DE69606147T2

DE69606147T2 - Schaltung, Bildelement, Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung des Rauschens örtlich unveränderlicher Muster in Festkörperbildaufnahmevorrichtungen

Info

Publication number: DE69606147T2
Application number: DE69606147T
Authority: DE
Inventors: Bart Dierickx
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: FillFactory NV
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: DE69606147D1; US20010010551A1; EP0773669A3; EP0773669A2; EP0773669B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtungen, die in einer CMOS- oder MOS-Technologie hergestellt werden. Speziell werden eine Verstärkerschaltung und ein Verfahren zum Eliminieren des Festmusterrauschens bei dem Ausgangssignal eines Pixels oder eines Bildsensors beschrieben.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND DEFINITION DES PROBLEMS

Festkörper-Bildsensoren sind gut bekannt. Gewöhnlich werden Festkörper- Bildsensoren in einer CCD-Technologie oder in einer CMOS- oder MOS- Technologie ausgeführt. Festkörper-Bildsensoren werden bei Kamerasystemen häufig verwendet. Bei dieser Ausführungsform bildet eine Matrix von Pixeln, die lichtempfindliche Elemente aufweist, einen Bildsensor, der in dem Kamerasystem angebracht wird. Das Signal dieser Matrix wird gemessen und zu einem sogenannten Videosignal multiplext.
Kamerasysteme auf CCD-Basis haben weniger Rauschschwankungen bei dem Bild als Kamerasysteme auf CMOS- oder MOS-Basis. Daher werden Kamerasysteme auf CCD-Basis heutzutage bei Anwendungen bevorzugt, bei denen eine hohe Bildqualität erforderlich ist, wie Videokamera- oder Einzelbildkameraanwendungen. Infolge der weiteren Miniaturisierung der CMOS-Elektroniktechnologie ist es möglich, komplexe Pixel auf CMOS- oder MOS-Basis zu verwirklichen, die ebensoklein wie Pixel auf CCD-Basis sind. Ein weiterer Vorteil der Pixel auf CMOS- oder MOS-Basis ist, daß CMOS eine Technologie ist, die von den meisten Herstellern angeboten wird, während die CCD-Technologie selten angeboten wird und einer komplexere und teurere Technologie ist.
Bei den Bildsensoren, die in einer CMOS- oder MOS-Technologie ausgeführt werden, wird zwischen CMOS- oder MOS-Bildsensoren mit passiven Pixeln und CMOS- oder MOS-Bildsensoren mit aktiven Pixeln unterschieden. Ein aktives Pixel ist konfiguriert mit in das Pixel integrierten Mitteln, um die Ladung zu verstärken, die sich auf dem lichtempfindlichen Element ansammelt. Passive Pixel haben diese Mittel nicht und erfordern einen ladungsempfindlichen Verstärker, der nicht in das Pixel integriert ist und über eine lange Leitung mit dem Pixel verbunden ist. Aus diesem Grund sind Bildsensoren mit aktiven Pixeln potentiell weniger empfindlich gegen Rauschschwankungen als Bildsensoren mit passiven Pixeln. Infolge der zusätzlichen Elektronik in dem aktiven Pixel kann ein Bildsensor mit aktiven Pixeln komplexere Funktionen ausführen, was für die Leistungsfähigkeit des Kamerasystems vorteilhaft sein kann. Diese Funktionen können Filterung, Betrieb bei höherer Geschwindigkeit, oder Betrieb bei extremeren Beleuchtungsbedingungen umfassen. Ein hauptsächlicher Nachteil von CMOS- oder MOS-Bildsensoren mit aktiven Pixeln, der ihre Verwendung bei Anwendungen, die eine hohe Bildqualität erfordern, behindert, ist jedoch weiterhin, daß ihr Ausgangssignal eine zusätzliche Ungleichmäßigkeit hat, die durch die statistische Streuung bei den Merkmalen der elektronischen Komponenten, aus denen das aktive Pixel besteht, verursacht wird. Ein Beispiel eines solchen Merkmals, das Schwankungen des Herstellungsprozesses unterworfen ist, ist die Schwellenspannung von in das Pixel integrierten MOS-Transistoren. Wenn keine Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wird diese Ungleichmäßigkeit, die Festmusterrauschen oder FMR genannt wird, als ein "schneeähnlicher" Schatten über dem Bild wahrgenommen, das mit einem CMOS- oder MOS- Bildsensor mit aktiven Pixeln aufgenommen wird.
In dem Dokument US-A-4274113 wird eine Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtung beschrieben, die einen. Sensorbereich und eine Signalverarbeitungsschaltung hat: Die. Signalverarbeitungsschaltung weist Mittel auf, um das Festmusterrauschen zu eliminieren. Bei dieser Vorrichtung wird die Ladung, die sich auf einem passiven Pixel angesammelt hat, mit einem gewöhnlichen Ladungsverstärker gemessen. Das Pixel wird zweimal nacheinander abgetastet, und die Differenz der Ladungen stellt das Signal dar. Die erste Abtastung wird ausgeführt, wenn das Pixel nicht mit dem Ausgang verbunden sind, und die zweite Abtastung wird ausgeführt, wenn das Pixel während einer kurzen Zeit mit dem. Ausgang verbunden ist, so daß die Ladung an dem Ausgang integriert wird. Diese. Methode zum Eliminieren von FMR ist jedoch für aktive Pixel nicht geeignet, die kein Ladungs- Ausgangssignal, sondern - ein Spannungs-Ausgangssignal oder ein Strom- Ausgangssignal oder dergleichen haben. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform von US-4274113 beschrieben ist, wird außerdem beim Lesen der Ladung über einen großen Bus mit einer hohen Kapazität das zeitliche Rauschen bei dem Sensor-Endbild verschlechtert.
In dem Dokument US-A-4809074 wird eine Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtung beschrieben, die eine Signalverarbeitungsschaltung hat, um das Rauschen, insbesondere das FMR, zu vermindern. Jedes Pixel hat zwei Schalter, was ermöglicht, eine Pixelladung mit weniger Rauschen und FMR als bei Pixeln mit nur einem Schalter zu lesen. Um die FMR-Aufhebung auszuführen, wird die Ladung bei dem Ausgangsknotenpunkt zweimal gelesen. Wiederum ist die in diesem Patent beschriebene Methode nicht für Bildsensoren mit aktiven Pixeln geeignet.
In der Patentanmeldung WO92/16999 wird eine Schaltung beschrieben zum Minimieren der Variation bei den Merkmalen über verschiedene Teile einer Bilderzeugungsvorrichtung, die durch Herstellungsprozeßschwankungen bei einer Vielzahl von invertierenden Verstärkern der Bilderzeugungsvorrichtung verursacht wird. Die Schaltung weist mindestens einen Transistor auf, der in Serie mit einem Stromversorgungsanschluß bei jedem der invertierenden Verstärker angeschlossen ist, so daß ein neues Bezugsniveau für jeden invertierenden Verstärker erhalten wird, wodurch die Schaltschwelle des invertierenden Verstärkers durch eine auf einen Steuereingangsanschluß des Transistors gegebene Spannung steuerbar ist. Diese Methode ist nur bei einer Bilderzeugungsvorrichtung mit passiven Pixeln anwendbar.
In dem Dokument EP-A-0665685 wird ein Bildsensor mit aktiven Pixeln beschrieben. In diesem Patent wird eine Methode angegeben, um die Ungleichmäßigkeit der Pixelreaktion aufzuheben. Diese Methode basiert darauf, daß alle Pixelausgangssignale über Schalter und Spalte/Reihe-Busse nach einem gemeinsamen Ausgang geleitet werden, ohne durch Zwischenpuffer (Spaltenpuffer) hindurchzugehen. Diese Methode ist realisierbar, aber sie erfordert, daß die Ausgangsstufe jedes einzelnen Pixels stark genug ist, um die Busse/Ausgangsleitungen mit einer hohen Auslesegeschwindigkeit zu steuern. Die vorgeschlagene Methode erzeugt außerdem durch die multiplexenden Strukturen zusätzliches Festmusterrauschen.
In dem Dokument US-A-4580103 wird eine Verstärkerschaltung zum Verstärken eines Eingangs-WS-Signals beschrieben, die darauf abzielt, den bei dem Eingangs-WS-Signal vorhandenen Offset zu eliminieren, und dadurch den inhärenten Eingangsverstärker-Offset mit einer Verstärkung von ungefähr eins zu verstärken. Bei der in D1 beschriebenen Schaltung wird der inhärente Offset des Verstärkers (Verstärkungselements) der Verstärkerschaltung nicht beseitigt, aber der Einfluß dieses Offsets auf das Ausgangssignal wird dadurch vermindert, daß das Eingangssignal stärker verstärkt wird und die Verstärkung des Offsets bei einem Faktor von ungefähr 1 gehalten wird. Folglich werden die durch das Verstärkungselement hervorgerufenen Offsetfehler vermindert, aber sie sind weiterhin vorhanden.
In dem Dokument IBM TDB, Band 23, Nr. 9, S. 4195-4196 wird eine Verstärkerschaltung beschrieben, die Mittel vorsieht, um die Offsetfehlerspannungen von Verstärkern bei der Schaltung zu vermindern. Der Offsetfehler wird vermindert, aber nicht unterdrückt; außerdem ist anzumerken, daß die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung durch den Offset von einem der Verstärker beeinflußt wird. Der Verstärkerschaltung kann außerdem keine extern vorgegebene, gleichmäßige Offsetkorrektur aufgezwungen werden.
In dem Dokument US-A-5321528 wird ein Bildsensorchip beschrieben, der Mittel umfaßt, um ein Signal zu erzeugen, das ermöglicht, die Offsetspannung innerhalb eines Chips abzutrennen und durch eine weitere Schaltung zu kompensieren, in die der Chip später integriert wird. Auf diese Weise kann ein Signal erzeugt werden, das kein Bildsignal aufweist, aber ein Offsetniveau umfaßt. Die weitere Verarbeitung eines solchen Signals erfolgt auf der Basis eines Bildsignals pro Bildsensor.
In dem Dokument US-A-5296696 wird eine Verstärkerschaltung beschrieben zur Verminderung des Festmusterrauschens (FMR) bei einem mit einer Pixelanordnung aufgenommenen Bild, wobei das FMR durch die Bilderzeugungsschaltung verursacht wird. Die Verstärkerschaltung bringt jedoch einen Offset hinein, der durch das Verstärkungselement 16 verursacht wird. Daher bleibt eine durch das Verstärkungselement verursachte Quelle für das FMR bei dem Endbild, und dieses FMR ist für zumindest jede Spalte einer Pixelanordnung verschieden.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, wie einen Bildsensor, die ermöglicht, das Festmusterrauschen (FMR), das zeitlich invariant ist, zu vermindern, ohne Rauschen anderen Ursprungs hineinzubringen. Diese Vorrichtung weist eine Matrix von aktiven Pixeln, sowie elektronische Komponenten oder Schaltungen auf, die vorzugsweise an den Rändern oder an der Grenze der Matrix von Pixeln angeordnet sind. Auf Kosten der Bildung eines Bildsensors mit einer ungewöhnlich großen Fläche können diese elektronischen Komponenten oder Schaltungen auch in die Pixel integriert werden. Die elektronischen Komponenten oder Schaltungen weisen mindestens eine Verstärkerschaltung auf, die eine gemeinsame Verstärkerschaltung für eine Gruppe von Pixeln, wie eine Spalte oder eine Reihe der Matrix ist. Außerdem hat die Vorrichtung eine Ausgangsleitung, die vorzugsweise eine gemeinsame Ausgangsleitung für die Matrix ist. Die Verstärkerschaltung weist ein Verstärkungselement und ein Speicherelement auf, die mit der Schaltungsanordnung verbunden sind, die vorgesehen ist, um das Signal an dem Ausgangsanschluß des Verstärkungselements auf ein bekanntes Niveau zu bringen, und das entsprechende Niveau, oder ein Maß dafür, an dem Steueranschluß des Verstärkungselements in dem Speicherelement zu speichern.
Die aktiven Pixel sind ausgelegt, um in einen Zustand gebracht zu werden, der einer Strahlungsmenge entspricht, die sich auf dem Pixel angesammelt hat, und sie können daher in einen ersten Zustand gebracht werden. Es ist erforderlich, daß dieser erste Zustand mit einem davon verschiedenen, zweiten Zustand verglichen werden kann. Der erste Zustand kann einer auf dem strahlungs- oder lichtempfindlichen Element in dem Pixel aufgefangenen Strahlungs- oder Lichtmenge entsprechen. Der erste Zustand kann auch dem Rückstellzustand des Pixels, oder einem unbeleuchteten Zustand oder Dunkelzustand des Pixels entsprechen. Der zweite Zustand kann einem unbeleuchteten Zustand oder Dunkelzustand des Pixels, oder einer auf dem strahlungs- oder lichtempfindlichen Element in dem Pixel aufgefangenen Licht- oder Strahlungsmenge, oder dem Rückstellzustand des Pixels entsprechen.
Vorzugsweise ist das Verstärkungselement ein Transistor, und speziell ein Transistor von dem Typ Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren, bei dem der Ausgangsanschluß die Source oder der Drain des Transistors ist, und bei dem der Steueranschluß das Gate des Transistors ist. Es kann auch ein komplexerer Verstärker sein. Das Speicherelement ist vorzugsweise ein Kondensator oder ein Permanentspeicherelement, wie es in ROMs, EPPROMs, EEPROMs oder Flash-EEPROMs verwendet wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verstärkerschaltung beschrieben, aufweisend:
- ein Verstärkungselement, das einen Ausgangsanschluß und einen Steueranschluß hat, wobei das Verstärkungselement einen Transistor umfaßt; und
- ein Speicherelement;
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung weiterhin Mittel aufweist, um eine extern vorgegebene Offset-Korrekturspannung direkt auf den Ausgangsanschluß des Verstärkungselements aufzuzwingen, und um ein entsprechendes Spannungsniveau an dem Steueranschluß des Verstärkungselements einzustellen, wobei das entsprechende Spannungsniveau durch die vorgegebene Spannung und durch die Mittel bestimmt wird, und die Mittel weiterhin einen Teil haben, um das entsprechende Spannungsniveau oder ein Maß des entsprechenden Spannungsniveaus in dem Speicherelement zu speichern.
Vorzugsweise wird die extern vorgegebene Spannung über einen Schalter oder einen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine Vorrichtung, die den Ausgangsanschluß auf der vorgegebenen Spannung halten kann, auf den Ausgangsanschluß direkt aufgezwungen.
Vorzugsweise ist das Speicherelement ein analoges Speicherelement oder ein Permanentspeicherelement, wie es in analogen EPROMs, EEPROMs oder Flash-EEPROMs verwendet wird, und speziell ein Kondensator.
Vorzugsweise sind die obenerwähnten Mittel Einstell/Aufzwing- Schaltungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein vorgegebenes Spannungsniveau direkt auf den Ausgangsanschluß gegeben, wobei das entsprechende Spannungsniveau über die Schaltung der Mittel an dem Steueranschluß des Verstärkungselements indirekt eingestellt wird. Vorzugsweise ist das Verstärkungselement ein Transistor, und der Ausgangsanschluß der Source-Anschluß oder der Drain-Anschluß des Transistors, und der Steueranschluß der Gate-Anschluß des Transistors. Der Transistor ist vorzugsweise ein Transistor von dem Typ Metall-Oxid-Halbleiter- Transistoren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Pixel beschrieben; das ausgelegt ist für die Integration in eine Bilderzeugungsvorrichtung, das die in Anspruch 1 angegebene Verstärkerschaltung aufweist, und das weiterhin ein strahlungsempfindliches Element aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Pixel weiterhin einen WS-gekoppelten Verstärker mit einer kapazitiven Rückkopplungsschaltung zwischen dem Verstärkungselement und dem Speicherelement auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Pixel ein Verstärkungselement mit einen ersten Anschluß, der mit dem lichtempfindlichen Element verbunden ist, und einen Steueranschluß, der mit dem Speicherelement verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des Verstärkungselements über einen Kondensator mit dem ersten Anschluß verbunden ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen beschrieben, die die oben angegebene Verstärkerschaltung aufweist. Die Vorrichtung weist auf:
- eine Matrix von aktiven Pixeln, die in einer geometrischen Konfiguration angeordnet sind, wobei die Pixel elektrische Ausgangssignale liefern, die durch photoelektrische Umwandlung erzeugt werden, und die ausgelegt sind, um in einen Zustand gebracht zu werden, der einer Strahlungsmenge entspricht, die sich auf den Pixeln angesammelt hat;
- mindestens eine Verstärkerschaltung, die eine gemeinsame Verstärkerschaltung für eine Gruppe von Pixeln der Matrix ist; und
- eine Ausgangsleitung, die eine gemeinsame Ausgangsleitung für die Matrix von Pixeln ist.
Vorzugsweise ist die Matrix in Spalten und Reihen angeordnet, und jede Verstärkerschaltung ist eine gemeinsame Verstärkerschaltung für eine Gruppe von Pixeln, wie zum Beispiel eine Spalte oder eine Reihe der Matrix. Vorzugsweise ist das vorgegebene Niveau ein gemeinsames Niveau für im wesentlichen alle Spalten der Matrix.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren beschrieben zur Eliminierung des zeitlich invarianten Festmusterrauschens bei dem Ausgangssignal eines Bilderzeugungssensors, bei dem die Vorrichtung verwendet wird.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Auslesen des Signals eines Pixels in einem ersten Zustand, während eine extern vorgegebene Offset-Korrekturspannung auf den Ausgangsanschluß eines Verstärkungselements, das an das Pixel angeschlossen ist, direkt aufgezwungen wird, wodurch ein entsprechendes Spannungsniveau an dem Steueranschluß des Verstärkungselements definiert wird, und Speichern des entsprechenden Spannungsniveaus oder eines Maßes dafür auf einem Speicherelement, das an das Pixel angeschlossen ist, wodurch eine erste Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements definiert wird;
- Substrahieren der ersten Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements von einer zweiten Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements, wobei die zweite Spannung durch das Ausgangssignal desselben Pixels in einem zweiten Zustand definiert ist, und die zweite Spannung das auf dem Speicherelement gespeicherte Spannungsniveau umfaßt, wodurch die Ausgangsspannung des Verstärkungselements proportional zu der Differenz des Signals des Pixels in dem ersten und zweiten Zustand verschoben wird;
- Weiterleiten des subtrahierten Signals nach einer Ausgangsleitung, die für die gesamte Gruppe vorgesehen ist; und
- Wiederholen dieses Vorgangs für alle Pixel oder einen Teil der Pixel der Bilderzeugungsvorrichtung.
Vorzugsweise wird die extern vorgegebene Spannung über einen Schalter oder einen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine Vorrichtung, die den Ausgangsanschluß auf der vorgegebenen Spannung halten kann, auf den Ausgangsanschluß direkt aufgezwungen.
Vorzugsweise werden der erste und zweite Zustand des Pixels nacheinander ausgelesen. Vorzugsweise entspricht der erste Zustand oder der zweite Zustand einer auf dem lichtempfindlichen Element in dem Pixel aufgefangenen Strahlungs- oder Lichtmenge, oder dem Dunkelzustand des Pixels, oder dem Rückstellzustand des Pixels. Das vorgegebene Ausgangsspannungsniveau wird von einer Versorgungsspannung der Festkörper- Bilderzeugungsvorrichtung abgeleitet.
Das in dem Speicherelement gespeicherte Spannungsniveau umfaßt vorzugsweise die Offset-Spannung des Verstärkungselements.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung der Bilderzeugungsvorrichtung und des Verfahren bei Kamerasystemen und bei Bilderzeugungsanwendungen, die eine hohe Bildqualität erfordern, beschrieben. Ein Beispiel eines solchen Kamerasystems ist eine Videokamera oder eine Einzelbildkamera, oder eine Kamera, die in eine Multimediavorrichtung, wie einen Personalcomputer, der mit Videofunktionalität oder mit Video- und Sprachfunktionalität ausgerüstet ist, integriert ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 gibt ein Beispiel eines aktiven Pixels wieder, das drei Transistoren und eine Photodiode enthält, und bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die Fig. 2 gibt eine Ausführungsform der Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen der vorliegenden Erfindung wieder.
Die Fig. 3 gibt drei Verstärker wieder, die als Komponenten (11), (61), (103), (111), (123) in die Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen der vorliegenden Erfindung integriert werden können.
Die Fig. 4 gibt eine Stromquelle wieder, die bei den Spaltenverstärkern der Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die Fig. 5 gibt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen der vorliegenden Erfindung wieder.
Die Fig. 6 gibt zwei Pixel einer Struktur wieder, die ein Teil einer in der Fig. 2 oder 5 wiedergegebenen Anordnung sein könnte.
Die Fig. 7 gibt das Zeitsteuerdiagramm des Verfahrens zur Eliminierung von Festmusterrauschen bei einer Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wieder.
Die Fig. 8 gibt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wieder, bei der die Verstärkerschaltung mit einem lichtempfindlichen Element verbunden ist.
Die Fig. 9 gibt eine dem Stand der Technik entsprechende Verstärkerschaltung wieder.
Die Fig. 10 gibt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wieder, bei der die Verstärkerschaltung mit einem lichtempfindlichen Element verbunden ist.
Die Fig. 11 gibt einen Differentialverstärker wieder, der auf ähnliche Weise wie die Verstärker der Fig. 3 verwendet wird.
Die Fig. 12 gibt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wieder, bei der die Verstärkerschaltung mit einem lichtempfindlichen Element verbunden ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Im Folgenden kann nur zum Zwecke der Erklärung eine Ausführungsform des Bildsensors als ein Sensor mit n·m Pixeln mit einem Doppelmetall- Einzelpoly-0,7 im-CMOS-Prozeß angenommen werden. Die Größe jedes Bildsensors mit 384 · 288 Pixeln ist 6,3 · 5,7 mm. Die Abmessungen der lichtempfindlichen Elemente in den Photodioden der Pixel sind 14 · 14 im. Photodioden dieser Größe erzeugen Ströme von ungefähr 1 nA bei einem Lichtbeleuchtungsniveau von 1 mW/cm². Es ist offensichtlich, daß diese Zahlen nur eine Wahlmöglichkeit auf diesem Gebiet repräsentieren, und daß viele anderen Ausführungen für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Ein Beispiel eines aktiven Pixels (1), das drei Transistoren (100), (101), (102) und eine Photodiode (103) enthält, und das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in der Fig. 1 wiedergegeben. Der Schalter (20) und die Leitung (6) haben die gleiche Funktion wie die Teile (21), (23), (71), (73) bzw. (6), (56) in den Fig. 2 und 5. Ein gepulstes Signal an dem Gate "RÜCKSTELLEN" löscht die Ladungen, die sich an dem Photodioden-Knotenpunkt (103) angesammelt haben, d. h., es zwingt den Pixeln einen "Bezugszustand" auf.
Eine Vorrichtung, um aktive Pixel oder Teile einer Bilderzeugungsvorrichtung mit aktiven Pixeln auszulesen, wird von dem Schema der Fig. 2 wiedergegeben. In dieser Figur ist eine willkürliche Anordnung von 2 mal 2 aktiven Pixeln (1), (2), (3), (4) mit einem Spaltenverstärker (5) (der in dieser Beschreibung auch als Verstärkerschaltung bezeichnet wird) wiedergegeben. Der Spaltenverstärker (5) kann ebensogut in jedes Pixel (1), (2), (3), (4) integriert werden, so daß ein weiter entwickeltes, aktives Pixel auf Kosten von Fläche erhalten wird. Diese Integration kann eine bevorzugte Wahlmöglichkeit sein für Bilderzeugungsvorrichtungen und für eine Sensorvorrichtung für nicht-optische Anwendungen, die auf eine andere Weise als in Reihen/Spalten angeordnet sind, zum Beispiel für einen linearen Bildsensor.
Das Ausgangssignal eines aktiven Pixels (1), (2), (3), (4) wird über einen wahlfreien Schalter (21), (22), (23), (24) und eine Leitung (6), (7) ausgelesen, und über einen wahlfreien Schalter (25) auf einen gemeinsamen Ausgangsbus (8) gegeben. Ungleichmäßigkeiten der verschiedenen Signale auf den verschiedenen Leitungen (6) und (7) verschiedener solcher Spaltenverstärker (5) werden bei dem Ausgangsbus (8) kompensiert. Die relativen Offsets der Eingangssignale (6) und (7), einschließlich der durch den Ausgangstransistor (9) (in dieser Beschreibung auch das Verstärkungselement genannt) selbst hervorgerufenen Offset- Ungleichmäßigkeit, werden durch Einstellen eines Offset- Kompensationseingangs eines zweiten Verstärkers (11) kompensiert. Diese Einstellung oder Kalibrierung wird ausgeführt, während dem aktiven Pixel, das ausgelesen wird oder, allgemein ausgedrückt, dem Signal auf der Leitung (6) oder (7) ein Bezugszustand aufgezwungen wird.
Zur Einstellung oder Kalibrierung werden die Schalter (27) und (26) geschlossen. Der Source des Transistors (9) wird so eine bekannte Spannung (30) aufgezwungen. Diese bekannte Spannung (30) kann eine Versorgungsspannung der Bilderzeugungsvorrichtung sein, und ist vorzugsweise eine für alle Spalten der Matrix von Pixeln gemeinsame Spannung. Mit geeigneten Schaltungskomponenten und geeigneten Spannungen und Strömen, die für Fachleute auf diesem Gebiet einfach zu verwirklichen sind, wird sich die Spannung an dem Drain und dem Gate des Transistors (9) auf einen Gleichgewichtswert einstellen. Das Verhalten solcher Schaltungen kann mittels analoger Schaltungssimulatoren, wie dem von der Firma Metasoft vertriebenen HSpice, vorhergesagt werden. Der Offset, der benötigt wird, um das Gleichgewicht zu erreichen, wird in einem analogen Speicher gespeichert, der als ein Kondensator (10) und ein Schalter (27) wiedergegeben ist. Andere Wege zur Verwirklichung eines analogen Schalters, die einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, können für diesen Zweck auch verwendet werden. Für den normalen Auslesevorgang werden die Schalter (27) und (26) geöffnet. Der Schalter (28) wird geschlossen um einen großen Versorgungsstrom für den Transistor (9) fließen zu lassen. Der wahlfreie Schalter (25) wird für jeden Spaltenverstärker (5) getrennt verwendet, um diesen Spaltenverstärker auf sequentielle oder einzeln adressierte Weise mit dem Bus (8) zu verbinden.
Das auf diese Weise über den Schalter (25) ausgeführte Multiplexen kann ebensogut auf eine andere Weise ausgeführt werden.
Der Transistor (9) ist vorzugsweise ein MOSFET, aber andere Typen von aktiven Elementen, wie bipolare Transistoren, oder Thyristoren, oder JFETs sind auch geeignet. Der zweite Verstärker (11), (61) in den Fig. 2 bzw. 5 ist auswählbar. Für diesen Zweck können viele bekannte Typen von Verstärkern verwendet werden, solange ein Mittel vorgesehen ist, um ihre Offsetspannung durch eine externe Spannung oder einen externen Strom einzustellen. Drei solcher zweiten Verstärker gemäß dem Stand der Technik sind in der Fig. 3 wiedergegeben, wobei das Offseteinstellmittel mit dicken Linien wiedergegeben ist. Der Verstärker der Fig. 11 kann für den gleichen Zweck verwendet werden. Dabei ist anzumerken, daß das Offseteinstellsignal in jedem dieser Fälle ein Spannungssignal ist. Die Eingabevorrichtung ist jedoch ein MOSFET, der als Stromquelle verwendet wird, so daß ebensogut ein Eingangsstrom als Offsetmittel direkt verwendet werden könnte. Dabei ist auch anzumerken, daß der zweite Eingang eines Verstärkers mit zwei Eingängen als ein Offseteinstelleingang angesehen werden kann, und für diesen Zweck verwendet werden kann.
Der zweite Verstärker (11) ist nicht notwendigerweise ein Verstärker mit der Verstärkung Eins. Er kann auch eine Filterfunktion umfassen, um z. B. das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die Verwendung eines Sourcefolgertransistors für den zweiten Verstärker (11) ist eine einfache und unkomplizierte Ausführung.
Der Kondensator (10) in der Fig. 2 ist ein Mittel für einen analogen Speicher. Stattdessen können andere Typen eines analogen Speichers verwendet werden, z. B. analoge Speicher, die auf Techniken basieren, die für die Herstellung von Permanentspeichern (ROM; EPROM, EEPROM) verwendet werden, und Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind. Ein analoger Speicher kann auch durch eine Kombination eines ADU und eines DAU und eines digitalen Speichers verwirklicht werden.
Die Stromquelle (12) kann auf eine gut bekannte Weise ausgeführt werden, z. B. als ein MOSFET mit einer Spannung an dem Gate. Dabei haben jedoch die Ströme verschiedener Spaltenverstärker (5) infolge Ungleichmäßigkeiten der elektronischen Komponenten verschiedene Werte. Diese Ungleichmäßigkeit der Ströme hat Wirkungen zweiten Grades auf die Gleichmäßigkeit der Endausgangssignale auf dem Bus (8). Es können Mittel verwirklicht werden, um gleichmäßigere oder besser reproduzierbare Stromquellen (12) zu erhalten. Fachleute auf diesem Gebiet wissen, daß in der Vergangenheit viele solche Verfahren ersonnen wurden, z. B. für die Herstellung von Analog-Digital-Umsetzern oder Digital-Analog-Umsetzern.
Ein Verfahren besteht in der Verwendung einer einzigen Stromquelle für alle diese Spaltenverstärker der Bilderzeugungsanordnung. Die einzige Stromquelle wird der Reihe nach mittels Schaltern mit allen Spaltenverstärkern verbunden.
Ein anderes Verfahren besteht in der Kalibrierung der in jeden Spaltenverstärker eingebauten Stromquellen während der Zeitintervalle, in denen diese Ströme nicht verwendet werden: Zum Beispiel während des Zeitintervalls, in dem der Schalter (28) in der Fig. 2 geschlossen ist. Dies kann durch eine Schaltungskonfiguration verwirklicht werden, wie sie in der Fig. 4 wiedergegeben ist. Das Ausgangssignal (I) dieser Teilschaltung ist die in der Fig. 2 wiedergegebene Stromquelle (12). Die Schalter (42) und (43) dienen dazu, den MOSFET (44) zu verbinden und für ein bekanntes Stromniveau zu kalibrieren. Ein anderes Verfahren ist die Verwendung von Schaltungskomponenten, die keine MOSFETs sind, und daher weniger unter Ungleichmäßigkeiten leiden, wie Widerstände, bipolare Transistoren oder JFETs.
Eine Verwirklichung der Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 5 wiedergegeben. In dieser Figur ist eine Matrix von 2 · 2 aktiven Pixeln wiedergegeben. Jedes Pixel (51), (52), (53), (54) kann über einen Schalter (71), (72), (73), (74) sein Ausgangssignal auf die Spaltenleitungen (56), (57) geben.
Ein Pixel kann in seinen Bezugszustand umgeschaltet werden, z. B. über ein "Rückstellsignal" (dies ist eine übliche, aber nicht ausschließliche Weise, um dies zu tun).
Während des ersten der zwei Zustände sind die Schalter (77) und (76) geschlossen, während die Schalter (78) und (75) offen bleiben. Die Stromquelle (62) liefert einen kleinen, festen Strom. Aus diesem Grund erhält die Source des MOSFETs (59) ein festes Potential, und dem Gate dieses MOSFETs wird ein Gleichgewichtswert aufgezwungen. Dieser Wert wird in dem Kondensator (60) gespeichert. Der Verstärker (61) an dem Gate des MOSFETs ist nicht unbedingt notwendig und kann geshuntet werden.
Der möglicherweise unerwünschte Offset des Pixelsignals liegt nun über dem Kondensator (60).
Vor der zweiten Phase werden die Schalter (77) und (76) geöffnet, und die Schalter (78) und (75) werden potentiell auch geschlossen. Folglich ergibt sich an der Source des MOSFETs (59) das Signal, das bereits während der ersten Phase an der Source lag, abgesehen von einer kleinen festen Verschiebung. Dieses Signal wird auf den gemeinsamen Ausgangsverstärker "U" der Bilderzeugungsvorrichtung gegeben, der nicht zu dem FMR beiträgt, weil er der gemeinsame Ausgangsverstärker für die ganze Matrix ist.
Während des zweiten der zwei Zustände des aktiven Pixels ändert sich das Signal auf der Leitung (56). Aber dieses neue Signal enthält den unerwünschten Offset, und über den Kondensator (60) wird die Änderung dieses Signals auf das Gate des Transistors (59) gegeben, und wenn der Schalter (75) geschlossen wird, auf den Ausgangsverstärker der Bilderzeugungsvorrichtung gegeben.
Viele Spaltenverstärker sind parallel zu dem Ausgangsbus (58) gelegt. Diese Verstärker können dann durch Aktivieren ihrer jeweiligen Schalter (75) abgetastet werden.
Dabei möchten wir darauf hinweisen, daß die Schaltung der Fig. 5 ein spezieller Fall der Schaltung der Fig. 2 ist. Die Kombination von (60) und (61) in der Fig. 5 ist ein zweiter Verstärker mit WS-gekoppeltem Eingang. Dies ist auch als ein Verstärker mit Offseteinstellanschluß anzusehen. Das tatsächliche Eingangssignal und das Offset-Eingangssignal liegen an den beiden Enden des Kondensators (60).
In der Tat, die Variante der Schaltung der Fig. 2, wo der Verstärker (11) einfach ein Kurzschluß ist, wodurch die Kombination von (60) und (61) nur ein Kondensator ist, sollte aus diesem Grund auch als trivialer Fall eines Verstärkers mit Offsetkorrektur angesehen werden. Dies kann für die erforderliche Funktionalität ausreichend sein.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Die bei dieser Art von Auslesung zu verwendenden, aktiven Pixel müssen nur das eine Kriterium erfüllen, daß sie in zwei oder mehr verschiedene Zustände gebracht werden können, die verschiedenen Mengen von aufgefangenem Licht oder, allgemein ausgedrückt, verschiedenen Signalniveaus entsprechen. Der Signalpfad, der das FMR erzeugt, sollte ein gemeinsamer Pfad für beide Zustände sein, d. h., derselbe Verstärkungspfad in dem Pixel sein. Offensichtliche Varianten sind:
- Nicht begrenzt auf ein einfaches Pixel. Ein aktives Pixel kann so gebaut sein, daß es ein Signal von verschiedenen Stellen und Zeiten erhält, wie z. B. von verschiedenen Photodioden, die es mit anderen aktiven Pixeln teilt, oder von Information, die zu verschiedenen Zeiten erfaßt wird. Eine solche Anordnung ist in der Fig. 6 in der einfachsten Form wiedergegeben. Es sind zwei Pixel einer Anordnung wiedergegeben, wobei jedoch nur wichtige Teile der Pixel dargestellt sind: (81), (82) sind Photodetektoren, (91), (92) sind schematische Darstellungen des Verstärkungsteils des Pixels.
- Die Schalter (83) und (84) sind geschlossen bzw. offen. Einer der Detektoren (81) oder (82) ist mit dem Verstärker (91) verbunden (und die anderen Elemente der Anordnung sind auf ähnliche Weise verbunden). Der Bezugszustand für eine solche Lesung kann der Zustand während des Zeitintervalls sein, in dem (81) mit (91) verbunden ist, und der Lesezustand ist dann der Zustand während des Zeitintervalls, in dem (82) mit (91) verbunden ist. Weiter unten auf dem Signalpfad wird das Ausgangssignal von (91) mittels der in der Fig. 2 wiedergegebenen Verstärkerschaltung (5) korrigiert. Die Funktion, die auf diese spezielle Weise verwirklicht wird, ist ein räumliches-zeitliches Filter, bei dem die Intensität eines Pixels zu einer Zeit von der Intensität eines anderen Pixels zu einer anderen Zeit subtrahiert wird. Mehrere Pixel in der Umgebung könnten zu der gleichen Zeit oder zu verschiedenen Zeiten mit demselben Knotenpunkt verbunden werden, wodurch komplexere räumliche-zeitliche Filter verwirklicht werden. Im Prinzip können die Rechtecke (81) und (82) selbst aktive Pixel repräsentieren, wodurch eine hierarchische Struktur erzeugt wird.
- Eine Anordnung kann verschieden von der herkömmlichen zweidimensionalen (rechteckigen) Anordnung sein. Zum Beispiel ist eine lineare, eine kreisförmige, eine logarithmisch-polare, sogar eine zufällige Anordnung möglich. Wenn die Technologie dies zuläßt, kann eine dreidimensionale Anordnung möglich werden. Die Anordnung könnte aus anderen Arten von Detektoren als optische Detektoren bestehen, wie Sensoren für elektromagnetische Strahlung, Elementarteilchen, Druckwellen (Schall), Chemikalien, ...
- In den Fig. 2 und 5 kann die Stromquelle (12), (62) durch einen Widerstand ersetzt werden, oder sie kann mit dem Schalter (28), (78) zu einer. Komponente vereinigt werden (dabei ist anzumerken, daß sowohl eine Stromquelle, als auch ein Schalter mit einem MOSFET verwirklicht werden können).
- Wie oben erwähnt wurde, kann der zweite Verstärker (11), (61) weggelassen (geshuntet) werden. Die Schaltung könnte so abgestimmt werden, daß sie ohne einen zweiten Verstärker (11), (61) arbeitet, oder sie kann auch eine Filterung oder einen Spannungs-Offset umfassen, die zu einer besseren Funktionsweise (hohe Geschwindigkeit, geringes Rauschen, Betrieb in dem erforderlichen Spannungsbereich, usw.) beitragen können.
- Der Schalter (26), (76) in den Fig. 2 und 5 kann ersetzt durch eine Stromquelle oder einen Widerstand oder eine Komponente, die die Source von (9), (59) auf einer bestimmten Spannung halten kann, die nicht explizit angelegt werden muß.
- Bei der obigen Beschreibung wird zur Vereinfachung angenommen, daß das Ausgangssignal der aktiven Pixel (1), (2), (3), (4), (51), (52), (53), (54) eine Spannung ist. In der Praxis kann ein aktives Pixel sein Signal über einen Transistor ausgeben, dessen Last für den Bus eine gemeinsame Last ist, und außerhalb des Pixels liegt. Der Transistor, zusammen mit dem externen Lastelement (das eine passive Komponente, wie ein Widerstand, oder eine aktive Komponente, wie ein MOSFET ist), ist ein Transistorverstärker, gewöhnlich ein Sourcefolger, ein invertierender Verstärker, oder ein Differentialverstärker.
- Es ist offensichtlich, daß die aktiven Pixel (1), (2), (3), (4), (51), (52), (53), (54), die einen Strom anstatt einer Spannung ausgeben, ebensogut verwendet werden können. Ein Strom kann über einen Widerstand oder einen geschalteten Kondensator in eine Spannung umgewandelt werden.
- Es ist offensichtlich, daß dann, wenn in dieser Beschreibung MOSFETs erwähnt werden, andere Typen von gesteuerten Verstärkungsvorrichtungen, soweit sie die gleichen Funktionen erfüllen, verwendet werden können, wie bipolare Transistoren oder J-FETs.
- Da der Unterschied zwischen einem aktiven Pixel und einem passiven Pixel nur in der Anwesenheit eines Verstärkungselements liegt, kann das Verfahren auch verwendet werden, um das FMR von passiven Pixeln zu beseitigen. Zu diesem Zweck können zuerst die Ladungen des passiven Pixels umgewandelt werden.
Es ist möglich, eine FMR-freie Lesung einer Anordnung von aktiven Pixeln auf andere Weise zu verwirklichen:
- durch getrenntes Lesen der zwei Zustände und Ausführen der Subtraktion außerhalb der Bilderzeugungsvorrichtung in dem analogen Modus, oder nach AD-Umsetzung in dem digitalen Modus. Ein solche Lösung erfordert eine doppelte Auslesegeschwindigkeit, und irgendeinen analogen oder digitalen Speicher.
- durch Verwenden anderer Typen von Differentialverstärkern bei den Spaltenrändern. Die Signale der zwei Zustände können in einem Kondensator gespeichert werden, und der Differentialverstärker kann die Differenz lesen. Dies ist ein realisierbarer Weg zum Lesen des Signals des aktiven Pixels, und Entfernen der FMR von den aktiven Pixeln, aber das FMR, das in dem Differentialverstärker selbst erzeugt wird, wird nicht aufgehoben.
Ein Zeitsteuerschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Eliminierung des FMR ist in der Fig. 7 wiedergegeben. Dabei sind die Signale wiedergegeben, die an den Anschlüssen der bevorzugten Ausführungsformen (siehe die obigen Figuren) zu erwarten sind, während zwei Pixel in der gleichen Spalte gelesen werden. Die wiedergegebenen angelegten binären Signale sind (77), (27), (76), (26), (78), (28) und (75), (25) (die zur Vereinfachung die gleichen sind; aber in Kombination mit einem Multiplexer (nicht wiedergegeben) ist (75), (25) verschieden von (78), (28)), und das Rückstellsignal, das das Pixel in einen zurückgestellten oder nichtzurückgestellten Zustand (angegeben als "erster Zustand" und "zweiter Zustand") bringt. Es sind zwei analoge Signale wiedergegeben: (6), (56), die Spannung der Spaltenleitung, die das Ausgangssignal des damit verbundenen Pixels (der damit verbundenen Pixel) widerspiegelt, und die das Eingangssignal des Spaltenverstärkers (5), (55) ist; und die Spannung an der Source des Transistors (9), (59), die das Ausgangssignal des Spaltenverstärkers (5), (55) ist. Die weißen Pfeile geben die Differenz des resultierenden Signals zwischen dem Pixel (1) und dem Pixel (2) wieder.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 8 wiedergegeben. In der Figur ist ein Pixel wiedergegeben, das ein lichtempfindliches Element und eine Verstärkerschaltung enthält, wobei die Verstärkerschaltung ein Verstärkungselement (101) und ein Speicherelement (102) aufweist. Außerdem wiedergegeben sind Verbindungen und Schaltungen, um das Signal an einem Ausgangsanschluß des Verstärkungselements (101) auf ein bekanntes Niveau einzustellen, wobei ein Maß für das entsprechende Niveau an einem Steueranschluß des Verstärkungselements in dem Speicherelement gespeichert wird. Eine dem Stand der Technik entsprechende Verstärkerschaltung ist in der Fig. 9 wiedergegeben.
Das in der Fig. 9 wiedergegebene Pixel wird in vorteilhafter Weise in dem Fall verwendet, in dem der Photostrom eines lichtempfindlichen Elements oder eines Detektors durch einen Verstärker (107) mit kapazitiver Rückkopplung (108) ausgelesen wird, der diesen Photostrom integriert und eine Ausgangsspannung liefert, die proportional zu dem Photostrom und der Integrationszeit ist. Die Integrationszeit wird durch Zeitsteuersignale, den Photostrom und einen Integrationskondensator (108) bestimmt. Ein weiterer (zweiter) Kondensator (106) wird benötigt, um die Spannung (Vorspannung minus Nullvorspannung) über dem Photodetektor auf präzise Weise zu steuern. Spezifische Anwendungen erfordern solche Merkmale aus Gründen der photometrischen Leistungsfähigkeit. Ein operativer Nachteil der Verstärkerschaltung der Fig. 9 ist, daß für eine gute Unterdrückung der parasitären Effekte an dem Eingang das Verhältnis der Kapazitäten der beiden Kondensatoren (106) und (108) so groß wie möglich sein sollte. In manchen Fällen sollte dieses Verhältnis größer als 1000 sein. Aber bei einigen Anwendungen beträgt die durch die Größe des Photodetektorstroms vorgegebene Kapazität des Integrationskondensators (108) 1 pF. Folglich sollte in solchen Fällen der zweite Kondensator (106) eine Kapazität von 1 nF haben. Ein so großer Kondensator kann nicht auf dem Chip integriert werden.
In der Fig. 8 ist daher eine neue Ladungsverstärkerschaltung wiedergegeben, bei der von der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht wird.
Um zu vermeiden, daß bei der Schaltung der Fig. 9 eine große Anzahl von einzelnen Kondensatoren notwendig ist, wird ein Pixel vorgeschlagen, wie es in der Fig. 8 wiedergegeben ist. Hier wird eine auf der vorliegenden Erfindung basierende Verstärkerschaltung vorgestellt. Die Verstärkerschaltung wird als die WS-gekoppelte Direktinjektionsschaltung bezeichnet. Ein WS-gekoppelter Verstärker (103) in der Rückkopplungsschleife wird verwendet, um den Eingangsmodus des Verstärkungselements (101), vorzugsweise eines MOSFET-Transistors, einzustellen. Der Photostrom wird in einem dritten Kondensator (104) integriert. Der Spaltenverstärker der vorliegenden Erfindung wird in Kombination mit einem Photorezeptor verwendet, wodurch ein Pixel gebildet wird. Da die Kondensatoren bei dieser Ausführungsform kleine Werte haben können, kann die Schaltung auf dem Chip als ein einzelnes Element oder als Pixelanordnungen leicht integriert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, daß die Variation und Drift der Vorspannung über dem Photorezeptor sehr niedrig ist.
Eine weitere Verbesserung des WS-gekoppelten Transimpedanzverstärkers ist in der Fig. 10 wiedergegeben. Diese Schaltung wird als WS-geregelter Transimpedanzverstärker bezeichnet.
Hier wird der Nachteil der Verwendung eines großen zweiten Kondensators dadurch beseitigt, daß eine Verstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Speicherelement (112) ist mit einem Schalter "rückstellen" kombiniert. Ein Verstärker (111) mit einem zusätzlichen Offset- Eingang wird als der Rückkopplungsverstärker und gleichzeitig als das Verstärkungselement verwendet. Der Strom des Photodetektors wird in dem Kondensator (114) integriert.
Bei einer normalen Transimpedanzverstärker-Konfiguration wird der Strom in einem Rückkopplungskondensator (114) integriert. Aber bei der Rückstellung wird die Nullvorspannung auf den Eingang des Verstärkers (111) aufgezwungen, und das Offset-Ungleichgewicht wird in dem Kondensator (112) gespeichert.
Die in der Fig. 11 wiedergegebene Schaltung ist ein Beispiel eines Differentialverstärkers mit zwei negativen und zwei positiven Eingangsknotenpunkten, der bei dem Verstärker (111) verwendet werden könnte.
Die Schaltungen der Fig. 8 und 10 können in einer Schaltung kombiniert werden. Eine solche kombinierte Schaltung (WS-geregelte Direktinjektionsschaltung) ist in der Fig. 12 wiedergegeben. Das Speicherelement (122) ist ein Kondensator in Kombination mit einem Schalter 53. Das analoge Signal dieses Speicherelements ist das Eingangssignal eines zusätzlichen Offsetkorrektureingangs eines zweiten Verstärkers (123), der wiederum die Gatespannung des Verstärkungselements (121) einstellt.
Diese Schaltung kombiniert die folgenden Vorteile miteinander:
- präzise Steuerung der VORSPANNUNG-NULLVORSPANNUNG über dem Photodetektor,
- kein großer Kondensator erforderlich, der Verstärker kann auf dem Chip in Kombination mit einem Photorezeptor (120) integriert werden.
Die Pixel können in vorteilhafter Weise bei kryogenen Ausleseverstärkern, möglicherweise bei beanspruchten GeGa-Detektoranordnungen verwendet werden. Für Raumfahrtanwendungen und für Anwendungen mit niedrigem Leckstrom sollten die Germanium-Gallium (Ge:Ga)-Detektoren bei 1,6 Kelvin und einer Vorspannung von 20 mV betrieben werden. Die eng gekoppelte Auslese-Elektronik sollte bei der gleichen Temperatur betrieben werden, und diese Vorspannung sollte mit einer Genauigkeit von 0,1 mv aufrechterhalten werden.

Claims

1. Verstärkerschaltung (5), (55), aufweisend:

- ein Verstärkungselement (9), (59), (101), (111), (121), das einen Ausgangsanschluß und einen Steueranschluß hat, wobei das Verstärkungselement einen Transistor umfaßt; und

- ein Speicherelement (10), (60), (102), (112), (122);

dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung weiterhin Mittel aufweist, um eine extern vorgegebene Offset-Korrekturspannung direkt auf den Ausgangsanschluß des Verstärkungselements aufzuzwingen, und um ein entsprechendes Spannungsniveau an dem Steueranschluß des Verstärkungselements einzustellen, wobei das entsprechende Spannungsniveau durch die vorgegebene Spannung und durch die Mittel bestimmt wird, und die Mittel weiterhin einen Teil haben, um das entsprechende Spannungsniveau oder ein Maß des entsprechenden Spannungsniveaus auf dem Speicherelement zu speichern.

2. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 1 angegeben, wobei die extern vorgegebene Spannung über einen Schalter oder einen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine Vorrichtung, die den Ausgangsanschluß auf der vorgegebenen Spannung halten kann, auf den Ausgangsanschluß direkt aufgezwungen wird.

3. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 1 angegeben, wobei das Speicherelement ein analoges Speicherelement oder ein Permanentspeicherelement ist, wie es in analogen EPROMS, EEPROMS oder Flash-EEPROMS verwendet wird.

4. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 3 angegeben, wobei das Speicherelement ein Kondensator ist.

5. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 1 angegeben, wobei die Mittel eine Einstell/Aufzwing-Schaltung sind.

6. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 5 angegeben, wobei das entsprechende Spannungsniveau über die Schaltung der Mittel an dem Steueranschluß des Verstärkungselements indirekt eingestellt wird.

7. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 1 angegeben, wobei das Verstärkungselement ein Transistor ist, und der Ausgangsanschluß der Source- Anschluß oder der Drain-Anschluß des Transistors ist, und der Steueranschluß der Gate-Anschluß des Transistors ist.

8. Verstärkerschaltung wie in Anspruch 7 angegeben, wobei der Transistor ein MOS-Transistor ist.

9. Pixel, ausgelegt für die Integration in eine Bilderzeugungsvorrichtung, das die in Anspruch 1 angegebene Verstärkerschaltung aufweist, und weiterhin ein strahlungsempfindliches Element aufweist.

10. Pixel wie in Anspruch 9 angegeben, das weiterhin einen WS- gekoppelten Verstärker mit einer kapazitiven Rückkopplungsschaltung (103), (123) zwischen dem Verstärkungselement (101), (121) und dem Speicherelement (102), (122) aufweist.

11. Pixel wie in Anspruch 9 angegeben, wobei das Verstärkungselement (111) einen ersten Anschluß hat, der mit dem lichtempfindlichen Element (110) verbunden ist, und einen Steueranschluß hat, der mit dem Speicherelement (112) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des Verstärkungselements über einen Kondensator (114) mit dem ersten Anschluß verbunden ist.

12. Vorrichtung für Bilderzeugungsanwendungen, die die in Anspruch 1 angegebene Verstärkerschaltung (5), (55) aufweist, und weiterhin aufweist:

- eine Matrix von aktiven Pixeln (1, 2, 3, 4), (51), (52), (53), (54), die in einer geometrischen Konfiguration angeordnet sind, wobei die Pixel elektrische Ausgangssignale liefern, die durch photoelektrische Umwandlung erzeugt werden, und die ausgelegt sind, um in einen Zustand gebracht zu werden, der einer auf den Pixeln gesammelten Strahlungsmenge entspricht:

- mindestens eine Verstärkerschaltung (5), (55), die für eine gesamte Gruppe von Pixeln (1, 2), (51), (52) der Matrix vorgesehen ist; und

- eine Ausgangsleitung (8), (58), die für die gesamte Matrix von Pixeln (1, 2, 3, 4), (51), (52), (53), (54) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung wie in Anspruch 12 angegeben, wobei die Matrix in Spalten und Reihen angeordnet ist, und wobei jede Verstärkerschaltung für eine gesamte Gruppe von Pixeln, wie zum Beispiel eine Spalte oder eine Reihe der Matrix, vorgesehen ist.

14. Vorrichtung wie in Anspruch 13 angegeben, wobei das vorgegebene Niveau für im wesentlichen alle Spalten der Matrix vorgesehen ist.

15. Verfahren zur Verminderung des Rauschens bei einer Festkörper- Bilderzeugungsvorrichtung, die eine Gruppe von aktiven Pixeln hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Auslesen des Signals eines Pixels (1) in einem ersten Zustand, während eine extern vorgegebene Offset-Korrekturspannung auf den Ausgangsanschluß eines Verstärkungselements (9), (59), das an das Pixel (1) angeschlossen ist, direkt aufgezwungen wird, wodurch ein entsprechendes Spannungsniveau an dem Steueranschluß des Verstärkungselements definiert wird, und Speichern des entsprechenden Spannungsniveaus oder eines Maßes dafür auf einem Speicherelement (10), (60), das an das Pixel (1) angeschlossen ist, wodurch eine erste Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements (9), (59) definiert wird;

- Subtrahieren der ersten Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements (9), (59) von einer zweiten Spannung an dem Ausgang des Verstärkungselements (9), (59), wobei die zweite Spannung durch das Ausgangssignal desselben Pixels in einem zweiten Zustand definiert ist, und die zweite Spannung das auf dem Speicherelement gespeicherte Spannungsniveau umfaßt, wodurch die Ausgangsspannung des Verstärkungselements (9) proportional zu der Differenz des Signals des Pixels (1) in dem ersten und zweiten Zustand verschoben wird;

- Weiterleiten des subtrahierten Signals nach einer Ausgangsleitung, die für die gesamte Gruppe vorgesehen ist; und

- Wiederholen dieses Vorgangs für alle Pixel oder einen Teil der Pixel der Bilderzeugungsvorrichtung.

16. Verfahren wie in Anspruch 15 angegeben, wobei die extern vorgegebene Spannung über einen Schalter oder einen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine Vorrichtung, die den Ausgangsanschluß auf der vorgegebenen Spannung halten kann, auf den Ausgangsanschluß direkt aufgezwungen wird.

17. Verfahren wie in Anspruch 15 angegeben, wobei der erste und zweite Zustand des Pixels nacheinander ausgelesen werden.

18. Verfahren wie in Anspruch 15 angegeben, wobei der erste Zustand oder zweite Zustand einer auf dem lichtempfindlichen Element in dem Pixel gesammelten Strahlungs- oder Lichtmenge, oder dem Dunkelzustand des Pixels, oder dem Rückstellzustand des Pixels entspricht.

19. Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 15-18 angegeben, wobei das vorgegebene Ausgangsspannungsniveau von einer Versorgungsspannung der Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtung abgeleitet ist.

20. Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 15-19 angegeben, wobei das auf dem Speicherelement gespeicherte Spannungsniveau die Offset- Spannung des Verstärkungselements umfaßt.

21. Verwendung der Schaltung oder des Pixels oder der Vorrichtung, die in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14 angegeben wurden, oder des Verfahrens, das in irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20 angegeben wurde, für ein Kamerasystem.