CN107071314A - 一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，由光电二极管、对数管、M级N型MOSFET链、第一放大器、第二放大器、第一电容、第二电容、开关、第一比较器、第二比较器和逻辑模块组成，所述M级N型MOSFET链由M个N型的MOSFET相互串联组成；本发明动态视觉传感器，通过加入MOSFET链降低动态视觉传感器(DVS)的时域对比度(TC)，提高其对动态场景细节的成像能力。

Description

一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体的说，是涉及一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器。
背景技术
动态视觉传感器(Dynamic Vision Sensor，DVS)是一种新型CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器，其像素的基本结构如图1所示，由光电二极管PD、对数管Mfb、放大器A1、放大器A2、电容C1、电容C2、开关RST、比较器Comp1、比较器Comp2和逻辑模块Logic组成，其具体工作方式如下：
光电二极管PD受到光照产生光电流Iph，工作在亚阈值区的对数管Mfb能将Iph转化为相应的电压Vp通过其栅极进行输出。放大器A1跨接在对数管Mfb的栅极和源极之间，从而形成负反馈环路，拓展了Mfb的带宽，提升了Vp对于Iph的响应速度。根据MOSFET在亚阈值区的工作模式，可以推导出Vp与Iph的转化关系为
其中κ表示Mfb的亚阈值斜率因子，VS表示对数管Mfb的源级电压，UT表示热电压，I0表示Mfb的参考电流。当Iph变化ΔIph，且ΔIph＜＜Iph时，Vp的变化值为
电容C1和C2、放大器A2以及开关RST组成一个开关电容放大器。当开关RST在复位之后断开时，放大器A2输出端电压Vdiff的变化值ΔVdiff与放大器输入端电压Vp的变化值ΔVp成比例变化，即有
Vrefl与Vrefh分别是Comp1正极和Comp2负极的参考电压，且有Vrefl<Vdiff<Vrefh。在光强恒定不变、且复位开关RST从闭合状态转变为断开状态时，Comp1与
Comp2的输出均为低电平。若定义
Vth,ON＝Vrefl-Vdiff,Vth,OFF＝Vrefh-Vdiff (4)则当ΔVdiff＜Vth,ON时，Comp1的输出从低变化为高而Comp2的输出保持为低，称该像素产生了一个ON事件；当ΔVdiff＞Vth,OFF时，Comp2的输出从低变化为高而Comp1的输出保持为低，称该像素产生了一个OFF事件。考虑到事件产生的平衡性，一般有
|Vth,ON|＝|Vth,OFF|＝Vth (5)其中Vth表示预先设定的变化阈值。当有事件产生时，逻辑模块会对外进行输出，并在输出完成后控制开关RST闭合，对Vdiff进行复位以清除事件。在复位过程结束后开关RST断开，本次事件周期完成，像素将开始新一轮事件探测过程。
由上述DVS像素的工作原理可以看出，DVS能够实现监测光电流的连续变化，从而产生包含了其变化性质与变化幅度的ON/OFF事件脉冲。这些事件脉冲表征了传感器所探测到的连续时间上的动态信息。其中，若定义TC(Temporal Contrast，时域对比度)为光电流的相对变化率，并以此表征DVS能够响应的场景光强最低变化幅度，则
动态视觉传感器的TC越小，则其时域灵敏度越高，能够响应的光强变化越小，动态成像也就越精细。从式(6)可以看出，低TC要求低电容比C2/C1以及低阈值Vth。但是，C2的最小值受到工艺条件的限制；C1受到像素面积的制约不能过大；比较器受到失调、噪声以及精度等限制，导致Vth不能过低。以上原因使得DVS的TC的最小值受到了严重的制约，从而限制了DVS细节动态信息的保留程度，使得DVS动态成像精细度较差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对现有动态视觉传感器(DVS)的时域对比度(TC)受到工艺条件的限制而较高，导致动态成像精细程度较差、细节信息缺失程度严重的问题，提供一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，通过加入MOSFET链降低动态视觉传感器(DVS)的时域对比度(TC)，提高其对动态场景细节的成像能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，由光电二极管、对数管、M级N型MOSFET链、第一放大器、第二放大器、第一电容、第二电容、开关、第一比较器、第二比较器和逻辑模块组成，所述M级N型MOSFET链由M个N型的MOSFET相互串联组成，按照串联的顺序M个MOSFET依次命名为第1级、第2级、…、第M级，每一级的漏端均与本级的栅端相连，且从第2级起，每一级的漏端还与上一级的源端相连；所述光电二极管的正极接地，负极与M级N型MOSFET链中第M级的源端相连；所述对数管的漏端与电源相连，源端与M级N型MOSFET链中第一级的漏端相连，栅端输出电压Vp；第一放大器的输入端和输出端分别连接光电二极管的负极和对数管的栅端，第一电容的两端分别连接第一放大器的输出端和第二放大器的输入端，第二电容和开关均跨接在第二放大器的输入端与输出端之间与第二放大器形成并联结构，所述第一比较器的正输入端为参考电压Vrefl，负输入端连接第二放大器的输出端；所述第二比较器的负输入端为参考电压Vrefh，正输入端连接第二放大器的输出端，第一比较器和第二比较器的输出均接入所述逻辑模块，逻辑模块输出开关的控制信号以控制开关的状态。
所述M级N型MOSFET链中每个MOSFET的宽长比均与对数管相同。
所述M为≥1的正整数。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明基于传统动态视觉传感器(DVS)的像素结构，通过在Iph-Vp转化电路中增加M级栅源相连的N型MOSFET构成的链式结构，提高了其转化能力，使得该动态视觉传感器(DVS)结构在相同工艺与设计参数的条件下，获得更低的TC，提升了动态视觉传感器(DVS)的动态成像精细度。
附图说明
图1传统动态视觉传感器的像素电路结构图
图2是本发明动态视觉传感器的像素电路结构图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。为使描述简洁，清楚，下文中部分“动态视觉传感器”由DVS表示，“时域对比度”由TC表示。
本发明时域灵敏度增强型的动态视觉传感器采用的像素结构如图2所示，由光电二极管PD、对数管Mfb、M级N型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)链、第一放大器A1、第二放大器A2、第一电容C1、第二电容C2、开关RST、第一比较器Comp1、第二比较器Comp2和逻辑模块Logic组成，这些器件与模块相互的连接关系如下所述：按照串联的顺序M个MOSFET依次命名为第1级、第2级、…、第M级，每一级的漏端均与本级的栅端相连，且从第2级起，每一级的漏端还与上一级的源端相连；光电二极管PD的正极接地，负极与M级N型MOSFET链中第M级的源端相连；对数管Mfb的漏端与电源相连，源端与M级N型MOSFET链中第一级的漏端相连，栅端输出电压Vp；第一放大器A1的输入端和输出端分别连接光电二极管PD的负极和对数管Mfb的栅端，第一电容C1的两端分别连接第一放大器A1的输出端和第二放大器A2的输入端，第二电容C2和开关RST均跨接在第二放大器A2的输入端与输出端之间与第二放大器A2形成并联结构，第一比较器Comp1的正输入端为参考电压Vrefl，负输入端连接第二放大器A2的输出端；第二比较器Comp2的负输入端为参考电压Vrefh，正输入端连接第二放大器A2的输出端，第一比较器Comp1和第二比较器Comp2的输出均接入逻辑模块Logic，逻辑模块Logic输出开关RST的控制信号以控制开关RST的状态。
进一步的，在MOSFET链中每个MOSFET的宽长比均与对数管Mfb相同，并且同样工作在亚阈值区。具体串联的级数M可以根据电源电压、MOSFET的阈值电压以及Vp要求的输出范围而定，一般在0.35μm工艺、电源电压为3.3V的条件下，M可以取在1～3之间。
本发明动态视觉传感器DVS的像素电路的工作过程如下：光电二极管PD受到光照产生光电流Iph，对数管Mfb将Iph转化为相应的电压Vp通过其栅极进行输出；第一放大器A1跨接在对数管Mfb的栅极和源极之间，从而形成负反馈环路，拓展了对数管Mfb的带宽，提升Vp对于Iph的响应速度；第一电容C1、第二电容C2、第二放大器A2以及开关RST组成开关电容放大器，根据Vp产生相应的输出电压Vdiff；第一比较器Comp1和第二比较器Comp2分别将Vdiff与Vrefl和Vrefh进行比较，在Vdiff<Vrefl时第一比较器Comp1产生脉冲，称为ON事件，同时第二比较器Comp2输出无变化，而在和Vdiff＞Vrefh时第二比较器Comp2产生脉冲，称为OFF事件，同时第一比较器Comp1输出无变化。当有事件产生时，逻辑模块会对外进行输出，并在输出完成后控制开关RST闭合，对Vdiff进行复位以清除事件。在复位过程结束后开关RST断开，本次事件周期完成，像素将开始新一轮事件探测过程。
增加M级栅漏相连的MOSFET链使得时域对比度(TC)降低的原理如下：
定义该MOSFET链中第n级MOSFET的栅极、源极和漏极电压分别为VGn、VSn与VDn。由于链中MOSFET本身为栅漏相连而相互之间为串联，故
VGn＝VDn＝VS(n-1) (7)
又链式结构的第1级与Mfb串联，故
VG1＝VD1＝VSfb (8)
其中VSfb为Mfb的源极电压。对于Mfb应用式(1)，有
对于链式结构中第n级MOSFET应用式(1)，有
将每一级的表达式逐步向前级代入，最终得到
结合式(3)(4)(6)，可以推出该DVS像素的时域灵敏度为
一般κ＝0.6～0.8。经过计算容易看出，在C2/C1与Vth相等的条件下，式(12)中时域对比度(TC)小于式(6)，即该类型DVS像素的时域灵敏度得到了提升。
进一步的，考虑在0.18μm工艺、电源电压为3.3V的条件下实现该种动态视觉传感器像素结构，并设κ＝0.8。
若取M＝1，则该DVS的TC为传统DVS的44.4％，即传感器的时域灵敏度提升了约1倍。
若取M＝2，则该DVS的TC仅为传统DVS的26.2％，传感器的时域灵敏度提升了约3倍。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，其特征在于，由光电二极管(PD)、对数管(Mfb)、M级N型MOSFET链、第一放大器(A1)、第二放大器(A2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、开关(RST)、第一比较器(Comp1)、第二比较器(Comp2)和逻辑模块(Logic)组成，所述M级N型MOSFET链由M个N型的MOSFET相互串联组成，按照串联的顺序M个MOSFET依次命名为第1级、第2级、…、第M级，每一级的漏端均与本级的栅端相连，且从第2级起，每一级的漏端还与上一级的源端相连；所述光电二极管(PD)的正极接地，负极与M级N型MOSFET链中第M级的源端相连；所述对数管(Mfb)的漏端与电源相连，源端与M级N型MOSFET链中第一级的漏端相连，栅端输出电压Vp；第一放大器(A1)的输入端和输出端分别连接光电二极管(PD)的负极和对数管(Mfb)的栅端，第一电容(C1)的两端分别连接第一放大器(A1)的输出端和第二放大器(A2)的输入端，第二电容(C2)和开关(RST)均跨接在第二放大器(A2)的输入端与输出端之间与第二放大器(A2)形成并联结构，所述第一比较器(Comp1)的正输入端为参考电压Vrefl，负输入端连接第二放大器(A2)的输出端；所述第二比较器(Comp2)的负输入端为参考电压Vrefh，正输入端连接第二放大器(A2)的输出端，第一比较器(Comp1)和第二比较器(Comp2)的输出均接入所述逻辑模块(Logic)，逻辑模块(Logic)输出开关(RST)的控制信号以控制开关(RST)的状态。
2.根据权利要求1所述一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，其特征在于，所述M级N型MOSFET链中每个MOSFET的宽长比均与对数管(Mfb)相同。
3.根据权利要求1所述一种时域灵敏度增强型的动态视觉传感器，其特征在于，所述M为≥1的正整数。
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