CN110958851A - 健康监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电体积描记(PPG)感测装置，其包括：‑脉冲光源；‑至少一个像素，其用于产生光生电子，所述至少一个像素与所述脉冲光源同步。它主要特征在于，每个像素包括：‑针扎式光电二极管(PPD)，其具有两个电子连接节点；‑感测节点(SN)，其用于将所述光生电子转换为电压；以及‑转移门(TGtransfer)晶体管，其具有电子地连接到所述针扎式光电二极管(PPD)的一个电子连接节点的源极，并且被配置为充当所述针扎式光电二极管(PPD)和所述感测节点(SN)之间的转移门(TG)，从而当光被脉冲关闭时允许所述光生电子汇集，当所述光被脉冲打开时允许所述光生电子积累，并且将所述积累的光生电子的至少一部分转移到所述感测节点用于读出。
Description
发明领域
本发明涉及用于生物医学应用特别是健康监测的CMOS传感器领域。
如今，鉴于人口老龄化以及肥胖水平上升和心脏相关病症(即心血管疾病)增加的共同作用，健康监测变得越来越重要。医疗保健行业越来越依赖于新方法来监测患者。
随着人们对健身和健康兴趣的增加，这就需要更实惠且更精确的健康监测装置，尤其是在可穿戴时。
在这样的背景下，光电体积描记(PPG)是已知的，并且看起来是一项关键技术，其可以无创地监测重要生物指标，诸如心率(HR)、血氧饱和度(SpO2)、呼吸率(RR)和动脉压(AP)。
标准PPG系统包括与光电传感器同步的脉冲LED以及处理链。LED在人体皮肤中漫射光。处理由反射的漫射光保留的信号允许提取一些重要参数。
标准PPG通过简单地将特定波长的光照射到组织上并读出反射光或透过组织的透射光来测量一些心脏参数。大部分的光被组织吸收，而少量光到达检测器。一旦到达检测器，光即被转换成光生电流，最终被采集链(即电子电路)过滤和处理。为了实现这种效果，标准PPG包括至少两个发光二极管(LED)和一个宽带“光电二极管”(PD)。
通常，两个LED利用在血液中循环的分子且特别是氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)的不同吸收特性，以两种不同的波长(例如，可见光和中红外)按照时分复用(即异相)方式发光。HbO2分子在整个血红蛋白分子上的“计数”
给出氧饱和度(SpO2)，所述参数报告在血液中流动的氧的量。组织是一个相当复杂的环境，其具有大量吸收物质，发射光的功率应该足够大以允许足够多的光子(它们中的大部分将被组织吸收)撞击检测器。基于PPG的系统的最大瓶颈是LED功耗。
这就是为什么基于常规PN或PIN二极管的当前医疗PPG系统(诸如US 2016/183813中公开的那些)与便携式或可穿戴解决方案不兼容。
且尽管最近引入的研究工作提出了依赖光电二极管的板载系统(SOB)解决方案，但是这种SOB呈现出相对复杂的电路。此外，可商购获得的智能手表和其他连接的服饰在可靠性、精度和电池寿命方面都无法满足客户需求。
本发明旨在解决这些缺点。
发明内容
更准确地，本发明涉及一种光电体积描记(PPG)感测装置，其被配置为输出包括DC分量和AC分量的信号，所述装置包括：
-脉冲光源，其适于脉冲打开或脉冲关闭，
-至少一个像素，其用于光对电荷转换以产生光生电子，
-每个像素与所述脉冲光源同步。
它主要特征在于每个像素包括：
-针扎式光电二极管(PPD)，其包括阱并且具有两个电子连接节点，
-感测节点(SN)，所述感测节点是n+-p结电容，其作用是通过所述电容的转换增益将针扎式光电二极管(PPD)阱中的光生电子转换为电压，以及
-转移门(TGtransfer)晶体管，其具有电子地连接到所述针扎式光电二极管(PPD)的一个电子连接节点的源极，并且被配置为充当所述针扎式光电二极管(PPD)和所述感测节点(SN)之间的转移门(TG)，从而当光被脉冲关闭时允许光生电子汇集，当光被脉冲打开时允许光生电子积累，并且将积累的光生电子的至少一部分转移到所述感测节点用于读出，其中TGtransfer晶体管的栅极优选地电子地连接到DC电源(V_TGtransfer)，所述DC电源的值可以被动态调整。
由于使用作为与常规PN或PIN光电二极管截然不同的装置的针扎式光电二极管，因此可以使用微秒数量级的短得多的照明脉冲。与现有技术的基于PN/PIN二极管的PPG装置相比，这大大降低了功耗，从而使其与可携带在人身上的小型且轻便装置兼容。此外，且如下文进一步解释的，通过利用PPD所特有的并且在常规PN/PIN二极管中不存在的特定特性，通过消除PPD本身的读出点处信号的DC部分，可以大幅度提高PPD的输出水平的信噪比，而完全不需要在下游采用任何耗电信号处理。与现有PPG系统相比，这些方面的组合出人意料地大大降低了功耗，使其适合永久性地携带和佩戴。
在一个实施方案中，每个像素还包括：
-汇集(TGsink)晶体管，其具有电子地连接到所述针扎式光电二极管(PPD)的另一个电子连接节点的源极，并且被配置为充当所述针扎式光电二极管(PPD)和恒定DC电源或电容任一者之间的转移门(TG)，从而当光被脉冲关闭时允许光生电子朝向所述恒定DC电源或所述电容汇集，并且当光被脉冲打开时允许光生电子积累。
在一个实施方案中，所述像素的每个包括至少一个另外的针扎式光电二极管(PPD)，所述至少一个另外的针扎式光电二极管(PPD)与所述针扎式光电二极管(PPD)并联布置，并且通过相应的转移门(TGtransfer)晶体管连接到所述感测节点(SN)，所述转移门(TGtransfer)晶体管的每个被配置为例如通过使其栅极电连接在一起而同步地操作。有利地，所述另外的针扎式光电二极管(PPD)的每个通过相应的汇集(TGsink)晶体管适当地连接到所述恒定DC电源或所述电容，所述汇集(TGsink)晶体管的每个的栅极被配置为同步地操作。这种所谓的宏像素结构通过增加可用的光生电荷的量来增加灵敏度，同时保持简单的电路。
优选地，无论在宏像素中结合单个PPD还是多个PPD，所述像素都以阵列布置，从而增加了装置的灵敏度。
在一个实施方案中，光电体积描记(PPG)感测装置还包括处理器(DSP)，该处理器被配置为在空间上对宏像素的输出平均。
在一个实施方案中，光电体积描记(PPG)感测装置还包括：
-第一块(CDS1)，其包括：
ο电容(CSH1)，其用于当脉冲光源关闭并且感测节点(SN)阱为空时，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_reset)，以及
ο电容(CSH2)，其用于当脉冲光源关闭且光电体积描记(PPG)感测装置刚刚经受环境光时，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_amb+V_reset)，以及当脉冲光源打开时，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_LED+V_amb+V_reset)。PPG装置还可包括：
-第二块(CDS2)，其包括：
ο电容(CSH4)，其用于存储电容(CSH1)的所述值(V_reset)与电容(CSH2)的所述值(V_amb+V_reset)之间的差值(V_amb)，以及
ο电容(CSH3)，其用于当脉冲光源打开时存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_LED+V_amb)，
ο其中所述第二块(CDS2)被构造成使得电容(CSH3)的所述值(V_LED+V_amb)与电容(CSH4)的所述值(V_amb)之间的差值被发送到ADC，以评估仅与脉冲光源(LED)相关的电压(V_LED)。
在又一个实施方案中，光电体积描记(PPG)感测装置包括单一CDS块，其包括：
ο电容(CSH1)，其用于当脉冲光源在第一脉冲期间打开并且感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的第一值(V_LED1+V_amb+V_reset)，以及
ο电容(CSH2)，其用于当脉冲光源在第二脉冲期间打开并且感测节点(SN)阱已经被允许积累持续所述预先确定的时间段(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的第二值(V_LED2+V_amb+V_reset)，以及
其中所述块(CDS)被构造成使得由电容(CSH1)存储的所述第一值(V_LED1+V_amb+V_reset)与由电容(CSH2)存储的所述第二值(V_LED2+V_amb+V_reset)之间的差值的函数被发送到ADC，以评估与(V_LED2-V_LED1)相关的电压，该电压与仅和脉冲光源(LED)相关的信号的导数成比例。这提供了与PPC信号有关的更多有用信息。
在又一个实施方案中，光电体积描记(PPG)感测装置可包括单个CDS块，该单个CDS块包括：
ο电容(CSH1)，其用于当脉冲光源关闭并且感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_reset+V_amb)，以及
ο电容(CSH2)，其用于当脉冲光源打开并且感测节点(SN)阱已经被允许积累持续所述预先确定的时间段(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)，存储光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_amb+V_reset+V_LED)，以及
其中所述块(CDS)被构造成使得由电容(CSH1)存储的所述值(V_LED+V_reset+V_amb)和由电容(CSH2)存储的所述值(V_reset+V_amb)之间的差值的函数被发送到ADC，以评估与仅和脉冲光源(LED)相关的信号相关的电压(V_LED)。
所有这些变型(包括一个或多个CDS块)用于滤除PPD信号中不期望的DC分量，提高信噪比，除了充当开关的晶体管之外具有非常少的有源部件。这样在极低的功耗下实现极佳的信噪比。
在一个实施方案中，光电体积描记(PPG)感测装置用CMOS技术构建，其被嵌入在片上系统(SOC)中。
根据本发明的另一个目的，本发明涉及一种操作根据本发明的光电体积描记(PPG)感测装置的方法，该方法包括以下步骤：
-在转移阶段，将转移门(TGtransfer)晶体管电压设置为介于针扎式光电二极管(PPD)的阱电势(V_well)和施加到汇集晶体管(TGsink)的电压(V_TGsink)之间的值(V_TGtransfer)，以仅允许超过所述偏移的光生电子被转移到感测节点(SN)用于读出。
这导致能够在PPD本身的水平消除PPD输出中的大部分(如果不是全部)不期望的DC分量，这大幅度地提高了下游的信噪比，而不需要任何耗电的处理电路。这种操作对于不具有电荷阱的常规PN或PIN光电二极管是不可能的，并且本质上允许抑制信号的DC分量，所述DC分量是不期望的并且不包含可利用的信息。
在一个实施方案中，动态地调整转移门(TGtransfer)晶体管电压。
在一个实施方案中，该方法包括校准步骤，该校准步骤包括以下步骤：
A.将DC电源的值(V_TGtransfer)设置为预先确定的值；
B.检查对应的像素响应是否超过预先确定的阈值，以及
C.如果像素响应超过所述阈值，则重复步骤A和B，直到对应的像素响应不再超过阈值。
这允许优化V_TGtransfer的值，以最大化信噪比，而无需复杂的电路或耗电的处理。
在一个实施方案中，该方法包括以下步骤：
-脉冲关闭脉冲光源，以及
-在预先确定的时间段期间(即在具有预先确定的持续时间的时间长度期间)在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于环境光的电压(V_amb)；然后(即在稍后的时间点，通常在几十微秒后)
-在所述预先确定的时间段期间(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)脉冲打开脉冲光源，
-在所述预先确定的时间段期间(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)将电荷积累在所述针扎式光电二极管中，
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与脉冲光源混合的环境光的电压(V_amb+V_LED)；然后
-从对应于与环境光混合的脉冲光源的脉冲打开的电压(V_amb+V_LED)中减去对应于环境光的电压(V_amb)，以产生对应于检测到的排他地来源于脉冲光源的光的函数的电压(V_LED)。该函数通常是(V_amb+V_LED)和(V_amb)之间差值的一半。
替代性地，该方法可以包括以下步骤：
-脉冲打开脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与脉冲光源混合的环境光的电压(V_amb+V_LED)；然后(即在稍后的时间点，通常在几十微秒后)
-脉冲关闭脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)将电荷积累在所述针扎式光电二极管中，
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于环境光的电压(V_amb)；然后
-从对应于与环境光混合的脉冲光源的脉冲打开的电压(V_amb+V_LED)中减去对应于环境光的电压(V_amb)，以产生对应于检测到的排他地来源于脉冲光源的光的函数的电压(V_LED)。该函数通常是(V_amb+V_LED)和(V_amb)之间差值的一半。
替代性地，该方法可以包括以下步骤：
-脉冲打开脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与脉冲光源混合的环境光的电压(V_amb+V_LED1)；然后(即在稍后的时间点，通常在几十微秒后)，
-再次脉冲打开脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)将电荷积累在所述针扎式光电二极管中，
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与脉冲光源的第二样本混合的环境光的电压(V_amb+V_LED2)；然后
-从电压(V_amb+V_LED2)中减去电压(V_amb+V_LED1)，以获得(V_LED1)和(V_LED2)之间的差值的函数，其是仅与从脉冲光源(LED)接收的光相关的信号的导数的函数，通常是与信号的由于LED照明引起的部分相关的两个电压之间的差值的一半。这提供了有用的可利用信息。
替代性地，该方法可以包括以下步骤：
-脉冲关闭脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与重置电压(V_reset)混合的环境光的电压(V_reset+V_amb)；然后(即在稍后的时间点，通常在几十微秒后)
-脉冲打开脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间(即持续具有与前面提到的持续时间相同的持续时间的预先确定的时间段)将电荷积累在所述针扎式光电二极管中，
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与重置电压和与脉冲光源(LED)相关的信号混合的环境光的电压(V_amb+V_reset+V_LED)；然后
-从电压(V_amb+V_reset+V_LED)中减去电压(V_reset+V_amb)，以获得仅与脉冲光源(LED)相关的信号的函数。
这些变型通过将DC分量消除到最小显著提高了信噪比，并且与导数有关的变型提供了与期望的信号有关的更多可利用信息。
有利地，通过使所述第一电容器(CSH1)和第二电容器(CHS2)并联地连接，使得一个电容器的极性相对于另一个电容器相反，从而执行所述减法，两个电容器(CSH1；CSH2)的公共连接点给出一个电压值，该电压值对应于先前在每个电容器(CSH1；CSH2)上的电压之间的差值的一半。这是非常简单且是无源的，从而将功耗保持在最低水平。
优选地，光电体积描记(PPG)感测装置包括多个像素，所述多个像素可以是宏像素，所述方法还包括通过无源开关电容器网络在空间上对模拟域中的每个像素(例如，宏像素)的输出进行平均的步骤。
有利地，本发明是非侵入性的。
将参考附图在详细描述中描述本发明的其他特性和优点。
附图说明
图1示出了常规PPG光生电流的曲线图，
图2A示出了根据本发明的一个实施方案的对应于像素的电子电路，
图2B以剖视图示出了根据图3A的像素的一部分，
图3示出了在从左到右的连续操作阶段中，图3所示像素内的不同电势和对应的电子转移，
图4A示出了根据本发明的另一个实施方案的像素结构的电子电路，
图4B以剖视图示出了根据图4A的像素的一部分
图5A示出了宏像素结构的电子电路
图5B示出了图5A的宏像素结构的框图
图6示出了在从顶部到底部的连续操作阶段中，像素或宏像素内的不同电势和对应的电子转移，
图7A示出了被设计为从阵列像素的输出中减去偏移的电子电路的一个实施方案，
图7B示出了被设计为从阵列像素的输出中减去偏移的电子电路的第二变型，
图8A示出了操作图7A的电子电路的一个时序图，
图8B示出了操作图7B的电子电路的一个时序图，
图8C示出了操作图7B的电子电路以获得PPG信号的导数的一个时序图
图8D示出了操作图9C的电子电路的一个时序图，
图9A示出了电子电路的一个实施方案，该电子电路被设计为在多次采样之前对像素的输出进行平均，
图9B示出了电子电路的实施方案，该电子电路被设计为在多次采样之后对像素的输出进行平均，以及
图9C示出了电子电路的实施方案，该电子电路被设计为在多次采样之前对像素的输出进行平均，并且优化以与图8B、图8C和图8D的时序图一起操作，
图10示出了根据本发明的一个实施方案的SOC，并且
图11示出了对应于分布在m列和n行的阵列(m,n)中的像素阵列的电子电路。
具体实施方式
在前述描述和附图中，每当提及或示出开关时，其通常被实现为晶体管诸如FET、MOSFET或类似物。
PPD光生电流
图1示出了典型的PPG光生电流(未按比例)，其对应于离开组织并且由于PD量子效率而转换成电子的光子。在本说明书中，“PPG光生电流”也称为“电流”或“PPG光生信号”、“PPG信号”或“信号”。
这种光生电流主要包括由于组织(DC组织)、静脉血层(DC静脉)和非脉动动脉血层吸收(DC动脉)的组合作用产生的大直流(DC)分量。这种光生电流中只有很小量(图1，顶部)是包含感兴趣信号的小交流电流(AC)。
通常，取决于LED波长，总DC分量(DC组织+DC静脉+DC动脉，参考图1)可以是比AC分量大20到500倍。
值的这种差异导致：
-旨在放大微小AC分量和并联地减少DC分量的繁琐设计和滤波策略；或者
-数字域中的处理，代价包括：模数转换器(ADC)、需要大位分辨率、大功耗和更多硅面积、或者弱的信噪比(SNR)和差的性能。
实际上，对于PPG应用，AC是光生电流的实现健康监测所需的分量。例如，AC分量来自动脉中血液的脉动，并且用于通过测量两个连续的AC峰之间的距离确定心率。它还用于确定氧饱和度，所述度与完整光生信号的最大绝对值和最小绝对值之间的对数比成比例。
PPG信号的挑战之一与其动态范围(DR)有关，该动态范围是所述信号可以假设的最大值和最小值之间的比率。
存在每个具有对应电子电路的不同解决方案，但没有一个是足够令人满意的。
例如：
-基于对数跨阻抗光感受器的第一解决方案具有随光强度线性变化的带宽，这是不期望的特性。例如，取决于用户的皮肤色素沉着，相同图像传感器会给出不同的结果；
-第一解决方案的改进解决方案会产生感兴趣的结果，但代价是相当高的总功耗(约4.5mW)和相当复杂的模拟电路；
-基于前向路径和反馈路径的另一个解决方案达到低于mW的功耗，其中取代测量光电流的DC分量和AC分量，反馈路径将DC光电流设置为期望值(称为参考电流)，该期望值对于可见光和IR信道两者是相同的。这种解决方案允许以非常简单的方式去除DC，但代价是复杂的电子电路和控制循环，其中任何布局不匹配或仅仅电荷注入误差都可能导致大的偏移误差；
-另一解决方案表明，将PPG信号的DC分量转换为数字可分解为ADC分辨率的饱和。这表明，为了利用ADC完整动态范围，在ADC转换前消除DC，然后在数字域中将其添加回AC分量。但是，这样的解决方案可能导致弱的SNR和差的性能；
-另一种基于误差放大器的解决方案也使用了控制光感受器的反馈循环，但是这种技术的效率随着DC电流变得更小而变得更弱；
-另一种解决方案基于动态范围增强器技术，但也面临诸如更高的复杂性(附加块)、更低的速度和更大的功率等问题。
为了解决这一问题，本发明提出了一种新的光子感测技术来读出PPG信号，特别是通过片上系统(SOC)，该片上系统可以用标准CMOS技术制造，并且具有低噪声和低功率信号处理链、较高灵敏度和在LED的较低光水平下进行可靠的测量。
提出的解决方案基于至少包括针扎式光电二极管(PPD)而非常规单个PD的PPG传感器，能够如下所述去除PPG信号的大部分DC分量。使用PPD而不是常规PN或PIN光电二极管使得通过利用PN或PIN光电二极管未表现出的PPD的独特特性来消除信号的DC分量，而无需复杂且耗电的电路、信号处理或类似物。
基于PPD的图像传感器
第一实施方案涉及单个转移门像素布置。
PPD包括p+-n-p结(埋在浅的高度掺杂p+之下的n-p结)，如示出像素的第一实施方案的图2B中所示。其中形成PPD的衬底是p型掺杂半导体材料，并且该衬底接地，从而使p+掺杂区域基本上浮动。这形成了光生电荷聚积在其中的电荷阱，随着电荷的聚积，增加p+层的电压。本质上，在衬底厚度中形成的p+-n-p掺杂结构基本上形成阴极-阴极布置的两个二极管，n层在两者之间共享，如图2B上的两个鼻对鼻二极管符号示意性地示出的(注意：该符号是示意性的，并且不表示额外的部件，并且仅示出了这些层及其结的功能)。这种鼻对鼻二极管符号是非常规的，并且已经用在各种图示的电路图中用于表示PPD，并且用于将其与现有技术的常规PN和PIN光电二极管区分开来，所述常规PN和PIN光电二极管响应于入射光产生流动电荷。换句话说，在PPD的情况下，如果电荷不能从所述PPD中流出，则当其聚积在PPD“电荷阱”中时积累。
根据该第一实施方案，PPD电子地连接到晶体管的源极，该晶体管称为转移门晶体管或TGtransfer晶体管，其用作所述PPD和感测节点之间的转移门(TG)，这将在后面描述。从图2B中可以看出，TGtransfer晶体管是场效应晶体管(FET)，其横向紧邻相同衬底上的PPD的P+区，用于能够选择性地“清空”电荷阱。
TGtransfer晶体管的栅极电子地连接到称为V_TGtransfer的DC电源，该DC电源的值可以动态地调整。
TGtransfer晶体管用于控制PPD的一个边缘处的势垒，另一个边缘电子地连接到地(图2A)。
调节由于TGtransfer晶体管引起的TG电势使得能够调节DC偏移(图1)，该DC偏移是从信号(DC组织+DC静脉+DC动脉+AC)中去除的预先确定的DC电压，并且可以通过校准来设置。然后可以尽早从PPG信号中去除等于所述DC偏移的预先确定的部分，而无需进行任何信号处理。本质上，这是一种完全无源的方法，其通过简单地设置当PPD“电荷阱”被清空时的转移门电势来大幅度地提高信噪比(AC分量是信号，而DC分量的大部是噪声)。据本申请人所知，对PPD的特性的这种利用迄今为止是未知的，并且在PPG的情况下具有特定的优点。
参照图1，因此，被发送用于感测的PPG信号仅是信号的高于偏移阈值的顶部部分；DC偏移在像素级别从信号中“去除”，并且未被发送出PPD进行感测。因此，在感测节点的下游不需要用于去除DC分量的信号处理。
当围绕PPD的该势垒低于PPD的阱电势V阱时，光生电子将保留在该阱内。通常，至少在下面所述的积累阶段中，通过TGtransfer晶体管将围绕PPD的势垒保持在稍微负的值。
TGtransfer晶体管的另一侧(在这种情况下为漏极)电子地连接到感测节点(SN)，参见图2A和图2B。感测节点(SN)是n+-p结(参见图2B)，其根据定义形成电容CSN，该电容CSN的作用是通过所述电容CSN的转换增益将PPD阱中的光生(积累)电子转换成电压。
如图2A所示，像素还包括源极跟随器SF，该源极跟随器SF是这样的晶体管，其一侧电子地连接到DC电源VDD，并且另一侧通过开关S2电连接到读取线Col-I，该开关S2例如可以是晶体管诸如FET。接通S2使得能够读取图3A所示的像素，并且是可选的。
图2A上的开关S1当闭合时使得能够将V_reset电压值施加到感测节点，V_reset是恒定的DC电源。为此，开关S1可以是晶体管诸如FET。
在图3上示出了操作图2A的像素，其示出了在四个操作阶段中在此类像素内的不同电势和对应的电子转移。
在积累阶段：
-PPD被环境光(如果有)和LED光照亮，
-将V_TGtransfer设置为低电压以关闭TGtransfer晶体管并创建电势势垒，
-S1断开。
围绕PPD的势垒保持低于PPD的阱电势V阱。因此，PPD产生被保留并聚积在PPD阱内的光生电子。
优选地，LED同步地(同相)发射。这样，LED仅在真正需要时才消耗功率。积累阶段通常持续数百ns至几微秒，即约200ns至3μs，优选地300ns至2μs。由于电子读出链和PPD之间的完全去耦，这样低的积累时间是可能的。在基于常规PN或PIN光电二极管的标准PPG传感器中，这样小的积累时间将需要快得多的读出电路并且因此需要多得多功耗。需注意，在现有技术的可商购获得的产品中，典型的脉冲时间是400μs。
紧接着积累阶段，在重置阶段：
-优选地关闭LED，这节省了功率，但不是必需的
-V_TGtransfer保持低电压，
-S1开关闭合。
这样，感测节点SN的电压增加并设置为V_reset值，将SN阱内的所有电子(如果有)排出到V_reset DC电源，但是在重置阶段期间光生电子仍然保持在PPD阱中。
-然后将重置开关S1断开持续以专用(ad-hoc)方式确定的预先确定的时间段。
这使得SN节点能够充当如上所述的电容，从而能够存储将在转移阶段转移的光生电子。
紧接着重置阶段，在转移阶段，
-优选地关闭LED，但这不是必须的，
-V_TGtransfer增加，
-S1开关保持断开。
在转移阶段，TG电势增加到介于PPD的阱电势V_well和V_reset之间的值。
这样，填充PPD阱的光生电子(e-)通过转移门TG扩散到SN。
该电荷扩散导致SN的电势从重置电平V_reset下降至V_transfer值，所述V_transfer值与转移的电荷的数量成比例，即与到达PPD的光子的数量成比例。
优选地，转移阶段持续不超过1μs。
紧接着转移阶段，在读出阶段：
-V_TGtransfer设置为积累阶段的低电压，
-S1开关保持断开。
感测节点处的电压值与从PPD汇集的电子数量(也就是到达PPD的光子的数量)成比例。
第二实施方案涉及双转移门像素布置。
除了第一实施方案之外，这里提出了一种像素布置，其中代替像先前实施方案中那样将PPD电子地连接到TGtransfer晶体管和地，在每个像素级别，PPD电子地连接在TGtransfer晶体管和被称为TGsink晶体管的另一个晶体管之间，也就是说，两个转移门TGt和TGs分别对应于TGtransfer晶体管和TGsink晶体管。这在图4A中示出，其与图2A的不同之处在于PPD另外地连接到漏极电压VDD，其允许独立于TGtransfer晶体管排空PPD的“阱”。TGtransfer和TGsink到PPD的p+区之间的确切几何关系并不重要，前提是它们既可以排空PPD的阱又不会相互造成负面影响。位于p+区相对侧的每个晶体管都是一个很好的解决方案。
为此，TGsink晶体管的工作方式与TGtransfer晶体管的工作方式相同：取决于施加到TGsink晶体管的栅极的电压V_TGsink的值，关于施加到TGtransfer晶体管的栅极的电压V_TGtransfer的值，可以修改围绕PPD的势垒，这意味着从PPD阱通过TGtransfer晶体管转移电子用于感测，或者通过TGsink晶体管转移电子用于汇集到VDD。晶体管TGtransfer和TGsink两者都是独立的，但是它们都布置为能够从PPD汇集电荷。
图4B以剖视图示出了根据第二实施方案的像素，其清楚地示出了TGsink晶体管是如何以类似于TGtransfer晶体管的方式在PPD的与后者的相对侧上紧邻PPD的p+掺杂区形成的，如上所述。
在此实施方案中，PPD电子可以在汇集阶段转移到PPD的一侧通过TGsink晶体管到汇集节点，或者在转移阶段转移到PPD的另一侧通过TGtransfer晶体管到感测节点SN。
图6示出了在从图6的顶部到底部的连续操作阶段的至少一个循环中，这种像素(或宏像素)内的不同电势和对应的电子转移。
在汇集阶段：
-LED优选地关闭，
-V_TGsink设置为施加到TGsink晶体管的栅极的高电压，
-TGsink晶体管的漏极连接到恒定DC电源，例如V_reset(如图4A所示)。
V_TG transfer低于V_well，V_well低于V_TGsink。因此，PPD阱内的光生电子不能通过TGtransfer晶体管，而只能通过TGsink晶体管。
PPD阱的电子通过TGsink晶体管，例如到恒定电压DC电源。在这种情况下，由于TGsink晶体管的漏极连接到恒定电压而非连接到电容器，当将适当的电压V_TGsink施加到TGsink晶体管的栅极时，PPD阱的所有电子都将丢失。
因此，这些电子都没有到达采集链(通过TGtransfer晶体管位于感测节点的下游)。因此，环境光不改变感测，PPD阱被排空。
在积累阶段，类似于第一实施方案的积累阶段：
-LED打开，
-将V_TGsink设置为低电压以关闭TGsink晶体管并创建势垒。优选地，V_TGsink小于或等于V_TGtransfer，使得没有光生电子可以通过TGsink晶体管溢出，
-V_TGtransfer保持在低电压。
围绕PPD的势垒保持低于PPD的阱电势V阱。因此，PPD产生被保持在PPD阱内的光生电子。
然而，大多数积累的信号包含DC分量。转移信号的超过预先确定的阈值(偏移)的较小部分使得在感测节点之后执行的读出以从所述DC分量中减去所述偏移。
在重置阶段：
-优选地关闭LED，
-V_SN被设置为V_reset。
这样，感测节点SN的电压增加并设置为V_reset值，将SN阱内的所有电子(如果有)排出到V_reset DC电源，但是在重置阶段期间光生电子仍然保持在PPD阱中。
-然后，根据需要将重置开关S1断开持续预先确定的时间段。
这使得SN节点能够充当电容，从而能够存储将在转移阶段中转移的光生电子。
在转移阶段，
-LED优选地关闭以节省功率，
-保持TGsink电势(TGs)，
-TGtransfer(TGt)电势增加到介于PPD的阱电势V_well和V_TGsink之间的值。
这样，填充PPD阱的光生电子(e-)通过TGtransfer晶体管的转移门TGt扩散到SN，从而将感测节点SN设置为V_transfer电压值。
V_well和V_TGtransfer之间的差值是对应于在像素级别从信号去除的DC分量的偏移(或V_offset)。应当指出的是，V_offset的最小值可以为零，虽然通常其是一个较大的值。
在读出阶段，
-LED优选地关闭以同样节省功率，
读取感测节点SN侧的光生电子(e-)；并且PPD内的光生电子保持在其势阱内。
在读出感测节点电压之后，可以再次重置后者，并且可以实现从汇集阶段开始的新循环。
PPD装置的n层是这样一种阱：一旦所述阱被完全填充，由于TGsink晶体管侧的势垒，附加的光生电子通过TGtransfer晶体管溢出到SN耗尽。
由于V_TGtransfer动态值，只有溢出偏移到SN耗尽的光生电子才被读取，并且如果V_TGtransfer被适当地设置，这导致只有信号的AC分量(参见图1)被转移出去，从而将DC分量留在PPD的阱中，这将在下文中更详细地解释。以这种方式，仅通过适当地设置V_TGtransfer即可大幅度地提高信噪比，而无需任何信号处理电路位于下游并消耗功率。
所选择的势垒电平取决于环境光和校准阶段中PPG信号的AC/DC比，如下清楚所述。
通常，该校准阶段包括将V_TGtransfer设置为预先确定的值，然后检查对应像素是否饱和。如果像素响应饱和，则执行包括将V_TGtransfer的所述预先确定值增加预先确定间距(即量)的循环，直到像素响应不再饱和。
例如，校准阶段使得相同装置能够用于具有不同皮肤色素沉着的不同用户。
在校准阶段之后，通过将对应的预先确定值设置为V_TGtransfer，可以设置预先确定的偏移电平，该预先确定的偏移电平对应于不会通过TGtransfer晶体管溢出的DC的预先确定量。
例如，在校准阶段，可以测量包括信号的DC分量+AC分量的总和。已知AC分量表示这种信号的百分之几。因此，可以将V_TGtransfer设置为使得预先确定的偏移电平等于信号的90％。降低偏移90％DC将AC/DC比提高一个数量级，从而导致输入处的动态范围约束不那么严格。实际上，应当指出的是，在PPG测量中，PPG信号通常具有非常高的DC/AC比(例如，20到500)，这是典型图像感测解决方案无法解决的。
本实施方案进一步降低了PPD信号的DC分量；因此，其可以充当DC去除器或DR增强器。这样就不会在功率和电路复杂性上产生额外成本。此类系统在读出链的最早阶段执行此操作，而无需任何附加电路。
有利地，V_TGtransfer是模拟装置的一部分。因此，可以精确地调节势垒的电平，即PPD中剩余电子的电平与转移到感测节点的超过电子的数量(溢出)的关系。势垒电平的这种调整可以实时地进行。
调节V_TGtransfer的值使得能够调节未被感测的DC的预先确定部分的值，这继而使得能够避免传感器的饱和，从而导致更好的信噪比。
当V_TGsink的值等于V_TGtransfer的值时，
-电子可以积累在PPD阱内；或者
-可以从SN读取电子。
当V_TGsink的值大于V_TGtransfer的值时，
-当不读取PPD时，电子会从PPD通过TGsink晶体管汇集。
当V_TGsink的值小于V_TGtransfer的值时，
-电子无法从PPD通过TGsink晶体管汇集而通过TGtransfer晶体管读取。
V_TGsink是恒定值，由于例如开关或DSP，其选择性地应用于或不应用于TGsink晶体管的栅极。
因此，V_TGtransfer的值并且仅V_TGtransfer的值可用于控制PPD边缘处的势垒的值。这样设置V_TGtransfer的值，并且由于校准阶段可以被连续地调整，使得代表PPG信号的恒定分量的大部分光生电子(偏移电子)不被转移到感测节点，而是保留在PPD阱内。最终，这些电子可以在下一个阶段汇集。
在这一阶段应该强调的是，尽管PPD在图像传感器(电荷耦合装置，CCD)中已知，但是并未以与本发明相同的方式来利用它们。在图像传感器中，目的是捕获和利用全部入射光，因为全部量的入射光包含关于光强度的关键信息。然后使用由图像传感器的每个PPD记录的强度来创建图像。因此，在图像传感器中，存储在PPD电荷阱中的全部电荷被转移到电路的其余部分，以进行信号处理。在PPG传感器的特定情况下，接收到的大部分光只是DC噪声，从而隐藏了信号。如上所述，其中一些来自环境光，并且一些来自组织、动脉和静脉的不变的反射，期望的信号仅仅是该噪声顶部的变化的AC分量。当使用常规PN或PIN光电二极管时，无法在光电二极管本身的水平上将其去除，并且必须处理常规二极管中生成的全部电流。通过如上所述利用PPD二极管的特性，有可能在PPD水平上抑制大部分(如果不是全部)这种DC噪声，只转移接收到的光的对应于期望AC分量的一小部分。
如图5A和图5B所示，图4A和图4B的许多PPD布置可以耦合在一起以形成所谓的“宏像素”。图5A特别示出了一对并联布置的如图4A和图4B所布置的PPD，并且在其汇集侧共享公共漏极VDD，所述公共漏极经由相应的汇集晶体管TGsink连接到PPD。转移晶体管TGtransfer的输出连接到公共感测节点SN，其中微像素的PPD将其电荷同时转移到感测节点SN(不同于其中像素通常不共享相同感测节点的典型CIS/CCD/SPAD。需注意，在某些CIS中，几个像素可以共享相同的感测节点用于优化像素的填充因子，但是它们不同时将其电荷转移到共享的感测节点，而是以滚动模式连续地转移)。源极跟随器SF从汇集节点SN获取其输入，并且输出到进一步的电路(参见下文)。用于控制转移晶体管TGtransfer的所有控制线连接在一起，同样地，用于控制汇集晶体管TGsink的控制线也连接在一起。图5B示意性地示出了根据输入(VDD、V_TGsink、V_TGtransfer、重置和V_reset)以及源极跟随器SF下游的输出的这一点。应当指出的是，在本发明的含义内，“宏像素”被认为是具有多个PPD和公共感测节点的“像素”。
尽管在图5中两个PPD并联地布置，但是原则上可以结合任何数量，并且完成的PPG装置的图像感测区域可以包括这些微像素结构中的一个或多个，其并联地布置并且每一个具有其自己的感测节点SN和对应的输出。
宏像素结构针对PPG信号的特定特性进行优化，该特性与典型图像感测中感测的信号的特性完全不同。从根本上讲，PPG输出是一维信号，且不需要有关各个PPD之间空间关系的任何信息，而这在常规成像中是必不可少的。此外，使用这样的宏像素会显著降低常规成像中的图像分辨率，因为宏像素覆盖更大的区域，而在这里，由于没有“分辨率”的概念，可以并联地使用多个PPD以在极短的照明和采样时间下增加可用于采样的电荷量。
重置电压、PPD装置的V_well以及在转移期间使用的转移门电压都被专门地选择，以便：
-允许相同宏像素的PPD在不发生串扰的情况下将电荷注入到宏像素的公共感测节点SN中(PPD在转移期间彼此保持独立)
-如上所述，由于VTG_transfer电平，防止预先确定量的信号被转移到感测节点。所述信号取决于灌注指数(AC/DC比)
限定每个宏像素的PPD数量的选择以特别针对PPG信号特性优化信噪比，该信噪比是涉及电子读取噪声、光子散粒噪声、PPD暗电流噪声、量子化噪声、饱和度、AC/DC比或灌注指数、宏像素的像素数量、每个阵列的宏像素数量的函数。如上所述，这种函数是特定于PPG信号处理的，并且不是图像传感器设计中的考虑因素。
像素阵列
不管是使用像素的第一实施方案或第二实施方案，还是使用上述宏像素结构，有利的是使用包括多个像素(特别是像素阵列)的光电检测器，每个像素包括一个宏像素上一个PPD。
这导致显著的改进。实际上，已经表明基于PPD的成像仪具有出色的灵敏度和噪声性能。
在该实施方案中提出的PPG装置的功能基于输入光在基于PPD的像素阵列上的分布以及对它们的输出进行平均，这显著降低了读出噪声、光子散粒噪声和杂散信号。
如前所述，PPG装置的大部分功耗都消耗在LED发射中。提出的装置所允许的更好的灵敏度使得能够显著降低LED的占空比和照明，从而显著降低平均偏置电流和功耗。
除此之外，这种新的PPG装置还可以完全集成到单个芯片SOC中，这代表了相对于主要表现为SOB(分立电子器件)现有技术解决方案的突破。
用像素阵列替换单个PD或PIN二极管至少导致输入光在像素上的分布，从而减少了对读出链上的动态范围约束。另外，对阵列像素输出进行平均允许减小读取噪声方差，该读取噪声方差与平均输出的数量成比例。
每个像素处都有读取器电路的事实会产生电子读取噪声。对所有像素的值进行平均将读取噪声减少一定数量，该数量是阵列像素总数的因子。这使得能够消除读取噪声。
在电荷域中执行阵列像素的输出的平均。图11示出了每个像素的输出如何连接到电容器C。尽管这些像素被示出为图4A和图4B的像素，但是它们可以等同地是图2A和图2B的像素，或者如图5A中的宏像素。图9C示出了一种可能的方案。
与该示意图(图9C)有关的时序图在图8D中示出，其中“高”信号指示开关(可以例如是FET)闭合。通过断开开关S2和S3并闭合开关S1，将每个像素中的第一个样本存储在电容器C中。然后，断开开关S1并闭合开关S2，从而以相同方式将第二样本存储在对应的电容器C中。通过闭合开关S3来对两个存储的样本进行平均。以此方式，与相同样本有关的所有输出电容器(即分别在S1下游的那些和在S2下游的那些)共享其电荷，从而产生等于阵列像素输出样本的平均值的电压，因为电容器C具有基本上相同的电容(在其中出现电容器C的每个实施方案中同等地适用)。另外，由多个像素输出电容器并联连接产生的大电容导致大得多的电容，该电容用作位于电容器C下游的后续各级(例如，如图9C所示的放大器)的电压缓冲器。该过程允许在几乎零功耗下进行平均、多次采样和缓冲。由于并联电容器C允许的缓冲作用，开关电容器放大器可以直接实现为下一级，从而以C1/C2的比率放大信号并确保两个样本的区分。实际上，首先断开开关S4连同开关SAZ，以将第一采样且平均值存储在电容器C1中。然后，闭合SAZ，以便将存储在C1中的电荷转移到C2，并且将放大器置于这样一种模式，在该模式下，输出指向C1中存储的样本与输入处的当前电压之间的放大差值。然后，闭合S5，以在放大器的输出处具有在电容器C上采样的两个平均值之间的放大差值。这种方案与现有技术的图像传感器完全不同，现有技术的图像传感器实施有源电路用于像素数据处理，从而产生高得多的功耗。
在图9A、图9B和图9C中以不同变型表示的阵列结构中，我们一次执行了整个阵列的读出。在常规图像传感器(CIS/CCD/SPAD)中，需要在突发/滚动模式下每个图素进行读出。在我们的案例中，阵列作为整体读出，并且同时提供阵列平均值。另外，如上所述，宏像素的TGtransfer门允许消除限定的DC部分。在现有技术的PPG传感器中，这需要复杂的电路。
对于超过100,000PPD的完整阵列，阵列结构允许在小于10us内进行脉冲捕获、环境光消除、噪声降低、相对于给定灌注指数的DC消除，并且允许比常规阵列实现的功耗低至少两个数量级的功耗。这证明了像素阵列与常规图像传感器之间的显著差异。
多次采样
这里的目的是进一步提高信噪比SNR。
在第一步中，LED关闭。由于第一电容器，环境光被采样持续预先确定的时间长度。读取和记录的信号仅对应于环境光。
在第二步中，LED打开持续预先确定的时间长度，理想地与对环境光进行采样持续的预先确定的时间长度相同。由于第二电容器，对来自环境光和来自LED的光进行采样。读取和记录的信号对应于LED光和环境光。
该操作是一种固有减法，其使用对应的CDS块或级消除了恒定重置电平并且还减少了闪烁噪声，这称为“相关双采样”(CDS)。
然后，通过从第二电容器的值中减去第一电容器的值，可以从第二步的信号中减去第一步的信号，以获得仅对应于LED光的信号。
所述两个CDS可以在20μs(LED光的脉冲为10μs)内操作，假定环境光在该时间段内不会发生显著变化。这去除了在该时间段内没有变化的任何伪影，例如运动伪影。
先前已经讨论过，从重置电平感测开始到以CDS结束，以若干步执行读出动作。
可以针对PPG应用增强这种机制，从而以几乎完全无源的方式(这意味着固有的零功率)执行环境光的减去和输出平均，即滤波。
图9A和图9B示出了基本列级读出链，其分别嵌入两个CDS级CDS1和CDS2，每个都基于“反极性”原理。在每种情况下，像素都显示为图4A和图4B中的那些，但它们同样可以是图2A和图2B的像素，或者图5A的宏像素。
参考图7A、图9A、图9B和图8A，读出操作涉及两个阶段：
-第一，提取与环境光相关联的电压V_amb，并且
-第二，提取与环境光+LED光有关的电压。
在LED关闭的第一阶段(参考图8A的“环境光”)中，首先通过切换重置阶段重置感测节点。然后感测V_reset电压，然后通过闭合开关SH1并断开开关SH2和SH3，然后将其存储在电容CSH1中(图9A和图9B上的块CDS1)。因此，通过闭合开关SH1和SH3并断开开关SH2，将与环境光相关联的积累的电荷存储在电容CSH2中(图9A和图9B上的块CDS1)。该存储的电压对应于环境光的电压V_amb+V_reset。电容CSH1和CSH2具有基本相同的电容，这同等地适用于其中出现所述电容的每个实施方案。应当指出的是，当在本申请的时序图上将电压指示为高时，对应的开关闭合并且电流可以流动。
随后，开关SH1和SH2断开，并且开关SH3闭合，从而导致电容器CHS1和CSH2两者以反极性方式并联连接。换句话说，来自PPD的电荷流入其中的电容器CSH2的一个极连接到地，其先前被两个SH2开关中较低者接地的另一极连接到电容器CSH 1的输入极。由于反电势原理，在第一CDS1级结束时，对应的电压电平的结果为0.5(V_CSH1-V_CSH2)，其等于0.5(V_amb+V_reset-V_reset)＝0.5V_amb。这从先前的重置中去除了任何伪影。通过断开开关SH4和SH6，同时闭合开关SH5以使电荷流入电容器CSH4，将这种结果存储在CSH4电容中(图9A上的块CDS2)。同样，应当指出的是，电容器CSH3和CSH4具有基本相同的电容，这同等地适用于其中出现所述电容器的每个实施方案。
在第二阶段(参考图8A的“LED灯”)，LED打开，这意味着积累的光电子将由LED和始终存在的环境光两者产生。
在这种情况下，在第一CDS1级结束时，类似于第一阶段，对应的电压电平的结果约等于：0.5(V_LED+V_amb+V_reset-V_reset)＝0.5(V_LED+V_amb)。
对于第一阶段，正好在第二阶段结束时，V_LED+V_amb存储在电容CSH3中(图9A和图9B上的块CDS2)。
由于感兴趣的PPG信息仅包含在VLED中，因此可以清除信号中的环境光以提高信噪比。
经必要的变更后，通过构建块CDS2，可以将CSH4与CSH3进行区分，然后通过操作块CDS2的各种开关，如上文在CDS1的上下文中所述，从与环境光+LED照明产生的信号相关的电压0.5(V_amb+V_LED)中减去与环境光相关的电压0.5(V_amb)，从而获得仅与LED相关的电压0.25(V_LED)。然后，该最终信号将传递到ADC并转换为数字信号。
因此，可以通过从PPD输出中减去与LED关闭时测得的接收环境光相对应的DC电压分量来大幅度地提高信噪比，其可以轻松地从LED打开时测量的总信号中减去。
使用图8B和图7B描述了所呈现的光电体积描记(PPG)感测装置的另一个实施方案和操作，该光电体积描记(PPG)感测装置允许用单一CDS消除环境光。用如图8B所示的方案消除环境光的优点是减少了所需的CDS级数。
基于图8B和图7B，关于每个像素(或宏像素，如果使用)，下面将描述使用一个CDS进行环境光消除：
-通过像素的SN的重置门重置像素的SN。
-将转移门晶体管TGtransfer的栅极设置为低电压，以防止电荷从PPD转移到SN
-在LED关闭的情况下，在PPD中积累电荷，该电荷因此对应于环境光。
-通过向转移门晶体管TGtransfer的栅极施加较高电压的脉冲来执行到SN的第一转移，并且通过断开开关SH2和SH3并闭合开关SH1，将对应于V_amb+V_reset的所得到的输出电压存储在电容器C_SH1中。
-执行LED脉冲并在PPD中积累对应于环境光和LED光水平的电荷。
-通过向转移门晶体管TGtransfer施加较高电压的脉冲来执行到SN的第二转移，并且通过断开开关SH1和SH3并闭合开关SH2，将对应于V_LED+V_amb+V_reset的所得到的输出电压存储在电容器CSH2中。
-通过断开开关SH1和SH2并闭合开关SH3从第二存储的电压中减去第一存储的电压以获得对应于0.5(V_LED)的电压，该电压导致通过接收不含环境光、伪影、偏移、低频和环境噪声的LED光生成的信号。
使用图8C和图7B描述了所呈现的光电体积描记(PPG)感测装置的另一个实施方案和操作方法，该光电体积描记(PPG)感测装置允许感测PPG信号的导数而不是PPG信号本身。感测PPG信号导数的优点在于不仅消除了来源于读出链的噪声、偏移、伪影和杂散信号，还消除了来源于LED、运动伪影和传感器环境的那些。实际上，所有这些污染输入信号的元素都具有大于几微秒的周期。因此，感测导数允许消除所有这些元素。在常规PPG传感器中，在如此短的时间内采集连续PPG样本是非显而易见的，否则需要用于更快电路的更大功耗。
基于图8C和图7B，针对一个或多个像素(或宏像素)的PPG导数感测描述如下：
-通过像素的SN的重置门重置像素的SN，
-将转移门晶体管TGtransfer的栅极设置为低电压，以防止电荷从PPD转移到SN
-执行第一LED脉冲并在PPD中积累对应于环境光和LED光的电荷。
-通过向TG施加较高电压的脉冲来执行到SN的第一转移，并且以与上述相同的方式将对应于V_LED1+V_amb+V_reset的所得到的输出电压存储在CSH1中。
-执行第二LED脉冲并在PPD中积累对应于环境光和第二LED光水平的电荷。该第二LED脉冲通常在第一LED脉冲后数十微秒发生，但这可以根据需要进行调整。
-通过向转移门晶体管TGtransfer的栅极施加较高电压的脉冲来执行到SN的第二转移，并且以与上述相同的方式将对应于V_LED2+V_amb+V_reset的所得到的输出电压存储在CSH2中。
-通过如上所述闭合开关SH3从第二存储的电压减去第一存储的电压以获得对应于0.5(V_LED1-V_LED2)的电压，由于V_LED2是在V_LED1之后的某个时间获得的，该电压导致不含环境光、伪影、偏移、低频和环境噪声的源于LED的信号的导数。
该技术还具有利用单一读出方案和一个模数转换计算PPG信号导数的优点。
多次采样+像素阵列
可以对相同列中的所有像素同时执行上述多次采样，如图11所示，该图说明了分布在m列和n行的阵列(m,n)中的像素阵列。
在相同列中，像素共享连接到一个电压缓冲器的相同感测节点SN，如图5A所示。
图7A-图7B的反极性原理可以通过所有列中的每个列的平均来补充。
对所有列进行平均将读取噪声方差降低一个等于列数的因子，从而实现低噪声、低功率性能。
在图9A的第一实施方案中，图7A所示的两个CDS级在平均之后发生。相对于图9A，首先将感测节点重置为高于PPD的引脚电压的电压。然后在每个电压缓冲器的输出处读出重置电平电压V_reset+环境光电压V_amb并且对其进行采样。然后将重置电压+环境光电压V_amb进行平均。
平均涉及由开关和采样电容组成的完全无源电路，如图9A和图9B所示，并且简单地涉及常规上并联地连接电容器。因此，仅仅电子电路的设计可以首先执行双CDS链，然后对结果进行平均，或者相反，首先对每列的输出进行平均，然后执行两个CDS级。
如图11所示，同时操作和读出阵列的所有像素。在图11中，通过对相同电容器上的列级电压进行采样并将它们全部连接在一起来执行平均。
在此重置操作之后，TGtransfer晶体管关断，并且LED脉冲打开持续预先确定的时间段，以使积累的电荷聚积在PPD中并溢出到感测节点。溢出电荷线性地改变感测节点SN电压的值。
相对于图11的每个电压跟随器SFx(其中x是列数)的输出再次在阵列输出处进行平均。连续的两个CDS级提取LED信号电压V_LED，从而消除了环境电压V_amb和重置电压V_reset。
在图9B的又一个实施方案中，图7A所示的两个CDS级在平均之前发生。与先前的实施方案相反，在图9B中，首先针对每一列单独提取重置电压V_reset+环境光电压V_amb。然后，来自LED的光生电子溢出到感测电容中，并且存储到专用电容中，每列一个电容。
所述两个CDS级(每列)独立地执行环境电压和重置电压补偿，并且仅在最后才在m列之间对LED信号电压平均。
在图9C所示的又一个实施方案中，如图7B所示的两个CDS级被减少为单一CDS。如图8B所示，将在阵列输出处对两个独立的样本进行平均：一个考虑重置电压V_reset+环境光电压V_amb，并且第二个考虑重置电压V_reset+环境光电压V_amb+V_LED。参考图8D，连续的电子电路提取LED信号电压V_LED，以简单的方式从信号中消除环境电压V_amb和重置电压V_reset两者。
平均过程和系统级表示如图10所示。
就输入噪声(以e- rms为单位)而言，散粒噪声是一个限制因素。实际上，对于28.5dB的SNR，仅考虑散粒噪声，散粒噪声在输入参考噪声方面占超过10ke- rms。这意味着图9A-图9C的解决方案可能是一个不错的折衷方案，因为它们以更大的噪声为代价实现了更小的面积和功率两者，因为无论如何所述噪声与散粒噪声相比都是可以忽略的。
此操作是固有的减法，其既消除了恒定的重置电平，而且还减少了闪烁噪声和杂散信号。
由于本发明，可以在像素级从信号去除DC分量。
PPD用作电容值已知的电容器。然后可以通过将所述电容值乘以V_TGtransfer来计算PPD中的电荷量。
根据本发明的基于PPD的图像传感器可以是CMOS成像仪，其有利地用于PPG应用中。如稍后所解释的，可以驱动CMOS图像传感器来解决LED功耗、PPG信号的动态范围限制等问题，否则所述问题将使信号处理和滤波变得困难。
有利地，根据本发明的装置被构建作为片上系统(SOC)，其将不同的光子感测技术与低噪声和低功率信号处理链集成在一起，这允许在较低的有源光(LED)水平下实现更高的灵敏度、可靠的重要参数测量，并且同时以标准的CMOS工艺制造。
从前面可以看出，相对于常规PPG感测装置，本发明的PPG传感器具有在像素阵列中的光电子光积累和读出链的下一级(例如，放大和模数转换)之间完全去耦的优点。由于电容器可以保持模拟值而无需任何外部驱动触发，因此这一特殊特征得以实现。这允许仅在通常小于10us的光积累时间期间接通阵列的电源，并且在读出操作的剩余时间期间关闭该电源。以此方式，PPG传感器的总功耗就进一步降低。
Claims (20)
1.一种光电体积描记(PPG)感测装置，其被配置为输出包括DC分量和AC分量的信号，所述装置包括：
-脉冲光源，其适于脉冲打开或脉冲关闭，
-至少一个像素，其用于光对电荷转换以产生光生电子，
-每个像素与所述脉冲光源同步，
其特征在于每个像素包括：
-针扎式光电二极管(PPD)，其包括阱并且具有两个电子连接节点，
-感测节点(SN)，所述感测节点是结电容，所述结电容的作用是通过所述电容的转换增益将所述针扎式光电二极管(PPD)阱中的所述光生电子转换为电压，以及
-转移门(TGtransfer)晶体管，其具有电子地连接到所述针扎式光电二极管(PPD)的一个电子连接节点的源极，并且被配置为充当所述针扎式光电二极管(PPD)和所述感测节点(SN)之间的转移门(TG)，从而当光被脉冲关闭时允许所述光生电子汇集，当所述光被脉冲打开时允许所述光生电子积累，并且将所述积累的光生电子的至少一部分转移到所述感测节点用于读出，其中所述TGtransfer晶体管的栅极优选地电子地连接到DC电源(V_TGtransfer)，所述DC电源的值可以被动态调整。
2.根据权利要求1所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其中每个像素还包括：
-汇集(TGsink)晶体管，其具有电子地连接到所述针扎式光电二极管(PPD)的源极，并且被配置为充当所述针扎式光电二极管(PPD)和恒定DC电源或电容任一者之间的转移门(TG)，从而当所述光被脉冲关闭时允许所述光生电子朝向所述恒定DC电源或所述电容汇集，并且当所述光被脉冲打开时允许所述光生电子积累。
3.根据权利要求1所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其中所述像素的每个包括至少一个另外的针扎式光电二极管(PPD)，所述至少一个另外的针扎式光电二极管(PPD)与所述针扎式光电二极管(PPD)并联布置，并且通过相应的转移门(TGtransfer)晶体管连接到所述感测节点(SN)，所述转移门(TGtransfer)晶体管的每个被配置为同步地操作。
4.根据权利要求2和3的组合所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其中所述另外的针扎式光电二极管(PPD)的每个通过相应的汇集(TGsink)晶体管适当地连接到所述恒定DC电源或所述电容，所述汇集(TGsink)晶体管的每个的栅极被配置为同步地操作。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其包括多个所述像素，其中所述像素布置作为阵列。
6.根据权利要求5所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其还包括处理器(DSP)，所述处理器被配置为在空间上对所述像素的输出平均。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其还包括：
-第一块(CDS1)，其包括：
○电容(CSH1)，其用于当所述脉冲光源关闭并且所述感测节点(SN)阱为空时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的输出信号的值(V_reset)，以及
○电容(CSH2)，其用于当所述脉冲光源关闭且所述光电体积描记(PPG)感测装置刚刚经受环境光时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的值(V_amb+V_reset)，以及当所述脉冲光源打开时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的值(V_LED+V_amb+V_reset)，以及
-第二块(CDS2)，其包括：
○电容(CSH4)，其用于存储由电容(CSH1)存储的所述值(V_reset)与由电容(CSH2)存储的所述值(V_amb+V_reset)之间的差值(V_amb)，以及
○电容(CSH3)，其用于当所述脉冲光源打开时存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的值(V_LED+V_amb)，
○其中所述第二块(CDS2)被构造成使得由电容(CSH3)存储的所述值(V_LED+V_amb)与由电容(CSH4)存储的所述值(V_amb)之间的差值的函数被发送到ADC，以评估仅与所述脉冲光源(LED)相关的所述电压(V_LED)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其包括块(CDS)，所述块(CDS)包括：
○电容(CSH1)，其用于当所述脉冲光源在第一脉冲期间打开并且所述感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的第一值(V_LED1+V_amb+V_reset)，以及
○电容(CSH2)，其用于当所述脉冲光源在第二脉冲期间打开并且所述感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的第二值(V_LED2+V_amb+V_reset)，并且
其中所述块(CDS)被构造成使得由电容(CSH1)存储的所述第一值(V_LED1+V_amb+V_reset)与由电容(CSH2)存储的所述第二值(V_LED2+V_amb+V_reset)之间的差值的函数被发送到ADC，以评估与(V_LED2-V_LED1)相关的电压，所述电压与仅和所述脉冲光源(LED)相关的信号的导数成比例。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其包括块(CDS)，所述块(CDS)包括：
○电容(CSH1)，其用于当所述脉冲光源关闭并且所述感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的值(V_reset+V_amb)，以及
○电容(CSH2)，其用于当所述脉冲光源打开并且所述感测节点(SN)阱已经被允许积累持续预先确定的时间段时，存储所述光电体积描记(PPG)感测装置的所述输出信号的值(V_amb+V_reset+V_LED)，并且
其中所述块(CDS)被构造成使得由电容(CSH1)存储的所述值(V_LED+V_reset+V_amb)和由电容(CSH2)存储的所述值(V_reset+V_amb)之间的差值的函数被发送到ADC，以评估与仅和所述脉冲光源(LED)相关的所述信号相关的电压(V_LED)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置，其中所述感测装置用CMOS构建，并且其中每个像素嵌入在片上系统(SOC)中。
11.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的光电体积描记(PPG)感测装置的方法，其包括以下步骤：
-在转移阶段，将所述转移门(TGtransfer)晶体管电压设置为介于所述针扎式光电二极管(PPD)的阱电势(V_well)和施加到所述汇集晶体管(TGsink)的电压(V_TGsink)之间的值(V_TGtransfer)，以仅允许超过所述偏移的光生电子被转移到所述感测节点(SN)用于读出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中动态地调整所述转移门(TGtransfer)晶体管电压。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其包括校准步骤，所述校准步骤包括以下步骤：
A.将所述DC电源的所述值(V_TGtransfer)设置为预先确定的值；
B.检查对应的像素响应是否超过预先确定的阈值，以及
C.如果所述像素响应超过所述阈值，则重复步骤A和B，直到所述对应的像素响应不再超过所述阈值。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其包括以下步骤：
-脉冲关闭所述脉冲光源，以及
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于环境光的电压(V_amb)；然后
-脉冲打开所述脉冲光源持续至少所述预先确定的时间段，
-在所述预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与所述脉冲光源混合的环境光的电压(V_amb+V_LED)；然后
-从对应于与所述环境光混合的所述脉冲光源的所述脉冲打开的所述电压(V_amb+V_LED)中减去对应于所述环境光的所述电压(V_amb)，以产生对应于检测到的排他地来源于所述脉冲光源的光的函数的电压(V_LED)。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其包括以下步骤：
-脉冲打开所述脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与所述脉冲光源混合的所述环境光的电压(V_amb+V_LED)；然后
-脉冲关闭所述脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于环境光的电压(V_amb)；然后
-从对应于与所述环境光混合的所述脉冲光源的所述脉冲打开的所述电压(V_amb+V_LED)中减去对应于所述环境光的所述电压(V_amb)，以产生对应于所述检测到的排他地来源于所述脉冲光源的光的函数的电压(V_LED)。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其包括以下步骤：
-脉冲打开所述脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与所述脉冲光源混合的所述环境光的电压(V_amb+V_LED1)；然后
-再次脉冲打开所述脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与脉冲光源的第二样本混合的环境光的电压(V_amb+V_LED2)；然后
-从所述电压(V_amb+V_LED2)中减去所述电压(V_amb+V_LED1)，以获得(V_LED1)和(V_LED2)之间的差值的函数，所述函数是与所述检测到的仅来源于所述脉冲光源(LED)的光相关的所述信号的所述导数的函数。
17.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其包括以下步骤：
-脉冲关闭所述脉冲光源，
-在预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第一电容器(CSH1)中，以便生成对应于与重置电压(V_reset)混合的所述环境光的电压(V_reset+V_amb)；然后
-脉冲打开所述脉冲光源，以及
-在所述预先确定的时间段期间在所述针扎式光电二极管中积累电荷；
-通过所述转移门晶体管(TGtransfer)将所述电荷转移至所述感测节点(SN)，并且将所述电荷存储在第二电容器(CSH2)中，以便生成对应于与所述重置电压以及与所述脉冲光源(LED)相关的所述信号混合的环境光的电压(V_amb+V_reset+V_LED)；然后
-从所述电压(V_amb+V_reset+V_LED)中减去所述电压(V_reset+V_amb)，以获得与所述检测到的仅来源于所述脉冲光源(LED)的光相关的所述信号的函数。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中通过使所述第一电容器(CSH1)和第二电容器(CHS2)并联地连接，使得一个电容器的极性相对于另一个电容器相反，从而执行所述减法，两个电容器(CSH1；CSH2)的公共连接点给出电压值，所述电压值对应于先前在每个电容器(CSH1；CSH2)上的所述电压之间的差值的一半。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，其中所述光电体积描记(PPG)感测装置包括多个像素，所述方法还包括在空间上对每个像素的所述输出平均的步骤。
20.根据权利要求19所述的实施方案，其中所述像素的所述平均是通过通向电子缓冲器的多个电容器的连接以无源开关电容器的方式执行的。
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