CN1759530A - 对密集的已调制信号进行解调的电路、装置和方法 - Google Patents

Abstract

可以用多个像素1来检测其调制幅度和时间相位依赖于局部位置的已调制光辐射场(I)。每个像素1包括：将进来的光(I)转换为成比例的电信号的转换级(T)、采样级(S)、两个减法级和两个加法级(SUB1，SUM1；SUB2，SUM2)，以及输出级。每个像素可以被分别寻址。以四倍于波场的调制频率的频率对光辐射场(I)进行局部感测和采样。减法/加法级(SUB1，SUM1；SUB2，SUM2)在几个平均周期期间累加了在每个调制周期内相距二分之一个周期的两个采样值的差值；该两级彼此相对时移四分之一个周期。所得到的两个输出信号用于确定局部包络幅度和时间相位。这些像素1可以用电能消耗很少和面积很小的电路来实现，能够以线性或二维阵列传感器的方式实现大量像素。

Description

对密集的已调制信号进行解调的电路、装置和方法

技术领域

本发明通常涉及所有依赖于时间调制信号的传感与测量技术，优选涉及光辐射场，其幅度和相位的局部变化必须被作为时间的函数来测量。特别地，本发明涉及所有需要密集的对幅度和相位敏感的解调像素的一维或二维阵列的传感与测量技术。这些技术包括光学相干层析技术(OCT)成像，飞行时间(TOF)范围成像和多重波干涉测量技术。

背景技术

已知许多光传感和测量技术，它们是基于时间调制的光辐射场，该光辐射场的局部幅度和相位作为时间的函数变化。这些技术要求以空间和时间的方式来解决幅度和相位的确定即所谓的已调制辐射场的解调的问题。虽然存在能为单个测量光点提供这种解调功能的几种电路和数字信号处理算法，但是这些解决方案没有一个能使解调光传感器集成为密集的、大规模并行和可靠运行的阵列。

标准的AM解调由对输入信号进行带通滤波、检波、以及低通滤波组成。众所周知这个技术用于AM收音机。它的缺点是对于10KHz以下的频率需要大的RC常数，这与小的像素尺寸和新的CMOS制程不兼容。

通过将一条路径上的输入信号与振荡器信号(其与载波频率相匹配)相乘以及将第二路径上的输入信号和振荡器相移了90度的信号相乘的直接检测，能够检测幅度和相位。但是与每个像素的可用功率(一般几μW)相比，信号相乘复杂并且消耗功率，因此不适于在像素场中大规模并行集成。

基于过采样输入信号，公知几种数字解调技术。根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须大于输入信号带宽的两倍。数字信号解调算法通常太复杂以至于不能在一个像素内实施(超过50个晶体管)。下面未穷尽的列表给出了对数字解调技术的概览。

·一种广泛使用的方法应用离散傅立叶变换，在反变换之前除去负频率和零频率分量并使频谱重新回到中心位置。这种方法在1990年opt.Lett.15，第579-581页S.S.C.chim和G.S.Kino的“相关显微镜”中有描述。

·如果以四倍于输入信号的调制频率的频率对输入信号进行采样，已知有各种用于局部包络检波的算法。这在1996年J.Opt.Soc.Am.13，第832-843页K.G.Larkin的“白光干涉测量法中包络检测的有效非线性算法”中可以找到评价。但是所有这些都必须具备乘法，因此在节能的像素结构中不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种电路，使用该电路，可以为解调目的，检测到被以空间和时间的方式解决的时间已调制信号的幅度和相位，而且这种技术没有现有技术的缺点。这些电路在考虑到半导体制程的制造容差的前提下，由于它们紧凑的尺寸、低的电能消耗、驱动的简化、独立信号预处理能力和的运行的鲁棒性可以以密集的一维或二维阵列的方式集成。本发明的又一目的是提供一维或二维阵列的传感器和装置，用于空间和时间的解决已调制信号的解调问题。本发明的再一目的是提供一种检测已调制信号的方法。这些和其它目的是通过独立权利要求中限定的电路、阵列传感器、装置以及方法实现的。优选的实施例则限定在从属权利要求中。

本发明将包络检测分为两个不同的任务：

(i)用于像素内集成的低功耗数据压缩部分，以及

(ii)最后的幅度和相位的再现，其包括乘法，如果约束条件允许则能在像素内完成，或者在像素外完成，或者甚至根据需求能在芯片外完成。

根据本发明的电路执行上述两个已确定任务的第一个任务(i)。以四倍于输入信号的调制频率的频率感测输入信号并进行采样。多个减法/加法级在几个平均周期期间累加了在每个调制周期内相距二分之一个周期的两个采样值的差；这两级彼此之间相对时移调制周期的规定或预定的分数，优选时移四分之一个调制周期。所得到的两个输出信号用于确定第二任务(ii)中的局部包络幅度(local envelope amplitude)和时间相位(temporal phase)，它们代表在平均周期上的均值。这些电路能用消耗很少功率和需要很小面积的电路来实现，从而可以以线性或二维阵列传感器的方式实现大量像素。

因此，本发明的用于检测已由调制频率调制的信号的电路，调制周期被定义为该调制频率的倒数，包括：转换装置(transduction means)，用于将已调制信号转换为电信号，采样装置，使用等于该调制频率四倍或多倍的采样频率对所述电信号进行采样，第一减法装置，用于计算相距二分之一个调制周期的两个第一采样值之间的第一差值，以及第二减法装置，用于计算相距二分之一个调制周期的两个第二采样值之间的第二差值，所述第二采样值相对所述第一采样值时移调制周期的规定分数，优选时移四分之一个调制周期。该电路还包括：第一加法装置，用于计算由所述第一减法装置计算的多个连续的第一差值的第一总和，以及第二加法装置，用于计算由所述第二减法装置计算的多个连续的第二差值的第二总和。

根据本发明的一维或二维阵列传感器包括：多个像素，其中至少一个像素优选每个像素包括根据本发明的电路。

本发明的用于已调制信号的解调的装置包括：检测装置，用于检测已调制信号，以及计算装置，用于根据所述检测装置的输出计算包络幅度和/或时间相位。所述检测装置包括本发明的电路(1.11-1.nm)。

该检测已由调制频率调制的信号的方法，调制周期被定义为该调制频率的倒数，该方法包括以下步骤：将已调制信号转换为电信号，使用等于调制频率四倍或多倍的采样频率对所述电信号进行采样，计算相距二分之一个调制周期的两个第一采样值之间的第一差值，以及计算相距二分之一个调制周期的两个第二采样值之间的第二差值，所述第二采样值相对所述第一采样值时移调制周期的规定分数，优选时移四分之一个调制周期。计算多个连续的第一差值的第一总和，以及计算多个连续的第二差值的第二总和。

采样信号之间的相移不必精确为调制周期的四分之一。处理非均匀采样栅格选取调制的幅度和相位的数学上的正确值的数学方法是公知的(比照1984年J.计算物理56，第272-286页A.B.Cain，J.H.Ferziger和W.C.Reynolds的“使用快速傅立叶变换的对非均匀栅格的离散正交函数扩展”)

根据本发明的电路能用于任何输入信号，例如电磁波、超声波或化学信号。然而，下面本发明讨论光信号的示例。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明的实施例如下。

图1示出根据本发明的解调像素的方框图；

图2示出根据本发明将光子转换为相应的电压的转换级的电路图；

图3示出图2所示的转换级的变化，在该转换级中已增加存储节点；

图4示出在根据本发明的解调像素中具有改善偏移补偿的转换级的电路图；

图5(a)-(c)示出在根据本发明的解调像素中三种类型的采样级：(a)开关，(b)NMOS开关，(c)传输门；

图6示出根据本发明的漂移场调制像素的截面；

图7示出根据本发明的锁定像素的截面；

图8示出包含减法级和加法级的电路的电路图；

图9示出在根据本发明的解调像素中读出级的电路图；

图10为根据本发明的二维阵列传感器的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电路1或解调像素的方框图。电路1包括转换级T、采样或采样和保持级S、两个减法级SUB1和SUB2、两个加法级SUMl和SUM2、信号预处理级PP和读出级RO。在采样级S之后，信号路径被分为两个通道21，22：第一通道21，包括第一减法级SUB1，以及在第一减法级后面的第一加法级SUM1；第二通道22，包括第二减法级SUB2，以及在第二减法级后面的第二加法级SUM2。

在转换级T中感测输入信号I，该输入信号I优选是光辐射场，并将输入信号I转换为任一种电信号(例如S.Bourquin和P.Seitz在美国专利No.6,469,489的示例中描述的电荷、电压或电流)。转换级T可以具有近似的或准确的偏移补偿、非线性的信号压缩或两者兼有。由于输入信号可以具有较大的直流偏置，该直流偏置载有解调处理的无用信息，偏移补偿和信号压缩增加了检测系统的动态范围。

采样级S以四倍于调制频率f的频率对电信号S进行采样：

S_i＝S(t_i)，

这里

t_i＝i/4f。

这可以通过开关或类似的器件来实现。最简单的情形是，开关是用于控制电压或电流信号的单场效应晶体管(FET)或用于控制电荷信号的电荷耦合器件(CCD)栅。漂移场解调像素(参照专利申请No.GB-0214257.8)或使用锁定原理的像素(参照WO-96/15626)可以替代转换级T和采样级S。

减法级SUB1、SUB2确定相距二分之一个调制周期的两个采样值之间的差值。两个减法级SUB1、SUB2彼此之间相对时移四分之一个周期。它们的信号d_k ^I和在d_k ^II由以下公式给出：

对于SUB1 $d_k^I=S_{4k+2}-S_{4k}$ 以及

对于SUB2 $d_k^{\mathrm{II}}=S_{4k+3}-S_{4k+1}$

每个减法级SUB1和SUB2分别跟有它的相应的加法级SUM1和SUM2。

加法级对一定数目N个差值求和。

$a^j=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}=d_k^j,$

这里对于SUM1和SUM2分别有j＝I，II。加法级SUM1、SUM2可以具有非线性信号压缩功能，以增加检测系统的动态性。

预处理级PP允许某些附加的功能例如计算两个总和信号之比或它们的平方和等等集成在一起。如果需要，还可以包括第二采样和保持级。预处理级PP也可以被直接通过(passthrough)。

读出级RO用于将信号从预处理级PP中读出。它可以支持并行的或串行的数据传输。还可以包括第三采样和保持级，以使读出定时独立于减法级和加法级SUB、SUM的同步运行，读出级优选设计为随机寻址。

所有级被同步于调制频率f或调制频率的倍数或调制频率的分数。

下面，讨沦T、S、SUB、SUM、PP、RO等像素级的电路的优选实施例。

图2示出将光子I转换为相应电压的转换级T的实施例。将接地电压VSS和电源电压VDDA供给该电路。光电二极管PD是光子感测元件并具有内部电容Cpd。吸收的光子在正性预充电电容(positively precharged capacitance)上产生负电荷，导致电压降。所得到的电压被源极跟随器(单位增益，高输入阻抗，低输出阻抗)放大，该源极跟随器由两个P沟道MOS晶体管MP2和MP3形成，这里MP3是电流源。MP3栅极的偏置电压vbias限定了源极跟随器使用的电流。转换级T的输出线由T_out表示。为减去直流偏移量，光电二极管被n沟道MOS晶体管MN1在一定时间后复位到固定电压vreset。光电二极管复位信号rspd控制晶体管MN1。

转换级T能够通过存储节点SN(storage node)而增强，该存储节点SN能减小源极跟随器的带宽以及后面电路的带宽，从而减小系统的噪声。此改进的转换级的实施例参见图3。n沟道MOS晶体管Mstore和Mrsstore用作开关，分别由它们的栅极电压store和rsstore来控制。在复位光电二极管PD之前，开关Mstore再次被闭合和开启，以光电二极管PD上的电压采样到电容器Cstore上。储存在Cstore上的电压被源极跟随器MP2、MP3放大。然后，开关Mrsstore再次闭合和开启，因而将Cstore上的电压复位到电压vreset.

转换级T的进一步改进改善了偏移补偿：电流源MP5和光电二极管PD串联连接，该电流源MP5引入与通过光电二极管PD光生的直流电流(photogenerated DC)相等的电流。图4示出一种可能的实现方式。以下两种操作模式是可能的：

·已校准的电流补偿：晶体管MP4用作开关。当开关MP4闭合时，电流源MP5起前向偏置的二极管的作用，因此补偿电流与光生电流精确匹配。当开关MP4再次开启时，经过MP5的电流独立于光电流的变化。

·低通滤波的电流补偿：晶体管MP4用作电阻，从而与晶体管MP5的栅电容一起形成低通滤波器。可能需要额外的电容器以适应这个滤波器的截止频率。电流源MP5产生补偿电流，其与高于该滤波器的截止频率的频率的光电流变化无关。

通过选择适当的MP4的栅极电压rsoc来选择模式。

晶体管MP6是一个附加的开关，其可以使改善的偏移补偿关断。电压ocswi控制开关MP6。

采样级S可以由简单的开关构成，例如，如图5(a)、5(b)和5(c)所示的多个NMOS开关或多个传输门，或者它可以包含储存节点。附加的储存节点可以进行采样和保持操作。

转换级T与采样和保持级S可以合并在一个器件例如如图6所示的漂移场调制像素或如图7所示的锁定像素中。这些类型的像素在专利申请No.GB-0214257.8和WO-96/15626中有描述，通过援引将该申请的全部内容合并在此。

图8示出减法级SUB1或SUB2和分别分配给它们的加法级SUM1或SUM2的其中一个的实现方式。相位1和相位2是不重叠的反相时钟。在相位1期间，将与一电压差成正比的电荷储存到电容器Csub上，该电压差是采样信号的第一采样值与参考电压vref之间的电压差。在相位2期间，将与一电压差成正比的电荷储存，该电压差是采样信号的下一个采样值与跨导运算放大器(OTA)的负输入端的电压(近似为vref)之间的电压差。重复这个过程一定的次数。因而这级的输出信号与电压差的总和成正比。

预处理级PP的例子包括计算加法级信号平方和的信号平方级，

e＝(a^I)²+(a^II)²，

或计算它们比值的级

q＝a^I/a^II。

这种电路原本是从关于半导体电路的标准教科书上得知的。

图9示出对于一个信号RO_in具有存储节点的读出级的实施例。信号RO_in经过开关Mstore被采样，而进入读出存储节点RSN。该读出存储节点RSN的电容增加了MOS电容MC而降低了噪声。当闭合读开关Mrd时，由MOS晶体管Mfollow和Mcs构成的源极跟随器在像素外驱动该信号。

图1所示的多个电路1.11、1.12、…1.1m；…1.nm可以堆叠在如图10所示一维或二维阵列中。每个电路1.11-1.1m包括光电二极管和电路C，该电路C由参照图1描述的级S、SUB、SUM、PP和RO构成。因此，电路1.11-1.nm形成阵列传感器的多个像素，该阵列传感器本身是根据本发明的用于已调制信号解调的装置10的一部分。装置10包括列地址解码器CAD和行地址解码器RAD，用以通过指定相应的列地址CA和行地址RA来逐一选择电路。地址解码器CAD、RAD用于将每个电路1.11-1.nm的输出顺序地读出。它们的电路原理图是已知的技术，因此这里不再描述。

地址解码器CAD后面跟随计算装置EV，用于根据这些电路的输出在片上计算包络幅度和/或时间相位。这种计算装置EV是众所周知的。如果在片外完成对该包络幅度和时间相位的计算，则可以省略该计算装置EV。最后，输出放大器OA在输出线OL上产生一装置输出信号。

应该注意到，在根据本发明的二维传感器中，电路1.11-1.nm可以被布置成除如图10所示的行和列之外的不同方式。任何一种布置都落入本发明的范围内。

本发明不局限于上述描述的优选实施例，在不脱离本发明的保护范围情况下，可进行各种改进和改型。

附图标记列表：

1                               电路

10                              装置

21                              第一通道

22                              第二通道

CA                              列地址

CAD                             列地址解码器

EV                              计算装置

I                               输入信号

OA                              输出放大器

OL                              输出线

OTA                             跨导运算放大器

PD                              光电二极管

PP                              预处理级

RA                              行地址

RAD                             行地址解码器

RO                              读出级

RSN                             读出存储节点

S                               采样级

SN                              存储节点

SUB1，SUB2                      减法级

SUM1，SUM2                      加法级

T                               转换级

VDDA                            供电电压

VSS                             接地电压

Claims (13)

1、一种用于检测已由调制频率调制的信号(I)的电路(1)，调制周期被定义为该调制频率的倒数，包括：

转换装置(T)，用于将已调制信号(I)转换为电信号，

采样装置(S)，使用等于该调制频率四倍或多倍的采样频率对所述电信号进行采样，

第一减法装置(SUB1)，用于计算相距二分之一个调制周期的两个第一采样值之间的第一差值，以及

第二减法装置(SUB2)，用于计算相距二分之一个调制周期的两个第二采样值之间的第二差值，所述第二采样值相对所述第一采样值的时移为调制周期的规定分数，优选该分数为四分之一，

其特征在于，

第一加法装置(SUM1)，用于计算由所述第一减法装置(SUB1)计算的多个连续的第一差值的第一总和，以及

第二加法装置(SUM2)，用于计算由所述第二减法装置(SUB2)计算的多个连续的第二差值的第二总和。

2、根据权利要求1所述的电路(1)，其中所述转换装置(T)包括光电二极管(PD)和优选的源极跟随器(MP2，MP3)，用于放大所述光电二极管的电输出信号。

3、根据权利要求2所述的电路(1)，其中存储节点(SN)设置在所述光电二极管(PD)和所述源极跟随器(MP2，MP3)之间。

4、根据权利要求2或3所述的电路(1)，其中电流源(MP5)串联连接于所述光电二极管PD，所述电流源(MP5)用于引入与通过所述光电二极管(PD)光生的直流电流相等的电流。

5、根据前述任一权利要求所述的电路(1)，其中所述采样装置(S)包括至少两个开关和/或一个存储节点。

6、根据权利要求1所述的电路(I)，其中所述转换装置(T)和所述采样装置(S)被合并在一个单元例如漂移场调制像素或锁定像素中。

7、根据前述任一权利要求所述的电路(1)，还包括预处理装置(PP)，用于对所述第一加法装置和第二加法装置(SUM1，SUM2)计算出的所述第一总和、第二总和分别进行预处理，例如，用于计算所述第一总和与第二总和的平方和，或用于计算所述第一总和与第二总和之比。

8、根据前述任一权利要求所述的电路(1)，还包括读出装置(RO)，用于将所述电路(1)的输出信号读出。

9、一种一维或二维阵列传感器，包括多个像素(1.11-1.nm)，

其特征在于，

所述像素(1.11-1.nm)中至少一个，优选每个包括根据前述任一权利要求所述的电路。

10、一种用于已调制信号(I)的解调的装置(10)，包括：

检测装置，用于检测已调制信号(I)，以及

计算装置(EV)，用于根据所述检测装置的输出计算包络幅度和/或时间相位，

其特征在于，

所述检测装置包括根据权利要求1-8中任一项所述的电路(1.11-1.nm)。

11、根据权利要求10所述的装置(10)，其中所述检测装置包括具有并行输出的多个像素(1.11-1.nm)，所述像素(1.11-1.nm)中至少一个，优选每个包括根据权利要求1-8中任一项所述的电路，以及其中所述装置(10)还包括至少一个用于分别读取每个电路(1.11-1.nm)的片上地址解码器(CAD，RAD)。

12、一种检测已由调制频率调制的信号(I)的方法，调制周期被定义为该调制频率的倒数，该方法包括以下步骤：

将已调制信号(I)转换为电信号，

使用等于调制频率四倍或多倍的采样频率对所述电信号进行采样，

计算相距二分之一个调制周期的两个第一采样值之间的第一差值，以及

计算相距二分之一个调制周期的两个第二采样值之间的第二差值，所述第二采样值相对所述第一采样值时移调制周期的规定分数，优选该分数为四分之一，

其特征在于，

计算多个连续的第一差值的第一总和，以及

计算多个连续的第二差值的第二总和。

13、根据权利要求12所述的方法，其中在使用所述第一总和、第二总和来计算已调制信号(I)的包络幅度和/或时间相位之前，对所述第一总和与第二总和进行预处理，例如，计算所述第一总和与第二总和的平方和，或所述第一总和与第二总和之比。

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