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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Photorezeptoren, die entworfen sind, um bei geringen
Lichtpegeln zu wirken, und insbesondere auf Schaltungen zum Erhöhen der
Zuverlässigkeit von
Photoempfängerinformationen,
die unter Bedingungen erfaßt
werden, bei denen ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis relativ
klein ist.
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Eine genaue Bestimmung des Pfades
einer Vorrichtung über
eine Oberfläche
ist bei einer Vielzahl von Anwendungen wichtig. Wenn zum Beispiel eine
getreue Darstellung eines Bildes eines abgetasteten Originals erfaßt werden
soll, muß es
genaue Informationen hinsichtlich der Bewegung der Abtastvorrichtung
entlang des Originals geben. Üblicherweise
ist das erfaßte
Bild, das durch eine Abtastvorrichtung bereitgestellt wird, ein
Pixeldatenarray, das in einem Speicher in einem digitalen Format
gespeichert ist. Ein verzerrungsfreies Bild erfordert eine getreue
Abbildung des Originalbildes auf das Pixeldatenarray.
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Das U.S.-Patent Nr. 5, 149, 980 von
Ertel u. a., das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zugewiesen
ist, beschreibt die Verwendung einer Kreuzkorrelationsfunktion zur
Bestimmung der relativen Bewegung zwischen einem Original und einem Array
von Photoelementen in einer bestimmten Richtung. Das Patent bemerkt,
daß der
eindimensionale Ansatz erweitert werden kann, um den Vektor einer zweidimensionalen
relativen Bewegung zwischen dem Original und dem Array zu bestimmen,
um so eine Translation, Drehung und Skalierung in einer zweidimensionalen
Ebene zu verfolgen.
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Das Patent von Ertel u. a. beschreibt
die Verwendung eines optischen Sensorarrays zum Sammeln einer „Signatur"
eines Originals. Diese Signatur kann durch ein Beleuchten und eine
Bilderzeugung der Oberflächentextur
oder anderer optischer Charakteristika des Originals bereitgestellt
werden.
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Die Lichtintensität variiert auf einer Pixel-um-Pixel-Basis
mit Schwankungen einer Oberflächentextur.
Durch ein Kreuzkorrelieren von Bildern der Oberfläche des
Originals kann eine relative Bewegung zwischen dem Array und dem
Original festgestellt werden.
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Ein wesentliches Element des Entwurfs
eines Systems, wie zum Beispiel des Systems, das durch Ertel u.
a. beschrieben ist, ist ein Schaltungsaufbau, um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis jedes
Photoelementes ausreichend hoch beizubehalten, um zuverlässig die
Signatur des Originals zu bestimmen. Wenn das Signal der Unterschied
des Reflexionsvermögens
von Pixel zu Pixel als ein Ergebnis leichter Schwankungen einer
Papiertextur eines weißen
Papiers ist, kann die Schwankung des Reflexionsvermögens u.
U. nur in etwa sechs Prozent sein. Die Gesamtauflösungsziele übertragen
sich in ein relativ niedriges Signal-zu-Rauschen-Verhältnis für jedes
Photoelement, wobei das erwünschte
Signal die kleine Veränderung
des Reflexionsvermögens
des Mediums von Interesse ist und der dominante Rauschausdruck ein
Schrotrauschen der Photodiode als ein Ergebnis des festen Abschnitts
des Reflexionsvermögens
ist. Das verrauschte Signal muß ein
Signal mit einer Papierreflexionsvermögensschwankung von weniger
als sechs Prozent sein, wenn Nutzinformationen erhalten werden sollen.
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Eine photoelektrische Umwandlungsschaltung,
die entworfen ist, um eine Signalempfindlichkeit zu erhöhen, ist
in dem U.S.-Patent Nr. 4,638,152 von Takada beschrieben. Die Schaltung
verwendet eine Urladungsnegativrückkopplung,
um die Auswirkungen der parasitären
Kapazität
einer Photodiode auf den Betrieb der Schaltung zu reduzieren. Die
Photodiode ist mit dem Gateeingang eines Feldeffekttransistors (FET)
verbunden, der einen Ausgang zu einem invertierenden Verstärker liefert.
Der invertierte Ausgang des Verstärkers ist wieder zurück zu dem Gateeingang
des FET durch einen Rückkopplungswiderstand
gekoppelt. Während
diese Rückkopplungsanordnung
zu dem Gateeingang eine Schaltungsleistung durch ein Reduzieren
der Ausgangsimpedanz des FET verbessert, wird ein Schaltungsaufbau
benötigt,
der eine zuverlässige
Verwendung eines Photoelementsignals in Anwendungen erlaubt, in denen
kleine Lichtintensitätsunterschiede
als Anwendungsinformationen verwendet werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Servoschaltung gemäß Anspruch
1 geliefert.
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Eine Servoschaltung wird in Kombination
mit einem Photoelement verwendet, so daß das Photoelement besser geeignet
für einen
Betrieb bei niedrigen Lichtpegeln und einen Betrieb bei Anwendungen ist,
bei denen kleine Lichtintensitätsunterschiede
die zu verarbeitenden Daten definieren. Das Photoelement umfaßt eine
Verstärkungsvorrichtung
und einen Photorezeptor. Die Servoschaltung stabilisiert den Spannungspegel
an einem Basisknoten des Photoelementes durch ein Bilden einer Rückkopplungsschleife,
die eine stabilisierende Spannungsschwankung an einen Emitterknoten
des Photoelementes als ein Antwort auf eine Spannungsschwankung
an dem Basisknoten anlegt.
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Die Servoschaltung ist eine negative
Rückkopplungsschaltung,
bei der eine Spannungsschwankung an dem Basisknoten des Phototransistors
in eine inverse Spannungsschwankung an dem Emitterknoten umgewandelt
wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Basisknoten mit einem Gate eines ersten Transistors verbunden.
Ein Drain des ersten Transistors ist mit einer Quelle des konstanten
Stroms, wie zum Beispiel einem Transistor, der eine hohe Impedanz
aufstellt, verbunden. Das Drain des Transistors ist außerdem mit
einem Gate eines zweiten Transistors verbunden, der als ein Source-Folger
für diesen
Betrieb fungiert. Die Source des zweiten Transistors ist mit dem
Emitterknoten des Phototransistors verbunden, während das Drain selektiv mit
einer festen Spannungsquelle über
einen Rücksetzschalter
ver- bunden ist.
Während
dies nicht wesentlich ist, kann der Rücksetzschalter ein p-Kanal-Transistor
sein.
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Ein integrierter Kondensator kann
von dem Kollektor des Phototransistors zu dem Drain des zweiten
Transistors verbunden sein. Wenn ein Photostrom durch den Empfang
von Licht erzeugt wird, wird der Integrationskondensator geladen.
Der Integrationskondensator ist selektiv mit einer Leseleitung zur
Ausgabe durch einen Übertragungsverstärker verbunden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Übertragungsverstärker sequentiell
mit Integrationskondensatoren einer Spalte von Photoelementen verbunden,
so daß ein
einzelner Übertragungsverstärker eine
gesamte Spalte von Photoelementen bedient.
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Das Vorliegen der Servoschaltung
stellt ein wirksames Laden des Integrationskondensators eines bestimmten
Photoelementes sicher. Der erste Transistor überwacht die Spannung an dem
Basisknoten des Phototransistors. Wenn bewirkt wird, daß die Spannung
an dem Basisknoten ansteigt, wird der Anstieg an das Gate des zweiten
Transistors angelegt, der als ein Source-Folger wirkt, um die Ladung an
den Emitterknoten anzulegen. Da es keine Gleichstromlastbeschränkung hinsichtlich
der Basis des Phototransistors gibt, wird die Auswirkung zu dem Basisknoten
weitergeleitet.
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Der relativ hohe Prozentsatz einer
Photoempfängerfläche zur
Gesamtfläche
wird durch Beiträge
von einer Anzahl von Faktoren erzielt. Ein beitragender Faktor ist
der Entwurf der Servoschaltung, die Basisspannung unter Verwendung
einer relativ kleinen Anzahl von Komponenten zu stabilisieren. Ein
weiterer beitragender Faktor ist die Verwendung eines Übertragungsverstärkers zur
Bedienung einer gesamten Spalte von Photoelementen. Ein weiterer beitragender
Faktor ist die Bildung von Photoelementpaaren, um eine wirksame
gemeinsame Verwendung gemeinsamer Schaltungspfade zu ermöglichen,
wie zum Beispiel der Leseleitung zu dem Übertragungsverstärker. Jedes
Photoelementpaar umfaßt separate
Photo empfangsflächen
und umfaßt
einen Operationsschaltungsaufbau zwischen den Photoempfangsflächen. Der
Unterschied bei einem Ausgangssignal zwischen benachbarten Photoelementen
ist das Signal von Interesse. Deshalb können die Schaltvorrichtungen
zum Lesen einzelner Integrationskondensatoren ohne einen Ladungsinjektions-Ausgleichsschaltungsaufbau
betrieben werden, da die Injektionsauswirkungen von einem Photoelement
mit dem benachbarten Photoelementen übereinstimmen und sich aus
dem Differenzsignal heraussubtrahieren.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß die
Servoschaltung eines Photoelementes den Vorspannungspunkt auf der
Phototransistorbasis beibehält,
so daß der
lichtinduzierte Strom wirksam an den geeigneten Integrationskondensator
geliefert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein hoher
Prozentsatz der Photoempfangsfläche
erzielt wird. Ein Substrat-PNP-Transistor wird verwendet, um die Strompegel
von einer Photodiode zu verbessern, so daß der Integrationskondensator
ausreichend groß sein
kann, um von Photoelement zu Photoelement reproduzierbar zu sein.
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Die Erfindung wird Bezug nehmend
auf exemplarische Ausführungsbeispiele
derselben beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Handabtastvorrichtung, die einen
mäanderförmigen Pfad
auf einem Original folgt.
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2 ist
eine Unteransicht von Bilderzeugungs- und Navigationssensoren der
Abtastvorrichtung aus 1.
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3 ist
eine Photoelementschaltung, die eine negative Rückkopplungsschleife aufweist,
gemäß der Erfindung.
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines Photoelementpaars gemäß der Erfindung.
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5 ist
ein Zeitgebungsdiagramm für
die Schaltung aus 4.
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6 ist
ein Schaltungsentwurf für
die Schaltung aus 4.
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7 ist
eine Vergrößerung eines
Abschnitts der Schaltung aus 6.
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Bezug nehmend auf 1 ist eine tragbare Handabtastvorrichtung 10 gezeigt,
die einem mäanderförmigen Pfad 12 entlang
eines Originals 14 folgt. Das Original kann ein Stück Papier
sein, wobei die Erfindung jedoch auch mit anderen bildtragenden Substraten
verwendet werden kann. Bei der Verwendung der Handabtastvorrichtung
können
die Positionen inhärenter
Strukturmerkmale, wie zum Beispiel Papierfasern, verfolgt werden
und die resultierenden Positionsinformationen können verwendet werden, um Bilddaten
zu verbessern. Die Erfindung kann jedoch bei anderen Anwendungen
verwendet werden.
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Die Abtastvorrichtung 10 ist
vorzugsweise in sich abgeschlossen und batteriebetrieben. Die Vorrichtung
kann jedoch eine Verbindung zu einer externen Leistungsquelle oder
zu Datentoren von Computern oder Netzen umfassen. Die Abtastvorrichtung umfaßt eine
Bildanzeige 16. Die Anzeige kann eine fast unmittelbare
Betrachtung eines erfaßten
Bildes liefern. Die Anzeige ist nicht wesentlich.
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Die Abtastvorrichtung 10 ermöglicht drei Freiheitsgrade,
wobei zwei bei einer Umwandlung und einer bei einer Drehung ist.
Der erste Grad ist die Seite-zu-Seite-Bewegung (X-Achsenbewegung) entlang
des Originals 14. Der zweite Freiheitsgrad ist eine Bewegung
nach oben und nach unten entlang des Originals (Y-Achsenbewegung).
Der dritte Frei heitsgrad ist die Fähigkeit, die Vorrichtung mit
einer Drehfehlausrichtung eines linearen Arrays von Bildsensorelementen
hinsichtlich der Kante des Originals 14 (θ-Achsenbewegung) zu
betreiben. Dies bedeutet, das das lineare Array von Bilderzeugungselementen
einen Angriffswinkel aufweisen kann, der nicht senkrecht zu der
Richtung der Vorrichtungstranslierung ist.
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 umfaßt die Unterseite 18 der
Abtastvorrichtung 10 ein Schwenkbauteil 20, das
eine Beibehaltung eines ordnungsgemäßen Kontaktes zwischen dem
Original 14 und einem Bilderzeugungssensor 22 unterstützt. Navigationssensoren 24 und 26 sind
an den entgegengesetzten Enden des Bilderzeugungssensors angeordnet.
Da die Navigationssensoren an dem Schwenkbauteil befestigt sind,
sind die Navigationssensoren an einem festen Ort hinsichtlich des
Bilderzeugungssensors.
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Aus Gründen einer physischen Kompaktheit ist
der Bilderzeugungssensor 22 vorzugsweise eine Kontaktbildvorrichtung,
wobei jedoch für
Anwendungen, bei denen eine Kompaktheit weniger von Bedeutung ist
oder ein kleineres Bild erwünscht
wird, Sensoren, die Projektionsoptiken verwendet, eingesetzt werden
können,
und zwar mit einer Vergrößerung von
weniger als einer Einheit. Kontaktbilderzeugungsvorrichtungen verwenden üblicherweise
Linsen, die unter dem Markennamen SELFOC verkauft werden, was eine
landesweit registrierte Marke von Nippon Sheet Glass Company Limited
ist. Weniger häufig
kann eine Kontaktbilderzeugung unter Verwendung von verschachtelten
Arrayelementen von Quellen und proximalen Sensoren ohne jegliche
Bilderzeugungslinsen erhalten werden. Herkömmliche Bilderzeugungssensoren
zum Abtasten von Anwendungen können
verwendet werden. Der Bilderzeugungssensor kann ein Teil einer Einheit
sein, die auch eine Beleuchtungsquelle, Beleuchtungsoptiken und
Bildübertragungsoptiken
umfaßt.
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In 1 ist
der mäanderförmige Pfad 12 gezeigt,
um vier Bänder
und einen Bruchteil eines Bandes, das heißt Seitezu-Seite-Durchgänge über das Original 14,
zu haben. Ein nützlicher
Bilderzeugungssensor 22 für die meisten Anwendungen weist
eine Länge
innerhalb des Bereichs von 25 mm bis 100 mm auf. Die Bänder sollten
Regionen einer Überlappung
umfassen, so daß ein
Stepprozeß verwendet werden
kann, um eine getreue Darstellung des abgetasteten Originals zu
erzeugen.
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Die Abtastvorrichtung 10 umfaßt zumindest einen
Navigationssensor 24 oder 26. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Vorrichtung ein Paar von Navigationssensoren, wobei die Sensoren
an entgegengesetzten Enden des Bilderzeugungssensors 22 sind.
Während
eindimensionale Arrays von Photoelementen, die orthogonal zueinander befestigt
sind, verwendet werden können,
ist das sehr bevorzugte Ausführungsbeispiel
eines, bei dem jeder Navigationssensor ein zweidimensionales Array
von Elementen ist. Die Navigationssensoren 24 und 26 werden
verwendet, um eine Bewegung der Abtastvorrichtung 10 hinsichtlich
des Originals zu verfolgen.
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Jeder Navigationssensor ist ein Array
von Photoelementen, das auf einem integrierten Schaltungssubstrat
gebildet ist, das einen Auslese- und Signalσerarbeitungsschaltungsaufbau
umfaßt.
Die Positionsgenauigkeit, die über
den Bereich einer Pixelentfernung von 40 μm benötigt wird, beträgt 2,0 μm. Die sehr
hohe Positionsgenauigkeit erfordert einzelne Photoelemente, die
nicht größer als
einige zehn Mikrometer in der Länge
sind, um ausreichend unterschiedliche Signale von Element zu Element
zu erfassen. Bei dem bevorzugen Ausführungsbeispiel beträgt die erwünschte Pixelgröße auf dem
Papieroriginal 14 40 μm
und eine Vergrößerung von
1,5 wird durch die Bilderzeugungsoptiken erzielt, so daß die Photorezeptorelemente
der Navigationssensoren 24 und 26 60 μm × 60 μm sind. Jeder
Navigationssensor kann ein Array sein, das 64 Spalten und 32 Zeilen aufweist.
Keine dieser Anzahlen ist jedoch wesentlich für die Erfindung.
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Bei der Operation der Navigationssensoren 24 und 26 ist
das erwünschte
Signal die Differenz eines Reflexionsvermögens von Pixel zu Pixel, bewirkt durch
Schwankungen entlang der Oberfläche
des Originals 14. Wenn Oberflächenschwankungen Schwankungen
einer Papiertextur entlang eines weißen Papiers sind, kann das
Reflexionsvermögen
u. U. um nur in etwa sechs Prozent des zugrundeliegenden Reflexionsvermögens des
weißen
Papiers variieren. Die Gesamtauflösungsziele würden dann
in ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis
von in etwa zwei für
jedes Photoelement umgewandelt werden. Die dominante Rauschausdruck
ist das Schrotrauschen des Photoelementsignals, das durch den festen
Abschnitt des Reflexionsvermögens
bewirkt wird. Das Rauschsignal muß kleiner als die sechsprozentige Papierreflexionsvermögensschwankung
sein, wenn die Navigation bestimmt werden soll. Die vorliegende Erfindung
adressiert das Problem durch ein Bereitstellen einer Servoschaltung
zum Stabilisieren des Spannungspegels an dem Basisknoten jedes Photoelementes
und durch ein Einstellen eines hohen Prozentsatzes von Photorezeptorfläche zur
Gesamtfläche
eines Navigationssensors 24 und 26.
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer Photoelementschaltung. 4 ist ein detaillierteres Schaltungsdiagramm
eines Photoelementpaares. Einfallendes Licht wird in einen Strom
umgewandelt, der während
einer Abtastperiode integriert wird. Der gespeicherte Wert wird
periodisch ausgelesen, so daß er
für einen
nächsten
Schritt in einer Verarbeitungssequenz verfügbar ist. Zu Beginn eines Integrationszyklus
wird ein Rücksetzschalter 28
"ein"-geschaltet, um einen Integrationskondensator 30 auf 3,25
Volt rückzusetzen.
Wie in 4 gezeigt ist,
ist der Rücksetzschalter 28 ein
p-Kanal-Transistor, der „ein"-geschaltet
wird, indem ein logischer Niedrigzustand an das Gate des Transistors über eine
erste Rücksetzleitung 32 angelegt
wird. Ein Pho tostrom, der mittels einer Photodiode 34 erzeugt
wird, wird durch einen PNP-Transistor 36 verstärkt. Die
Photodiode und der Transistor, gemeinsam mit einer parasitären Kapazität 38,
definieren ein Photoelement 40. Der verstärkte Photostrom
lädt den
Integrationskondensator 30 nach unten in Richtung eines
Pegels von 1,75 Volt. An dem Ende der Abtastperiode wird ein Leseschalter 42 „ein"-geschaltet,
um den gespeicherten Wert entlang einer Leseleitung 44 zu
einem Übertragungsverstärker 46 auszugeben.
Wie in 4 gezeigt ist,
ist der Leseschalter ein n-Kanal-Transistor, der durch eine Lesesteuerungsleitung 48 gesteuert
wird.
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Die Photodiode 34 des Photoelementes 40 erzeugt
einen Strom ansprechend auf einen Empfang von Lichtphotonen. Die
Photodiode ist mit der Basis des PNP-Transistors 36 verbunden.
Die Rückwärtsvorspannungsdiodenkapazität 38 ist
eine parasitäre
Kapazität,
die 0,16 pF sein kann. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
bei dem es ein 32 × 64-Elemente-Array gibt,
wurde die optische Leistung auf der Photodiode auf 1,1 nW bestimmt. Dies
bewirkt einen Strom von 0,6 nA in der Diodenstromquelle. Aufgrund
des niedrigen Strompegels wird eine Verstärkung benötigt, um sicherzustellen, daß das optische
Schwankungssignal, das nur in etwa sechs Prozent des konstanten
Photostroms ist, ausreichende Spannungsdifferenzen, die von Rauschen
unterschieden werden können,
erzeugt.
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Der PNP-Transistor 36 des
Photoelementes 40 verstärkt
den Photostrom. Die durch den Transistor bereitgestellte Verstärkung ermöglicht die
Verwendung eines Integrationskondensators 30, der eine
Reproduzierbarkeit von Photoelement zu Photoelement ermöglicht.
In Abwesenheit einer Verstärkung
würde der
geringe Strom von der Photodiode 34 einen sehr kleinen
Kondensator als einen Integrator erfordern, um einen Zwei-Volt-Umschwung,
zum Beispiel 10 fF, zu erhalten. Aufgrund der Störwerte wäre dies
schwierig auf einer Element-zu-Element-Basis zu reproduzieren. Ein
Verändern
des Photoelemententwurfs von einer Diode zu einer Substrat-PNP- Vorrichtung ist eine
bequeme Weise zum Bereitstellen einer Stromverstärkung. Ein Beta-Wert von achtzehn erhöht den Ausgangsemitterstrom
auf 11, 4 nA. So kann ein Integrationskondensator von 0,20 pF verwendet
werden. Dies ermöglicht
eine Reproduzierbarkeit, ist jedoch nicht so groß, daß eine übermäßige Fläche benötigt wird.
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Ein Belang der Schaltung aus 3 besteht darin, daß eine direkte
Beta-Abhängigkeit
in die Ausgangsstrombestimmung eingeführt wird und deshalb die Integrationskondensatorspannung.
Ein Testen hat jedoch gezeigt, daß eine Übereinstimmung der Vorrichtungen
von Einheit zu Einheit gut ist, so daß die Auswirkungen der Beta-Abhängigkeit
gering sein sollten.
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Eine Servoschaltung wird durch drei MO5-Transistoren 50, 52 und 54 gebildet.
Die drei MOS-Transistoren bilden einen Vorspannungspunktverstärker mit
einer gemeinsamen Gate-Stufe
für den Ausgang
des Phototransistors 36. Um eine ordnungsgemäße Übertragung
des in dem Photoelement 40 erzeugten Stroms zu dem Integrationskondensator 30 zu
erzielen, muß die
Photodiodenumkehrspannung (d. h. die Transistorbasisspannung) auf
einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten werden. Wenn die
Spannung an dem Basisknoten 56 sich verändern dürfte, würde der Photostrom zumindest
teilweise beim Laden und Entladen der Diodenkapazität 38 verbraucht
werden, anstatt bei einem Bereitstellen eines Stroms, der durch
den Substrat-PNP-Transistor 36 verstärkt werden soll.
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Die Transistorbasisspannung an dem
Knoten 56 wird durch die drei MOS-Transistoren 50, 52 und 54 auf
einem im wesentlichen festen Pegel gehalten. Während es nicht wesentlich ist,
die erwünschte
Operation zu erzielen, ist bei dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 der im wesentlichen feste Spannungspegel
in etwa gleich dem NMOS-Schwellenpegel oberhalb von AVSS an dem Kollektorknoten 58.
Die drei MOS-Transistoren
wirken als eine negative Rückkopplungsschleife mittels des
Transistors 52, der als ein Source-Folger zu dem Emitterknotens 62 des
PNP-Transistors wirkt. So wird die Basisspannung durch die Emitterspannung des
Transistors gesteuert. Dies ist möglich, da die Basisspannung,
das heißt
das Photodiodenausgangssignal, einen sehr hohen Gleichstrom-Impedanzpegel
aufweist. Die Vorspannungstechnik der Emittersteuerung funktionierte
während
des Testens wirksam. Aus der Ausgangsperspektive ist der Transistor 52 eine
gemeinsame Gate-Stufe, die einen hinzugefügten Vorteil eines Bereitstellens
einer zusätzlichen
Trennung des Emitterknotens 62 und des Basisknotens 56 des
Transistors von dem Spannungshub eines PHTO1-Knotens 64 aufweist.
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Bezug nehmend auf die 3, 4 und 5 wird die
Ausgangsspannung an dem PHTO1-Knoten 64 für einige
Zeit bei 3,25 Volt, das heißt
VBB1, gehalten. Der Rücksetzumschalttransistor 28 legt
die 3,25 Volt fest. Wenn der Umschalttransistor elektrisch „an" ist,
wird der CGNl-Knoten 66 bei etwa 2,6 Volt gehalten und
der Emitterknoten 62 wird bei etwa 1,4 Volt gehalten. Die
Basisspannung an dem Knoten 56 ist nahe bei 1,0 Volt.
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Wenn die Lichtquelle, die das Medium
von Interesse beleuchtet, „ein"-geschaltet
ist, wird ein Photostrom von etwa 0,6 nA von der Basis des Transistors 36 zu
dem Kollektorknoten 58 festgelegt, der mit AVSS verbunden
ist. Bei 7,0 μsek
von dem Beginn der Sequenz wird bewirkt, daß das Rücksetzsignal an der ersten
Rücksetzleitung 32,
d. h. RST1B, zu einem logischen Hochzustand geht, wodurch der Rücksetzschalter 28 „aus"-geschaltet
wird. Als ein Ergebnis fällt
das Ausgangssignal an dem PHTO1-Knoten 64 nach unten auf
eine lineare Weise ab, wenn der Strom des Emitters des Phototransistors 36 von
einer Kapazitivstruktur, die durch die Gate-zu-Kanal-Kapazität eines ersten n-Kanal-Transistors 68 parallel
zu einem zweiten n-Kanal-Transistor 70 gebildet wird, gezogen
wird. Der Bereich einer Spannung von Interesse reicht von 3,25 Volt
bis 1,75 Volt. Folglich werden die Gates des ersten und des zweiten
n-Kanal-Transistors 68 und
70 ausreichend hoch
gehalten, daß die
Gate-zu-Kanal-Kapazität der Vorrichtungen
oberhalb des Schwellenpegels der Vorrichtungen ist.
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Während
der Integrationszeit, in der der Rücksetzschalter 28 „aus" ist,
bleibt die Spannung an dem Emitterknoten 62 und dem Basisknoten 56 durch
die oben beschriebene negative Rückkopplungsschleife
stabilisiert. Die Spannung an dem Basisknoten bleibt innerhalb eines
Bereichs von in etwa 2 mv.
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Nach in etwa 20 Mikrosekunden einer
Integrationszeit wird der Leseschalter 42 mit einem positiv
gehenden Gatepuls zu dem Transistor 42 mittels der Lesesteuerungsleitung 48 „ein"-geschaltet.
Dieser positive Gatepuls dauert in etwa 200 ns. Die Operation des Übertragungsverstärkers 46 zieht
den PHTO1-Knoten herunter auf 1,75 Volt. Dies erzielt die Übertragung
des Signals zu dem Kondensator 72 in dem Übertragungsverstärker. Zum
Abschluß des Übertragungsprozesses
wird bewirkt, daß die
Lesesteuerungsleitung 48 zu einem logischen Niedrigzustand
zurückkehrt,
wobei ebenfalls bewirkt wird, daß die erste Rücksetzleitung 32 zu
einem Niedrigzustand geht. Dies schaltet den Rücksetzschalter 28 „ein",
was den PHTO1-Knoten 64 wieder auf 3,25 Volt hochzieht.
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Bezug nehmend auf die 4 und 6 ist jeder oben beschriebene Navigationssensor
ein Array von Elementen, das in Photoelementpaaren ausgelegt ist.
Zwei Einheiten von 60 μm
x 60 μm
sind gemeinsam hergestellt, so daß mehrere gemeinsame Signale
zwischen den beiden Einheiten gemeinschaftlich verwendet werden
können.
Dies reduziert die für
eine Verbindung benötigte
Flächenmenge.
Folglich kann die Photoelementlichtempfangsfläche erhöht werden. Die Lichtempfangsfläche zum
Beispiel 40 Prozent der Gesamtfläche betragen. Die Verwendung
eines minimalen Umschalt- und Servoverstärkerschaltungsaufbaus liefert
den hohen „Füllfaktor"
relativ zu früheren
Photodiodenanalogverarbeitungskombinations-Ansätzen.
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In 6 ist
die Photodioden- oder Basisregion jedes Phototransistors aus einer
n-Wannendiffusion in ein p-Substrat gebildet. Die n-Wannenregion
ist durch unterbrochene Linien 74 und 76 in der
Darstellung aus 6 abgegrenzt.
Die Kombination der relativ schwach dotierten n-Wannenregion über einer p-Epitaxischicht
liefert erwünschte
Photoantwortcharakteristika. Bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm betrug
die Quantenausbeute in etwa 87,8 Prozent. Ein Ziel des Entwurfs
besteht darin, die n-Wanne relativ zu der Gesamtfläche zu maximieren,
so daß ein hoher
Prozentsatz des Lichtes, das auf die Gesamtfläche scheint, in einen Photostrom
umgewandelt wird.
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Zwei Typen von Kontakten zu den n-Wannenregionen,
die durch die gestrichelten Linien 74 und 76 identifiziert
sind, werden verwendet. Die n-Inselstreifen 78 und 80 stellen
einen Kontakt zu der n-Wannenregion jedes Photoelementes her, um
Kathoden der Photodioden zu bilden. Diese sind auch die Basiskontakte
für die
Substrat-PNP-Transistoren. Der n-Wannezu-Substrat-Übergang
jedes Photoelementes bildet den Basiszu-Kollektor-Übergang
des Phototransistors. Abwechselnd mit diesen Kontakten sind die
p-Inselstreifen 82 und 84. Die p-Streifen definieren
die Emitterkontakte für
die Phototransistoren, was Übergänge mit
den n-Wannenregionen erzeugt, die durch die gestrichelten Linien
74 und 76 identifiziert sind. Für
jedes der beiden Photoelemente erstreckt sich eine Basismetalleitung 86 und 88 zu
einer Lesesteuerungsleitung 48 und 90, die schematisch
in 4 dargestellt sind.
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Nur die Abschnitte der n-Wannenregionen 74 und 76,
die keine Kontakte umfassen, sollten Licht ausgesetzt werden. Ferner
sollte der andere Schaltungsaufbau aus 6 keinem Licht ausgesetzt werden. Deshalb
kann eine Metallschicht verwendet werden, um die notwendige Lichtabschirmung
von Fläche
zu schaffen, die nicht Licht ausgesetzt werden sollen.
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7 ist
eine vergrößerte Zeichnung
des Abschnitts des Schaltungsaufbaus aus 4, der zwischen dem Paar von Lichtempfangsflächen aus 6 zu finden ist. Die 4 und 7 vergleichend umfaßt die Region zwischen den
beiden Lichtempfangsflächen
ein Paar von Rücksetzvorrichtungen 28 und 92,
die jeweils mit einer Rücksetzleitung 32 und 94 und
mit PHTO1-Knoten 64 und 96 verbunden sind. Die
Mittelregion umfaßt
außerdem
die MOS-Transistoren 54 und 92, die die Hochimpedanzbedingung
und eine konstante Stromquelle liefern, die benötigt wird, um jede der negativen
Rückkopplungsschleifen
zu betreiben, wie oben beschrieben ist. Tatsächlich sind nur die Verstärkungstransistoren 50 und 100,
die gemeinsame Gate-Stufe und einer der Transistoren 68 und 70,
die die Speicherkapazität definieren,
außerhalb
der Mittelregion zu finden (in 4 sind
die Speicherkapazitivtransistoren für das zweite Photoelement 102 durch
die Bezugszeichen 104 und 106 identifiziert).
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Bei vielen Anwendungen, die CMOS-Schalter
verwenden, gibt es eine Anforderung nach Ladungsinjektionsausgleichsvorrichtungen
in Kombination mit den Umschaltanforderungen für die Schaltung der 4 und 6. Der Belang ist der, daß die Umschaltaktivität durchgekoppelt
wird und kleine Schrittfehler bewirkt. Ein Ladungsinjektionsausgleichsschaltungsaufbau
wird üblicherweise
verwendet, um derartige Fehler zu vermeiden. Der zusätzliche Schaltungsaufbau
jedoch weist einen Flächenmehraufwand
auf. Bei der vorliegenden Anwendung reduziert der Flächenmehraufwand
den Prozentsatz von Lichtempfangsfläche zur Gesamtfläche. Durch
ein Bereitstellen von Photoelementpaaren und ein Herstellen des
Schaltungsaufbaus auf die Weise, die in den 6 und 7 gezeigt
ist, können
Ladungsausgleichsvorrichtungen beseitigt werden. Da der Betrieb
des Schaltungsaufbaus von der unterschiedlichen Natur der Signalausgänge abhängt, sollte
der Vergleich benachbarter Einheiten zum Sehen nach Differenzen
eine Subtraktion erster Ordnung von Ladungsinjektionsauswirkungen
liefern.
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Ein weiterer Faktor beim Erhöhen des
Prozentsatzes von lichtempfangener Fläche ist die Verwendung eines
einzelnen Übertragungsverstärkers für eine gesamte
Spalte von Photoelementen. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
gibt es zweiunddreißig
Zeilen und vierundsechzig Spalten von Photoelementen. Jede Zeile
besteht aus sechzehn Photoelementpaaren. An dem unteren Ende jeder
Spalte befindet sich ein Übertragungselement,
zum Beispiel das Übertragungselement 46 aus 3. Eine Auslese wirkt auf
eine Zeile zu einem Zeitpunkt, d. h. alle Elemente in einer Zeile
werden gleichzeitig mit den vierundsechzig Spaltenübertragungsverstärkern an
dem unteren Ende des Arrays ausgelesen. Nachdem dies vollendet ist
und die Signale zu einem stromabwärts gelegenen Verarbeitungsschaltungsaufbau übertragen
sind, wird die nächste
Zeile von Photoelementen ausgelesen. Um den Betrieb unterzubringen,
wird die Zeitgebung der Integration und Auslese um eine 300 ns-Auslese-und-Neustart-Zeit von
einer Zeile zu der nächsten Zeile
versetzt.
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Die Übertragungsoperation zu einem
nachfolgenden Verarbeitungsschaltungsaufbau ist nicht wesentlich
für die
Erfindung. Trotzdem wird eine Übersicht
des Übertragungsverstärkers 46 aus 3 gegeben. Zwischen Übertragungen
durch den Übertragungsverstärker 46 wird
die Einheit rückgesetzt, wobei
der Integrationskondensator 30 überbrückt wird. Während dieser Zeit wird der
Eingangsknoten bei 1,75 Volt gehalten. Vor einer Rücksetzoperation wird
der Rücksetzschalter
geöffnet.
Dann wird der Leseschalter 42 aus einem ausgewählten Photoelement „ein"-geschaltet.
Dies bewirkt eine positive Störung
bei der Spannung des Eingangs des Übertragungsverstärkers 46,
der mit der Leseleitung 44 verbunden ist (d. h. dem Minuseingang
des Verstärkers). An
der Ausgangsleitung 108 des Übertragungsverstärkers wird
der Ausgang negativ, was eine Ladung durch den Übertragungskondensator von
der Leseleitung zieht. Dies bringt den Spannungspegel auf 1,75 Volt.
Da eine Ladung beibehalten wird, wird die Menge einer Ladung, die
benötigt
wird, um den In tegrationskondensator 30 von seiner letztendlichen Spannung
auf das feste Potential (z. B. 1,75 Volt) des festen Eingangs des Übertragungsverstärkers herunterzubringen,
von dem Integrationskondensator auf den Übertragungskondensator gezogen.