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Dokumentenidentifikation DE68908867T2 05.01.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0379671
Titel Rauschverminderung für Photodiodenanordnungen.
Anmelder Hewlett-Packard Co., Palo Alto, Calif., US
Erfinder Smisko, J. Daniel, Newark, DE, US
Vertreter Schoppe, F., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anw., 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 68908867
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 24.11.1989
EP-Aktenzeichen 891217242
EP-Offenlegungsdatum 01.08.1990
EP date of grant 01.09.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.1994
IPC-Hauptklasse G01J 1/44

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Rauschverminderung bei Photodioden-Anordnungen und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf eine Verbesserung des Verhaltens eines Spektrometers, das einen Detektor mit einer Photodioden-Anordnung verwendet. Bei einem derartigen Spektrometer wird Licht von unterschiedlichen Wellenlängen auf verschiedene Elemente oder Punkte der Photodioden-Anordnung fokussiert. Jeder Punkt besteht aus einer Photodiode und einem zugeordneten Speicherkondensator, der die Verbindungskapazität der Photodiode sein kann, oder ein körperlicher Kondensator sein kann, der in der Photodioden-Anordnung enthalten ist. Der Kondensator wird auf eine Bezugsspannung aufgeladen und dann teilweise entladen, wenn die Photodiode einen Photostrom in Reaktion auf das Lichtsignal leitet. Eine Anzahl von Feldeffekttransistor-(FET)-Übertragungsschaltern sind in Reihe zwischen jedem Punkt und einem Ladungsverstärker geschaltet. Jeder Punkt bzw. Bildpunkt kann der Reihe nach durch Einschalten und damit durch Schließen des zugeordneten Übertragungsschalters ausgelesen werden. Diese Aktion ermöglicht es, daß der Verstärker den zugeordneten Kondensator erneut auf die Bezugsspannung lädt. Die benötigte Ladungsmenge, die erforderlich ist, um den Kondensator auf die Bezugsspannung zu bringen, ist als Bildsignalladung definiert und ist proportional zu der Intensität des Lichtes oder des Bildes, welche auf die Photodiode einfällt. Die Empfindlichkeit, ein Maß der minimalen Größe des Bildsignales oder Lichtsignales, welches erfaßt werden kann, ist ein wesentliches Merkmal von Spektrometern, die in Atomemissionsdetektoren verwendet werden. Um das interessierende Signal zu überwachen, wird eine Photodioden-Anordnung verwendet, um optische Emissionen in ein elektronisches Signal umzuwandeln. Bei dieser Betriebsweise kann das durch die Photodioden-Anordnung erzeugte elektronische Rauschen schwache Signale zudecken. Die Erfindung vermindert dieses Rauschen und verbessert damit die Gesamtempfindlichkeit des Spektrometers oder eines anderen Gerätes, welches die Erfindung verwendet.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Photodioden-Anordnung 5, welche an einen Ladungsverstärker 20 angeschlossen ist. Eine Seite eines jeden Photodioden-Kondensator-Paares ist an einen gemeinsamen Knoten 6 angeschlossen. Das serielle Auslesen einer Ladungsspannung über jede Photodiode 13 in der Photodioden-Anordnung 5 wird durch ein digitales Schieberegister (nicht dargestellt) bewirkt, welches an die Übertragungsschalter 16 (Q&sub1; - Qn) angeschlossen ist. Die Betriebsweise dieser Schaltung ist folgende:

1. Nach Vervollständigung des vorhergehenden Auslesezyklus wird jeder Bildpunktkondensator 14 (C&sub1; - Cn) auf eine Bezugsspannung Vd aufgeladen. Ein derartiger Ladevorgang wird durch die Wirkung des Operationsverstärkers 23 ausgeführt, während die Bezugsspannung zwischen dessen nicht-invertierenden Eingang und den gemeinsamen Knoten der Photodioden-Anordnung aufrecht erhalten wird.

2. Nachdem die Bildpunktkondensatoren 14 geladen worden sind, wird der Übertragungsschalter 16 geöffnet, so daß die Photodiode 13 und der Bildpunktkondensator 14 von dem Operationsverstärker 23 für eine vorgegebene Zeitdauer getrennt werden. Ein optisches Signal oder Lichtsignal 8 wird in ein Bildsignal durch die zugeordnete Photodiode umgewandelt und auf den Bildpunktkondensatoren C&sub1;,..., Cn integriert, wodurch jeder Kondensator um eine Ladungsmenge entladen wird, die die Intensität des optischen Signals oder Lichtsignals 8 darstellt. Die Ladungsmenge, die entfernt worden ist, wird als die "Bildsignalladung" definiert. Der Term "Bildsignal" bedeutet keine Beschränkung der Bedeutung des Wortes "Signal" auf etwas, welches optischen Signalen entspricht, die von ihrer Natur her bildmäßig sind. Im Gegensatz hierzu bezeichnet der Begriff "Bildsignal" ein Signal, welches eine Darstellung der Lichtintensität des entsprechenden optischen Signales und allgemein proportional hierzu ist. Dieses optische Signal kann entweder bildmäßig sein, wie dies in einer Kamera der Fall ist, oder spektral sein, wie dies in einem Spektrometer der Fall ist, oder von einer anderen Art sein. Die Ladungsmenge, die entfernt wird, wird als die "Bildsignalladung" definiert.

3. Übertragungsschalter 16 (Q&sub1; - Qn) werden verwendet, um der Reihe nach die Kondensatoren 14 (C&sub1; - Cn) erneut zu laden, indem die Bildsignalladung auf den invertierenden Eingangsknoten 99 des Operationsverstärkers übertragen wird. Der Operationsverstärker bewirkt die Aufrechterhaltung der Spannung an dem invertierenden Eingangsknoten 99 entsprechend der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang, indem die Spannung an dem Ausgangsknoten 97 geändert wird, bis die Spannung an dem Eingangsknoten 99 der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang gleicht. In dieser Schaltung gleicht der nicht-invertierende Eingang und damit der invertierende Eingang der Masse. Daher wird der invertierende Eingang allgemein als virtuelle Masse bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt wird die gesamte Bildsignalladung auf dem Rückkopplungskondensator 22 (Cf) gehalten, während keine Ladung auf dem Kondensator 24 (Ca) gespeichert ist, wobei die Spannung an dem Ausgangsknoten 97 proportional zu der Bildsignalladung ist. Jeder Bildpunkt kann der Reihe nach auf diese Art ausgelesen werden. Nach dem Auslesen eines jeden Bildpunktes wird der Feldeffekttransistor-Rücksetzschalter 21 (Qf) geschlossen, um den Kondensator 22 (Cf) kurzzuschließen, und anschließend geöffnet, um eine Ladung von dem nächsten Bildpunkt anzunehmen.

4. Weitere Schaltungen (nicht dargestellt) erfassen den Wert der Bildsignalladung und speichern jeden Erfassungswert in einem Computerspeicher für die Verarbeitung ab.

Während der Rücksetzoperation des Operationsverstärkers (Schritt 3) wird die Bandbreite bei geschlossener Regelschleife des Integrationsverstärkers 23 erheblich erhöht. Dies führt zu erhöhten Rauschladungsschwankungen an dem invertierenden Eingangsknoten 99. Diese Schwankungen werden durch das Eingangsspannungsrauschen des Verstärkers sowie durch das thermische Rauschen verursacht, welches durch den Rücksetzschalter 21 erzeugt wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Rücksetzschalter geöffnet wird, wird jegliche Rauschspannung, die an dem invertierenden Eingangsknoten 99 anliegt, auf dem Kondensator 22 (Cf) "eingefroren"

Eine bekannte Technik zur Verminderung dieses Rauschens wird als "korreliertes Doppelabtasten" bezeichnet und verwendet die in Fig. 2 gezeigte analoge Subtraktionsschaltung 25, welche in Fig. 1 enthalten ist. Diese Schaltung besteht aus einem Reihenkondensator 26 und einem Schalter 27, der das Ausgangsende des Kondensators mit Masse verbindet. Der Schalter 27 wird unmittelbar nach der Rücksetzoperation des Integrationsverstärkers 23 eingeschaltet und unmittelbar vor dem Verbinden des nächsten Bildpunktes mit dem Eingang des Operationsverstärkers 23 ausgeschaltet. Dies führt dazu, daß die Summe der Ladungen des Verstärkereingangsrauschens und des thermischen Rauschens auf dem Kondensator 26 gespeichert werden, wodurch dieser Term von dem Ausgangssignal subtrahiert wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist diese Schaltung mit dem Ausgang des Ladungsverstärkers 20 verbunden. Jedoch ist eine derartige analoge Subtraktionsschaltung nicht für die Erfassung der Lichtsignale in einer Photodioden-Anordnung erforderlich, jedoch verbessert sie deren Verhalten.

Der FET-Übertragungsschalter 16 (Q&sub1;) ist eine weitere Quelle thermischen Rauschens. Dieses Rauschen ist gelegentlich noch größer als das Rauschen des Rücksetzschalters. Unglücklicherweise zielt die Subtraktionstechnik des korrelierten Doppelabtastens nicht auf dieses Problem ab, wodurch die Gesamtempfindlichkeit eines jeglichen Gerätes, welches die Photodioden-Anordnung verwendet, verschlechtert wird.

Insbesondere bewirkt das Schalten des Feldeffekttransistor- Übertragungsschalters bei dem Integrations-Ausleseprozeß die Addition eines Rauschtermes, welcher als "kTC"-Rauschen bezeichnet wird, zu jedem Photodiodenmeßwert. Dieses "kTC"- Rauschen ist eine Art eines thermischen Rauschens, welches durch zufällige Bewegungen der Elektronen in gewissen elektronischen Geräten und insbesondere in Feldeffekttransistoren bewirkt wird, und welches dem Rücksetzen der Photodiodenkapazität auf eine feste Spannung zugeordnet ist. Der Term kTC stammt von der Boltzman'schen Konstante "k", der Temperatur "T" und der Kapazität "C". Tatsächlich entspricht die thermische Rauschladung der Quadratwurzel von k T C, wobei diese technisch als Quadratwurzelrauschladung definiert ist. Jedoch wird diese Rauschladung nachfolgend als "kTC-Rauschen" bezeichnet. Wenn Photodioden-Anordnungen bei niedrigen Lichtpegeln betrieben werden, ist dieses kTC-Rauschen häufig der größte Rauschterm. Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, dieses kTC-Rauschen zu eliminieren.

Die US-A-4,797,561 offenbart ein Verfahren und ein Gerät zum Vermindern des Rauschens an dem Ausgang einer Lichterfassungsschaltung, die eine Nehrzahl von Paaren von Photodioden und Photodiodenkondensatoren aufweist, welche in Parallelschaltung an die Photodioden angeschlossen sind. Jedes Photodioden- und Photodiodenkondensator-Paar kann wahlweise an einen Ladungsverstärker über einen Übertragungsschalter gekoppelt werden. Die Mehrzahl von Paaren von Photodioden und Photodiodenkondensatoren sind in Form einer Anordnung von Reihen und Spalten angeordnet. Zum Vermindern des Gleichtaktrauschens, welches durch die Interferenz des Rauschens aufgrund von Überkreuzungen und Annäherungen von gemeinsamen Elektrodenleitungen und anderen Signalleitungen erzeugt wird, subtrahiert diese bekannte Schaltung zwei Rauschbildsignale von unterschiedlichen Photodioden- und Photodiodenkondensator-Paaren, die zu zwei verschiedenen Leitungen der Anordnung gehören, voneinander. Daher befaßt sich diese Schrift lediglich mit der Verminderung des Gleichtaktrauschens und zielt nicht auf die Verminderung des thermischen Rauschens ab, welches durch jeweilige Übertragungsschalter erzeugt wird. Diese Schrift zum Stand der Technik lehrt das Kurzschließen des Rückkopplungskondensators während des Öffnens des Übertragungsschalters. Daher kann die bekannte Schaltung keinerlei Messungen während des geöffneten Zustandes des Übertragungsschalters ausführen.

Die US-A-4,600,843 offenbart ein weiteres Verfahren und Gerät zum Vermindern des Rauschens an dem Ausgang einer Lichterfassungsschaltung bzw. Lichtsensorschaltung. Die Schaltung umfaßt eine Mehrzahl von Photodioden und zugeordneten Analogschaltern zum Koppeln einer ausgewählten Photodiode an einen einzigen Photodiodenkondensator. Ferner umfaßt die Schaltung eine erste Abtast- und Halte-Schaltung, an die das ausgewählte Photodioden-Photodiodenkondensator- Paar mittels eines einzigen Übertragungsschalters angekoppelt werden kann. Eine weitere Abtast- und Halte-Schaltung kann wahlweise mit dem Ausgang eines Differentialverstärkers über einen weiteren Schalter verbunden werden. Einer der Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers ist mit dem Ausgang der ersten Abtast- und Halte-Schaltung verbunden. Der andere Eingangsanschluß ist mit dem Eingang der ersten Abtast- und Halte-Schaltung verbunden. Ein erstes Rauschsignal wird durch die erste Abtast- und Halte-Schaltung abgetastet und gehalten, nachdem eine der Mehrzahl von Photodioden ausgewählt worden ist, um eine Signalkomponente und eine erste Rauschkomponente zu speichern. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer wird der Analogschalter ein zweites Mal eingeschaltet. Dann wird die Differenz zwischen dem vorher gespeicherten Signal und dem zweiten Rauschsignal durch die zweite Abtast- und Halte-Schaltung abgetastet und gehalten. Daher lehrt diese Schrift lediglich die Ausführung von Messungen der jeweiligen Rauschbildsignale, wenn einer der Analogschalter und der Signalübertragungsschalter gesch lossen sind. Daher gibt diese Schrift keinen Hinweis auf eine Messung bei der Öffnung des Übertragungsschalters oder von einem der Analogschalter.

Ausgehend von dem obigen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern des Rauschens an dem Ausgang einer Lichtsensorschaltung der oben beschriebenen Art zu schaffen, welche eine verbesserte Unterdrückung des unerwünschten Rauschsignales, welches durch den Übertragungsschalter erzeugt wird, schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.

Durch Vermindern des Rauschens können kleinere optische Signale erfaßt werden, wodurch die Gesamtempfindlichkeit der meisten Arten einer Vorrichtung, welche eine Photodioden-Anordnung verwendet, erhöht wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet einen Mikroprozessor, der an eine Photodioden-Anordnung und an einen Ladungsverstärker mit niedriger Bandbreite gekoppelt ist, um das Schalten der Photodioden-Anordnung zu steuern, welche über einen FET-Übertragungsschalter derart an den Ladungsverstärker geschaltet wird, daß Bildsignalladungen und Rauschladungen gemessen und für die Verarbeitung gespeichert werden können. Insbesondere mißt und speichert die Erfindung kTC-Rauschladungen, die durch den Übertragungsschalter erzeugt werden. Durch Erfassen von zwei Auslesewerten für jede Photodiode in der Anordnung ist es möglich, die kTC-Rauschladung derart zu isolieren, daß sie von der Bildsignalladung, welche diesen Rauschterm enthält, subtrahiert werden kann, um ein richtiges Ausgangsbildsignal zu erhalten. In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet das Bildsignal ein Bild, welches eine Darstellung der Lichtintensität des entsprechenden optischen Signales ist und welche im allgemeinen proportional zu dieser Lichtintensität ist. Wie bereits angemerkt, kann dieses optische Signal ein bildartiges Signal sein, wie dies in einer Kamera der Fall ist, oder ein Spektralsignal sein, wie dies in einem Spektrometer der Fall ist, oder ein Signal von anderer Natur sein.

Die Erfindung ist das Ergebnis von drei Entdeckungen, die miteinander zu einer wesentlichen Rauschverminderung führen. Die erste Entdeckung besteht in der Erkenntnis des Erfinders, daß sich die durch den Übertragungsschalter erzeugte kTC-Rauschladung selbständig gleichmäßig, jedoch mit entgegengesetzter Polarität auf den Photodiodenkondensator und den Ladungsverstärker verteilt, wenn der Übertragungsschalter geöffnet wird. Zweitens entdeckte der Erfinder eine Subtraktionstechnik, bei der ein Fehlersignal für eine spätere Subtraktion von einem Bildladungssignal, welches gleichfalls das unerwünschte Rauschen enthält, isoliert und gespeichert werden kann, um auf diese Weise das gewünschte fehlerfreie Bildladungssignal zu schaffen. Drittens entdeckte der Erfinder, daß unter Verwendung eines Verstärkers von niedriger Bandbreite, der nicht auf das hochfrequente Rauschen anspricht, es möglich sein würde, zwei Bildsignalauslesewerte für jede Photodiode während eines jeden Zyklus der Photodioden-Anordnung zu erfassen. Der erste Auslesewert umf aßt sowohl ein erstes Rauschladungssignal als auch ein Bildladungssignal. Der zweite Auslesewert umfaßt sowohl den ersten Auslesewert als auch ein zweites Rauschladungssignal. Der erste Auslesewert wird bei geschlossenem Übertragungsschalter erfaßt. Der zweite Auslesewert wird nach dem anschließenden Öffnen des Übertragungsschalters erfaßt. Während des ersten Auslesens spricht der Verstärker nicht auf das zweite Rauschladungssignal an, da dieses ein hochfreguentes Wechselstromsignal ist, wenn der Schalter geschlossen ist. Nachdem einmal der Übertragungsschalter geöffnet ist, hört das Signal auf, sich schnell zu ändern, woraufhin der zweite Auslesewert erfaßt wird. Daher liegt die Funktion des Verstärkers mit niedriger Bandbreite nicht nur in der Reduktion des Rauschens an dem Ausgang, sondern auch darin, daß der Ladungsverstärker derart auf die Rauschsignale anspricht, daß diese verstärkt, gemessen und subtrahiert werden können.

Diese Entdeckungen stehen sämtlich in Beziehung zueinander. Insbesondere liefert die gleichmäßige Verteilung der kTC- Rauschladung zwei Messungen für diese Rauschladung. Aufgrund der Verwendung des Verstärkers mit niedriger Bandbreite ist es möglich, daß eine wirksame Unterscheidung der Rauschladung und Messung in Gegenwart eines Bildsignales vorgenommen werden kann.

Insbesondere vermindert die Erfindung das Rauschen in einer Lichtsensorschaltung, die wenigstens eine Parallelkombination einer Photodiode und eines Photokondensators als ein Paar oder eine Ersatzschaltung hiervon umfaßt, welche mittels eines Übertragungsschalters an einen Ladungsverstärker von niedriger Bandbreite angeschlossen ist. Eine Reihe von Rauschbildsignalen entsprechend einem Bildsignal, welches die Intensität eines auf die Photodiode einfallenden Lichtes und eines unerwünschten Rauschsignales anzeigt, welches durch den Übertragungsschalter erzeugt wird, können der Reihe nach auf den Ladungsverstärker übertragen werden, indem der Übertragungsschalter geöffnet und geschlossen wird. Die auf diese Weise übertragenen Signale können für die weitere Verarbeitung zum Eliminieren des unerwünschten Rauschens gemessen und gespeichert werden. Die Rauschverminderung kann durch folgende Schritte erzielt werden:

(1) Messen des Ausgangssignales des Ladungsverstärkers ein erstes Mal nach dem Schließen des Übertragungsschalters und ein zweites Mal nach dem Öffnen des Ubertragungsschalters, wobei das unerwünschte Rauschsignal sich gleichmäßig, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, auf beide Seiten des geöffneten Übertragungsschalters verteilt hat;

(2) Subtrahieren des ersten und zweiten Meßwertes, wobei die Differenz dem unerwünschten Rauschsignal entspricht;

(3) Speichern der Differenz;

(4) Rücksetzen des Ladungsverstärkers, um ein neues Signal aufzunehmen;

(5) Übertragung des nächsten Rauschbildsignales in der Reihe der Rauschbildsignale, welches das verteilte unerwünschte Rauschsignal von entgegengesetzter Polarität enthält, auf den Ladungsverstärker;

(6) Messen des Ladungsverstärkerausgangssignales;

(7) Addieren der gespeicherten Differenz zu dem übertragenen Rauschbildsignal, um das unerwünschte Rauschsignal zu eliminieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer bekannten Photodioden-Anordnung, die an eine Ladungsverstärkerschaltung gekoppelt ist.

Fig. 2 ist eine bekannte Schaltung zum Vermindern des Rauschens unter Verwendung einer analogen Subtraktion.

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Hochfrequenzersatzschaltung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung für eine Photodiode.

Fig. 5 ist ein Übertragungsschalter- und Rücksetzschalter- Zeitdiagramm zur Darstellung von Signalladungswerten während des Betriebes der Erfindung.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES

Die vorliegende Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel innerhalb des Eingangsabschnittes eines Spektrometers verwendet. Insbesondere wird einfallendes Licht 108 in einen elektrischen Meßwert umgeformt, welcher durch den Mikroprozessor 100 gelesen werden kann. Die Photodioden-Anordnung 80 und der Ladungsverstärker 85 arbeiten in einer ähnlichen Weise bezogen auf diejenige, die in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" offenbart ist, und welche in Fig. 1 gezeigt ist. Eine Reihe von Übertragungsschaltern 116 (Q&sub1; - Qn) werden verwendet, um jeden Bildpunkt der Photodioden-Anordnung 80 an den Ladungsverstärken 85 zu koppeln. Eine Seite eines jeden Photodioden-Kondensator-Paares in der Photodioden-Anordnung 80 ist an einen gemeinsamen Knoten 106 gekoppelt. Eine Bezugsspannung Vd ist gleichfalls mit der Schaltung an diesem gemeinsamen Knoten 106 verbunden. In Abhängigkeit von der Art des Sensors, bei dem die Erfindung eingesetzt wird, kann sich die Bezugsspannung der Photodioden-Anordnung verändern.

Anders als bei der bekannten Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet die Erfindung einen Ladungsverstärker 85, welcher einen Operationsverstärker 123 mit sehr niedriger Bandbreite hat, um das dem geschlossenen Übertragungsschalter 116 zugeordnete kTC-Rauschen zu begrenzen, während die Bildladung auf dem Photodioden-Kondensator 114 gemessen wird, und um gleichfalls auf das kTC-Rauschen ansprechen zu können, welches dem geöffneten Übertragungsschalter 116 zugeordnet ist, während die Rauschladung gemessen wird. Bei geöffnetem Schalter erscheint die kTC-Rauschladung als ein sich langsam veränderndes Signal, welches etwas ist, auf das der Verstärker mit niedriger Bandbreite ansprechen kann, im Gegensatz zu einem schnell schwankenden Wechselstromsignal. Die Bandbreite des Verstärkers ist ausreichend niedrig derart gewählt, daß die Zeitkonstante des Verstärkers viel größer als die Zeitkonstante RCs ist, wobei Cs die Serienkombination des Photodiodenkondensators C&sub1; und der Gesamtverstärkerkapazität Ct, welche auf der Verstärkereingangskapazität und der Kapazität des Rückkopplungskondensators 122 besteht. Die Verwendung eines Verstärkers mit niedriger Bandbreite ermöglicht die Erfassung von zwei Auslesewerten für jede Photodiode während eines jeden Zyklus der Photodioden-Anordnung und eine Rauschverminderung durch die erfindungsgemäße Subtraktionstechnik. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde ein Operationsverstärker mit einer Zeitkonstante von ungefähr 10 Mikrosekunden und einem 3 dB-Punkt bei 16 Kiloherz verwendet. Diese Zeitkonstante ist mehr als fünf Mal so groß wie das Produkt des Übertragungsschalterwiderstandswertes und der Serienkombination der gesamten Verstärkerkapazität und der Photodiodenkapazität. Ferner ist die Verstärkerzeitkonstante geringer als ein Fünftel der Auslesezeit für jedes Photodiodenelement der Photodioden-Anordnung.

Die Vorteile der Erfindung rühren von der Erkenntnis her, daß sich die kTC-Rauschladung, die durch den Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) erzeugt wird, bei dem Öffnen des Übertragungsschalters 116 (Q&sub1;) gleichmäßig (jedoch mit entgegengesetzter Polarität) auf den Photodiodenkondensator 114 (C&sub1; - Cn) und auf die Parallelkombination des Rückkopplungskondensators 122 (Cf) und den Ersatzkondensator 124 (Ca) verteilt, welcher die Eingangskapazität des Ladungsverstärkers 85 sowie die Betriebskapazität der gedruckten Schaltungsplatine darstellt. Diese Ladungsverteilung, die bislang noch nicht in irgendeiner anderen Photodioden-Anordnungsabtastvorrichtung berücksichtigt worden ist, ermöglicht das Eliminieren dieses kTC-Rauschens.

Die Betriebsweise des Übertragungsschalters und die zugeordnete Rauschladungsverteilung sind in Fig. 4 dargestellt, welche eine Hochfrequenzersatzschaltung des Übertragungsschalters 116 (Q&sub1;) des Photodiodenkondensators 72 (C&sub1;) und der Gesamtverstärkerkapazität 78 (Ct) darstellt, welche die Parallelkapazität des Rückkopplungskondensators 122 (Cf) und des Ersatzkondensators 124 (Ca) ist. Der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) gemäß Fig. 4 ist in der Ersatzschaltung als rauschfreier Widerstand 74 (R), eine Widerstandsrauschspannungsquelle 76 (Va) und einen idealen Schalter 77 wiedergegeben. Dieses Ersatzschaltbild oder Modell gilt lediglich bei Frequenzen oberhalb des Einheizverstärkungspunktes des Operationsverstärkers. Bei Frequenzen, die weit oberhalb des Einheitsverstärkungspunktes des Verstärkers liegen, bleibt das Ausgangssignal des Verstärkers eine konstante Spannung. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante des Ladungsverstärkers erheblich größer als die RCs-Zeitkonstante, die zusammengesetzt ist aus dem Produkt des Widerstandes 74 (R) und der Serienkapazität (Cs) der Kondensatoren 72 (C&sub1;) und 78 (Ct).

Die folgenden Beziehungen sind in dieser Hochfrequenzersatzschaltung dargestellt:

Gesamte Verstärkerkapazität = Ct = Eingangsverstärkerkapazität (Ca) + Rückkopplungskapazität (Cf).

Serienkapazität Cs = Serienkombination von C&sub1; und Ct

RCs = Rauschzeitkonstante

Wenn der Übertragungsschalter 116 (siehe Fig. 3) geschlossen ist, d.h. wenn der ideale Schalter 77 (vergleiche Fig. 4) geschlossen ist, wird die kTC-Rauschladung auf den Kondensatoren 72 (C&sub1;) und 78 (Ct) durch die Spannung 76 (Vn) erzeugt. Diese Rauschladung ist die gleiche auf beiden Kondensatoren (jedoch von entgegengesetzter Polarität) unabhängig von dem Wert der Kondensatoren C&sub1; und Ct.

Jedoch erscheint diese kTC-Rauschladung nicht unmittelbar an dem Ausgang des Operationsverstärkers, da die Bandbreite des Verstärkers sehr niedrig verglichen mit der Bandbreite des Rauschens ist.

Wenn der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) geöffnet wird, empfängt der Rückkopplungskondensator 122 (Cf) eine zusätzliche Rauschladung. Die auf dem Kondensator 78 (Ct) gespeicherte Rauschladung oder die dementsprechend an dem invertierenden Eingangsknoten 198 (vergleiche Fig. 3) vorliegende Rauschladung wird vollständig auf den Rückkopplungskondensator 122 (Cf) durch die Wirkung des Operationsverstärkers 123 übertragen, so daß eine zusätzliche Spannung proportional zu der Rauschladung an dem Ausgangsknoten 197 erscheint. Die gleiche Rauschladung liegt (mit entgegengesetzter Polarität) an dem Kondensator 114 vor. Die Rauschladung an dem Kondensator 114 besteht, bis der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) erneut geschlossen wird. Ein Rücksetzschalter 199, der über dem Kondensator 122 geschaltet ist, wird verwendet, um den Kondensator zwischen den Messungen zurückzusetzen.

Erneut bezugnehmend auf Fig. 3 verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung eine analoge Subtraktionsschaltung 88 zum Vermindern des thermischen Schaltrauschens, welches durch den Rücksetzschalter 199 erzeugt wird. Diese Schaltung arbeitet in einer ähnlichen Weise verglichen mit der Schaltung gemäß Fig. 2 (die in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschrieben ist). Es sei angemerkt, daß die analoge Subtraktionsschaltung nicht benötigt wird und daß ohne diese der Ausgang des Ladungsverstärkers direkt an einen Analog/Digital-Wandler 90 angelegt werden könnte. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Analog/Digital-Wandler 90 verwendet, um das Ausgangssignal 91 von der analogen Subtraktionsschaltung 88 in eine digitale Form umzuwandeln. Der Mikroprozessor 100 steuert die FET-Übertragungsschalter 116 und den Rücksetzschalter 159 (Qf), um die kTC-Rauschbeseitigung an dem Ausgangssignal durchzuführen. Die folgenden Schritte beschreiben den Betrieb einer Photodiode 110 während eines Meßzyklus. Es sei angemerkt, daß bei der tatsächlichen Betriebsweise sämtliche Schritte für jede der Photodioden in dem Feld in genau der gleichen Weise ausgeführt werden, so daß ein kontinuierliches zyklisches Wiederholen der Messungen ausgeführt wird. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den nachfolgenden erfindungsgemäßen Schritten dargestellt:

1. Der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) wird von einem vorherigen Auslesen geöffnet, wobei eine alte kTC-Rauschladung, welche als "erstes Rauschen" bezeichnet wird, auf dem Kondensator 114 (C&sub1;) gespeichert wird.

2. Einfallendes Licht 108 (welches auf die Photodiode 110 auftrifft) bewirkt die Ansammlung einer Signalladung, welche als "erstes Signal" definiert ist, auf einem Kondensator 114 (C&sub1;), bis der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) erneut (bei dem Schritt 3) beschlossen wird.

2.5 Während der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) noch geöffnet ist, wird momentan der Rücksetzschalter 199 geschlossen, wodurch der Rückkopplungskondensator 122 (Cf) kurzgeschlossen wird.

3.0 Der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) wird geschlossen, wodurch das erste Signal und das erste Rauschen auf den invertierenden Eingangsknoten 198 übertragen werden.

3.1 Das erste Signal und das erste Rauschen werden auf den Kondensator 122 (Cf) durch die Wirkung des Operationsverstärkers 123 übertragen. Dies bewirkt eine Änderung der Spannung an dem Ausgangsknoten 197 auf einen Wert, der als "erste Spannung" definiert ist und welcher proportional zu der Summe des ersten Signales und des ersten Rauschens ist. Die Wirkung des Operationsverstärkers ist gleichfalls die Rückkehr des Potentiales des invertierenden Eingangsknotens 198 auf virtuelle Masse.

3.2 Die erste Spannung wird nunmehr gemessen und aufgezeichnet.

4.0 Der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) wird nunmehr geöffnet. Dieser Schritt entspricht dem Schritt 1, jedoch für den nächsten Meßzyklus. Eine weitere kTC-Rauschladung, welche als "zweites Rauschen" definiert ist, und welche schwankte, hört zu schwanken auf und erscheint als konstante Ladung auf dem Kondensator 114 (C&sub1;). Zu diesem Zeitpunkt erscheint eine Ladung mit dem gleichen Wert, jedoch von entgegengesetzter Polarität verglichen mit derjenigen des zweiten Rauschens als konstante Ladung an dem invertierenden Eingangsknoten 198.

4.1 Nach einer kurzen Zeitdauer des zweiten Rauschens erscheint durch die Wirkung des Operationsverstärkers 123 eine Änderung der Spannung an dem Ausgangsknoten 197. Diese Ausgangsspannung ist als "zweite Spannung" festgelegt und ist proportional zu der Summe des ersten Signales, des ersten Rauschens und zu dem Negativen des zweiten Rauschens. Durch die Wirkung des Operationsverstärkers 123 ist die Spannung an dem invertierenden Eingangsknoten 198 nunmehr gleich der virtuellen Masse.

4.2 Eine zweite Spannung wird nun gemessen und aufgezeichnet.

4.3 Ein drittes Rauschen wird als Kombination der zweiten Spannung minus die erste Spannung abgeleitet.

5. Während der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) geöffnet ist (von den Schritten 4 bis 6), bewirkt das einfallende Licht 108 die Ansammlung einer Signalladung, die als "zweites Signal" definiert ist, auf dem Kondensator 114 (C&sub1;).

5.5 Während der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) noch geöffnet ist, wird der Rücksetzschalter 199 momentan geschlossen, wodurch der Rückkopplungskondensator 122 (Cf) kurzgeschlossen wird.

6. Der Übertragungsschalter 116 (Q&sub1;) wird nunmehr geschlossen, wodurch das zweite Signal und das zweite Rauschen auf dem invertierenden Eingangsknoten 198 übertragen werden.

6.1 Das zweite Signal und das zweite Rauschen werden in eine neue Spannung an dem Ausgangsknoten 197 umgewandelt, die als "dritte Spannung" definiert ist, durch das gleiche Verfahren, welches bei dem Schritt 3.1 durchgeführt wird.

6.2 Die dritte Spannung wird nun gemessen und aufgezeichnet.

7. Das rauschfreie Bildsignal wird nun durch Addieren des dritten Rauschens und der dritten Spannung erzeugt.

Diese Schritte können besser unter Bezugnahme auf das Übertragungsschalter- und das Rücksetzschalter-Zeitdiagramm der Fig. 5 verstanden werden. Diese Diagramme beinhalten Bezugszeichen entsprechend den oben umrissenen Schritten.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Empfindlichkeit eines Spektrometers verbessert. Jedoch hat die Erfindung viele andere Anwendungen, bei denen eine kTC-Rauschreduktion benötigt wird. Beispielsweise sind diese Anwendungsfälle optische Buchstabenerkennungsschaltungen, CCD-Bildwandler, Bildsensoren und Fernsehkameras. Änderungen und Modifikationen der Erfindung, wie sie in den genau beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, können ohne Abweichung vom Schutzbereich der Erfindung ausgeführt werden, der lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche beschränkt sein soll.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Vermindern des Rauschens in dem Ausgangssignal einer Lichtsensorschaltung, welche wenigstens ein Paar einer Photodiode (110) und eines Photodiodenkondensators (114) umfaßt, welches an einen Ladungsverstärker (85) angeschlossen ist, der eine Kondensatorrückkopplung (122) hat, mittels eines Übertragungsschalters (116), wobei eine Reihe von rauschbehafteten Bildsignalen, die jeweils ein Bildsignal, das die Intensität des Lichtes (108), welches auf die Photodiode (110) einfällt, und ein unerwünschtes Rauschsignal umfassen, auf den Ladungsverstärker (85) durch Öffnen und Schliessen des Übertragungsschalters (116) übertragen werden, mit folgenden Schritten:

- erstmaliges Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers, wenn der Übertragungsschalter (116) geschlossen ist; und

- Öffnen des Übertragungsschalters (116);

dadurch gekennzeichnet,

daß der Ladungsverstärker (85) ein Ladungsverstärker mit niedriger Bandbreite ist; und

daß das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt:

- zweitmaliges Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers, wenn der Übertragungsschalter (116) geöffnet ist, wobei sich das unerwünschte Rauschsignal gleichmäßig, jedoch mit entgegengesetzter Polarität an beiden Seiten des geöffneten Übertragungsschalters (116) verteilt;

- Subtrahieren des ersten und zweiten Meßwertes, wobei die Differenz dem unerwünschten Rauschsignal entspricht;

- Speichern dieser Differenz;

- Rücksetzen des Ladungsverstärkers (85) zum Aufnehmen eines neuen Signales;

- Übertragen des rauschbehafteten Bildsignales, welches in der Reihe der rauschbehafteten Bildsignale als nächstes folgt, und welches das unerwünschte Rauschsignal von entgegengesetzter Polarität enthält, zu dem Ladungsverstärker (85) durch erneutes Schließen des Übertragungsschalters (116);

- Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers; und

- Addieren der gespeicherten Differenz zu dem übertragenen rauschbehafteten Bildsignal, um das unerwünschte Rauschsignal zu eliminieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte vor dem ersten Meßschritt:

- Speichern eines ersten Bildsignales und eines ersten Rauschsignales auf dem Photodiodenkondensator (114);

- Rücksetzen des Ladungsverstärkerkondensators (122); und

- Übertragen des ersten Bildsignales und des ersten Rauschsignales zu dem Ladungsverstärker (85) durch Schließen des Übertragungsschalters (116).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Meßschritt das Messen eines ersten rauschbehafteten Bildsignales umfaßt, welches das erste Bildsignal, das zu dem Ladungsverstärker (85) übertragen ist, und das erste Rauschsignal beinhaltet;

daß der zweite Meßschritt das Speichern eines zweiten Bildsignales und eines zweiten Rauschsignales auf dem Photodiodenkondensator (114) und das Erzeugen eines dritten Rauschsignales von gleicher Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polarität zu dem zweiten Rauschsignal umfaßt, wobei sich das dritte Rauschsignal mit den Signalen, die bereits auf dem Ladungsverstärker (85) vorliegen, vereinigt; und

daß der zweite Meßschritt das Messen eines zweiten verrauschten Bildsignales am Ausgang (197) des Ladungsverstärkers bei geöffnetem Übertragungsschalter (116) umfaßt, welches die Kombination des zu dem Ladungsverstärker (85) übertragenen Bildsignales, des ersten Rauschsignales und des dritten Rauschsignales darstellt;

daß der Subtraktionsschritt das Subtrahieren des ersten verrauschten Bildsignales von dem zweiten verrauschten Bildsignal umfaßt, wobei die Differenz das dritte Rauschsignal ist;

daß der Speicherschritt das Speichern des dritten Rauschsignales umfaßt;

daß der Übertragungsschritt das Übertragen des zweiten Bildsignales und des zweiten Rauschsignales zu dem Ladungsverstärker (85) durch Schließen des Übertragungsschalters (116) umfaßt;

daß der dritte Meßschritt das Messen des zweiten Bildsignales und des zweiten Rauschsignales am Ausgang (197) des Ladungsverstärkers umfaßt; und

daß der Additionsschritt das Addieren des gespeicherten dritten Rauschsignales, des zweiten Bildsignales und des zweiten Rauschsignales zum Erzeugen des zweiten Bildsignales aufweist.

4. Vorrichtung zum Vermindern des Rauschens in dem Ausgangssignal einer Lichtsensorschaltung, welche wenigstens ein Paar einer Photodiode (110) und eines Photodiodenkondensators (114) hat, welches an einen Ladungsverstärker (85) angeschlossen ist, der eine Kondensatorrückkopplung (122) hat, mittels eines Übertragungsschalters (116), wobei eine Reihe von rauschbehafteten Bildsignalen, die jeweils ein Bildsignal, das die Intensität des Lichtes (108), das auf die Photodiode (110) einfällt, und ein unerwünschtes Rauschsignal umfassen, zu dem Ladungsverstärker (85) durch Öffnen und Schließen des Übertragungsschalters (116) übertragen werden, mit folgenden Merkmalen:

- einer Einrichtung zum erstmaligen Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers, wenn der Übertragungsschalter (116) geschlossen ist; und

- einer Einrichtung zum Öffnen des Übertragungsschalters (116);

dadurch gekennzeichnet,

daß der Ladungsverstärker (85) ein Ladungsverstärker von niedriger Bandbreite ist; und

daß die Vorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:

- eine Einrichtung zum zweitmaligen Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers, wenn der Übertragungsschalter (116) geöffnet ist, wobei das unerwünschte Rauschsignal sich gleichmäßig, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, an beiden Seiten des geöffneten Übertragungsschalters (116) verteilt;

- eine Einrichtung zum Subtrahieren des ersten und zweiten Meßwertes, wobei die Differenz dem unerwünschten Rauschsignal entspricht;

- eine Einrichtung zum Speichern der Differenz;

- eine Einrichtung zum Rücksetzen des Ladungsverstärkers (85) um ein neues Signal aufzunehmen;

- eine Einrichtung zum Übertragen des nächsten rauschbehafteten Bildsignales in der Reihe der rauschbehafteten Bildsignale, welches das verteilte ungewünschte Rauschsignal von entgegengesetzter Polarität enthält, zu dem Ladungsverstärker (85), indem erneut der Übertragungsschalter (116) geschlossen wird;

- eine Einrichtung zum Messen des Ausgangssignales (197) des Ladungsverstärkers; und

- eine Einrichtung zum Addieren der gespeicherten Differenz zu dem übertragenen rauschbehafteten Bildsignal zum Eliminieren des unerwünschten Rauschsignales.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch:

- eine Einrichtung zum Speichern eines ersten Bildsignales und eines ersten Rauschsignales auf dem Photodiodenkondensator (114);

- eine Einrichtung zum Rücksetzen des Ladungsverstärkerkondensators (122); und

- eine Einrichtung zum Übertragen des ersten Bildsignales und des ersten Rauschsignales zu dem Ladungsverstärker (85) durch Schließen des Übertragungsschalters (116).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet

daß der Verstärker (123) mit niedriger Bandbreite eine Zeitkonstante hat, die erheblich größer als die Zeitkonstante der Serienkombination der gesamten Verstärkerkapazität (Ca, Cf) und der Photodiodenkapazität (C&sub1;, C&sub2;,..., Cn) und des Übertragungsschalterwiderstandswertes (R) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verstärker (123) mit niedriger Bandbreite eine Zeitkonstante von ungefähr 10 Mikrosekunden hat.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verstärker (123) mit niedriger Bandbreite eine Zeitkonstante hat, die größer als die fünffache Zeitkonstante der Serienkombination der gesamten Verstärkerkapazität (Ca, Cf) und der Photodiodenkapazität (C&sub1;, C&sub2;,..., Cn) und des Übertragungsschalterwiderstandswertes (R) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verstärker (123) mit niedriger Bandbreite eine Zeitkonstante hat, die weniger als ein Fünftel der Auslesezeit für jede Photodiode in der Photodiodenanordnung ist.







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