EP2783466A1 - Dispositif imageur comprenant un circuit de conversion analogique-numérique par injection de charges en quantité variable en fonction du nombre d'injections précédentes - Google Patents

Dispositif imageur comprenant un circuit de conversion analogique-numérique par injection de charges en quantité variable en fonction du nombre d'injections précédentes

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EP2783466A1
EP2783466A1 EP12784280.5A EP12784280A EP2783466A1 EP 2783466 A1 EP2783466 A1 EP 2783466A1 EP 12784280 A EP12784280 A EP 12784280A EP 2783466 A1 EP2783466 A1 EP 2783466A1
Authority
EP
European Patent Office
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counter
charges
analog
digital conversion
value
Prior art date
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Ceased
Application number
EP12784280.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Luc Moro
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trixell SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Trixell SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Trixell SAS, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Trixell SAS
Publication of EP2783466A1 publication Critical patent/EP2783466A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/34—Analogue value compared with reference values
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/18—Automatic control for modifying the range of signals the converter can handle, e.g. gain ranging
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
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    • G01J1/18—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void using electric radiation detectors using comparison with a reference electric value
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
    • H—ELECTRICITY
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    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/60—Analogue/digital converters with intermediate conversion to frequency of pulses

Definitions

  • the invention lies in the field of imaging devices comprising a detector generating electric charges upon receipt of a photon flux, and reading means for quantifying the amount of electrical charges generated. It relates to an analog-digital conversion circuit forming such reading means.
  • the imaging devices concerned can in particular be made in CMOS technology and be intended for imaging, for example X-ray or gamma radiological imaging or visible or infrared imaging.
  • An imaging device generally comprises a matrix of pixels and reading means. Each pixel comprises at least one photosensitive element generating electric charges in proportion to the quantity of photons received. These electric charges, also called photocharges, are processed by the reading means in order to provide information representative of the quantity of photons received by each photosensitive element.
  • the reading means can be made in CMOS technology, which allows their integration in each pixel.
  • the means for reading a pixel consist for example of an analog-to-digital conversion circuit called "charge injection”, which corresponds to the English term “charge feedback digital to analog convertor”.
  • charge injection analog-to-digital conversion circuit
  • load balancing load balanced circuit
  • a charge-coupled analog-to-digital conversion circuit comprises at least an integration capacitor, a comparator, a counter-charge injection circuit, and a counter.
  • the integration capacity is connected by one of its electrodes to the photosensitive element of the pixel in question. During an exposure phase of the photosensitive element under consideration, the latter converts the photons into electron-hole pairs. Electrical charges, electrons or holes, are collected by an electrode of the detector, then accumulate at the terminals of an integration capacitance, which causes a voltage variation across the capacitance.
  • An input of the comparator is connected to the integration capacity collecting the electrical charges. The comparator compares the potential at this input, called the detection potential, with a threshold value.
  • the output signal of the comparator switches from a first state to a second state.
  • Each switch causes the incrementation of the counter and the injection of a quantity QO of counter-charges on the electrode of the integration capacitor in order to compensate for the charges generated by the photosensitive element. If the quantity QO of counter-charges is correctly calibrated, the detection potential again crosses the threshold value, and the output signal of the comparator switches from the second state to the first state. The switching of the output signal of the comparator and the injection of counter-charges are repeated a certain number of times depending on the total amount of charges generated by the photosensitive element.
  • the number of counter-charge injections necessary to balance the detection potential thus makes it possible to give a numerical value representative of the total amount of charges generated by the photosensitive element during a given integration time.
  • a disadvantage of this charge-coupled analog-to-digital conversion circuit is that it can only be adapted to a relatively limited range of photon doses received by the photosensitive member. Indeed, in order to allow the precise quantification of low doses of photons, the quantity QO, which corresponds to the least significant bit of the value coded by the counter, must be relatively small. However, when the quantity QO is relatively small, many injections must be made to be able to quantify a large dose of photons. Thus, the counter must have a large number of bits (16 bits for example) to be able to count all the injections.
  • the photon flux is subjected to an intrinsic noise according to a Poisson law.
  • the noise of the electric current generated by the photons is proportional to the square root of the number of photons received.
  • the flux of photons can vary enormously, for example in a ratio of the order of 1 to 10 4 . Consequently, if the quantity Q0 is calibrated so as to correspond substantially to the most low dose can be received by the photosensitive member, then a large amount of charges generated by the photosensitive member is encoded with a noise equal to several tens of times the amount Q0. In other words, the quantity of charges is digitized with a precision much greater than the noise, which means that several bits of the counter are used unnecessarily.
  • the patent application EP 1860778 A1 proposes a charge-coupled analog-to-digital conversion circuit in which the quantity Qc of counter-charges of each injection is modulated as a function of the photon flux, in this case as a function of the electric current generated. by this flow of photons.
  • Control means are used to modulate the quantity Qc and to control a switch so as to increment the counter by a number of units depending on this quantity Qc. More precisely, the switch is controlled to increment the counter by a number of units. units equal to the multiple of the quantity of elementary counter-charges Q0. The accuracy of the digitization is therefore adapted to the detected photon fluxes.
  • the order of magnitude of this accuracy is easily determined by the greater quantity Qc of counter-charges injected during a given integration time.
  • the analog-to-digital conversion circuit described in this patent application has the drawback of requiring an input switch of the counter, as well as relatively complex control means.
  • the counter in order to allow the digitization of photon doses over a wide range, the counter must always be as deep as that of the conversion circuit described above.
  • An object of the invention is in particular to overcome all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention aims in particular to provide an analog-to-digital conversion circuit by counter-charge injection which is of simple design, and in which the counter of the number of counter-charge injections comprises a reduced number of bits while allowing digitize varying amounts of electrical charges with precision high for small amounts of electrical charges.
  • the subject of the invention is an analog-digital conversion circuit for an imaging device comprising a detector generating electric charges under the effect of an incident photon radiation, the electric charges causing a variation of a potential of integration on an integration node, the analog-to-digital conversion circuit comprising:
  • ⁇ a comparator adapted to switch according to the comparison between the integration potential and a predetermined threshold potential
  • ⁇ a counter connected to an output of the comparator and incrementing each comparator tilting
  • ⁇ means for controlling the charge-injection circuit against determining the quantity Qc against load-injected
  • the analog-to-digital conversion circuit being characterized in that the control means determine the quantity Qc of counter-charges injected as a function of a value of the counter. According to a particular embodiment, the control means are configured to vary the quantity Qc each time the value of the counter reaches one or more predetermined threshold values.
  • the counter may comprise a predetermined number of bits, in which case each predetermined threshold value corresponds, for example, to the first switching of one of the bits of the counter.
  • the quantity Qc of counter-charges injected is for example doubled each time the value of the counter reaches a predetermined threshold value.
  • the counter-charge injection circuit may comprise a plurality of counter-charge injectors each capable of injecting a predetermined quantity of counter-charges.
  • the counter-charge injectors are each able to inject the same quantity QO of counter-charges, the quantity Qc of each injection of counter-charges on the integration node varying by the selection of one or more injectors of counter-charges.
  • the counter-charge injectors are each capable of injecting a different quantity of counter-charges, the quantity Qc of each injection of counter-charges on the integration node varying by the selection of the one of the injectors of counter-charges.
  • the invention also relates to an imaging device comprising a detector generating electric charges under the effect of incident photon radiation, the electrical charges causing a variation of a detection potential on an integration node, and a circuit analog-to-digital conversion as previously described.
  • the invention has the particular advantage that it reduces the size of the counter while maintaining a precision in the same order of magnitude as the amount of noise to which the flow of photons is subjected, regardless of the amount of photons received.
  • FIG. 1 shows the electrical diagram of a pixel in a first embodiment of an imaging device according to the invention
  • FIG. 2 shows the electrical diagram of a pixel in a second embodiment of an imaging device according to the invention.
  • FIG. 1 represents the electric diagram of a pixel 10 in a first exemplary embodiment of an imaging device according to the invention.
  • the imaging device may comprise a plurality of pixels organized in line or in matrix. Each pixel forms a photosensitive point of the device imager.
  • the pixel 10 comprises a photosensitive element 11 and an analog-digital conversion circuit 12.
  • the photosensitive element 11 forms a pixel detector. It is for example formed by a photodiode, a phototransistor or, more generally, by any device generating electrical charges depending, for example proportionally, the amount of photons it receives.
  • the photons considered have for example a wavelength in the visible range, infrared, X-rays or gamma rays.
  • the analog-digital conversion circuit 12 is of the so-called "charge injection” type. It comprises an integration capacitor 121, a comparator 122, a counter 123, a counter-charge injection circuit 124 and control means 125.
  • the integration capacitor 121 is connected by one of its electrodes to the photosensitive element 1 1 and its other electrode to a reference potential, for example the electrical mass of the imaging device.
  • the point of connection between the photosensitive element 11 and the integration capacitor 121 is called the integration node A and the potential at this point is called the integration potential Va.
  • This node is also connected to a first input of the comparator 122, a second input being connected to a reference potential, called the threshold potential Vthreshold.
  • the comparator 122 delivers on an output a signal noted Scomp taking, for example, either a first value or a second value depending on the result of the comparison between the integration potential Va and the threshold potential Vthreshold.
  • the signal Scomp is for example a voltage.
  • the output of the comparator 122 is connected, on the one hand, to an input of the counter 123 and, on the other hand, to an input of the injection circuit 124.
  • the counter 123 comprises, for example, 12 flip-flops each representing a bit of the counter 123. It can of course include a larger number of flip-flops depending on the maximum value to be encoded. Moreover, the counter can be made by any other device capable of coding a positive integer value.
  • the counter-charge injection circuit 124 comprises 6 counter-charge injectors 1240 to 1245, and a switch 126.
  • the switch 126 is for example formed of six controlled switches 1260 to 1265. More generally, the injection circuit 124 may comprise K counter-charge injectors, denoted 124k, where K is a strictly positive integer, and the switch may comprise as many controlled switches, denoted 126k, as counter-injectors. 124k loads. Each injector 124k is connected to the output of the comparator 122 and can deliver counter charges in an amount of 2 k .Q0. Thus, the injector 1240 can inject a quantity Q0 of counter-charges, the injector 1241 can inject a quantity 2.Q0, and so on.
  • Each controlled switch 126k is connected between an output of one of the injectors 124k and the integration node A.
  • the control means 125 make it possible to control the controlled switches 126k according to the value stored in the counter 123.
  • the analog-digital conversion circuit 12 comprises an integration capacitor 121.
  • the photosensitive element 11 may possibly have a parasitic capacitance sufficient to fulfill the function of the integration capacitor 121. In such a case, the analog-digital conversion circuit 12 may not include an integration capacitor.
  • the analog-to-digital conversion circuit described with reference to FIG. 1 operates in the following manner.
  • the photosensitive element 1 1 At the reception of photons, the photosensitive element 1 1 generates electric charges, for example electrons, which accumulate on the electrode of the integration capacitor 121 connected to the integration node A. This results in a decrease integration potential Va.
  • the output signal Scomp switches from a first value, for example ' ⁇ ', to a second value, for example ⁇ '.
  • the signal Scomp is received by the counter 123 and the injection circuit 124. In particular, the signal Scomp can be received by each countercurrent injector 124k.
  • each counter-charge injector 124k delivers a calibrated quantity of counter-charges.
  • the integration node A receives a quantity of counter-charges from one of the injectors 124k.
  • This amount of counter-charges denoted Qc, increases the integration potential Va to a value greater than the threshold potential Vthreshold.
  • the Scomp output signal then switches from the second to the first value. The process of digitization described above is repeated a number of times depending on the total amount of electric charges generated by the photosensitive element 1 1.
  • the state of the switch 126, and therefore the quantity Qc of counter-charges of each injection, depends on the value of the counter 123.
  • the value of the counter 123 Prior to the reception of photons, the value of the counter 123 is initialized to zero.
  • the switch 126 is then controlled to close the controlled switch 1260, the other controlled switches 1261-1265 being open.
  • each switching of the output signal Scomp triggers the incrementation of the value of the counter 123 by one unit and the injection of a quantity Qc of counter-charges equal to Q0.
  • the quantity Qc remains equal to Q0 until the value of the counter 123 reaches a first predetermined threshold value.
  • This first threshold value corresponds, for example, to the first switchover of the sixth bit (Bit5 in FIG. 1) of the counter 123, that is to say to the value 32.
  • the means of control 125 controls switch 126 to close the controlled switch 1261, the other controlled switches 1260 and 1262-1265 being open.
  • each switching of the output signal Scomp always triggers the incrementation of the value of the counter 123 by one unit, but the injection of a quantity Qc of counter-charges equal to 2.Q0.
  • the quantity Qc remains equal to 2.Q0 until the value of the counter 123 reaches a second predetermined threshold value.
  • This second threshold value corresponds, for example, to the first changeover of the eighth bit (Bit7 in FIG. 1) of the counter 123, that is to say to the value 128.
  • each switching of the output signal Scomp triggers the incrementation of the value of the counter 123 by one unit, and the injection of a quantity Qc of counter-charges equal to 4.Q0.
  • the quantity Qc incrementally increases when the value of the counter 123 reaches the threshold values 256, 512, and 1024, that is, when the ninth, tenth, and eleventh bits, respectively, switch for the first time.
  • the quantity Qc corresponds in fact to the step of digitization (or no quantification) of the total quantity Qt of counter-charges injected on the integration node A, this total quantity Qt being, for example, proportional to the dose of photons received by the photosensitive element 11 from the beginning of the photon reception.
  • the scanning accuracy therefore changes step by step with the value of the counter 123.
  • the total quantity Qt can therefore be directly determined from the value of the counter 123.
  • a correspondence table can be used to determine the total quantity Qt from the value of the counter 123.
  • the following table presents an extract of Such a look-up table for a pixel of an exemplary X-ray imaging device.
  • a first column indicates the value of the counter 123.
  • a second column indicates the corresponding quantity Qc for each injection from this value.
  • a third column indicates the total quantity Qt of counter-charges injected on the integration node A until the last switchover of the signal Scomp.
  • a fourth column indicates the amount of noise to which the flow of photons X is subjected.
  • This table shows in particular that the amount of noise is in the same order of magnitude as the scanning step (Qc) of the total quantity Qt. Moreover, it shows that the total quantity Qt can be determined by the analog conversion circuit.
  • -numerical number according to the invention with a 12-bit counter is equal to 43743, a value much greater than the value that can be stored in a 12-bit counter, namely 2047.
  • a total quantity Qt equal to 43743 requires a counter on 16 bits. The invention makes it possible to reduce the size of the counter, and therefore the number of digital data to be transferred as well as the number of connections between the counter 123 and other elements of the imaging device.
  • the decrease in the number of connections can be used either to decrease the size of the pixels of the imaging device, or to increase the area of each photosensitive element.
  • the fact of using a device according to the invention makes it possible to maintain a high measurement dynamic while reducing the electrical activity of the circuit, and therefore the power consumption.
  • FIG. 2 represents the wiring diagram of a pixel 20 in a second exemplary embodiment of an imaging device according to the invention.
  • the pixel 20 differs from the pixel 10 shown in FIG. 1 by the counter-charge injection circuit.
  • all the injectors 224k are able to deliver the same quantity Q0 of electrical counter-charges.
  • each controlled switch 126k of the switch 126 is connected between the output of the comparator 122 and one of the injectors 224k.
  • the controlled switches 126k are always controlled by the control means 125 as a function of the value of the counter 123.
  • an injector 224k delivers counter-charges only if the controlled switch 126k to which it is connected is controlled. in the passing state.
  • control means 125 progressively control a larger number of controlled switches 126k in the on state.
  • the number of controlled switches 126k controlled in the on state increases in a power progression of two. The quantity Qc is then doubled each time the value of the counter reaches one of the threshold values.
  • the quantity Qc of counter-charges of each injection increases when certain bits of the counter 123 switch for the first time.
  • the counter may be realized by means other than flip-flops and the quantity Qc may increase to any threshold values.
  • the quantity Qc is doubled each time the value of the counter reaches one of the threshold values.
  • the quantity Qc can evolve differently. It can in particular be determined so as to substantially follow the amount of noise associated with the total quantity Qt of counter-charges injected.

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Abstract

L'invention se situe dans le domaine des dispositifs imageurs comprenant un détecteur (11) générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, et un circuit de conversion analogique-numérique (12) formant des moyens de lecture de la quantité de charges électriques générée. Le circuit de conversion analogique-numérique (12) comprend : un comparateur (122) apte à basculer en fonction de la comparaison entre un potentiel (Va) sur un noeud d'intégration (A) et un potentiel de seuil prédéterminé (Vseuil), un compteur (123) s'incrémentant à chaque basculement du comparateur, un circuit d'injection de contre-charges (124) injectant une quantité Qc de contre-charges sur le noeud d'intégration (A) à chaque basculement du comparateur, et des moyens de commande (125) déterminant la quantité Qc de contre-charges injectée. Le circuit de conversion analogique-numérique (12) se caractérise en ce que les moyens de commande (125) déterminent la quantité Qc de contre-charges injectée en fonction d'une valeur du compteur (123).

Description

DISPOSITIF IMAGEUR COMPRENANT UN CIRCUIT DE CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE PAR INJECTION DE CHARGES EN QUANTITÉ VARIABLE EN FONCTION DU NOMBRE D'INJECTIONS
PRÉCÉDENTES
L'invention se situe dans le domaine des dispositifs imageurs comprenant un détecteur générant des charges électriques à la réception d'un flux de photons, et des moyens de lecture permettant de quantifier la quantité de charges électriques générées. Elle concerne un circuit de conversion analogique-numérique formant de tels moyens de lecture. Les dispositifs imageurs concernés peuvent notamment être réalisés en technologie CMOS et être destinés à l'imagerie, par exemple l'imagerie radiologique par rayons X ou gamma ou l'imagerie visible ou infrarouge. Un dispositif imageur comprend généralement une matrice de pixels et des moyens de lecture. Chaque pixel comprend au minimum un élément photosensible générant des charges électriques proportionnellement à la quantité de photons reçue. Ces charges électriques, également appelées photocharges, sont traitées par les moyens de lecture afin de fournir une information représentative de la quantité de photons reçue par chaque élément photosensible. Les moyens de lecture peuvent être réalisés en technologie CMOS, ce qui permet leur intégration dans chaque pixel. Les moyens de lecture d'un pixel consistent par exemple en un circuit de conversion analogique-numérique dit "à injection de charges", ce qui correspond au terme anglais "charge feedback digital to analog convertor". On peut également parler de circuit à équilibrage de charge, ou "charge balancing".
Un circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges comprend au minimum une capacité d'intégration, un comparateur, un circuit d'injection de contre-charges, et un compteur. La capacité d'intégration est reliée par l'une de ses électrodes à l'élément photosensible du pixel considéré. Pendant une phase d'exposition de l'élément photosensible considéré, ce dernier convertit les photons en paires d'électrons-trous. Les charges électriques, électrons ou trous, sont collectées par une électrode du détecteur, puis s'accumulent aux bornes d'une capacité d'intégration, ce qui entraîne une variation de tension aux bornes de la capacité. Une entrée du comparateur est reliée à la capacité d'intégration collectant les charges électriques. Le comparateur compare le potentiel au niveau de cette entrée, appelé potentiel de détection, à une valeur seuil. A chaque fois que le potentiel de détection franchit la valeur seuil, le signal en sortie du comparateur bascule d'un premier état à un deuxième état. Chaque basculement entraîne l'incrémentation du compteur et l'injection d'une quantité QO de contre-charges sur l'électrode de la capacité d'intégration afin de compenser les charges générées par l'élément photosensible. Si la quantité QO de contre-charges est correctement calibrée, le potentiel de détection franchit à nouveau la valeur seuil, et le signal en sortie du comparateur bascule du deuxième état vers le premier état. Le basculement du signal en sortie du comparateur et l'injection de contre-charges se répètent un certain nombre de fois en fonction de la quantité totale de charges générées par l'élément photosensible. Le nombre d'injections de contre-charges nécessaire pour équilibrer le potentiel de détection permet ainsi de donner une valeur numérique représentative de la quantité totale de charges générées par l'élément photosensible pendant une durée d'intégration donnée. Un inconvénient de ce circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges est qu'il ne peut être adapté qu'à une plage relativement limitée de doses de photons reçues par l'élément photosensible. En effet, dans le but de permettre la quantification précise de faibles doses de photons, la quantité QO, qui correspond au bit de poids faible de la valeur codée par le compteur, doit être relativement faible. Cependant, lorsque la quantité QO est relativement faible, de nombreuses injections doivent être réalisées pour pouvoir quantifier une dose importante de photons. Ainsi, le compteur doit comporter un grand nombre de bits (16 bits par exemple) pour pouvoir comptabiliser toutes les injections. On parle de compteur "profond". Par ailleurs, le flux de photons est soumis à un bruit intrinsèque suivant une loi de Poisson. Autrement dit, le bruit du courant électrique engendré par les photons est proportionnel à la racine carrée du nombre de photons reçus. Or le flux de photons peut varier énormément, par exemple dans un rapport de l'ordre de 1 à 104. En conséquence, si la quantité Q0 est calibrée de manière à correspondre sensiblement à la plus faible dose pouvant être reçue par l'élément photosensible, alors une quantité importante de charges générées par l'élément photosensible est codée avec un bruit égal à plusieurs dizaines de fois la quantité Q0. Autrement dit, la quantité de charges est numérisée avec une précision largement supérieure au bruit, ce qui signifie que plusieurs bits du compteur sont utilisés inutilement.
La demande de brevet EP 1860778 A1 propose un circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges dans lequel la quantité Qc de contre-charges de chaque injection est modulée en fonction du flux de photons, en l'occurrence en fonction du courant électrique généré par ce flux de photons. Plus le flux de photons est important, et plus la quantité Qc est élevée. Ce flux est par exemple déterminé par la fréquence des injections. Des moyens de commande permettent de moduler la quantité Qc et de commander un commutateur de manière à incrémenter le compteur d'un nombre d'unités dépendant de cette quantité Qc. Plus précisément, le commutateur est commandé pour incrémenter le compteur d'un nombre d'unités égal au multiple de la quantité de contre-charges élémentaire Q0. La précision de la numérisation est donc adaptée aux flux de photons détectés. En outre, l'ordre de grandeur de cette précision est facilement déterminé par la plus grande quantité Qc de contre-charges injectée pendant une durée d'intégration donnée. Cependant, le circuit de conversion analogique- numérique décrit dans cette demande de brevet présente l'inconvénient de nécessiter un commutateur en entrée du compteur, ainsi que des moyens de commande relativement complexes. De plus, afin de permettre la numérisation de doses de photons sur une large plage, le compteur doit toujours être aussi profond que celui du circuit de conversion décrit précédemment. Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. L'invention vise notamment à fournir un circuit de conversion analogique-numérique par injection de contre-charges qui soit de conception simple, et dans lequel le compteur du nombre d'injections de contre-charges comporte un nombre réduit de bits tout en permettant de numériser des quantités variables de charges électriques avec une précision élevée pour les faibles quantités de charges électriques. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit de conversion analogique-numérique pour un dispositif imageur comprenant un détecteur générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel d'intégration sur un nœud d'intégration, le circuit de conversion analogique-numérique comprenant :
■ un comparateur apte à basculer en fonction de la comparaison entre le potentiel d'intégration et un potentiel de seuil prédéterminé,
■ un compteur connecté à une sortie du comparateur et s'incrémentant à chaque basculement du comparateur,
■ un circuit d'injection de contre-charges injectant une quantité Qc de contre-charges sur le nœud d'intégration à chaque basculement du comparateur, et
■ des moyens de commande du circuit d'injection de contre-charges déterminant la quantité Qc de contre-charges injectée,
le circuit de conversion analogique-numérique étant caractérisé en ce que les moyens de commande déterminent la quantité Qc de contre-charges injectée en fonction d'une valeur du compteur. Selon une forme particulière de réalisation, les moyens de commande sont configurés pour faire varier la quantité Qc à chaque fois que la valeur du compteur atteint une ou plusieurs valeurs seuils prédéterminées.
Le compteur peut comprendre un nombre de bits prédéterminé, auquel cas chaque valeur seuil prédéterminée correspond par exemple au premier basculement de l'un des bits du compteur.
La quantité Qc de contre-charges injectée est par exemple doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint une valeur seuil prédéterminée.
Le circuit d'injection de contre-charges peut comprendre une pluralité d'injecteurs de contre-charges chacun aptes à injecter une quantité prédéterminée de contre-charges. Selon une première forme particulière de réalisation, les injecteurs de contre-charges sont chacun aptes à injecter une même quantité QO de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre-charges sur le nœud d'intégration variant par la sélection d'un ou plusieurs injecteurs de contre-charges.
Selon une deuxième forme particulière de réalisation, les injecteurs de contre-charges sont chacun aptes à injecter une quantité différente de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre- charges sur le nœud d'intégration variant par la sélection de l'un des injecteurs de contre-charges.
L'invention a également pour objet un dispositif imageur comprenant un détecteur générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel de détection sur un nœud d'intégration, et un circuit de conversion analogique-numérique tel que décrit précédemment.
L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de diminuer la dimension du compteur tout en conservant une précision dans le même ordre de grandeur que la quantité de bruit auquel est soumis le flux de photons, quelle que soit la quantité de photons reçue.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente le schéma électrique d'un pixel dans un premier exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention ;
- la figure 2 représente le schéma électrique d'un pixel dans un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention.
La figure 1 représente le schéma électrique d'un pixel 10 dans un premier exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention. Le dispositif imageur peut comporter une pluralité de pixels organisés en ligne ou en matrice. Chaque pixel forme un point photosensible du dispositif imageur. Le pixel 10 comprend un élément photosensible 1 1 et un circuit de conversion analogique-numérique 12. L'élément photosensible 1 1 forme un détecteur du pixel. Il est par exemple formé par une photodiode, par un phototransistor ou, plus généralement, par tout dispositif générant des charges électriques dépendant, par exemple de façon proportionnelle, de la quantité de photons qu'il reçoit. Les photons considérés ont par exemple une longueur d'onde dans le domaine visible, de l'infrarouge, des rayons X ou des rayons gamma. Le circuit de conversion analogique-numérique 12 est de type dit "à injection de charges". Il comprend un condensateur d'intégration 121 , un comparateur 122, un compteur 123, un circuit d'injection de contre- charges 124 et des moyens de commande 125. Le condensateur d'intégration 121 est relié par l'une de ses électrodes à l'élément photosensible 1 1 et par son autre électrode à un potentiel de référence, par exemple la masse électrique du dispositif imageur. Le point de connexion entre l'élément photosensible 1 1 et le condensateur d'intégration 121 est appelé nœud d'intégration A et le potentiel en ce point est appelé potentiel d'intégration Va. Ce nœud est également connecté à une première entrée du comparateur 122, une deuxième entrée étant connectée à un potentiel de référence, appelé potentiel de seuil Vseuil. Le comparateur 122 délivre sur une sortie un signal noté Scomp prenant, par exemple, soit une première valeur, soit une deuxième valeur en fonction du résultat de la comparaison entre le potentiel d'intégration Va et le potentiel de seuil Vseuil. Le signal Scomp est par exemple une tension. La sortie du comparateur 122 est connectée, d'une part, à une entrée du compteur 123 et, d'autre part, à une entrée du circuit d'injection 124. Le compteur 123 comprend par exemple 12 bascules représentant chacune un bit du compteur 123. Il peut bien entendu comporter un plus grand nombre de bascules en fonction de la valeur maximale à coder. Par ailleurs, le compteur peut être réalisé par tout autre dispositif apte à coder une valeur entière positive. Le circuit d'injection de contre-charges 124 comprend 6 injecteurs de contre-charges 1240 à 1245, et un commutateur 126. Le commutateur 126 est par exemple formé de six interrupteurs commandés 1260 à 1265. Plus généralement, le circuit d'injection 124 peut comporter K injecteurs de contre-charges, notés 124k, où K est un entier strictement positif, et le commutateur peut comporter autant d'interrupteurs commandés, notés 126k, que d'injecteurs de contre- charges 124k. Chaque injecteur 124k est connecté à la sortie du comparateur 122 et peut délivrer des contre-charges en quantité 2k.Q0. Ainsi, l'injecteur 1240 peut injecter une quantité QO de contre-charges, l'injecteur 1241 peut injecter une quantité 2.Q0, et ainsi de suite. Chaque interrupteur commandé 126k est connecté entre une sortie de l'un des injecteurs 124k et le nœud d'intégration A. Les moyens de commande 125 permettent de commander les interrupteurs commandés 126k en fonction de la valeur stockée dans le compteur 123. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 , le circuit de conversion analogique-numérique 12 comprend un condensateur d'intégration 121 . Cependant, l'élément photosensible 1 1 peut éventuellement présenter une capacité parasite suffisante pour remplir la fonction du condensateur d'intégration 121 . Dans un tel cas, le circuit de conversion analogique-numérique 12 peut ne pas comporter de condensateur d'intégration.
Le circuit de conversion analogique-numérique décrit en référence à la figure 1 fonctionne de la manière suivante. A la réception de photons, l'élément photosensible 1 1 génère des charges électriques, par exemple des électrons, qui viennent s'accumuler sur l'électrode du condensateur d'intégration 121 connectée au nœud d'intégration A. Il en résulte une diminution du potentiel d'intégration Va. Lorsque le potentiel Va devient inférieur au potentiel de seuil Vseuil, le signal de sortie Scomp bascule d'une première valeur, par exemple 'Ο', à une deuxième valeur, par exemple Ί '. Le signal Scomp est reçu par le compteur 123 et par le circuit d'injection 124. En particulier, le signal Scomp peut être reçu par chaque injecteur de contre- charges 124k. A chaque basculement de la première à la deuxième valeur, la valeur du compteur 123 est incrémentée d'une unité, et chaque injecteur de contre-charges 124k délivre une quantité calibrée de contre-charges. En fonction de l'état du commutateur 126, le nœud d'intégration A reçoit une quantité de contre-charges de l'un des injecteurs 124k. Cette quantité de contre-charges, notée Qc, augmente le potentiel d'intégration Va à une valeur supérieure au potentiel de seuil Vseuil. Le signal de sortie Scomp bascule alors de la deuxième à la première valeur. Le processus de numérisation décrit ci-dessus se répète un certain nombre de fois en fonction de la quantité totale de charges électriques générées par l'élément photosensible 1 1 . L'état du commutateur 126, et donc la quantité Qc de contre-charges de chaque injection, dépend de la valeur du compteur 123. Préalablement à la réception de photons, la valeur du compteur 123 est initialisée à zéro. Le commutateur 126 est alors commandé pour fermer l'interrupteur commandé 1260, les autres interrupteurs commandés 1261 - 1265 étant ouverts. Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité et l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à Q0. La quantité Qc reste égale à Q0 jusqu'à ce que la valeur du compteur 123 atteigne une première valeur seuil prédéterminée. Cette première valeur seuil correspond par exemple au premier basculement du sixième bit (Bit5 sur la figure 1 ) du compteur 123, c'est-à-dire à la valeur 32. Lorsque la valeur du compteur atteint la première valeur seuil, les moyens de commande 125 commandent le commutateur 126 de manière à fermer l'interrupteur commandé 1261 , les autres interrupteurs commandés 1260 et 1262-1265 étant ouverts.
Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche toujours l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité, mais l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à 2.Q0. La quantité Qc reste égale à 2.Q0 jusqu'à ce que la valeur du compteur 123 atteigne une deuxième valeur seuil prédéterminée. Cette deuxième valeur seuil correspond par exemple au premier basculement du huitième bit (Bit7 sur la figure 1 ) du compteur 123, c'est-à-dire à la valeur 128.
Lorsque la valeur du compteur atteint la deuxième valeur seuil, les moyens de commande 125 commandent le commutateur 126 de manière à fermer l'interrupteur commandé 1262, les autres interrupteurs commandés 1260, 1261 et 1263-1265 étant ouverts. Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité, et l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à 4.Q0. De manière analogue, la quantité Qc augmente par paliers lorsque la valeur du compteur 123 atteint les valeurs seuils 256, 512 et 1024, c'est-à-dire lorsque les neuvième, dixième et onzième bits, respectivement, basculent pour la première fois. Il est à noter que la quantité Qc correspond en fait au pas de numérisation (ou pas de quantification) de la quantité totale Qt de contre- charges injectée sur le nœud d'intégration A, cette quantité totale Qt étant, par exemple, proportionnelle à la dose de photons reçue par l'élément photosensible 1 1 depuis le début de la réception de photons. La précision de numérisation évolue donc par paliers avec la valeur du compteur 123.
Dans la mesure où la valeur du compteur 123 est toujours incrémentée d'une unité, quelle que soit la quantité Qc de contre-charges injectée, la relation entre la valeur du compteur 123 et la quantité totale Qt n'est pas linéaire.
Cependant, cette relation est fixe pour un ensemble donné de valeurs seuils auxquelles la quantité Qc augmente. Ces valeurs seuils correspondent aux valeurs du compteur 123 déclenchant une modification de la quantité Qc de contre-charges injectée.
La quantité totale Qt peut donc être directement déterminée à partir de la valeur du compteur 123. En particulier, une table de correspondance peut être utilisée pour déterminer la quantité totale Qt à partir de la valeur du compteur 123. Le tableau suivant présente un extrait d'une telle table de correspondance pour un pixel d'un exemple de dispositif imageur sensible aux rayons X. Une première colonne indique la valeur du compteur 123. Une deuxième colonne indique la quantité Qc correspondante pour chaque injection à partir de cette valeur. Une troisième colonne indique la quantité totale Qt de contre-charges injectée sur le nœud d'intégration A jusqu'au dernier basculement du signal Scomp. Enfin, une quatrième colonne indique la quantité de bruit auquel est soumis le flux de photons X.
Ce tableau montre notamment que la quantité de bruit est bien dans le même ordre de grandeur que le pas de numérisation (Qc) de la quantité totale Qt. Par ailleurs, il montre que la quantité totale Qt pouvant être déterminée par le circuit de conversion analogique-numérique selon l'invention avec un compteur sur 12 bits est égale à 43743, soit une valeur largement supérieure à la valeur pouvant être stockée dans un compteur sur 12 bits, à savoir 2047. Pour un circuit de conversion analogique-numérique selon l'état de la technique, une quantité totale Qt égale à 43743 nécessite un compteur sur 16 bits. L'invention permet bien de diminuer la taille du compteur, et donc le nombre de données numériques à transférer ainsi que le nombre de connexions entre le compteur 123 et d'autres éléments du dispositif imageur. La diminution du nombre de connexions peut être utilisée soit pour diminuer la taille des pixels du dispositif imageur, soit pour augmenter la surface de chaque élément photosensible. Le fait d'utiliser un dispositif selon l'invention permet de conserver une dynamique de mesure élevée tout en réduisant l'activité électrique du circuit, et donc la consommation d'énergie.
La figure 2 représente le schéma électrique d'un pixel 20 dans un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention. Le pixel 20 diffère du pixel 10 représenté sur la figure 1 par le circuit d'injection de contre-charges. Dans le circuit d'injection 224 du pixel 20, tous les injecteurs 224k sont aptes à délivrer une même quantité Q0 de contre- charges électriques. En outre, chaque interrupteur commandé 126k du commutateur 126 est connecté entre la sortie du comparateur 122 et l'un des injecteurs 224k. Les interrupteurs commandés 126k sont toujours commandés par les moyens de commande 125 en fonction de la valeur du compteur 123. Dans cet exemple de réalisation, un injecteur 224k ne délivre des contre-charges que si l'interrupteur commandé 126k auquel il est connecté est commandé à l'état passant. Par ailleurs, afin d'augmenter la quantité Qc de contre-charges injectée sur le nœud d'intégration A, les moyens de commande 125 commandent progressivement un plus grand nombre d'interrupteurs commandés 126k à l'état passant. Selon une forme particulière de réalisation, le nombre d'interrupteurs commandés 126k commandés à l'état passant augmente selon une progression en puissance de deux. La quantité Qc est alors doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint l'une des valeurs seuils.
Dans les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 et 2, la quantité Qc de contre-charges de chaque injection augmente lorsque certains bits du compteur 123 basculent pour la première fois. Cependant, le compteur peut être réalisé par d'autres moyens que des bascules et la quantité Qc peut augmenter à des valeurs seuils quelconques. De même, il est considéré que la quantité Qc est doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint l'une des valeurs seuils. Cependant, la quantité Qc peut évoluer différemment. Elle peut notamment être déterminée de manière à suivre sensiblement la quantité de bruit associée à la quantité totale Qt de contre-charges injectée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Circuit de conversion analogique-numérique pour un dispositif imageur comprenant un détecteur (1 1 ) générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel d'intégration (Va) sur un nœud d'intégration (A), le circuit de conversion analogique-numérique (12, 22) comprenant :
■ un comparateur (122) apte à basculer en fonction de la comparaison entre le potentiel d'intégration (Va) et un potentiel de seuil prédéterminé (Vseuil),
- un compteur (123) connecté à une sortie du comparateur (122) et s'incrémentant à chaque basculement du comparateur,
■ un circuit d'injection de contre-charges (124, 224) injectant une quantité Qc de contre-charges sur le nœud d'intégration (A) à chaque basculement du comparateur, et
■ des moyens de commande (125) du circuit d'injection de contre- charges (124, 224) déterminant la quantité Qc de contre-charges injectée, le circuit de conversion analogique-numérique (12, 22) étant caractérisé en ce que les moyens de commande (125) déterminent la quantité Qc de contre-charges injectée en fonction d'une valeur du compteur (123).
2. Circuit selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de commande (125) sont configurés pour faire varier la quantité Qc à chaque fois que la valeur du compteur (123) atteint une ou plusieurs valeurs seuils prédéterminées.
3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel le compteur (123) comprend un nombre de bits prédéterminé, chaque valeur seuil prédéterminée correspondant au premier basculement de l'un des bits du compteur (123).
4. Circuit selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel la quantité Qc de contre-charges injectée est doublée à chaque fois que la valeur du compteur (123) atteint une valeur seuil prédéterminée.
5. Circuit selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'injection de contre-charges (124, 224) comprend une pluralité d'injecteurs de contre-charges (1240-1245) chacun aptes à injecter une quantité prédéterminée de contre-charges.
6. Circuit selon la revendication 5, dans lequel les injecteurs de contre-charges (2240-2245) sont chacun aptes à injecter une même quantité Q0 de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre-charges sur le nœud d'intégration (A) variant par la sélection d'un ou plusieurs injecteurs de contre-charges (2240-2245).
7. Circuit selon la revendication 5, dans lequel les injecteurs de contre-charges (1240-1245) sont chacun aptes à injecter une quantité différente de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre- charges sur le nœud d'intégration (A) variant par la sélection de l'un des injecteurs de contre-charges (1240-1245).
8. Dispositif imageur comprenant un détecteur (1 1 ) générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel de détection (Va) sur un nœud d'intégration (A), et un circuit de conversion analogique- numérique (12, 22) selon l'une des revendications précédentes.
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