CN116583756A - 用于背景光抑制的电路 - Google Patents

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CN116583756A CN202180083288.1A CN202180083288A CN116583756A CN 116583756 A CN116583756 A CN 116583756A CN 202180083288 A CN202180083288 A CN 202180083288A CN 116583756 A CN116583756 A CN 116583756A
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Abstract

描述了用于光传播时间传感器(22)的用于背景光抑制的电路(SBI，500)，该传感器根据相位测量原理来操作并且其光传播时间像素具有用于累积电荷的积分节点或二极管(Ga、Gb、diode_a、diode_b)，该电路具有输入级(50)、运算放大器(OP)和SBI电流源(SQ)，其中，输入级(50)具有旁路和共模电路(SBP、SVcm)，积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)的信号经由旁路和共模电路引导到运算放大器(OP)，并且运算放大器(OP)经由旁路和共模电路能够切换到最大值检测或共模操作，其中，运算放大器(OP)被设计为使得基于由输入级(50)切换到运算放大器(OP)的积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)的信号来生成用于SBI电流源(SQ)的栅极电压(gate_cs)，其中，SBI电流源(SQ)具有用于最大值检测操作的第一电流源(SQ1)以及用于共模操作的第二电流源和第三电流源(SQ2a、SQ2b)，其中，电流源(SQ1、SQ2a、SQ2b)能够经由开关(S)连接至积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)。

Description

用于背景光抑制的电路
技术领域
本发明涉及用于背景光抑制的电路。
背景技术
在本文中，术语光传播时间或飞行时间相机或飞行时间相机系统旨在具体地包括根据发射和接收的辐射的相移获得距离的系统。特别地，具有光混频检测器(photomixingdetector，PMD)的PMD相机适合作为飞行时间或TOF相机，例如DE19704496A1所描述的。
而且，从DE102004016626A1、DE102005056774A1和DE102014214733A1中已知所谓的抑制背景照明(suppressed background illumination，SBI)电路，其通过针对各个像素单独地抑制背景光来扩展像素的动态。
发明内容
本发明的目的是在功能和节省空间布置方面来优化用于背景光抑制的电路。
该目的是通过根据本发明的电路来实现的。
根据本发明，提供了一种用于飞行时间传感器的用于背景光抑制的电路，该飞行时间传感器根据相位测量原理操作并且其飞行时间像素包括用于累积电荷的积分节点或二极管，
包括输入级、运算放大器和SBI电流源，其中，输入级包括旁路和共模开关，来自积分节点的信号经由旁路和共模开关提供给运算放大器，并且运算放大器经由旁路和共模开关可以切换到最大值检测或共模操作，
其中，运算放大器被配置为使得基于经由输入级节点切换到运算放大器的积分节点的信号，产生SBI电流源的栅极电压，
其中，SBI电流源包括用于最大值检测模式的第一电流源以及用于共模操作的第二电流源和第三电流源，其中，电流源可经由开关连接到积分节点。
该SBI电路具有总是可以为不同的应用找到合适的SBI模式的优点。
有利地，第二电流源被配置为低电流源，并且第三电流源被配置为高电流源。
这种方法具有可以根据存在的背景光使用不同的补偿电流的优点。
如果运算放大器具有差分输入级和由连接到SBI阈值电压的晶体管构成的第二支路，则是特别有用的，其中，根据操作模式，输入pa和pb或者一起连接到共模电压，或者单独连接到二极管电压。
同样，有利的是提供具有用于背景光抑制的前述电路的飞行时间像素，并且构建具有对应的飞行时间像素的飞行时间传感器。
提供包括前述电路或多个前述飞行时间像素的飞行时间相机也是有用的，并且特别地，有利的是设计用于TOF操作以及组合的TOF和三角测量操作的飞行时间相机，其中，在最大值检测模式中并且在共模操作中的TOF和三角测量操作中执行背景光抑制。
飞行时间相机被适当地配置，使得在共模操作中，根据入射在飞行时间传感器上的外来光来执行第二电流源与第三电流源之间的切换。
该过程有利地使得能够充分地响应于不同的应用条件，使得永久地保证飞行时间相机的安全操作。
附图说明
附图示意性地示出了：
图1：飞行时间相机系统；
图2：所生成的载流子的调制积分；
图3：具有电位分布的PMD飞行时间传感器的横截面；
图4：飞行时间像素处的积分电压随时间的变化；
图5：在使用和不使用SBI的飞行时间像素处的电位曲线；
图6：现有技术中已知的用于电荷补偿的电路；
图7：最大值检测器SBI的电压曲线；
图8：共模SBI的电压曲线；
图9：根据本发明的电路的框图；以及
图10：运算放大器的输入级。
具体实施方式
在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。
图1示出了通过使用飞行时间相机进行光学距离测量的测量情况，例如从DE19704496A1中已知的。
飞行时间相机系统1包括发射单元或照明模块10和接收单元或飞行时间相机20。发射单元或照明模块10包括照明设备12和相关联的束成形光学器件15；接收单元或飞行时间相机20包括接收光学器件25和飞行时间传感器22。
飞行时间传感器22包括至少一个飞行时间像素，优选地也包括像素阵列，并且具体地被配置为PMD传感器。接收光学器件25总体上由若干光学元件构成，以便改善成像特性。发射单元10的束成形光学器件15例如可以被配置为反射器或透镜光学器件。在非常简化的实施例中，还可以省去在接收侧与发射侧两者上的光学元件。
这种布置的测量原理基本上基于以下事实：从发射光和接收光的相移开始，可以确定接收光的传播时间，因此确定接收光行进的距离。为此，光源12和飞行时间传感器22经由调制器30共同地被提供具有基相位位置的特定调制信号M0。在所示的示例中，在调制器30与光源12之间还设置移相器35，借助于该移相器35，光源12的调制信号M0的基相位/>可以按限定的相位位置/>移位。对于典型的相位测量，优选地使用相位位置/>90°、180°和270°。
根据设定的调制信号，光源12发射具有第一相位位置p1或的强度调制信号Sp1。在所示的情况下，该信号Sp1或电磁辐射被对象40反射，并且由于行进的距离而相应地以相移/>以第二相位位置/>撞击飞行时间传感器22，作为接收信号Sp2。在飞行时间传感器22中，调制信号M0与接收信号Sp2混频，其中，从所得信号确定相移或对象距离d。
此外，系统包括调制控制器27，其根据手头测量任务改变调制信号M0的相位位置和/或经由频率振荡器38调节调制频率。
优选地，照明源或光源12为红外发光二极管。当然，可以想到在其它频率范围内的其它辐射源，特别是在可见频率范围内的光源。
图2中示意性地示出了相位测量的基本原理。上曲线示出了调制信号M0的时间过程，利用该调制信号驱动照明设备12和飞行时间传感器22。由对象40反射的光根据其飞行时间tL以相移撞击飞行时间传感器22，作为接收信号Sp2。飞行时间传感器22在多个调制周期内在第一累积栅极Ga中的调制信号M0的相位位置中和在第二累积栅极Gb中的移位180°的相位位置M0+180°中累积光生电荷q。根据在第一栅极Ga和第二栅极Gb中累积的电荷qa、qb的比率，可确定相移/>并因此可确定对象的距离d。
图3示出了例如从DE19704496C2中已知的光混频检测器的像素的横截面。调制光电栅极Gam、G0、Gbm形成PMD像素的光敏区域。根据施加到调制栅极Gam、G0、Gbm的电压，分别将光生电荷q引导到一个或另一累积栅极/积分节点Ga、Gb或二极管diode_a、diode_b。积分节点可以被配置为栅极或二极管。
图3b示出了电位曲线，其中，电荷q在第一积分栅极Ga的方向上流动，而根据图3c的电位允许电荷q在第二积分节点Gb的方向上流动。电位根据所施加的调制信号来预定。根据应用，调制频率优选在1到100MHz的范围内。例如，1MHz的调制频率产生一微秒的时间周期，使得调制电位每500纳秒相应地改变。
图3a还示出了读出单元400，其可能已经是以CMOS形式配置的PMD飞行时间传感器的一部分。为电容器或二极管形式的积分节点Ga、Gb在多个调制周期内积分光生电荷。以已知的方式，然后在栅极Ga、Gb处提供的电压可以例如经由读出单元400以高阻抗分接。积分时间优选地被选择为使得对于预期的光量，飞行时间传感器或积分节点和/或光敏区域不会引起饱和。
图4示出了在相位测量期间在积分节点Ga、Gb处提供的电压Ua、Ub的典型时间特性。从复位之后在积分节点处提供的正复位电压UDRS开始，由于在积分节点Ga、Gb处的累积光电子，电压下降。根据接收信号的相移积分节点Ga、Gb处的电压下降到不同程度。在积分时间tint结束时，读出在积分节点Ga、Gb处提供的电压Ua、Ub。两个电压Ua、Ub的电压差ΔU以已知方式对应于在积分节点Ga、Gb处累积的电荷q的差Δq。积分时间tint优选地使得在通常的曝光期间没有积分节点Ga、Gb达到其饱和电位Us。对于较大的信号强度，可以提供所谓的SBI电路用于信号补偿。这种电路例如从DE102004016626A1或DE102005056774A1中已知。
图5示出了在测量期间分别在积分节点Ga、Gb和二极管a、b处提供的信号Ua、Ub的可能过程。在复位之后，在积分节点Ga、Gb处提供具有正电位的复位电压URES。在所示的示例中，电荷补偿在开始时间t0的测量开始时不应该有效。随着收集的载流子或光电子的数量的增加，积分节点Ga、Gb处的电压Ua、Ub降低。
如果积分节点Ga、Gb处的电荷在进一步的过程中没有被补偿，则积分节点Ga、Gb处的电位Ua、Ub进一步下降，如虚线所示。在所示的情况下，第二积分节点Gb在饱和时间ts达到饱和电位Usat，此后积分节点饱和，并且所提供的累积电荷或电压的相位基准丢失。当由于半导体中的电位梯度不足而不能累积另外载流子时或者当离开读出设备400的读出范围时，发生饱和。在该时间点之后确定的距离值是错误的。
为了防止或延迟这种饱和，例如从DE102005056774A1中已知，一旦一个积分节点Ga、Gb达到SBI电位限值USBI(在这种情况下在第一时间点t1)，就在两个积分节点Ga、Gb处实现电荷补偿。电荷补偿通过将补偿电流ik施加到积分节点Ga、Gb两者来执行。补偿电流ik例如可以由(Ua、Ub)的较大电位降的斜率确定，并且必要时用补偿因数k调节。
还可以优选地经由控制系统根据在积分节点Ga、Gb处提供的电变量ia、ib、Ua、Ub提供补偿电流ik。这种控制系统例如从DE102004016626A1以及特别地从DE102005056774A1已知，其在本文中以不同的变型明确提及。这种控制系统的特点在于，补偿电流ik由控制系统指定，使得首先达到SBI电位限值USBI的积分节点的电位保持恒定。
这种过程在图5中用实线示出。电荷的累积在不施加补偿电流ik的情况下如上所述最初发生。在所示的示例中，第二积分节点Gb具有最大电位降，并且首先达到SBI电位限值USBI。通过使用SBI控制系统，现在可以设置补偿电流ik，使得在该积分节点Gb处的电位基本上保持恒定。第一积分节点Ga被提供有相同大小的补偿电流ik，并因此被准过补偿，使得电位随着补偿的开始而增加。这种过补偿可以持续到第一积分节点Ga达到基本上由电路设计预先确定的基准电位Ucom。
图6示出了已从DE102005056774A1中获知的用于电荷补偿的SBI电路500的示例。优选地，SBI电路500是读出设备400的一体部分。然而，原则上，独立于读出设备400的设计也是可以想到的。在本示例中以及在以下示例中，所例示的开关或晶体管M1至M7被设计为PMOS晶体管。
当然，实施例不限于PMOS结构，而是可以特别地也被设计为NMOS结构。在电路中，仅电位分配改变。在NMOS设计中，电源电压处于负GND电位而不是正UDD电位，且参考电位处于UDD。相对于其它电位的关系相应地改变。
SBI电路500与控制晶体管M7以及第一输入晶体管M1和第二输入晶体管M2组合形成具有双输入的源极跟随器，借助于该源极跟随器驱动第一SBI电流晶体管M3和第二SBI电流晶体管M4。
在测量开始时，通常设置栅极电位，使得晶体管M1至M6闭合。控制电压US优选地已经存在于晶体管M7的栅极处。然而，没有电流流过晶体管M7，因为晶体管M1和M2仍然闭合。
晶体管M3、M4和M7的源极端子连接至电源电压UDD。在复位晶体管M5、M6的源极端子处提供复位电位URES，且可用复位开关电位URES_N来驱动栅极。
积分节点Ga、Gb的电位Ua、Ub分别连接到存储设备300，该存储设备优选地被配置为源极跟随器。另外，积分节点Ga、Gb的电位Ua、Ub也提供在SBI输入晶体管M1、M2的栅极处。
如果在测量期间积分节点Ga、Gb中的任何积分节点都未达到SBI阈值USBI，则SBI输入晶体管M1和M2以及SBI电流晶体管M3和M4保持闭合，并且不存在电荷补偿。在测量完成之后，通过施加复位开关信号URES_N，积分节点Ga、Gb经由复位开关M5、M6连接到复位电位URES，且积分节点Ga、Gb复位到该电位。
如果在积分期间，积分节点Ga、Gb中的一者处的电压Ua、Ub达到SBI阈值USBI，则SBI输入晶体管M1或M2中的一者导通，使得电流I7经由控制晶体管M7从UDD流向接地GND。具有较低栅极电位的输入晶体管M1、M2决定源极跟随器的输出电压。输出电压用于驱动两个SBI电流晶体管M3、M4，其然后准作为电流源向两个积分节点Ga、Gb提供相同大小的补偿电流ik。
当达到SBI阈值时，补偿电流ik在数量上等于较深通道或积分节点Ga、Gb的光电流，其首先达到SBI阈值。如果如图5所示，第二积分节点Gb首先达到SBI阈值USBI，则第二开关晶体管M2确定源极跟随器的输出电压，并因此确定补偿电流ik。
SBI开关阈值USBI在某些规范内是可自由选择的，并且主要取决于以下因素。
其中，US：控制电压，Uth_min_a,b：SBI输入晶体管M1、M2处的有效SBI阈值电压；n：技术相关拟合参数，UT：温度相关电压分量；I0_M3,4：跨晶体管M3或M4的转移电流。
经由SBI电流晶体管M3、M4的漏极电流ID或补偿电流ik以已知方式从下式中得出。
其中，I0：晶体管的转移电流，UGS：栅极-源极电压，Uth：阈值电压，UT：温度相关电压分量。
SBI插入阈值USBI主要由芯片设计中SBI和像素电路的尺寸确定。在准备使用状态中，可用于调节SBI阈值USBI的唯一参数基本上是晶体管M7处的控制电压US。然而，由于与其它电位的相互作用，其仅在某些限制内是可变的。US的小变化通常伴随着源电流(亚阈值区域)的大变化。这导致SBI电路的控制特性的修改，并且特别针对大像素矩阵，由于漏极电流I7的增加而可能导致总电流消耗的不可接受的增加。因此，经由控制电压US对SBI阈值USBI的调节仅在小限制内是合理可能的。
典型地，SBI电路被设计为最大值检测器，如前所述，或者被设计为共模SBI，并且通常包括通常有限的外来光电流范围。
根据本发明的背景光抑制电路或SBI电路结合了最大值检测器以及共模两种功能，并显著扩展了所用可切换电流源的外来光电流范围。
根据本发明的SBI电路尤其适用于不同的外来光情况，从很少的外来光到直接的外来光，因此也可以在困难的操作条件下使用，例如在短距离处直接的外来光照射。
图7和图8示出了对于最大值检测器操作(图7)和共模操作(图8)的两个二极管节点diode_a和diode_b处的电压特性。
如图9所示的根据本发明的SBI电路的优点在于，运算放大器OP可以用于最大值检测器和共模操作。两个功能之间的切换通过切换输入级50中的运算放大器OP的输入晶体管或输入开关SE来完成。这消除了对两个单独电路的需要，因此减少了芯片上所需的空间和电流消耗。
另外，所提出的SBI电路具有宽动态范围，因为其适合于由于可切换电流源SQ引起的高和低外来光电流两者。
通过切换SBI电流源SQ，可以选择对应的电流范围。另外，SBI电路可通过外部信号在最大值检测器与共模操作之间切换。
最大值检测器操作的可能的外来光电流范围是固定的，并且例如位于1nA至1μA之间。
在共模操作中，可以通过改变电流源来改变电流范围。例如，可提供低电流源SQ2a用于50nA至10μA的电流范围，且可提供高电流源SQ2b用于1μA至100μA的范围。
而且，由于不同的电流范围，电流源晶体管的不同尺寸是有利的。对于低电流，栅极应优选地设计为具有小宽度和较大长度。这种尺寸设计防止晶体管进入亚阈值区域。
对于较大的电流，宽度应较大，而栅极长度应较小，以便防止晶体管在低操作电压下达到饱和。同时，运算放大器OP对晶体管的控制和控制回路的稳定性必须考虑到所有的电流范围。
如图9所示，SBI电路500总体上由三个部件构成，即输入级50、运算放大器OP和具有可切换电流源SQ1、SQ2a和SQ2b的SBI电流源SQ。
输入级50包括两个复位开关SR，优选地包括两个PMOS开关，当SBI电路500处于复位模式时，该两个PMOS开关将两个二极管节点diode_a和diode_b拉至限定的复位电压vreset。
如果激活共模操作，如图9所示，则经由输入级中的两个电容从两个二极管电压diode_a和diode_b导出共模电压Vcm，且经由两个共模开关SVcm将其均匀地转发到运算放大器OP的输入p_a和p_b。
如果选择了最大值检测器操作，则激活两个旁路晶体管/开关SBP，其将二极管电压diode_a和diode_b分别切换到运算放大器的输入p_a和p_b。在这种情况下，共模开关SVcm是断开的。
运算放大器OP用于生成控制所需的环路增益并驱动SBI电流源SQ。OPV的输入p_a和p_b通过输入级的开关选择性地切换到共模或单独的二极管电压diode_a和diode_b。
运算放大器OP优选地设计为具有差分输入级的折叠共源共栅运算放大器。OP电路具有内部共模反馈(CMFB)，其驱动运算放大器的折叠共源共栅级的电流源，并因此控制共模。
运算放大器OP的输出级优选地由PMOS源极跟随器构成，该PMOS源极跟随器驱动SBI电流源SQ1、SQ2的栅极，从而相应地调节SBI电流I_sbi_a和I_sbi_b。
运算放大器OP的偏压的生成优选地在外部在单独的偏置块中完成。这允许同时偏置几个SBI，这进一步减少了所需的面积和电流消耗。
SBI电流源SQ包括用于最大值检测器操作的SBI电流源SQ1和用于共模操作的SBI电流源SQ2a和SQ2b，其为二极管diode_a、diode_b提供补偿电流I_sbi_a和I_sbi_b，并因此补偿外来光电流。
电流源SQ1，SQ2a、SQ2b的栅极由运算放大器(PMOS源极跟随器)的输出级驱动，由此确定电流源的补偿电流I_sbi_a、I_sbi_b。
由于不同应用所需的电流要求，对于最大值检测器SBI和共模SBI使用不同的电流源，其在栅极尺寸和电流输出方面不同。对于最大值检测操作，通常考虑TOF应用。共模操作优选地适合于具有或不具有并行TOF操作的三角测量应用。
共模SBI的电流源SQ2a和SQ2b可以根据情况(低或高外来光)在用于低外来光情况的低电流源SQ2a的小电流源阵列与用于高外来光情况的高电流源SQ2b的大电流源阵列之间切换。
对于最大值检测器操作，通常不为电流源SQ1提供这种切换，因为在此外来光电流通常低得多。
在断电/切断或待机模式中，优选地通过经由开关Soff将栅极切换到操作电压VDD来使电流源(PMOS)断电，使得仅有低泄漏电流流动。具有低泄漏电流的另外的PMOS开关S将未使用的电流源与二极管节点diode_a和diode_b隔离，使得在最大值检测器与共模SBI之间没有不期望的耦合发生。
在此提出的SBI电路优选地还具有比较器(在此未示出)，其监测电流源的共模电压Vcm或栅极电压Gate_cs，并因此指示SBI电路何时有效。用于比较器的参考电压在外部在单独的块中生成。
利用这种架构，实现了最鲁棒、低噪声和灵活的SBI电路，其具有宽动态范围，并且即使在困难的操作条件下也能够输送高电流。同时，该电路的特征在于低电流消耗和低SBI不对称性。
另一方面是运算放大器的差分输入级的电路。如图10所示，输入级由四个晶体管N1-N4构成，其中两个交叉连接(输入pa和pb)。
这四个晶体管形成差分输入级的一个支路。另一支路由晶体管N5构成，其栅极连接到给定SBI阈值电压vsbi。取决于操作模式(共模或最大值检测器)，输入pa和pb一起连接到导出的共模Vcm，或者单独连接到二极管电压diode_a和diode_b。借助于这四个晶体管的交叉耦合，实现了输入级的高对称性，这最终导致电路的低输入偏移。其先决条件是这种对称性也相应地在布局中实现。
附图标记列表
1飞行时间相机系统
10照明设备、发射器
20接收器、飞行时间相机
12光源
22飞行时间传感器
30调制器
传播时间有关的相移
相位位置
基准相位
M0调制信号
p1第一相位
p2第二相位
Sp1具有第一相位的发射信号Sp2具有第二相位的接收信号Ga、Gb积分节点
Ua、Ub积分节点处的电压
d对象距离
300存储设备
400读出电路
500SBI电路、电荷补偿设备Ucom基准电位
USBI SBI阈值
URES复位电压
URES_N复位开关电位
UDD电源电压
US控制电压
Uth阈值电压
Usat饱和电位
M1..开关/晶体管
M1、M2 SBI输入晶体管
M3、M4 SBI电流晶体管
M5、M6复位开关
M7控制晶体管
M8、M9保持晶体管。

Claims (8)

1.一种用于飞行时间传感器(22)的背景光抑制电路(SBI，500)，所述飞行时间传感器根据相位测量原理来操作并且其飞行时间像素包括用于累积电荷的积分节点或二极管(Ga、Gb、diode_a、diode_b)；
包括输入级(50)、运算放大器(OP)和SBI电流源(SQ)，
其中，所述输入级(50)包括旁路和共模开关(SBP、SVCm)，所述积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)的信号经由所述旁路和共模开关供给到所述运算放大器(OP)，并且所述运算放大器(OP)经由所述旁路和共模开关能够切换到最大值检测操作或共模操作，
其中，所述运算放大器(OP)被配置使得，基于经由所述输入级(50)切换到所述运算放大器(OP)的所述积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)的所述信号来生成用于所述SBI电流源(SQ)的栅极电压(gate_cs)，
其中，所述SBI电流源(SQ)包括用于所述最大值检测操作的第一电流源(SQ1)以及用于所述共模操作的第二电流源和第三电流源(SQ2a、SQ2b)，
其中，所述电流源(SQ1、SQ2a、SQ2b)可经由开关(S)连接至积分节点(Ga、Gb、diode_a、diode_b)。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第二电流源(SQ2a)被配置为低电流源，并且所述第三电流源(SQ2b)被配置为高电流源。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述运算放大器包括差分输入级以及由连接至SBI阈值电压(vsbi)的晶体管(N5)构成的第二支路，
其中，根据操作模式，输入pa和pb共同连接到共模电压(Vcm)或者单独连接到二极管电压(diode_a、diode_b)。
4.一种飞行时间像素，包括根据前述权利要求中任一项所述的背景光抑制电路(500)。
5.一种飞行时间传感器，包括根据权利要求1至3中任一项所述的电路或者包括多个根据权利要求4所述的飞行时间像素。
6.一种飞行时间相机，包括根据权利要求5所述的飞行时间传感器。
7.根据权利要求6所述的飞行时间相机，其被配置用于TOF操作以及组合的TOF和三角测量操作，
其中，在所述最大值检测操作以及所述共模操作中的所述TOF和三角测量操作中发生所述TOF操作中的背景光抑制。
8.根据权利要求7所述的飞行时间相机，其被配置使得，在所述共模操作中，根据入射在所述飞行时间传感器上的外来光来实现所述第二电流源与所述第三电流源(SQ2a、SQ2b)之间的切换。
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