DE69215943T2

DE69215943T2 - Verarbeitungsschaltung mit Integrator und Tiefpassfilter für jeden Pixel einer infraroten Bildebene-Matrix

Info

Publication number: DE69215943T2
Application number: DE69215943T
Authority: DE
Inventors: Dana Dudley
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2012-04-01
Also published as: EP0507541A2; DE69215943D1; EP0507541A3; EP0507541B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Signaiprozessorschaltung, die für sich genommen in Verbindung mit jedem Pixel einer Brennebenen-Matrix (FPA) verwendet wird, um das Signal/Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals jedes einzelnen Pixeis der Matrix zu verbessern.

KURZE BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Brennebenen-Matrizen und insbesondere Brennebenen-Blickmatrizen bestehen aus einer Vielzahl von Infrarotdetektorelementen oder Pixeln in einer Matrixanordnung (z.B. 64 x 64 Pixel), die im allgemeinen bis auf eine Temperatur in dem Bereich von flüssigem Stickstoff (77K) gekühlt werden. Diese Matrix ist stationär, so daß jedes Element der Matrix fortwährend den gleichen Teil der Szene betrachtet. Da sich nichts verändert, wird diese Tatsache ausgenutzt, indem eine Integration über eine gewisse Zeitperiode durchgeführt wird, wobei klar ist, daß sich das Signal im Verhältnis zum Rauschen um so mehr aufbaut, je länger die Integration dauert. Das liegt daran, daß der Signalpegel mit der Länge der Integrationszeit multipliziert wird, während das Rauschen mit der Wurzel der Zeit multipliziert wird und daher kleiner ist, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert wird.
Jedes Detektorelement enthält einen Kondensator, auf dem Ladung von einem Teil des beobachteten Bildes akkumuliert wird, wobei die Ansammlung von Ladung wihrend der Zeit zu einer Integration führt. Sowohl der Signal- als auch der Rausch-Strom werden auf dem Kondensator integriert. Es ist wünschenswert, daß die Kondensatoren groß sind, so daß sie mehr Ladung halten können und, worauf oben hingewiesen wurde, eine Integration über ausgedehnte Zeitperioden erlauben. Jedoch hängt die Kapazität der Kondensatoren von der Fläche ab, so daß Kondensatoren mit großen Kapazitätswerten eine Fläche erfordern, die im Vergleich zur Fläche jedes Pixels groß ist und sie nicht leicht als ein Teil der Matrix untergebracht werden können. Aus diesem Grund sind die Kondensatoren im allgemeinen sehr klein und werden als Teil der Matrix untergebracht.
Da der Signalstrom, der den Kondensator auflädt, sehr groß sein kann, folgt daraus, daß ein Kondensator mit einem kleinen Kapazitätswert nur während einer bestimmten, möglicherweise relativ kurzen Zeit integrieren kann, bevor die Spannung an dem Kondensator so groß wird, daß der Kondensator keine weitere akkumulierte Ladung unterbringen kann. Das bedeutet, daß ein wesentlicher Teil der potentiellen Ladezeit nicht verwendet und verschwendet wird. Das schafft eine Unsicherheit, was das Ergebnis der Integration angeht.
Es ist wünschenswert, daß die Integration eines Signals an jedem Pixel eines Detektors, der auf eine bestimmte kleine Fläche einer Szene fokussiert ist, während einer Zeitdauer stattfindet, die so lang wie möglich ist und auf jeden Fall über eine ausgedehnte Zeitdauer läuft, so daß das Rauschen einen relativ kleinen Anteil an dem Gesamtsignal hat und dadurch der Effekt des Rauschens auf das Signal vermindert wird.
FR-A-2 599 529, auf der der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, offenbart eine Anordnung, bei der eine Infrarot-Photodiode eines Detektionsfeldes mit einer zugehörigen Eingangsschaltung eines Verarbeitungsfeldes verbunden ist, wobei die zwei Felder in einer Wärmebildkamera zur Bildherstellung verwendet werden. Die Eingangsschaltungen des Verarbeitungsfeldes sind auf einem Siliziumsubstrat integriert.
Die Kathode der Photodiode ist direkt über den Kanal eines ersten Feldeffekttransistors mit einem ersten Bereich der integrierten Schaltung verbunden, der einen Integrationskondensator bildet. Der Integrationskondensator ist mittels eines Schalters mit einem zweiten größeren Speicherkondensator verbunden, der in der integrierten Schaltung gebildet ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennebenen-Matrixschaltungsteil, enthaltend:
(a) ein Pixel mit vorbestimmter Fläche, das eine Ladung abhängig davon liefert, daß Strahlung auf es auftrifft;
(b) eine Ladungsspeicherschaltung zum Speichern der Ladung abhängig vom Empfang der Strahlung durch das Pixel;
(c) Schaltermittel zum periodischen Übertragen von Ladung von der Ladungsspeicherschaltung und anschließendem Entladen der Ladungsspeicherschaltung;
(d) ein Speichermittel zum Speichern der übertragenen Ladung; und
(e) eine Ausgangsklemme; dadurch gekennzeichnet, daß
(f) ein Tiefpaßfilter zwischen die Ausgangsklemme und das Speichermittel gekoppelt ist, wobei die Struktur von (b) bis
(f) in einem einzigen Halbleiterchip eine Fläche einnimmt, die im wesentlichen gleich der Fläche des Pixels ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Signal/Rausch- Verhältnis einer Blickmatrix aus Infrarotdetektoren verbessert, indem im wesentlichen über die gesamte verfügbare Signalempfangsperiode integriert wird. Das wird dadurch erzielt, indem das empfangene Signal periodisch integriert wird, eine teilweise Integration vor dem Überladen des Integrationskondensators ausgelesen wird, der Integrationskondensator entladen wird und dann das Aufladen des Integrationskondensators begonnen wird, wobei dieser Zyklus sich kontinuierlich wiederholt. Obwohl die gesamte oder der größte Teil der integrierten Ausleseschaltung, die für die Integration erforderlich ist, innerhalb der Fläche unter jedem der Abtastelemente oder Pixel der Matrix angeordnet werden kann, wird dieses erreicht. Die Einheitszelle oder die zu jedem Pixel gehörende Schaltungsanordnung integriert wiederholt das Eingangssignal und das Bias- Signal und den Hintergrundstrom auf einem Kondensator, der so klein ist, daß er unter das zugehörige Pixel paßt. Die Schaltung tastet jede Integration ab, und führt dann eine Tiefpaßfilterung an dem Zug abgetasteter Daten mit einem RC- Filter durch, bei dem große Widerstände und kleine Kapazitäten verwendet werden. Da die entsprechende Schaltung mit großen Widerständen und kleinen Kapazitäten weniger Fläche an integrierter Schaltung erfordert als bei kleinen Widerständen und großen Kapazitäten, kann das gewünschte Ergebnis erzielt werden. Dieses Konzept läßt sich sowohl bei Photonen- als auch Widerstands-Bolometer-(thermischen)-Detektoren verwenden.
Insbesondere erzeugt jede Zelle oder jedes Pixel der Matrix einen Strom, der proportional zur Menge der darauf auffallenden Infrarotstrahlung ist und lädt einen ersten Kondensator. Die Ladung auf dem Kondensator wird periodisch verstärkt und über ein Abtast-Halte-Schalterelement zu einem zweiten Kondensator geführt, und der erste Kondensator wird über einen Rücksetzschalter entladen. Die Ladung auf dem zweiten Kondensator wird verstärkt und zu einem Tiefpaßfilter geführt, der einen großen Widerstandswert in der Größenordnung von 10&sup9; Ohm und einen kleinen Kapazitätswert in der Größenordnung von 10&supmin;¹² bis 10&supmin;¹³ Farad besitzt, was im wesentlichen das Rauschen in dem Signal beseitigt und das vom Rauschen freie Signal zu einer geeigneten Schaltungsanordnung führt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennebenen-Matrix mit einer Vielzahl von Pixeln in einer Matrixanordnung;
Fig. 2 ist ein Schaltplan eines einzelnen Pixels mit einer zugehörigen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 (a) bis 3 (c) sind Schaubilder der Signale an angegebenen Stellen in der Schaltung der Fig. 2; und
Fig. 4 ist ein Schaltplan, der zeigt, wie der Widerstand 25 der Fig. 2 unter Verwendung von Dioden implementiert werden würde.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 ist eine Draufsicht einer Brennebenen-Matrix 1 mit einer Vielzahl von Pixeln 3 dargestellt, die darin angeordnet sind. Jeder Pixel 3 ist mit einer getrennten elektronischen Schaltungsanordnung (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden, die entweder in dem Wafer angeordnet ist, der die Brennebenen- Matrix enthält und im allgemeinen unter dem zugehörigen Pixel liegt, oder in einem getrennten Wafer angeordnet ist, an dem der Wafer, der die Brennebenen-Matrix enthält, in bekannter Weise befestigt ist.
In Fig. 2 ist einer der Pixel 3 der Fig. 1 gezeigt, der als eine Stromquelle 11 und ein Integrationskondensator 13 dargestellt ist. Die Stromquelle 11 stellt die Summe aus dem Dunkelstrom und dem Photostrom dar, der durch das Auftreffen von infraroter Strahlung auf den Pixel erzeugt wird, wobei dieser erzeugte Strom den Integrationskondensator 13 auflädt. Die Ladung auf dem Integrationskondensator 13 wird während einer vorbestimmten Zeitperiode kontinuierlich aufgebaut, worauf dann der Abtast-Halte-Transistorschalter 19 leitend wird und die Ladung auf dem Kondensator 13 durch den Verstärker 17 verstärkt wird, durch den Schalter 19 läuft und den Kondensator 21 auflädt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Abtast-Halte-Schalter 19 geschlossen und der Rücksetz-Transistor 15 durchgeschaltet, um den Kondensator 13 zu entladen, woraufhin der Rücksetz-Transistor erneut geöffnet wird und der Ladezyklus für den Kondensator 13 wiederholt wird. Die Ladung auf dem Kondensator 21 wird durch den Verstärker 23 verstärkt und läuft dann über ein Tiefpaß-Filter, das aus dem Widerstand 25 und dem Kondensator 27 besteht, und sie läuft dann zur Ausgangsklemme 29 für die Übertragung zur weiteren Schaltungsanordnung wie es erforderlich ist.
Der Zweck des Integrationskondensators 13 besteht darin, das Spannungsrauschen am Punkt A am Eingang des Verstärkers 17 über das Rauschen, das durch den Verstärker 17 erzeugt wird, und das KT/C abgetastete Johnson-Rauschen zu erhöhen, das auf dem Kondensator gespeichert ist. Es ist zu erkennen, daß das KT/C-Rauschen durch Erhöhen der Kapazität des Kondensators 13 vermindert werden kann. Jedoch erfordert ein Anstieg der Kapazität des Kondensators 13 es, wie oben festgestellt, daß ein größerer Teil des Bereich des Halbleitermaterials unter dem zugehörigen Pixel verwendet wird. Wegen der kleinen Pixelabmessungen ist dieser Teil des Bereichs klein und begrenzt die zu erhaltende Kapazität. Demgemäß tritt das Problem auf, daß die Kapazität des Kondensators 13 nicht groß genug gemacht werden kann, um über einige Millisekunden zu integrieren, um das Signal/Schrotrauschen-Verhältnis zu verbessern. Um dieses Problem zu vermindern, wobei trotzdem der kleine Kapazitätswert verwendet wird, wird das Tiefpaß-Filter, das aus dem Widerstand 25 und dem Kondensator 27 besteht, unter Verwendung eines sehr großen Widerstands vorgesehen. Der Widerstand kann auf irgendeine bekannte Weise erzielt werden, z.B. durch Verwendung von in vorwärtsrichtung vorgespannten Dioden (wie in US-A-5 144 133 beschrieben) oder durch Verwendung von nahezu undotiertem Polysilizium, das bis zu einem Niveau dotiert wurde, bei dem der gewünschte Widerstandswert erzielt wird, basierend auf den Abmessungen des Polysiliziumbereiches selbst.
Die Ladung auf dem Kondensator 13 während des Betriebes ist in Fig. 3 (a) am Punkt A dargestellt, wobei It/C der durchschnittliche Signalsockel ist, und wobei t typischerweise 5 Mikrosekunden beträgt. Der integrierte und abgetastete Zug des Rauschens am Kondensator 21 oder am Punkt B ist in Fig. 3 (b) dargestellt, wo zu erkennen ist, daß der größte Teil des Rauschens entfernt wurde. Das Ausgangssignal der Schaltung am Punkt C ist in Fig. 3 (c) darge stellt, wo zu erkennen ist, daß im wesentlichen das ganze Rauschen entfernt wurde.
Am Punkt B ist das Integrator-Rauschspektrum gegeben durch:
Die Integration über die Frequenz liefert: tiefe Frequenz Am Punkt C für t« 1/delta f: bandbegrenztes Rauschen
Es ergibt sich, daß die Signal/Rausch-Verbesserung von Punkt B zu Punkt C (/t delta f)2/2 ergibt, was eine große Verbesserung gegenüber einem zum Stand der Technik gehörenden Integrator und gegenüber Schalterkondensatorverfahren ist.
Das Verfahren zum Vorsehen eines Widerstands, der einen solch großen Widerstandswert besitzt, daß das Rauschen, das sich entwickelt, bei einer sehr niedrigen Frequenz liegt und unter Verwendung von Dioden herausgefiltert werden kann, ist in US-A-5 144 133 (EP A 0507542) beschrieben.
In Fig. 4 ist ein Schaltplan dargestellt, der zeigt, wie der Widerstand 25 der Fig. 2 unter Verwendung von Dioden implementiert werden würde. Wie zu erkennen ist, ist der Widerstand 25 der Fig. 2 zwischen dem Verstärker 23 und der Ausgangsklemme 29 angeordnet, wobei der Kondensator 27, welcher ein MOSFET sein könnte, zwischen die Klemme 29 und die Referenzspannung gekoppelt ist. Der Widerstand 25 ist unter Verwendung eines Kaskodentransistors 71 implementiert, dessen Gate-Anschluß mit einer Spannungsquelle VGG verbunden ist, dessen Source-Anschluß über eine Diode 73 mit einer Filterspannungsquelle VFILTER verbunden ist, und dessen Drain-Anschluß mit der Ausgangsklemme 29 verbunden ist. Die Anode einer Diode 75 ist mit der Ausgangsklemme 29 verbunden und ihre Kathode ist mit dem Ausgang des Verstärkers 23 verbunden.
Die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 4 wird im folgenden erklärt. Die große bandbegrenzende Zeitkonstante (ungefähr 2 ms) für den Filter, der aus dem Widerstand 25, der der Diode 75 entspricht, und dem Kondensator 27 besteht, wird durch eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 75 und die kleine Standard-MOS-Gate-Kapazität von 0,35 pF des Kondensators 27 erzielt. Unter Verwendung eines Dioden-Bias-Stroms von ungefähr 5 pA wird der erforderliche dynamische Widerstand von 6 x 10&sup9; Ohm erzielt. Der Bias-Strom wird durch eine zweite in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode 73 in Verbindung mit dem Kaskoden- MOSFET 71 erzielt. Der MOSFET wird wegen seiner extrem hohen Drainimpedanz (> 10¹³) verwendet, während die Diode 73 als eine Hochimpedanzquelle verwendet wird, um die Effekte von den MOSFET-Schwellenvariationen und das Rauschen durch Begrenzung von dessen Verstärkung zu unterdrücken. Beide Dioden 75 und 73 können durch große Widerstände ersetzt werden, jedoch muß eine genau eingestellt werden. Außerdem wird durch die Verwendung der Dioden der Frequenzabfall durch Einstellen der Bias-Spannung und dadurch des Stroms in den Dioden gesteuert.
Es ist zu erkennen, daß die oben beschriebene Schaltungsanordnung in Fig. 3 auch verwendet werden kann, um das Signal/Rausch-Verhältnis unter Verwendung einer Bolometer-Matrix zu verbessern, worin anstelle eines Photostroms der Signalstrom durch Temperaturänderungen in einem mit Vorstrom versehenen Widerstand oder in einem Diodenabtastelement (einem thermischen Detektor) erzeugt wird. In diesem Fall wird die Stromquelle 11 der Fig. 2 durch ein widerstandsbehaftetes Element, an dem eine Vorspannung anliegt, ersetzt, damit Strom fließen und auf dem Kondensator 13 gespeichert werden kann.
Es ist ferner zu erkennen, daß dann, wenn der Abtastelementwiderstand ausreichend groß ist, solch ein Spannungssignal und das Rauschen ohne die Integrations hoch ist und Abtastfunktionen nicht erforderlich sind. In diesem Fall würde eine widerstandsbehaftete Last verwendet werden, die gefolgt wäre von einem Vorverstärker und einem Tiefpaßfilter.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ihre bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, werden viele Variationen und Modifikationen für Fachleute sofort offensichtich werden. Es ist daher die Absicht, daß die beigefügten Ansprüche in Bezug auf den Stand der Technik so breit wie möglich interpretiert werden, so daß alle diese Variationen und Modifikationen eingeschlossen sind.

Claims

1. Brennebenen-Matrixschaltungsteil (1), enthaltend:

(a) ein Pixel (3) mit vorbestimmter Fläche, das eine Ladung abhängig davon liefert, daß Strahlung auf es auftrifft;

(b) eine Ladungsspeicherschaltung (13) zum Speichern der Ladung abhängig vom Empfang der Strahlung durch das Pixel (3);

(c) Schaltermittel (15, 19) zum periodischen Übertragen von Ladung von der Ladungsspeicherschaltung (13) und anschließendem Entladen der Ladungsspeicherschaltung (13);

(d) ein Speichermittel (21) zum Speichern der übertragenen Ladung; und

(e) eine Ausgangsklemme (29); dadurch gekennzeichnet, daß

(f) ein Tiefpaßfilter (25, 27) zwischen die Ausgangsklemme (29) und das Speichermittel (21) gekoppelt ist,

wobei die Struktur (13, 15, 19, 21, 25, 27) von (b) bis (f) in einem einzigen Halbleiterchip eine Fläche einnimmt, die im wesentlichen gleich der Fläche des Pixels (3) ist.

2. Brennebenen-Matrixschaltung mit mehreren Brennebenen- Matrixschaltungsteilen gemäß Anspruch 1.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei welcher die Ladungsspeicherschaltung (21) ein Brennebenen-Matrixdetektorelement mit einem Kondensator (21) zum Speichern von Ladung enthält.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welcher die Schaltmittel (15, 19) einen Transistor (15), der die Ladungsspeicherschaltung (13) mit einer Referenzspannungsquelle koppelt, und einen Transistor (19), der die Ladungsspeicherschaltung mit dem Speichermittel (21) koppelt, enthalten.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher das Tiefpaßfilter (25, 27) einen Widerstand (25) zwischen dem Speichermittel (21) und der Ausgangsklemme (29) und einen Kondensator (27) zwischen der Ausgangsklemme (29) und der Referenz spannungsquelle enthält.

6. Schaltung nach Anspruch 5, bei welcher der Widerstand (25) einen Widerstandswert in der Größenordnung von 109 Ω hat und der Kondensator (27) einen Kapazitätswert in der Größenordnung von 10&supmin;¹² und 10&supmin;¹³ F hat.