ES2392298B1 - INTEGRATED CIRCUIT FOR DIGITAL TUNING OF TEMPORARY CONTRAST IN IMAGE SENSORS - Google Patents
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Abstract
Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen que comprende al menos un píxel activo digital que tiene un sensor óptico que genera una corriente I{sub,sens} en función de una potencia de iluminación, un filtro paso-alto sintonizable por corriente que genera una corriente efectiva I{sub,eff} a partir de la corriente I{sub,sens} y un lazo de enganche de fase que genera una corriente I{sub,tune} a partir de una señal de frecuencia f{sub,tune} generada por unas señales digitales externas de control, siendo la corriente I{sub,tune} la corriente de sintonización del filtro paso-alto sintonizable.Integrated circuit for digital tuning of time contrast in image sensors comprising at least one digital active pixel having an optical sensor that generates a current I {sub, sens} as a function of lighting power, a tunable high-pass filter per current that generates an effective current I {sub, eff} from the current I {sub, sens} and a phase-locked loop that generates a current I {sub, tune} from a signal of frequency f { sub, tune} generated by external digital control signals, the current I {sub, tune} being the tuning current of the tunable high-pass filter.
Description
TEMPORAL EN SENSORES DE IMAGEN OBJETO DE LA INVENCIÓN TEMPORARY IMAGE SENSORS OBJECT OF THE INVENTION
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen. Introduce una nueva topología para la sintonía del contraste temporal interno de los píxeles activos del plano focal basada en señales digitales de frecuencia variable. Frente a la tecnología actual, la invención presenta la ventaja de aumentar la robustez de dicha sintonía frente a posibles variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación del circuito. Además, la invención también introduce una mayor flexibilidad para implementar sintonías dinámicas en tiempo real. The present invention, as expressed in the statement of this specification, refers to an integrated circuit for digital tuning of time contrast in image sensors. Introduces a new topology for tuning the internal time contrast of active focal plane pixels based on variable frequency digital signals. Compared to current technology, the invention has the advantage of increasing the robustness of said tuning against possible variations in both the integration technology and the operating temperature of the circuit. Furthermore, the invention also introduces greater flexibility to implement dynamic tuning in real time.
El principal campo de aplicación de la presente invención son los sectores de las tecnologías de la información y de las comunicaciones. The main field of application of the present invention is in the fields of information and communication technologies.
Así la presente invención describe un dispositivo microelectrónico específico para la captura digital de imágenes dinámicas. Dichas imágenes se descomponen en píxeles, cuyo valor individual se obtiene de la lectura de un sensor óptico monolítico o híbrido. La agrupación en matriz de estos sensores constituye el plano focal de la imagen a capturar. Thus the present invention describes a specific microelectronic device for digital capture of dynamic images. These images are decomposed into pixels, the individual value of which is obtained from the reading of a monolithic or hybrid optical sensor. The matrix grouping of these sensors constitutes the focal plane of the image to be captured.
- El The
- mercado de los semiconductores está market of the semiconductors this
- experimentando experiencing
- en estos días una creciente demanda de in these days a growing demand of
- dispositivos devices
- portátiles capaces de capturar imágenes laptops able of capture images
dinámicas en condiciones adversas, como pueden ser aplicaciones como navegación nocturna en automoción, diagnóstico médico o equipamiento estratégico. Estos dispositivos de imagen se basan en matrices de plano dynamics in adverse conditions, such as applications such as automotive night navigation, medical diagnostics or strategic equipment. These imaging devices are based on planar matrices
focal (Focal Plane Array, FPA) formadas por píxeles activos sensores (Active Pixel Sensor, APS) , cada uno conteniendo tanto el elemento sensor óptico, que capta la potencia de iluminación incidente y la convierte a una corriente equivalente Isens' así como su circuito individual de pre-procesado de señal. Las técnicas de diseño modernas para celdas APS incluyen parcialmente Focal Plane Array (FPA) formed by Active Pixel Sensor (APS), each containing both the optical sensor element, which captures the incident lighting power and converts it to an equivalent current Isens' as well as its circuit individual signal pre-processing. Modern design techniques for APS cells partially include
[tal y como reflejan las patentes US5461425, US6707410, US7023369] o completamente [patente US6741198] el convertidor analógico-digital (Analog-to-Digital Converter, ADC) dentro del propio APS, dando lugar a píxeles activos digitales (Digital Pixel Sensor, DPS) que suministran directamente a su salida la lectura digital de su iluminación dout· Dadas las restricciones de espacio físico dentro del píxel activo, las arquitecturas ADC más adoptadas en la actualidad para celdas DPS son de tipo predictivo, frente a las alternativas directas (p.e. paralela) y algorítmicas (p.e. aproximaciones sucesivas), ya que permiten simplificar las partes analógicas del ADC. [as reflected in patents US5461425, US6707410, US7023369] or completely [patent US6741198] the analog-to-digital converter (ADC) within the APS itself, giving rise to digital active pixels (Digital Pixel Sensor, DPS) that provide digital output of their dout lighting directly at their output · Given the physical space restrictions within the active pixel, the ADC architectures currently adopted for DPS cells are predictive, compared to direct alternatives (eg parallel) and algorithmic (eg successive approximations), since they allow simplifying the analog parts of the ADC.
Así mismo y con el fin de reducir el consumo de potencia por píxel, dicho ADC suele implementarse mediante técnicas de conversión basadas en tiempo, ya sean de tipo quot;tiempo a primer sucesoquot; (time to first spike) [patentes US5565915, US6271 785, US6377303, US6525304, US6559788, US6969879, US7071982, US7164114] o de tipo quot;conteo de sucesosquot; (spike counting) [patente US7095439]. La ventaja de la segunda estrategia es la baja actividad de conmutación digital durante la conversión analógica-digital, con la consiguiente reducción del ruido electrónico. Independientemente de la técnica de ADC escogida a nivel de DPS, es conveniente intentar reducir la información redundante en la corriente Isens antes de su conversión analógica-digital Likewise, and in order to reduce the power consumption per pixel, said ADC is usually implemented by means of time-based conversion techniques, either of the type "time to first event". (time to first spike) [patents US5565915, US6271 785, US6377303, US6525304, US6559788, US6969879, US7071982, US7164114] or of type "event count"; (spike counting) [patent US7095439]. The advantage of the second strategy is low digital switching activity during analog-to-digital conversion, with consequent reduction in electronic noise. Regardless of the ADC technique chosen at the DPS level, it is convenient to try to reduce the redundant information in the Isens current before its analog-digital conversion.
con el fin de disminuir la capacidad necesaria para el canal de lectura de dout. En ese sentido, una de las técnicas más empleadas para eliminar redundancia en imágenes dinámicas es el contraste temporal [patente US5576767], que suprime las componentes de baja frecuencia de las secuencias de imágenes. Para el caso particular del DPS, dicho contraste temporal requiere la inserción de un filtro paso-alto entre la señal captada por el sensor óptico Isens y la señal efectiva Ieff que llega a la etapa ADC. En la práctica, la frecuencia de corte del filtro marca la frontera entre las componentes redundantes y la información útil de la imagen dinámica, siendo por tanto su sintonía de especial importancia. En general, dicha sintonía se implementa a nivel de circuito mediante una corriente programable Itune de muy bajo valor in order to decrease the necessary capacity for the dout reading channel. In this sense, one of the most used techniques to eliminate redundancy in dynamic images is temporal contrast [patent US5576767], which suppresses the low frequency components of image sequences. For the particular case of DPS, said time contrast requires the insertion of a high-pass filter between the signal captured by the Isens optical sensor and the effective signal Ieff that reaches the ADC stage. In practice, the cut-off frequency of the filter marks the border between the redundant components and the useful information of the dynamic image, therefore its tuning is of special importance. In general, such tuning is implemented at the circuit level using a very low value Itune programmable current
(típicamente lt;lnA) . Las principales desventajas de este mecanismo analógico de sintonía son: dispersión debido a la variabilidad de la tecnología de integración, sensibilidad respecto a la temperatura de operación del circuito, y corrupción debido a acoplamientos (crosstalk) originados en una o varias celdas DPS vecinas. (typically lt; lnA). The main disadvantages of this analog tuning mechanism are: dispersion due to the variability of the integration technology, sensitivity to the operating temperature of the circuit, and corruption due to couplings (crosstalk) originating in one or more neighboring DPS cells.
El circuito integrado presentado en esta memoria de invención trata de resolver estos efectos indeseados en la sintonía analógica del contraste temporal dentro de la The integrated circuit presented in this invention memory tries to solve these undesired effects in the analog tuning of the time contrast within the
- celda cell
- DPS por medio de una topología alternativa de DPS by means, medium of a topology alternative of
- sintonía attunement
- basada en señales digitales de frecuencia based in signs digital of frequency
- variable variable
- (típicamente lt;1KHz) Esta nueva estrategia (typically <1KHz) This new strategy
permite aumentar la robustez de dicha sintonía frente a posibles variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación del circuito, así como permite aislar las sintonías de cada celda DPS para evitar acoplamiento (crosstalk) entre píxeles del plano focal. Además, la invención también introduce una mayor flexibilidad de cara a implementar it allows to increase the robustness of said tuning against possible variations in both the integration technology and the operating temperature of the circuit, as well as it allows to isolate the tunings of each DPS cell to avoid coupling (crosstalk) between pixels of the focal plane. Furthermore, the invention also introduces greater flexibility for implementing
una sintonía variable en tiempo real en función del a variable tuning in real time depending on the
propio contenido y evolución de las imágenes. own content and evolution of the images.
- Para For
- lograr los objetivos y evitar los achieve the objectives and avoid the
- inconvenientes drawbacks
- indicados anteriormente, la presente indicated previously, the Present
- invención invention
- consiste en un circuito integrado para la consists in a circuit integrated for the
sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen que comprende un píxel activo digital ( DPS) que incorpora, un sensor óptico, un filtro paso-alto para el contraste temporal, un ADC, y un lazo de enganche de fase digital tuning of time contrast in image sensors comprising a digital active pixel (DPS) incorporating, an optical sensor, a high-pass filter for time contrast, an ADC, and a phase hook loop
(Phase-Locked Loop, PLL) para la sintonía digital del filtro paso-alto. Dicho PLL se encarga de generar localmente dentro de cada celda DPS la corriente de sintonía Itune necesaria para el filtro paso-alto de contraste temporal según la frecuencia ftune de las señales digitales externas de control. (Phase-Locked Loop, PLL) for the digital tuning of the high-pass filter. Said PLL is in charge of generating locally within each DPS cell the Itune tuning current necessary for the high-pass filter of temporal contrast according to the ftune frequency of the external digital control signals.
En comparación con las referencias del estado de la técnica actual ya mencionadas anteriormente la invención permite incrementar la robustez de la sintonía del contraste temporal de cada DPS), ya que a nivel de plano focal se distribuye uno o varios reloj es digitales de frecuencia ftune en vez de una corriente analógica Itune de integridad más débil. Asimismo, mediante el aparejamiento por diseño del filtro paso-alto y de su PLL correspondiente se puede obtener una baja sensibilidad de la sintonía del contraste temporal respecto a las variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación. In comparison with the references of the current state of the art already mentioned above, the invention allows increasing the robustness of the tuning of the temporal contrast of each DPS), since at the focal plane level one or more digital clocks with a frequency of ftune frequency are distributed in instead of a weaker integrity analog Itune current. Also, by matching the high-pass filter and its corresponding PLL by design, it is possible to obtain a low sensitivity of the time contrast tuning with respect to variations in both the integration technology and the operating temperature.
A su vez, el bloque PLL de sintonía digital incorpora un detector de fase y frecuencia (Phase-Frequency Detector, PFD), una bomba de carga (Charge-Pump, CP), una capacidad de lazo, un convertidor tensión-corriente (V/I), y un oscilador controlado por corriente (Current-Controlled Oscillator, CCO). In turn, the digital tuning PLL block incorporates a phase and frequency detector (Phase-Frequency Detector, PFD), a load pump (Charge-Pump, CP), a loop capacity, a voltage-current converter (V / I), and a Current-Controlled Oscillator (CCO).
El principio de funcionamiento del bloque PLL de The working principle of the PLL block of
sintonía digital del contraste temporal es el siguiente: la frecuencia ftune de las señales digitales de control externas a la celda DPS se compara con la propia frecuencia interna del CCO local mediante el PFD; la señal de error en fase resultante se envía a la CP para Digital tuning of the time contrast is as follows: the ftune frequency of the digital control signals external to the DPS cell is compared to the local CCO's own internal frequency using the PFD; the resulting in-phase error signal is sent to the CP for
- ser to be
- amplificada en la capacidad en forma de tensión de amplified in the capacity in shape of tension of
- sintonía attunement
- Vtune; dicha tensión se convierte luego a la Vtune; bliss tension I know turns then to the
- corriente stream
- Itune utilizando el convertidor V/I; la Itune using the converter SAW; the
- corriente stream
- de sintonía resultante se deriva hacia el of attunement resulting I know drift toward the
filtro paso-alto para la sintonía del contraste temporal pero también hacia el CCO. Gracias a la operación en lazo cerrado con realimentación negativa de todo el bloque PLL y asegurando unas constantes de tiempo adecuadas, la frecuencia de oscilación del eco se engancha a la frecuencia ftune de las señales digitales externas de control. Por lo tanto, asegurando un aparejamiento por diseño del filtro paso-alto y del eco, se puede obtener una sintonía de la frecuencia de corte del contraste temporal en función de la propia frecuencia externa ftune. A diferencia de la sintonía comentada en el Estado de la Técnica Actual, en el nuevo esquema de la presente invención no es necesario distribuir dentro del plano focal la corriente analógica de sintonía Itune' puesto que ésta se genera localmente dentro de cada celda DPS en función de la frecuencia ftune de las señales digitales de control externas al plano focal. El cambio del dominio analógico al digital de la sintonía del contraste temporal ya permite aumentar intrínsecamente su integridad frente a acoplamientos (crosstalk) debidos a otras celdas DPS. Además, la corriente Itune generada mediante el esquema de la nueva invención, puede ser ligeramente diferente en cada celda DPS si así lo requiere cada filtro paso-alto, caso no posible mediante high-pass filter for tuning the time contrast but also towards the BCC. Thanks to the closed-loop operation with negative feedback of the entire PLL block and ensuring adequate time constants, the echo oscillation frequency is hooked to the ftune frequency of the external digital control signals. Therefore, by ensuring a pairing by design of the high-pass filter and the echo, a tuning of the cutoff frequency of the temporal contrast can be obtained as a function of the external frequency ftune itself. Unlike the tuning discussed in the Current State of the Art, in the new scheme of the present invention it is not necessary to distribute within the focal plane the analog tuning current Itune 'since it is generated locally within each DPS cell based on of the ftune frequency of the digital control signals external to the focal plane. Changing from analog to digital domain of time contrast tuning already allows intrinsically increased integrity against crosstalk due to other DPS cells. In addition, the Itune current generated by the scheme of the new invention may be slightly different in each DPS cell if required by each high-pass filter, if not possible by
el las invenciones del Estado de la Técnica. Por lo tanto, el nuevo sistema de sintonía digital del contraste temporal también permite la compensación de las derivas causadas por desviaciones de la tecnología de integración the inventions of the State of the Art. Therefore, the new digital time contrast tuning system also allows compensation for drifts caused by deviations in integration technology.
o por la simple fluctuación de la temperatura de operación del plano focal. or by the simple fluctuation of the operating temperature of the focal plane.
Así pues, el circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen descrito en la presente solicitud comprende al menos un píxel activo digital donde cada pixel activo digital comprende al menos: Thus, the integrated circuit for digital tuning of time contrast in image sensors described in the present application comprises at least one digital active pixel where each digital active pixel comprises at least:
i) un sensor óptico que genera como salida una corriente Isens en función de una potencia de iluminación incidente captada por el sensor; i) an optical sensor that generates an Isens current as a function of an incident lighting power captured by the sensor;
ii) un filtro paso-alto sintonizable por corriente que genera una corriente efectiva Ieff a partir de la corriente Isens de entrada, siendo la corriente efectiva Ieff la salida del circuito integrado que proporciona una medida del contraste temporal del píxel activo digital ii) a current tunable high-pass filter that generates an effective current Ieff from the input current Isens, the effective current Ieff being the output of the integrated circuit that provides a measure of the temporal contrast of the digital active pixel
que adicionalmente comprende un lazo de enganche de fase que genera una corriente Itune a partir de una señal de frecuencia ftune generada por unas señales digitales externas de control, siendo la corriente Itune la corriente de sintonización del filtro paso-alto sintonizable. additionally comprising a phase-locked loop that generates an Itune current from a ftune frequency signal generated by external digital control signals, the Itune current being the tuning current of the tunable high-pass filter.
En una realización de la invención, el lazo de enganche de fase del circuito al menos comprende: In one embodiment of the invention, the phase locked loop of the circuit at least comprises:
iii) un detector de fase y frecuencia que recibe como entrada la señal de frecuencia ftune procedente de las señales digitales externas de control y una señal de frecuencia fcco procedente de un oscilador controlado por corriente y genera como salida una señal digital de error de fase; iii) a phase and frequency detector that receives as input the ftune frequency signal from the external digital control signals and a fcco frequency signal from a current controlled oscillator and outputs a digital phase error signal;
iv) una bomba de carga que recibe como entrada la iv) a charge pump that receives as input the
señal digital de error de fase y genera una señal de error en corriente a la salida; digital phase error signal and generates a current error signal at the output;
v) una capacidad de lazo que recibe como entrada la señal de error en corriente y la integra en forma de tensión Vtune; v) a loop capacity that receives the current error signal as input and integrates it as Vtune voltage;
vi) un convertidor tensión-corriente que transforma la tensión Vtune que recibe a la entrada en la corriente Itune de salida, siendo la corriente Itune la corriente que sintoniza el filtro paso-alto sintonizable; vi) a voltage-current converter that transforms the Vtune voltage received at the input into the output Itune current, the Itune current being the current tuned by the tunable high-pass filter;
vii) el oscilador controlado por corriente que recibe como entrada la corriente Itune de salida del convertidor-tensión corriente y genera como salida la señal de frecuencia fcco. vii) the current-controlled oscillator that receives the Itune output current of the converter-current voltage as input and generates the frequency signal fcco as output.
En otra realización de la invención, el filtro paso-alto sintonizable por la corriente Itune y el oscilador controlado por la misma corriente Itune están constituidos por las mismas estructuras tecnológicas básicas y operan a la misma temperatura. In another embodiment of the invention, the high-pass filter tunable by the Itune current and the oscillator controlled by the same Itune current are made up of the same basic technological structures and operate at the same temperature.
En otra realización de la invención, el circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal comprende un convertidor analógico/digital situado a la salida del filtro paso-alto sintonizable para generar un valor de lectura digital de iluminación dout a partir de la corriente efectiva Ieff de entrada. In another embodiment of the invention, the integrated circuit for digital tuning of time contrast comprises an analog / digital converter located at the output of the tunable high-pass filter to generate a dout illumination digital reading value from the effective current Ieff input.
Figura 1: Muestra un esquema general de la matriz de plano focal formada por píxeles activos digitales. En la misma figura se describe la estructura interna de la celda DPS tal y cómo se fabrica actualmente. Figure 1: Shows a general diagram of the focal plane matrix formed by digital active pixels. The same figure describes the internal structure of the DPS cell as it is currently manufactured.
Figura 2: Muestra la nueva topología para la sintonía digital del contraste temporal propuesta en la invención. Figure 2: Shows the new topology for the digital tuning of the time contrast proposed in the invention.
Figura 3: Muestra la estructura interna del PLL para Figure 3: Shows the internal structure of the PLL for
la sintonía digital del filtro paso-alto. the digital tuning of the high-pass filter.
- Figura Figure
- 4a: Muestra un ejemplo de realización del 4th: Shows a example of realization of the
- filtro filter
- paso alto sintonizable para el circuito de He passed high tunable for the circuit of
- sintonía attunement
- digital del contraste temporal propuesto en la digital of the contrast temporary proposed in the
- invención. invention.
Figura 4b: Muestra un ejemplo de realización del PLL para el circuito de sintonía digital del contraste temporal propuesto en la invención. Figure 4b: Shows an example of embodiment of the PLL for the digital tuning circuit of the time contrast proposed in the invention.
Figura 5: Muestra el funcionamiento del ejemplo de realización de la nueva topología para la sintonía digital del contraste temporal propuesta en la invención y descrita en la Figura 4. Figure 5: Shows the operation of the exemplary embodiment of the new topology for digital tuning of time contrast proposed in the invention and described in Figure 4.
Figura 6: Muestra un ejemplo de los resultactos de simulación eléctrica del ejemplo de realización de la nueva topología para la sintonía digital del contraste temporal propuesta en la invención. Figure 6: Shows an example of the electrical simulation results of the exemplary embodiment of the new topology for digital tuning of time contrast proposed in the invention.
Seguidamente se realizan, con carácter ilustrativo y no limitativo, una descripción de varios ejemplos de realización de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras. Next, a description of several embodiment examples of the invention are made, by way of illustration and not limitation, with reference to the numbering adopted in the figures.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de un dispositivo perteneciente al estado de la técnica donde la matriz de plano focal (101) está formada por píxeles activos sensores (102) , cada uno conteniendo tanto el elemento sensor óptico ( 1 O 4) , que capta la potencia de iluminación incidente ( 1 O 3) y la convierte a una corriente equivalente Isens (105), así como su circuito individual de pre-procesado de señal. Dicho dispositivo comprende tener el convertidor analógico-digital ( 1 O 8) dentro del propio APS (102), dando lugar a píxeles activos digitales (102) que suministran directamente a Figure 1 shows an example of embodiment of a device belonging to the state of the art where the focal plane matrix (101) is formed by active sensor pixels (102), each containing both the optical sensor element (1 O 4), It captures the incident lighting power (1 O 3) and converts it to an equivalent current Isens (105), as well as its individual signal pre-processing circuit. Said device comprises having the analog-digital converter (1 O 8) within the APS itself (102), giving rise to digital active pixels (102) that supply directly to
su salida la lectura digital de su iluminación dout (109). Además comprende un filtro paso-alto (106) entre la señal captada por el sensor óptico Isens ( 1 O5) y la señal efectiva Ieff (107) que llega a la etapa ADC (108). its output the digital reading of its dout lighting (109). It also includes a high-pass filter (106) between the signal captured by the Isens optical sensor (1 O5) and the effective signal Ieff (107) that reaches the ADC stage (108).
La figura 2 muestra un ejemplo de realización de la presente invención para celdas DPS (102), en el que se detalla una posible implementación circuital de la nueva sintonía digital del contraste temporal mediante PLL Figure 2 shows an example of embodiment of the present invention for DPS cells (102), in which a possible circuit implementation of the new digital tuning of time contrast using PLL is detailed.
(201), incluyendo también el propio filtro paso-alto (106). Este ejemplo de realización se ha diseñado y simulado eléctricamente para una tecnología CMOS de (201), also including the high-pass filter itself (106). This exemplary embodiment is designed and electrically simulated for a CMOS technology of
O. 35pm alimentada a 3. 3V, aunque la misma invención es válida para una tecnología CMOS más moderna de O.15pm alimentada a 1.8V. O. 35pm powered at 3. 3V, although the same invention is valid for a more modern CMOS technology than O.15pm powered at 1.8V.
Dicho ejemplo de realización circuito comprender un píxel activo digital que incorpora, un sensor óptico (104), un filtro paso-alto (106) para el contraste temporal, un ADC ( 1 O8) , y un lazo de enganche de fase (PLL) (201) para la sintonía digital del filtro paso-alto Said exemplary embodiment of the circuit comprises a digital active pixel incorporating, an optical sensor (104), a high-pass filter (106) for temporal contrast, an ADC (1 O8), and a phase hook loop (PLL) (201) for the digital tuning of the high-pass filter
(106) Dicho PLL (201) se encarga de generar localmente en cada celda DPS (102) la corriente de sintonía Itune (106) Said PLL (201) is in charge of generating locally in each DPS cell (102) the Itune tuning current
(11 O) necesaria para el filtro paso-alto ( 1 O6) de contraste temporal según la frecuencia ftune (202) de las señales digitales externas de control. (11 O) necessary for the high-pass filter (1 O6) of temporal contrast according to the ftune frequency (202) of the external digital control signals.
La figura 3 muestra el ejemplo de realización con una vista del PLL más detallada. Así, el bloque PLL (201) de sintonía digital incorpora a su vez un detector de fase y frecuencia (PFD) (302), una bomba de carga (CP) FIG. 3 shows the exemplary embodiment with a more detailed view of the PLL. Thus, the digital tuning PLL block (201) in turn incorporates a phase and frequency detector (PFD) (302), a charge pump (CP)
(303), una capacidad de lazo (304), un convertidor tensión-corriente (V/I) (306), y un oscilador controlado por corriente (CCO) (301). (303), a loop capacity (304), a voltage-current (V / I) converter (306), and a current controlled oscillator (CCO) (301).
El principio de funcionamiento del ejemplo del ejemplo de realización de la invención es el siguiente: la frecuencia ftune (202) de las señales digitales de The operating principle of the example of the embodiment of the invention is as follows: the frequency ftune (202) of the digital signals of
control externas a la celda DPS (102) se compara con la propia frecuencia interna del eco (301) local mediante el PFD (302); la señal de error en fase resultante se envía a la CP (303) para ser amplificada en la capacidad (304) en forma de tensión de sintonía Vtune (305); dicha tensión se convierte 1 u ego a la corriente Itune (11 O) utilizando el convertidor V/I (306); la corriente de sintonía resultante se deriva hacia el filtro paso-alto (106) para la sintonía del contraste temporal pero también hacia el eco (3O1) . Gracias a la operación en lazo cerrado con realimentación negativa de todo el bloque PLL (201) y asegurando unas constantes de tiempo adecuadas, la frecuencia de oscilación del eco (301) se engancha a la frecuencia ftune ( 2 02) de las señales digitales externas de control. Por lo tanto, asegurando un aparejamiento por diseño del filtro paso-alto (106) y del eco (301)' se puede obtener una sintonía de la frecuencia de corte del contraste temporal en función de la propia frecuencia externa ftune (202). External control to the DPS cell (102) is compared to the local internal echo frequency (301) itself through the PFD (302); the resulting in-phase error signal is sent to the CP (303) to be amplified in the capacity (304) in the form of the tuning voltage Vtune (305); said voltage is converted 1 u ego to the Itune current (11 O) using the V / I converter (306); the resulting tuning current is diverted to the high-pass filter (106) for tuning the time contrast but also to the echo (3O1). Thanks to the closed-loop operation with negative feedback of the entire PLL block (201) and ensuring adequate time constants, the oscillation frequency of the echo (301) is hooked to the ftune frequency (2 02) of the external digital signals of control. Therefore, by ensuring a design pairing of the high-pass filter (106) and the echo (301) ', a tuning of the cutoff frequency of the temporal contrast can be obtained as a function of the external frequency ftune (202) itself.
Según se muestra en las figura 4a y 4b, el bloque filtro paso-alto (106), más concretamente mostrado en la figura 4a, para el contraste temporal se implementa en este caso mediante un filtro paso-bajo que realimenta las componentes de baja frecuencia Ibias ( 4 O1) para ser sustraídas de la señal Isens ( 1 O5) generada por el sensor óptico ( 1 O4) con el fin de obtener la señal efectiva Ieff As shown in Figures 4a and 4b, the high-pass filter block (106), more specifically shown in Figure 4a, for the temporal contrast is implemented in this case by means of a low-pass filter that feeds back the low-frequency components. Ibias (4 O1) to be subtracted from the Isens signal (1 O5) generated by the optical sensor (1 O4) in order to obtain the effective signal Ieff
(107). Esta señal efectiva se integra en Cint (412) para ser enviada a la etapa de conversión analógico-digital en forma de tensión Veff (413). El filtro paso-bajo de realimentación se realiza en este caso mediante técnicas de diseño del dominio logarítmico y se compone de: el compresor de entrada implementado mediante el transistor MOS de efecto campo tipo N (N-type MOS Field Effect Transistor, NMOSFET) M1 (409) encargado de calcular la (107). This effective signal is integrated into Cint (412) to be sent to the analog-digital conversion stage in the form of a Veff voltage (413). The low-pass feedback filter is performed in this case using logarithmic domain design techniques and consists of: the input compressor implemented using the N-type MOS Field Effect Transistor (NMOSFET) M1 (409) responsible for calculating the
tensión equivalente logarítmica Vsens (408); la red MOS-C paso-bajo implementada mediante el NMOSFET M3 (406) y la propia capacidad NMOS Cbias (404) que realiza el filtrado de Vsens ( 4 O8) en el dominio logarítmico para obtener V bias ( 4 O3) ; y finalmente el expansor M2 ( 4 02) que obtiene las componentes de baja frecuencia Ibias (401) de vuelta en el dominio de la corriente para ser extraídas de Isens (105). Los espejos de corriente formados por los transistores M5 logarithmic equivalent stress Vsens (408); the low-pass MOS-C network implemented by means of the NMOSFET M3 (406) and the NMOS Cbias capacity itself (404) that performs the filtering of Vsens (4 O8) in the logarithmic domain to obtain V bias (4 O3); and finally the expander M2 (4 02) that obtains the low frequency components Ibias (401) back in the current domain to be extracted from Isens (105). The current mirrors formed by M5 transistors
(405), M6 (410) y M7 (411) tienen una doble funcionalidad: llevar a cabo la sustracción simétrica de Ibias ( 4 O1) a la salida, así como copiar opcionalmente dicha Ibias (401) para ser reutilizada como corriente de polarización en otros circuitos de la celda DPS (102) . Para este ejemplo de realización del filtro paso-alto, la sintonía analógica del contraste temporal viene dada por el nivel de corriente Itune (110) que, mediante el NMOSFET M4 (407), se encarga de modular la resistencia no-lineal del dispositivo M3 (406) con el fin de controlar la frecuencia de corte del filtro paso-alto (106) del contraste temporal. (405), M6 (410) and M7 (411) have a double functionality: carry out the symmetric subtraction of Ibias (4 O1) at the output, as well as optionally copy said Ibias (401) to be reused as a bias current in other DPS cell circuits (102). For this example of realization of the high-pass filter, the analog tuning of the time contrast is given by the Itune current level (110) which, by means of the NMOSFET M4 (407), is in charge of modulating the non-linear resistance of the M3 device (406) in order to control the cutoff frequency of the high-pass filter (106) of the time contrast.
Justamente, el nivel de corriente Itune (11 O) de sintonía se genera localmente a través de la implementación propuesta en la figura 4b para el bloque PLL ( 2 O1) y que se compone: una puerta lógica tipo NOR Precisely, the tune current level Itune (11 O) is generated locally through the implementation proposed in figure 4b for the PLL block (2 O1) and which is made up: a NOR type logic gate
(416) y otra de tipo NAND (417) para la función de PFD (416) and another NAND type (417) for the PFD function
(302) con las correspondientes señales digitales de retroceso slow (418) y de avance fast (419) de fase y frecuencia; los transistores MOS tipo-P M8 (420) y tipo-N M9 (421) que implementan la CP (303) encargada de cargar y decargar la capacidad MOS de lazo ( 3 O4) y controlar así la tensión de sintonía Vtune (305); los transistores MOS tipo-P M10 (422), M11 (423) y M12 (424) que llevan a cabo la conversión V/I (306) para generar la corriente de sintonía Itune (11 O) tanto del filtro paso- (302) with the corresponding digital slow reverse (418) and fast forward (419) phase and frequency signals; the M8 (420) and N-type M9 (421) M-type MOS transistors that implement the CP (303) in charge of charging and discharging the loop MOS capacity (3 O4) and thus control the tuning voltage Vtune (305) ; P-type MOS transistors M10 (422), M11 (423) and M12 (424) that carry out the V / I conversion (306) to generate the Itune tuning current (11 O) of both the step filter-
alto (106) para contraste temporal como del oscilador controlado por corriente (301); y finalmente el propio oscilador controlado por corriente (301) implementado en este caso por la red de relajación M13 (425), M14 (426), M15 (427), Ceeo (431) y los interruptores (428,429) que generan la frecuencia de la señal digital ceo (432) a través de su representación analógica Veeo (430). high (106) for time contrast such as from the current controlled oscillator (301); and finally the current controlled oscillator (301) implemented in this case by the relaxation network M13 (425), M14 (426), M15 (427), Ceeo (431) and the switches (428,429) that generate the frequency of the digital signal ceo (432) through its analog representation Veeo (430).
El principio básico de funcionamiento del ejemplo de realización de la invención se ilustra mediante el cronograma de la Figura 5. En base a la diferencia de fase y frecuencia entre las señales digitales ceo (432), del oscilador interno (301), y tune2 (415), de la sintonía externa, se generan los controles digitales de retroceso slow (418) y de avance fast (419). Dado que el umbral de cruce por cero Vth (501) del oscilador de relajación es fijo así como el intervalo de cruce definido por tune1 (414), el cambio de frecuencia de Veeo The basic principle of operation of the embodiment of the invention is illustrated by the schedule in Figure 5. Based on the difference in phase and frequency between the digital signals ceo (432), the internal oscillator (301), and tune2 ( 415), from the external tuning, the digital slow reverse (418) and fast forward (419) controls are generated. Since the relaxation oscillator's zero crossing threshold Vth (501) is fixed as well as the crossing interval defined by tune1 (414), the frequency change of Veeo
(430), y en consecuencia de ceo (432), se realiza mediante la modulación de la corriente Itune (11 O) que controla a su vez al propio filtro paso-alto (10 6) de contraste temporal. En consecuencia, la frecuencia fe de corte a -3dB de dicho filtro paso-alto (106) de contraste temporal se sintoniza automáticamente a fe= (1/rr) * (Ceeo/Cbias) *ln [ (1+Y) / (1+1/X)] *ftune• (430), and consequently ceo (432), is performed by modulating the Itune current (11 O), which in turn controls the time-contrast high-pass filter (10 6) itself. Consequently, the cutoff frequency fe at -3dB of said high-pass filter (106) of temporal contrast is automatically tuned to fe = (1 / rr) * (Ceeo / Cbias) * ln [(1 + Y) / ( 1 + 1 / X)] * ftune •
En base al circuito descrito en la Figura 4 y el principio de operación de la Figura 5, los resultados de la simulación eléctrica para el caso de diseño Based on the circuit described in Figure 4 and the operating principle of Figure 5, the results of the electrical simulation for the design case
(Ceeo/Cbias) =15, X=1 e Y=2 se presentan en la Figura 6. El gráfico demuestra la linealidad que presenta la frecuencia fe (601) de corte a -3dB del filtro paso-alto (Ceeo / Cbias) = 15, X = 1 and Y = 2 are presented in Figure 6. The graph demonstrates the linearity of the cutoff frequency fe (601) at -3dB of the high-pass filter.
(106) de contraste temporal de la celda DPS (102) respecto a la frecuencia ftune ( 2 02) de las señales digitales externas de sintonía. Además, dicha linealidad se mantiene en un amplio rango de frecuencias no solo (106) of temporal contrast of the DPS cell (102) with respect to the frequency ftune (2 02) of the external digital tuning signals. Furthermore, said linearity is maintained over a wide frequency range not only
para el caso temperatura 60°C (603) y (604). Esta for the case temperature 60 ° C (603) and (604). This
5 clásica del Figura l. típico de la tecnología CMOS empleada y para ambiente de 27°C (602), sino también para para el caso más lento de la tecnología CMOS robustez no se obtiene mediante la solución Estado de la Técnica actual ilustrada en la 5 classic of Figure l. typical of the CMOS technology used and for an environment of 27 ° C (602), but also for the slowest case of CMOS technology, robustness is not obtained by means of the current State of the Art solution illustrated in the
Claims (4)
- 2. 2.
- Circuito integrado para la sintonía digital del Circuit integrated for the digital tuning of the
- contraste contrast
- temporal en sensores de imagen, según la temporary in sensors of image, according the
- reivindicación vindication
- 1, caracterizado porque el lazo de one, characterized why the tie of
- enganche hitch
- de fase al menos comprende: of phase to the less understands:
- 3. 3.
- Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen, según la reivindicación 2, caracterizado porque el filtro paso-alto sintonizable por la corriente Itune y el oscilador controlado por la misma corriente Itune están constituidos por las mismas estructuras tecnológicas básicas y operan a la misma temperatura. Integrated circuit for digital tuning of time contrast in image sensors, according to claim 2, characterized in that the high-pass filter tunable by the Itune current and the oscillator controlled by the same Itune current are made up of the same basic technological structures and operate at the same temperature.
- 4. Four.
- Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un convertidor analógico/digital situado a la salida del filtro paso-alto sintonizable que genera un valor de lectura digital de iluminación dout a partir de la corriente efectiva Ieff de entrada. Integrated circuit for digital tuning of time contrast in image sensors, according to claim 1, characterized in that it comprises an analog / digital converter located at the output of the tunable high-pass filter that generates a digital reading value of dout lighting from the effective input current Ieff.
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