CN104956654A - 用于检测光传感器矩阵中的光强时变的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测光传感器矩阵中的光强时变的方法和设备，其包括像素矩阵、用于自动调节光电流的放大的块以及判断和事件-编码块。每个像素包括生成光电流的光传感器、连接至所述光传感器出口的可调增益电流镜、布置于所述电流镜出口处的跨阻放大器、可选地至少一个布置于所述跨阻放大器出口处的放大电路、以及用于确定输出电压是否超过较高阈值或落到低于较低阈值以便在所述像素中生成事件的电容器和阈值检测器。

Description

用于检测光传感器矩阵中的光强时变的方法和设备

发明目的

本发明描述了一种用于检测光传感器矩阵中的光强时变的方法和设备，其通过一种方法和设备解决了与现有技术发明相关的问题，所述方法和设备用一系列跨阻和跨导放大器级以及采用电流镜替代在开关电容器级前面的级，所述电流镜中的第一个电流镜具有可变增益，其增益基于由对于全部像素而言共用的自动增益控制计算的平均环境光来加以调节。这允许减小像素面积和消耗，同时实现了约1%的对比灵敏度。

本发明落入人工视觉传感器的领域，特别是落入所谓时差传感器或“动态视觉传感器”（DVS）的概念中。

背景技术

DVS传感器是照相机，其中每个像素自所述像素生成前面的事件起在每次撞击（strike）它的光以固定比率改变时生成事件。如果光增加，则所述事件将是正的，并且如果光减弱（fade），则它将是负的。这样一来，所述传感器随着时间生成事件流，其中每个事件由三个分量（x，y，s）限定，其中（x，y）是所述矩阵中的像素坐标，以及‘s’是事件符号（sign）。这个事件流代表被传感器捕获的变化中的视觉场景。这个传感器概念最初是由Kramer提出（（J. Kramer, "An Integrated Optical Transient Sensor," IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part-II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 49, No. 9, pp. 612-628, Sep. 2002 （J. Kramer，“集成光学瞬态传感器”，电路与系统IEEE学报，第II部分：模拟与数字信号处理，49卷，No.9，612-628页，2002年9月））以及（J. Kramer, "An on/off transient imager with event-driven, asynchronous read-out," IEEE Int. Symp. On Circuits and Systems, ISCAS 2002, vol. II, pp. 165-168, 2002）（J. Kramer 的“事件驱动的、异步读取的开/关瞬态成像仪”，关于电路与系统的IEEE国际研讨会，ISCAS 2002，卷II，165-168页，2002）），但是其实施例引起像素性能（performance）方面的严重的失配（mismatch），这限制了可以达到约30%的值的最大时间对比灵敏度（sensitivity）（P. Lichtsteiner, et al "Improved ON/OFF Temporally Differentiating Address-Event Imager," Proceedings of the 2004 IIth IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2004. ICECS 2004, pp. 211-214（P. Lichtsteiner等人的“改进的开/关时分地址-事件成像仪（imager）”2004年第二届电子、电路和系统IEEE国际会议学报，ICECS 2004，211-214页））。为了改进这个现有技术， Lichtsteiner随后通过提出一种具有两个电容器的自定时开关电容器级（stage）（US 5168461）建议了一种改进的传感器，所述自定时开关电容器级提供了从像素到像素的性能方面的降低的失配，因此使得有可能实现达到15%的范围内的时间对比的敏感性（sensibility）（（P. Lichtsteiner, et al, "A 128x128 120 dB 15μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor," IEEE J. Solid-State Circ., vol. 43, No. 2, pp. 566-576, Feb. 2008（P. Lichtsteiner等人的“128x128 120 dB 15μs延迟的异步时间对比视觉传感器”，IEEE 学报固态电路,卷43, No. 2, 566-576页, 2008年2月））和（US7728269 B2））。

然而，所述开关电容器级要求两个电容器具有很不同（disparate）的值，这在一个集成电路的实施例中导致要求每个像素面积（area）内相当大的面积。在由Lichtsteiner制造的传感器（（P. Lichtsteiner等人的“128x128 120 dB 15μs延迟的异步时间对比视觉传感器”，IEEE 学报固态电路, 卷43, No. 2, 566-576页, 2008年2月）和（US7728269 B2））中，这些电容器大概占像素总面积的三分之二。因此，因为像素大，所以芯片占据大的面积且昂贵。为了改进这个新的现有技术，Leñero (J. A. Leñero-Bardallo, et al, "A 3.6us Asynchronous Frame-Free Event-Driven Dynamic-Vision-Sensor,"IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 46, No. 6, pp. 1443-1455, June 2011（J. A. Leñero-Bardallo等人的“3.6us异步无框事件驱动的动态视觉传感器”，IEEE 学报固态电路，卷46，No.6，1443-1455页，2011年6月”）)建议减少电容器值之间的不同（disparity），同时在开关电容器的级之前引入很小面积的电压放大器级，因此实现了既减小了像素面积又稍微将时间对比灵敏度提高到约10%的值。然而，这个放大器级具有高的消耗并稍微使像素性能的失配恶化（deteriorate）。

为了说明本发明相对于现有技术实现的改进，Lichtsteiner的传感器（US7728269 B2）已被作为参考，其像素简化图示于图1中。光电二极管D感知（sense）的光被转换成光电流I_ph。晶体管T1至T4对数性地（logarithmically）将I_ph转换成节点P1中的电压V_P1 = V_offset +V₀log (I_ph)。流经所述晶体管T4并从漏极节点P0离开的光电流I_ph在电流加法器（current adder）框ΣI中相加，所述漏极节点P0为矩阵的全部像素共用，所述电流加法器框ΣI还相加来自矩阵中全部像素的光电流。这个总和随后被用于自动地调节像素中晶体管T3的栅极以最小化放大器T1-T3的消耗从而使其适应环境光（US 2004/065876）。晶体管T5a和T5b复制V_P1到节点P2。在Leñero的改进中，这两个晶体管被具有增益A_v的电压放大器级替代，从而P2 处的电压将是V_{P2 =} A_v (V_offset + V₀log (I_ph))，其中对于根据Lichtsteiner的实施例而言，A_v =1，并且对于根据Leñero的实施例而言，A_v >1。包括电容器C1 和C2的开关电容器电路以及晶体管T6至T8从前面的复位时间t₁复制P3处的电压变化至P2，乘以电容增益A_c = C2/C1。因此，V_P3(t) = A_c(V_P2(t) - V_P2(t₁)) = A_cA_vV₀log (I_ph (t) /I_ph (t₁)) 。晶体管T9至T11检测V_P3 (t)是否超过特定的正阈值V_R+，并且如果是，它们生成正事件（开）。晶体管T12至T14检测V_P3 (t)是否落到低于负阈值V_R-，并且如果是，它们生成负事件（关）。每次像素生成事件，电容器C1的复位借助于复位晶体管T7发生。这样一来，如果V_P3(t₂) > V_R+ = A_cA_vV₀log (I_ph(t₂) / I_ph(t₁))，则像素立即生成正事件t₂，并且如果V_P3(t₂) <V_R- = A_cA_vV₀log (I_ph(t₂) / I_ph(t₁))，则像素立即生成负事件。这还可以表达为ΔI / I = exp ((V_R+/-) / (A_cA_vV₀)) -1 = θ_+/-。其中参数θ_+/-表示对于正或负对比的灵敏度。可以针对这个对比灵敏度来调节的最小值通过参数V_R+/-, A_c , A_v 和 V₀的从像素到像素的离差（dispersion）来给出。参数V₀通常是物理常数的函数并且在同一芯片中不经历（undergo）从像素到像素的离差。参数V_R+/-的离差由放大器T6和T8以及电压比较器（晶体管T9至T11和T12至T14）的性能方面的离差给出并通常是高的，这是因为放大器T6和T8以及比较器做得小以减小总的像素面积。放大器和比较器的高失配的影响通过增大分母的乘积A_CA_V得以减小。在Lichtsteiner的现有技术中，A_v = 1，由此强制的是使A_C尽可能大。例如，在Lichtsteiner的实施例中（P. Lichtsteiner等人的“128x128 120 dB 15μs延迟的异步时间对比视觉传感器”，IEEE 学报固态电路,卷43, No. 2, 566-576页, 2008年2月），给出了20的值。参数A_C也经历从像素到像素的离差，但是它得以降低，因为在集成电路中电容之间的关系经受低的离差（典型地低于1%）。在Leñero的实施例中，参数A_v也引入离差。然而，参数A_C可以降低至5，而A_V设在约25处。以此方式，乘积是125，这提高了整体的对比灵敏度，尽管稍微增加了离差。然而，附加放大器级极大地增加了像素消耗（高于10倍）。

因此，现有技术引起这样一个问题，即对比灵敏度不能在不增大像素面积或不增加功率消耗的情况下得以提高。为了解决与现有技术相关联的问题，本发明通过连接以弱反型极化并具有二极管配置的MOS晶体管来使用跨阻（transimpedance）放大器，它们串联连接（ES201130862）。

发明内容

在本发明中，提供了一种方法和设备，其解决了现有技术引起的问题。为此，本发明建议获得前面的放大率A_V，其不经历传感器矩阵的从像素到像素的离差，本发明通过连接以弱反型极化并具有二极管配置的MOS晶体管来采用跨阻放大器，它们串联连接。然而，当以弱反型极化并具有二极管配置的若干MOS晶体管串联连接时，有必要确保工作电流不过低从而使得电流操作不慢，这是由于MOS晶体管引入了杂散电容。例如，对于将在动态视觉传感器（DVS）的像素中采用的典型尺寸，将有必要确保工作电流从约1nA到约100nA。这会确保对于每个像素而言，响应速度低于毫秒，这允许在高速应用中使用DVS，其中它相对于传统的基于黑影（photogram）的照相机具有竞争力。而且，这样的电流不应太高，因为这会使得MOSFET晶体管不再以弱反型极化。为了确保在以弱反型极化并具有二极管配置的串联连接的MOS晶体管中，以高电流操作（从约1nA到约100nA），不能使它们直接以生成光电二极管的光电流操作，所述光电流典型地作为环境光的函数从1毫微微安变化到1纳安。因此，本发明在每个像素中包括电流放大级，其具有适于由全部像素<I_ph>感知的平均光的增益。因此，基于以弱反型极化并具有二极管配置的MOS晶体管的串联连接的跨阻放大器工作电流对于全部像素保持在平均电流水平<A_II_ph>，其是不变的且等于预设的参考电流I_b1，参考电流I_b1通常在1nA和100nA之间。为了这样做，本发明包括用于自动控制增益的机制，其一方面，每次感知像素<I_ph> 矩阵中的平均入射光，以及，另一方面，针对全部像素调节电流放大器级的增益，使得所述平均<A_II_ph>等于由用户设置的典型地处于1nA至100nA之间的不变的参考I_b1。

因此，本发明的第一目的是用于检测光传感器矩阵中的光强时变的集成电路设备，其至少包括一个像素矩阵，用于自动调节在每个像素处生成的光电流的放大的块，以及连接至像素矩阵的输出的判断和事件-编码块。依次，每个像素矩阵至少包括：

a）光传感器，其生成与撞击在其表面上的光量成比例的光电流，以用于完成发明的特定模式，所述光电流将包含在1毫微微安和1纳安之间；

b）可调增益电流镜，其具有输入支流和两个输出支流，这样的输出的第一输出具有可调的电流增益，而第二输出具有固定的电流增益。所述镜引入了由用于自动调节的块固定的电流增益，并通过以用于完成发明的更特别的模式放大电流至范围从1nA至100nA的值来将所述光电流复制到所述电流镜输出支流。另外，其最小化所述光传感器节点中的电压漂移，避免了所述节点中杂散电容的充电和放电。所述镜的电流增益通过所述用于自动调节电流放大的块来调节。以此方式，具有固定增益的输出支流将输入光电流复制到连接在二极管配置中的集电极（collector）晶体管，并且其节点连接至来自所述矩阵的剩余像素的集电极晶体管，并且所述可调电流增益支流将所述输入电流复制到跨阻放大器。

d）所述跨阻放大器，其布置于所述可调增益电流镜的可调增益支流的输出处，其中所述放大器包含至少两个用于将所述光电流转换为对数电压的以弱反型极化的串联MOS晶体管，每个MOS晶体管处于二极管配置。串联晶体管的数量将取决于每个特定情况的需要；

e）开关电容器的电路，其包括连接至所述跨阻放大器的输出的第一电容器、连接至所述第一电容器的第二电压放大器以及与所述第一电容器串联并反馈连接至所述第二电压放大器的第二电容器，该第二电容器并联连接至充当复位键的MOS晶体管；以及

g）用以确定所述电压是否超过较高阈值的第一阈值检测器以及用以确定所述电压是否落到低于较低阈值的第二阈值检测器，这两个检测器连接至所述第二电压放大器的输出。所述较高和较低阈值将由用户先前设置。

在用于完成发明的特定模式中，所述光传感器已被预期是光电二极管，尽管可以使用根据撞击它的光提供光电流的任何其他光电转换器设备。

在发明的另一特定实施例中，每个像素至少包括一个布置于所述第一跨阻放大器的输出和所述开关电容器电路的输入之间的附加放大块。这些块将彼此级联地或重复地连接。另外，所述附加第一放大块的输入连接至所述像素的跨阻放大器的输出，并且所述附加的最后的放大块的输出连接至所述开关电容器电路的第一电容器。所述块中的每一个块又至少包括跨导放大器、连接至所述跨导放大器的输出的固定增益电流镜以及具有至少两个以弱反型极化的串联MOS晶体管的附加跨阻放大器，每个MOS晶体管处于二极管配置。这个附加的跨阻放大器将连接至所述固定增益电流镜的输出。如果仅有一个附加放大块，那么应当理解是这样的块的输入连接至所述像素的第一跨阻放大器的输出，以及将是这个块的输出连接至所述开关电容器电路的第一电容器件（condenser）的输入。

在本发明的另一特定实施例中，当已经设想到包括多于一个附加放大块时，这样的块彼此级联地或重复地连接。第二和接连的块与紧接的前面的块的连接通过将每个块的跨导放大器的栅极端与前面的块的跨阻放大器的输出连接来完成。以此方式，实现了提供至所述可调增益电流镜的对数电压的放大的增加。

应当注意，在其中使用了附加放大块的本发明的特定实施例中，所述开关电容器电路不直接连接至所述像素的第一跨阻放大器的输出，而是连接至所述最后的块的跨阻放大器的输出，所述开关电容器电路被级联地或重复地连接。

在本发明的另一特定实施例中，所述可调增益电流镜通过至少一个MOS输入晶体管、一个MOS输出晶体管和电压倒相放大器来形成。在本发明的另一更特别的实施例中，设计了所述MOS输入晶体管，使得其栅极端连接至先前由用户从所述设备外部设置的电压V_G，这对于所述矩阵的全部像素将是共通的，所述MOS输入晶体管的漏极端连接至所述光电二极管，以及其源极端连接至所述电压倒相放大器的输出。在本发明的另一特定实施例中，还提供了设计所述可调增益电流镜的MOS输出晶体管，使得其源极端连接至所述MOS输入晶体管的源极端，其端栅极连接至由所述自动增益控制电路设置的电压V_GA，以及其漏极端充当所述可调增益电流镜的输出并连接至所述第一跨阻放大器的输入。

在本发明的另一特定实施例中，对于其第一阈值检测器确定电压超过较高阈值或所述第二阈值检测器确定电压已落到低于较低阈值的每个像素而言，所述判断和事件-编码块包括处理器，该处理器用于确定对应于所述矩阵中像素的位置的坐标x和y并生成具有符号s的事件，该符号s由所述第一和第二阈值检测器确定，并且所述处理器用于生成对由所述坐标（x，y）和符号s形成的组进行二进制编码的字。特别地，所述第一检测器将在超过所述较高阈值时生成正符号的信号，并且所述第二检测器将在其落在低于所述较低阈值时生成负符号的信号。

在本发明的另一特定实施例中，用于自动调节光电流的放大的块是自动增益控制电路，其至少包括：

a） 像素之一的集电极晶体管的复制物，

b） 像素的可调增益电流镜的复制物，其中它的MOS输入晶体管使其栅极连接至所述电压V_G，且其输出连接至第一电流参考I_b1；

c） 第一差分电压放大器，其负输入连接至所述镜的输出并连接至电流参考I_b1，其正输入连接至电压参考，且其输出连接至所述MOS输出晶体管的栅极，因此生成所述电压V_GA'；

d） 以统一增益配置连接的第二差分电压放大器，其将所述电压V_GA'复制到所述像素的可调增益电流镜的输出晶体管的栅极端V_GA。

在本发明的另一特定实施例中，在用于自动调节光电流的放大的块中，假如所述像素至少包括一个附加放大块，则布置与所述第一MOS输出晶体管共用所述栅极和源极端的可调增益电流镜的第二MOS输出晶体管，并且该第二MOS输出晶体管的漏极端构成第二镜输出。用于调节所述像素中的附加放大块的级连接至这个输出。这个用于调节所述像素的附加放大块的附加调节级包括：作为所述像素中的第一跨阻放大器的复制物的跨阻放大器级、作为所述像素中的第一跨导放大器的复制物的跨导放大器、差分电压放大器和电流参考I_b2。用于调节所述像素中的附加放大块的级的这些元件按如下连接：所述附加调节级的输入节点是所述跨阻放大器节点，其在那里生成对数电压；所述跨导放大器栅极也连接至这个节点，所述跨导放大器的源极与全部像素的跨导放大器的源极共用所述节点V_Q1，且其漏极连接至电流参考I_b2；这个漏极连接至所述差分电压放大器的负输入，其正输入连接至参考电压，且其输出连接至所述节点V_Q1。

在本发明的另一特定实施例中，如果像素具有第二附加放大块以增大所述对数电压放大，那么所述用于自动调节所述光电流的放大的块包含用于调节所述像素中的所述第二附加放大块的第二附加调节级，所述参考电流I_b2将会连接至其输入节点。

在本发明的另一特定实施例中，如果像素具有更多的级联或重复地连接的附加放大块，那么在所述用于自动调节所述光电流的放大的块中，以相同的数量级联或重复地增加更多的附加调节级，用于调节所述像素中的这样的“附加放大块”。

在本发明的另一特定实施例中，所述开关电容器级连接至存在于所述像素中的最后的附加跨阻放大器的输出。

在本发明的另一特定实施例中，开关电容器级连接至所述第一电容器的输出，其中所述级包含电压放大器、第二反馈连接的电容器和MOS晶体管，该MOS晶体管充当复位键并与所述第二电容器并联连接，以增加附加电压放大并计算两个连续（consecutive）复位时间之间的电压差。

本发明的第二目的是一种用于检测光传感器矩阵中的光强的时变的方法，该方法利用了上文描述的设备。为了完成所述方法，在所述矩阵的每个像素中执行至少以下进程：

1）通过光电二极管将撞击所述像素的光转换成电流I_ph；

2）借助于所述可调增益电流镜将所述电流I_ph放大至A_II_ph值；

3）借助于所述用于自动放大所述光电流的块调整（adapt）所述值A_I，使得A_II_ph的平均相对于全部像素的平均亮度的时变保持不变；

4）借助于所述跨阻放大器将所调整的电流A_II_ph变换（convert）成对数电压，所述跨阻放大器至少包括两个以弱反型极化并串联连接的MOS晶体管，它们中的每一个以二极管配置连接；

5）在所述开关电容器电路中，确定两个连续时间t₁和t₂之间由所述光强的时变引起的电压差ΔV = V(t₂) -V(t₁)，并将该电压差与正的固定参考值V_R+和固定的负的参考值V_R-比较，其中V_R+和V_R-对于所述矩阵的全部像素是相同的；

6）生成所述数字信号s，其被发送至所述判断和事件-编码块，该信号选自：

- 每次所述第一阈值检测器确定所述电压超过所述较高阈值时，在所述第一阈值检测器中生成的正事件，以及

- 每次所述第二阈值检测器确定电压落到低于所述较低阈值时，在所述第二阈值检测器中生成的负事件；

以及在连接至所述像素矩阵的输出的所述判断和事件-编码块中，完成下面的随后的进程：

-识别已生成数字信号的所述矩阵的像素的空间坐标（x，y）。

-向所述设备外部的元件发送包含所述空间坐标(x, y)和所述信号s的数字字；以及

-生成表示所述光传感器矩阵中光强的时变的字（x, y, s）流。

在用于完成本发明的另一特定模式中，借助于所述开关电容器级计算两个连续复位时间之间的电压差。

在用于完成本发明的另一特定模式中，在对之前被调整成电压的所述A_II_ph电流进行变换之后，且作为在确定所述开关电容器电路中的电压差ΔV= V(t₂)-V(t₁)前面的进程，作为本发明目的的所述方法通过至少一个附加放大块提供从A_II_ph电流的变换获得的电压的放大。

附图说明

图1示出了在专利US7728269 B2中描述并和现有技术相关的用于检测Lichtsteiner的取决于时间的视觉场景的光电二极管矩阵传感器的示例性实施例。

图2示出了本发明的用于检测光传感器矩阵对象中的光强时变的集成电路设备的示例性实施例。

图3示出了构成图2 中所示的传感器像素矩阵的像素的特定实施例。

图4示出了构成图2 中所示传感器像素矩阵的像素的另一特定实施例，其中所述像素具有附加放大块。

图5示出图2中所示传感器的自动增益控制电路的示例性实施例。

图6示出图2中所示传感器的自动增益控制电路的示例性实施例，其中所述电路具有两个附加调节级。

图7示出使用图2中所示设备的本发明的方法对象的特定实施例的流程图。

图8示出在本发明中使用的那些的跨阻放大器，该跨阻放大器具有N₁个以弱反型极化、具有二极管配置并串联连接的MOS晶体管。这样的晶体管在专利ES 201130862中得以描述。

具体实施方式

接下来，通过参考附图中采用的编号对本发明特定实施例的若干实例进行说明性和非限制性的描述。

在本发明的设备的实施例的第一实例中，图2示出用于检测光传感器矩阵中的光强时变的集成电路设备。所述设备包含：像素的二维矩阵（1）（该矩阵还可以是一维的）（该二维矩阵又包含多个像素（x,y）(6)）、判断和事件-编码块（2）以及连接至矩阵（1）的用于自动电流增益调节AGC的块（3），所述判断和事件-编码块（2）还传送事件至连接至像素（6）中的每一个的装置的外部。矩阵（1）和AGC块（3）之间的所述连接通过插入连接至电压V_avg的电容器和MOS晶体管（4）来执行，V_avg设置了像素矩阵（1）中生成的光电流的空间-时间平均的表示，因此在所述AGC块（3）的输出处获得电压V_GA和V_Qi，其中i从1变化到n，并且n是由所述像素（6）使用的跨阻放大块的总数量。

图3和4示出了形成图2的像素矩阵（1）的一个像素（6）的两个特定实施例。在这两个优选实施例中，像素（6）包括光电二极管D₁，两个电容器C₃和C₄，以及一系列被标记的晶体管Ti，其中索引“i”取1至15的数字值，可选地加上字母a、b、c或d。光电二极管D₁提供与撞击像素（6）的光成比例的光电流I_ph1。晶体管T1₁至T3₁提供连接至PMOS晶体管T4a₁, T4b₁ 和T5₁的源极的具有输入V₁和输出V₂的电压放大器（7）。这个电压放大器（7）与晶体管T4a₁一起构成电流镜（8）的输入支流，该输入支流接收作为输入的光电流I_ph1，同时它实现了将电压V₁设置于不变的值。所述电流镜（8）具有由晶体管T4b₁和T5₁形成的两个输出支流。由晶体管T4b₁形成的输出支流呈现统一的增益，因为T4b₁与输入支流晶体管T4a₁共用栅极电压，并且晶体管T4a₁和T4b₁被以同样尺寸制作。可选地，如果认为对于设计考虑而言是方便的，则或者通过改变T4a₁和T4a₂之间的尺寸比率，或者通过将它们连接到不同的栅极电压，可以将这样的统一增益变为更高或更低的增益。不失一般性地，本文已认为所述增益是统一的。因此，T4b₁提供光电流I_ph1的复制。这个电流被发送至晶体管T4c₁，晶体管T4c₁以二极管配置连接在节点V_s1和V_avg之间，节点V_s1和V_avg二者都由矩阵的全部像素所共用。因此，在共用的节点V_avg中，形成了取决于全部像素的光电流平均的电压。形成所述电流镜的第二输出支流的晶体管T5₁提供放大的电流A_II_ph1，其中电流放大率由栅极电压V_G和V_GA之间的差确定。这个电压差由下文描述的自动增益控制块（3）来设置，这个电压差对于全部像素（6）是共同的，因为全部像素（6）全部共用这两个电压。如此放大的光电流A_II_ph1被连接至由晶体管T6a₁至T6d₁形成的跨阻放大器，晶体管T6a₁至T6d₁中的每个处于二极管配置并必须以弱反型极化。电压V_o1是跨阻级的输出电压并呈现值V_o1 = N₁V_olog (A_II_ph1 / I_s)，其中，在这个用于完成本发明的模式的特定实例中，所述跨阻放大器中晶体管的数量是N₁ = 4。在图3中所示的用于完成本发明的模式中，这个输出电压V_o1连接至由电容器C3和C4以及晶体管T10a₁, T10b₁和T11₁形成的开关电容器级（14）的输入。

包括电容器C3和C4以及晶体管T10a₁, T10b₁和 T11₁的开关电容器电路（14）将从前面的复位时间t₁起的V_o1处的电压变化乘以电容增益A_c1 = C4/C3复制到V_diff1。因此，V_diff1(t) = A_c1(V_o1(t) - V_o1(t₁)) = A_c1N₁V_olog (I_ph1(t)/I_ph1 (t₁))。注意，在这个表达式中，易于经历从像素到像素的大的离差的所有参数已经消失，仅剩下电容放大率A_C1，其呈现低的离差，数N₁无离差，而物理参数V_o具有低离差。晶体管T12₁至T13₁检测V_diff1是否超过特定正阈值V_R+，并且如果是，则其生成正事件（ON开）。晶体管T14₁至T15₁检测V_diff1是否落到低于负阈值V_R-，并且如果是，则其生成负事件（OFF关）。每次像素（6）生成事件时，电容器C3的复位借助于复位晶体管T11₁发生。因此，如果V_R+ =A_c1N₁V_olog (I_ph1(t₂) / I_ph1(t₁))，那么所述像素（6）在时间t₂生成正事件，以及如果V_R- =A_c1N₁V_olog (I_ph1(t₂) / I_ph1(t₁)) ，则生成负事件。这还可以表达为Δ I / I = exp ((V _R+/- ) / (A _c1 N₁V_o)) -1 = θ-/-。

在图4中所示的像素的示例性实施例中，选择通过增加一个附加放大块（10）来增加第二放大器级。这要求增加跨导级（11）、电流镜（12）和第二跨阻放大器（13）。所述跨导级（11）构成以弱反型极化的MOS晶体管T7₁，其提供电流I₂= I_s exp ((V_o1-V_Q1)/V_o)。在这个情况下并且不失一般性地，所述电流镜（12）由晶体管T8a₁至T8c₁组成，并且它们将存在于输入支流中的电流I₂复制到输出支流。这个复制过程中的增益或衰减通过晶体管T8b₁和T8c₁的尺寸方面的相对比例给出。不失一般性地，考虑到晶体管T8b₁和T8c₁是同样尺寸的，从而使得所述镜（12）的增益将是统一的。因此，所述镜（12）提供等于I₂的电流。这个电流进入第二跨阻级（13）中，在这个情况下，所述第二跨阻级（13）由三个晶体管即T9a₁, T9b₁和 T9c₁组成，所述第二跨阻级（13）提供输出电压V_{o2 =} N₁N₂V_olog (A_II_ph1 /I_s)，其中，在这个特定示例性实施例中，所述第二跨阻放大器（13）中的晶体管的数量是N_{2 =} 3。由晶体管T7₁, T8i₁, T9j₁组成的附加放大块（10）可以按需重复许多次且是可行的，以便增加最后的跨阻级的最终输出电压中的放大系数。这个输出连接至开关电容器电路（14）。图4示出了一个实例，其中跨阻放大器的数量是n=2，因为仅有一个附加放大块（10），且因此最后一级的输出是V_o2。然而，通过在这个第一附加放大块的输出中级联地或重复地放置更多附加放大块，在所述最后的跨阻级（13）的最终输出电压中实现了放大系数的增大，其中这些块中的最后一个连接至所述开关电容器电路（14）的输入。因此，在所述最后的附加放大块（10）的跨阻级（13）的输出中，获得了电压V_on（n=级联或重复地放置的附加放大块的数量减一，或n=跨阻放大器的数量）。因此在这个情况下V =_diff1 (t) = A_C1 (V_o2 (t) - V_o2(t₁)) = A_c1N₁N₂V_olog (I_ph1 (t)/I_ph1 (t₁))，以及如前面的方式中的，如果V_R+=A_c1N₁N₂V_olog (I_ph1 (t₂)/I_ph1 (t₁)) ，则所述像素在时间t₂生成正事件，并且如果V_R-=A_c1N₁N₂V_olog (I_ph1 (t₂)/I_ph1 (t₁))，则生成负事件。以此方式，获得了对于对比的灵敏度θ_+/- = exp ((V_R+/-) / (A_c1N_TV_o)) - 1，其中N_T = N₁N₂。在一个具有n个跨阻放大器的实施例中，它将是N_T = N₁N₂ ... N_n。

因此，如果在图1中值的C2和C1之间的比率A_c= C2/C1 = 20得以调节，那么在图3和4中的示例性电路中，可以通过使得A_c1= 2 (其中 N₁ =4, N₂= 3)实现A_c1N₁N₂= 24，这利用在集成电路实施例中占用非常小面积的电容器来实现。在典型实施例中，将设置A_c1=5，其也转化成像素（6）内的无关紧要的面积消耗，同时实现高很多的总增益A_c1N₁N₂= 60，有着随之发生的对比灵敏度的明显提升，在这些情况下，所述对比灵敏度可以设置于约1%。

在图2中所示的像素的二维矩阵（1）的外部，有自动增益控制电路（3），图5和6中示出了其两个示例性实施例。这个电路与全部像素（6）共用称为V_avg, V_G, V_GA和 V_Qi的节点，其中i=1至k，其中k-1是已包括在像素（6）中的附加放大块（10）的数量，而k=n-1。节点V_avg是由像素矩阵（1）的全部光电二极管D₁接收的光电流的空间-时间平均<I_ph>的表示。这个电压控制晶体管T4c₂的栅极，因此生成等于所述空间-时间平均<I_ph>的电流。因此，晶体管T4c₂充当提供平均光电流<I_ph>的光电二极管。晶体管T1₂, T2₂ 和T3₂在每个像素内发挥与图3和4中的T1₁, T2₁ 和T3₁一样的功能，也就是说，它们形成电压放大器（15）。晶体管T4a₂ 和T5₂在每个像素（6）内发挥与T4a₁ 和T5₁一样的功能，也就是说，它们形成可调增益电流镜（16），所述增益取决于电压差V_GA'-V_G。对应于MOS晶体管T5₂的电流镜（16）的输出被发送至具有值I_b1的电流参考源。连接差分电压放大器A1，使得其将所述可调增益电流镜（16）的输出中的电压与电压参考进行比较，并且其输出调节所述可调增益电流镜的输出晶体管T5₂的栅极，即其控制电压V_GA'。利用如此连接的这个放大器A1实现的结果是由晶体管T4a₂ 和T5₂形成的电流镜（16）的增益得以自调节，使得A_I<I_ph>等于I_b1。借助于以统一增益A2设置的差分电压放大器，如此生成的栅极电压V_GA'被复制到全部像素的晶体管T5₁的栅极，作为电压V_GA 。如果像素包含单个跨阻级，即如果n=1，那么所述自动增益控制电路将在此结束（图5）。

如果像素包含第二跨阻级，即附加的第一放大块（10），即如果n=2，那么提供所述可调增益电流镜（16）的输出的附加复制品的晶体管T5b₂提供电流A_I<I_ph>，并且应当增加附加的第一调节级（17）。于是这个电路将包括跨阻放大器（18）、跨导放大器（19）、电流参考I_b2和差分电压放大器A3。所述电流A_I<I_ph>被提供至由晶体管T6a₂至T6d₂形成的跨阻放大器（18），晶体管T6a₂至T6d₂是图3中形成像素（6）中的所述第一跨阻级（9）的晶体管T6a₁至T6d₁的复制物。这个跨阻级的输出连接至由晶体管T7₂形成的跨导放大器（19），所述晶体管T7₂是全部像素（6）中的晶体管T7₁的复制物。所述跨导放大器（19）的输出连接至电流参考I_b2。这个输出还连接至差分电压放大器的输入，该差分电压放大器将之与参考电压进行比较并将其输出提供至所述跨导放大器的节点V_Q1。这个配置的结果是所述电压V_Q1得以自调节，使得所述跨导放大器（19）T7₂提供电流I_b2。因为所述电压V_Q1被所述矩阵（1）的全部像素（6）共用，所以实现了全部像素（6）的跨导放大器（11）T7₁以等于I_b2的平均电流操作。

如果像素包括第三跨阻级，即附加的第二放大块（10）级联或重复地连接至第一个，即如果n=3，那么附加的第二调节级（20）应当被添加到自动增益控制电路（3）中。在图6中示出了这个示例性实施例。这将包含第二跨阻级（21）的复制物，所述第二跨阻级（21）由晶体管T9a₂, T9b₂ 和T9c₂组成，所述晶体管T9a₂, T9b₂ 和T9c₂被供应以等于像素（6）中的对应电流的平均的电流。在这个特定实例中，这个电流将等于I_b2，因为由像素（6）中的T8a₁ 至T8c₁形成的镜应当具有统一增益。如果它们的增益不是统一的，那么这个电流I_b2应当乘以所述增益。还增加了跨导放大器（22）T10₂和放大器A4以及电流参考I_b3，电流参考I_b3代表平均电流的值，期望针对该平均电流的值而对像素内的第三跨导放大器进行操作。如在附加第一调节级（17）中那样，在所述附加第二调节级（20）中生成电压V_Q2，与全部像素（6）共用该电压V_Q2，于是调节像素（6）中的第二跨导放大器（13）的平均电流。

如果像素（6）具有更多的附加放大块（10），那么更多的级联或重复地布置的附加调节级（20）将在所述自动增益控制电路（3）中得以重复。

图7示出了本发明的方法对象的示例性实施例。所述方法通过流程图示出，流程图包括两个部分，第一部分（45），其描述将在每个像素内完成的进程序列，以及第二部分（44），其描述将在像素矩阵的外部完成以完成对电流增益的自动调节的进程。因此，首先在像素的每一个中，集成的光传感器提供（23）与每次撞击像素的光成比例的光电流I_ph。接着，所述光电流的复制品被发送（24）至用于自动增益调节（AGC）的块。这个光电流被放大（25），因此变为A_II_ph ，其中电流增益A_I由AGC自身确定。如图8中所示，所得到的电流A_II_ph 通过N₁个MOS晶体管（43）的跨阻放大器（涉及现有技术）变换成电压（26），所述MOS晶体管以弱反型极化，处于二极管配置且串联连接。处于二极管配置的每个MOS晶体管生成电位差值V_olog(A_II_ph / I_s)，其中V_o是经历从像素到像素的低离差的物理参数，以及I_s是经历从像素到像素的相当大的离差的技术参数。结果，所述跨阻级的输出电压将是V_o1 = N₁V_olog (A_II_ph / I_s )。

取决于每个情况，评估（27）所获得的电压V_o1以决定其是否足够，从而在不需要更多放大的情况下，所述输出电压V_o1将直接在下面所示的进程（33）中使用。如果要求更多的放大，则借助于跨导放大器将输出电压V_o1转换（28）为电流I₂ = I_o2 exp(V_o1 / V_o)。利用可选放大或衰减A₂来复制（29）所述电流I₂，得到电流A₂I₂。如果A₂ = 1，那么没有放大或衰减。如果A₂>1，那么有放大，而如果A₂<1，那么有衰减。这个增益/衰减A₂不要求自动增益调节。所得到的电流A₂I₂通过N₂个 MOS晶体管（43）的跨阻放大器变换为电压（30），所述MOS晶体管（43）以弱反型极化，处于二极管配置且串联连接，与图8中所示相似。这个跨阻级的输出电压将是V_{o2 =} N₂V₀log(A₂I₂/I_s)。

如果输出中的电压V_o2仍不够（31），则所述进程（27-30）可以再次重复n-2次。最后，所得到的输出电压将是V_on = N₁N₂...N_nV₀log (A₁A₂...A_nI_ph/I_s)。随后，计算所得到的电压输出V_on (t) 和紧接的前面的复位时间t_reset内的电压输出之间的差（33）。以此方式，获得了值ΔV (t) =V_on(t) - V_on(t_reset) = N₁N₂...N_nV_olog(I_ph(t) / I_ph(t_reset)) ，其中具有高离差的参数A_i和I_s已消失。如果在给定时间ΔV(t)内高于预设的正电压参考V_R+ (34)，那么建立下一复位时间，于是更新t_reset = t (35)，并且像素输出正事件（36）。如果在给定时间ΔV(t)内落到低于预设负电压参考V_R- (37)，那么建立下一复位时间，于是更新t_reset = t (38)，并且所述像素输出负事件（39）。最后，对于每个像素生成的每个事件，事件（40）被发送至由所述像素的坐标(x, y)形成的传感器的外部，所述像素已生成所述事件以及所生成事件的符号s。

至于本方法的第二部分，在AGC中通过使用由全部像素提供的光电流复制品来计算平均光电流<I_ph> (41)。然后，计算商A_I=I_b1/<I_ph>(42)，其中I_b1是平均电流水平，期望以该平均电流水平来对所述第一跨阻放大器进行操作，并且这个得到的值是用作全部像素中的电流放大增益的值，如在所述AGC中的光电流放大级（25）中描述的那样，该值变为A_II_ph。

Claims (13)

1.用于检测光传感器矩阵中的光强时变的设备，其特征在于其至少包括：

- 像素矩阵，其中每个像素至少包括：

a）光传感器，其生成与撞击其表面的光成比例的光电流；

b）可调增益电流镜（8），其包括输入支流、具有可调的电流增益的第一输出支流以及具有固定增益的第二输出支流，该可调增益电流镜（8）将所述输入光电流复制到相应输出，并且其中具有固定增益的输出支流连接至以二极管配置连接的集电极晶体管（T4c₁），并且其节点连接至所述矩阵的其他像素的集电极晶体管；

c）跨阻放大器(T6a₁-T6d₁)，其布置于所述可调增益电流镜的输出中，所述放大器包括至少两个以弱反型极化和串联布置的MOS晶体管，每个MOS晶体管处于二极管配置，用于将所述光电流转换为对数电压；

d）开关电容器电路（14），其包括连接至所述跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）的输出的第一电容器（C4）、连接至所述第一电容器（C4）的电压放大器（T10a₁-T10b₁）以及与所述第一电容器（C4）串联连接并反馈连接至所述电压放大器的第二电容器（C3），该第二电容器并联连接至充当复位键的MOS晶体管（T11₁）；以及

e）用以确定所述电压是否超过较高阈值的第一阈值检测器以及用以确定所述电压是否落到低于较低阈值的第二阈值检测器，这两个检测器连接至所述第二电压放大器（T10a₁-T10b₁）的输出，并且所述较高和较低阈值由用户先前设置，

- 用于自动调节所述光电流的放大的块，其计算所述矩阵的像素的光电流的平均；以及

- 连接至所述像素矩阵的输出的判断和事件-编码块。

2.根据权利要求1的用于检测光强时变的设备，其特征在于所述跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）通过插入至少一个附加放大块（10）而连接至开关电容器电路（14），所述放大块（10）被级联或重复地连接，其中所述第一附加放大块（10）的输入连接至所述第一跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）的输出，并且最后的附加放大块（10）的输出连接至所述开关电容器电路（14）的第一电容器（C4），其中每个块包括至少一个跨导放大器（11）、连接至所述跨导放大器（11）的输出的固定增益电流镜（12）以及具有至少两个以弱反型极化且以二极管配置连接的附加MOS晶体管的附加跨阻放大器（T9a₁-T9c₁），所述第二跨阻放大器连接至所述固定增益电流镜的输出。

3.根据权利要求2的用于检测光强时变的设备，其特征在于，当有多于一个附加放大块（10）时，通过将每个块的跨导放大器（11）的栅极端与前面的块的附加跨阻放大器（T9a₁-T9c₁）的输出连接，所述块（10）彼此级联地或重复地连接。

4.根据权利要求1至3的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述可调增益电流镜通过至少一个MOS输入晶体管（T4a₁）、一个MOS输出晶体管（T5₁）和电压倒相放大器（T1₁-T3₁）形成。

5.根据权利要求4的用于检测光强时变的设备，其特征在于，在所述可调增益电流镜的MOS输入晶体管（T4a₁）中具有：

- 它的栅极端，该栅极端连接至由用户从设备的外部先前设置的电压VG；

- 它的漏极端，该漏极端连接至所述光传感器；以及

- 它的源极端，该源极端连接至所述电压倒相放大器（T1₁-T3₁）的输出。

6.根据权利要求4和5的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述可调增益电流镜的MOS输出晶体管（T5₁）具有：

- 它的源极端，该源极端连接至所述MOS输入晶体管（T4a₁）的源极端；

- 它的栅极端，该栅极端连接至由所述自动增益控制电路AGC设置的电压V_GA；以及，

- 它的漏极端，该漏极端连接至所述第一跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）的输入。

7.根据前面权利要求中任何一个的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述判断和事件-编码块包括处理器，该处理器用于当所述第一阈值检测器确定所述电压已超过所述较高阈值时或当所述第二阈值检测器确定所述电压已落到低于所述较低阈值时，确定对应于所述矩阵中的像素位置的x和y坐标，并生成具有符号s的事件，该符号s由所述第一和第二阈值检测器确定，所述处理器生成对由所述坐标（x，y）和符号s形成的组进行二进制编码的字。

8.根据前面权利要求中任何一个的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述用于自动调节光电流的放大的块是自动增益控制电路AGC，其至少包括：

a) 所述像素的集电极晶体管（T4c₂）的复制物，

b) 像素的可调增益电流镜的复制物，其中所述MOS输入晶体管（T4a₂）的栅极端连接至电压V_G，其MOS输出晶体管（T5₂）连接至电压V_GA'，以及其输出连接至第一电流参考I_b1；

c) 第一差分电压放大器（A1），其负输入连接至所述镜的输出，其正输入连接至电压参考，且其输出连接至所述MOS晶体管（T5₂）的输出栅极，生成所述电压V_GA'；以及，

d) 以统一增益配置连接的第二差分电压放大器（A2），其将所述电压V_GA'复制到所述像素的可调增益电流镜（8）的输出晶体管（T5₁）的栅极端，其电压是V_GA。

9.根据权利要求8的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述用于自动调节光电流的放大的块包括共用所述第一MOS输出晶体管（T5₂）的所述栅极和源极端的可调增益镜的第二MOS输出晶体管（T5b₂），并且其漏极端构成从所述镜和用于所述像素的每个附加放大块（10）的附加调节级的第二输出，其中每个附加调节级包括：

- 作为所述像素中的第一跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）的复制物的跨阻放大器（T6a₂-T6d₂），其输入连接至所述MOS输出晶体管（T5b₂）的输出，因此在所述放大器（T6a₂ T6d₂）中生成对数电压；

- 作为所述像素（T7₁）中的所述附加放大块（10）的跨导放大器（11）的复制物的跨导放大器（T7₂），其栅极连接至所述MOS输出晶体管（T5b₂）的输出，其源极处于对于全部像素而言共同的电压V_Q1，以及其漏极连接至电流参考I_b2；以及

- 第三差分电压放大器（A3），其负输入连接至所述第二电流参考I_b2；其正输入连接至电压参考且其输出连接至节点V_Q1。

10.根据权利要求8或9中任意一个的用于检测光强时变的设备，其特征在于，所述用于自动调节所述光电流的放大的块包括用于所述像素的每个附加调节块的附加调节级，每个附加调节级被级联或重复地连接至前面的附加调节级。

11.用于检测光传感器矩阵中的光强时变的方法，该方法使用权利要求1至10中任一个中描述的设备，其特征在于，在所述矩阵的每个像素中完成以下进程：

1）借助于光电二极管将撞击所述像素的光转换成电流I_ph；

2）借助于所述可调增益电流镜将所述电流I_ph放大至值A_II_ph；

3）借助于所述光电流的自动放大块调整所述值A_I，使得平均的A_II_ph相对于全部像素的平均亮度的时变保持不变，其调节进程2中的放大；

4）借助于所述跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）将所调整的电流A_II_ph变换成电压，所述跨阻放大器（T6a₁-T6d₁）包括多个以弱反型极化并串联连接的MOS晶体管，它们中的每一个以二极管配置连接；

5）在所述开关电容器电路中，确定两个连续时间t₁和t₂之间由所述光强时变引起的电压差ΔV = V(t₂) -V(t₁)，并将该电压差与固定的正参考值V_R+和固定的负参考值V_R-比较，V_R+和V_R-对于所述矩阵的全部像素是相同的；

6）生成数字信号s，其被发送至所述判断和事件-编码块，该信号选自：

- 每次所述第一阈值检测器确定所述电压超过所述较高阈值时，在所述第一阈值检测器中生成的正事件，以及

- 每次所述第二阈值检测器确定所述电压落到低于所述较低阈值时，在所述第二阈值检测器中生成的负事件；

以及；在连接至所述像素矩阵的输出的所述判断和事件-编码块中，完成下面的进程：

- 识别已生成数字信号的所述矩阵的像素的空间坐标（x，y），

- 向外部设备发送包含所述空间坐标(x, y)和所述信号s的事件；以及

- 生成表示所述光传感器矩阵上的光强时变的事件（x, y, s）流。

12.根据权利要求11的用于检测光强时变的方法，其特征在于，通过所述开关电容器电路计算两个复位连续时间之间的电压方面的差。

13.根据权利要求11或12的用于检测光强时变的方法，其特征在于，在变换被调整成电压的所述电流A_II_ph之后，且作为在所述开关电容器电路中确定电压差ΔV= V(t₂)-V(t₁)的前面的进程，所述方法包括借助于至少一个附加放大块（10）放大来自电流变换A_II_ph的电压。