CN112261327A - 像素探测器及其分布式前端模数变换与读出电路、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像素探测器及其分布式前端模数变换与读出电路、方法。本发明电路包括斜波电压发生器、斜波电压缓冲器、多个像素内模数变换及读出电路；其中斜波电压发生器与斜波电压缓冲器连接，将斜坡电压扇入至各像素内的比较器；每一像素内模数变换及读出电路包括一采样保持电路、一比较器和一计数器，采样保持电路与比较器的一输入端连接；比较器的另一输入端与斜波电压缓冲器连接；比较器的输出端与计数器的第一输入端连接，控制该计数器的计数停止；计数器的第二输入端用于接收时钟信号，计数器的第三输入端收计数/移位控制信号，计数器的第四输入端接收前一像素中的计数器输出信号，计数器的输出端与后一像素中的计数器的输入端连接。

Description

像素探测器及其分布式前端模数变换与读出电路、方法

技术领域

本发明属于像素探测器读出芯片领域，涉及一种用于像素探测器的分布式前端模数变换及读出电路、方法。

背景技术

像素探测器广泛应用于各种需要成像的设备中，根据前端电路是否需要模数转换可分为光子计数型和积分型。如图1所示，积分型像素读出芯片的模拟前端电路利用积分电容，将探测器产生的电荷变换成电压信号，通过调节积分电容的大小可以适应不同的输入动态范围。

由于积分型读出芯片的前端电路输出的是模拟的电压值，后续还需要模数变换电路将其变换成数字量。传统的像素探测器模数变换结构主要有两种。一种不在读出芯片内进行模数变换，而是将模拟信号传出芯片外，利用芯片外的独立ADC进行变换。这种方式在读出芯片内部全程传输的是模拟电压，极易受到噪声干扰，信噪比低。受限于片外ADC的通道数和变换速度，读出速率难以提高。

另一种方案是在像素阵列的列端集成ADC。如图2所示，每列像素对应一个ADC。模数变换时每次只能通过行选通电路选择一行进行变换，以逐行扫描的方式完成对整个像素阵列的变换和读出。这种变换方式存在以下缺陷：从像素内部到列端传输的依然是模拟电平，传输过程中易受噪声干扰；逐行扫描方式不能对整个像素内的所有像素同时进行模数变换，势必需要在像素内集成模拟缓存来暂时存储模拟电压，这样一来就影响了模拟电压的精度；由于每次只能对一行进行变换，变换时间和阵列规模成正比，对于较大的像素阵列变换时间过长；行选通电路的存在增大了像素阵列外的电路面积，增大了探测死区。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于像素探测器的分布式前端模数变换及读出电路。该模数变换电路分布于像素探测器各像素的内部，可对像素探测器中的所有像素单元的前端模拟电压输出信号同时进行模拟-数字变换，同时无需行列选择结构即可串行读出。相比传统的列端模数变换结构一次只能变换一列像素，本发明给出的紧凑型结构可将关键电路集成于像素内部，从而实现所有像素模拟前端输出电压信号的同时模数变换，提高了像素探测器的成像质量。同时无需行列选通读出结构，从而节约了电路面积，减小了探测死区。

本发明通过一个全局的斜坡电压发生器，为所有像素提供模数变换的参考电压；利用紧凑型的设计，能够将模数变换结构集成于像素内部，从而实现所有像素同时进行模数变换，缩短模数变换时间，进而提高信号质量的目的。电路中的斜坡发生器、斜坡缓冲器、采样保持电路、比较器和计数器可以有多种不同的实现形式，在本发明方案基础上对具体电路部件的替换仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

本发明的技术方案为：

一种像素探测器的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，包括斜波电压发生器、斜波电压缓冲器、多个像素内模数变换及读出电路；其中

所述斜波电压发生器与斜波电压缓冲器连接，用于将产生的斜波电压输入给斜波电压缓冲器；

所述斜波电压缓冲器与各比较器连接，用于将收到的斜坡电压扇入至各像素单元内的比较器；

所述像素内模数变换及读出电路，内置于像素探测器的像素单元内部，用于将像素单元内前端电路产生的模拟信号转换为数字信号并输出；其中每一所述像素内模数变换及读出电路包括一采样保持电路、一比较器和一计数器，该采样保持电路与该比较器的一输入端连接，用于对所在像素单元模拟前端电路输出的模拟电压Vaout进行处理输出一模拟电平值给该比较器；该比较器的另一输入端与所述斜波电压缓冲器连接，用于接收所述斜波电压；该比较器的输出端与该计数器的第一输入端连接，接收该比较器的输出信号用于控制该计数器的计数停止；该计数器的第二输入端用于接收计数/移位时钟信号，该计数器的第三输入端用于接收计数/移位控制信号，该计数器的第四输入端用于接收前一像素单元中的计数器输出信号，该计数器的输出端与后一像素单元中的计数器的输入端连接。

进一步的，所述斜波电压发生器包括参考电流源、电流镜、运放电路、积分电容和第一开关S1、第二开关S2；其中，该参考电流源依次经该电流镜、第一开关S1与该运放电路的负向输入端连接，该运放电路的正向输入端用于接收基线电压Vref，该运放电路的负向输入端与该运放电路的输出端之间并联该积分电容和该第二开关S2，该运放电路的输出端输出斜坡电压Vramp；该第一开关S1、第二开关S2由计数控制信号控制，计数控制信号为高电平时，该第一开关S1闭合、第二开关S2断开。

进一步的，当保持第二开关S2断开、第一开关S1闭合时，参考电流源和电流镜以恒定值抽取运放电路负向输入端的电流，从而在运放电路输出端输出一个由基线电压Vref向高电平增长的斜坡电压Vramp；当第一开关S1断开与运放电路负向输入端的连接时，运放电路输出电压保持不变；第二开关S2闭合时，运放电路输出电压回到基线值Vref。

一种像素探测器的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，包括用于内置于像素探测器每一像素单元内部的斜波电压发生器、采样保持电路、比较器和计数器；其中

所述斜波电压发生器与该比较器的一输入端连接，用于将产生的斜波电压输入给比较器；

该采样保持电路与该比较器的另一输入端连接，用于对所在像素单元模拟前端电路输出的模拟电压Vaout进行处理输出一模拟电平值给该比较器；

该比较器的输出端与该计数器的第一输入端连接，接收该比较器的输出信号用于控制该计数器的计数停止；该计数器的第二输入端用于接收计数/移位时钟信号，该计数器的第三输入端用于接收计数/移位控制信号，该计数器的第四输入端用于接收前一像素单元中的计数器输出信号，该计数器的输出端与后一像素单元中的计数器的输入端连接。

进一步的，所述斜波电压发生器包括参考电流源、电流镜、积分电容和第一开关S1、第二开关S2；其中，该参考电流源依次经该电流镜、第一开关S1与该积分电容第一电容板连接，该积分电容第二电容板与地线连接；该第二开关S2与该积分电容并联，该积分电容的第一电容板作为斜坡电压Vramp输出端。

进一步的，该第一开关S1、第二开关S2由计数控制信号；当计数控制信号为高电平时，第一开关S1闭合、第二开关S2断开，电流镜向积分电容上注入电流，电容对电荷进行积分产生斜坡电压Vramp；当计数控制信号为低电压时，第一开关S1断开、第二开关S2闭合，输出复位到低电平。

一种基于所述分布式前端模数变换与读出电路的信号读出方法，其步骤包括：

1)斜波电压发生器接收外部控制信号，计数器接收外部控制信号和时钟信号；其中外部控制信号包括计数控制信号和移位控制信号，时钟信号包括计数时钟信号和移位时钟信号；

2)在每一个转换与读出周期内，执行步骤a)～b)：

a)通过计数控制信号控制斜波电压发生器产生的斜坡电压开始线性增长并同步扇入至各像素单元，与此同时各像素单元内的计数器在计数时钟的作用下开始计数；当斜坡电压增长至高于像素单元内采样保持电路的输出电压Vaout时，像素单元内的比较器输出计数停止信号，各像素单元内的计数器计数停止，并将计数值本地锁存；当斜坡电压一直线性增长至设定最高值后计数控制信号停止计数，斜坡电压复位；其中斜坡电压的摆幅覆盖采样保持电路的输出摆幅，以保证各像素单元的前端模拟输出能被转换为数字计数值；

b)当计数结束后，通过移位控制信号控制计数器由计数状态切换为移位状态，在移位时钟的作用下将各计数器锁存的计数值串行移位输出；

3)上一周期移位完成后，移位控制信号控制计数器由移位状态切换为计数状态，开始下一个周期的转换和读出。

一种像素探测器，包括多个像素单元，其特征在于，每一像素单元内置所述分布式前端模数变换与读出电路。

一种成像设备，包括由多个像素单元构成的像素探测器，其特征在于，每一像素单元内置所述分布式前端模数变换与读出电路。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提出了一种像素探测器分布式模拟前端模数变换及读出电路，可以实现像素探测器所有像素单元同时进行模拟-数字变换。其有益效果主要体现在如下几个方面。

1、像素内模数变换提高信噪比

本发明通过紧凑的像素内电路设计，可以将模拟数字变换及读出电路分布式地集成于各个像素内部，从而实现了模拟电平的前端数字化，避免长距离传输模拟电平产生的噪声干扰问题。在像素内完成模数变换后信号路径上只传输数字信号，理论上不存在精度损失。

2、缩短变换时间

传统的片外模数变换和列端模数变换模式无法实现所有像素同时变换，其变换时间与像素规模成正比。对于大规模的像素阵列，变换时间较长。本发明提出的分布式模数变换及读出电路可实现所有像素同时变换，变换时间与像素阵列规模无关，可大大缩短大像素阵列的模数变换时间。

3、提高信号质量

传统的列端模数变换方式需要行选通电路以逐行扫描的方式进行变换。采样保持电路的输出电压需要在模拟缓存上暂存较长的时间。模拟缓存通常由电容实现，而电容不是理想器件，充电后电容极板上的电荷会随着时间推移不断流失，即漏电。因此模拟电压暂存的时间越长，其精度损失越大。而本发明提出的模数变换及读出电路可在同一时间内完成所有像素的模数变换，大大缩短了变换时间，从而减少了精度损失，提高了信号质量。

4、无需行选通结构，减少了探测死区

传统的列端模数变换结构需要在像素阵列的外围设置行选通电路，实现逐行扫描的模数变换。行选通电路的存在增大了读出芯片的非灵敏区域，即探测死区。本发明提出的分布式前端模数变换及读出电路无需行选通电路即可变换和读出，从而减小了死区。

附图说明

图1为积分型像素读出芯片模拟前端电路。

图2为列端模数变换电路。

图3为分布式前端模数变换及读出电路整体示意图。

图4为斜坡电压发生器电路。

图5为像素内模数变换及读出电路框图。

图6为模数变换及读出时序图。

图7为像素内置斜坡发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

本发明给出的分布式前端模数变换及读出电路可同时对像素阵列中的所有像素进行模拟-数字变换；与此同时，变换后的数字量可直接通过移位链串行读出。

图3给出了本发明所提出的分布式前端模数变换及读出电路的整体示意图。此电路依次实现了斜坡电压产生和扇入、像素内模数变换和串行移位读出三个功能。下面结合附图详细介绍本发明的实施方案。

1.斜坡电压产生和扇入

本发明提出的分布式前端模数及读出电路在像素探测器的每个像素内部都集成了比较器和计数器，其中比较器需要一个高线性度斜坡参考电压作为变换基准。如图3所示，斜坡电压由一个全局的斜坡电压发生器产生，并通过列端的斜坡电压缓冲器扇入到各个像素内部。使用一个全局的斜坡发生器，可保证各像素间斜坡参考电压的一致性，并减小占用的像素面积。

斜坡电压发生器的具体实现如图4所示，主要由参考电流源、电流镜、高增益运放、积分电容和开关组成。保持开关S2断开，当开关S1闭合连接运放负向输入端时，电流源和电流镜以恒定值抽取运放负向输入端的电流，从而在输出端输出一个由基线电压Vref向高电平增长的斜坡电压Vramp；当开关S1断开与运放负向输入端的连接时，输出电压保持不变。开关S2闭合，输出电压回到基线值Vref。斜坡电压缓冲器则用于将产生的斜坡电压扇入至各个像素，根据像素阵列的规模不同，可以设计成单级或多级缓冲。S1、S2的断开或闭合由外部信号发生器传入的计数控制信号给出，S1闭合则开始斜坡增长，S2闭合则开始复位。移位时钟也由外部时钟信号发生器传入。

2.像素内模数变换

如图5所示，像素内模数变换电路包括采样保持电路，比较器和计数器。

电路间的连接方式如下：像素内前端电路输出一个模拟电平，作为采样保持电路的输入。采样保持电路输出一个稳定的模拟电平值，作为比较器的一个输入；比较器的另一输入是由像素外部扇入的斜坡电压。比较器的输出连接到计数器的输入端，作为计数器的计数停止信号。计数器包括四个输入：计数/移位时钟、计数/移位控制信号、比较器输出的计数停止信号和前一像素的计数器输出信号。计数器输出连接到下一计数器的计数器输入端，各像素的计数器首尾相连形成读出移位链。

较少的电路组成使得该电路结构能够很容易地集成于像素单元内部。模数变换的时序如图6所示。采样保持电路将像素模拟前端的模拟输出电压Vaout采样到电容上，供比较器比较。计数开始信号到来后计数器开始计数，与此同时斜坡电压由Vref开始线性增长，增长至Vramp高于Vaout时，比较器输出计数停止信号，计数器停止计数。计数值即为最终的模拟-数字变换值。

3.串行移位读出

图5所示的像素内计数器可复用为移位链。读出时序如图6所示。计数停止后，计数值锁存在各像素的计数器中。当移位信号使能时，计数器由计数状态切换为移位状态。各像素的计数器首尾相接组成一条长移位链，从而无需行列选通电路即可串行读出所有像素的计数值。也可以将像素阵列分组，连成多条移位链读出，提高读出速率。

替代方案

作为比较器输入的斜坡电压，除如图3所示的由像素阵列外部扇入的方式外，也可以通过每个像素内内置斜坡发生器的方式实现。如图7所示是像素内置斜坡发生器的电路图。包括电流源I、电流镜、开关S1、开关S2和积分电容C。S1、S2由计数使能信号(即计数/移位控制信号中的计数控制信号)控制。计数使能为高时，S1闭合，S2断开，电流镜向积分电容C上注入电流，电容对电荷进行积分产生斜坡电压输出Vramp。计数使能信号为低时，开关S1断开，S2闭合，输出复位到低电平。

采用该替代方案，可以省略图3中所示的全局斜坡电压发生器和斜坡电压缓冲电路。但产生的斜坡电压精度不如原方案，且像素间斜坡电压的一致性不及原方案。

附图6为变换和读出的整体时序图，控制流程如下：外部控制信号包括计数使能信号和移位使能信号(即计数/移位控制信号中的移位控制信号)。计数使能时，斜坡电压开始线性增长并同步扇入至所有像素，与此同时在计数时钟的作用下所有像素内的计数器开始计数。当斜坡电压增长至高于像素内采样保持电路的输出电压Vaout时，像素内比较器输出计数停止信号，该像素内的计数器计数停止，并将计数值就地锁存。斜坡电压一直线性增长至最高值后计数使能信号不再使能，斜坡电压复位。斜坡电压摆幅需要覆盖采样保持电路的输出摆幅，以保证所有像素的前端模拟输出都能被转换为数字计数值。计数结束后，移位信号使能，计数器由计数状态切换为移位状态，在移位时钟的作用下将所有计数器锁存的计数值串行移位至芯片外。移位完成，移位使能信号不使能，一个周期的转换和读出结束，计数器复位，准备下一周期的转换和读出。

综上所述，以上为本发明的部分实施方案而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种像素探测器的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，包括斜波电压发生器、斜波电压缓冲器、多个像素内模数变换及读出电路；其中

所述斜波电压发生器与斜波电压缓冲器连接，用于将产生的斜波电压输入给斜波电压缓冲器；

所述斜波电压缓冲器与各比较器连接，用于将收到的斜坡电压扇入至各像素单元内的比较器；

所述像素内模数变换及读出电路，内置于像素探测器的像素单元内部，用于将像素单元内前端电路产生的模拟信号转换为数字信号并输出；其中每一所述像素内模数变换及读出电路包括一采样保持电路、一比较器和一计数器，该采样保持电路与该比较器的一输入端连接，用于对所在像素单元模拟前端电路输出的模拟电压Vaout进行处理输出一模拟电平值给该比较器；该比较器的另一输入端与所述斜波电压缓冲器连接，用于接收所述斜波电压；该比较器的输出端与该计数器的第一输入端连接，接收该比较器的输出信号用于控制该计数器的计数停止；该计数器的第二输入端用于接收计数/移位时钟信号，该计数器的第三输入端用于接收计数/移位控制信号，该计数器的第四输入端用于接收前一像素单元中的计数器输出信号，该计数器的输出端与后一像素单元中的计数器的输入端连接。

2.如权利要求1所述的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，所述斜波电压发生器包括参考电流源、电流镜、运放电路、积分电容和第一开关S1、第二开关S2；其中，该参考电流源依次经该电流镜、第一开关S1与该运放电路的负向输入端连接，该运放电路的正向输入端用于接收基线电压Vref，该运放电路的负向输入端与该运放电路的输出端之间并联该积分电容和该第二开关S2，该运放电路的输出端输出斜坡电压Vramp；该第一开关S1、第二开关S2由计数控制信号控制，计数控制信号为高电平时，该第一开关S1闭合、第二开关S2断开。

3.如权利要求2所述的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，当保持第二开关S2断开、第一开关S1闭合时，参考电流源和电流镜以恒定值抽取运放电路负向输入端的电流，从而在运放电路输出端输出一个由基线电压Vref向高电平增长的斜坡电压Vramp；当第一开关S1断开与运放电路负向输入端的连接时，运放电路输出电压保持不变；第二开关S2闭合时，运放电路输出电压回到基线值Vref。

4.一种像素探测器的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，包括用于内置于像素探测器每一像素单元内部的斜波电压发生器、采样保持电路、比较器和计数器；其中

所述斜波电压发生器与该比较器的一输入端连接，用于将产生的斜波电压输入给比较器；

该采样保持电路与该比较器的另一输入端连接，用于对所在像素单元模拟前端电路输出的模拟电压Vaout进行处理输出一模拟电平值给该比较器；

该比较器的输出端与该计数器的第一输入端连接，接收该比较器的输出信号用于控制该计数器的计数停止；该计数器的第二输入端用于接收计数/移位时钟信号，该计数器的第三输入端用于接收计数/移位控制信号，该计数器的第四输入端用于接收前一像素单元中的计数器输出信号，该计数器的输出端与后一像素单元中的计数器的输入端连接。

5.如权利要求4所述的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，所述斜波电压发生器包括参考电流源、电流镜、积分电容和第一开关S1、第二开关S2；其中，该参考电流源依次经该电流镜、第一开关S1与该积分电容第一电容板连接，该积分电容第二电容板与地线连接；该第二开关S2与该积分电容并联，该积分电容的第一电容板作为斜坡电压Vramp输出端。

6.如权利要求5所述的分布式前端模数变换与读出电路，其特征在于，该第一开关S1、第二开关S2由计数控制信号；当计数控制信号为高电平时，第一开关S1闭合、第二开关S2断开，电流镜向积分电容上注入电流，电容对电荷进行积分产生斜坡电压Vramp；当计数控制信号为低电压时，第一开关S1断开、第二开关S2闭合，输出复位到低电平。

7.一种基于权利要求1或4所述分布式前端模数变换与读出电路的信号读出方法，其步骤包括：

1)斜波电压发生器接收外部控制信号，计数器接收外部控制信号和时钟信号；其中外部控制信号包括计数控制信号和移位控制信号，时钟信号包括计数时钟信号和移位时钟信号；

2)在每一个转换与读出周期内，执行步骤a)～b)：

a)通过计数控制信号控制斜波电压发生器产生的斜坡电压开始线性增长并同步扇入至各像素单元，与此同时各像素单元内的计数器开始计数；当斜坡电压增长至高于像素单元内采样保持电路的输出电压Vaout时，像素单元内的比较器输出计数停止信号，各像素单元内的计数器计数停止，并将计数值本地锁存；当斜坡电压一直线性增长至设定最高值后计数控制信号停止计数，斜坡电压复位；其中斜坡电压的摆幅覆盖采样保持电路的输出摆幅，以保证各像素单元的前端模拟输出能被转换为数字计数值；

b)当计数结束后，通过移位控制信号控制计数器由计数状态切换为移位状态，在移位时钟的作用下将各计数器锁存的计数值串行移位输出；

3)上一周期移位完成后，移位控制信号控制计数器由移位状态切换为计数状态，开始下一个周期的转换和读出。

8.一种像素探测器，包括多个像素单元，其特征在于，每一像素单元内置如权利要求1或4所述的分布式前端模数变换与读出电路。

9.一种成像设备，包括由多个像素单元构成的像素探测器，其特征在于，每一像素单元内置如权利要求1或4所述的分布式前端模数变换与读出电路。

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