CN111337905B - 一种基于ctia的双模式焦平面像素级电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，提供一种具有主动和被动成像双模式的像素级电路，电路由运算放大器、比较器、锁存器、反馈电容、采样电容等部分组成，锁存器开关控制主被动模式的切换。CTIA是电路主结构，采用两个反馈电路用于主、被动成像信息的采样，获得光强信息与光子飞行时间信息，满足新型复合应用需求。本发明还公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法。本发明能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。

Description

一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法

技术领域

本发明涉及激光成像领域，特别是一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法。

背景技术

根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像系统和被动成像系统两种。被动成像系统最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，如今主要应用于红外成像领域，其缺点是容易受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受环境光源的影响等优点。

激光由于它有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点，是人们早就渴望得到的理想的测距光源，因此在它出现后不到一年的时间就被用于测距。目前制造的3D成像激光雷达主要是用来获得目标的距离图像，用来表征目标物的空间方位信息。红外光学图像以目标物的光谱信息为主，反映了目标物反射强度变化，但单一的光学图像难以准确反映出目标的距离信息。如果将激光测距技术与摄影测量技术相结合，融合二者成像数据，实现三维激光成像(即主动成像)，这样便可以获得目标物的更多位置信息，并提高物体的识别能力和抗干扰性。

目前，对探测器光生电流检测的像素级电路主要分为以下两种类型：

(1)光照强度检测。

光强检测一般应用于较弱的光生电流，通常采用电容感应积分检测实现。光生电流在积分电容上积分，经过一段时间的积分可采集到后续检测所需的电压值，从而获得图像的灰度信息，其核心部件是一个电容跨阻放大器(CTIA,Capacitive Trans-impedanceAmplifier)。

(2)激光脉冲到达时间检测。

激光脉冲到达时刻检车一般采用时间-幅度转换电路(TAC)或时间-数字转换电路(TDC)实现。时间幅度转换电路(TAC)的核心部件是一个电阻跨阻放大器(RTIA,RegisterTrans-impedance Amplifier)，电路正常工作时电阻感应的输出电压与被测光生电流成正比，一旦电阻感应到的电压超过比较器的阈值电压，比较器即可反转，输出对应信号，表示激光脉冲到达。当已知光子发射时刻，即可测得飞行时间，进而推算出景深，实现3D成像。

由此可见，若要同时完成光强检测和激光脉冲到达时间检测，需要两种不同类型的读出电路。然而随着科技发展，集成化、多功能化已经成为时代趋势。如果想要在一片芯片上同时实现光强检测与光子到达时间检测两个功能，由于大电阻会占用大量面积，将以上两种电路进行简单地叠加并不可行。受限于像素单元的小面积与电路测量的准确性需求，寻找一个可以同时获取目标的光照强度信息和距离信息的简易结构具有相当大的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法，本发明能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，

探测器与运算放大器的负输入端、第一电容的一端、第二电容的一端、复位开关的一端分别连接，运算放大器的输出端与第一采样开关的一端、比较器的正输入端、第一电容的另一端、状态切换开关的第一端、复位开关的另一端分别连接，状态切换开关的第二端与第二电容的另一端连接，状态切换开关的栅极与延迟单元的一端连接，比较器的输出端与模式控制选择器的输入端连接，模式控制选择器的输出端控制第二采样开关，模式控制选择器的输出端与第二采样开关的栅极、延迟单元的另一端分别连接，第二采样开关的源极或漏极与第二采样模块连接，第一采样开关的另一端与第一采样模块连接。

作为本发明所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，第二电容的电容量是第一电容的电容量的10倍以上。

作为本发明所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，复位开关、状态切换开关、第一和第二采样开关均为MOS互补开关；其中，状态切换开关的第一端为源极时，状态切换开关的第二端即为漏极；状态切换开关的第一端为漏极时，状态切换开关的第二端即为源极。

作为本发明所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，模式控制选择器为模式选择和锁存器，模式控制选择器包括第一或非门、第二或非门、第一至第三PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，其中，

第一或非门的第一输入端接地，第一或非门的第二输入端接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端与第二或非门的第一输入端、第一PMOS管的源极、第二NMOS管的漏极分别连接，第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极接地，第三PMOS管的源极与第二PMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极接电源；第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第三PMOS管的栅极接复位信号，第二PMOS管的栅极接被动模式使能信号。

基于上述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法，双模式焦平面像素级电路有主动模式和被动模式，主动被动模式的切换由模式控制选择器的模式选择开关进行控制；运算放大器的输出端设为N₁点，比较器的输出端设为N₂点，模式控制选择器的输出端设为N₃点；

当电路工作在主动成像模式下时，首先对积分电容复位，即令复位开关闭合，将N₁点电位复位至V_ref，此时保证V_ref<V_th，避免比较器反转；随后断开复位开关，电路进入待测状态；在0时刻，脉冲发射器向目标物发射激光信号，此时外部的斜坡信号开始输入至第二采样开关的第一端并保持不变，第二采样开关的第二端与第二采样模块连接，经过延时时间t_r后斜坡信号开始上升；V_ref为运算放大器的复位电压，V_th为比较器的翻转电压；

当探测器检测到激光脉冲时，光生电流首先在第一电容上积分，N₁点电位上升，触发比较器反转，比较器输出高电平，并经模式控制选择器将状态锁存，保持N₃点为高电平至下一次复位以避免N₂点电平在后续积分过程中反转；与此同时，N₃输出的高电平经延迟单元后触发状态切换开关闭合，第二电容分享第一电容中存储的电荷，使得N₁点的电位下降；同时N₃点的高电平触发第二采样模块，对斜坡信号进行采样，输出模拟电压量V_3D，V_3D通过后级ADC进而推算出光子飞行时间；之后随着积分时间延长，N₁电位再次上升，积分结束后由第一采样模块采样N₁点电压，输出反映光照强度的模拟电压量V_2D，V_2D经后级ADC转换为光强信号；其中第一采样开关在电路开始积分前τ时刻闭合，在电路复位时断开。

当电路工作在被动模式下时，模式控制选择器控制S₂始终处于闭合状态，这种模式下采样N1点电位获得单一的红外光强信息。

作为本发明所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法进一步优化方案，包括计算光子飞行时间的方法，光子飞行时间TF为：

其中，t_r为斜坡信号开始上升的时刻，C_3D为第一电容的电容值，t_int为电路第一电容与第二电容共同工作时电路的积分时间，C_2D为第二电容的电容值，V_offset为t_r时刻斜坡信号的电压值，k为斜坡信号从t_r到(TF+△t)所形成的斜坡信号电压线段的斜率，TF为光源发射的光子经物体反射至探测器的飞行时间，△t为第一电容单独工作时的积分时间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，支持主动与被动两种成像模式，具有像素单元面积小、集成度高的优点；

(2)本发明克服了一般双模式电路结构复杂、像素单元面积大、集成度低的缺点，提出了一种新型的光子飞行时间测量方法，可以广泛应用于红外成像与激光成像领域。

附图说明

图1是本发明实施例提出的一种基于CITA的双模式焦平面像素单元电路原理示意图。

图2是运算放大器原理图。

图3是比较器原理图。

图4是锁存器原理图。

图5是斜坡产生电路原理图

图6是像素单元主动模式工作时序图。

图7是像素单元被动模式工作时序图。

图8是光子飞行时间检测原理图；其中，(a)是激光照射原理图，(b)是斜坡信号时序图。

图1中：C_3D-第一电容，C_2D-第二电容，S₂-状态切换开关,S₁-复位开关,S₄-第一采样开关，S₃-第二采样开关；

图4中：NOR1-第一或非门，NOR2-第二或非门，M1-M3分别为第一至第三PMOS管，M4为第一NMOS管，M5为第二NMOS管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

1、电路原理

参见图1，图1是本发明实施例提出的一种基于CITA的双模式焦平面像素单元电路原理示意图。

电路的主动被动模式切换由锁存器的模式选择开关进行控制。当电路工作在主动成像模式下时，首先对积分电容复位，即令S₁开关闭合，将N₁点电位复位至V_ref，此时应保证V_ref<V_th，避免比较器反转。随后断开S₁，电路进入待测状态。在0时刻，脉冲发射器向目标物发射红外信号，此时斜坡信号开始输入并保持不变(斜坡信号由外部电路给入)，经过延时t_r后斜坡信号开始上升。

当探测器检测到激光脉冲时，光生电流首先在C_3D上快速积分，N₁点电位迅速上升，触发比较器反转，N₂输出高电平，并经Mode selection&Lock模块将状态锁存，保持N₃点为高电平至下一次复位以避免N₂点电平在后续积分过程中反转。与此同时，N₃触发开关S₂闭合，C_2D分享C_3D电容中存储的电荷，使得N₁电位下降。同时N₃高电平触发采样模块，对斜坡信号进行采样，输出模拟电压量V_3D，通过后级ADC进而推算出光子飞行时间。之后随着积分时间延长，N₁电位再次上升，积分结束后由采样电路采样N₁点电压，输出反映光照强度的模拟电压量V_2D，经后级ADC可以转换为光强信号。当电路工作在被动模式下时，锁存器的模式选择开关控制S₂始终处于闭合状态，这种模式下采样N1点电位可以获得单一的红外光强信息。

2、关键电路模块设计

(1)放大器(OP)

参照图1，该发明实施例中运算放大器OP采用经典的跨导放大器结构，其具体电路参照图2。

该运算放大器由五个PMOS管M1、M2、M3、M4、M5，四个NMOS管M6、M7、M8、M9组成。VINP、VINN、V_B信号为电路输入，V_OUT信号为电路输出。PMOS管M1栅极接输入VINN，源极接PMOS管M5的漏极，漏极接NMOS管M6的漏极。PMOS管M2栅极接输入VINP，源极接PMOS管M5的漏极，漏极接NMOS管M7的漏极。PMOS管M3栅极接PMOS管M4的栅极，源极接电源VDD，漏极接NMOS管M8的漏极。PMOS管M4栅极接PMOS管M3的栅极，源极接电源VDD，漏极接NMOS管M9的漏极。PMOS管M5栅极接输入信号V_B，源极接电源VDD，漏极接PMOS管M1、M2的源极。NMOS管M6栅极接NMOS管M8的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M1的漏极。NMOS管M7栅极接NMOS管M9的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M2的漏极。NMOS管M8栅极接NMOS管M6的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M3的漏极。NMOS管M9栅极接NMOS管M7的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M4的漏极。输出信号V_OUT与M4、M9的漏极相连接。

(2)比较器(Com)

参照图1，该发明实施例中比较器Com采用两级增益放大结构，其具体电路参照图3：

该比较器由五个PMOS管M1、M2、M3、M7、M9，四个NMOS管M4、M5、M6、M8组成。VINP、VINN、V_B1、V_B2信号为电路输入，V_OUT信号为电路输出。PMOS管M1栅极接输入VINP，源极接PMOS管M3的漏极，漏极接NMOS管M4的漏极。PMOS管M2栅极接输入VINN，源极接PMOS管M3的漏极，漏极接NMOS管M5的漏极。PMOS管M3栅极接输入信号V_B1，源极接电源VDD，漏极接PMOS管M1、M2的源极。NMOS管M4栅极接NMOS管M5的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M1的漏极。NMOS管M5栅极接NMOS管M4的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M2的漏极。NMOS管M6栅极接NMOS管M5的漏极，源极接地GND，漏极接PMOS管M7的漏极。PMOS管M7栅极接输入信号V_B2，源极接电源VDD，漏极接NMOS管M6的漏极。NMOS管M8栅极接NMOS管M6的漏极，源极接地GND，漏极接PMOS管M9的漏极。PMOS管M9栅极接NMOS管M6的漏极，源极接电源VDD，漏极接NMOS管M8的漏极。输出信号V_OUT与M8、M9的漏极相连接。

(3)模式选择控制器&锁存器(Mode selection&Lock)

参照图1，该发明实施例中的锁存器除了具有置“1”、清零、保持功能，还应具有模式选择功能，其具体电路参照图4：

该锁存器由两个或非门NOR1、NOR2，三个PMOS管M1、M2、M3，两个NMOS管M4、M5组成。S、RESET、EN_2D信号为电路输入，Q信号为电路输出。或非门NOR1的输入端一端接地GND，另一端接或非门XOR2的输出端，输出端接或非门NOR2的输入端。或非门NOR2的输入端一端接输入S，另一端接或非门XOR1的输出端，输出端接或非门NOR1的输入端。PMOS管M1栅极接输入RESET，源极接或非门NOR1、NOR2的输出端，漏极接MOS管M3、M4的漏极。PMOS管M2栅极接输入EN_2D，源极接电源VDD，漏极接PMOS管M3的源极。PMOS管M3栅极接输入RESET，源极接PMOS管M2的漏极，漏极接NMOS管M4的漏极。NMOS管M4栅极接输入RESET，源极接地GND，漏极接PMOS管M1的源极。NMOS管M5栅极接输入RESET，源极接地GND，漏极接PMOS管M3的漏极输出Q与M1、M3、M4的漏极相连接。

(4)斜坡产生电路(Ramp signal)

参照图1，该发明实施例中的斜坡信号由像素单元外部给入，其具体电路参照图5：

该斜坡产生电路由一个运算放大器OP，一个反相器INV，一个基准电流源I_ref，一个电容C，三个NMOS管M1、M2、M3组成。START、STOP、V_REF信号为电路输入，RAMP信号为电路输出。运算放大器OP同相端接M1管的漏极，反相端接M2的源极，输出端接信号RAMP。反相器INV输入端接M2管的栅极，输出端接M1管的栅极。基准电流源的正极接M1、M2管的源极，负极接地GND。电容C一端接运算放大器的反相端，另一端接输出信号RAMP。NMOS管M1栅极接反相器INV的输出端，源极接基准电流源的正极，漏极接运算放大器OP的同向端。M2栅极接反相器INV的输入端，源极接基准电流源的正极，漏极接运算放大器OP的反向端。M3栅极接输入信号START，源极、漏极与电容两级相接。输入信号STOP与反相器的输入端相连接，输入信号V_REF与运算放大器的同相端相连接。

3、主动模式下光生电流与飞行时间的理论计算

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图6是本发明实施例提出的像素单元主动模式下电路工作时序图，目的是实现激光成像。图7是本发明实施例提出的像素单元被动模式下电路工作时序图，目的是实现红外成像。图8是本发明实施例提出的像素单元主动模式下光子到达时间检测原理图，图8中的(a)是激光照射原理图，图8中的(b)是斜坡信号时序图。其中TF为光源发射的光子经物体反射至探测器的飞行时间，△t为图1中小电容C_3D单独工作时的积分时间。

图1中的斜坡信号为外部输入的模拟信号，其信号参数可人为设定。斜坡信号在激光脉冲信号从光源发射后延时t_r开始上升，当激光脉冲反射至红外探测器后经过△t时间后由采样电路采样斜坡信号的电压值。光子到达时间检测工作原理参见图8，在0时刻激光脉冲发射器发射激光，经过TF后激光到达探测器，采样TF+△t时刻的电压V_3D经过处理后即可得出光子飞行时间TF。

图8中的(b)中的t_r可以用来改变量程。因芯片供电电压、ADC分辨率有限，无法通过无限降低斜坡信号的斜率实现远距离检测，因此可适当延迟斜坡信号开始上升的时刻t_r，改变TF检测量。如果待测目标距激光脉冲发射器距离过近，即使采用最短量程的斜坡信号也无法准确检测TF。因此本设计适合用于中远距离目标检测，在可测范围内，距离越远，精确度越高。

(1)光生电流的理论计算

参照图6，设A点电压为V_ref，B点电压为V_th，TF+△t时刻电容切换瞬间N₁点的电压跳变为：

假设两个电容共同工作的积分时间为t_int，直线CD段斜率为：

由电容积分公式得光生电流I_tot：

(2)光子飞行时间的理论计算

参照图6，小电容积分时间△t为：

其中t_int为大电容(C_2D+C_3D)的积分时间。

参照图8中的(b)，设t_r时刻斜坡信号的电压值为V_offset，直线BC段斜率为k，t_r时刻斜坡信号开始上升，则输出采样电压V_3D对应的时刻为：

光子飞行时间TF为：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，

探测器与运算放大器的负输入端、第一电容的一端、第二电容的一端、复位开关的一端分别连接，运算放大器的输出端与第一采样开关的一端、比较器的正输入端、第一电容的另一端、状态切换开关的第一端、复位开关的另一端分别连接，状态切换开关的第二端与第二电容的另一端连接，状态切换开关的栅极与延迟单元的一端连接，比较器的输出端与模式控制选择器的输入端连接，模式控制选择器的输出端控制第二采样开关，模式控制选择器的输出端与第二采样开关的栅极、延迟单元的另一端分别连接，第二采样开关的源极或漏极与第二采样模块连接，第一采样开关的另一端与第一采样模块连接；

模式控制选择器为模式选择和锁存器，模式控制选择器包括第一或非门、第二或非门、第一至第三PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，其中，

第一或非门的第一输入端接地，第一或非门的第二输入端接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端与第二或非门的第一输入端、第一PMOS管的源极、第二NMOS管的漏极分别连接，第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极接地，第三PMOS管的源极与第二PMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极接电源；第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第三PMOS管的栅极接复位信号，第二PMOS管的栅极接被动模式使能信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，第二电容的电容量是第一电容的电容量的10倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，复位开关、状态切换开关、第一和第二采样开关均为MOS互补开关；其中，状态切换开关的第一端为源极时，状态切换开关的第二端即为漏极；状态切换开关的第一端为漏极时，状态切换开关的第二端即为源极。

4.基于权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法，其特征在于，双模式焦平面像素级电路有主动模式和被动模式，主动被动模式的切换由模式控制选择器的模式选择开关进行控制；运算放大器的输出端设为N₁点，比较器的输出端设为N₂点，模式控制选择器的输出端设为N₃点；

当电路工作在主动成像模式下时，首先对积分电容复位，即令复位开关闭合，将N₁点电位复位至V_ref，此时保证V_ref<V_th，避免比较器反转；随后断开复位开关，电路进入待测状态；在0时刻，脉冲发射器向目标物发射激光信号，此时外部的斜坡信号开始输入至第二采样开关的第一端并保持不变，第二采样开关的第二端与第二采样模块连接，经过延时时间t_r后斜坡信号开始上升；V_ref为运算放大器的复位电压，V_th为比较器的翻转电压；

当探测器检测到激光脉冲时，光生电流首先在第一电容上积分，N₁点电位上升，触发比较器反转，比较器输出高电平，并经模式控制选择器将状态锁存，保持N₃点为高电平至下一次复位以避免N₂点电平在后续积分过程中反转；与此同时，N₃输出的高电平经延迟单元后触发状态切换开关闭合，第二电容分享第一电容中存储的电荷，使得N₁点的电位下降；同时N₃点的高电平触发第二采样模块，对斜坡信号进行采样，输出模拟电压量V_3D，V_3D通过后级ADC进而推算出光子飞行时间；之后随着积分时间延长，N₁电位再次上升，积分结束后由第一采样模块采样N₁点电压，输出反映光照强度的模拟电压量V_2D，V_2D经后级ADC转换为光强信号；其中第一采样开关在电路开始积分前τ时刻闭合，在电路复位时断开；

当电路工作在被动模式下时，模式控制选择器控制S₂始终处于闭合状态，这种模式下采样N1点电位获得单一的红外光强信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法，其特征在于，包括计算光子飞行时间的方法，光子飞行时间TF为：

其中，t_r为斜坡信号开始上升的时刻，C_3D为第一电容的电容值，t_int为电路第一电容与第二电容共同工作时电路的积分时间，C_2D为第二电容的电容值，V_offset为t_r时刻斜坡信号的电压值，k为斜坡信号从t_r到(TF+△t)所形成的斜坡信号电压线段的斜率，TF为光源发射的光子经物体反射至探测器的飞行时间，△t为第一电容单独工作时的积分时间。

Images