CN103875180A - 用于动态视觉传感器中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于动态视觉传感器中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路，其使用至少一个光电二极管和至少两个串联晶体管，晶体管中的每一个被以二极管配置的方式连接并被设置在光电二极管的输出端处。来自光电二极管的输出电流流过晶体管的漏极-源极沟道，并且最后一个串联晶体管的源极被连接到选自接地电压、恒定电压或受控电压的电压。

Description

用于动态视觉传感器中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路

技术领域

如在本描述性说明书中所表述的，本发明涉及通过以二极管方式连接的晶体管的、用于动态视觉传感器（DVS）中的时间微分光感测系统（temporally differentiating photo-sensing systems）的低失配和低功耗互阻抗增益电路（transimpedance gain circuit）。

本发明落入电子电路领域，尤其是落入低功耗面积减小的模拟集成电路领域。该电路具体而言关于电压电流前置放大器或者换言之互阻抗的种类。 

背景技术

动态视觉传感器（DVS）是摄像机种类的新型集成电路，尽管其具体地并不是这样的。在商用摄像机中，设备一个黑影照片（photogram）接连一个黑影照片地进行记录。在DVS中，不存在黑影照片。与摄像机类似，该集成电路包含光传感器矩阵。在摄像机中，用固定频率对每个光传感器进行采样。然而，在DVS中，不对像素进行采样。每个像素计算其感测的光的时间导数（time derivative），并且当其超过某个水平（阈值）时，像素向外发射“事件”。该事件通常包括二维光传感器矩阵内的像素的（x，y）坐标。以这样的方式，DVS的输出包括对其感测的强度的变化进行检测的各个像素的（x，y）坐标流。此类DVS传感器由Lichtsteiner、Delbruck和Posch在2006年首次报导（在Visuals Supplement to ISSCC Dig. Of Tech. Papers, San Fransisco, 2006, vol., pp 508-509 (27.9)中的“A 128×128 120dB 30mW Asynchronous Vision Sensor that Responds to Relative Intensity Change”），并且随后由P. Lichtsteiner、C. Posch和T. Delbruck更详细报导（“A 128×128 120dB 15μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor”，IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, No. 2, pp. 566-576, 2008年2月）。

   最近，Posch已报导了新的模型（prototype）（C. Posch、D. Matolin 和R. Wohlgenannt,“A QGVA 143dB dynamic range asynchronous address-event PWM dynamic image sensor with lossless pixel level video-compression”，Solid-State Circuits, 2010 IEEE International Conference ISSCC, Dig of Tech Paper, pp. 400-401, 2010年2月）。

然而，在这些DVS传感器中，由光传感器感测的光电流I _ph 首先通过对数变换被转换成电压。该电压首先被放大，并且随后计算其时间导数。关键参数是该首次放大中的电压增益。放大率越大，传感器将对“时间对比度（Temporal Contrast）”越灵敏。问题在于该放大应在矩阵的每个像素内被执行，并且应由在微芯片中消耗很少功率和很小面积的电路来执行。此外，重要的是其由从一个像素至另一像素未经历增益值的太多离散（dispersion）的电路来执行，假定情况相反，则相互比较起来，其将向各像素的行为中引入很多变化，由此降低传感器的总灵敏度。到目前为止报导的DVS采用基于具有电容器的电路的电压放大级。在集成模拟电路中，聚光器（condensor）具有相互之间的低离散，并且因此非常适合于执行电压放大级。然而，在DVS中，期望获得约20至100（或以上）的电压增益。在用聚光器这样做时，需要至少两个聚光器，其比值（value proportion）等于期望增益的比值。假定聚光器的面积与其值成比例，这意味着聚光器中的一个的面积应是另一个的面积的20与100倍之间。最终结果是在聚光器中消耗像素的面积的一大部分。

   可能的备选可以是通过两个连续级来获得电压增益，假定每个级的增益相乘。然而，在两个连续级之间要求的同步也使得其时间太长，因此显著降低了DVS的速度。

发明内容

为了达到以上所阐述的目的并避免限制，本发明包括通过以二极管方式连接的晶体管的用于动态视觉传感器（DVS）中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路。

因此，本发明涉及用于动态视觉传感器（DVS）中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路，其采用至少一个光电二极管，该系统的特征在于其包括至少两个串联晶体管，晶体管中的每一个被以二极管配置的方式连接并被设置在光电二极管的输出端处，光电二极管的输出电流流过晶体管的漏极-源极沟道，并且最后一个串联晶体管的源极被连接到选自接地电压、恒定电压和受控电压的电压。因此，利用动态视觉传感器的照相机，也被称为DVS照相机，的像素需要至少一个光传感器以产生到互阻抗电路的输入电流。然而，如果在另一情景下使用所述电路，则输入电流可来自并非光电二极管的另一电路或元件。事实上，例如，当以级联方式使用这些级中的数个时，只有第一个从光电二极管接收电流；其余的从晶体管接收电流。

在本发明的优选实施例中，至少两个晶体管具有指数形式的电压-电流特性。

在本发明的另一优选实施例中，晶体管是FET（场效应晶体管）种类的，被极化为弱反型。

在本发明的又一优选实施例中，电路包括多个用于控制在光电二极管中产生的电流的极性的器件，用于控制极性的器件被设置在光电二极管与该至少两个晶体管之间。用于控制极性的这些器件是可选的，并通过获得更快的电路响应而提高电路的输出。

在本发明的附加实施例中，用于控制极性的器件包括电流复制和反相器件。

在本发明的另一优选实施例中，用于控制极性的器件包括电流放大器件。

在本发明的又一附加另一实施例中，用于控制极性的器件是与光电二极管串联的电流镜，用于控制极性的器件的输出电流组成流过至少两个晶体管的漏极-源极沟道的电流。

在本发明的又一优选实施例中，电路包括用于自动控制在电流镜与至少两个晶体管之间的电流镜的增益的电路。

在本发明的另一优选实施例中，电流包括输出电压相比由光电二极管产生的电流之间具有对数相关性。

另外，本发明考虑使用用于在DVS中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路，以便通过将所述互阻抗增益电路设置为在互阻抗电路之前的级来产生电压放大级。

本发明还包括使用用于在DVS中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路，以通过将互阻抗增益电路设置为在互阻抗电路之后的级来产生电压放大级。

此外，本发明还包括将用于DVS中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路用作在信号分支电路之前的级，以便向输出端发送信号，其消除互阻抗增益电路的输出信号的连续电压，由此减少所有像素之间的离散。

附图说明

图1是本发明的实施例的示例，包括单个级。

图2是本发明的实施例的示例，其中电路由两个级组成。

图3是电路中的实施例的示例，其中电路包括具有两个级、其中的每一个具有等于“3”的增益。

具体实施方式

下面是本发明的各种特定实施例的例示性和非限制性描述，对在附图中所采用的编号进行参考。

在本发明中，通过对数变换将光电流转换成电压的电路来隐含地执行在相同微芯片内的各像素之间具有低离散增益的电压放大。

因此，图1示出作为本发明的目的的电路的最基本实施例。所述特定实施例包括产生光电流I _ph 的光电二极管（1），该光电流I _ph 通过具有增益A的电流镜（2）被放大。经放大的电流通向一连串的N个晶体管（3，4和5），N是自然数，这些晶体管都使其栅极连接到其漏极，这被称为以二极管配置方式的连接。请注意，图1示出3个晶体管，其实际上可以是任何数目N个晶体管。

在利用NMOS FET晶体管的实施例的情况下，在被极化（polarised）为弱反型（weak inversion）的每个晶体管（3，4和5）中形成的电压差是近似相同且等于：

                                                 

这样，在最高晶体管中获得的电压约为 

  

在集成电路的实施例中，与电流镜的增益相对应的参数A和与FET晶体管的参数特性相对应的通常被称为“比电流（specific current）”的I _g 从像素到像素经历极大变化，而U _T 对于所有像素而言是相等的物理常数。与FET晶体管的另一参数特性相对应的通常称为“梯度因子（gradient factor）”的参数n从像素到像素经历相对低的变化。当输出电压V _N 被送至分支电路时，其提供输出 

以这种方式，该电路向通过先前的技术获得的增益添加N因子（N是每个级中的晶体管的数目），并且从像素到像素经历大的离散的参数A和I _g 不干涉。

实际上，不可能使用非常高的N值，局限于3或4。然而可能以级联方式来连接不同的级，就像图1中所示的那样。这在图2中示出，其中，第一级具有N ₁ 个串联晶体管且第二级具有N ₂ 个。

在第一块V _N1  （3）中形成的电压被载送至具有被连接至V _Q 的源极的晶体管（11）的栅极，从而产生电流 

一旦从电路V _N1 导出输出时，就获得以下近似结果： 

再次地，在最后的等式中未出现像素之间的高离散指数（index）的参数。这种方法使其可扩展至更多的连续级。

图3示出具有两个级的示例性实施例，每个具有附加增益“3”。其示出电流镜的可能实施例。为了实现所述附加增益，在步骤的每一个中已以级联方式采用3个FET晶体管（3'，4'和5'）。FET晶体管（11）被设置在具有被连接至电压V _Q 的源极的第二级的输入端处，以便产生电流I ₂ 。

电流镜是在关于模拟集成电路设计的文献中众所周知的基本电路。这些将其输入支路中的电流复制（copy）到输出支路，从而向所述输出支路提供可选放大或衰减。在图3中，第一级的电流镜由三个元件组成：两个PMOS FET晶体管（6，7），其栅极被连接到相应恒定电压V _a 和V _b ，以及电压放大器（8），其增益高到足以在将光电二极管（1）接合到第一PMOS晶体管（6）的节点中产生“虚拟接地（virtual ground）”条件，从而显著提高电路的速度。第二级的电流镜（8，9和10）与第一级的相同，尽管可用不同的电压V _c 和V _d 将其极化，这将导致不同的增益。

应通过在所有像素之间被共享的多个极化电路来补充针对每个像素重复的这些电路，以便固定电压V _a 、V _b 、V _c 、V _d  和V _Q 。

在使用DVS照相机的特定情况下，需要至少一个光电二极管以捕捉每个像素中的光。因此，在DVS照相机的每个像素中，将存在互阻抗级（或级联的级）。

如果在除DVS照相机之外的情景下使用该级，则输入电流可来自并非光电二极管的另一电路。事实上，例如，当以级联方式来使用这些级中的数个时，只有第一个从二极管接收电流。其余的从晶体管接收电流。 

Claims (12)

1.用于动态视觉传感器中的时间微分光感测系统的低失配和低功耗互阻抗增益电路，其采用至少一个光电二极管，其中，该系统包括至少两个串联晶体管，所述晶体管中的每一个被以二极管配置的方式连接并被设置在所述光电二极管的输出端处，所述光电二极管的输出电流流过晶体管的漏极-源极沟道，并且最后一个串联晶体管的源极被连接到在接地电压、恒定电压与受控电压之间选择的电压。

2.根据权利要求1所述的互阻抗增益电路，其中，所述至少两个晶体管具有指数型电流-电压特性。

3.根据权利要求2所述的互阻抗增益电路，其中，所述晶体管是FET晶体管并且其被极化为弱反型。

4.根据权利要求1所述的互阻抗增益电路，其中，其包括用于控制在光电二极管中产生的电流的极性的器件，该用于控制极性的器件被设置在所述至少一个光电二极管与所述至少两个晶体管之间。

5.根据权利要求4所述的互阻抗增益电路，其中，用于控制极性的器件包括电流复制和反相器件。

6.根据权利要求5所述的互阻抗增益电路，其中，用于控制极性的器件包括电流放大器件。

7.根据权利要求5或6所述的互阻抗增益电路，其中，用于控制极性的器件是与光电二极管串联的电流镜，该用于控制极性的器件的输出电流是流过所述至少两个晶体管的漏极-源极沟道的电流。

8.根据权利要求7所述的互阻抗增益电路，其中，其包括用于自动控制置于所述电流镜与所述至少两个晶体管之间的电流镜的增益的电路。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的互阻抗增益电路，其中，其包括在输出电压对比由光电二极管产生的电流之间具有对数相关性。

10.将根据权利要求1至9所限定的互阻抗增益电路用于通过将所述互阻抗增益电路设置为在跨导电路之前的级来产生电流放大级。

11.将根据权利要求1至9所限定的互阻抗增益电路用于通过将所述互阻抗增益电路设置为在跨导电路之后的级来产生电压放大级。

12.将根据权利要求1至9所限定的互阻抗增益电路用于作为在分支电路之前的级以在输出端处获得信号，其消除所述互阻抗增益电路的输出信号的连续电压，由此减少像素之间的离散。

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