NL8901019A - Sensorschakeling voor gecorreleerde dubbele signaalbemonstering. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Sensorschakeling voor gecorreleerde dubbele signaalbemonstering.

De uitvinding heeft betrekking op een sensorschakeling voor gecorreleerde dubbele signaalbemonstering, welke schakeling bevat een sensorinrichting uitgevoerd met een uitgang voor afgifte van een sensoruitgangssignaal, een daarmee gekoppelde bemonsteringsschakeling voor het uitvoeren van de bemonstering en een klokpulsgenerator die gekoppeld is met de sensorinrichting en de bemonsteringsschakeling voor het eraan leveren van meerfasige besturingsklokpulssignalen.

Een dergelijke sensorschakeling is bekend uit een artikel in het tijdschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits", van februari 1974, op bladzijden 1 tot en met 12. De sensorinrichting geschikt voor beeldopname is beschreven als een ladingsgekoppelde inrichting, die een specifieke uitvoering is van een ladingsoverdrachtsinrichting, voor het opwekken van een beeldsignaal als sensoruitgangssignaal. Voor het verkrijgen van een verbeterde beeldkwaliteit bij weergave wordt tijdens beeldelementperioden de gecorreleerde dubbele signaalbemonstering uitgevoerd. De dubbele signaalbemonstering houdt in dat tijdens een beeldelementperiode eerst via een seriekondensator een signaalklemming gebeurt op een referentiespanningsniveau, waarna de eigenlijke signaalbemonstering gebeurt met een monsteropslag in een kondensator. Hierdoor wordt op beschreven wijze door een terugstelschakelaar veroorzaakte ruis verwijderd, worden schakelovergangsverschijnselen geëlimineerd en wordt laagfrekwente ruis onderdrukt. Beschreven zijn een tweefasige besturing van een parallel-in, serie-uit sensoruitgangsregister voor het leveren van het sensoruitgangssignaal en van de bemonsteringsschakeling werkzaam met twee series van bemonsteringspulsen.

Bij huidige sensorinrichtingen is het tijdsverschil tussen het per beeldelementperiode nemen van de twee monsters kleiner of in de grootte orde van 100 ns. Hierdoor worden hoge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid waarmee de bemonsterklokpulsen worden opgewekt door de klokpulsgenerator. De komponenten van de klokpulsgenerator mogen hierdoor geen grote spreiding hebben in signaalvertragingstijden en deze dienen in de tijd stabiel te blijven. Een gekompliceerde en dure k1okpu1sgenerator moet hierbij in de sensorschakeling worden toegepast.

De uitvinding bevat onder meer de verwezenlijking van een sensorschakeling uitgevoerd met een eenvoudige en goedkope klokpulsgenerator waarmee voldoend nauwkeurige en stabiele klokpulsen voor de bemonsteringsschakeling worden opgewekt. Een sensorschakeling volgens de uitvinding vertoont daartoe het kenmerk, dat bij toepassing van ten minste driefasige besturingsklokpulssignalen op ten minste drie respektieve sensorklokpulsleidingen bij de sensorinrichting, voor de afgift van het sensoruitgangssignaal, de klokpulsgenerator is uitgevoerd met een klokpulsvormer voorzien van twee ingangen en twee uitgangen, waarbij de twee ingangen zijn gekoppeld met twee van de ten minste drie sensorpulsleidingen en de twee uitgangen zijn gekoppeld met de bemonsteringsschakeling.

Door de bemonsterklokpulsen via de klokpulsvormer direkt af te leiden uit uitgangstransportklokpulsen op twee sensorklokpulsleidingen voor de afgifte van het sensoruitgangssignaal, is een starre koppeling verwezenlijkt tussen dit uitgangssignaal en de bemonsterklokpulsen. Door een of andere oorzaak optredende variaties in de uitgangstransportklokpulsen worden direkt gevolgd door de bemonsterklokpulsen zodat ten opzichte van het sensoruitgangssignaal beide soorten klokpulsen star gekoppeld zijn.

De uitvinding zal aan de hand van de bijgaande tekening als voorbeeld nader worden toegelicht, waarbij figuur 1 een schakelingsschema geeft voor een uitvoering van de sensorschakeling volgens de uitvinding en figuur 2 ter illustratie van de werking van de schakeling volgens figuur 1 enige tijdsdiagrammen geeft.

Figuur 1 toont een met CTD aangeduide sensorinrichting uitgevoerd met een uitgang 0T1 voor afgifte van een sensoruitgangssignaal PS. Tussen de sensoruitgang 0T1 en een sensorschakelingsuitgang 0T2 is een met CDS aangeduide bemonsteringsschakeling voor gecorreleerde dubbele signaalbemonstering getekend. De sensorinrichting CTD en de bemonsteringsschakeling CDS zijn gekoppeld met een, met CG aangeduide klokpulsgenerator, die in hoofdzaak is uitgevoerd met een tijdsignaalgenerator TG en een klokpulsvormer CST volgens de uitvinding.

In figuur 1 is als voorbeeld een deel gegeven van de sensorinrichting CTD uitgevoerd als een geïntegreerd circuit. Voor gegevens omtrent het geïntegreerde circuit en het schakelingsschema wordt verwezen naar Philips data met betrekking tot rasteroverdrachtssensoren (frame transfer sensors) NXA 1111, 1121, 1131 en 1141. In figuur 1 is van de sensordata een deel overgenomen en wel in een doorsnede een n-, p-, n-lagenopbouw van een halfgeleiderlichaam en enige transistoren T1, T2, T3 en T4, die aanwezig zijn in het geïntegreerde circuit. Als voorbeeld wordt de genoemde sensorinrichting opgevoerd, andere uitvoeringen zijn mogelijk in een sensorschakeling volgens de uitvinding.

In figuur 1 is met SR een doorsnede door een sensoruitgangsregister van het geïntegreerde circuit aangeduid. Het register SR is getekend met een n-substraatlaag (n-sub), een p-laag en een ri-laag. In de n-halfgeleiderlaag is een hoger gedoteerd n+ gebied aanwezig, waarop een sensorelektrode ER is aangebracht. Verder zijn sensorelektroden EO, E1, E2 en E3 getekend die aanwezig zijn op een elektrisch isolerende laag IL die is aangebracht op het halfgeleiderlichaam. De transistoren T1, T2, T3 en T4 zijn getekend als MOS-transistoren die van het n-type zijn. De als terugsteltransistor werkzame transistor T1 is getekend met een bronelektrode die verbonden is met de elektrode ER, met een afvoerelektrode die een terugstel-voedingsspanning VRD krijgt toegevoerd en met twee poortelektroden, aan één waarvan een terugstel-poortsignaal RT vanuit de generator TG wordt toegevoerd. De elektrode ER ligt verder aan de poortelektrode van de transistor T2. De bronelektrode van de transistor T2 ligt aan de afvoerelektrode van de transistor T3 en aan poortelektroden van de transistoren T1 en T4. De genoemde terugstelling gebeurt hier met behulp van een terugkoppeling (T2, T1). De afvoerelektroden van de transistoren T2 en T4 liggen aan een voedingsspanning VDD. De poortelektrode van de transistor T3 is verbonden met de bronelektrode ervan en beide zijn met massa verbonden. De bronelektrode van de transistor T4 ligt aan de sensoruitgang 0T1. Figuur 1 toont dat de elektrode EO een voedingsspanning V0G krijgt toegevoerd en EO is hierbij werkzaam als een uitgangspoortelektrode bij het geïntegreerde circuit. Voedings- en stuurspanning worden geacht afkomstig te zijn van bronnen waarvan niet-aangegeven klemmen met massa zijn verbonden.

De elektroden E1r E2 en E3 van figuur 1 zijn verbonden met respektieve sensorklokpulsleidingen C1, C2 en C3 waarop evenzo aangeduide, door de generator TG geleverde meerfasige besturingsklokpulssignalen voorkomen, en wel driefasige. De leidingen Cl, C2 en C3 strekken zich uit over respektievelijk in het niet-getekende deel van het register SR en zijn daar verbonden met sensorelektroden E1, E2 respektievelijk E3. Voor de elektrodestellen (E1, E2, E3) wordt gesteld dat zij behoren bij evenzo aan te duiden sensorelementen. Hierbij is het getekende sensorelement (E2, E3, E1) de laatste in een rij van transporterende sensorelementen aanwezig in het schuifregister SR, waarbij onder de elektroden E ervan een geïnduceerde transistor voorkomt. Hierbij kan elk sensorelement beschreven worden met een ingangsdeel onder elektrode E2, een middendeel onder elektrode E3 en een uitgangsdeel onder elektrode El. Bij het transport in het schuifregister SR komt aldus een rij van na elkaar geïnduceerde transistoren voor onder elektrodestellen (E2, E3, E1), (E3, E1, E2), (E1, E2, E3), (E2, E3, E1) enzovoort. Bij de driefasige besturing zijn er de drie sensorelementdelen, bij een vierfasige besturing zijn er vier sensorelementdelen onder series van vier elektroden E. Voor de volledigheid van de beschrijving wordt opgemerkt dat de laatste, geïnduceerde transistor in het schuifregister SR voorkomt onder het elektrodenstel (E1, EO, ER), waarbij de elektrode E1 werkzaam is als schakelelektrode. Na een terugstelling door de transistor T1, komt via de schakelelektrode E1 een informatielading voor onder de elektrode ER, die uiteindelijk leidt tot de beeldelementinformatie in het sensoruitgangssignaal PS.

De bekende bemonsteringsschakeling CDS die volgt op de sensoruitgang 0T1 is schematisch getekend met een seriekondensator C1, een daaropvolgende schakelaar S1 met een verbinding met massa, een serieschakelaar S2 en een kondensator C2, aanwezig tussen de sensorschakelingsuitgang 0T2 en massa. Schematisch is de besturing van de schakelaars S1 en S2 aangeduid met een gestreepte lijn. De schakelaars S1 en S2 worden geacht elektronische schakelaars te zijn.

Volgens een aspekt van de uitvinding worden de besturingsklokpulssignalen voor de bemonsteringsschakeling CDS niet betrokken uit de tijdsignaalgenerator TG, maar worden zij gevormd door de klokpulsvormer CST. Van de klokpulsvormer CST zijn twee ingangen CT1 en CT2 gekoppeld met de klokpulsleidingen C1 respektievelijk C3 met daarop de evenzo aangeduide uitgangstransportklokpulsen, en zijn twee uitgangen ST1 en ST2 gekoppeld met de schakelaar S1 respektievelijk S2 van de bemonsteringsschakeling CDS.

In de klokpulsvormer CST is de ingang CT2 respektievelijk CT1 gekoppeld met een stuurelektrode van een halfgeleiderschakelelement T5 respektievelijk T6, dat in figuur 1 is getekend als een (n-)MOS-transistor met een poortelektrode g als stuurelektrode. De transistoren T5 en T6 zijn aan een als broneleketrode s aangeduide ingang met massa verbonden. Een als uitgang werkzame afvoerelektrode d van de transistoren T5 respektievelijk T6 is gekoppeld met de uitgang ST1 respektievelijk ST2 van de klokpulsvormer CST. De stuurelektrode g van de transistor T6 en de ermee verbonden ingang CT1 hebben via een parallellschakeling van een weerstand R1 en een diode D een gelijkstroomkoppeling met de andere uitgang ST1. De uitgang ST1 wordt geacht een parasitaire capaciteit Cp1 naar massa te hebben. De stuurelektrode g van de transistor T5 en de ermeer verbonden ingang CT2 hebben via een weerstand R2 een gelijkstroomkoppeling met de andere uitgang ST2. De uitgang ST2 wordt geacht een parasitaire capaciteit Cp2 naar massa te hebben. De klokpulsvormer CST levert onder de toevoer van de uitgangstransportklokpulsen C1 en C3 aan de respektieve ingangen CT1 en CT2, bemonsterklokpulsen CL en SA af aan de respektieve uitgangen ST1 en ST2.

Figuur 2 toont ter illustratie van de werking van de sensorschakeling volgens figuur 1 enige tijdsdiagrammen voor de uitgangstransportklokpulssignalen C1, C2 en C3, het sensoruitgangssignaal PS en de bemonsterklokpulssignalen CL en SA. De klokpulsen zijn als funktie van de tijd t uitgezet met een verloop tussen de massapotentiaal van OV en een spanningsniveau Va. Bij het bekende signaal PS is een referentiespanningsniveau uitgezet dat met Vref is aangeduid. Een bij een sensorbeeldelement behorende signaalwaarde is met Vps aangeduid. Afhankelijk van een zwart-, grijsof witwaarde van het beeldelement is het spanningsverschil tussen Vref en VpS klein, groter of het grootst. Met tO, t1, t2, t3 en t4 zijn enkele tijdstippen aangeduid. Het tijdstip tO respektievelijk t4 is getekend als een begin- respektievelijk eindtijdstip van een te beschrijven beeldelementperiode TP. De signalen van figuur 2 zullen worden beschreven zonder dat rekening wordt gehouden met spanningsvallen over de transistoren T5 en T6 en de diode D van figuur 1.

Tussen tijdstippen tO en t1 geldt C1=Va en C3=Va, hierbij zijn de transistoren T6 en T5 van figuur 1 geleidend, zodat de «assapotentiaal van OV voorkomt in de signalen CL en SA van figuur 2.

Op het tijdstip t1 verandert C3=Va in C3=0V. Hierdoor spert de transistor T5 en zal door C1=Va een laadstroom vloeien door de weerstand R1 naar de capaciteit Cp1. Door de ladingstoevoer aan de capaciteit Cp1 met een tijdkonstante gelijk aan Ri.Cpl, heeft de voorflank van het signaal CL van figuur 2 het getekende verloop. De door C1=Va in geleiding blijvende transistor T6 geeft dat SA=OV blijft. Met kruisjes bij C1 en C3 is de werking geïllustreerd.

Op het tijdstip t2 verandert Cl=Va in C1=0V. Hierdoor ontlaadt de capaciteit Cp1 zich onmiddellijk over de diode D, hetgeen een snelle ladingsafvoer inhoudt. Met een pijlpunt bij het signaal C1 is de werking geïllustreerd.

Tussen de tijdstippen t2 en t3 geldt C1=0V en C3=0V, en hierbij komt de massapotentiaal van OV voor aan de uitgangen ST1 en ST2 , met de respektieve signalen CL en SA, via de respektieve weerstanden R1 en R2.

Op het tijdstip t3 verandert C3=0V in C3=Va. Doordat bij C1=0V de transistor T6 gesperd is, geeft C3=Va een laadstroom door de weerstand R2 naar de capaciteit Cp2, waardoor er een ladingstoevoer is met een tijdskonstante gelijk aan R2.Cp2. Het signaal SA van figuur 2 toont het verloop. Daar blijft gelden C1=0V, handhaaft zich CL=0V, waarbij de transistor T6 gesperd blijft.

Op het tijdstip t4 verandert C1=0V in C1=Va. Hierdoor komt de transistor T6 onmiddellijk in geleiding en ontlaadt de capaciteit Cp2 zich met een snelle ladingsafvoer. De volgende beeldelementperiode begint op het tijdstip t4.

Figuur 2 toont de bemonsterklokpulsen in het signaal CL· voor de signaalklemming en in het signaal SA voor de eigenlijke signaalbemonstering die een effektief tijdstip hebben dat ligt juist vóór het tijdstip t2 respektievelijk t4. Dat wil zeggen dat de toestand in het signaal PS juist vóór het tijdstip t2 bepalend is voor de signaalklemming op het referentiespannignsniveau Vref en die juist vóór het tijdstip t4 bepalend is voor de monsterwaarde. Deze tijdstippen t2 en t4 zijn bij de signalen CL en SA nauwkeurig vastgelegd door het signaal C1 (met de pijlpunten geïllustreerd), waarbij het signaal C3 als een voorwaarde-signaal optreedt, zoals vergelijkbaar met flip-flopschakelingen met trekker- en voorwaarde-ingangen. Een starre koppeling is verwezenlijkt tussen de in figuur 2 getekende signalen, waarbij de tijdstippen t2 en t4 bepalend zijn.

De klokpulsvormer CST van figuur 1 is weergegeven in een uitvoering werkzaam met de uitgangstransportklokpulssignalen C1 en C3. Deze uitvoering is verder toepasbaar indien het geïnverteerde signaal C2 in plaats van het signaal C3 voor de bemonsterklokpulsvorming volgens figuur 2 wordt benut. Hierbij worden bemonsterklokpulsen in de signalen CL en SA opgewekt met een gehalveerde duur, namelijk met een duur van 1/6 TP. De steilheid van de voorflanken van de bemonsterklokpulsen moet hierbij zodanig zijn dat er geen invloed wordt uitgeoefend op de bemonstering door bijvoorbeeld te traag inschakelende schakelaars S1 en S2 van figuur 1. De keuze van de klokpulssignalen C1 en C3 is de veiligste voor de opwekking van de klokpulsen in de signaleh CL en SA met een duur van 1/3 TP.

In het geval van een vierfasige klokpulsbesturing (C1, C2, C3, C4) van het schuifregister SR bepalen de in figuur 2 getekende tijdstippen t2 en t4 ongewijzigd de achterflanken van de pulsen in de signalen CL en SA. Bij toevoer aan de klokpulsvormer CST van figuur 1 van de transportklokpulssignalen C1 en C4, komen tijdstippen t1' en t3' voor op 1/4 en 3/4 van de beeldelementperiode TP. De klokpulsen in de signalen CL en SA hebben hierbij een duur van 1/4 TP.

Het blijkt uit het voorafgaande dat voor de keuze van twee uitgangstransportklokpulssignalen, er een ten minste driefasig besturingsstelsel aanwezig moet zijn.

Claims (3)

1. Sensorschakeling voor gecorreleerde dubbele signaalbemonstering, welke schakeling bevat een sensorinrichting uitgevoerd met een uitgang voor afgifte van een sensoruitgangssignaal, een daarmee gekoppelde bemonsteringsschakeling voor het uitvoeren van de bemonstering en een klokpulsgenerator die gekoppeld is met de sensorinrichting en de bemonsteringsschakeling voor het eraan leveren van meerfasige besturingsklokpulssignalen, met het kenmerk, dat bij toepassing van ten minste driefasige besturingsklokpulssignalen op ten minste drie respektieve sensorklokpulsleidingen bij de sensorinrichting, voor de afgift van het sensoruitgangssignaal, de klokpulsgenerator is uitgevoerd met een klokpulsvormer voorzien van twee ingangen en twee uitgangen, waarbij de twee ingangen zijn gekoppeld met twee van de ten minste drie sensorpulsleidingen en de twee uitgangen zijn gekoppeld met de bemonsteringsschakeling.

2. Sensorschakeling volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat in de klokpulsvormer de ingangen zijn gekoppeld met elk een respektieve stuurelektrode van halfgeleiderschakelelementen uitgevoerd met elk een uitgang die met één der twee klokpulsvormeruitgangen is gekoppeld, waarbij elke stuurelektrode een gelijkstroomkoppeling heeft met de andere klokpulsvormeruitgang.

3. Sensorschakeling volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat een genoemde gelijkstroomkoppeling een parallelschakeling van een weerstand en een diode bevat voor respektievelijk ladingstoe- en -afvoer naar de respektieve klokpulsvormeruitgang.