwandlers sehr hoch sein, z. B. über 100 kHz, zum Sicherstellen hoher Messgenauigkeit. Solche A/D Umwandler sind eher komplex und teuer.
Daher ist eine parallele Photodiodenanordnung in Übereinstimmung mit EP 0 519105 vorteilhaft. Die Signale jedes Kanals, der seinen eigenen Umwandler hat, werden simultan generiert. Für jeden einzelnen Kanal können einfachere A/D Umwandler verwendet werden, und die Messgenauigkeit für zeitvariable Probenkonzentrationen wird verbessert.
Die Verwendung einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps ist vorteilhaft zum Verbessern der Integration der Photodiodenanordnung, z. B. auf einem einzelnen Silikonchip. Diese Art von Photodiodenanordnung verwendet einen Integratorschaltkreis zum Akkumulieren der Ladung, welche durch den Photostrom geliefert wird und entfernt die Ladung, welche innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls in definierten Ladungspaketen angesammelt wurde unter Verwendung eines schaltbaren Ladekompensators. Die Frequenz von Ladungslagerung, welche erforderlich ist, um das System in Balance zu halten, ist proportional zu dem Photostrom, welcher durch die individuelle Photodiode generiert wird. Jede Photodiode ist verbunden mit dem Summenknoten eines Integrators, welcher die Ladung kontinuierlich akkumuliert in Übereinstimmung mit dem Photostrom zum Ausführen der A/D Umwandlung. Das Ausgabesignal des Integrators wird periodisch verglichen mit einem vorgegebenen Signalniveau, d. h. durch einen passenden Komparator, und als Antwort auf diese Vergleiche, werden Ladungslagerungen ausgeführt an und/oder von dem Integrator zum Halten der Ausgabesignale auf einem vorgegebenen Niveau. Die Anzahl solcher Lagerungen wird gezählt, d. h. durch einen logischen Zähler während eines vorgegebenen Zeitintervalls. Die ermittelte Anzahl ist ein digitales Signal, das den tatsächlichen Photostrom darstellt.
In einer vorteilhaften Ausführung dieser konventionellen Photodiodenanordnung wird ein Stromspiegel, d. h. ein „Wilson Stromspiegel" verwendet zum Verstärken und Umkehren des Photostroms. Diese Ausführung ist nützlich, da der Photostrom für verschiedene Appplikationen und Lichtintensitäten variiert. Der Stromspiegel wird in den Photostrompfad eingefügt zwischen der Photozelle und dem Summenknoten des Integratorschaltkreises, um die Verbindungskapazität der Photozelle von dem Summenknoten abzukoppeln.
Der oben beschriebene Photodiodenanordnungstyp wird in einer Vielzahl von Applikationen angewendet. Photodiodenanordnungen dieser Art werden verwendet

– mit analytischer Ausrüstung wie Spektralphotometern oder Diodenanordnungsdetektoren,
– für Farb- oder Dünnfilmmessung unter Verwendung von Lichtreflektion, Lichtübertragung oder Lichtemission,
– in Bildscan-Vorrichtungen,
– in Kontrollvorrichtungen für verschiedene Industrieprozesse.

Diese unterschiedlichen Applikationen werden mit weit differierenden Erfordernissen in Bezug auf die benötigte Scanning-Rate, Zeit- und/oder Signalauflösung, Signal-zu-Rauschen-Verhältnis und die dynamische Sensitivität der Photodiodenanordnung assoziiert.
Wegen der extrem hohen Forschungs- und Entwicklungskosten für die oben beschriebenen Photodiodenanordnungen ist es vorteilhaft, eine Photodiodenanordnung zu kreieren, die für fast alle Applikationen passend ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Hauptaufgabe der Erfindung, den Anwendungsbereich einer Photodiode des Ladungsausgleichstyps auszuweiten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den dynamischen Messbereich der Photodiode auszuweiten, um die Adaptation an einen ausgeweiteten Bereich von differierenden Lichtintensitäten, die auf die Photodioden der Photodiodenanordnung treffen, zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Photodiodenanordnung des Typs wie in dem einleitenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben in einer Photodiodenanordnung mit den da gekennzeichneten Merkmalen.
Das Basisprinzip der Erfindung ist die Schaffung einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps, welche adaptierbar ist an eine Vielzahl verschiedener Applikationen. Die Photodiodenanordnung hat daher einen Schaltkreis zum Variieren mindestens eines der system-spezifischen Parameters, welche mit den durch die Photodiode gelieferten Messdaten assoziiert werden. Der Schaltkreis erlaubt die Variation von z. B. der Zeitauflösung, der Signalauflösung oder der Messsensitivät der Photodiodenanordnung.
Die Nutzerfreundlichkeit dieser Photodiodenanordnung nimmt zu, wenn der Schaltkreis programmierbar ist. Makros können definiert werden zum Anpassen der Erfordernisse häufig angewendeter Applikationen.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, die verbesserte Photodiodenanordnung auf einem einzigen Halbleiterchip anzuordnen. Es ist daher vorteilhaft, den Schaltkreis und andere Teile der Photodiodenanordnung unter Verwendung der CMOS Technologie zu betätigen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird ein Intervallkontrollschaltkreis eingefügt zum Variieren der Länge des Zeitintervalls zum Akkumulieren der Ladung, welche durch den Photostrom geliefert wird. Erhöhen des Zeitintervals resultiert in einer erhöhten Anzahl von gezählten Ladungslagerungen zum Verbessern der Signalauflösung auf Kosten der Zeitauflösung.
In einer weiteren Verbesserung dieser Ausführung weist der Intervallkontrollschaltkreis einen logischen Schaltkreis auf, mit einem Shift-Register zum Ermitteln der Länge des Zeitintervalls.
In Übereinstimmung mit Anspruch 6 wird durch einen umschaltbaren Ladeschaltkreis eine kontrollierbare Abschwächung vorgenommen. Dieser Ladeschaltkreis weist mindestens zwei umschaltbare Ladeschaltkreise auf, wobei die Größe der Ladungslagerung definiert wird in Abhängigkeit von der gewählten Kompensatorverkabelung. Die Abschwächung kann daher angepasst werden an die Erfordernisse in Abhängigkeit von dem erwarteten maximalen Photostrom. Eine anpassbare Abschwächung weitet den Bereich der Photostromwerte aus und folglich von differierenden Lichtintensitäten, welche gemessen werden können.
In einer weiteren verbesserten Ausführung der Erfindung ist die Verstärkung des Photostroms kontrollierbar unter Verwendung eines kontrollierbaren Stromverstärkers. Diese Ausführung hat den Vorteil, schwache Photostromsignale zu verstärken und starke abzuschwächen, um den Anwendungsbereich der Photodiodenanordnung auszuweiten.
In einer weiteren Verbesserung dieser Erfindung wird der Stromverstärker betätigt unter Verwendung der CMOS-Technologie zum Erleichtern der Anordnung der gesamten Photodiodenanordnung auf einem einzigen Chip. Es ist daher vorteilhaft, den Stromverstärker mehrstufig zu betätigen, um den Raumbedarf stark zu reduzieren, welcher benötigt wird auf dem Chip-Substrat für einen vorgegebenen Gewinnfaktor, verglichen mit einer einzigen Stromverstärkerstufe mit diesem Gewinnfaktor, da die Stufen eines Mehrstufenverstärkers viel kompakter sind.
Eine Ausführung eines kontrollierbaren Stromverstärkers weist einen passenden zusätzlichen FETS auf, schaltbar für Einfügen oder Ausschalten. Hinzufügen zusätzlicher FETS parallel erhöht die effektive Kanalweite, und Einfügen zusätzlicher FETS in Reihe erhöht die effektive Kanallänge des Stromverstärkers.
Die Stufen des Stromverstärkers werden wie in Anspruch 10 beschrieben geschaltet, zum Vermeiden von Flickerrauschspannung, welche durch das Schalten dieser zusätzlichen FETS verursacht wird.
Schließlich werden mindestens zwei kontrollierbare Stromverstärker parallel geschaltet zum Ausführen einer Stromverstärkerstufe, wobei die Summe der Ausgabeströme der Eingangsstrom für die nächste Verstärkerstufe darstellt.
In Übereinstimmung mit Anspruch 12 können einige oder alle erwähnten Umschaltkreise in einer einzigen Photodiodenanordnung kombiniert werden zum Vorsehen einer maximalen Anpassbarkeit dieser Photodiodenanordnung. Damit wird eine multifunktionale Photodiodenanordnung kreiiert, die passend ist für einen weiten Bereich von verschiedenen Anwendungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine Ausführung der Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen detaillierter erklärt:
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Photodiodenanordnungsspektrometers mit einer Photodiodenanordnung nach der Erfindung,
2 zeigt ein Blockdiagramm, das einen Kanal einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps mit einem Stromspiegel darstellt,
3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps mit einem zusätzlichen Intervallkontrollschaltkreis,
4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps mit einem zusätzlichen umschaltbaren Ladeschaltkreis,
5 zeigt einen Detailschaltkreis einer Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps mit einem Mehrstufenstromverstärker,
6 zeigt einen kontrollierbaren Mehrstufenstromverstärkerschaltkreis und
7 zeigt einer Schaltkreis einer vorteilhaften Ausführung einer Photodiodenanordnung mit einem kontrollierbaren Mehrstufenstromverstärker, einem kontrollierbaren Ladeschaltkreis und einem kontrollierbaren Intervallkontrollschaltkreis.
BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNG
1 zeigt schematisch eine Photodiodenanordnung zum Messen der Absorption eines mehrfarbigen Strahls von ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung durch eine zu analysierende Probe.
Das Spektrometer weist eine Lichtquelle 1 auf, z. B. eine Deuterium-Lampe, welche einen Lichtstrahl 2 von mehrfarbiger Strahlung ausgibt. In Übereinstimmung mit der Erfindung kann die Lichtquelle 1 auch eine Blitzlicht-Lampe sein. Der Lichtstrahl 2 wird durch ein Linsensystem 3 in eine Probenzelle 5 fokussiert. Das Linsensystem 3 ist vorzugsweise ein achromatisches System, um sicherzustellen, dass Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge im Wesentlichen denselben Fokalpunkt haben. Eine Blende 4 erlaubt die Unterbrechung des Lichtstrahls 2 zum Messen des dunklen Signals an den Photodioden der Photodiodenanordnung 11. Während des tatsächlichen Messprozesses mit dem Strahl 2, der die Probenzelle 5 passiert, werden das dunkle Signal und andere Offset-Signale von den gemessenen Werten subrahiert, um Messfehler zu kompensieren.
Die Probenzelle 5 kann einen Einlass und einen Auslass aufweisen, durch welche eine zu analysierende Probenflüssigkeit kontinuierlich fließt. Ein Spektrometer dieser Art wird in Flüssigkeitschromatographen verwendet, welche mit einer chromatographischen Trennsäule verbunden sind, aus der kontinuierlich Probensubstanzen entweichen.
Die mehrfarbige Strahlung, welche in die Probenzelle 5 eindringt, wird teilweise absorbiert durch die Substanz in der Zelle. Abhängig von den Probensubstanzen werden Strahlen gewisser Wellenlänge stärker absorbiert als Strahlen anderer Wellenlängen. Der Strahl, der die Zelle 5 verlässt, hat daher eine andere Spektralkomposition als der Lichtstrahl 2, der in die Zelle 5 eindringt. Das resultierende Spektrum weist dabei Informationen auf über die Art und die Menge von Substanzen in der Zelle 5.
Der Strahl, der die Zelle 5 verlässt, trifft auf ein holographisches Diffraktionsgitter 10, welches das Licht dispergiert in Abhängigkeit von den verschiedenen Wellenlängen in dem einfallenden Strahl. Die räumlich getrennten Lichtstrahlen von dem Gitter 10 treffen auf eine Photodiodenanordnung 11, welche aus einer Vielzahl von individuellen Licht-sensitiven Dioden besteht, welche durch Licht unempfindliche Räume getrennt sind. Jede der Photodioden fängt einen spezifischen Spektralanteil der gebrochenen Strahlung.
Die Photodiodenanordnung 11 ist verbunden mit einem Leseschaltkreis 20 zum kontinuierlichen Auslesen von elektrischen Signalen von den Photodioden, wobei diese Signale die Intensität des Lichts angeben, welches auf die Photodioden trifft. Die elektrischen Signale, die aus der Photodiodenanordnung 11 ausgelesen werden, werden dann in einer Signalverarbeitungseinheit 21 weiterverarbeitet. Der Betrieb des Leseschaltkreises 20 und der Signalverarbeitungseinheit 21 wird durch einen Controller 23 kontrolliert, der auch Displaymittel 22 kontrolliert zum Anzeigen eines Spektrums der analysierten Probe.
Wie in 2 gezeigt, ist eine Photodiode rückwärts gerichtet und agiert als eine Stromquelle. Jede Photodiode 30 hat einen assoziierten Kompensator C_s, der die Verbindungskapazität der Photodioden 30 darstellt. Ein Photostrom I_ph fließt, wenn Licht auf die Photodioden trifft und einen Wert hat proportional zu dem einfallenden Lichtniveau. Die Photodiode 30 ist über einen Stromspiegel 33 verbunden mit einem Summenknoten eines Integratorschaltkreises 35 mit einem operationellen Verstärker 36 und einem Kompensator C_int in seiner Feedback-Schleife. Ein Ladeschaltkreis 37 weist einen umschaltbaren Ladeschaltkreis C_d auf, der durch einen Logikschaltkreis 41 kontrolliert wird. Ein Komparatorschaltkreis 42 wird zwischen dem Ausgang des Integratorschaltkreises 35 und dem Logikschaltkreis 41 geschaltet. Die Ladungslagerungen des Ladekompensators C_d, welche benötigt werden, das System in Balance zu halten, werden durch einen digitalen Zähler 43 gezählt. Das digitale Ausgabesignal des Zählers 43 zeigt die Lichtintensität, die auf die Photodiode 30 trifft. Der oben beschriebene Typ der Photodiodenanordnung 11 wird „Ladungsausgleichstyp" genannt.
Der Stromspiegel 33 ist vorzugsweise ein konventioneller Wilson Stromspiegel, detailliert beschrieben in EP 0 519 105 B1 . Andere Stromspiegel können ebenfalls verwendet werden.
Die Ausführung der unten beschriebenen Erfindung weist mindestens einen Umschaltkreis auf, zum Variieren der Parameter, welche mit dem digitalen Ausgabesignal der Photodiodenanordnung assoziiert werden. Das digitale Ausgabesignal ist eine binär verschlüsselte Anzahl von gelieferten Ladungslagerungen, welche den tatsächlichen Photostrom darstellen. Das digitale Ausgabesignal ist auch eine dimensionslose Menge, die durch folgende Gleichung angegeben werden kann:
mit
V_ref = Spannungsniveau an der nicht-invertierenden Seite des Integratorschaltkreises (35)
I_ph = Photostrom
t_int = Zeitinterval
C_d = Ladekompensator
k = Abschwächungsfaktor
g = Verstärkungsfaktor
und Qd = Vref*Cd mit,
Q_d = gelieferten Ladungspaketen
und
Iph * tint = n*Qd*1/k*g
Die Zeitauflösung des aufgezeichneten Ausgabesignals hängt ab von der Länge des Zeitintervalls t_int. Die Signalauflösung hängt von verschiedenen Parametern ab, insbesondere von der Anzahl der gelieferten Ladungslagerungen Q_d in einem vorgegebenen Zeitintervall t_int für festgelegte Systemparameter. Der dynamische Messbereich hängt ab von dem Verhältnis einer maximal zählbaren Anzahl, die mit dem maximalen operablen Photostrom I_ph assoziiert wird, zu der gezählten Anzahl, welche mit dem minimalen operablen Photostrom I_ph assoziiert wird.
Der maximale operable Photostrom I_ph ist limitiert durch die Größe der generierten Ladungspakete Q_d und ihrer Frequenz, welche durch ein Taktsignal M_clk ermittelt wird.
Glücklicherweise reicht bei Anwendungen, die hohe Signalauflösung verlangen, oft niedrige Signalverarbeitungsgeschwindigkeit und Hochgeschwindigkeitsanwendungen verlangen selten auch hohe Zeitauflösung. Es kann daher nützlich sein, lediglich einen dieser Prozessparameter zu verändern.
3 zeigt die Einfügung eines Intervallkontrollschaltkreises 44 mit einem Akkumulierungszähler 45 und einem Shift-Register 46. Der Intervallkontrollschaltkreis 44 wird von allen Kanälen der Photodiodenanordnung gemeinsam genutzt. Das Shift-Register 46 empfängt Eingabesignale, welche eine vorgegebene Zeitlänge des Zeitintervals t_int darstellen. Die Länge des Zeitintervalls t_int kann durch ein Programm vorbestimmt oder manuell eingegeben sein. Das Shift-Register 46 ist mit dem Akkumulierungszähler 45 verbunden, der das Taktsignal M_clk empfängt, das eine Umschaltfrequenz D_clk für den Logikschaltkreis 41 liefert, welcher den Ladeschaltkreis 37 kontrolliert. Ein Ladezähler 47 ist verbunden mit einem zusätzlichen Shift-Register 50 zum Speichern der gezählten Anzahl gelieferter Ladungslagerungen, welche durch den Ladeschaltkreis 37 in dem Zeitintervall t_int gegeben werden zusammen mit Information, welche die besondere Photodiode 30 identifiziert. Die Photozelle, die den Kondensator C_s und die Photodiode 30 aufweist, wird in 3 als Stromquelle 51 angegeben. Der Stromspiegel 33 ist aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Der Intervallkontrollschaltkreis 44 erlaubt die Anpassung des Zeitintervalls zum Liefern einer passenden Zeitauflösung auf Kosten der Signalauflösung.
Wie in 4 gezeigt, ist ein kontrollierbarer Ladeschaltkreis 37 vorgesehen zum Variieren des Wertes der gelieferten Ladungslagerungen durch Ändern der eingefügten effektiven Kapazität. Gegen dieses Ende sind die Ladekondensatoren C₁, C₂ und C₃ verbunden durch Schaltelemente S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅. Die verschiedenen Kombinationen von eingefügten Kondensatoren sehen vier verschiedene binäre gewichtete Werte vor für die effektive Kapazität mit C1 = C2 = ½C3
In Übereinstimmung mit der Erfindung können andere Kombinationen und/oder Kondensatoren verwendet werden für den kontrollierbaren Ladeschaltkreis 37. Wie in der integrierten vergrößerten Darstellung des Schaltelements S₅ zu sehen ist, sind die Schaltelemente auch Transistorschaltkreise, welche programm-kontrolliert sind oder durch manuelle Eingabe. Der Abschwächungsfaktor k der Photodiodenanordnung ist auch ähnlich kontrollierbar.
Wie oben beschrieben wird ein Wilson Stromspiegel verwendet zum Rückwärtsrichten und Vergrößern des Photostroms I_ph. Es ist nützlich, einen Schaltkreis einzufügen, der einen Wechsel in dem Verstärkerfaktor g ermöglicht, zum Ändern der Sensitivität der Photodiodenanordnung. Ein Wilson Spiegel mit drei verbundenen MOSFETs M1, M2 und M3 hat eine Stromausgabe, die ungefähr gegeben wird durch:
Diese Gleichung basiert auf einem vereinfachten Transistormodell. Es gibt auch einen passenden Torbereich, damit ein passendes niedriges Flickerrauschniveau sichergestellt ist. Dies resultiert in einem Bedarf an erhöhtem Raum für diesen Torbereich und erfordert ein so hohes L₁/W₁ Verhältnis wie möglich zum Erhöhen des Signalniveaus zum Verbessern des Signal/Rauschen-Verhältnisses. Dies ist besonders wichtig in Bezug auf einen möglichen thermalen Rauschen-Beitrag. Angesichts dieser Erfordernisse ist es vorteilhaft, einen Mehrstufen-Stromspiegel zu verwenden zum Verstärken des Photostroms I_ph, wie in 5 gezeigt wird.
5 zeigt eine erste Verstärkerstufe mit MOSFETs M1, M2 und M3 ergänzt durch eine zweite Verstärkerstufe mit MOSFETs M4 und M5 und einer dritten Verstärkerstufe mit MOSFETs M7, M8, M9, die in einen Mehrstufenstromverstärker kombiniert sind. Dieser Stromverstärker liefert einen Ausgabestrom I_out, der dem Eingabestrom I_ph entspricht.
In Übereinstimmung mit der Erfindung, ist es vorteilhaft, einen kontrollierbaren Verstärkerfaktor g sicherzustellen durch Konfigurieren dieses Mehrstufenstromverstärkerspiegels kontrollierbar zu sein. Gegen dieses Ende, wird die Stromverstärkung erhöht durch zusätzliche Schaltelemente M6₁ ... M6_n, auch ausgeführt durch kontrollierte MOSFETs, wie in 6 zu sehen. Auf diese Weise kann die effektive Länge oder Weite jeder Verstärkerstufe des Stromspiegels variiert werden. Dieses kontrollierte Ändern des effektiven Stromverstärkerschaltkreises verursacht eine Änderung in dem vorgegebenen Verstärkerfaktor g, wie in der oben genannten Gleichung beschrieben.
Die kontrollierte Anpassung des Verstärkerfaktors g durch Schalten des Transistorelements innerhalb des Stromspiegels wie oben beschrieben kann Schaltrauschen verursachen, welches das Signal der Photodiodenanordnung stört. Es ist daher vorteilhaft, die einzelnen Stufen 52,53 und 54 des Stromspiegels so zu verbinden, dass der Ausgabestrom I₁ multipliziert wird und parallel verbunden zu dem Quellenterminal eines MOSFET M4₁ und das Torquellenterminal eines anderen MOSFET M5₁ der nächsten zweiten Verstärkerstufe, wobei die multiplizierten Ausgabeströme I₁ ... I_n kontrolliert werden durch die logische Eingabe Ctl₁ ... Ctl_n eines Schalt-MOSFETs M6₁ ... M6_n. Die Ausgabeströme Is₁ ... Is_n der zweiten Verstärkerstufe werden parallel verbunden und summiert zu einem gemeinsamen Eingabestrom I_sum für die dritte Stromverstärkerstufe.
In Übereinstimmung mit der Erfindung können einige oder alle der beschriebenen Umschaltkreise kombiniert werden zum Variieren der Signalprozessparameter. 7 zeigt eine solche Kombination von Umschaltkreisen mit einem kontrollierbaren Stromspiegel 33, einen kontrollierbaren Ladeschaltkreis 37 und einen kontrollierbaren Intervallschaltkreis 44. Die Funktionsweise der individuellen Umschaltkreise 33, 37 und 44 ist oben beschrieben.
Eine Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps wird beschrieben mit einem variablen dynamischen Messbereich. Dieser vorteilhafte Photodiodenanordnungstyp kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Die Zahl gefertigter Einheiten kann daher erhöht werden, um daher die Produktionskosten pro Einheit zu reduzieren.

Claims

Eine Photodiodenanordnung des Ladungsausgleichstyps mit einer Vielzahl von Kanälen, wobei jeder Kanal folgendes aufweist: – eine Photodiode (30), welche rückwärts gerichtet ist, so dass sie als Stromquelle agiert und welche ein elektrisches Ausgabesignal (I_ph) liefert in Antwort auf das Licht, welches auf die Photodiode (30) trifft, – eine Signalverarbeitungseinheit (21) zum Verarbeiten der elektrischen Ausgabesignale (I_ph) der Photodiode (30), – einen A/D Umwandlungsschaltkreis zum Liefern eines digitalen Ausgabesignals, welches die Intensität des auf die Photodiode treffenden Lichts kennzeichnet, mit: – einem Integratorschaltkreis (35) zum Ansammeln von Ladung, welche dem Photostrom (I_ph), der von der Photodiode (30) geliefert wird, entspricht, – einen kontrollierbaren Ladeschaltkreis (37) zum Laden von vorbestimmten Ladungspaketen an und/oder von dem Integratorschaltkreis (35), – einen Komparatorschaltkreis (42) zum Vergleichen des Ausgabesignals des Integratorschaltkreises (35) mit einem vorbestimmten Signal (V_ref), – einen Logik-Schaltkreis (41) verbunden mit dem Ausgang des Komparatorschaltkreises (42) und mit einem Kontrolleingang des Ladeschaltkreises (37) zum Kontrollieren des Ladeflusses, um das Ausgabesignal (V_comp) des Komparatorschaltkreises (42) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um das vorgegebene Signal (V_ref) zu halten, und mit – einem digitalen Zähler (43) zum Zählen der Anzahl von Ladungspaketen (Q_d) an den oder von dem Integratorschaltkreis (35) während eines vorgebenen Zeitintervalls (t_int), gekennzeichnet dadurch, dass – die Anzahl von gelieferten Ladungspaketen (Q_d), welche den Wert des generierten Photostroms (I_ph) darstellt, von systemspezifischen Parametern abhängt, nämlich zumindest einem aus: dem Zeitintervall (t_int) zum Ansammeln der Ladungspakete (Q_d), dem Wert dieser Ladungspakete (Q_d) und/oder dem Wert des vorgegebenen Signals (V_ref) zum Vergleichen des Ausgabesignals des Integratorschaltkreises (35), – wobei der maximale operable Photostrom (I_ph) begrenzt ist durch die Größe und Frequenz der Ladungspakete (Q_d), und wobei – ein Umschaltkreis eingeschaltet wird zum Variieren dieser systemspezifischen Parameter zum Anpassen der Photodiodenanordnung an unterschiedliche Lichtintensitäten ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung, welche auf die Photodiode (30) trifft.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Umschaltkreis programmierbar ist.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Umschaltkreis unter Verwendung von CMOS-Technologie betätigt wird.
Photodiodenanordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Umschaltkreis einen Intervall-Kontrollschaltkreis (44) aufweist mit einem Ausgabesignal, welches die Länge des Zeitintervalls (t_int) ermittelt.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Intervall-Kontrollschaltkreis (44) ein kontrollierbares Schieberegister (46) aufweist zum Anpassen des Zeitintervalls (t_int), wobei ein Ladeschaltkreis (37) festgelegte Spannungsladungen (Q_d) einer festgelegten Frequenz an den Integratorschaltkreis (35) liefert und/oder daher solche empfängt.
Photodiodenanordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Umschaltkreis einen schaltbaren Ladeschaltkreis (37) aufweist mit mindestens zwei Ladekondensatoren (C₁, C₂ und/oder C₃), verbunden durch mindestens ein Schaltelement (S₁, S₂, S₃).
Photodiodenanordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Umschaltkreis einen kontrollierbaren Stromverstärker hat, vorzugsweise als Stromspiegel (33) funktionierend, verbunden zwischen der Photodiode (30) und dem Integratorschaltkreis (35).
Photodiodenanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Stromverstärker (33) durch CMOS-Technologie betätigt wird, wobei mindestens zwei Stromverstärkerstufen (52, 53 und/oder 54) in Reihe verbunden sind, um eine Mehrstufenstromverstärkung zu liefern.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein zusätzlicher FET parallel oder in Reihe an der Eingangsseite und/oder Ausgangsseite des Stromverstärkers in mindestens einer der Verstärkerstufen (52, 53 oder 54) geschaltet werden kann.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine Stromverstärkerstufe (51) mindestens zwei Stromausgabekanäle aufweist, welche parallel geschaltet sind mit dem Abluss-Quellenterminal eines FET und mit dem Tor-Quellenterminal eines anderen FET, wobei beide FETs in Reihe geschaltet sind, um die nächste Stromverstärkerstufe (52) zu liefern.
Photodiodenanordnung wie in Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass alle nachfolgenden Verstärkerstufen parallel geschaltet sind, wobei jede nachfolgende Stromverstärkung einen Ausgabestrom (I_s1...sn) liefert und diese Ausgabeströme aufsummiert werden zu einem gemeinsamen Eingabestrom (I_sum) für mindestens eine zusätzliche Stromverstärkerstufe (54), welche allen vorhergehenden parallel geschalteten Stromverstärkerschaltkreisen (53) gemeinsam ist.
Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei – der Umschaltkreis einen Intervallkontrollschaltkreis (44) aufweist mit einem Ausgabesignal, welches die Länge des Zeitintervalls (t_int) ermittelt, – ein schaltbarer Ladeschaltkreis (37) mindestens zwei Ladekondensatoren (C₁, C₂ oder C₃) aufweist, welche über mindestens ein Schaltelement (S₁, S₂ oder S₃) verbunden sind, und – der Umschaltkreis einen kontrollierbaren Stromverstärker aufweist, vorzugsweise als Stromspiegel (33) funktionierend, mit mindestens zwei Verstärkerstufen (52, 53 oder 54) und verbunden zwischen der Photodiode (30) und dem Integratorschaltkreis.