CN103875180B - 用于动态视觉传感器中的时间微分光感测系统的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路 - Google Patents
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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影响和低耗损互阻抗增益电路，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被复制且被放大且流过晶体管的漏极‑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
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 differentiatingphoto-sensing systems）的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路（transimpedance gaincircuit）。
本发明落入电子电路领域，尤其是落入低耗损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 ISSCCDig. 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 RelativeIntensity 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 VisionSensor”，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 PWMdynamic image sensor with lossless pixel level video-compression”，Solid-StateCircuits,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失配影响的电路来执行，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，电容器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。在用电容器这样做时，需要至少两个电容器，其比值（value proportion）等于期望增益的比值。假定电容器的面积与其值成比例，这意味着电容器中的一个的面积应是另一个的面积的20与100倍之间。最终结果是在电容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配置的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影响和低耗损互阻抗增益电路。
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影响和低耗损互阻抗增益电路，其采用至少一个光电二极管，该低失配影响和低耗损互阻抗增益电路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被复制、放大且被馈送给晶体管，并且流过晶体管的漏极-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低失配影响和低耗损互阻抗增益电路的输入电流。然而，如果在另一情景下使用所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路，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，所述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，被偏置为弱反型（weak inversion）。
低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括用于控制在光电二极管中产生的电流的极性和增益的器件，后者在于被设置在光电二极管与该至少两个晶体管之间的电流镜。电流镜通过获得更快的电路响应而提高低失配影响和低耗损互阻抗增益电路的输出。
电流镜包括电流复制和反相器件。
电流镜包括电流放大器件。
电流镜与光电二极管串联，电流镜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。
在本发明的实施例中，低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括用于自动控制电流镜的增益的极化电路，所述极化电路设置在电流镜与所述至少两个晶体管之间。
在本发明的另一优选实施例中，低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括输出电压对由光电二极管产生的电流具有对数相关性。
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影响和低耗损互阻抗增益电路，以便通过将所述低失配影响和低耗损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影响和低耗损互阻抗增益电路，以通过将低失配影响和低耗损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影响和低耗损互阻抗增益电路用作在信号微分电路之前的级，以便向输出端发送信号，其消除低失配影响和低耗损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失配。
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增益的低失配影响的电压放大。
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，在被偏置为弱反型的每个晶体管（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“斜率因子”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 被送至微分电路时，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失配的参数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失配指数（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，每个贡献有附加增益“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。这些电流镜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 (8)
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影响和低耗损互阻抗增益电路，其采用至少一个光电二极管（1），其中，所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括：
—— 至少两个串联晶体管（3，4，5），所述至少两个串联晶体管（3，4，5）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（1）的输出端处；
—— 电流镜（2），被配置为控制所述至少一个光电二极管（1）中产生的电流的极性和增益，其中所述电流镜（2）包括电流复制和反相器件以及电流放大器件，并且其中所述电流镜（2）被设置在所述至少一个光电二极管（1）和所述至少两个串联晶体管（3，4，5）之间；
其中所述至少两个串联晶体管（3，4，5）由光电二极管电流的复制馈电，其中，所述电流镜（2）复制所述光电二极管电流，且所述光电二极管电流的复制是所述电流镜（2）的输出电流，所述电流镜（2）的输出电流流过所述至少两个串联晶体管（3，4，5）的漏极-源极沟道，并且其中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所述的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路，其中，所述至少两个串联晶体管具有指数型电流-电压特性。
3.根据权利要求2所述的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路，其中，所述至少两个串联晶体管是FET晶体管并且其被偏置为弱反型。
4.根据权利要求1所述的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路，其中，所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括用于自动控制电流镜（2）的增益的极化电路，所述极化电路置于所述电流镜（2）与所述至少两个串联晶体管（3，4，5）之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路，其中，所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路包括在输出电压与由光电二极管（1）产生的电流之间具有对数相关性。
6.将根据权利要求1至5所限定的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路用于通过将所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路设置为在跨导电路（11）之前的级来产生电流放大级。
7.将根据权利要求1至5所限定的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路用于通过将所述低失配影响和低耗损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。
8.将根据权利要求1至5所限定的低失配影响和低耗损互阻抗增益电路用于减少像素之间的失配，其通过如下来实现：针对信号将所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路设置为在微分电路之前的级，其消除所述低失配影响和低耗损互阻抗增益电路的输出信号的连续电压。
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