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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf einen analogen Aktivpixelsensorauslesekanal,
zum Beispiel einen strommodusverstärkungsgestützten Differenz-zu-Eintakt-Analogauslesekanal
für einen Aktivpixelsensor.
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Die
EP-A-0,757,475 offenbart eine Feststufenbilderfassungsvorrichtung,
die einen invertierenden Verstärker
aufweist, der mit MOS-Transistoren hergestellt ist, dem durch eine
gemeinsame Ausgangsleitung elektrische Leitung und durch die gemeinsame
Ausgangsleitung Eingangssignale und Ausgangssignale geliefert werden.
Bei dieser Konfiguration geht eine Versorgungsleitung, die ausschließlich zum
Liefern elektrischer Leistung verwendet wird, nicht durch ein Pixel
einer Festkörperbilderfassungsvorrichtung.
Der invertierende Verstärker dieser
Feststufenbilderfassungsvorrichtung wird auf die gleiche Spannung
wie diejenige der gemeinsamen Ausgangsleitung rückgesetzt, und eine Versatzspannung
wird ausgelesen. Danach wird die elektrische Ladung, die in dem
invertierenden Verstärker von
einem photoelektrischen Wandler eingegeben wird, invertiert und
verstärkt,
und das sich ergebende Signal wird ausgelesen. Schließlich wird
eine Differenz zwischen dem invertierten und verstärkten Signal
und der Versatzspannung erhalten und als ein Bildsignal ausgegeben.
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Die
US-A-5,471,515 offenbart eine Bilderfassungsvorrichtung, die bei
einem dem Industriestandard entsprechenden Komplementärer-Metalloxid-Halbleiter-Prozess
als eine monolithische Komplementärer-Metalloxid-Halbleiter-Integrierte-Schaltung gebildet
wird, wobei die integrierte Schaltung ein Brennebenenarray von Pixelzellen
umfasst, wobei jede der Zellen ein Photogatter, das über dem
Substrat liegt, zum Sammeln einer photoerzeugten Ladung in einem
darunter liegenden Abschnitt des Substrats, eine Ausleseschaltung,
die zumindest einen Ausgangsfeldeffekttransistor umfasst, der in
dem Substrat gebildet ist, und einen Ladungsgekoppelte-Vorrichtung-Abschnitt
umfasst, der auf dem Substrat benachbart zu dem Photogatter gebildet
ist, der einen Erfassungsknoten, der mit dem Ausgangstransistor verbunden
ist, und zumindest eine Ladungsgekoppelte-Vorrichtung-Stufe zum Übertragen
von Ladung von dem darunterliegenden Abschnitt des Substrats zu
den Erfassungsknoten aufweist.
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Eine
elektronische Kamera wandelt allgemein ein optisches Bild in einen
Satz elektronischer Signale um. Die elektronischen Signale können Farbintensitäten eines
Lichts darstellen, das durch die Kamera empfangen wird. Die elektronische
Kamera umfasst normalerweise ein Array von Bildsensoren oder lichtempfindlichen
Sensoren, die die Intensität des
Lichts erfassen, das durch die Kamera empfangen wird. Die Bildsensoren
erzeugen normalerweise elektronische Signale, die Amplituden aufweisen,
die proportional zu der Intensität
des Lichtes sind, das durch die Sensoren empfangen wird. Die elektronischen
Signale können
konditioniert und abgetastet werden, um eine Bildverarbeitung zu
ermöglichen.
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Eine
Integration der Bildsensoren mit einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung
wird immer wichtiger, da die Integration eine Miniaturisierung und
Verbesserung von Bilderfassungssystemen ermöglicht. Die Integration von
Bildsensoren zusammen mit einer Analog- und Digitalsignalverarbeitungsschaltungsanordnung
ermöglicht
es, das elektronische Kamerasysteme kostengünstig und kompakt sind und
wenig Leistung benötigen.
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Traditionell
waren Bildsensoren überwiegend
ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs). CCDs sind relativ klein
und können
einen Hochfüllfaktor
liefern. Es ist jedoch sehr schwierig, CCDs mit einer Digital- und
Analogschaltungsanordnung zu integrieren. Ferner dissipieren CCDs
eine große
Menge an Leistung und weisen Bildschmierprobleme auf.
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Traditionell
waren CCDs die lichtempfindlichen Pixelzellen, die normalerweise
bei sichtbares Licht abbildenden Festkörpervorrichtungsanwendungen
verwendet wurden. CMOS-Aktivpixelsensoren, die
Photogatter- oder Photodiodenstrukturen mit Signalverstärkungsschaltungen
in einer lichtempfindlichen Pixelzelle umfassen, bieten jedoch mehrere Vorteile
gegenüber
CCDs. CMOS-Aktivpixelsensoren dissipieren weniger Leistung, können kostengünstiger
hergestellt werden, benötigen
geringere Leistungsversorgungsspannungen und sind leichter in große integrierte
Schaltungen zu integrieren als CCDs. Außerdem können CMOS-Aktivpixelsensoren in
Anwendungsspezifische-Integrierte-Schaltungen-(ASICs-)CMOS-Prozessen mit geringen
Kosten und hohem Volumen hergestellt werden. Deshalb können ASIC-Hersteller
lichtempfindliche Pixelzellen entwickeln. ASIC-Hersteller können ferner
die Herstellungskosten verringern und, während die CMOS-Technologie fortschreitet,
zusätzliche
Leistungsvorteile liefern.
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1 zeigt
eine lichtempfindliche Pixelzelle 2 gemäß dem Stand der Technik und
einen entsprechenden Auslesekanal 4. Der Auslesekanal 4 umfasst
einen Lichtbildsignalausgang VS und einen Referenzausgang VR.
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Die
Pixelzelle 2 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Amplitude
aufweist, die proportional zu der Intensität des Lichtes ist, das durch
die Pixelzelle empfangen wird. Das Ausgangssignal umfasst jedoch
auch ein festes Rauschmuster. Das feste Rauschmuster verringert
die Entsprechung zwischen der Intensität des Lichtes, das durch die
Pixelzelle empfangen wird, und der sich ergebenden Amplitude des
Ausgangssignals. Ferner variiert das feste Rauschmuster zwischen
unterschiedlichen Pixelzellen aufgrund von Prozess-, Temperatur-
und Vorspannungsschwankungen.
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Die
Pixelzelle 2 umfasst eine Photodiode D1, einen Rücksetztransistor
Q1 und Ausgangstransistoren Q2, Q3. Das fes te Rauschmuster der Pixelzelle 2 besteht
allgemein aus Dunkelstromrauschen und Schrotrauschen der Photodiode
D1, Rücksetz-
und Taktrauschen des Rücksetztransistors
Q1 und einer Verstärkungsschwankung
des Ausgangstransistors Q2. Wie bereits erwähnt, variiert das feste Rauschmuster
zwischen unterschiedlichen Pixelzellen aufgrund von Prozess, Temperatur
und Unterschieden der Vorspannungsbedingungen zwischen Pixelzellen.
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Ein
elektronisches Bild wird durch ein Abtasten der Ladung erfasst,
die durch jede der lichtempfindlichen Pixelzellen eines Arrays von
lichtempfindlichen Pixelzellen gesammelt wird. Die Ladungsmenge,
die durch jede lichtempfindliche Pixelzelle gesammelt wird, ist
proportional zu der Intensität
des Lichtes, das durch den lichtempfindlichen Abschnitt der lichtempfindlichen
Pixelzelle empfangen wird. Das Festmusterrauschen der lichtempfindlichen
Pixelzellen verringert die Korrelation zwischen dem abgetasteten
Wert der Ladung, die durch die lichtempfindlichen Pixelzellen geleitet
wird, und der Intensität des
Lichtes, das durch die lichtempfindlichen Pixelzellen empfangen
wird.
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Eine
Referenzantwort der Pixelzelle 2 für das Festmusterrauschen kann
durch ein Abtasten der Antwort der Pixelzelle 2, während die
Pixelzelle 2 keinem Licht ausgesetzt ist, bestimmt werden.
Fehler bei einem erfassten elektronischen Bild aufgrund des Festmusterrauschens
eines Arrays von Pixelzellen 2 können durch ein Subtrahieren
der Referenzantwort von dem erfassten Bild beseitigt werden. Dieser
Prozess, der korreliertes Doppelabtasten genannt wird, wird durch
die lichtempfindliche Pixelzelle 2 gemäß dem Stand der Technik und
den entsprechenden Auslesekanal 4 erreicht durch ein Abtasten
des Lichtbildsignalausgangs VS, der eine Signalantwort erzeugt,
und ein Abtasten des Referenzausgangs VR, der eine Referenzantwort
erzeugt. Deshalb werden zwei Abtastwerte für jede Pixelzelle 2 eines
Arrays von Pixelzellen benötigt,
um die Effekte des Festmusterrauschens in einem abgetasteten elektronischen
Bild zu beseitigen.
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Für große Arrays
wird eine große
Anzahl von elektronischen Abtastwerten benötigt, um ein Bild herzustellen.
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Der
Auslesekanal 4 umfasst eine Signalverstärkungsschaltungsanordnung 6 und
eine Referenzverstärkungsschaltungsanordnung 8.
Sowohl die Signalverstärkungsschaltungsanordnung 6 als
auch die Referenzverstärkungsschaltungsanordnung 8 umfassen
Versatzfehler. Die Versatzfehler verringern die Entsprechung zwischen
der Antwort der Pixelzelle 2 und dem abgetasteten elektronischen
Bild. Die Versatzfehler können
geschätzt
werden durch ein Treiben der Eingangssignale an die Signalverstärkungsschaltungsanordnung
und die Referenzverstärkungsschaltungsanordnung
auf ein vorbestimmtes Spannungspotential und ein Abtasten des Spannungspotentials
des Signalausgangs VS und eines Referenzausgangs VR, was abgetastete
Versatzspannungen erzeugt. Die Versatzfehler können aus einem erfassten Bild
beseitigt werden durch ein Subtrahieren der abgetasteten Versatzspannungen
von der Signalantwort und der Referenzantwort. Dies erfordert jedoch
vier Abtastwerte für
jedes Pixel in einem Array von Pixeln, um eine elektronische Antwort zu
erfassen.
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Jede
Pixelzelle 2 in einem Array von Pixelzellen umfasst einen
Auslesekanal 4, der einen Lichtbildsignalausgang VS und
einen Referenzausgang VR aufweist. Der Signalausgang VS und ein
Referenzausgang VR von vielen Auslesekanälen sind mit einer leitfähigen Leitung
verbunden, die normalerweise eine „Bitleitung" genannt wird. Allgemein
sind viele Ausgänge
mit einer einzigen Bitleitung verbunden. Die Bitleitungen laden
den Signalausgang VS und den Referenzausgang VR kapazitiv. Das kapazitive Laden
steigert die Einschwingzeit, die benötigt wird, damit der Signalausgang
VS und der Referenzausgang VR die Bitleitungen auf ein Spannungspotential treiben,
das die Signalspannung oder die Referenzspannung der Pixelzelle 2 darstellt.
Die Einschwingzeit ist auch abhängig
von der Stromansteuerfähigkeit
des Auslesekanals. Der Auslesekanal 4, der in 1 gezeigt
ist, bietet eine eingeschränkte
Stromansteuerung. Deshalb kann ein Ab tasten des Ausgangs des Auslesekanals 4 gemäß dem Stand
der Technik eine übermäßige Einschwingzeit
erfordern, wenn eine Kapazität,
die einer Bitleitung zugeordnet ist, geladen wird.
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Der
Auslesekanal 4, der in 1 gezeigt
ist, liefert einen Verstärkungsfaktor
zwischen dem Ausgangssignal der Pixelzelle 2 und dem Signalausgang VS
zwischen etwa 0,5 bis 0,9. Deshalb wird das Ausgangssignal der Pixelzelle 2 stark
gedämpft,
bevor dasselbe an dem Ausgang des Auslesekanals 4 abgetastet
wird. Die Dämpfung
verringert das Signal/Rausch-Verhältnis des
Ausgangssignals der Pixelzelle 2.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Pixelsensorauslesekanal.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aktivpixelsensorauslesekanal
gemäß Anspruch
1 geliefert.
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Es
ist bei Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung auch möglich, einen Aktivpixelsensorauslesekanal
zu liefern, der das Festmusterrauschen beseitigt, das einem elektronisch
abgetasteten Bild zugeordnet ist, das durch ein Abtasten der Antwort
eines Arrays von CMOS-Pixelzellen erzeugt wird. Der bevorzugte Aktivpixelsensorauslesekanal kann
die Anzahl von Abtastwerten, die benötigt werden, um das elektronisch
abgetastete Bild zu erfassen, minimieren. Ferner kann der bevorzugte
Aktivpixelsensorauslesekanal mit einem Array von Lichtpixelzellen
wirksam sein, die unter Verwendung von standardmäßigen CMOS-Prozessen hergestellt
sind. Derselbe kann auch eine größere Stromansteuerung als
Auslesekanäle
gemäß dem Stand
der Technik liefern, um die Einschwingzeit eines Kanalausgangs, der
mit einer kapazitiven Bitleitung verbunden ist, zu verbessern. Der
Verstärkungsfaktor
des Aktivpixelsensors kann größer als
Eins sein.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
liefert einen Aktivpixelsensorauslesekanal, der mit kostengünstigen
CMOS-Herstellungsprozessen
kompatibel ist. Der Aktivpixelsensorauslesekanal liefert einen einzigen
Differenzausgang, einen erweiterten dynamischen Bereich, eine verbesserte
Stromverstärkung,
eine verbesserte Stromansteuerung und ein verringertes kapazitives
Laden eines Verbindungsbusses, der mit dem Aktivpixelsensorauslesekanal verbunden
ist. Der einzige Differenzausgang verringert die Anzahl von Abtastwerten,
die benötigt
werden, damit ein Array von Aktivpixelsensorauslesekanälen verwendet
werden kann, um ein elektronisches Bild zu erzeugen. Die Stromansteuerung
verringert die Einschwingzeit von Spannungspotentialen, die an dem
Ausgang des Aktivpixelsensorauslesekanals erzeugt werden.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung umfasst einen Aktivpixelsensorauslesekanal. Der
Aktivpixelsensorauslesekanal umfasst ein Aktivpixel. Das Aktivpixel
treibt ein Aktivpixelausgangssignal auf eine Signalspannung, die
eine Amplitude aufweist, die proportional zu einer Intensität des Lichtes ist,
das durch das Aktivpixel empfangen wird. Das Aktivpixel treibt das
Aktivpixelausgangssignal auf eine Referenzspannung, wenn das Aktivpixel
kein Licht empfängt.
Der Aktivpixelsensorauslesekanal umfasst ferner eine Abtast- und
Halteschaltung zum Empfangen des Aktivpixelausgangssignals. Die
Abtast- und Halteschaltung tastet die Signalspannung ab und speichert
dieselbe und tastet die Referenzspannung ab und speichert dieselbe.
Der Aktivpixelsensorauslesekanal umfasst ferner einen Pufferverstärker, der
eine Differenzspannung zwischen der abgetasteten und gespeicherten
Signalspannung und der abgetasteten und gespeicherten Referenzspannung
erzeugt. Der Pufferverstärker
umfasst eine Differenz-zu-Eintaktverstärkerstufe, die die abgetastete und
gespeicherte Signalspannung und die abgetastete und gespeicherte
Referenzspannung empfängt. Die
Differenz-zu-Eintaktverstärkerstufe
erzeugt eine einzige Ausgangsspannung, die ein Spannungspotential
umfasst, das proportional zu der Differenz zwischen der abgetasteten
und gespeicherten Signalspannung und der abgetasteten und gespeicherten Referenzspannung
ist. Der Pufferverstärker
umfasst ferner eine Pufferstufe, die die einzige Ausgangsspannung
empfängt
und einen Pufferstrom erzeugt, der eine Amplitude aufweist, die
proportional zu dem Spannungspotential der einzigen Ausgangsspannung
ist. Der Pufferverstärker
umfasst ferner eine Verstärkungsstufe,
die den Pufferstrom empfängt und
die Differenzspannung und einen Ausgangsstrom erzeugt, der eine
Amplitude aufweist, die voreinstellbar größer ist als die Amplitude des
Pufferstroms.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich.
Die Abtast- und Halteschaltung des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst ein
Signalspeicherelement und einen Signalspannungsschalter zum Verbinden des
Aktivpixelausgangs mit dem Signalspeicherelement, um zu ermöglichen,
dass das Signalspeicherelement die Signalspannung speichert. Die
Abtast- und Halteschaltung umfasst ferner ein Referenzspeicherelement
und einen Referenzspannungsschalter zum Verbinden des Aktivpixelausgangs
mit dem Referenzspeicherelement, um zu ermöglichen, dass das Referenzspeicherelement
die Referenzspannung speichert.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich. Das
dritte Ausführungsbeispiel
umfasst eine Schaltungsanordnung zum Entladen des Signalspeicherelements
und des Referenzspeicherelements.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft mit
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Aktivpixelsensorpufferverstärker
gemäß dem Stand
der Technik.
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Aktivpixelauslesekanals.
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Aktivpixelauslesekanals.
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Aktivpixelauslesekanals.
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5 ein
Zeitdiagramm, das die Steuersignale der beschriebenen Ausführungsbeispiele
zeigt.
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Wie
es in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist,
ist die Erfindung bei einem Aktivpixelsensorauslesekanal ausgeführt. Der Aktivpixelsensorauslesekanal
liefert einen einzigen Differenzausgang, einen erweiterten dynamischen Bereich,
eine verbesserte Stromverstärkung,
eine verbesserte Stromansteuerung und ein verringertes kapazitives
Laden eines Verbindungsbusses, der mit dem Aktivpixelsensorauslesekanal
verbunden ist. Der einzige Differenzausgang verringert die Anzahl von
Abtastwerten, die benötigt
werden, damit ein Array von Aktivpixelsensorauslesekanälen verwendet werden
kann, um ein elektronisches Bild zu erzeugen. Die verbesserte Stromansteuerung
verringert die Einschwingzeit von Spannungspotentialen, die an dem
Ausgang des Aktivpixelsensorauslesekanals erzeugt werden.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das einen Aktivpixelsensorauslesekanal umfasst. Der Aktivpixelsensorauslesekanal
umfasst ein Aktivpixel 2, eine Abtast- und Halteschaltung 10 und
einen Pufferverstärker 20.
Das Aktivpixel 2 erzeugt eine Spannung (VAP) an einem Aktivpixelausgang,
die eine Amplitude aufweist, die proportional zu der Intensität des Lichtes
ist, das durch das Aktivpixel 2 empfangen wird. Die Abtast-
und Halteschaltung 10 ist mit dem Ausgang des Aktivpixels 2 verbunden.
Die Abtast- und Halteschaltung 10 tastet eine Signalspannung
ab und speichert dieselbe, die eine Amplitude aufweist, die proportional
zu einer Intensität
des Lichtes ist, das durch das Aktivpixel 2 empfangen wird.
Zusätzlich
tastet die Abtast- und Halteschaltung 10 eine Referenzspannung
ab und speichert dieselbe, die eine Amplitude aufweist, die proportional
zu einem festen Rauschmuster ist, das durch das Aktivpixel 2 erzeugt
wird. Der Pufferverstärker 20 erzeugt
eine Differenzspannung zwischen der abgetasteten und gespeicherten
Signalspannung und der abgetasteten und gespeicherten Referenzspannung.
Die Differenzspannung des Pufferverstärkers ist eine einzige Ausgangsspannung,
bei der das feste Rauschmuster des Aktivpixels 2 intern
von der Signalspannung des Aktivpixels 2 subtrahiert wird. Anders
als bei dem Stand der Technik wird das feste Rauschmuster von der
Signalspannung subtrahiert, bevor die Aktivpixelausgangsspannung
abgetastet wird. Deshalb benötigt
dieses Ausführungsbeispiel die
Hälfte
der Abtastwerte des Stands der Technik, um ein elektronisches Bild
zu erzeugen.
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2 zeigt
ein einziges Aktivpixel 2. Normalerweise sind jedoch viele
Aktivpixel 2 in einem Array zu dem Zweck eines elektronischen
Abtastens eines Lichtbildes, das durch das Array erfasst wird, angeordnet.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
umfasst mehr Details der Abtast- und Halteschaltung 10.
Die Abtast- und Halteschaltung 10 umfasst einen Signalkondensator
CS, einen Referenzkondensator CR, einen Signalschalttransistor Q2,
einen Referenzschalttransistor Q3 und ein Paar von Entzerrertransistoren Q4,
Q5.
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Der
Signalschalttransistor Q2 wird angeschaltet, wenn das Aktivpixel 2 Licht
ausgesetzt wird. Die Signalspannung, die durch das Aktivpixel 2 erzeugt
wird, wenn das Aktivpixel Licht ausgesetzt ist, wird an dem Signalkondensator
CS gespeichert. Der Referenzschalttransistor Q3 wird angeschaltet,
wenn das Aktivpixel 2 keinem Licht ausgesetzt ist. Das
Referenzsignal, das durch das Aktivpixel 2 erzeugt wird, wenn
das Aktivpixel 2 keinem Licht ausgesetzt ist, wird an dem
Referenzkondensator CR gespeichert. Eine Signalspannung VS, die
an dem Signalkondensator CS gespeichert ist, ist ein erstes Eingangssignal
an den Pufferverstärker 20.
Eine Referenzspannung VR, die an dem Referenzkondensator CR gespeichert
ist, ist ein zweites Eingangssignal an dem Pufferverstärker 20.
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Der
Pufferverstärker 20 erzeugt
eine Differenzspannung, die proportional zu der Differenz zwischen
dem Spannungspotential der Signalspannung VS und dem Spannungspotential
der Differenzspannung VR ist. Der Pufferverstärker 20 weist jedoch eine
interne Versatzspannung auf, die sich in das Ausgangssignal des
Pufferverstärkers 20 summiert. Die
Versatzspannung kann bestimmt werden durch ein Treiben des ersten
Eingangssignals und des zweiten Eingangssignals des Pufferverstärkers auf eine
vorbestimmte Spannung und ein Abtasten einer entsprechenden Pufferversatzspannung.
Das erste Eingangssignal und das zweite Eingangssignal werden auf
eine vorbestimmte Spannung getrieben durch ein Laden des Signalkondensators
CS und des Referenzkondensators CR auf eine gemeinsame Spannung.
Die EQ-Steuerleitung schaltet die Entzerrertransistoren Q4, Q5 an,
was den Signalkondensator CS und den Referenzkondensator CR auf
ein Spannungspotential VBASE lädt.
Die Pufferversatzspannung wird abgetastet, wenn der Signalkondensator
CS und der Referenzkondensator CR auf ein gemeinsames Spannungspotential
VBASE geladen sind. Der Pufferversatzspannungsabtastwert wird von
einem nachfolgenden Signalabtastwert subtrahiert, um die Versatzspannungsfehler,
die dem Pufferverstärker 20 zugeordnet
sind, zu beseitigen.
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Ausgangstransistoren
Q11, Q13 liefern zwei getrennte Aktivpixelsensorauslesekanalausgangssignale
OUT1, OUT2. Ein Spannungspotential an einer ersten Steuerleitung
SHD1 wird positiv gepulst, um den ersten Ausgangstransistor Q11
anzuschalten, der die Differenzspannung des Pufferverstärkers 20 mit
dem ersten Ausgangssignal OUTl verbindet. Die erste Steuerleitung
wird positiv gepulst, wenn die Differenzspannung des Pufferverstärkers 20 abzutasten ist.
Ein Spannungspotential an einer zweiten Steuerleitung SHD2 wird
po sitiv gepulst, um den zweiten Ausgangstransistor Q13 anzuschalten,
der die Pufferversatzspannung des Pufferverstärkers 20 mit dem zweiten
Ausgangssignal OUT2 verbindet. Die zweite Steuerleitung wird positiv
gepulst, wenn die Pufferversatzspannung des Pufferverstärkers 20 abzutasten
ist.
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3 zeigt
einen Entladungstransistor Q1. Der Entladungstransistor Q1 liefert
einen Entladungsweg für
entweder den Signalkondensator CS oder den Referenzkondensator CR,
wenn eine Steuerleitung PRE DSCH auf ein hohes Spannungspotential
pulst, während
der Signalschalttransistor Q2 oder der Referenzschalttransistor
Q3 leiten. Allgemein werden der Signalkondensator CS und der Referenzkondensator
CR entladen, bevor eine Signalspannung oder eine Referenzspannung
abzutasten und zu speichern sind. Ein Entladen des Signalkondensators
CS und des Referenzkondensators CR setzt das Spannungspotential,
das an dem Signalkondensator CS und dem Referenzkondensator CR gespeichert
ist, zurück.
Dies ermöglicht,
dass die Signalspannung und die Referenzspannung genauer gespeichert
werden. Außerdem
verringert das Entladen des Signalkondensators CS und des Referenzkondensators
CR die Einschwingzeit der Signalspannung und der Referenzspannung.
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Ein
Vorspannungstransistor Q10 liefert eine Vorspannungsspannung für das Ausgangssignal
des Aktivpixels 2. Normalerweise umfasst das Aktivpixel 2 eine
Source-Folger-Schaltung,
die bessert funktioniert, wenn das Ausgangssignal des Aktivpixels 2 auf eine
feste Spannung vorgespannt ist.
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Der
Pufferverstärker 20 erzeugt
eine Differenzspannung und einen Ausgangsstrom, wobei die Amplitude
der Differenzspannung und die Amplitude des Ausgangsstroms proportional
zu der Spannungspotentialdifferenz zwischen der Signalspannung VS
und der Referenzspannung VR ist. Puffer gemäß dem Stand der Technik umfassen
eine Verstärkung
von weniger als Eins (normalerweise 0,9). Die Verstärkung des
Pufferverstärkers 20 dieses Ausführungsbeispiels
umfasst eine Verstärkung
von mehr als Eins (normalerweise etwa 1,5). Die gesteigerte Verstärkung des
Aktivpixelsensorpufferverstärkers 20 von
mehr als Eins liefert eine verbesserte Signalintegrität als die
Pufferverstärker
gemäß dem Stand
der Technik, die eine Verstärkung
von weniger als Eins umfassen. Die Verstärkung des Aktivpixelsensorpufferverstärkers 20 hebt
die Signal- und Rauschpegel
der Differenzeingangsspannung. Der Effekt von Rauschquellen, die
mit dem Ausgang des Aktivpixelsensorpufferverstärkers 20 gekoppelt
sind, ist nicht so groß.
Deshalb wird das Signal/Rausch-Verhältnis des Signals insgesamt
verbessert.
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Der
Pufferverstärker 20 umfasst
drei Stufen. Eine Differenz-zu-Eintakt-(DTS-)Umwandlungsstufe 22,
eine Puffer- oder
Source-Folger-Stufe 24 und eine Strommodusverstärkungsstufe 26.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
umfasst mehr Details einer Schaltungsanordnung in dem Pufferverstärker 20.
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Die
DTS-Umwandlungsstufe 22 empfängt die Signalspannung VS und
die Referenzspannung VR und erzeugt eine einzige DTS-Differenzspannung.
Die einzige DTS-Differenzspannung weist eine Amplitude auf, die
proportional zu der Differenz zwischen den Spannungspotentialen
der Signalspannung VS und der Referenzspannung VR ist. Die DTS-Umwandlungsstufe 22 umfasst
Eingangstransistoren MP1, MP2 und Ausgangstransistoren MP3, MP4.
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Die
Puffer- oder Source-Folger-Stufe 24 erzeugt einen Ausgangsstrom,
der proportional zu der Spannungsamplitude der einzigen DTS-Differenzspannung
ist. Die Source-Folger-Stufe 24 liefert ein Puffern und
eine Spannung-zu-Strom-Umwandlung. Die
Source-Folger-Stufe 24 umfasst einen Eingangstransistor
MN1 und einen Source-Folger-Transistor MN2. Der Source-Folger-Transistor
MN2 ist diodengeschaltet.
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D.
h., die Source des Source-Folger-Transistors MN2 ist elektrisch
mit der Basis des Source-Folger-Transistors MN2 verbunden. Die Spannung-zu-Strom-Umwandlung
erfolgt, da der Source-Folger-Transistor MN2 diodengeschaltet ist.
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Die
Strommodusverstärkungsstufe 26 liefert eine
zusätzliche
Stromverstärkung.
Zusätzliche
Stromansteuerfähigkeiten
der Verstärkungsstufe 26 verringern
die Einschwingzeit des Aktivpixelsensorauslesekanals. Die Strommodusverstärkungsstufe 26 umfasst
einen Eingangstransistor MN3 und einen Ausgangstransistor MN5. Ähnlich dem
Source-Folger-Transistor MN2 der Source-Folger-Stufe 24 ist der
Ausgangstransistor MN5 der Strommodusverstärkungsstufe 26 diodengeschaltet.
Der Eingangstransistor MN3 ist ein NMOS-Transistor. Die Transkonduktanz
eines NMOS-Transistors ist normalerweise größer als die Transkonduktanz
eines PMOS-Transistors, wenn der NMOS-Transistor und der PMOS-Transistor
durch ähnliche
Prozesse gebildet sind. Ein Steigern der Transkonduktanz des Eingangstransistors
MN3 steigert die Stromansteuerfähigkeiten
der Strommodusverstärkungsstufe 26,
was die Einschwingzeit der Differenzspannung und der Pufferversatzspannung
verringert. Außerdem
ermöglicht
die Struktur der Verstärkungsstufe 26,
dass der Ausgang der Verstärkungsstufe
durch einen torgesteuerten NMOS-Transistor mit einer Busverbindungsleitung
verbunden ist. Der torgesteuerte NMOS-Transistor kann sehr klein
sein. Deshalb kann ein kapazitives Laden des Busverbindungsbusses minimiert
werden, was die Einschwingzeit der Differenzspannung und der Pufferversatzspannung
verringert.
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Die
Größe des Source-Folger-Transistors MN2
der Source-Folger-Stufe 24 und
die Größe des Ausgangstransistors
MN5 der Strommodusverstärkungsstufe 26 können gehandhabt
werden, um die Stromansteuerfähigkeit
des Pufferverstärkers 20 einzustellen.
Deshalb kann die Einschwingzeit von Spannungspotentialen an dem
Ausgang des Pufferverstärkers 20 durch
ein Einstellen der Größe des Source-Folger-Transistors MN2 der
Source-Folger-Stufe 24 und der Größe des Ausgangstransistors MN5
der Strommodusverstärkungsstufe 26 eingestellt
werden.
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Normalerweise
sind die Ausgänge
von vielen Sensorauslesekanälen
bei einem Array von Aktivpixelsensorauslesekanälen mit einer einzigen Bitleitung
verbunden. Je größer die
Anzahl von Sensorauslesekanälen,
die mit einer einzigen Bitleitung verbunden sind, desto größer ist
die kapazitive Last, die mit der Bitleitung verbunden ist. Wie im
Vorhergehenden beschrieben, verlangsamt eine Kapazität, die mit
dem Ausgang eines Auslesekanals verbunden ist, die Einschwingzeit
von Signalspannungen an dem Ausgang des Auslesekanals. Deshalb kann
die Einschwingzeit jedes Auslesekanals in einem Array von Auslesekanälen optimiert
werden durch ein Minimieren der Anzahl von Auslesekanälen, die
mit jeder Bitleitung verbunden sind, in dem Array von Auslesekanälen.
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5 ist
ein Zeitdiagramm, das die Steuersignale der Ausführungsbeispiele der Erfindung
zeigt, wenn ein Bild abgetastet wird. Ein erstes Ereignis 51 umfasst,
dass die SHS-Steuerleitung
den Signalschalttransistor Q2 anpulst. Die PRE_DSCH-Steuerleitung
pulst den Entladungstransistor Q1 an, der den Signalkondensator
CS entlädt.
Der Signalschalttransistor Q2 bleibt angeschaltet, während sich
der Signalkondensator CS auf das Spannungspotential der Signalspannung
VS der Pixelzelle 2 auflädt.
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Ein
zweites Ereignis 53 umfasst, dass die SHR-Steuerleitung
den Referenzschalttransistor Q3 anpulst. Die PRE DSCH-Steuerleitung pulst
den Entladungstransistor Q1 an, der den Signalkondensator CR entlädt. Der
Referenzschalttransistor Q3 bleibt angeschaltet, während sich
der Referenzkondensator CR auf das Spannungspotential der Referenzspannung
VR der Pixelzelle 2 auflädt.
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Ein
drittes Ereignis 55 umfasst, das die SHD1-Steuerleitung
den ersten Ausgangstransistor Q11 anschaltet, was ermög licht,
dass die Differenzspannung des Pufferverstärkers 20 abgetastet
und gespeichert wird. Die Differenzspannung stellt die Intensität des Lichtes
dar, das durch die Pixelzelle 2 empfangen wird. Der Pufferverstärker 20 subtrahiert intern
das Festmusterrauschen.
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Ein
viertes Ereignis 57 umfasst, dass die EQ-Steuerleitung
die Entzerrertransistoren Q4, Q5 anschaltet, was das erste Eingangssignal
und das zweite Eingangssignal des Pufferverstärkers 20 auf VBASE
treibt, durch ein Laden des Signalkondensators und des Referenzkondensators
auf das Spannungspotential VBASE. Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 20 wird
auf eine Pufferversatzspannung getrieben.
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Ein
fünftes
Ereignis 59 umfasst, dass die SHD2-Steuerleitung den zweiten Ausgangstransistor Q13
anschaltet, was ermöglicht,
dass die Pufferversatzspannung des Pufferverstärkers 20 abgetastet und
gespeichert wird.
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Die
DTS-Spur von 5 zeigt das Spannungspotential
an dem Ausgang des Pufferverstärkers 20,
wenn die im Vorhergehenden beschriebenen Ereignisse auftreten.