DE19836356C2 - Aktiver Pixelsensor mit einstellbarer Verstärkung - Google Patents

Aktiver Pixelsensor mit einstellbarer Verstärkung

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Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen akti­ ven Pixelsensor. Insbesondere bezieht sich dieselbe auf ei­ nen aktiven Pixelsensor, bei dem die Empfindlichkeit des aktiven Pixelsensors abhängig von der Intensität des durch den aktiven Pixelsensor empfangenen Lichts eingestellt wird.
Eine elektronische Kamera wandelt im allgemeinen ein opti­ sches Bild in einen Satz von elektronischen Signalen um. Die elektronischen Signale können die Farbintensitäten des durch die Kamera empfangenen Lichts darstellen. Die elektronische Kamera weist typischerweise ein Array aus Bildsensoren oder lichtempfindlichen Sensoren auf, die die Intensität des durch die Kamera empfangenen Lichts erfassen. Die Bildsenso­ ren erzeugen typischerweise elektronische Signale, die Am­ plituden aufweisen, die zu der Intensität des durch die Sen­ soren empfangenen Lichts proportional sind. Die elektroni­ schen Signale können aufbereitet und abgetastet werden, um eine Bildverarbeitung zu ermöglichen.
Eine Integration der Bildsensoren mit einer Signalverarbei­ tungsschaltungsanordnung wird immer wichtiger, da eine Inte­ gration eine Miniaturisierung und Vereinfachung der Bilder­ zeugungssysteme ermöglicht. Eine Integration der Bildsenso­ ren zusammen mit einer analogen und digitalen Signalverar­ beitungsschaltungsanordnung ermöglicht es, daß elektronische Kamerasysteme preisgünstig und kompakt sind und nur wenig Leistung erfordern.
In der Vergangenheit waren Bildsensoren vorwiegend ladungs­ gekoppelte Bauelemente (CCD; CCD = charge coupled devices). CCDs sind relativ klein und können einen hohen Füllfaktor liefern. Es ist jedoch sehr schwierig, CCDs mit einer digi­ talen und analogen Schaltungsanordnung zu integrieren. Fer­ ner dissipieren CCDs große Leistungsmengen und leiden unter Bildunschärfeproblemen (Bildverschmierungsproblemen).
Eine Alternative zu CCD-Sensoren sind aktive Pixelsensoren. Aktive Pixelsensoren können unter Verwendung von Standard- CMOS-Prozessen hergestellt werden. Folglich können aktive Pixelsensoren ohne weiteres mit einer digitalen und analogen Signalverarbeitungsschaltungsanordnung integriert werden. Ferner dissipieren CMOS-Schaltungen nur geringe Leistungs­ mengen.
Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines im Stand der Technik bekannten aktiven Pixelsensors. Der aktive Pixelsensor ist im allgemeinen in einem Array aus aktiven Pixelsensoren auf­ genommen. Der aktive Pixelsensor umfaßt eine Photodiode D1, einen Rücksetztransistor Q1, einen Vorspannungstransistor Q2 und einen Auswähltransistor Q3. Die Photodiode D1 sammelt Ladung, wenn die Photodiode D1 Licht ausgesetzt ist. Die Photodiode D1 weist eine Eigenkapazität Cd auf, die einen Signalknoten N2 kapazitiv belastet. Die Ladung, die von der Photodiode D1 gesammelt wird, wird auf der Kapazität Cd der Photodiode D1 akkumuliert, wodurch eine Photodiodenspannung erzeugt wird, die zu der Intensität des durch die Photodiode D1 empfangenen Lichts proportional ist. Die Photodiodenspan­ nung wird an der Kathode der Photodiode D1 erzeugt.
Der Rücksetztransistor ermöglicht es, daß die Photodiode D1 durch Entladen der Photodiodenkapazität Cd zurückgesetzt wird. Eine RST-Leitung (reset line = Rücksetzleitung) ent­ lädt die Photodiodenkapazität Cd, indem die RST-Leitung auf einen hohen Zustand getaktet wird, um die Kathode der Photo­ diode auf eine vorbestimmte Rücksetzspannung einzustellen. Die vorbestimmte Rücksetzspannung für den in Fig. 1 gezeig­ ten, aktiven Pixelsensor ist das Spannungspotential der RST-Leitung minus der Schwellenspannung des Rücksetztransi­ stors Q1.
Der Auswähltransistor Q3 ermöglicht es, daß eine Steuerungs­ einrichtung die Photodiodenspannung an einem PIXOUT-Ausgang eines speziellen aktiven Pixelsensors selektiv abtastet, in­ dem eine Auswählleitung (SEL) getaktet wird, um zu bewirken, daß der Auswähltransistor Q3 leitet.
Fig. 2 ist ein graphischer Verlauf einer Signalspannung der Photodiode D1 des in Fig. 1 gezeigten, aktiven Pixelsensors. Die Signalspannung ist als Referenzspannung minus dem Span­ nungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert. Die Referenz­ spannung ist als das Spannungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert, wenn der Signalknoten N2 auf die vorbestimmte Rücksetzspannung zurückgesetzt ist. Je größer die Intensität des durch die Photodiode D1 empfangenen Lichts ist, umso größer ist die Signalspannung. Die Ladung, die von der Pho­ todiode D1 geleitet wird, ist proportional zu der Intensität des von der Photodiode D1 empfangenen Lichts. Wie es durch den graphischen Verlauf dargestellt ist, beginnt die Signal­ spannung in einen Sättigungsbereich überzugehen, sowie sich die Ladung, die von der Photodiode durchgelassen wird, er­ höht. Die Sättigungsspannung VSättigung ist die Signalspan­ nung, bei der eine Erhöhung der Intensität des durch die Photodiode D1 empfangenen Lichts die Signalspannung nicht beeinflußt. Die Sättigung der Photodiode D1 begrenzt den Dy­ namikbereich der Photodiode D1. Der Bereich der Intensität des durch den aktiven Pixelsensor empfangenen Lichts, der nutzbar erfaßt werden kann, ist aufgrund der Tatsache be­ grenzt, daß der aktive Pixelsensor in die Sättigung über­ geht. Sobald das Signal der Photodiode D1 des aktiven Pixel­ sensors gesättigt ist, ist es unmöglich, Änderungen bezüg­ lich der Intensität des durch den aktiven Pixelsensor emp­ fangenen Lichts zu erfassen. Wenn sich die Intensität des durch die Photodiode D1 empfangenen Lichts genau unterhalb der Lichtintensität befindet, die erforderlich ist, um den aktiven Pixelsensor in den Sättigungsbereich zu bringen, ist das Ansprechverhalten der Photodiode D1 stark nichtlinear. Der Betrieb des aktiven Pixelsensors ist auf einen Bereich von Lichtintensitäten begrenzt, in dem das Ansprechverhalten der Photodiode D1 linear ist.
Es ist erwünscht, einen aktiven Pixelsensor zu besitzen, der es ermöglicht, daß die Intensität des durch den aktiven Pi­ xelsensor empfangenen, erfaßbaren Lichts über einen größeren Bereich variiert, als es gegenwärtig möglich ist. Der aktive Pixelsensor würde eine analoge Spannung erzeugen, die die Intensität des durch den aktiven Pixelsensor empfangenen Lichts über einem größeren Bereich von Lichtintensitäten darstellt, als es gegenwärtig möglich ist. Ferner würde der aktive Pixelsensor unter Verwendung von gegenwärtig existie­ renden CMOS-Herstellungsprozessen hergestellt werden können.
Die US-A-4,943,839 offenbart einen Bildsensor mit einem transparenten dielektrischen Substrat, einer oberen, trans­ parenten Elektrode, einer unteren Elektrode, die auf dem transparanten, dielektrischen Substrat angeordnet ist, einem Halbleiterdünnfilm, der zwischen der oberen, transparenten Elektrode und der unteren Elektrode angeordnet ist und ein photoelektrisches Umwandlungsteil bildet, einer transparen­ ten dielektrischen Schicht, die auf einer Ebene der unteren Elektrode gebildet ist, und einer oberen Elektrode, die auf der transparanten dielektrischen Schicht gebildet ist und mit der oberen, transparenten Elektrode verbunden ist. Die transparante dielektrische Schicht bildet eine Kapazität des Bildsensors zwischen des oberen und der unteren Elektrode.
Die US-A-5,329,112 zeigt einen Bildsensor, der durch La­ minieren von Schichten auf Photodioden des Bildsensors re­ alisiert ist, um es zu ermöglichen, zusätzliche Kondensato­ ren in demselben in einer vertikal überlappenden Beziehung mit den Photodioden zu bilden. Jede Photodiode ist auf einem Substrat gebildet und schließt eine untere Elektrode, eine photoelektrische Umwandlungsschicht und eine transparante Elektrode ein. Die Kondensatoren sind dort gebildet, wo eine transparante Isolationsschicht und eine transparente, leit­ fähige Schicht sequenziell auf der transparanten Elektrode der Photodiode gebildet sind. Die Photodiode und die Konden­ satoren sind elektrisch parallel verschaltet, und die Kon­ densatoren vergrößern weder die Photodiode noch beeinflussen sie das Photo/Dunkel-Strom-Verhältnis des Bildsensors.
Die US-A-5,289,023 offenbart ein Pixelelement, welches einen Bipolar-Phototransistor umfaßt, der eine vertikale Struktur aufweist. Eine Mehrzahl der Photosensoren sind in einem Ar­ ray verschaltet und ein Erfassungsverstärker ist vorgesehen, der einen Varaktor umfaßt, der zwischen einem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkungselements geschaltet ist.
Die US-A-4,583,002 offenbart einen Bildsensor, bei dem die Empfindlichkeit des Sensors in Übereinstimmung mit der Ge­ samtintensität des zu erfassenden Bildes automatisch einge­ stellt wird. Ein Ladungs-Potential wird an einen Speicher­ kondensator für das Bildsignal in jedem Pixel eines Arrays angelegt und mit einer sich verändernden Intensität des zu erfassenden Bildes dynamisch verändert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen aktiven Pixelsensor zu schaffen, der verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist, die es ermöglichen, daß der aktive Pixelsensor einen größeren Bereich von Lichtintensitäten er­ fassen kann, und daß derselbe unter Verwendung von gegenwär­ tig existierenden CMOS-Herstellungsprozessen hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen aktiven Pixelsensor gemäß An­ spruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft einen aktiven Pixelsensor, der eine Erfassung des empfangenen Lichts über einen größe­ ren Dynamikbereich der Lichtintensität liefert, als es ge­ genwärtig möglich ist. Ein Gate-Kondensator wird zu einer Photodiode in dem aktiven Pixelsensor parallel geschaltet, wenn die Intensität des durch den aktiven Pixelsensor emp­ fangenen Lichts bezüglich des Potentials groß genug ist, um das Ansprechverhalten des aktiven Pixelsensors in den Sätti­ gungsbereich zu bringen. Der aktive Pixelsensor behält einen hohen Empfindlichkeitspegel bei niedrigen Pegeln der empfan­ genen Lichtintensität bei. Der aktive Pixelsensor ist mit preisgünstigen CMOS-Herstellungsprozessen kompatibel.
Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung umfaßt einen aktiven Pixelsensor. Der aktive Pixelsensor umfaßt eine Pho­ todiode. Die Photodiode leitet eine Ladung als Funktion der Intensität des durch die Photodiode empfangenen Lichts. Die Photodiode weist eine Diodenkapazität auf, die eine Ladung ansammelt, die von der Photodiode durchgelassen wird, wobei die Photodiodenspannung verändert wird. Ein geschalteter Kondensator wird zu der Photodiode parallel geschaltet, wenn die Photodiodenspannung ein vorbestimmtes Spannungspotential erreicht. Eine Kapazität des geschalteten Kondensators wird zu der Diodenkapazität hinzuaddiert, wenn der geschaltete Kondensator verbunden ist. Der aktive Pixelsensor umfaßt ferner eine elektronische Schaltungsanordnung, um zu er­ möglichen, daß eine Steuerungseinrichtung die Photodioden­ spannung abtastet.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, ist der geschaltete Konden­ sator ein Gate-Kondensator.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen im Stand der Technik bekannten aktiven Pixel­ sensor.
Fig. 2 einen graphischen Verlauf einer Signalspannung der Photodiode des in Fig. 1 gezeigten, aktiven Pixel­ sensors.
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen Gate-Kondensator umfaßt, der zu der Photodiode ei­ nes aktiven Pixelsensors parallel geschaltet ist.
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 3 gezeigten Aus­ führungsbeispiels.
Fig. 5 einen graphischen Verlauf einer Signalspannung der Photodiode des in Fig. 3 gezeigten aktiven Pixel­ sensors.
Fig. 6 eine Implementierung des in Fig. 3 gezeigten akti­ ven Pixelsensors.
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mehr als einen Gate-Kondensator umfaßt, der zu der Photodiode des aktiven Pixelsensors parallel ge­ schaltet ist.
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 7 gezeigten Aus­ führungsbeispiels.
Fig. 9 einen graphischen Verlauf einer Signalspannung der Photodiode des in Fig. 7 gezeigten aktiven Pixel­ sensors.
Wie es aus Darstellungszwecken in den Zeichnungen gezeigt ist, ist die Erfindung in einem aktiven Pixelsensor ausge­ führt. Der aktive Pixelsensor liefert eine Erfassung der In­ tensität des empfangenen Lichts über einem größeren Dynamik­ bereich der Lichtintensität, als es gegenwärtig möglich ist. Ein Gate-Kondensator ist zu einer Photodiode in dem aktiven Pixelsensor parallel geschaltet, wenn die Intensität des durch den aktiven Pixelsensor empfangenen Lichts groß genug ist, um das Ansprechverhalten des aktiven Pixelsensors in den Sättigungsbereich zu bringen. Ferner ist der Gate-Kon­ densator zu der Photodiode in dem aktiven Pixelsensor nicht parallel geschaltet, wenn die Intensität des durch den ak­ tiven Pixelsensor empfangenen Lichts niedrig ist. Folglich behält der aktive Pixelsensor einen hohen Empfindlichkeits­ pegel bei niedrigen Pegeln der empfangenen Lichtintensität bei.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ei­ nen Gate-Kondensator GC aufweist, der zu einer Photodiode D2 eines aktiven Pixelsensors parallel geschaltet ist. Der Gate-Kondensator GC weist eine Gate-Kondensatorvorspannung GCB auf. Der Gate-Kondensator GC ist an einem Signalknoten N1 mit der Kathode der Photodiode D2 verbunden. Der aktive Pixelsensor weist einen Rücksetztransistor Q4, einen Vor­ spannungstransistor Q5 und einen Auswähltransistor Q6 auf. Der aktive Pixelsensor weist ferner eine Leistungsversor­ gungsspannung Vdd auf.
Der Rücksetztransistor Q4 ermöglicht es, daß die Photodiode D1 durch Entladen einer Photodiodenkapazität CD2 zurückge­ setzt wird. Eine RST-Leitung (Rücksetzleitung) entlädt die Photodiodenkapazität CD2, indem die RST-Leitung auf einen hohen Pegel getaktet wird, um die Kathode der Photodiode D2 auf eine vorbestimmte Rücksetzspannung einzustellen. Die vorbestimmte Rücksetzspannung für den in Fig. 3 gezeigten, aktiven Pixelsensor ist das Spannungspotential der RST-Lei­ tung minus der Schwellenspannung des Rücksetztransistors Q4.
Der Vorspannungstransistor Q5 und der Auswähltransistor Q6 ermöglichen es, daß eine Steuerungseinrichtung die Photodio­ denspannung eines bestimmten aktiven Pixelsensors selektiv abtastet, indem eine SEL-Leitung (select line = Auswähllei­ tung) auf ein Spannungspotential getaktet wird, welches be­ wirkt, daß der Vorspannungstransistor Q5 und der Auswähl­ transistor Q6 leiten. Wenn der Vorspannungstransistor Q5 und der Auswähltransistor Q6 leiten, ist die Photodiodenspannung mit dem PIXOUT-Ausgang gekoppelt. Das PIXOUT-Ausgangssignal kann abgetastet werden.
Der Gate-Kondensator GC wird gebildet, indem der Source-An­ schluß und der Drain-Anschluß eines N-Kanal-FET mit der Ka­ thode der Photodiode D2 verbunden werden. Wenn der FET in dem Gate-Kondensator GC keinen Strom leitet, beeinflußt der Gate-Kondensator GC die Impedanz nicht, die mit dem Signal­ knoten N1 verbunden ist. Wenn jedoch der FET in dem Gate- Kondensator GC einen Strom leitet, belastet der Gate-Konden­ sator den Signalknoten N1 kapazitiv. Die Kapazität des Gate-Kondensators ist zu der Kapazität CD2 der Photodiode D2 parallel geschaltet, wenn der FET in dem Gate-Kondensator leitet.
Der FET in dem Gate-Kondensator GC leitet einen Strom, wenn die Spannung zwischen der Gate-Kondensatorvorspannung GCB und dem Signalknoten N1 größer als die Schwellenspannung des FET in dem Gate-Kondensator GC ist. Typischerweise befindet sich die Schwellenspannung des FET in dem Gate-Kondensator GC in einem Bereich zwischen 0,8 und 1,2 Volt, abhängig von der effektiven Kanallänge und der Substratvorspannung des FET in dem Gate-Kondensator GC.
Die Photodiode D2 leitet Ladung, wenn die Photodiode D2 Licht ausgesetzt ist. Die Ladung, die von der Photodiode D2 geleitet wird, sammelt sich auf der Kapazität, die mit dem Signalknoten N1 verbunden ist. Die Ladung, die auf der Kapa­ zität angesammelt wird, erzeugt an dem Signalknoten N1 ein negatives Spannungsansprechverhalten. Je größer die Ladungs­ menge ist, die von der Photodiode D2 geleitet wird, um so größer ist die Verringerung des Spannungspotentials an dem Signalknoten N1. Die Ladungsmenge, die von der Photodiode D2 geleitet wird, ist von der Intensität des durch die Photo­ diode D2 empfangenen Lichts abhängig.
Die Gate-Kondensatorvorspannung GCB ist im allgemeinen ein festes Spannungspotential. Falls die Intensität des durch die Photodiode D2 empfangenen Lichts groß genug ist, wird folglich der Gate-Kondensator GC eingeschaltet. Sobald der Gate-Kondensator GC eingeschaltet ist, wird die Ladung, die von der Photodiode D2 gesammelt wird, auf einem größeren Ka­ pazitätsbetrag aufsummiert. Folglich wird sich das Span­ nungspotential an dem Signalknoten N1 weniger schnell ver­ ringern.
Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels. Der Gate-Kondensator GC ist durch ei­ nen äquivalenten Gate-Kondensator CGC und einen Schalter SW dargestellt. Der Schalter SW ist verbunden, wenn das Span­ nungspotential des Signalknotens N1 niedriger als ein vorbe­ stimmtes Spannungspotential ist. Das vorbestimmte Spannungs­ potential ist das Spannungspotential der Gate-Kondensator­ vorspannung GCB minus der Schwellenspannung des FET in dem Gate-Kondensator GC. Der Schalter SW ist offen, wenn das Spannungspotential des Signalknotens N1 größer als das vor­ bestimmte Spannungspotential ist. Das Spannungspotential des Signalknotens N1 ist von der Ladung, die von der Photodiode D2 gesammelt wird, direkt abhängig. Die Ladung, die von der Photodiode D2 gesammelt wird, ist direkt von der Intensität des durch die Photodiode empfangenen Lichts abhängig. Falls die Intensität des durch die Photodiode D2 empfangenen Lichts groß genug ist, wird folglich der Schalter SW ge­ schlossen und der äquivalente Gate-Kondensator CGC mit dem Signalknoten N1 verbunden.
Fig. 5 ist ein graphischer Verlauf einer Signalspannung der Photodiode D2 des in Fig. 3 gezeigten aktiven Pixelsensors. Die Signalspannung ist als Referenzspannung minus dem Span­ nungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert. Die Referenz­ spannung ist als das Spannungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert, wenn der Signalknoten N1 auf eine vorbestimmte Rücksetzspannung zurückgesetzt ist. Der graphische Verlauf zeigt die Signalspannung für zwei unterschiedliche Werte der Gate-Kondensatorvorspannung GCB. Die Kennlinie 51 zeigt die Signalspannung für eine erste Gate-Kondensatorvorspannung GCB. Die Kennlinie 53 zeigt die Signalspannung für eine zweite Gate-Kondensatorvorspannung GCB. Der FET in dem Ga­ te-Kondensator wird bei unterschiedlichen Werten der Signal­ spannung für die zwei unterschiedlichen Werte der Gate-Kon­ densatorvorspannung eingeschaltet. Folglich unterscheiden sich die Punkte auf den zwei Kennlinien 51, 53, an denen die Kapazität des Gate-Kondensators GC mit dem Signalknoten N1 verbunden ist.
Für beide Kennlinien 51, 53 ändert sich die Empfindlichkeit des aktiven Pixelsensors, wenn der Gate-Kondensator GC den Signalknoten N1 kapazitiv belastet. Die zusätzliche Kapazi­ tät verhindert, daß der aktive Pixelsensor in einen nicht- linearen Bereich eintritt, in dem das Spannungspotential an dem Signalknoten N1 nicht linear mit der erhöhten Intensität des empfangenen Lichts variiert.
Fig. 6 zeigt eine Implementierung des in Fig. 3 gezeigten aktiven Pixelsensors. Der aktive Pixelsensor ist auf einem P-dotierten Substrat 610 gebildet. Der aktive Pixelsensor weist mehrere N-dotierte Regionen 612, 614, 616, 618 auf. Der aktive Pixelsensor weist ferner mehrere Gate-Oxidregio­ nen 622, 624, 626, 628 auf. Ferner weist der aktive Pixel­ sensor mehrere Polysiliziumregionen 630, 632, 634, 636 auf. Der aktive Pixelsensor weist ferner eine Oxidregion 620 auf. Eine Metallregion 640 verbindet die N-dotierte Region 612 mit der Polysiliziumregion 634.
Die Photodiode D2 ist durch die N-dotierte Region 612 und das P-dotierte Substrat 610 gebildet. Der Gate-Kondensator GC ist durch die Polysiliziumregion 630, die Gate-Oxidregion 622, die N-dotierte Region 612 und das P-dotierte Substrat 610 gebildet. Der Rücksetztransistor Q4 ist durch die Poly­ siliziumregion 632, die Gate-Oxidregion 624, die N-dotierte Region 612, das P-dotierte Substrat 610 und die N-dotierte Region 614 gebildet. Der Vorspannungstransistor Q5 ist durch die Polysiliziumregion 634, die Gate-Oxidregion 626, die N- dotierte Region 614, das P-dotierte Substrat 610 und die N- dotierte Region 616 gebildet. Der Auswähltransistor Q6 ist durch die Polysiliziumregion 636, die Gate-Oxidregion 628, die N-dotierte Region 616, das P-dotierte Substrat 610 und die N-dotierte Region 618 gebildet. Feldoxidregionen 620, 621 liefern eine Isolation. Eine Metallregion 640 liefert eine elektrische Verbindung zwischen der N-dotierten Region 612 und der Polysiliziumregion 634.
Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mehr als einen Gate-Kondensator umfaßt, der zu der Pho­ todiode D2 des aktiven Pixelsensors parallel geschaltet ist. Im allgemeinen unterscheidet sich eine erste Gate-Kondensa­ torvorspannung GCB1 eines ersten Gate-Kondensators GC1 von einer zweiten Gate-Kondensatorvorspannung GCB2 eines zweiten Gate-Kondensators GC2. Folglich belastet jeder Gate-Konden­ sator GC1, GC2 den Signalknoten N1 für unterschiedliche Spannungspotentiale des Signalknotens N1 kapazitiv.
Fig. 8 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 7 dargestell­ ten Ausführungsbeispiels. Der erste Gate-Kondensator ist durch einen äquivalenten ersten Gate-Kondensator CGC1 und einen ersten Schalter SW1 dargestellt. Der zweite Gate-Kon­ densator ist durch einen äquivalenten zweiten Gate-Kondensa­ tor CGC2 und einen zweiten Schalter SW2 dargestellt.
Fig. 9 ist ein graphischer Verlauf einer Signalspannung der Photodiode D2 des in Fig. 7 gezeigten aktiven Pixelsensors. Die Signalspannung ist als Referenzspannung minus dem Span­ nungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert. Die Referenz­ spannung ist als das Spannungspotential des PIXOUT-Ausgangs definiert, wenn der Signalknoten N1 auf eine vorbestimmte Rücksetzspannung zurückgesetzt ist. Der graphische Verlauf umfaßt einen ersten Knickpunkt 91 und einen zweiten Knick­ punkt 93. Die Knickpunkte stellen die Punkte in dem graphi­ schen Verlauf dar, an denen ein FET in dem ersten Gate-Kon­ densator GC1 und ein FET in dem zweiten Gate-Kondensator GC2 aufgrund des abnehmenden Spannungspotentials des Signalkno­ tens N1 zu leiten beginnen.

Claims (9)

1. Aktiver Pixelsensor mit:
einer Photodiode (D2), wobei die Photodiode (D2) eine Ladung als Funktion einer Intensität von durch die Pho­ todiode (D2) empfangenem Licht leitet, wobei die Photo­ diode (D2) eine Diodenkapazität aufweist, die die La­ dung sammelt, die von der Photodiode (D2) geleitet wird, wobei die Photodiodenspannung verändert wird;
einem geschalteten Kondensator, der zu der Photodiode (D2) parallel geschaltet wird, wenn die Photodioden­ spannung ein vorbestimmtes Spannungspotential erreicht, wobei eine Kapazität des geschalteten Kondensators zu der Diodenkapazität hinzugefügt wird, wenn der ge­ schaltete Kondensator verbunden ist; und
einer Einrichtung zum Abtasten der Photodiodenspannung.
2. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem der ge­ schaltete Kondensator einen Gate-Kondensator (GC) auf­ weist.
3. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 2, bei dem der ge­ schaltete Kondensator (GC) durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten Gate-Kondensatoren (GC1, GC2) ersetzt ist.
4. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 2, bei dem der Gate-Kondensator (GC) einen FET umfaßt, wobei ein Source-Anschluß und ein Drain-Anschluß des FET mit der Kathode der Photodiode (D2) verbunden sind.
5. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 4, bei dem das vor­ bestimmte Spannungspotential durch Auswählen einer Gate-Spannung des FET in dem Gate-Kondensator (GC) aus­ gewählt wird.
6. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 3, bei dem jeder Gate-Kondensator (GC1, GC2) einen FET aufweist, wobei ein Source-Anschluß und ein Drain-Anschluß des FET mit der Kathode der Photodiode (D2) verbunden sind.
7. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 6, bei dem eine Mehrzahl von vorbestimmten Spannungspotentialen durch Auswählen einer Gate-Spannung des FET in jedem Gate- Kondensator ausgewählt wird.
8. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 5, bei dem die Gate-Spannung variabel einstellbar ist, wodurch das vorbestimmte Spannungspotential variabel eingestellt wird.
9. Aktiver Pixelsensor gemäß Anspruch 5, bei dem die Ein­ richtung zum Abtasten der Photodiodenspannung einen Vorspannungstransistor (Q5) und einen Auswähltransistor (Q6) aufweist.
DE19836356A 1997-11-03 1998-08-11 Aktiver Pixelsensor mit einstellbarer Verstärkung Expired - Lifetime DE19836356C2 (de)

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US08/962,628 US6246436B1 (en) 1997-11-03 1997-11-03 Adjustable gain active pixel sensor

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