WO2022167524A1 - Empfängerschaltung für thz-strahlung - Google Patents

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WO2022167524A1
WO2022167524A1 PCT/EP2022/052582 EP2022052582W WO2022167524A1 WO 2022167524 A1 WO2022167524 A1 WO 2022167524A1 EP 2022052582 W EP2022052582 W EP 2022052582W WO 2022167524 A1 WO2022167524 A1 WO 2022167524A1
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thz
power detector
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Ritesh Jain
Ullrich Pfeiffer
Philipp Hillger
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Bergische Universität Wuppertal
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    • H03F2203/30—Indexing scheme relating to single-ended push-pull [SEPP]; Phase-splitters therefor
    • H03F2203/30006—Indexing scheme relating to single-ended push-pull [SEPP]; Phase-splitters therefor the push and the pull stages of the SEPP amplifier are both current mirrors

Definitions

  • THz power detectors have been implemented in various technologies and forms, including wave rectifier detectors based on field effect transistors (FETs), bipolar transistors (BJTs), or diodes (including Schottky barrier diodes); thermal detectors including pyroelectric and bolometer detectors; and photoconductive detectors.
  • the power detectors can be manufactured using a variety of manufacturing processes, including silicon, III-V semiconductor or graphene technologies. Regardless of the power detector technology, the output photoresponse signal must be extracted and combined with a Readout circuit to be reinforced. The design of this circuit becomes particularly challenging in imaging devices where multiple power detectors are integrated on a common substrate.
  • the photoreaction signal consists of electrical charges that can be read out either as a voltage (voltage mode readout) or as a current (current mode readout).
  • a THz power detector 2 is used to generate a photoreaction current i P h when receiving THz radiation.
  • the detector output of the THz power detector is connected to a high-impedance (eg capacitive) input Vx of a voltage amplifier 5 .
  • the photoreaction current i P h is integrated over the capacitance C int to generate an electrical voltage v P h which is amplified and read out.
  • the bias voltage at the capacitive input of the amplifier is supplied via the THz power detector 2.
  • the THz power detector 2 requires a bias voltage switch 4 for the set and reset operation, in particular for the calibration of the offset voltage under a continuous wave THz illumination.
  • the receiver circuit comprises a third transistor, the third transistor being arranged in the first circuit part and the third transistor being set up in such a way as to bias the first transistor and form a constant current load, the receiver circuit comprising a fourth transistor, the fourth transistor is arranged in the second circuit part and the fourth transistor is arranged to bias the second transistor and form a constant current load, a gate bias voltage for the third transistor and a gate bias voltage for the fourth transistor being the same or different.
  • FIG. 5 shows a receiver circuit for THz radiation with a THz power detector and a current readout circuit according to a further exemplary embodiment of the invention
  • the receiver circuit 1 comprises a current readout circuit 3 , the current readout circuit 3 being set up in such a way that the photoreaction current i P h generated by the THz power detector 2 can run in a closed current loop 11 .
  • the photoreaction current iph running in the closed current loop 11 is then mirrored in a further circuit part 9 of the receiver circuit 1 by means of a current mirror 12 .
  • the receiver circuit has at least one connection 28 for tapping off a voltage output signal VO+.
  • Transistors M7 and M8 form an active load pair, which provides a large output resistance.
  • the differential voltage output signals VO+ and VO- are read out at terminals 28, 29 at the connection points between transistors M5 and M7 and M6 and M8, respectively.
  • the transistor pairs M1 and M2, the transistors M3 and M4, the transistors M5 and M6 and the transistors M7 and M8 have electrical properties which are matched to one another.
  • the electrical properties can be, for example, the size of the transistors, the turn-on voltage, the transconductance or the thermal coefficient. This achieves a minimal offset at the differential voltage output.
  • a differential voltage caused by process variations can be trimmed by applying a voltage offset VA and VB to the gates of transistors M3 or M4.

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Abstract

Vorliegend soll eine schnelle sowie kompakte Empfängerschaltung (1) für THz-Strahlung bereitgestellt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Empfängerschaltung (1) zumindest einen THz-Leistungsdetektor (2) umfasst, wobei der THz-Leistungsdetektor (2) derart eingerichtet ist, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom (iph) zu erzeugen, eine Stromausleseschaltung (3) zum Auslesen des Photoreaktionsstroms (iph), wobei die Stromausleseschaltung (3) derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom (iph) in einer geschlossenen Stromschleife (11) laufen zu lassen, die Empfängerschaltung (1) zumindest einen Stromspiegel (12, 13) umfasst und derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife (11) laufenden Photoreaktionsstrom (iph) zu spiegeln, die Empfängerschaltung (1) weiter zumindest einen Anschluss (28, 29) zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals (VO+, VO-) des gespiegelten Photoreaktionsstrom (iph) umfasst.

Description

Empfängerschaltung für THz-Strahlung
Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung. Auch betrifft die Erfindung eine THz-Bildgebungsvorrichtung.
Elektromagnetische (EM) Wellen im Terahertzbereich (THz), deren Frequenzen grob zwischen 100 GHz und 10 THz definiert sind, haben insbesondere für Bildgebungsanwendungen, ein weitreichendes Potenzial gezeigt. THz-Wellen können von gewöhnlichen dielektrischen Materialien (Pappe, Kunststoffe, Keramik, Papier, Stoff, etc.) durchgelassen und reflektiert werden und zeigen einen besseren Abbildungskontrast als Röntgenstrahlen. Die Bildgebung mit THz- Strahlung ist auch biologisch sicher, da THz-Photonen nicht ionisierend sind. Die THz Technologie hat eine Reihe von Anwendungen - einschließlich industrieller Qualitätsüberwachung, industrieller Prozesskontrolle, Überwachung der Lieferkette, Überwachung der Produktqualität, Sicherheitsüberprüfung und biomedizinischer Diagnose usw.
Für die Bildgebung mit THz-Wellen muss die THz- Strahlungsleistung mit einem Wandler oder einer Anordnung von Wandlern erfasst werden. Der Wandler, der auch als Leistungsdetektor bezeichnet wird, wandelt das THz-Strahlungssignal in ein direktes (nicht-altemierendes) elektrisches Photoreaktionssignal um. Das THz-Eingangssignal kann entweder optisch mit einer Antenne oder einer leistungssammelnden Vorrichtung oder elektronisch über geführte Medien wie Übertragungsleitungen oder Hohlleiter an den Detektor gekoppelt werden. Die Größe des Ausgangs-Photoreaktionssignals bezieht sich auf die Eingangs-THz-Signalleistung. Die Photoreaktion kann dabei auch einer relativ langsamen Änderungsrate der Leistung (bis zu ein paar GHz) in einem amplitudenmodulierten THz-Signal folgen. Im Stand der Technik wurden THz- Leistungsdetektoren in verschiedenen Technologien und Formen implementiert, einschließlich Wellengleichrichterdetektoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren (FETs), Bipolartransistoren (BJTs) oder Dioden (einschließlich Schottky -Barriere-Dioden); thermische Detektoren einschließlich pyroelektrischer und Bolometer-Detektoren; und photoleitende Detektoren. Die Leistungsdetektoren können mit einer Vielzahl von Herstellungsverfahren hergestellt werden, darunter Silizium, III-V-Halbleiter oder Graphen-Technologien. Unabhängig von der Technologie des Leistungsdetektors muss das Ausgangs-Photoreaktionssignal extrahiert und mit einer Ausleseschaltung verstärkt werden. Das Design dieser Schaltung wird besonders anspruchsvoll bei bildgebenden Anordnungen, bei denen mehrere Leistungsdetektoren auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind. Das Photoreaktionssignal setzt sich aus elektrischen Ladungen zusammen, die entweder als Spannung (Voltage-Mode-Readout) oder als Strom (Current- Mode-Readout) ausgelesen werden können.
Die Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ausführungsbeispiel. Ein THz-Leis- tungsdetektor 2 dient dazu, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom iPh zu erzeugen. Der Detektorausgang des THz-Leistungsdetektors ist mit einem hochohmigen (z.B. kapazitiven) Eingang Vx eines Spannungsverstärkers 5 verbunden. Der Photoreaktionsstrom iPh wird über die Kapazität Cint integriert, um eine elektrische Spannung vPh zu erzeugen, die verstärkt und ausgelesen wird. Die Vorspannung am kapazitiven Eingang des Verstärkers wird über den THz-Leistungsdetektor 2 zugeführt. Im Stand der Technik benötigt der THz- Leistungsdetektor 2 eine Vorspannungsumschaltung 4 für den Set- und Resetbetrieb, insbesondere für die Kalibrierung der Offset-Spannung unter einer Dauerstrich-THz-Beleuchtung.
In Fig. 2 ist ein Signaldiagramm eines THz-Leistungsdetektors 2 mit einer Empfängerschaltung 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Fig. 2 a) zeigt die Detektorvorspannung eines THz-Leistungsdetektors 2. Die Detektorvorspannung wird zwischen einer Set-Spannung Vset und einer Reset-Spannung VReset geschaltet. Die Fig. 2 b) zeigt die entsprechende Detektorantwort Vx. Da der Spannungsverstärker 5 durch den THz-Leistungsdetektor 2 vorgespannt ist, erzeugt eine Änderung des Detektorwiderstandes eine unerwünschte gleitende Offsetspannung VOFFSET zwischen Set- und Resetbetrieb am Input des Spannungsverstärkers 5, wodurch das Photoreaktionssignal vPh übersteuert wird. Dieser gleitende Offset kann nur mit einer häufigen Dunkelmessung (durch Abschalten der THz -Beleuchtung) kalibriert werden, was in vielen Fällen nicht möglich ist. Noch wichtiger ist, dass die gleitende Verschiebung auch den Dynamikbereich des Verstärkereingangs Vx überlastet und dominiert, was externe Verstärkungsstufen mit großen Vorspannungen erforderlich macht. Im Endeffekt verschlechtert die Auslese im Spannungsmodus den Dynamikbereich und die Linearität des Photoreaktionssignals vPh, was insbesondere die Integration von Bildgebungsanordnungen mit größerer Pixelzahl verhindert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine schnelle sowie kompakte Empfängerschaltung für THz-Strahlung anzugeben.
Bei einer Empfängerschaltung für THz-Strahlung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Empfängerschaltung angegeben wird, umfassend: zumindest einen THz-Leistungsdetektor, wobei der THz-Leistungsdetektor derart eingerichtet ist, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom zu erzeugen, eine Stromausleseschaltung zum Auslesen des Photoreaktionsstroms, wobei die Stromausleseschaltung derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom in einer geschlossenen Stromschleife laufen zu lassen, die Empfängerschaltung zumindest einen Stromspiegel umfasst und derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstrom zu spiegeln, die Empfängerschaltung weiter zumindest einen Anschluss zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals des gespiegelten Photoreaktionsstrom umfasst.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, den beim Empfangen von THz-Strahlung erzeugten Photoreaktionsstrom in einer geschlossenen Stromschleife laufen zu lassen. Dieser Strom wird anschließend gespiegelt. Die Schaltungstopologie ermöglicht ein kompaktes Ausleseschema. Außerdem ist der Auslesevorgang aufgrund des Fehlens großer Signalintegrationskondensatoren im Vergleich zum Stand der Technik schneller. Die Schaltung erhält einen wohlde- finierten DC-Arbeitspunkt, welcher unabhängig von dem Arbeitspunkt des Detektors ist. Dadurch wird eine systematische Offsetspannung bei Umschaltung des Arbeitspunktes des Detektors vermieden. Dies ermöglicht einen höheren Dynamikbereich und eine höhere Linearität als im Stand der Technik. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der THz-Leistungsdetektor und/oder die Stromausleseschaltung und/oder der Stromspiegel massebezogen oder differentiell ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stromausleseschaltung zumindest einen Transistor in der geschlossenen Stromschleife und/oder der Stromspiegel umfasst zumindest einen Transistor zum Spiegeln des in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der THz-Leistungsdetektor differentiell ausgebildet, der THz-Leistungsdetektor eine Antenne für den Empfang der zu erfassenden THz-Strahlung umfasst, der THz-Leistungsdetektor weiter zumindest zwei Transistoren umfasst, wobei ein differentielles Signal der Antenne mit einem Source-Anschluss eines ersten Transistors des THz-Leistungsdetektors und mit einem Source-Anschluss eines zweiten Transistors des THz-Leistungsdetektor elektrisch verbunden ist. Eine differentielle Ausführung des Detektors hat bezogen auf das THz-Signal eine virtuelle Masse an den Source Kontakten der Transistoren. Dadurch sind keine Hochfrequenzdrosseln für die Arbeitspunkteinstellung des Detektors notwendig.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest zwei Transistoren des THz-Leistungsdetektors ein Paar von differentiellen Common-Gate-MOSFET-Transistoren vom n-Typ und die Antenne ist als eine On-Chip-Antenne in dem THz-Leistungsdetektor implementiert.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen ersten Transistor, wobei der erste Transistor in einem ersten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung einen zweiten Transistor umfasst, wobei der zweite Transistor in einem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der THz-Leistungsdetektor in Reihe zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor geschaltet ist und der erste Transistor und der zweite Transistor als Diode geschaltet sind, wobei die Stromausleseschaltung derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom in der geschlossenen Stromschleife zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor laufen zu lassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen dritten Transistor, wobei der dritte Transistor in dem ersten Schaltungsteil angeordnet ist und der dritte Transistor derart eingerichtet ist, den ersten Transistor vorzuspannen und eine Konstantstromlast zu bilden, die Empfängerschaltung einen vierten Transistor umfasst, wobei der vierte Transistor in dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist und der vierte Transistor derart eingerichtet ist, den zweiten Transistor vorzuspannen und eine Konstantstromlast zu bilden, wobei eine Gate- Vorspannung für den dritten Transistoren und eine Gate- Vorspannung für den vierten Transistor gleich oder unterschiedlich ist.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen fünften Transistor, wobei der fünfte Transistor in einem dritten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung einen sechsten Transistor umfasst, wobei der sechste Transistor in einem vierten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der fünfte Transistor derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms des ersten Transistors zu spiegeln und der sechste Transistor derart eingerichtet sind, den in der geschlossenen Stromschleife laufenden Photoreaktionsstroms des zweiten Transistors zu spiegeln.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung einen siebten Transistor, wobei der siebte Transistor in dem dritten Schaltungsteil angeordnet ist, die Empfängerschaltung weiter einen achten Transistor umfasst, wobei der achte Transistor in dem vierten Schaltungsteil angeordnet ist, wobei der siebte Transistor derart eingerichtet ist, den fünften Transistor mit einer Vorspannung zu versorgen und der achte Transistor derart eingerichtet ist, den sechsten Transistor mit einer Vorspannung zu versorgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängerschaltung zumindest zwei Anschlüsse zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals des gespiegelten Photoreaktionsstrom, wobei zumindest ein Anschluss zwischen dem fünften Transistor und dem siebten Transistor und zumindest ein Anschluss zwischen dem sechsten Transistor und dem achten Transistor angeordnet sind.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen jeweils das Transistorpaar gebildet aus dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor, gebildet aus dem dritten Transistor und dem vierten Transistor, gebildet aus dem fünften Transistor und dem sechsten Transistor und gebildet aus dem siebten Transistor und dem achten Transistor, jeweils aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften auf, um einen minimalen Offset an den Anschlüssen zum Abgreifen der Spannungsausgangssignale zu erzeugen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Empfängerschaltung vollständig symmetrisch konfiguriert, wobei die Transistoren im ersten Schaltungsteil und im dritten Schaltungsteil und die Transistoren im zweiten Schaltungsteil und im vierten Schaltungsteil die gleichen elektrischen Eigenschaften haben und eine Vorspannung des dritten Transistors und eine Vorspannung des vierten Transistors gleich sind. Dies hat den Vorteil, dass die Spannungen über dem THz-Leistungsdetektor gleich sind, unabhängig von der Gate-Vorspannung des THz-Leistungsdetektors. In diesem Fall wird die Vorspannung der Stromausleseschaltung nicht durch die Gatespannung beeinflusst.
Erfindungsgemäß ist außerdem eine THz-Bildgebungsvorrichtung angegeben, wobei die THz- Bildgebungsvorrichtung eine Mehrzahl von THz-Leistungsdetektoren umfasst, wobei die THz- Leistungsdetektoren in einer Pixelmatrix angeordnet sind, wobei jeder Pixel der Pixelmatrix eine zuvor beschriebene Empfängerschaltung umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Pixel der Pixelmatrix auf einem einzigen Silizium-basierten Chip integriert, wobei die Pixel auf dem Silizium-basierten Chip mittels CMOS- und/oder Silizium-Germanium Bipolartransistor-Prozesstechnologien implementiert sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Ausleseschaltung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Signaldiagramm eines THz-Leistungsdetektor mit einer Ausleseschaltung gemäß dem Stand der Technik, wobei Fig. 2 a) die Detektorvorspannung zeigt und Fig. 2 b) die Detektorantwort,
Fig. 3 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Stromausleseschaltung, wobei die Variante in Fig. 3 a) ein erstes Ausführungsbeispiel und die Variante in Fig. 3 b) ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Fig. 4 ein Signaldiagramm einer Empfängerschaltung eines THz-Leistungsdetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 eine Empfängerschaltung für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetektor und einer Stromausleseschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 eine Multiplex-Auslesekette mit einer Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer THz-Bildgebungsvorrichtung für die Verwendung der Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Figuren 1 und 2 wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt eine Empfängerschaltung 1 für THz-Strahlung mit einem THz-Leistungsdetek- tor 2 und einer Stromausleseschaltung 3 gemäß zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die beiden in Fig. 3 gezeigten gestrichelt umrandeten Schaltungsteile können untereinander ausgetauscht werden und stellen daher zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Der in Fig. 3 a) gezeigte Schaltungsteil wird mit dem linken Teil der Schaltung im Punkt VY verbunden. Das in Fig. 3 a) gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine massebezogene Spannungsquelle 27, die in dem Punkt VY mit dem linken Teil der Schaltung verbunden ist. Der THz-Leistungsdetektor 2 wird mittels einer Detektorvorspannung 4 betrieben, die eine Set-Spannung Vset und eine Reset-Spannung VResetbereitstellt. Die Empfängerschaltung 1 umfasst eine Stromausleseschaltung 3, wobei die Stromausleseschaltung 3 derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor 2 erzeugten Photoreaktionsstrom iPh in einer geschlossenen Stromschleife 11 laufen zu lassen. Der in der geschlossenen Stromschleife 11 laufenden Photoreaktionsstrom iphwird anschließend in einen weiteren Schaltungsteil 9 der Empfängerschaltung 1 mittels eines Stromspiegels 12 gespiegelt. Zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals VO+ umfasst die Empfängerschaltung zumindest einen Anschluss 28.
Fig. 3 b) zeigt eine vollständig differentiell gestaltete Topologie der Empfängerschaltung 1. In Fig. 3 b) ist die Empfängerschaltung 1 derart eingerichtet, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iPh in einer geschlossenen Stromschleife 11 zwischen einem ersten Schaltungsteil 7 und einem zweiten Schaltungsteil 8 laufen zu lassen. Der in der geschlossenen Stromschleife 11 laufende Strom wird anschließend von dem ersten Schaltungsteil 7 in einen dritten Schaltungsteil 9 und von dem zweiten Schaltungsteil 8 in einen vierten Schaltungsteil 10 mittels Stromspiegel 12, 13 gespiegelt. Dabei kann das Stromübertragungsverhältnis Ai:l zwischen dem ersten Schaltungsteil 7 und dem dritten Schaltungsteil 9 und das Strom- übertragungsverhältnis l:Ai zwischen dem zweiten Schaltungsteil 8 und dem vierten Schaltungsteil 10 größer als 1 sein um eine Stromverstärkung zu ermöglichen. Der gespiegelte Strom Aiiph wird anschließend in ein differentielles Spannungssignal VO+ , VO- umgewandelt.
Die Fig. 4 zeigt ein Signaldiagramm eines THz -Leistungsdetektor mit einer Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 4 a) ist die Detektorvorspannung des THz-Leistungsdetektors gezeigt. Die Detektorvorspannung wird zwischen einer Set-Spannung Vset und einer Reset-Spannung VReset geschaltet. Die Topologie der Ausleseschaltung ist in einem Ausführungsbeispiel vollständig differentiell ausgeführt und weist eine wohldefinierte Vorspannung auf, die unabhängig vom Detektorvorspannungspunkt ist. Infolgedessen erzeugt diese Schaltung unabhängig von der Umschaltung der Detektorvorspannung keinen beweglichen Offset, und das Auslesespannungssignal VO+, VO- besteht nur aus einem verstärkten Photoreaktionsstrom iPh. Das Auslesespannungssignal VO+ ist in Fig. 4 b) gezeigt. Das Auslesespannungssignal VO- ist in Fig. 4 b) gezeigt. Da der Dynamikbereich dieses Signals nicht mit einem unerwünschten Offset überlastet wird, ermöglicht dieses Schema die Integration mehrerer Verstärker (Großsignalverstärkung) zusammen mit dem THz-Leistungsdetektor 2 beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat mit technologieüblichen Vorspannungen.
Die Fig. 5 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, die mit komplementären p- und n-Metalloxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) Ml, M2, M3, M4, M5, M7, M8 in Siliziumtechnologie implementiert ist. Auf der linken Seite der Fig. 5 ist eine Detailzeichnung der THz- Leistungsdetektors 2 gezeigt. Der THz-Leistungsdetektor 2 ist mit einem differentiellen Com- mon-Gate-MOSFET -Paar vom n-Typ MA, MB mit einer On-Chip-Antenne 14 implementiert, die differentiell mit den Source- Anschlüssen der Transistoren MA, MB gekoppelt ist. Der THz- Leistungsdetektor 2 wird durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an seinem Gate-Anschluss G in den Set- und Reset-Zustand geschaltet. THz-Strahlung die durch den THz-Leistungsdetektor 2 empfangen wird, erzeugt in dem THz-Leistungsdetektor 2 einen Photoreakti- onsstrom iPh. Die in Fig. 5 gezeigte Empfängerschaltung 1 umfasst hierfür eine Stromausleseschaltung 3 zum Auslesen des Photoreaktionsstroms iPh wobei die Stromausleseschaltung 3 derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iPh in einer geschlossenen Stromschleife 11 zwischen einem ersten Schaltungsteil 7 und einem zweiten Schaltungsteil 8 laufen zu lassen. Einzelne Transistoren M5, M6 entlang des Source- und Sink- Strompfades in dieser geschlossenen Stromschleife 11 spiegeln den Photoreaktionsstrom iPh an eine zweite, stromverstärkende Stufe. Der in Fig. 5 gezeigte THz-Leistungsdetektor 2 ist in Reihe zwischen zwei als Dioden geschalteter (Gate- und Drain-Anschlüsse kurzgeschlossen) Transistoren Ml und M2 geschaltet. Wenn der THz-Leistungsdetektor 2 eine THz-Signalleis- tung empfängt, fließt der Photoreaktionsstrom iPh von M2 (Source-Pfad) zu Ml (Sink-Pfad) oder andersherum. Die absolute Richtung des Photoreaktionsstroms ipu ist dabei irrelevant. Der Photoreaktionsstrom iPh wird anschließend in ein differentielles Spannungssignal VO+ , VO- umgewandelt, das mit zusätzlichen Spannungspufferstufen oder Verstärkerstufen ausgelesen werden kann. Der Transistor Ml ist in dem ersten Schaltungsteil 7 angeordnet ist, der Transistor M2 ist in dem zweiten Schaltungsteil 8 angeordnet ist. Die Stromausleseschaltung 3 ist dabei derart eingerichtet, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom iPh in der geschlossenen Stromschleife 11 zwischen dem ersten Transistor Ml und dem zweiten Transistor Ml laufen zu lassen. Die Transistoren Ml und M2 werden mit den Transistoren M3 bzw. M4 vorgespannt und bilden eine Konstantstromlast. Die Gate- Vorspannungen VA, VB für die Transistoren M3 bzw. M4 können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Die Transistoren M5 und M6 spiegeln den Strom der Transistoren Ml bzw. M2 in den dritten Schaltungszweig 9 und in den vierten Schaltungszweig 10. Die Transistoren M5 und M6 sind im aktiven Modus vorgespannt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Stromübertragungsverhältnis l:Ai, Ai:l größer als 1. Dies kann durch die Dimensionierung der Transistoren Ml, M2, M5, M6 erreicht werden. Beispielsweise können die Transistoren M5 und M6 größer als die Transistoren Ml und M2 sein. Für die Vorspannung der Transistoren M5 und M6 sind in Fig. 5 die Transistoren M7 und M8 vorgesehen. Die Transistoren M7 und M8 bilden ein aktives Lastpaar, das einen großen Ausgangswiderstand bereitstellt. Die differentiellen Spannungsausgangssignale VO+ und VO- werden an den Anschlüssen 28, 29 an den Verbindungspunkten zwischen den Transistoren M5 und M7 bzw. M6 und M8 ausgelesen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Transistorpaare Ml und M2, die Transistoren M3 und M4, die Transistoren M5 und M6 und die Transistoren M7 und M8 aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften. Die elektrischen Eigenschaften können beispielsweise die Größe der Transistoren, die Einschaltspannung, die Transkonduktanz oder der Wärmekoeffizient sein. Hierdurch wird ein minimaler Offset am Differenzspannungsausgang erreicht. Eine durch Prozessschwankungen entstehende Differenzspannung kann durch Anlegen eines Spannungsoffsets VA und VB an den Gate-Anschlüssen der Transistoren M3 oder M4 abgestimmt werden. Hierdurch kann auch eine Vorspannung für den THz-Leistungsdetektor 2 bereitgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können zusätzliche Kondensatoren zu bestimmten Knoten in der Topologie der Empfängerschaltung 1 hinzugefügt werden. Hierdurch können elektrische Ladungen ausgeglichen und kompensiert werden, die durch das Schalten des THz-Leistungsdetektors 2 entstehen. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Empfängerschaltung 1 vollständig symmetrisch konfiguriert. Dabei haben die auf der linken Seite in dem ersten 7 und dritten 9 Schaltungsteil in Fig. 5 gezeigten Transistoren Ml, M3, M5, M7 und die auf der rechten Seite in dem zweiten 8 und vierten 10 Schaltungsteil gezeigten Transistoren M2, M4, M6, M8 im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften. Sind auch noch die Vorspannung VA und VB gleich, sind die Spannungen VX und VY über dem THz-Leistungsdetektor 2 gleich, unabhängig von der Gate- Vorspannung des THz-Leistungsdetektors 2. In diesem Fall wird die Vorspannung der Auslesung nicht durch die Gatespannung beeinflusst. Die Schaltung wird mittels einer positiven Versorgungsspannung VDD mit Energie versorgt.
Die Fig. 6 zeigt eine Multiplex-Auslesekette mit einer Empfängerschaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die zuvor beschriebene Empfängerschaltung 1 ist insbesondere für eine Pixelarray-Integration vorgesehen. Nach der zuvor beschriebenen Empfänger- Schaltung 1 mit einer Strom Spiegelung 12, 13 können zusätzliche gemultiplexte Spannungsverstärkungsstufen 15, 16 vorgesehen sein. Die Verstärkerstufen 15, 16 können dabei teilweise auf die Zeilen und/oder Spalten verteilt 15 und/oder auch global verteilt 16 sein. Anschließend kann das analoge Signal mittels eines Anal og-zu-Digital -Konverters 17 in ein digitales Signal um- gewandelt werden.
Die Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer THz-Bildgebungsvorrichtung 18 für die Verwendung der Empfängerschaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die THz-Bildgebungsvorrichtung 18 umfasst eine NxM Pixelmatrix 19 mitN Spalten 21 und M Zeilen 20. Für die Auswahl der Zeilen 20 ist eine Zeilenauswahl 22 vorgesehen. Für die Auswahl der Spalten
21 ist eine Spaltenauswahl 23 vorgesehen. Insbesondere ist es bei der Verwendung der Empfängerschaltung 1 bei einer THz-Bildgebungsvorrichtung 18 vorgesehen, dass die Pixelmatrix 19 mit den Empfängerschaltungen 1 auf einem einzelnen Silizium chip integriert sind, wobei die Pixel auf dem Silizium-basierten Chip beispielsweise mittels CMOS- und/oder Silizium- Germanium Bipolartransistor-Prozesstechnologien implementiert sein können. Weiter umfasst die THz-Bildgebungsvorrichtung 18 einen Timing-Generator 24 und eine global geteilte Auslese 25. Mittels eines Anal og-zu-Digital -Konverters 17 werden die Daten der Pixelmatrix 19 digitalisiert und die digitalen Fotoreaktionsdaten 26 bereitgestellt.
Bezugszeichenliste
Empfängerschaltung 1
THz-Leistungsdetektor 2
Stromausleseschaltung 3
Detektorvorspannung 4
Spannungsverstärker 5
Vorspannungslast 6
Erster Schaltungsteil 7
Zweiter Schaltungsteil 8
Dritter Schaltungsteil 9
Vierter Schaltungsteil 10
Geschlossene Stromschleife 11
Stromspiegel zwischen ersten und dritten Schaltungsteil 12
Stromspiegel zwischen zweiten und vierten Schaltungsteil 13
Antenne 14
V erstärkerstufe 15
V erstärkerstufe 16
Anal og-zu-Digital -Konverter 17
THz-Bildgebungsvorrichtung 18
Pixelmatrix 19
Zeilen 20
Spalten 21
Zeilenauswahl 22
Spaltenauswahl 23
Timing-Generator 24
Global geteilte Auslese 25 digitale Fotoreaktionsdaten 26 Spannungsquelle 27
Anschluss 28
Anschluss 29
Offsetspannung VOFFSET
Photoreaktionssignal vPh
Kapazität Cint
Differentielles Ausgangssignal VO+
Differentielles Ausgangssignal VO-
Spannung VX
Spannung VY
Set-Spannung Vset
Reset-Spannung VReset
Photoreaktionsstrom iPh
Konstantstromlast Z
Stromübertragungsverhältnis l:Ai
Stromübertragungsverhältnis Ai:l
Gespiegelter Strom Ai iPh n-Typ Common-Gate-MOSFET MA n-Typ Common-Gate-MOSFET MB differentielles Signal RF+ differentielles Signal RF-
Gate-Anschluss G
Gate- Vorspannung VA
Gate- Vorspannung VB
Erster Transistor Ml
Zweiter Transistor M2
Dritter Transistor M3
Vierter Transistor M4 Fünfter Transistor M5
Sechster Transistor M6
Siebter Transistor M7
Achter Transistor M8 positive Versorgungsspannung VDD

Claims

Patentansprüche Empfängerschaltung für THz-Strahlung die Empfängerschaltung (1) umfassend: zumindest einen THz-Leistungsdetektor (2), wobei der THz-Leistungsdetektor
(2) derart eingerichtet ist, beim Empfangen von THz-Strahlung einen Photoreaktionsstrom (iPh) zu erzeugen, eine Stromausleseschaltung (3) zum Auslesen des Photoreaktionsstroms (iPh), wobei die Stromausleseschaltung (3) derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor erzeugten Photoreaktionsstrom (iPh) in einer geschlossenen Stromschleife (11) laufen zu lassen, die Empfängerschaltung (1) zumindest einen Stromspiegel (12, 13) umfasst und derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife (11) laufenden Photoreaktionsstrom (iPh) zu spiegeln, die Empfängerschaltung (1) weiter zumindest einen Anschluss (28, 29) zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals (VO+, VO-) des gespiegelten Photoreaktionsstroms (iPh) umfasst. Empfängerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der THz-Leistungsdetektor (2) und/oder die Stromausleseschaltung (3) und/oder der Stromspiegel (12, 13) massebezogen oder differentiell ausgebildet sind. Empfängerschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromausleseschaltung
(3) zumindest einen Transistor (Ml, M2) in der geschlossenen Stromschleife umfasst und/oder der Stromspiegel zumindest einen Transistor (M5, M6) zum Spiegeln des in der geschlossenen Stromschleife (11) laufenden Photoreaktionsstroms (iPh) umfasst.
4. Empfängerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der THz-Leis- tungsdetektor (2) differentiell ausgebildet ist, der THz-Leistungsdetektor (2) eine Antenne (14) für den Empfang der zu erfassenden THz-Strahlung umfasst, der THz-Leistungsdetektor (2) weiter zumindest zwei Transistoren (MA, MB) umfasst, wobei ein differentielles Signal (RF+, RF-) der Antenne (14) mit einem Source- Anschluss eines ersten Transistors (MA) des THz-Leistungsdetektors (2) und mit einem Source-Anschluss eines zweiten Transistors (MB) des THz-Leistungsdetektors (2) elektrisch verbunden ist.
5. Empfängerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Transistoren (MA, MB) des THz-Leistungsdetektors (2) ein Paar von differentiellen Common-Gate-MOSFET-Transistoren vom n-Typ sind und dass die Antenne (14) als eine On-Chip-Antenne in dem THz-Leistungsdetektor (2) implementiert ist.
6. Empfängerschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) einen ersten Transistor (Ml) umfasst, wobei der erste Transistor (Ml) in einem ersten Schaltungsteil (7) angeordnet ist, die Empfängerschaltung (1) einen zweiten Transistor (M2) umfasst, wobei der zweite Transistor (M2) in einem zweiten Schaltungsteil (8) angeordnet ist, wobei der THz-Leistungsdetektor (2) in Reihe zwischen dem ersten Transistor (Ml) und dem zweiten Transistor (M2) geschaltet ist, und der erste Transistor (Ml) und der zweite Transistor (M2) als Diode geschaltet sind, wobei die Stromausleseschaltung (3) derart eingerichtet ist, den vom THz-Leistungsdetektor (2) erzeugten Photoreaktionsstrom (iPh) in der geschlossenen Stromschleife (11) zwischen dem ersten Transistor (Ml) und dem zweiten Transistor (M2) laufen zu lassen.
7. Empfängerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) einen dritten Transistor (M3) umfasst, wobei der dritte Transistor (M3) in - 18 - dem ersten Schaltungsteil (7) angeordnet ist, wobei der dritte Transistor (M3) derart eingerichtet ist, den ersten Transistor (Ml) vorzuspannen und eine Konstantstromlast (Z) zu bilden, die Empfängerschaltung (1) einen vierten Transistor (M4) umfasst, wobei der vierte Transistor (M4) in dem zweiten Schaltungsteil
(8) angeordnet ist und der vierte Transistor (M4) derart eingerichtet ist, den zweiten Transistor (M2) vorzuspannen und eine Konstantstromlast (Z) zu bilden, wobei eine Gate- Vorspannung (VA) für den dritten Transistoren (M3) und eine Gate- Vorspannung (VB) für den vierten Transistor (M4) gleich oder unterschiedlich ist. Empfängerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) einen fünften Transistor (M5) umfasst, wobei der fünfte Transistor (M5) in einem dritten Schaltungsteil (9) angeordnet ist, die Empfängerschaltung (1) einen sechsten Transistor (M6) umfasst, wobei der sechste Transistor (M6) in einem vierten Schaltungsteil (10) angeordnet ist, wobei der fünfte Transistor (M5) derart eingerichtet ist, den in der geschlossenen Stromschleife (11) laufenden Photoreaktionsstroms (iPh) des ersten Transistors (Ml) zu spiegeln und der sechste Transistor (M6) derart eingerichtet sind, den in der geschlossenen Stromschleife (11) laufenden Photoreaktionsstroms (iPh) des zweiten Transistors (M2) zu spiegeln. Empfängerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) einen siebten Transistor (M7) umfasst, wobei der siebte Transistor (M7) in dem dritten Schaltungsteil
(9) angeordnet ist, die Empfängerschaltung einen achten Transistor (M8) umfasst, wobei der achte Transistor (M8) in dem vierten Schaltungsteil (10) angeordnet ist, wobei der siebte Transistor (M7) derart eingerichtet ist, den fünften Transistor (M5) mit einer Vorspannung zu versorgen und der achte Transistor (M8) derart eingerichtet ist, den sechsten Transistor (M6) mit einer Vorspannung zu versorgen. - 19 -
10. Empfängerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) zumindest zwei Anschlüsse (28, 29) zum Abgreifen eines Spannungsausgangssignals (V0+, V0-) des gespiegelten Photoreaktionsstrom (iPh) umfasst, wobei zumindest ein Anschluss (28) zwischen dem fünften Transistor (M5) und dem siebten Transistor (M7) und zumindest ein Anschluss (29) zwischen dem sechsten Transistor (M6) und dem achten Transistor (M8) angeordnet sind.
11. Empfängerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass j eweils das Transistorpaar gebildet aus dem ersten Transistor (Ml) und dem zweiten Transistor (M2), gebildet aus dem dritten Transistor (M3) und dem vierten Transistor (M4), gebildet aus dem fünften Transistor (M5) und dem sechsten Transistor (M6) und gebildet aus dem siebten Transistor (M7) und dem achten Transistor (M8), jeweils aufeinander abgestimmte elektrische Eigenschaften aufweisen, um einen minimalen Offset an den Anschlüsse (28, 29) zum Abgreifen der Spannungsausgangssignale (VO+, VO-) zu erzeugen.
12. Empfängerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (1) vollständig symmetrisch konfiguriert ist, wobei die Transistoren (Ml , M3, M5, M7) im ersten Schaltungsteil (7) und im dritten Schaltungsteil (9) und die Transistoren (M2, M4, M6, M8) im zweiten Schaltungsteil (8) und im vierten Schaltungsteil (10) die gleichen elektrischen Eigenschaften haben und eine Vorspannung (VA) des dritten Transistors (M3) und eine Vorspannung (VB) des vierten Transistors (M4) gleich sind.
13. THz-Bildgebungsvorrichtung, wobei die THz-Bildgebungsvorrichtung (18) eine Mehrzahl von THz-Leistungsdetektoren (2) umfasst, wobei die THz-Leistungsdetektoren (2) in einer Pixelmatrix (19) angeordnet sind, wobei jeder Pixel der Pixelmatrix (19) eine Empfängerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst. - 20 - THz-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel der Pixelmatrix (19) auf einem einzigen Silizium-basierten Chip integriert sind, wobei die Pixel auf dem Silizium-basierten Chip mittels CMOS- und/oder Silizium-Ger- manium Bipolartransistor-Prozesstechnologien implementiert sind.
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