CN105706439B - 动态、单个光电二极管像素电路及其操作方法 - Google Patents

动态、单个光电二极管像素电路及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种像素电路及其操作方法，其包括：‑前端电路(1)，其包括单个光电二极管(PD)并且具有输出(4)，所述前端电路(1)配置为用于在所述输出上传送从所述单个光电二极管(PD)的曝光获得的感光器信号；‑瞬态检测器电路(2)，其配置为用于检测在所述输出(4)上传送的所述感光器信号的变化；‑曝光测量电路(3)，其配置为用于在瞬态检测器电路(2)检测到感光器信号的变化时测量在所述输出(4)上传送的所述感光器信号。本发明还涉及一种包括多个像素电路的图像传感器。

Description

动态、单个光电二极管像素电路及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于图像传感器的像素电路。更具体地，本发明涉及一种像素电路及其操作方法，其中，曝光测量电路配置为在瞬态检测器电路检测到感光器信号变化时，从单个感光器的曝光获得的所述感光器信号中测量曝光强度。
背景技术
传统的图像传感器以预定的帧速率来获取时间量化的视觉信息。每个帧承载来自全部像素的信息，无论自最后的帧被获取以来该信息是否改变。这种方法根据场景的动态内容显然会导致记录的图像数据或多或少程度的冗余。随着现代的图像传感器向着更高的空间分辨率和时间分辨率发展而该问题会恶化。从对于移动、靠电池供电的用户设备要求高速工业视觉系统来看，用于数据后处理所需的硬件会增加复杂性和成本，对于传输带宽和数据存储容量的要求激增并且功耗增大，从而导致在全部类型的视觉应用中的严格限制。
一种处理视觉数据中的时间冗余的方法是帧差分编码。这种视频压缩的最简单的形式包括：在最初的关键帧之后，仅逐帧地传输超过限定的强度改变阈值的像素值。已知的帧差分成像器依赖于图像数据的全帧的获取和处理，并且不能自洽地抑制时间冗余以及提供实时压缩的视频输出。此外，即使当处理和差异量化在像素级进行时，如在所有基于帧的成像设备中，场景动态的获取的时间分辨率仍受限于可实现的帧速率并且时间量化成该帧速率。
通过在第一位置处不记录冗余数据，并且在传感器输出级直接降低数据量，来最有效地避免数据冗余的不利影响。直接的好处是用于数据传输和后处理的带宽、存储器和计算力要求降低，因此降低了系统功率、复杂性和成本。另外，由于场景动态被量化为视场像素读出的帧速率，所以传统的CMOS或者CCD图像传感器操作基于帧的计时原理导致时间分辨率方面受限以及差的动态范围。
本发明要解决的问题是提供这种一种方法和装置，其在(可记录和可处理的光强度的)宽动态范围内，连续地获取具有高时间和强度分辨率的所观测动态场景的全部视觉信息，并且由此产生数据量的最小必要量。因而，产生的数据不是由包括全部像素的图像信息的连续帧组成，而是由变化(异步)流和各个像素的亮度(即，灰度级)信息组成，其中，仅在各个像素的视场中光强度的实际变化由像素本身检测出的情况下，产生的数据才被记录和传输。
本方法通过完全地抑制对于传统图像传感器典型的图片信息中的时间冗余，尽管利用了包括相同的、甚至更高的信息量的数据,也导致了产生数据的实质性减少。用于实施前述方法的图像传感器的图片元素以及所需的异步数据读取机制可以基于模拟电子电路实现。具有大量这种图像元素的图像传感器通常被实现和制造为集成化片上系统(例如，采用CMOS技术)。
实施这种传感器并因而避免上述的传统图像数据获取的缺点会有利于宽范围的人工视觉应用，包括工业高速视觉(例如，快速的目标识别、运动检测和分析、目标跟踪等)、汽车(例如，用于碰撞报警和避免的实时3D立体视觉、智能后视镜等)、监视和安全性(场景监视)或者机器人(自主导航，SLAM)以及生物医学和科学化成像应用。由于传感器操作受到人类视网膜的工作原理的启发，所以一个有利的示例性应用是基于由这种传感器传送的数据，利用可植入假体设备来处理盲人的退化视网膜。
一种用于实现前述的完全时间冗余抑制的方案基于单个像素预处理和图像信息的获取、受控事件(即，独立于外部定时控制，例如时钟、快门或者重置信号)以及有条件的事件(即，仅在检测出场景变化时)。如以下所解释的，图像数据获取的控制被传送至像素级，并且可以采用很高的时间分辨率完成(例如，完全异步)。
对于光学瞬态传感器或者动态视觉传感器(DVS)的情况，由单独的、异步操作像素所接收的光强度的变化通过电子电路(“瞬态检测器”，在专利US 7,728,269中进行了描述)来检测。
美国专利申请US 2010/0182468 A1公开了组合瞬态检测器电路，即曝光强度变化检测器电路和有条件曝光测量电路。瞬态检测器电路仅当在像素的视场中检测出一定大小的亮度变化时(并且在这之后立即)单独地并且异步地开启新曝光估量的测量。这种像素不依赖于外部定时信号，并且仅在其具有新灰度级以进行通信时独立地请求对于(异步的和任意的)输出通道的访问。因此，视觉上未激发的像素不产生输出。另外，异步操作避免了基于帧的获取和扫描读出的时间量化。
针对每个像素，瞬态检测器电路监测从第一光电二极管获得的感光器电压，用于检测超过阈值的相对电压变化。根据这种检测，瞬态检测器电路输出用于相同像素的曝光测量电路的命令，以开始绝对强度测量，即绝对灰度级测量。曝光测量电路利用了像素中位于与第一光电二极管相邻的第二光电二极管，并且从利用瞬时光电流来对光电二极管结电容进行放电的持续时间中获得其测量。
然而，在US 2010/0182468 A1中所公开的像素电路由于其消耗较大面积用于像素元件因而不能实现高分辨率，因此不是最佳的。此外，由于相应的小光电流，通过直接的光电流积分的基于时间曝光测量通常导致对于新的曝光值过长的测量时间，尤其是在低像素照度水平。最终，利用用于变化检测和曝光测量的两个单独的光电二极管引起图像数据获取过程的空间离散性和运动方向依赖性，导致成像质量的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供具有更小面积要求的像素电路，允许更大的阵列尺寸或者更小的传感器芯片尺寸。本发明的目的还在于加速单独的测量处理，且因此增加时间分辨率。此外，本发明的目的在于避免利用两个单独的光电二极管所引起的变化检测与曝光测量之间的空间离散性，提高测量准确性，并且因此改善图像质量。
在这个方面，本发明涉及像素电路，其包括：
-前端电路，其包括单个光电二极管并且具有输出，所述前端电路配置为用于在所述输出上传送从所述单个光电二极管的曝光获得的感光器信号；
-瞬态检测器电路，其配置为用于检测在所述输出上传送的所述感光器信号的变化；
-曝光测量电路，其配置为用于在瞬态检测器电路检测到感光器信号的变化时，测量在所述输出上的传送的所述感光器信号。
对比于现有技术电路，其在一个光电二极管上检测曝光变化，而在另一个光电二极管上进行曝光测量，所提出的像素电路仅要求每个像素一个光电二极管。相应地，可以显著地降低像素元件的表面消耗，允许更大的阵列尺寸或者更小的传感器芯片尺寸。分辨率也得以提高。此外，避免了变化检测与曝光测量之间的空间离散性，提高了测量准确性，并且因此改善了图像质量。非常有利地，如以下所解释地，能够显著地减少灰度级测量的持续时间，显著地提高图像数据获取处理的时间分辨率。
另外优选地，尽管是非限制性的，单独的或者在技术上可行的组合的像素电路的方面如下：
-曝光测量电路包括：
-输入，其连接至前端电路的输出，用于接收感光器信号，
-电容器，其通过第一开关连接至所述输入，所述第一开关配置为用于将所述电容器与所述输入断开连接，
-源电流，其与第二开关串联，与所述电容器并联，所述第二开关配置为用于控制所述电容器的放电；
-曝光测量电路包括电压比较器，其具有连接至电容器的其中一个端子的信号输入，和连接参考电压的参考输入；
-电压比较器具有：
-信号输入，其连接至电容器的其中一个端子，以及
-参考输入，其连接至参考开关，所述参考开关配置为用于将所述参考输入选择性地连接至至少两个参考电压；
-瞬态检测器电路包括：具有两个通过跟随器缓冲器分开的电容性反馈的单端反相共源级的放大器，其中，第一电容器借助于感光器信号来进行充电，并且至少一个阈值检测器布置为检测在另一个电容器上的电压是否超过阈值；
-前端电路包括连接至单个二极管的感光器电路，所述感光器电路包括：
-输出，其用于传送从所述单个光电二极管的曝光中获得的感光器信号，
-第一感光器晶体管，其具有漏极和栅极，所述第一感光器晶体管的栅极连接至所述输出，
-附加的感光器晶体管，其具有漏极、源极和栅极，所述附加的感光器晶体管的源极连接至所述单个光电二极管，以及其中，所述第一感光器晶体管和所述附加的感光器具有公共源极；
-附加的感光器晶体管的栅极通过偏置电压来进行偏置，或者连接至第一感光器晶体管和附加的感光器晶体管的公共源极；
-前端电路进一步包括增益级，其用于放大在前端电路的输出上传送的感光器信号，所述增益级包括：
-输入，其连接至感光器电路的输出，
-输出，
-第一增益晶体管，其具有漏极、源极和栅极，第一增益晶体管的栅极连接至增益级的输入，第一增益晶体管的源极连接至偏置电压，以及所述第一增益晶体管的漏极连接至所述增益级的输出，以及
-串联的多个增益晶体管，串联的每个增益晶体管具有漏极、源极和栅极，串联的每个增益晶体管的漏极连接至其栅极，并且所述串联的多个漏极晶体管中的一个的漏极连接至第一增益晶体管的漏极。
本发明还涉及一种图像传感器，其包括多个根据本发明的可能实施方案的像素电路。
本发明还涉及一种用于操作根据本发明的一个可能实施方案的像素电路的方法，其中，通过瞬态检测器电路来检测从在所述光电二极管处的入射光的强度所获得的感光器信号的变化，而开启借助于曝光测量电路的光电二极管的曝光测量循环。
其他优选地，尽管是非限制性的，但是单独的或者在技术上可行的组合的像素电路的方面如下：
-借助于曝光测量电路的光电二极管的曝光测量循环还能够通过外部施加的控制信号来开启，所述外部施加的控制信号独立于从在所述光电二极管处的入射光强度获得的感光器信号的任意检测；
-光电二极管的曝光通过确定穿过曝光测量电路的放电电容器的电压达到至少一个参考电压的时间来进行测量；
-具有第一参考电压和第二参考电压，所述第一参考电压比所述第二参考电压更高，其中，光电二极管的曝光通过确定和比较如下来进行测量：
-第一持续时间，其对应于穿过曝光测量电路的放电电容器的电压达到所述第一参考电压的时间，以及
-第二持续时间，其对应于穿过曝光测量电路的所述放电电容器的电压达到所述第二参考电压的时间；
-在曝光测量循环之前，曝光测量电路的电容器通过对应于感光器信号的电压来进行充电；
-曝光测量电路包括：
-输入，其连接至前端电路的输出，用于接收感光器信号，
-电容器，其通过第一开关连接至所述输入，所述第一开关配置为用于将所述电容器与所述输入断开连接，
-源电流，其与第二开关串联，与所述电容器并联，所述第二开关配置为用于控制所述电容器的放电，
并且曝光测量循环至少包括以下步骤：
-打开第一开关，用于将测量电容器与测量曝光电路的输入断开连接，
-闭合第二开关，用于允许电容器放电，
-确定曝光的放电电容器达到至少一个参考电压的时间，
-从确定出的电容器的放电时间来确定光电二极管的曝光。
附图说明
通过阅读以非限定性示例并且参照所附附图给出的本发明的优选实施方案的以下具体描述，本发明的其他方面、目标和优点将变得更加明显，其中：
-图1示出根据本发明的可能实施方案的像素电路的框图；
-图2和图3示出用于检测感光器信号变化的瞬态检测器电路的示例性实施方案的简化图；
-图4和图5示出用于测量感光器信号的曝光测量电路的示例性实施方案的简化图；
-图6和图7示出感光器电路的示例性实施方案的简化图；
-图8示出感光器信号在被瞬态检测器电路和曝光测量电路利用之前放大其变化的增益级的简化图；
-图9示出包括多个根据本发明的像素电路的图像传感器。
-图10示出根据本发明的可能实施方案的、连接至像素外部的模拟-数字转换器的像素电路的可替选框图。
在全部的附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
在图1中示出根据可能实施方案的像素电路的简化图。像素电路包括：前端电路1、瞬态检测器电路2和曝光测量电路3。前端电路1包括单个光电二极管PD并且具有输出4。光电二极管PD将入射光转换为由所述单个光电二极管PD的曝光所确定的光电流Iph。前端电路1还包括感光器电路5和增益级6，用于产生从所述单个光电二极管PD的曝光中所获取的感光器信号。感光器信号在前端电路1的输出4处被传送，以被瞬态检测器电路2和曝光测量电路3二者利用。
瞬态检测器电路2配置为检测在前端电路输出4上传送的感光器信号的变化。瞬态检测器电路2持续地监测感光器信号的变化，并且利用识别在感光器信号中超过可调节阈值的微量增加或减小的信号来进行响应。
曝光测量电路3配置为用于测量在前端电路1的输出4上传送的感光器信号。曝光测量循环在瞬态检测器电路2检测出感光器信号的变化时开始，但也可以通过独立于任何变化检测而外部施加的控制信号而开始。
瞬态检测器电路
US 7,728,269公开了能够用于本发明的一些实施方案的瞬态检测器电路。这种瞬态检测器电路的原理解释如下。
在图2中示出了用于检测感光器信号变化的瞬态检测器电路2的简化图。在瞬态检测器电路2的输入20处的输入信号V前为在前端电路1的输出4处的感光器信号V前。瞬态检测器电路2包括第一电容器C1。所述第一电容器C1的一个端子连接至瞬态检测器电路2的输入20，即其连接至前端电路1的输出4。第一电容器C1的另一个端子连接至放大器A1、第二电容器C2和复位开关SRS，所述放大器A1、第二电容器C2和复位开关SRS并联布置，并且在一个端部连接至第一电容器C1，而在另一个端部连接至公共节点Diff。选择电容器和增益以限定自定时、自平衡开关电容器放大器。两个电压比较器7、8分别检测在公共节点Diff处的电压VDiff上升和下降的变化。电压比较器7、8在它们的输入处具有公共节点Diff，并且它们的输出连接至逻辑电路9。
感光器信号的变化通过电容性耦合的反相放大器A1来进行放大，并且呈现出偏离在节点Diff处限定的电压电平(在复位事件之后的操作点)。如果在公共节点Diff处的信号超过某些可调节阈值电平，则该事件通过两个电压比较器7、8中的一个(其发送信号至逻辑电路9)进行检测，并且请求信号(依据检测出的变化的方向为Vreq,rel+或者Vreq,rel-)通过逻辑电路9来激活。
在接收到请求信号Vreq,rel+或者Vreq,rel-，并且重新得到相关的像素数据(参见以下)时，外部数据接收器(未示出)回送确认信号Vack,rel(其通过逻辑块9变为复位信号RST)。复位信号RST控制复位开关SRS，并且这种激活将复位开关SRS闭合。因此，放大器A1的输入节点与其输出被短路，并且放大器A1的操作点被复位。随后，请求信号被禁用，并且电路准备好用于检测新的变化事件。
请求信号Vreq,rel+或者Vreq,rel-还用于产生发送至曝光测量电路3的控制信号Vres,abs，以开启绝对曝光测量，使得这种测量对于通过瞬态电路检测器2发出信号的像素照度变化的先验检测是有条件的。或者，整个(1维或者2维)像素阵列可以通过外部施加的控制信号而开启在全部像素中同时执行曝光测量。
请求信号Vreq,rel+和Vreq,rel-被发送至总线仲裁器(未示出)，所述总线仲裁器开启并控制数据包的传输。以这种方式检测出光电二极管照明的变化，并且因此，各个像素的阵列地址在异步数据总线(未示出)上以低延迟传输，由此用信号标志检测出的变化的空间和(固有的)时间坐标。对于每个事件，变化的方向(增加或减小)通过两个比较器中的检测出事件的那一个来确定。
图3图示了瞬态检测器电路2的改进，其中，使用了两级放大器而不是单个电容性耦合的反相放大器，由此可以实现最大的时间对比灵敏度。在C.Posch、D.Matolin和R.Wohlgenannt的文章“A Two-Stage Capacitive-Feedback Differencing Amplifierfor Temporal Contrast IR Sensors(用于时间对比IR传感器的两级电容性反馈差分放大器)”，模拟集成电路和信号处理期刊，卷64，1号，45页至54页，2010中公开了这种结构。
单端反相公共源级的两级拓扑具有电容性反馈，在子阈值区域中工作并且通过跟随器缓冲器ASF分开，所述两级拓扑使得每单位面积的放大器增益显著增加，并且使得电荷注入噪声降低(如以下所解释的)，因此提高了瞬态检测器电路的时间对比灵敏度。
第一级具有第一电容器C1，其通过第一电容器C1的一个端子连接至瞬态检测器电路2的输入20。
第一电容器C1的另一个端子连接至第一放大器A1、第二电容器C2和第一复位开关SRS1，所述第一放大器A1、第二电容器C2和第一复位开关SRS1并联布置，并且在一个端部连接至第一电容器C1，在另一个端部连接至第一节点Diff1。因而，第二电容器C2借助于在前端电路1的输出4处的感光器信号来充电。
跟随器缓冲器ASF将两个级分开。跟随器缓冲器ASF在一个端部连接至第一级的第一节点Diff1，在另一个端部连接至属于第二级的第三电容器C3的一个端子。第一电容器C3的另一个端子连接至第二放大器A2、第四电容器C4和第二复位开关SRS2，所述第二放大器A2、第四电容器C4和第二复位开关SRS2并联布置，并且在一个端部连接至第三电容器C3，在另一个端部连接至第二节点Diff2。两个电压比较器7、8通过第二节点Diff2连接至第二级。两个电压比较器7、8为阈值检测器，其布置为检测第四电容器C4上的电压是否超过阈值，如果是，则信号被发送至控制逻辑9，并且如上所述由逻辑电路9来激活请求信号(依据检测出的变化方向为Vreq,rel+或者Vreq,rel-)。
利用具有相似增益的两个放大器级，通过第一复位开关SRS1在第一级的电荷注入相较于通过第二复位开关SRS2在第二级的电荷注入，对于在第二节点Diff2的放大信号具有更大的影响。为了消除第一复位开关SRS1的电荷注入的影响，要足以保证第二级在第一级之后充分地导通。这通过将第二复位开关SRS2相对于第一复位开关SRS1的切换适当地延迟来实现。
因而设置了复位控制电路RCC，其接收来自逻辑电路9的复位信号RST，并且输出控制第一复位开关SRS1的第一复位信号RST1和控制第二复位开关SRS2的第二复位信号RST2。因而能够控制第一复位信号和第二复位信号，以消除由于第一复位开关SRS1所引起的电荷注入。
曝光测量
借助于曝光测量电路3所进行的光电二极管的曝光测量循环通常通过瞬态检测器电路2检测的从光电二极管PD处的入射光强度所获取的感光器信号的变化来开启。光电二极管PD的曝光通过确定穿过曝光测量电路3的放电电容器Cs的电压至少达到参考电压的时间来进行测量。在曝光测量循环之前，曝光测量电路3的测量电容器Cs通过对应于感光器信号的电压来充电。
曝光测量电路—第一实施方案
图4示出了根据本发明的可能实施方案的用于测量感光器信号的曝光测量电路3的一个示例的简化图。曝光测量电路3包括输入30，其连接至用于接收感光器信号的前端电路1的输出4。测量电容器CS通过第一开关SS连接至输入30。单位增益缓冲器13可以设置在输入30处。第一开关SS配置为将测量电容器Cs与输入30连接或断开，并且通过测量控制信号VEM来控制这个端部。在检测出感光器信号的变化时，通过逻辑块12从瞬态检测器电路2的控制逻辑9所发送的控制信号Vres,abs中获取测量控制信号VEM。
测量电容器Cs和第一开关SS通过公共节点S而连接。测量电容器Cs的另一个端子接地。平行于测量电容器Cs，电流源10布置为与第二开关S2串联。第二开关S2还被测量控制信号VEM控制，并且配置为控制测量电容器Cs的放电。在第二开关S2未导通(打开状态)时，电流源10的分支打开，因而测量电容器CS不能放电。在第二开关S2导通(闭合状态)时，电流源10的分支闭合，因而测量电容器CS能够通过该分支放电。第二开关S2接地，或者可以连接至任意的电流吸收器。第一开关和第二开关可以实施为MOS晶体管。应当注意的是，出于图示的目的，将第一开关SS和第二开关S2描绘为同时处于打开状态，而仅在它们的一个打开而另一个闭合时进行操作。相同的情况应用于图5的开关。
曝光测量电路3包括电压比较器11，其具有连接至测量电容器Cs的一个端子的信号输入，和连接参考电压Vref的参考输入。连接至测量比较器11的测量电容器Cs的端子是第一开关SS和电流源10所连接至的公共节点S。电压比较器11的输出被反馈至逻辑电路12。逻辑电路12负责控制曝光测量循环的状态，并且负责像素信号以及因此的曝光测量结果(异步的)传输至地址编码器和总线仲裁器(未示出)。
对于曝光测量，利用了在公共节点S(测量电容器Cs和电流源10连接到它)处的瞬时电压VS。瞬时电压VS可以被估计为：
Vs＝k1ln(Iph)+k2
其中，Iph为前端电路1的光电二极管PD的光电流强度，k1和k2是常数因子。电压VS的瞬时值与瞬时光电流Iph为对数关系，因此电压VS的测量使得能够重构瞬时光电流Iph，因而获取光电二极管PD的曝光水平。
常数k1和k2依赖于电路实施的细节以及各个设备参数，其可能由于非一致制造过程参数而变化。因此，k1和k2对于穿过阵列的各个像素电路可能是不同的(导致所谓的固定模式噪声，FPN)。优选地，针对每个像素单独地确定k1和k2，并且它们对于曝光测量结果的影响通过校准来去除。这种校准可以例如基于像素阵列的均匀光刺激，或者基于一致的电信号刺激。
在曝光测量循环开启之前，第一开关Ss闭合，使得公共节点S连接至曝光测量电路3的输入30。因而，在公共节点S处的电压Vs跟随在前端电路1的输出4处的电压V前。在测量电容器Cs的端子之间的电压还跟随在前端电路1的输出4处的电压V前，并且相应地依赖于光电二极管PD的曝光。
在瞬态检测器电路2检测出照明的相对变化之后，通过开启曝光测量循环的曝光测量电路3来接收测量控制信号Vres,abs。
在激活控制信号Vres,abs时，通过测量控制信号VEM来打开第一开关SS，因而将测量电容器Cs与曝光测量电路3的输入30断开。此时，在打开第一开关SS之前，根据公共节点电压VS的瞬时值而对测量电容器Cs进行充电。第二开关S2可以借助于相同的测量控制信号VEM而同时闭合，或者借助于控制第二开关S2的其他信号很快闭合。
参考电压Vref被施加至电压比较器11的参考输入，参考电压Vref被选择为使得在每种情况下都保证关系Vref<VS。电压比较器11的信号输入连接至VS。由于第二开关S2闭合，所以测量电容器Cs通过由电流源10控制的恒定电流Idec来放电。因而，在测量比较器11的信号输入处的电压VS降低，其降低速率依据测量电容器Cs的电容和由电流源10所施加的恒定电流Idec的强度。
当在测量比较器11的信号输入处的电压VS达到参考电压Vref时，测量比较器11进行切换(即切换其输出)，并且测量结束信号Vreq,abs通过逻辑块12来激活。在控制信号Vres,abs与测量结束信号Vreq,abs的激活边沿之间的时间根据如下关系对在该时间期间的平均绝对像素曝光测量进行编码：
其中，Idec表示通过电流源10所施加的恒定电流的强度，Cs为测量电容器Cs的电容，Iph为光电二极管PD的光电流强度，以及T为电压Vs达到参考电压Vref所需的时间(或者换言之，在控制信号Vres,abs与测量结束信号Vreq,abs的激活边沿之间的时间)。根据该关系，并且由于如下的事实：
Vs＝k1ln(Iph)+k2
能够确定光电二极管PD的光电流强度Iph，并且因此能够确定像素的曝光。
类似于从变化检测事件获取的请求信号(Vreq,rel+和Vreq,rel-)，曝光测量请求信号Vreq,abs被发送至总线仲裁器(未示出)，所述总线仲裁器开启并控制数据包的传输。以这种方式，各个像素的阵列地址在(异步)数据总线(未示出)上以低延迟传输，由此用信号标志测量结束的空间和(固有的)时间坐标，因而有效地传输瞬时像素灰度级值。
可替选地，控制逻辑12可以包括数字计数器器件，其直接地将控制信号Vres,abs与曝光测量请求信号Vreq,abs的激活之间的时间数字化。在这种情况下，所述传输的数据包除了像素阵列地址之外，可以包括由计数器数字化的测量的灰度级。
利用控制逻辑12将控制测量控制信号VEM禁用，第一开关SS闭合而第二开关S2打开，使得在公共节点S处的电压Vs可以恢复跟踪光电流信号。信号VEM的禁用是通过控制逻辑12在接收到外部确认信号Vack,abs时进行的。新的曝光测量循环一通过瞬态检测器电路2或者通过外部信号开启就可以开始。
应当注意的是，在打开第一开关Ss时会发生电荷注入至电容器Cs中，这会影响信号电压Vs。为了最小化该电荷注入，测量电容器应当具有足够高的电容Cs，并且可以利用用于补偿例如虚拟开关和平衡晶体管开关或者底板晶体管开关的技术。
曝光测量电路—第二实施方案
图5示出了根据本发明另一个可能实施方案的用于测量感光器信号的曝光测量电路3的一个示例的简化图。这个实施方案除了如下之外类似于在图4中描绘的和以上所述的实施方案：测量比较器11的参考输入连接至参考开关Sref，而不是直接地连接至参考电压Vref。参考开关Sref可操作地将测量比较器11的参考输入连接至第一参考电压Vref,h或者连接至第二参考电压Vref,l。第一参考电压Vref,h高于第二参考电压Vref,l。参考开关Sref由逻辑块12来控制。
如图3所描绘的实施方案，逻辑块12在接收到控制信号Vres,abs时对测量控制信号VEM的激活使得第一开关Ss打开，因而将测量电容器Cs与曝光测量输入30断开。控制信号Vres,abs的激活也使得逻辑块12复位至初始状态Z0，并且通过逻辑块12来控制参考开关Sref，使得第一参考电压Vref,h被选择以施加至电压比较器11的参考输入。
如之前所述的，第二开关S2闭合，并且在测量比较器11的信号输入处的电压VS降低，其降低速率依据测量电容器Cs的电容和由电流源10所施加的恒定电流Idec的强度。当电压VS达到第一参考电压Vref,h时，测量比较器11进行切换(即切换其输出)，并且第一测量结束信号Vreq,absh被激活。逻辑块12改变成另一种状态Z1，且参考开关Sref切换，使得第二参考电压Vref,l被选择以施加至电压比较器11的参考输入。测量电容器Cs继续放电，并且在时间Tref之后，电压Vs达到第二参考电压Vref,l的电平，由此第二测量结束信号Vreq,absl被激活。利用第二测量结束信号Vreq,absl的激活，逻辑电路12被改变成空闲状态Z2，第一开关SS闭合而第二开关S2打开，使得电压Vs可以恢复跟踪光电流信号。新的曝光测量循环一通过瞬态检测器电路2或者通过外部信号开启就可以开始。
光电二极管PD的曝光通过确定和比较与穿过放电电容器CS的电压达到第一参考电压和第二参考电压的时间相对应的持续时间来进行测量。在测量循环期间，不同值之间的关系为：
第一参考电压Vref,h和第二参考电压Vref,l是提供至阵列的每个像素的外部电压。相应地，对于阵列的每个像素，电压差Vref,h–Vref,l是相同的。如前，T为降低电压Vs以达到第一参考电压Vref,h的持续时间，以下关系仍保持：
相应地：
应当注意的是，取消了由电流源10所施加的电流Idec和测量电容器的电容Cs的精确值，而不影响能够导出的光电流Iph的强度的确定。由于强度Idec和电容Cs在像素之间可能不同，并且易于受到制造过程参数变化的影响，所以独立于这种值来确定光电流Iph的强度更为可靠。
类似于曝光测量电路的第一实施方案，信号Vreq,absh和Vreq,absl二者都被发送至总线仲裁器(未示出)，所述总线仲裁器开启并控制数据包的传输。以这种方式，各个像素的阵列地址在(异步)数据总线(未示出)上以低延迟传输，由此用信号标志第一阈值电压和第二阈值电压交叉的空间和(固有的)时间的坐标(分别表示曝光测量的开始和结束)，因而有效地传输瞬时像素灰度级值。
同样类似于曝光测量电路的第一实施方案，控制逻辑12可以包括数字计数器器件，其直接地将信号Vreq,absh和Vreq,absl(的激活)之间的时间数字化。在这种情况下，仅Vreq,absl被发送至总线仲裁器(未示出)，所述总线仲裁器开启并控制数据包以及该数字化的结果的传输。因此，传输的数据包除了像素阵列地址之外，还可以包括由计数器数字化的所测量的灰度级。
可替选的曝光测量电路
在由图10所图示的可替选的实施方案中，曝光测量电路3由采样保持电路100组成，所述采样保持电路100通过瞬态检测器电路2在控制信号Vres,abs激活时，对前端电路1的输出4进行采样。采样保持电路100的输出101连接至像素外部电压的模拟-数字转换器(ADC)102。可以布置每个像素阵列一个ADC 102或者每个像素列一个ADC 102。ADC 102的输出103连接至数据总线(未示出)。
类似于之前的实施方案，采样保持电路100的激活通过来自瞬态检测器电路2的控制信号Vres,abs来控制。在完成接收到激活控制信号Vres,abs时在前端电路的输出4处的瞬时电压电平的采样操作之后，采样的电压通过输出101发送至ADC以用于模拟-数字转换。在完成模拟-数字转换之后，转换的结果连同像素阵列地址一起被传送至总线仲裁器(未示出)，所述总线仲裁器开启并控制数据包的传输。以这种方式，各个像素的阵列地址及其瞬时灰度级在(异步)数据总线(未示出)上以低延迟传输。
感光器电路—现有技术的实施方案
前端电路1的感光器电路5例如可以为在美国专利7,728,269中所述的一种，其在图6中进行了描绘。该电路包括输出50，其用于传送从单个光电二极管PD的曝光所获得的感光器信号，所述感光器信号由前端电压V前组成。该电路还包括第一感光器晶体管Mp1，其具有漏极和栅极，所述第一感光器晶体管Mp1的栅极连接至所述输出50。第二感光器晶体管Mp2的栅极连接至光电二极管PD，其源极接地(即，连接至低电源电压)，而其漏极连接至第三感光器晶体管Mp3的源极，第三感光器晶体管Mp3的栅极通过偏置电压V偏置,cas来进行偏置。第三感光器晶体管Mp3的漏极连接至输出50，因而还连接至第一感光器晶体管Mp1的栅极。第三感光器晶体管Mp3的漏极还连接至第四感光器晶体管Mp4的漏极，第三感光器晶体管Mp3的栅极通过偏置电压V偏置,pr来进行偏置，并且第三感光器晶体管Mp3的源极连接至高电源电压Vdd。第一感光器晶体管Mp1、第二感光器晶体管Mp2和第三感光器晶体管Mp3为N型MOSFET，而第四感光器晶体管Mp4为P型MOSFET。
输出电压V前示出与光电流Iph的对数关系：
其中：
-nMp1为第一感光器晶体管Mp1的子阈值斜率因子，
-Vt为热电压，
-LMp1为第一感光器晶体管Mp1的沟道长度，
-WMp1为第一感光器晶体管Mp1的沟道宽度，
-I0,Mp1为第一感光器晶体管Mp1的子阈值饱和电流，以及
-VD为穿过光电二极管PD的反相电压。
根据如下，光电流Iph从第一值Iph1至第二值Iph2的变化引起输出电压V前的变化ΔV前：
由于输出50反馈至由晶体管Mp2、Mp3和Mp4组成的放大器的输入，所以感光器元件的带宽与未反馈的对数感光器电路相比显著地增加。与半功率点相对应的3-dB频率如下近似计算：
其中：
-CMp1,a为第一感光器晶体管Mp1的源极与由第二感光器晶体管Mp2、第三感光器晶体管Mp3和第四感光器晶体管Mp4组成的放大器的输出(其也是感光器电路5的输出50)之间的电容，
-CD为光电二极管PD的结电容，
-Vt为热电压，以及
-ν为由第二感光器晶体管Mp2、第三感光器晶体管Mp3和第四感光器晶体管Mp4组成的放大器的小信号增益。
应当注意的是，电容CMp1,a主要依赖于第一感光器晶体管Mp1的栅极-源极重叠电容(其与它们的沟道宽度成比例)。针对小信号增益ν通常较大的值，与没有反馈的配置相比，电路的3dB频率不再由光电二极管PD的电容来控制，而是由更小的第一感光器晶体管Mp1的栅极-源极重叠电容来控制。
改进的感光器电路
图7示出了呈现出对于增益和带宽具有显著改进的另一种电路。改进电路也是对数关系的、时间连续的具有用于改进带宽的反馈的感光器电路，但是与图6的感光器电路相比，在光电二极管PD与第一感光器晶体管Mp1之间布置了附加的第五感光器晶体管Mp5。
相应地，图7的改进的感光器电路5包括输出50，其用于传送从所述单个光电二极管的曝光中获得的感光器信号，所述感光器信号由电压V前组成。所述感光器电路包括具有漏极和栅极的第一感光器晶体管Mp1，所述第一感光器晶体管Mp1的栅极连接至所述输出50。所述感光器电路还包括具有漏极、源极和栅极的第五感光器晶体管Mp5，所述第五感光器晶体管Mp5的源极连接至单个光电晶体管PD，并且第五感光器晶体管Mp5的栅极通过偏置电压V偏置,d来进行偏置。第一感光器晶体管Mp1和第五感光器晶体管Mp5具有公共源极。
采用类似于图6的电路的方式来布置组成放大器的其他感光器晶体管。第二感光器晶体管Mp2具有栅极，其连接至光电二极管PD和第五感光器晶体管Mp5的漏极。第二感光器晶体管Mp2的源极接地(即，连接至低电源电压)，而其漏极连接至第三感光器晶体管Mp3的源极，第三感光器晶体管Mp3的栅极通过偏置电压V偏置,cas来进行偏置。第三感光器晶体管Mp3的漏极连接至输出50，因而还连接至第一感光器晶体管Mp1的栅极。第三感光器晶体管Mp3的漏极还连接至第四感光器晶体管Mp4的漏极，第四感光器晶体管Mp3的栅极通过偏置电压V偏置,pr来进行偏置，并且其源极连接至高电源电压Vdd。第一感光器晶体管Mp1、第二感光器晶体管Mp2和第三感光器晶体管Mp3为N型MOSFET，而第五感光器晶体管Mp5和第四感光器晶体管Mp4为P型MOSFET。
对于增益增加，图6电路的输出电压V前仍对数取决于光电流强度Iph：
其中：
-nMp5为第五感光器晶体管Mp5的子阈值斜率因子，
-LMp5为第五感光器晶体管Mp5的沟道长度，
-WMp5为第五感光器晶体管Mp5的沟道宽度，
-I0,Mp5为第五感光器晶体管Mp5的子阈值饱和电流，以及
-V偏置,d为施加至第五感光器晶体管Mp5的栅极的偏置电压。
根据如下，光电流Iph从第一值Iph1至第二值Iph2的变化引起输出电压V前的变化ΔV前：
假设nMp1≈nMp5，其可以简化为：
相应地，增益相对于图6的感光器电路加倍。
由图7的感光器电路实现的提高的增益由于响应于光电流Iph的强度的一定变化ΔIph而能够检测出光电流Iph的更小电流强度变化ΔIph，所得的电压变化增加了倍增增益。另外，由于所得的电压变化在随后的放大器(例如，瞬态检测器电路3的开关电容差分放大器)的输入之前增加，所以该随后的放大器的增益能够更小,同时实现相同的整体时间对比(即，相对变化)灵敏度，使得CMOS器件的尺寸显著地减小，尤其是开关电容放大器中的电容器尺寸。
关于带宽，与半功率点相对应的3-dB频率如下近似计算：
其中，CMp5,DS为第五晶体管Mp5的漏极-源极耦合电容。通常，该电容明显小于第一感光器晶体管Mp1的栅极-源极重叠电容CMp1，其用于确定图6电路中的3-dB频率。因此，带宽增加了比率CMp5,DS/CMp1。
由于感光器电路5增加的带宽，瞬态检测器电路2的响应延迟显著降低，并且像素电路的时间分辨率提高,因而传感器器件的时间分辨率提高。
可替选地，第五感光器晶体管Mp5的栅极可以连接至其源极，而不是通过偏置电压V偏置,d来驱动。然而，在这种配置中，尽管电压增益也加倍，但是带宽不增加。
增益级
图8示出了用于放大在感光器电路5的输出处的信号V前的前置放大器增益级6(代替传统的跟随器缓冲器)的示例的简化图。
前置放大器增益级6包括：输入，其连接至感光器电路5的输出，用于接收感光器信号V前；以及输出，其连接至瞬态检测器电路2的输入以及曝光测量电路3的输入，用于传送放大的感光器信号Vamp。前置放大器增益级6包括第一增益晶体管Mg1，其具有漏极、源极和栅极。第一增益晶体管Mg1的栅极连接至增益级的输入，即连接至感光器电路5的输出。第一增益晶体管Mg1的源极连接至参考偏置电压V偏置,ref，并且所述第一增益晶体管Mg1的漏极连接至增益级的输出。第一增益晶体管Mg1为N沟道型MOS晶体管。
前置放大器增益级6还包括串联的多个增益晶体管Mg2、Mgk，这些增益晶体管Mg2、Mgk中的每一个具有漏极、源极和栅极，并且串联的这些增益晶体管Mg2、Mgk中的每一个的漏极连接至其栅极(连接为二极管的晶体管)。串联的这些增益晶体管中的一个的漏极连接至第一增益晶体管Mg1的漏极，并且该增益晶体管被称作为Mg2。相应地，该增益晶体管Mg2的栅极连接至增益级6的输出。串联的增益晶体管是P沟道型MOS晶体管。
所述的增益级6是共源放大器，第一增益晶体管Mg1为N-MOS输入晶体管，并且串联的连接为二极管的P-MOS增益晶体管Mg2、Mgk为负载。具有连接为二极管的负载的这种结构具有不很大地依赖于尺寸的增益，使得降低了与尺寸相关的失配影响，从而改进了像素阵列的固定图形噪声(FPN)性能。
存在串联的至少两个连接为二极管的增益晶体管Mg2、Mgk，即k＝3。优选地，更多的连接为二极管的增益晶体管被布置为串联。在优选的实施方案中，三个或四个连接为二极管的增益晶体管串联连接。通过输入电压摆动(即，输入电压V前所期望的高电平)来确定被布置为串联的这种连接为二极管的增益晶体管的最大数量，使得穿过串联的连接为二极管的晶体管Mg2至Mgk的栅极-源极电压不受限于所得的输出电压Vamp。
如果增益级电路6在子阈值区域中操作，并且假设串联的连接为二极管的增益晶体管Mg2至Mgk的尺寸相等，则输出电压Vamp如下进行计算：
其中：
-VDD为高电源电压，
-nMg1和nMg2分别为增益晶体管Mg1和Mg2的子阈值斜率因子，
-Vt为热电压，
-LMg1和LMg2分别为第一增益晶体管Mg1和第二增益晶体管Mg2的沟道长度，
-WMg1和WMg2分别为第一增益晶体管Mg1和第二增益晶体管Mg2的沟道宽度，
-I0,Mg1和I0,Mg2分别为第一增益晶体管Mg1和第二增益晶体管Mg2的子阈值饱和电流。
输入电压变化ΔV前导致如下的输出电压变化ΔVamp：
因而由增益级6所提供的增益由于响应于光电流Iph的强度的一定变化ΔIph，所以允许检测更小的光电流Iph的电流强度变化ΔIph，所得的电压变化增加(k-1)倍增益。另外，由于所得的电压变化在随后的放大器(例如，瞬态检测器电路3的开关电容差分放大器)的输入之前增加，所以该随后的放大器的增益能够更小,同时实现相同的整体对比灵敏度，使得CMOS器件的尺寸显著地减小，尤其是开关电容放大器中的电容器尺寸。
利用根据图8的增益级6，其连接至感光器电路5的输出50(例如在图6或7中描绘的)，可以实现依赖光电流的带宽限制。因此，增益级通过自调节其带宽来提供自动的、光电流控制的噪声降低。对应于半功率点的3dB频率与流经第一增益晶体管Mg1的电流IMg1成比例：
f3dB～IMg1
其中，通过第一增益晶体管Mg1的电流IMg1取决于电压差V前-V偏置,ref。第一增益晶体管Mg1在子阈值区域中操作，3dB频率与如下成比例：
其中，用于如图6和7中的感光器电路5的第一感光器晶体管Mp1的晶体管和用于增益级6的第一增益晶体管Mg1的晶体管尺寸相同，并且偏置参考电压V偏置,ref等于穿过光电二极管PD的反相电压VD，其遵照3dB频率与光电流Iph成比例：
f3dB～Iph
由于穿过光电二极管PD的反相电压VD近似地独立于光电流Iph，所以对于在利用虚拟电路的阵列中的全部像素可以全局地获得偏置参考电压V偏置,ref，所述虚拟电路具有感光器电路中覆盖的(covered)光电二极管(例如，图6或7中的一个)，这种感光器电路的输出电压被用作偏置参考电压V偏置,ref。
因而，增益级电路6可以代替传统的源极跟随器，用于有效地将灵敏前端电路1与后续电路(即，瞬态检测器电路2和曝光测量电路3)去耦，并且可以实现依赖光电流的带宽控制和额外的信号放大。
图9示出了包括多个根据如上所述的本发明的可能实施方案的像素电路91的图像传感器90。所描绘的像素电路91被布置成阵列。

Claims (15)

1.一种像素电路，其包括：
- 前端电路（1），其包括单个光电二极管（PD）并且具有输出（4），所述前端电路（1）配置为用于在所述输出上传送从所述单个光电二极管（PD）的曝光强度所获得的感光器信号；
- 瞬态检测器电路（2），其连接至所述前端电路的输出并且配置为用于检测在所述输出（4）上传送的所述感光器信号的变化；
其特征在于，所述像素电路进一步包括：曝光测量电路（3），其连接至所述前端电路的输出并且配置为用于在瞬态检测器电路（2）检测到感光器信号的变化时，测量在所述输出（4）上传送的所述感光器信号的曝光强度，所述曝光测量电路包括：
- 输入（30），其连接至前端电路（1）的输出（4），用于接收感光器信号，
- 电容器（Cs），其通过第一开关（Ss）连接至所述输入（30），所述第一开关（Ss）配置为在瞬态检测器电路（2）检测出感光器信号变化时，将所述电容器（Cs）与所述输入（30）断开连接，
其中，曝光测量电路（3）配置为通过将曝光测量电路（3）的电容器（Cs）与曝光测量电路（3）的输入（30）断开连接，在由瞬态检测器电路（2）检测出从在所述光电二极管（PD）处的入射光强度所获得的感光器信号变化时，开启曝光测量循环。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述曝光测量电路（3）包括：源电流（10），其与第二开关（S2）串联，与所述电容器（Cs）并联，所述第二开关（S2）配置为用于控制所述电容器（Cs）的放电。
3.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述曝光测量电路（3）包括电压比较器（11），其具有连接至电容器（Cs）的一个端子的信号输入、和连接至参考电压（Vref）的参考输入。
4.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述曝光测量电路（3）包括电压比较器（11），所述电压比较器（11）具有：
- 信号输入，其连接至电容器（Cs）的一个端子，以及
- 参考输入，其连接至参考开关（Sref），所述参考开关（Sref）配置为用于将所述参考输入选择性地连接至至少两个参考电压（Vref,h, Vref,l）。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的像素电路，其中，所述瞬态检测器电路（2）包括：
- 放大器，其具有两个通过跟随器缓冲器分开的电容性反馈的单端反相共源级，其中，电容器（C2）借助于感光器信号来充电，以及
- 至少一个阈值检测器（7, 8），其布置为检测在另一个电容器（C4）上的电压是否超过阈值。
6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的像素电路，其中，所述前端电路（1）包括感光器电路（5），其连接至单个二极管（PD），所述感光器电路（5）包括：
- 输出（50），其用于传送从所述单个光电二极管（PD）的曝光所获得的感光器信号，
- 第一感光器晶体管（Mp1），其具有漏极和栅极，所述第一感光器晶体管（Mp1）的栅极连接至输出（50），
- 附加的感光器晶体管（Mp5），其具有漏极、源极和栅极，所述附加的感光器晶体管（Mp5）的漏极连接至所述单个光电二极管（PD），以及
其中，所述第一感光器晶体管和附加的感光器晶体管具有公共源极。
7.根据权利要求6所述的像素电路，其中，所述附加的感光器晶体管（Mp5）的栅极通过偏置电压（V偏置,d）来进行偏置，或者连接至第一感光器晶体管和附加的感光器晶体管的公共源极。
8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的像素电路，其中，所述前端电路（1）进一步包括增益级（6），其用于放大在前端电路（1）的输出（4）上传送的感光器信号，所述增益级（6）包括：
- 输入，其连接至感光器电路（5）的输出，
- 输出，
- 第一增益晶体管（Mg1），其具有漏极、源极和栅极，第一增益晶体管（Mg1）的栅极连接至增益级的输入，第一增益晶体管（Mg1）的源极连接至偏置电压（V偏置,ref），以及所述第一增益晶体管（Mg1）的漏极连接至所述增益级（6）的输出，以及
- 串联的多个增益晶体管（Mg2, Mgk），串联的每个增益晶体管（Mg2, Mgk）具有漏极、源极和栅极，串联的每个增益晶体管（Mg2, Mgk）的漏极连接至其栅极，并且所述串联的多个增益晶体管中的一个（Mg2）的漏极连接至第一增益晶体管（Mg1）的漏极。
9.一种图像传感器，其包括多个根据前述权利要求的任意一项所述的像素电路。
10.一种用于操作像素电路的方法，其中，所述像素电路是根据权利要求1至8中的任意一项所述的像素电路。
11.一种用于操作根据权利要求1至8中的任意一项所述的像素电路的方法，其中，通过外部施加的控制信号也能够开启借助于曝光测量电路（3）的光电二极管（PD）的曝光测量循环，所述外部施加的控制信号独立于从在所述光电二极管（PD）处的入射光强度所获得的感光器信号中的任意检测。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，光电二极管（PD）的曝光强度通过当所述电容器（Cs）放电时，确定穿过曝光测量电路（3）的所述电容器的电压达到至少一个参考电压（Vref, Vref,h, Vref,l）的时间来测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，具有第一参考电压（Vref,h）和第二参考电压（Vref,l），所述第一参考电压（Vref,h）比所述第二参考电压（Vref,l）更高，其中，光电二极管（PD）的曝光强度通过确定和比较如下来测量：
- 第一持续时间，其对应于当所述电容器（Cs）放电时，穿过曝光测量电路（3）的所述电容器的电压达到所述第一参考电压（Vref,h）的时间，以及
- 第二持续时间，其对应于当所述电容器（Cs）放电时，穿过曝光测量电路（3）的所述电容器的电压达到所述第二参考电压（Vref,l）的时间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，在曝光测量循环之前，曝光测量电路（3）的电容器（Cs）通过对应于感光器信号的电压来充电。
15.根据权利要求10至11中的任意一项所述的方法，其中，曝光测量电路（3）包括：源电流（10），其与第二开关（S2）串联，与所述电容器（Cs）并联，所述第二开关（S2）配置为用于控制所述电容器（Cs）的放电,
并且其中，曝光测量循环至少包括以下步骤：
- 打开第一开关（Ss），用于将电容器（Cs）与曝光测量电路（3）的输入断开连接，
- 闭合第二开关（S2），用于允许电容器（Cs）放电，
- 确定当曝光测量电路的电容器（Cs）放电时，所述电容器达到至少一个参考电压（Vref,Vref,h, Vref,l）的放电时间，
- 从确定出的电容器（Cs）的放电时间来确定光电二极管（PD）的曝光强度。
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