DE69812596T2

DE69812596T2 - Photodiodenanordnung

Info

Publication number: DE69812596T2
Application number: DE69812596T
Authority: DE
Inventors: Hubert Kuderer
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: EP0967793A1; EP0967793B1; US6194703B1; DE69812596D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung gemäß dem kennzeichnenden Anfangsteil von Anspruch 1. Eine derartige Photodiodenanordnung wird zum Beispiel zum Messen des Absorptionsspektrums einer Probensubstanz benutzt, um daraus Informationen zur chemischen Zusammensetzung der Probe und den Mengen der einzelnen Bestandteile in der Probe abzuleiten.
Eine solche Photodiodenanordnung ist dem Fachmann aus der Europäischen Patentschrift EP 0 519 105 B1 bekannt. Diese herkömmliche Photodiodenanordnung kann in einem Flüssigkeitschromatografen zum Analysieren von Substanzen verwendet werden, die aus der Chromatografiesäule eluiert werden. Sie umfasst eine Lichtquelle, die ein breites Spektrum von ultravioletter und sichtbarer Strahlung emittiert, und ein optisches System zum Fokussieren des Lichtstrahls auf eine Probenzelle, durch die die zu analysierenden Probensubstanzen strömen. Je nach den einzelnen durch die Zelle strömenden Substanzen absorbiert die Probe bestimmte charakteristische spektrale Anteile der in die Probenzelle eintretenden Strahlung, so dass die spektrale Zusammensetzung der aus der Zeile austretenden Strahlung für die Probensubstanzen typisch ist.
Bei diesem Spektrometer wird das Spektrum der die Probenzelle verlassenden Strahlung mittels eines Beugungsgitters gewonnen, das im optischen Weg hinter der Zelle angeordnet ist. Das Beugungsgitter lenkt die Lichtstrahlen der verschiedenen Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen. Es wird eine lineare Photodiodenanordnung angebracht, die das durch das Gitter gebeugte Licht empfängt. Daher empfängt jede Diode das einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich entsprechende Licht. Die durch das auf jede Photodiode auftreffende Licht erzeugten elektrischen Signale werden durch eine Leseschaltung ausgelesen und in digitale Datenwerte umgewandelt, die der auf die jeweilige Diode auftreffenden Lichtintensität entsprechen. Diese Datenwerte werden dann in einer geeigneten Form als Funktion von der Wellenlänge, beispielsweise auf einem Katodenstrahlbildschirm, angezeigt.
Die halbleiterbasierte Photodiodenanordnung umfasst eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, die über elektronische Schalter mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung, z. B. einer Videoleitung, verbunden sind, die wiederum mit einem Ladungsverstärker verbunden ist. Jedes lichtempfindliche Element weist einen zugehörigen Kondensator auf, der die Übergangskapazität der Photodioden darstellt. Die Kombination aus einem lichtempfindlichen Element und dem zugehörigen Kondensator wird auch als "Photozelle" bezeichnet.
Auf das lichtempfindliche Material auftreffendes Licht erzeugt Ladungsträger, die diese Kondensatoren entladen. Die Kondensatoren der Photozellen sind zunächst mit einem bestimmten Wert vorgeladen und werden durch den durch die Photozellen erzeugten Photostrom entladen, wenn sie von Licht getroffen werden. Die zum Wiederaufladen der Kondensatoren auf ihren ursprünglichen Wert erforderliche Ladungsmenge löst am Ausgang des Ladungsverstärkers eine Spannungsänderung aus, die der Lichtintensität an der Photodiode proportional ist.
Eine Photodiodenanordnung umfasst eine Vielzahl von Photozellen, die jeweils Ausgangssignale erzeugen. Normalerweise arbeitet die Photodiodenanordnung in einem Integrationsmodus, bei dem die Photozellen nacheinander verarbeitet werden. Dies führt jedoch zum Problem der so genannten spektralen Verschiebung. Insbesondere bei Spektralphotometern, die zum Nachweisen von Probensubstanzen eingesetzt werden, die aus der Säule eines Flüssigkeitschromatografen eluiert werden, verändert sich die zu analysierende Probe im Laufe der Zeit. Da die Signale aus den einzelnen Photozellen nacheinander verarbeitet werden, können die bestimmten Wellenlängen entsprechenden Signale zeitlich verschoben sein. Ein weiteres Problem besteht darin, dass normalerweise ein einzelner A/D-Umsetzer verwendet wird, um die Signale der einzelnen Photodioden der Photodiodenanordnung nacheinander umzusetzen. Da die Anzahl der Photodioden für gewöhnlich sehr groß ist, d. h. 1024 Photodioden, muss die Umsetzrate des A/D-Umsetzers sehr hoch sein, z. B. größer als 100 kHz, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten. Derartige A/D-Umsetzer sind ziemlich komplex und teuer.
Aus diesem Grund wird gemäß EP 0 519 105 für die Photodiodenanordnung eine parallele Architektur bevorzugt. Die Signale jedes einzelnen Kanals mit dem zugehörigen Umsetzer werden zeitgleich erzeugt. Die Anforderungen an die A/D- Umsetzer jedes Kanals können daher herabgesetzt und die Messgenauigkeit einer zeitlich veränderlichen Probenkonzentration verbessert werden.
Gemäß einer verbesserten Integration der Photodiodenanordnung z. B. auf einem Silicium-Chip wird vorzugsweise eine Photodiodenanordnung vom Ladungsausgleichstyp verwendet. Bei diesem Typ der Photodiodenanordnung wird die durch die Integratorschaltung gesammelte Ladung in definierten Ladungspaketen durch einen schaltbaren Übertragungskondensator beseitigt. Die zum Aufrechterhalten des Systemgleichgewichts erforderliche Frequenz der Ladungsübertragungen ist dem durch die einzelne Photodiode erzeugten Photostrom proportional. Um die A/D-Umsetzung zu bewirken, ist jede Photodiode mit dem Summierknoten eines Integrators verbunden, der ständig die dem Photostrom entsprechende Ladung sammelt. Das Ausgangssignal des Integrators wird durch einen geeigneten Komparator periodisch mit einem vorgegebenen Signalpegel verglichen; als Reaktion auf diese Vergleiche werden Ladungen zum oder vom Integrator übertragen, um das Ausgangssignal auf einem vorgegebenen Pegel zu halten. Die Anzahl der während eines vorgegebenen Zeitraums erfolgenden Ladungsübertragungen werden durch einen Logikzähler gezählt. Der ermittelte Zählerstand ist ein digitales Signal, das den tatsächlichen Photostrom darstellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart dieser herkömmlichen Photodiodenanordnung wird eine Stromspiegelschaltung, d. h. ein "Wilson- Stromspiegel" verwendet, um den Photostrom zu verstärken und umzukehren. Diese Ausführungsart ist von Nutzen, da der Photostrom je nach unterschiedlichen Anwendungen und Lichtintensitäten unterschiedlich ausfällt. Die Stromspiegelschaltung wird in die Photostromleitung zwischen die Photozelle und den Summierknoten der Integratorschaltung gesetzt, um die Übergangskapazität der Photozelle vom Ausgangssignal des Integrators am Summierknoten zu entkoppeln.
Die oben erwähnten Photodiodenanordnungen werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen bei vielen verschiedenen Spektralphotometern eingesetzt. In manchen Fällen dient eine Blitzlampe als Lichtquelle. Dieser Lichtquellentyp erbringt höhere Lichtintensitäten. Ihre Haltbarkeit und ihr Wirkungsgrad ist wesentlich höher als der von Dauerlichtquellen.
Es ist jedoch von Nachteil, dass die Photodiodenanordnungen mit Ladungsausgleich nicht zusammen mit derartigen Blitzlichtquellen betrieben werden können, da die Photodiodenanordnung mit Ladungsausgleich sofort gesättigt ist, wenn der Photostrom einen durch die Größe des Übertragungskondensators und der entsprechenden maximalen Übertragungsrate bestimmten Grenzwert überschreitet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine vorrangige Aufgabe der Erfindung, eine Photodiodenanordnung bereitzustellen, die Photoströme verarbeiten kann, die sowohl durch eine Blitzlichtquelle als auch durch eine Dauerlichtquelle erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird in einer Photodiodenanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 durch eine Photodiodenanordnung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 umfasst.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, auch bei Anwendungen mit Blitzlichtquellen von einer Photodiodenanordnung mit Ladungsausgleich zu profitieren, indem die Photodiodenanordnung mit einer Speicherschaltung zum Puffern eines durch hohe Lichtintensitäten verursachten möglichen Ladungsüberschusses ausgestattet wird, wie sie für Blitzlichtquellen typisch sind.
Dies verhindert eine Sättigung der Photodiodenanordnung. Der Ladungsüberschuss kann in der beschriebenen Weise, d. h. im Zeitraum zwischen zwei Blitzlichtimpulsen, verarbeitet werden.
Wenn die Speicherschaltung eine Strombegrenzungsschaltung umfasst, besteht das Grundprinzip der Speicherung in der Umsetzung eines nicht verarbeitbaren Photostromimpulses in eine verarbeitbaren konstanten Überschussstrom, dessen Dauer dem Wert des Photostromimpulses proportional ist. Das Integral der Photostromimpulsfunktion über die Zeit ist daher gleich dem Integral der entsprechenden Überschussstromfunktion über die Zeit. Dieser Integralwert entspricht der Intensität des auf eine einzelne Photodiode auftreffenden Lichts. Der Wert des Überschussstroms wird unterhalb des durch den Sättigungsgrenzwert bestimmten Verarbeitungsgrenzwerts der Photodiodenanordnung gesetzt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die verbesserte Photodiodenanordnung auch auf einem einzigen Halbleiter-Chip anzuordnen. Es ist daher von Vorteil, dass die Strombegrenzungsschaltung eine MOSFET-Schaltung umfasst. Die zusätzlichen Vorteile der MOSFETs sind dem Fachmann bekannt.
Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, die hohe Messgenauigkeit der Photodiodenanordnung beizubehalten. Daher muss die Strombegrenzungsschaltung den Photostrom unterhalb des Verarbeitungsgrenzwerts praktisch unverändert leiten und die Photostromimpulse in einem linearen Verfahren in Überschussstrom umwandeln. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, den MOSFET mit einer stabilisierten Konstantspannung als Gate- Source-Spannung zu betreiben.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsart der Photodiodenanordnung auf einem einzigen Halbleiter-Chip umfasst die Konstantspannungsquelle einen n-MOSFET, der gegenpolig mit einem p-MOSFET geschaltet ist, welcher als Strombegrenzer wirkt.
Bei einer weiteren Verbesserung der oben erwähnten Ausführungsart sind anstelle des n-MOSFETs zwei p-MOSFETs in Reihe geschaltet und mit einer Konstantstromquelle verbunden, um die stabilisierte Spannung bereitzustellen. Der Vorteil dieser Schaltung besteht in der Verwendung von p-MOSFETs, die während desselben Herstellungsschritts erzeugt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Schaltung eine mögliche Drift der Schwellenspannungen ausgeglichen wird.
Die Konstantstromquelle gemäß den Merkmalen von Anspruch 6 umfasst eine zusätzliche MOSFET-Schaltung. Dies ist ebenfalls von Vorteil, um einen möglichst hohen Integrationsgrad der Photodiodenanordnung auf einem einzigen Chip zu erreichen. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, diese MOSFET-Schaltung als eine durch eine konstante Spannung gesteuerte Konstantstromquelle zu betreiben. Der Betrieb mit einer konstanten Spannung ist von Vorteil, da konstante Spannungen wesentlich leichter bereitgestellt werden können als konstante Ströme.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das Anwendungsgebiet der Photodiodenanordnung zu erweitern. Zu diesem Zweck ist eine programmierbare Speicherschaltung von Vorteil, um eine Änderung des Wertes des konstanten Überschussstroms zu ermöglichen, damit der Verarbeitungsgrenzwert der Photodiodenanordnung angepasst werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart dieses Aspektes der Erfindung wird mindestens eine schaltbare Stromquelle angeschlossen, um einen einstellbaren konstanten Überschussstrom bereitzustellen.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsart der Erfindung wird in jedem Kanal der Photodiodenanordnung zwischen die Speicherschaltung und die Integratorschaltung eine Stromspiegelschaltung geschaltet, um den durch die Speicherschaltung bereitgestellten Photostrom zu verstärken und umzukehren. Durch die Verstärkung des Photostroms werden die Anwendungsmöglichkeiten bezüglich der sehr unterschiedlichen auf die Photodioden auftreffenden Lichtintensitäten erweitert Durch die Umpolung des Photostroms wird sichergestellt, dass die durch den Photostrom bereitgestellte Ladung am Summierknoten der Integratorschaltung gesammelt und in definierten Ladungspaketen abgeführt wird. Dies lässt sich leichter als der umgekehrte Vorgang durchführen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in gemeinsamen Verwendung einer Spannungserzeugungsschaltung für eine Gruppe von Kanälen oder für alle Kanäle der Photodiodenanordnung. Dadurch werden die Komplexität der Photodiodenanordnung und die Herstellungskosten verringert.
Es ist ferner von Vorteil, zur Erweiterung des Anwendungsgebiets der Erfindung die gemeinsame Spannungserzeugungsschaltung zu steuern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine Ausführungsart der Erfindung wird unter mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit einer Photodiodenanordnung, das eine Photodiodenanordnung gemäß der Erfindung umfasst,
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Kanal der Photodiodenanordnung vom Ladungsausgleichtyp mit einem Strombegrenzer veranschaulicht,
Fig. 3 zeigt zwei zusammen gehörende Zeitablaufdiagramme verschiedener Photostromimpulse Iph und des entstehenden Überschussstroms Iin,
Fig. 4 zeigt eine Schaltung mit einer ersten Ausführungsart eines geeigneten Strombegrenzers,
Fig. 5 zeigt eine Schaltung mit einer zweiten Ausführungsart eines geeigneten Strombegrenzers,
Fig. 6 zeigt eine Schaltung für eine verbesserte Ausführungsart der Schaltung von Fig. 5 mit einer zusätzlichen MOSFET-Schaltung zum Erzeugen eines Versorgungsstroms Ibias,
Fig. 7 zeigt eine Erweiterung der Schaltung von Fig. 6, bei der der Strombegrenzer gesteuert werden kann, und
Fig. 8 zeigt das Schema einer Schaltung einer vollständigen Photodiodenanordnung mit einer gemeinsamen Spannungserzeugungsschaltung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART

Fig. 1 zeigt schematisch eine Photodiodenanordnung zur Messung der Absorption eines polychromatischen Strahls von ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung durch eine zu analysierende Probe.
Das Spektrometer umfasst eine Lichtquelle 1, z. B. eine Deuteriumlampe, die einen Lichtstrahl 2 mit polychromatischer Strahlung emittiert. Gemäß der Erfindung kann die Lichtquelle 1 auch eine Blitzlichtlampe sein. Der Lichtstrahl 2 wird durch ein Linsensystem 3 auf eine Probenzelle 5 fokussiert. Das Linsensystem 3 ist vorzugsweise ein achromatisches System, um sicherzustellen, dass Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge praktisch denselben Brennpunkt aufweisen. Es wird eine Blende 4 zum Unterbrechen des Lichtstrahls 2 bereitgestellt, um das Dunkelsignal der Photodioden der Photodiodenanordnung 11 zu messen. Bei der Messung selbst tritt der Strahl 2 durch die Probenzelle 5, und das Dunkelsignal oder andere Korrektursignale werden von den gemessenen Werten subtrahiert, um Messfehler zu korrigieren.
Die Probenzelle 5 kann einen Zufluss und einen Abfluss umfassen, durch die kontinuierlich eine zu analysierende Probenflüssigkeit strömt. Ein derartiges Spektrometer wird bei Flüssigkeitschromatografen verwendet, die mit einer chromatografischen Trennsäule verbunden sind, aus der kontinuierlich Probensubstanzen eluiert werden.
Die in die Probenzelle 5 eintretende polychromatische Strahlung wird durch die Substanz in der Zelle teilweise absorbiert. Je nach den Probensubstanzen werden die Strahlen bestimmter Wellenlängen stärker als die Strahlen anderer Wellenlängen absorbiert. Im Ergebnis dessen weist der aus der Zelle 5 austretende Strahl eine andere spektrale Zusammensetzung als der in die Zelle 5 eintretenden Lichtstrahl 2 auf, wodurch das entstandene Spektrum Informationen über die Art und die Menge der verschiedenen Substanzen in der Zelle 5 enthält.
Der aus der Zelle 5 austretende Strahl trifft auf ein holografisches Beugungsgitter 10, welches das Licht in Abhängigkeit von den verschiedenen Wellenlängen des darauf auftreffenden Strahls verschieden stark beugt. Die vom Gitter 10 kommenden räumlich getrennten Lichtstrahlen treffen auf eine Photodiodenanordnung 11, die aus einer Vielzahl einzelner lichtempfindlicher, durch lichtunempfindliche Zwischenräume voneinander getrennter, Dioden besteht. Jede der Photodioden empfängt einen bestimmten spektralen Anteil der gebeugten Strahlung.
Die Photodiodenanordnung 11 ist mit einer Leseschaltung 20 für das kontinuierliche Auslesen der von den Photodioden kommenden elektrischen Signale verbunden. Diese Signale zeigen die Intensität der auf die Photodioden auftreffenden Lichtsignale an. Die von der Photodiodenanordnung 11 ausgelesenen elektrischen Signale werden dann in einer Signalverarbeitungseinheit 21 weiter verarbeitet. Die Funktion der Leseschaltung 20 und der Signalverarbeitungseinheit 21 wird durch einen Controller 23 gesteuert, der auch das Anzeigemittel 22 zum Anzeigen eines Spektrums der analysierten Probe steuert.
In Fig. 2 ist eine in Sperrrichtung vorgespannte Photodiode 30 gezeigt, die als Stromquelle dient. Jeder Photodiode 30 ist ein Kondensator Cs zugeordnet, der die Übergangskapazität der Photodioden 30 darstellt. Wenn Licht auf die Photodioden auftrifft, fließt ein Photostrom Iph, dessen Wert der auftreffenden Lichtintensität proportional ist. Die Photodiode 30 ist über eine Strombegrenzungsschaltung 32 und eine Stromspiegelschaltung 33 mit einem Summierknoten 34 einer Integratorschaltung 35 verbunden, die einen Operationsverstärker 36 und in dessen Rückkopplungsleitung einen Kondensator Cint umfasst. Die Vorspannung der Photodiode 30 entspricht der Spannung Vs am Kondensator Cs. Eine zusätzliche Übertragungsschaltung 37 umfasst einen durch eine Logikschaltung 41 gesteuerten schaltbaren Übertragungskondensator Cd. Der Ausgang der Integratorschaltung 35 ist mit einer Komparatorschaltung 42 verbunden, die wiederum mit der Logikschaltung 41 verbunden ist. Die zur Bewahrung des Systemgleichgewichts erforderlichen Ladungspakete des Übertragungskondensators Cd werden durch einen digitalen Zähler 43 gezählt. Das digitale Ausgangsignal des Zählers 43 zeigt die auf die Photodiode 30 auftreffende Lichtintensität an. Der oben beschriebene Typ der Photodiodenanordnung 11 wird als "Ladungsausgleichstyp" bezeichnet.
Die Stromspiegelschaltung 33 ist vorzugsweise ein herkömmlicher Wilson- Stromspiegel, der drei MOSFETs umfasst, wie sie z. B. in EP 0 519 105 B1 beschrieben sind. Gemäß der Erfindung können aber auch andere Stromspiegelschaltungen verwendet werden.
Gemäß der Erfindung wird die Strombegrenzungsschaltung 32 zwischen die Stromspiegelschaltung 33 und die Photodiode 30 geschaltet. Ihre Funktion besteht darin, den Photostrom Ipn auf einen durch die Sättigung des Übertragungskondensators Cd der Photodiode 11 vom Ladungsausgleichstyp vorgegebenen Prozessgrenzwert zu begrenzen.
Fig. 3 zeigt einen durch die Photodiode 30 emittierten Photostromimpuls Iph, der durch auf die Photodiode 30 auftreffendes Blitzlicht ausgelöst wurde und durch die Strombegrenzungsschaltung 32 in nahezu rechteckige Stromimpulse eines konstanten Überschussstroms Iin umgewandelt wird. Die Impulsfänge entspricht der Amplitude des Photostromimpulses, sodass die die Integrale über die Zeit der Funktion Iph und der Funktion Iin zumindest ungefähr gleich sind. Fig. 3 zeigt zur Veranschaulichung verschiedene Photostromimpulse Ipn und die entsprechenden Überschussströme Iin in einem einzigen Diagramm.
In einer nicht dargestellten vereinfachten Ausführungsart umfasst die Strombegrenzerschaltung einen RC-Filter zur Begrenzung des Photostroms Iph. Diese Ausführungsart kann nicht als integrierte Schaltung hergestellt werden.
Fig. 4 zeigt eine verbesserte Ausführungsart. Die MOSFET-Schaltung M1, M2 und M3 wirkt als Stromspiegelschaltung 33. Bei dieser Ausführungsart ist die Strombegrenzerschaltung 32 ein MOSFET M4. Dieser MOSFET M4 wird in Verbindung mit einer stabilisierten Konstantspannung Vf verwendet, um eine gute Leitung des MOSFETs M4 zu gewährleisten, wenn der Photostrom Iph unterhalb des Verarbeitungsgrenzwerts liegt, und einen konstanten Überschusstrom Iin zu erzeugen, wenn der Photostrom Iph diesen Grenzwert übersteigt. Der Grenzwert ist gegeben durch:
Vf = Vth + Ve,
wobei
Vf - stabilisierte Spannung zwischen Gate und Source des MOSFETs M4;
Vth = Schwellenspannung des MOSFETs M4,
Ve = Spannungsabweichung von der Schwellenspannung Vth bei einem bestimmten Überschussstrom Idrain
Der Überschusstrom Iin wird dann zu
bestimmt, wobei:
uo = Kanalmobilität des MOSFETs M4,
Cox = Oxidkapazität je Flächeneinheit,
L = Kanallänge des MOSFETs M4,
W = Kanalbreite des MOSFETs M4.
Bei einer in Fig. 5 gezeigten weiter verbesserten Ausführungsart der Erfindung wird die stabilisierte Spannung Vf durch einen n-MOSFET M5 bereitgestellt, der gegenpolig mit einem p-MOSFET M4 verbunden ist, welcher als Strombegrenzer 32 fungiert. Die Gatespannung des n-MOSFETs M5 wird durch eine Stromquelle bereitgestellt, die einen konstanten Versorgungsstrom Ibias liefert. Bei dieser Ausführungsart besteht ein Problem darin, dass gleichzeitig ein n-Kanal-MOSFET M4 und ein p-Kanal-MOSFET M5 Verwendung finden, die in unterschiedlichen Fertigungsschritten hergestellt werden. Die Schwellenspannungen dieser miteinander verbundenen Transistoren M4 und M5 können sich deshalb voneinander unterscheiden. Aus diesem Grund gestaltet sich die Festlegung eines gut definierten Stromgrenzwertes schwierig, insbesondere in Hinblick darauf, dass es vorteilhaft ist, einen Stromgrenzwert nahe dem Verarbeitungsgrenzwert festzulegen, um eine hohe Messauflösung zu gewährleisten.
Aus diesem Grund werden in einer in Fig. 6 gezeigten weiter verbesserten Ausführungsart zwei in Reihe geschalteten p-MOSFETs M6 und M7 mit ihren Spannungsausschlägen Ve6 und Ve7 verwendet, um die stabilisierte Spannung Vf = Ve6 + Ve7 bereitzustellen. Solange der Spannungsausschlag Ve = Ve4 + Ve1 kleiner als der Wert der stabilisierten Spannung Vf ist, arbeitet der MOSFET M4 im linearen Bereich. Wenn der Spannungsausschlag Ve = Vf ist, ergibt sich der Überschussstrom Iin zu:
Diese Gleichung zeigt, dass der Wert des Überschussstroms L nicht von den Prozessparametern abhängt, die sich gegenseitig kompensieren.
Daraus ergibt sich, dass durch Verwendung geeigneter MOSFETs ein gut definierter Überschussstrom eingestellt werden kann.
Der erforderliche konstante Versorgungsstrom Ibias wird in dieser Ausführungsart durch eine Versorgungsschaltung bewirkt, die zusätzliche MOSFETs M8, M9 und M10 umfasst. Diese Versorgungsschaltung weist den Vorteil auf, dass sie mit einer stabilisierten Spannung Vref arbeitet. Ein gut definierter Spannungswert kann wesentlich leichter eingehalten werden als ein vorgegebener Stromwert.
Der Verarbeitungsgrenzwert für die Photodiodenanordnung mit Ladungsausgleich wird durch die maximale Rate der Erzeugung in einem bestimmten Zeitraum zu übertragender fester Ladungspakete vorgegeben. Diese maximale Rate wird normalerweise durch einen mit der Logikschaltung 41 verbundenen Taktgenerator begrenzt, welche den Übertragungskondensator Cd steuert. Es ist daher vorteilhaft, den Wert des Überschussstroms Iin zu ändern. Hierfür eignet sich ein in Fig. 7 gezeigter steuerbarer Strombegrenzer 32, der verschiedene Werte des konstanten Versorgungsstroms Ibias erzeugt und so den Wert des Überschussstroms Iin steuert, indem die durch die MOSFETs M6 und M7 erzeugte stabilisierte Spannung Vf parallel an eine Gruppe schaltbarer Stromquellen 50, 51 angelegt wird. Die Anzahl der Stromquellen 50, 51 hängt vom Anwendungsfall ab.
Die Photodiodenanordnung kann, wie in Fig. 8 gezeigt, mit einer gemeinsamen Spannungserzeugungsschaltung 53 zum Bereitstellen einer stabilisierten Spannung Vf für jeden Kanal der Photodiodenanordnung verwendet werden. Die gemeinsame Spannungserzeugungsschaltung 53 umfasst auch einige schaltbare Stromquellen 50, 51.
Es wird eine Photodiodenanordnung vom Ladungsausgleichstyp beschrieben, die sowohl mit Blitzlichtlampen als auch Dauerlichtlampen verwendet werden kann. Durch zusätzliche Merkmaie der Erfindung wird eine benutzerfreundliche Anwendung der beschriebenen Photodiodenanordnung für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen ermöglicht.

Claims

1. Photodiodenanordnung mit einer Vielzahl von Kanälen, wobei jeder Kanal Folgendes umfasst:

- eine in Sperrrichtung vorgespannte Photodiode (30), die als Stromquelle wirkt und als Reaktion auf das auf die Photodiode (30) auftreffende Licht ein elektrisches Ausgangssignal (Iph) bereitstellt,

eine Signalverarbeitungseinheit (21) zum Verarbeiten der elektrischen Ausgangssignale (Iph) der Photodiode (30),

- eine A/D-Wandlerschaltung zum Bereitstellen eines digitalen Ausgangssignals, das die Intensität von auf die Photodiode (30) auftreffendem Licht anzeigt, wobei die Schaltung Folgendes umfasst:

- eine Integratorschaltung (35) zum Sammeln einer dem durch die Photodiode (30) bereitgestellten Photostrom (Iph) entsprechenden Ladung,

- eine steuerbare Übertragungsschaltlogik (37) zum Übertragen vordefinierter Ladungspakete zu und/oder von der Integratorschaltung (35),

- eine Komparatorschaltung (42) zum Vergleichen des Ausgangssignals der Integratorschaltung (35) mit einem vorgegebenen Signal,

- eine mit dem Ausgang der Komparatorschaltung (42) und einem Steuereingang der Übertragungsschaltlogik (37) verbundene Logikschaltung (41), um den Ladungsfluss so zu steuern, dass das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (42) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um das vorgegebene Signal gehalten wird, und

- einen Digitalzähler (43) zum Zählen der Anzahl der zu oder von der Integratorschaltung (35) gelieferten Ladungspakete während eines vorgegebenen Zeitintervalls,

dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Speicherschaltung in einen Photostrompfad eingefügt wird, um einen durch eine hohe Intensität des auf die Photodiode (30) einfallenden Lichts hervorgerufenen möglichen Ladungsüberschuss zu puffern und diesen Ladungsüberschuss dann auf diesem Photostrompfad als konstanten Überschussstrom (k) zu und/oder von der Integratorschaltung (35) zu leiten,

- wobei dieser konstante Überschussstrom (In) immer kleiner als ein vordefinierter Prozessgrenzwert ist.

2. Photodiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschaltung eine Strombegrenzungsschaltung (32) umfasst, die einen möglichen Photostromimpuls (Iph) in den konstanten Überschussstrom (In) während eines Zeitraums umwandelt, dessen Dauer der Amplitude des Photostromimpulses (Iph) entspricht, um den Photostrom (Iph) im Wesentlichen unverändert unter dem Prozessgrenzwert abzuleiten.

3. Photodiodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (32) einen in den Photostrompfad eingefügten MOSFET (M4) mit einer als Gate/Source-Spannung angelegten stabilisierten Konstantspannung (Vf) umfasst.

4. Photodiodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (32) einen n-MOSFET (M5) mit einem Source/Gate umfasst, das an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, welche dem n-MOSFET (M5) einen konstanten Versorgungsstrom Ibias bereitstellt, wobei der n-MOSFET (M5) gegenpolig mit dem MOSFET (M4) geschaltet ist, um eine als Gate/Source-Spannung angelegte stabilisierte Konstantspannung (Vf) bereitzustellen.

5. Photodiodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (32) zwei p-MOSFETs (M6 und M7) in Reihenschaltung umfasst, die zum Bereitstellen eines konstanten Versorgungsstroms (Ibias) mit einer Konstantstromquelle verbunden sind, um die als Gate/Source-Spannung an den MOSFET (M4) angelegte stabilisierte Spannung (Vf) aufrecht zu erhalten, wobei der MOSFET (M4) ein p-MOSFET ist.

6. Photodiodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle einen Spannungseingang und eine zusätzliche MOSFET-Schaltung (M8 und M9) umfasst, um den konstanten Versorgungsstrom (Ibias) bereitzustellen.

7. Photodiodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschaltung programmiert werden kann, um den Wert des konstanten Überschussstroms (Iin) während eines Ladungsüberschuss zu steuern.

8. Photodiodenanordnung nach Anspruch 7, wenn abhängig von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (32) mindestens eine schaltbare Stromquelle (50 oder 51) umfasst, um einen einstellbaren, aber konstanten Versorgungsstrom (Ibias) für die nachfolgenden MOSFET-Schaltungen bereitzustellen.

9. Photodiodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Stromspiegelschaltung (33) zwischen der Speicherschaltung und der Integratorschaltung (35) zum Verstärken und Umkehren des Photostroms (Iph) umfasst.

10. Photodiodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kanäle der Photodiodenanordnung (11) parallel mit einer gemeinsamen Spannungserzeugungsschaltung (53) zum Bereitstellen der stabilisierten Spannung (Vf) verbunden sind.

11. Photodiodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Spannungserzeugungsschaltung (53) gesteuert werden kann, um den Pegel des konstanten Überschussstroms (Iin) zu steuern.