JP4912952B2

JP4912952B2 - 電荷を均等化する改良されたアナログ／デジタル変換器マイクロ電子デバイス

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Publication number: JP4912952B2
Application number: JP2007136720A
Authority: JP
Inventors: アルノー・ペイゼラ
Original assignee: コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: EP1860778B1; ATE426949T1; EP1860778B8; EP1860778A1; FR2901653A1; FR2901653B1; US20070285300A1; DE602007000745D1; JP2007329913A; US7541964B2

Description

本発明は、特にCMOS技術を使用したマイクロ電子撮像センサまたは画像センサの分野に関する。本発明は、各々が検出器および特に非同期のアナログ/デジタル変換器を含む1つまたは複数の画素と、調整可能な電荷注入機構とを備えたマイクロ電子デバイスに関する。

本発明はまた、そのようなデバイスに指令を与える方法にも関する。本発明により、特に改善された変換動作を得ることができる。

マイクロ電子撮像デバイスまたは画像センサは一般に、マトリクス状の画素と電子制御デバイスによって形成される。各画素は、例えば、画素上の入射光子のエネルギーを電子正孔対に変換するために設けられた少なくとも1つのフォトダイオードまたは少なくとも1つのフォトトランジスタ、およびそれらの電荷を蓄える役割を果たす積分容量を備えた検出器と、1つまたは複数のトランジスタとを備える。画素マトリクスは出力でアナログ信号を提供し、指令デバイスはその信号をデジタル信号に変換することができる。アナログ/デジタル変換は、場合によっては、画素マトリクスが集積されたチップの内部で実施することもできる。

米国特許第5461425号明細書は、アナログ信号を提供する画素マトリクスと、画素マトリクスと同じ集積回路チップ上に集積され、各々が1つまたは複数の画素、例えば4画素からなるグループに関係する複数のアナログ/デジタル変換器とを備えた撮像装置を提示している。この明細書に開示されたマイクロ電子デジタイジングデバイスが図1に示されている。このデジタイジングデバイスは、光検出器から供給された電流Idetの形の電荷を受け取るように設計された積分コンデンサ1と、クロック4によって駆動されるコンパレータ3とを備えた同期変調器ΔΣ2によって形成される。コンパレータ3は、コンパレータ3の出力に接続され、コンパレータ3への入力としてコンデンサ1に電荷パケットを注入するように設計された電荷注入器6に指令を出す。変調器ΔΣ2はビットストリームを提供する。このビットストリームは、画素マトリクスとデジタイジングデバイスが集積されたチップの外側に配置されたデジタルフィルタ8、例えばデシメーティングフィルタ(decimating filter)を使用してフィルタリングすることができる。このようなデジタイジングデバイスは一般に良好な線形性を有するが、一般には比較的低い分解能しか実現することができない。

L.G.McIlrathの論文、「A Low Power Low-Noise Ultrawide-Dynamic Range CMOS Imager With Pixel-Parallel A/D Conversion」、IEEE、JSSCC、vol.36、no.5、2001年5月号は、非同期変調器ΔΣ5を備え、撮像装置の画素に組み込まれたデジタイジングデバイスの一変形形態を開示しており、それを図2に示す。この変調器ΔΣ5はコンパレータ3を備え、コンパレータ3は基準電圧Vrefでのリセットスイッチ7に指令を出す。変調器ΔΣ5は、デジタルフィルタ8に送ることができるビットストリームも提供する(図2)。このようなデバイスでは、非常に広い動作範囲、例えば約15から17ビットを得ることができる。その見返りとして、実行されるデジタイジングは積分容量1の線形性に依存することになり、特に光検出器から提供される検出電流Idetが大きいときには線形性が不十分になる。

「チャージバランス(charge balancing)」デバイスと呼ばれる、撮像装置に組み込まれた他の種類のアナログ/デジタル変換デバイスが、Mazza他の論文、「A 64-channel wide dynamic range charge measurement ASIC for strip and pixel ionization detectors」、IEEE、trans. On nuclear science、vol. 52、no.4、2005年8月号に記載されている。このデバイスは、コンパレータ13の入力および電荷注入器19に接続された検出器11の出力に、積分コンデンサ10を備える。このデジタイジングデバイスのある動作モードが図4Aに示されており、特に、「ロー(low)」と呼ばれる第1の範囲の電流に属する検出電流Idet、および/またはI_DETτ<Q₀となるような検出電流Idetに対する、コンパレータ13の出力のScomp信号とコンパレータ13の入力のVintの例が示されている。ここで、τはコンパレータ13のスイッチングの遅延定数、Q₀は注入器19によってコンデンサ10に流すことができる一定電荷の量である。この動作モードでは、積分コンデンサ10が検出器からの電荷を受け取ったときに、電圧Vintまたはアナログ信号Vintが変化し、例えば減少する(このような変化は、例えば図4Aの減少カーブ21の部分によって示される)。この変化の大きさは、検出電流Idetの強さに依存する。次に、この変化に続いて、アナログ信号または電圧Vintはある閾値に達し、例えばコンパレータ13の閾値電圧Vthresholdを下回る。閾値Vseuilに達すると、τで示された遅延時間の後に、コンパレータ13の出力の信号Scompが切り換わる。この切り換えの間に、コンパレータ13の出力の信号Scompは、「安定」状態と呼ばれる第1の状態、例えばハイ(high)の状態から第2の状態、例えばロー状態に変化する。このような切り換わりは、例えば、図4Aにおける前端の立下りエッジ23によって示されている。信号Scompの状態の変化は、注入器19による一定の電荷量Q₀の注入を起動する。このような電荷の注入により、例えば信号Vintを(図4Aの曲線の24で示された垂直部分で)約Q₀/Cの値だけ増大させること
ができる。図4Aにおいては、注入によって生じた信号Vintの増加は、この信号Vintがコンパレータ13の閾値電圧より高い値に達するようなものであり、コンパレータの出力が再び切り換わる、すなわち信号Scompが第2の状態から第1の状態に変化する(参照番号25の前端)、すなわち安定状態に切り換わるのに十分なものである。この最初の動作モードでは、コンパレータ13の出力の信号Scompは、各電荷の注入の後で、その安定状態に戻るかまたは第1の状態に切り換わる。検出器11から供給された電荷を平衡させるために注入器19が実施した注入の回数は、検出器11から供給された総電荷の量を表すデジタル値をもたらすことができる。

このようなデバイスについては、デジタイジングはコンパレータ13の速度の影響を受けやすく、速度が遅すぎる場合、例えば時定数τがτ>(Q₀/I_DET)であるような場合には、デジタイジングを予め遮断することができる。このような遮断は、図4Bに示されている(第2の状態またはロー状態に拘束されたコンパレータの出力信号Scompを表す曲線の部分31)。
米国特許第5461425号明細書 L. G. McIlrath、「A Low Power Low-Noise Ultrawide-Dynamic Range CMOS Imager With Pixel-Parallel A/D Conversion」、IEEE、JSSCC、vol. 36、no.5、2001年5月 Mazza and al.、「A 64-channel wide dynamic range charge measurement ASIC for strip and pixel ionization detectors」、IEEE、trans. On nuclear science、vol. 52、no.4、2005年8月

しかし、良好な線形性と良好な変換動作を有し、上述の欠点を有していない、撮像装置の画素に組み込まれる新しいアナログ-デジタル変換デバイスを作り出すという問題が存在している。

まず最初に、本発明は、少なくとも1つの検出器であって、上記検出器に関係するとともに少なくとも上記検出器によって供給される電流に従って変化することができる少なくとも1つのアナログ信号を提供することができる少なくとも1つの積分コンデンサから形成される検出器と、アナログ/デジタル変換手段であって、
- 上記積分コンデンサからアナログ信号を受け取り、上記アナログ信号に従って、「安定状態」と呼ばれる第1の状態または第2の状態からなる2つの状態をとることができる出力信号を提供することができるコンパレータと、
- 上記コンパレータの出力における上記第1の状態から上記第2の状態への状態の変化の後で、上記コンデンサへの所与の量の電荷Q_Cの少なくとも1つの注入によって上記アナログ信号を調整することができる電荷注入器手段と、
- 上記電流の強さに従って上記所与の量の電荷Q_Cを調整することができる、上記電荷注入器手段に対する指令手段と
を備えるアナログ/デジタル変換手段とを備えるマイクロ電子デバイスに関する。

マイクロ電子デバイスは画像センサでもよい。検出器は少なくとも1つの光検出素子によって形成することができる。

電荷注入器手段の指令手段は、2つの状態の信号を受信するように提供することができる。

本発明により、より広い変換動作範囲が得られる。

本発明により、画像取得の前または最中に、どの範囲の光の強度またはどの口径を使用すべきかを規定する必要がなくなる。

可能な一実施形態では、電荷注入器手段は複数の電荷注入器によって形成することができる。

一変形形態では、電荷注入器手段は、電圧によって指令される少なくとも1つのトランジスタの形でもよい。この変形形態では、注入器手段の指令手段は、上記トランジスタに印加される上記電圧を変化させることによって所与の電荷の量Q_Cを調整することができる。

他の変形形態では、注入器手段は、Q_C=I*Tinjになるように、注入の可変継続時間Tinjにわたって一定量の電流Iを積分コンデンサに注入することができる。

マイクロ電子画像センサデバイスの可能な一実施形態では、電荷注入器手段は複数の電荷注入器によって形成され、指令手段は、一連の電荷注入の間に、所与の値の電荷の第1の注入を実施するために第1の電荷注入器または第1の複数の電荷注入器を起動し、上記所与の値に等しい値の電荷の少なくとも1つの他の注入を実施するために上記第1の注入器とは異なる1つの注入器、または上記第1の複数の注入器とは異なる複数の注入器を起動するように提供することができる。

電荷注入器手段が複数の電荷注入器によって形成される上述の実施形態の一変形形態では、指令手段は、一連の電荷注入の各電荷の注入において、指令手段が、前回の電荷注入の間に起動された1つの電荷注入器または複数の電荷注入器とは異なる少なくとも1つまたは複数の注入器を起動するように提供される。

本発明により、技術的なばらつきの影響を制限することもできる。

可能な一実施形態では、注入器手段は、各々が一定量の素電荷Q₀を注入することができる複数の同一の注入器によって形成することができる。

本発明のマイクロ電子画像センサデバイスは、場合によっては複数のフリップフロップを含むカウント手段をさらに備えることができ、電荷注入器手段の指令手段は、各電荷注入Qcごとに、上記フリップフロップから選択された少なくとも1つの所与のフリップフロップの出力の調整を起動することができる。上記所与のフリップフロップは、注入される電荷の量Qcに従って選択される。

可能な一実施形態では、指令手段は、少なくとも1つの所与の電荷注入の間に注入されるようになされた電荷の量Qcを、少なくとも上記所与の電荷注入の前に実施された電荷注入の回数に従って適合させるように提供することができる。

可能な他の実施形態では、指令手段は、少なくとも1つの所与の電荷注入の間に注入されるようになされた電荷の量Qcを、少なくとも上記アナログ信号の最小レベルに従って適合させるように提供することができる。

上記実施形態の一変形形態では、本発明のマイクロ電子画像センサデバイスは、
- コンパレータの出力における信号の、第1の状態から第2の状態への少なくとも1つの状態の変化を識別し、
- 上記状態の変化の後で、上記コンパレータの出力の信号が上記第2の状態にとどまっている限りは、電荷の注入を起動する1つまたは複数の命令を上記指令手段に送出すること
ができるモノステーブルを形成する手段を備えることができる。

このような手段により、特に検出電流が大きいときの変換の遮断を回避することができる。

この変形形態の第1の可能な手段では、指令手段は、起動命令の数が所定の閾値に達しかつコンパレータの出力の信号が第2の状態にとどまっている場合に、少なくとも次の1つの電荷注入に対する電荷の量Qcを増加させるようにさらに提供することができる。

第2の可能な手段は前の手段と組み合わせることができるが、この手段において指令手段は、コンパレータの出力の信号が第1の状態に切り換わったときの、上記状態の変化の後の起動命令の数が所定の閾値以下である場合に、少なくとも次の1つの電荷注入に対する電荷の量Qcを減少させるようにさらに提供することができる。

本発明のマイクロ電子画像センサデバイスでは、アナログ/デジタル変換器手段は、クロックと同期させる必要はなく、非同期でよい。

本発明はまた、少なくとも1つの検出器と、上記検出器に関連する少なくとも1つの積分コンデンサであって、少なくとも上記検出器によって提供される電流に従って変化させることができる少なくとも1つのアナログ信号を提供することができる積分コンデンサとを備えたマイクロ電子デバイスに指令を与える方法にも関連し、この方法は、
- 上記アナログ信号と所定の基準を比較し、「安定状態」と呼ばれる第1の状態または第2の状態をとることができる、比較結果を表す2つの状態の信号を提供するステップと、
- 上記2つの状態の信号の、上記第1の状態から上記第2の状態への遷移を検出するステップと、
- 上記検出の後で、1つまたは複数の電荷の量Qcを上記積分コンデンサに注入するステップと、
- 上記検出器によって提供された上記電流についての少なくとも1つの推定を実施するステップと、
- 上記推定の結果を少なくとも1つの所定の閾値と比較するステップと、
- 上記比較の後で、1つまたは複数の新しい所与の電荷の量Qcを上記コンデンサに注入するステップであって、上記新しい所与の電荷の量Qcが上記比較ステップの結果に従って適合されるステップと
からなる諸ステップを含む。

本方法の可能な一実施形態では、上記検出器によって提供される電流の上記推定は、少なくとも上記アナログ信号の1つのパラメータを使用して実施することができる。

上記推定は、場合によっては少なくとも電荷注入Qcの回数に従って実施することができる。

一変形形態では、上記推定は、少なくともアナログ信号の最小レベルに従って実施することができる。

可能な一実施形態では、上記方法は特に、上記状態の変化の後で、
- コンパレータの出力での上記2つの状態の信号が第2の状態にとどまる限りは、他の2つの状態の信号の形で、1つまたは複数の電荷注入起動命令を発行するステップであって、検出器によって提供された電流についての上記推定が、少なくとも送信された起動命令の数のカウントダウンを使用して実施されるステップを含むことができる。

可能な一実施形態では、コンパレータの出力の信号が第2の状態にとどまっている間に起動命令の数が所定の閾値に達した場合には、本方法は、少なくとも1つの後続の電荷注入に対する電荷量の増加をさらに含むことができる。

可能な他の実施形態では、コンパレータの出力における信号が第1の状態に切り換わったときに、上記状態の変化の後の起動命令の所与の数が所定の閾値以下の場合には、本方法は、少なくとも1つの後続の電荷注入に対する注入される電荷の量の低減をさらに含むことができる。

本発明は、提供された各実施形態の例についての説明を添付の図面を参照しながら読むことによって、より明確に理解されるであろう。各実施形態の例は、単なる例として示されたものであり、決して制限的なものではない。

様々な図面における同一、類似、または均等な部品は、ある図から他の図への切り換えを容易にするために同一の参照番号を有する。

図面を見やすくするために、各図面に示された様々な部品は必ずしも同一の縮尺ではない。

マイクロ電子撮像デバイスまたは画像センサの一部である、本発明のデジタイジングデバイスまたはアナログ/デジタル変換の一例が図5に示されている。デジタイジングデバイスは、デバイス画像センサの画素の検出器50に関係する。デジタイジングデバイスと検出器は、同一の画素および/または同一のチップおよび/または同一の支持体に組み込むことができ、かつ/または同一の集積回路の一部とすることができる。一変形形態では、検出器はデジタイジングデバイス上に組み込むか、またはハイブリッド化することができる。

検出器50は、画素上の入射光子のエネルギーを電子正孔対に変換するために設けられた、少なくとも1つの光検出器素子、例えば少なくとも1つのフォトダイオードまたは少なくとも1つのフォトトランジスタ(図5には示されていない)を備えることができる。光検出器素子は、例えば可視またはX線または赤外などの電磁放射を検出するために提供することができる。

検出器50の出力には、検出器50によって供給された電荷を検出電流Idetの形で受け取るように設計された容量Cの積分コンデンサ110が設けられている。検出器50から供給される電流Idetは、例えば100fAから20nAの間である。コンデンサ110の端子における電圧Vintの形のアナログ信号は特に検出電流Idetに従って変化し、検出電流Idetは自己従属(itself dependent)または検出器50が受け取る光度もしくはフォトンの量の関数である。

デジタイジングデバイスは「電荷平衡(charge equalising)」型であり、コンパレータ130、電荷注入器手段190、コンパレータ130の出力にあるカウント手段200、ならびに電荷注入器手段190とカウント手段200に対する指令モジュール250をさらに備える。

コンパレータ130は、その一方の入力でアナログ信号Vint受け取るように設計され、この信号Vintを閾値電圧Vseuilと比較するように提供される。この比較の結果は、例えばハイの状態とすることができる「安定状態」と呼ばれる第1の状態と、例えばローの状態とすることができる第2の状態とをとることができる、Scompで参照される2つの状態の信号の形でコンパレータ130の出力に生成される。コンパレータ130は、例えば約100nsの時定数τを有することができる。2つの状態のデジタル信号Scompは、具体的にはカウント手段200に提供される。

カウント手段200は、コンパレータ130の出力に配置され、スイッチまたはスイッチデバイス210を形成する手段、およびカウンタ220を形成する手段を備える。カウンタ220は複数のフリップフロップ、例えばN個のフリップフロップ221₀、221₁、...、221_k、...、221_N-1(ここで、kおよびNは整数)によって形成することができる。スイッチ210は、コンパレータ130の出力を、複数のフリップフロップ221₀、221₁、...、221_k、...、221_N-1から選択された少なくとも1つのフリップフロップに接続するために提供される。カウンタ220の出力は、アナログ-デジタル変換の結果を示すように設計される。フリップフロップ221₀、221₁、...、221_k、...、221_N-1の出力は、それぞれ複数のビットBit0、...、BitN-1のうちの1つのビットに関連付けられる。

電荷注入器手段190は、コンパレータ130の出力と積分コンデンサ110の間に配置される。これらの電荷注入器手段190は、電流Idetの変化に続いて、ある電荷量Qcまたは一連の電荷量Qcを積分コンデンサ110に注入することができる。電荷注入器手段190は、コンパレータ130の出力における第1の状態から第2の状態への状態の変化に続いて、コンデンサ110への、それぞれ所与の量の電荷Qcずつの1つまたは複数の注入によってアナログ信号Vintを調整するように提供される。このデバイスでは、手段190によって注入される、「カウンタ電荷」とも呼ばれる電荷の量Qcは変化させることができ、電流Idetの強さに合わせて適合させることができる。カウンタ電荷Qcは、好ましくは、Qc>Idet*τとなる電荷である。

電荷注入器手段190は、スイッチ形成手段195に関連する電荷貯蔵手段193を各々が備えた、複数m(m>0)個の電荷注入器191₁、...、191_mの形でもよい。この場合、カウンタ電荷Qcは、上記複数の注入器191₁、...、191_mから選択された注入器から供給される電荷の和になる。可能な一実施形態では、電荷注入器手段190は、注入されるようになされた様々なカウンタ電荷値Qcが2進数列(binary progression)または2ⁱ(iは整数)の形に従うことができるように起動される、m=2^k(kはゼロ以外の整数)個の電荷注入器を備えることができる。電荷注入器手段190は、互いに同一の複数の電荷注入器191₁、...、191_mによって形成することができる。電荷貯蔵手段193はそれぞれ、それらの貯蔵手段193が関連付けられたスイッチ手段195が遮断されるかまたはオープンかまたは「非導通」と呼ばれる状態のときに、一定量の素電荷Q₀を格納するように適合させることができる。一定の素電荷Q₀は、例えば約2000ホールまたは0.32fCでもよい。電荷貯蔵手段193はそれぞれ、これらの貯蔵手段193が関連付けられた個々のスイッチ手段195が開である、または閉じられる、または「導通」状態にあるときに、一定の素電荷量Q₀を提供することができる。注入器手段190は、カウンタ電荷Qc=p*Q₀(ここで、pはm個の電荷注入器191₁、...、191_mから起動または選択された非ゼロ電荷注入器の数である)、または、場合によっては各々が電荷量Qc=p*Q₀に等しい一連のいくつか連続するカウンタ電荷を、コンパレータ130の入力にあるコンデンサ110に提供することによって信号Vintを調整することができる。注入される電荷の量またはカウンタ電荷Qcは、各電荷注入ごとに変化させることができる。したがって、m個の電荷注入器191₁、...、191_mから起動または選択される電荷注入器の数pは、各電荷注入ごとに変化させることができる。「起動される」注入器とは、それに関連するスイッチが起動される、または閉じられる、または開である、一定の電荷量Q₀を提供する注入器を意味する。このデバイスは、電荷注入器手段190から供給されるカウンタ電荷Qcを適合させる手段を備える。このカウンタ電荷Qcは、検出器50から供給される電流Idetの強さに合わせて適合または調整することができる。一実施例では、電荷注入の間に、注入器手段は、例えば起動された注入器191₁を使用してQ₀に等しい電荷の量Qcを提供し、次いで、続く注入の間に、例えば起動された2つの注入器191₁、191₂を使用して2*Q₀に等しい電荷量Qcを提供することができる。

異なる注入器191₁、...、191_m間の技術的な差に関係する影響を低減することができるように、デジタイジングデバイスは、各電荷注入ごとに、またはある注入と次の注入の間に起動される注入器を入れ換えるように使用することができる。このデバイスは特に、一連の電荷注入の間に、第1の電荷注入器または第1の複数の電荷注入器を起動して所与の値の第1の電荷注入を実施し、次いで第1の注入器とは異なる注入器、または第1の複数の注入器とは異なる複数の注入器を起動して上記所与の値と同じ値の少なくとも1つの他の電荷注入を実施するように提供することができる。上記第1の注入と上記他の注入は連続したものでもよい。一代替実施形態では、このデバイスは、注入器手段190によって実施される一連の電荷注入の間に、各電荷注入において、少なくとも1つの電荷注入器またはいくつかの電荷注入器またはすべての電荷注入器が、前回の電荷注入で選択された電荷注入器とは異なる電荷注入器になるような形で使用することもできる。動作の一例として、電荷注入の間に、注入器手段190は、例えば第1の起動された注入器191₁を使用してQ₀に等しい電荷量Qcを提供し、次いで続く注入の間に、例えば第1の注入器191₁とは異なる第2の起動された注入器191₂を使用してQ₀に等しい電荷量Qcを提供することができる。

指令モジュール250は、その入力端子で、コンパレータ130の出力からの2つの状態の信号Scompと、積分コンデンサ110の端子の信号Vintとを受け取る。カウンタ電荷Qcをコンデンサ110に提供するように設計された注入器191₁、...、191_mの、各注入ごとの選択は、指令モジュール250によって実施される。指令モジュール250は特に、例えば少なくとも1つのオフセットレジスタを使用して、注入器手段190によって実施される1つの注入または各注入ごとに、前回の注入の間に選択された複数の注入器または1つの注入器とは異なる少なくとも1つの注入器を選択するために使用することができる。この実施形態では、指令モジュール250は、信号Vintの段階的な変化に合わせて適合された注入器の数pを、各注入ごとの選択のために提供することもできる。指令モジュール250は、スイッチデバイス210のスイッチを制御するために提供することもできる。各電荷注入ごとに、指令モジュール250は、コンパレータ130の出力に接続されるカウンタ220の入力を、複数のカウンタ入力220からスイッチ210によって選択することができる。したがって、各電荷の注入ごとに、指令モジュール250は、コンパレータ130の出力に対する、フリップフロップ入力211₀、211₁、...、211_k、...、211_N-1から1つのフリップフロップの入力の接続を起動することができる。所与の電荷注入に対する、フリップフロップ入力211₀、211₁、...、211_k、...、211_N-1からの1つのフリップフロップの選択は、この所与の電荷注入で提供されるカウンタ電荷Qcの値に従って実施することができる。1つまたは複数の注入器の選択は、カウント手段200における1つまたは複数のフリップフロップの選択と同時に実施することができる。一動作例では、複数の注入器191₁、...、191_mから単一の注入器が起動されたときは、電荷量Qc=Q₀が注入されるとともに、コンパレータ130の出力は、上記複数のビットBit0、...、BitN-1のうちの第1番目のビットであるBit0に対応する、カウンタ220の第1のフリップフロップ221₀に接続される。複数の注入器191₁、...、191_mから2つの注入器が起動されたときは、電荷量Qc=2*Q₀が注入されるとともに、コンパレータ130の出力は、上記複数のビットBit0、...、BitN-1のうちの第2番目のビットであるBit1に対応する、カウンタ220の第2のフリップフロップ221₁に接続される。複数の注入器191₁、...、191_mからk個の注入器が起動されたときは、電荷量Qc=2^k*Q₀が注入されるとともに、コンパレータ130の出力は、カウンタ220の第(k+1)番目のフリップフロップ221_kに接続される。したがって、指令モジュール250は、各電荷注入ごとに、上記フリップフロップから選択された少なくとも1つの所与のフリップフロップの出力の調整を起動することができ、その際、所与のフリップフロップは、注入されるカウンタ電荷Qcの値に従って選択される。

変換の終了時に、カウンタ220は、デバイスの入力で受け取った電荷の量、または電流Idetのデジタル値を含む。カウンタ220の精度または最小有効ビットは、上記変換の間に注入された最後のカウンタ電荷Qcの値に従って決定される。例えば、変換の間になされた最後の注入がQ₀に等しい場合は、カウンタ220のN個のビットbit0、...、bitN-1が有効になる。例えば、変換の間になされる最後の注入が2*Q₀に等しい他の場合には、カウンタ220のN-1個のビットが有効になる。例えば、変換の間になされる最後の注入が(2^k)*Q₀に等しい他の場合は、カウンタ220のN-K個のビットが有効になる。

本デバイスの、特に指令手段250についての実施形態の一例では、注入のためのカウンタ電荷Qcの値の適合は、この指令モジュール250によって、信号Vintと、特にこの信号Vintにおける注入の頻度Fに従って実施することができる。注入の頻度Fを評価することにより、検出器から供給された電流Idetの推定を実施することが可能になる。

指令モジュール250は、注入の頻度FがF_{seuil_haut}<1/τとなるような第1の所定の閾値F_{seuil_haut}を超えたときに、少なくとも次の電荷注入および、場合によっては後続の複数の電荷注入で、カウンタ電荷Qcを、例えば倍に増加するように使用することができる。例えば、注入されるカウンタ電荷電流が2*Q₀に等しく(図6Aは、コンパレータ130の入力におけるアナログ信号Vintの例を示す)、注入の頻度Fが第1の所与の閾値F_{seuil_haut}に達したか、または超えた場合には、指令モジュール250は、次のカウンタ電荷が4*Q₀に等しくなるように(図6Bに、コンパレータ130の入力における信号Vintを表す)、次の電荷注入で2つの追加の注入器を選択することができる。第2の閾値を使用して、注入の頻度Fが第2の所与の閾値F_{seuil_bas}に達するかまたはそれを下回ったときに、カウンタ電荷Qcを、例えば半分に減少させることもできる。例えば、注入されるカウンタ電荷電流が4*Q₀に等しく(図6B)、注入の頻度Fが第2の所与の閾値F_basを下回った場合には、指令モジュール250は、次のカウンタ電荷が2*Q₀(図6A)に等しくなるように、次の電荷注入のために注入器を2つ少なく選択することができる。

本デバイスの、特に指令手段250についての実施形態の他の例では、指令モジュール250によって選択される注入器の数pまたは注入されるカウンタ電荷Qcの値の適合は、積分電圧Vintの値または振幅に従って実施することができる。カウンタ電荷Qcの適合は特に、積分コンデンサ110の放電後に積分電圧Vintが到達する最小値Vminに従って実施することができる。積分電圧Vintの最小値Vminは、積Idet*τの値についての指示を指令モジュール250に提供する。積分電圧Vintの最小値Vminの推定により、検出器から供給された電流Idetの推定を実施することが可能になり、指令モジュール250が、次のカウンタ電荷Qcの値を積Idet*τの値に合うように適合させることが可能になる。

本発明のデバイスは、互いに同一の注入器によって形成される注入器手段に限定されるものではない。また、本発明は、2ⁱの形の数列に従うカウンタ電荷値Qcに限定されるものでもない。例えば、カウンタ電荷Qc=3*Q₀を注入することができる、本デバイスの一変形形態を提供することもできる。このような変形形態では、カウント手段は、その増分が3で、例えば少なくとも1つの加算器を使用して形成されるカウンタを備えることができる。

本発明のマイクロ電子デバイスは、複数の注入器によって形成される注入器手段に限定されるものではない。

一変形形態では、電荷注入器手段は、例えば電圧によって指令されるトランジスタの形でもよく、その場合、注入器手段の指令手段は、上記トランジスタに印加される上記電圧を調整することによって電荷の量Qcを調整することができる。

他の変形形態では、注入器手段の指令手段は、各注入において、一定量の電流Iを注入して、Qc=I*Tinjとなるように調整することができる注入の可変継続時間Tinjを適合させるように提供することができる。

前述の本発明のデジタイジングデバイスの一変形形態が図7に示されている。この変形形態では、デジタイジングデバイスはさらに、コンパレータ130とカウント手段250の間の、コンパレータ130の出力に配置された、「リトリガ(retriggering)」と呼ばれるモノステーブル300を形成する手段を備える。モノステーブル300は2つの状態の信号Smonoを提供し、クロックおよび/または非同期動作は備えていない。モノステーブル300を使用することにより、コンバータによるデジタイジング実施形態は、コンパレータ130の速さまたはコンパレータ130を起動するための遅延τの影響をほとんど受けることがなくなり、検出器の出力の電流I_DETが大きいときに、コンパレータの出力信号Scompの、図4Bに示されるような遮断を防止することができる。モノステーブル300は、例えば、コンパレータ130から出力信号Scompを受け取るように設計されたフリップフロップによって、いくつかの遅延セルと1つまたは複数の論理ゲートから形成することができる。モノステーブル300は特に、
- コンパレータ130の出力における信号Scompの、第1の状態または安定状態、例えばハイ状態から、第2の状態または不安定状態、例えばロー状態への状態の変化を識別する手段と、
- 上記状態の変化の後で、コンパレータ130の出力の信号Scompが第2の状態または不安定状態にとどまっている限りは、電荷注入のための1つまたは複数の起動命令または起動指令を、信号Smonoによって送出する手段と
を備える。

この変形形態では、指令モジュール250は、350と番号付けられた他の指令モジュールで置き換えられている。デバイスのこの変形形態の指令モジュール350は、その入力で、コンパレータ130の出力信号Scompと、モノステーブル300の出力信号Smonoを受け取る。指令モジュール350は、モノステーブル300から注入起動命令または注入起動指令を受け取ったときに、コンデンサ110に電荷量Qcを提供するように設計された1つまたは複数の注入器191₁、...、191_mを選択するように提供される。指令モジュール350は、カウンタ電荷Qcの各注入ごとに、そのカウンタ電荷Qcの予定された値に従って、コンパレータ130の出力に接続される1つのフリップフロップの入力をフリップフロップ211₀、211₁、...、211_k、...、211_N-1の入力の中から選択することもできる。モノステーブル300は、時定数τ'を有する。時定数τ'は、例えば約60ナノ秒であり、2つの注入起動命令間または2つの注入起動指令間の最小継続時間に対応させることができる。本発明のデバイスは、Idet*τ'>Q₀のときに、例えば図8に示されたような飽和を防ぐために使用される。

デバイスの飽和を避けるために、指令モジュール350は、コンパレータ130の出力における信号Scompの第1の状態から第2の状態への状態の変化の後で、信号Smono中の連続する起動命令または起動指令の数Xiをカウントダウンするために使用することができる。

起動命令の数Xiの評価により、検出器から供給された電流Idetを推定することができる。

連続する起動命令または起動指令の数Xiが多すぎる場合は、好ましくはカウンタ電荷Qcを増加すべきであることを指令ユニット350に指示することができ、一方、連続する起動命令または起動指令の数Xiが少なすぎる場合は、好ましくはカウンタ電荷Qcを減少させるべきであることを指令ユニット350に指示することができる。

コンパレータ130の出力における信号Scompの、第1の状態から第2の状態への状態の変化の後で、指令モジュール350は、モノステーブル300からの出力信号Smonoから、その前の連続した起動命令または起動指令の数Xiをカウントダウンする。コンパレータの出力信号Scompが第2の状態にとどまっている間に、起動命令の数Xiが第1の所定の閾値Seuil_max、例えば4起動命令に達した場合には、指令モジュール350は、次の電荷注入のためのカウンタ電荷Qcの値を増加させる。

コンパレータ130の出力信号Scompが第1の状態に切り換わったときの、上記状態の変化の後の起動命令の数Xiが第2の所定の閾値Seuil_min以下、例えば1起動命令以下である他の場合には、指令モジュール350は、次の電荷注入のためのカウンタ電荷Qcの値を減少させる。

第1の起動閾値Seuil_max=4で使用された上述のデバイスの動作の一例が、図9に、積分コンデンサ110の端子におけるアナログ信号Vintの例を表す曲線400によって示されている。コンパレータ130の出力信号の、第1の状態または安定状態から第2の状態または不安定状態への状態の変化(図示せず)の後で、時間t₀に、第1の電荷注入(曲線400の401で示された部分)が、注入器手段190によってQ₀に等しいカウンタ電荷Qcを用いて実施される。次に、t₀の後の、時間t₀と時間t₁の間に、それぞれQ₀に等しいいくつかの他の電荷注入(曲線400の、それぞれ402、403で示された部分)が、コンパレータ130出力を安定状態に戻すことなく実施される。時間t₁に、第4の電荷注入(曲線400の404で示された部分)が、Q₀に等しいカウンタ電荷で実施される。時間t₁では、電圧VintはVseuilより小さいので、コンパレータ130の出力信号は切り換わることなく第2の状態にとどまる。時間t₁で閾値Seuil_max=4に達したので、指令ユニット350は、次の注入でのカウンタ電荷を増加させる。次の注入(曲線400の405で示された部分)は、2*Q₀に等しい増加されたカウンタ電荷Qcで、時間t₂に実施される。

第2の起動閾値Seuil_min=1を使用した、前述のデバイスの動作についての他の例が、図10に、積分コンデンサ110の端子におけるアナログ信号Vintの例を表す曲線450によって示されている。コンパレータ130の出力信号の、第1の状態または安定状態から第2の状態または不安定な状態への状態の変化(図示せず)の後で、時間t₀において、第1の電荷注入(曲線450の451で示された部分)が、2*Q₀に等しいカウンタ電荷Qcを用いて注入器手段190によって実施される。時間t₀における第1の電荷注入は、コンパレータ130の出力信号Scompを第2の状態または安定状態に切り換えるのに十分な大きさである。時間t₀より前の上記状態の変化とコンパレータ130の出力が再び安定状態に戻る時間の間にモノステーブル300によって送出された注入指令の数Xiが閾値Seuil_minに等しい場合は、指令ユニット350は次の電荷注入のためのカウンタ電荷を減少させる。次に、時間t₁において、第2の電荷注入(曲線450の452で示された部分)が、Q₀に等しい低減されたカウンタ電荷Qcを用いて実施される。

本発明のデバイスによって実施されるアナログデジタル変換の精度に関して、例えば可視光検出などシャッタを使用して撮られる画像の場合、あるいは、例えばX線放射の検出など、検出される放射線源が指令される場合には、本発明を用いることにより、良好な精度を維持しながら改良された変換動動作を得ることができる。

例えば、光検出器50が継続時間Δtにわたって照射された場合、光検出器50は電流Idetを生成するが、生成された電流が大きく、画像センサの動作範囲の変更が必要になることがある。次いで、注入器手段190は、この大電流Idetに応答して、例えば8*Q₀に等しいカウンタ電荷Qcを注入することができる。次に、継続時間Δtの後では、光検出器50はもはや照射されておらず、したがって電流Idetは非常に小さい値、例えば暗電流の値にまで低下する。この場合、デバイスは、注入されるカウンタ電荷Qcの値を一定の素電荷Q₀の値に適合させる。実施される範囲の変化にかかわらず、Q₀の精度を達成することができる。

撮像装置または画像センサの画素マトリクスに組み込まれた同期アナログデジタル変換器と電荷注入機構を備えた従来技術によるデバイスの第1の例を示す図である。撮像装置または画像センサの画素マトリクスに組み込まれた非同期アナログデジタル変換器を備えた従来技術によるデバイスの第2の例を示す図である。撮像装置または画像センサの画素マトリクスに組み込まれた非同期アナログデジタル変換器と電荷注入機構を備えた従来技術によるデバイスの第3の例を示す図である。従来技術によるデバイスの第3の例の一部であるコンパレータの入力および出力信号を使用する、本デバイスの通常動作を示す図である。従来技術によるデバイスの第3の例の一部であるコンパレータの入力および出力信号を使用する、本デバイスのデジタイジング実施形態の遮断を示す図である。撮像装置の画素に組み込まれ、特に調整可能な電荷注入機構を有する電荷注入器手段を備えた本発明のアナログデジタル変換デバイスの一例を示す図である。本発明のデジタイジングデバイスを充電する電荷注入器によって注入されるカウンタ電荷Qcの調整を示す図である。本発明のデジタイジングデバイスを充電する電荷注入器によって注入されるカウンタ電荷Qcの調整を示す図である。撮像装置の画素に組み込まれ、特に変換デバイスの遮断を防止するように設計されたリトリガ手段を備えた、本発明のアナログデジタル変換デバイスの他の例を示す図である。本発明のアナログデジタル変換デバイスのリトリガ手段によって防止することができる飽和の一例を示す図である。撮像装置の少なくとも1つの画素に組み込まれた、本発明のアナログデジタル変換デバイスの電荷注入器手段によって注入される電荷の量の適合または調整の例を示す図である。撮像装置の少なくとも1つの画素に組み込まれた、本発明のアナログデジタル変換デバイスの電荷注入器手段によって注入される電荷の量の適合または調整の他の例を示す図である。

符号の説明

1 積分コンデンサ
2 同期変調器
3 コンパレータ
4 クロック
5 非同期変調器
6 電荷注入器
7 リセットスイッチ
8 デジタルフィルタ
10 積分コンデンサ
11 検出器
13 コンパレータ
19 電荷注入器
50 検出器
110 積分コンデンサ
130 コンパレータ
190 電荷注入器手段
191₁〜191_m 電化注入器
193 電荷貯蔵手段
195 スイッチ手段
200 カウント手段
210 スイッチデバイス
220 カウンタ
221₀〜221_N-1 フリップフロップ
250 指令モジュール
300 モノステーブル
350 指令モジュール、指令ユニット

Claims

少なくとも1つの検出器と、前記検出器に関係する少なくとも1つの積分コンデンサであって少なくとも前記検出器によって供給される電流に従って変化することができる少なくとも1つのアナログ信号を提供することができる積分コンデンサと、アナログ/デジタル変換手段であって、
積分コンデンサからアナログ信号を受け取り、前記アナログ信号に従って、「安定状態」と呼ばれる第1の状態または第2の状態をとることができる2つの状態の出力信号を提供することができるコンパレータと、
前記コンパレータの出力における前記第1の状態から前記第2の状態への状態の変化の後で、前記コンデンサへの所与の量の電荷の少なくとも1つの注入によって前記アナログ信号を調整することができる電荷注入器手段と、
前記電流の強さに従って前記所与の量の電荷を調整することができる、前記電荷注入器手段に対する指令手段と
を備えるアナログ/デジタル変換手段とを備えることを特徴とするマイクロ電子デバイス。
前記指令手段が前記2つの状態の信号を受信するように提供されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ電子デバイス。
電荷注入器手段が複数の電荷注入器によって形成されることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ電子デバイス。
前記電荷注入器手段が複数の電荷注入器によって形成され、指令手段が、一連の電荷注入の各電荷注入において、前回の電荷注入の間に起動された1つの電荷注入器または複数の電荷注入器とは異なる少なくとも1つまたは複数の電荷注入器を起動するように提供されることを特徴とする請求項1から3のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子画像センサデバイス。
前記電荷注入器手段が複数の電荷注入器によって形成され、一連の電荷注入の間に、前記指令手段が、所与の値の第1の電荷注入を実施するために第1の電荷注入器または第1の複数の電荷注入器を起動することができ、前記所与の値に等しい値の少なくとも1つの他の電荷注入を実施するために、前記第1の注入器とは異なる1つの注入器または前記第1の複数の注入器とは異なる複数の注入器を起動することができることを特徴とする請求項1から4のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子デバイス。
注入器手段が、各々一定量の電荷を注入することができる複数の同一の注入器によって形成されることを特徴とする請求項1から5のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子デバイス。
複数のフリップフロップを含むカウント手段をさらに備え、前記電荷注入器手段の前記指令手段が、各電荷注入ごとに、前記フリップフロップから選択された少なくとも1つの所与のフリップフロップの出力の調整を起動することができ、前記所与のフリップフロップが、注入される電荷の量に従って選択されることを特徴とする請求項1から6のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子デバイス。
前記指令手段が前記アナログ信号を受け取るように設計され、前記指令手段が、少なくとも1つの所与の電荷注入の間に注入されるようになされた電荷の量を、少なくとも前記所与の電荷注入の前に実施された電荷注入の回数に従って適合させるように提供されることを特徴とする請求項1から7のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子デバイス。
前記指令手段が前記アナログ信号を受け取るように設計され、前記指令手段が、少なくとも1つの所与の電荷注入の間に注入されるようになされた電荷の量を、少なくとも前記アナログ信号の最小レベルに従って適合させるように提供されることを特徴とする請求項1から8のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子デバイス。
前記コンパレータの出力における前記信号の、前記第1の状態から前記第2の状態への少なくとも1つの状態の変化を識別し、
前記状態の変化の後で、前記コンパレータの出力の前記信号(Scomp)が前記第2の状態にとどまっている限りは、1つまたは複数の注入起動命令を前記指令手段に送出することができるモノステーブルを形成する手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から9のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子画像センサデバイス。
前記コンパレータの出力における前記信号が前記第2の状態にとどまっている間の起動命令の数が所定の閾値に達した場合に、少なくとも1つの後続の電荷注入のための電荷の量を増加させるような指令手段がさらに提供されることを特徴とする請求項10に記載のマイクロ電子デバイス。
前記コンパレータの出力における前記信号が前記第1の状態に切り換わったときの、前記状態の変化の後の起動命令の所与の数が所定の閾値より小さいか等しい場合に、少なくとも1つの後続の電荷注入のために注入される電荷の量を減少させるような指令手段がさらに提供されることを特徴とする請求項11に記載のマイクロ電子画像センサデバイス。
前記検出器が少なくとも1つの光検出器素子によって形成されることを特徴とする請求項1から12のうちのいずれか一項に記載のマイクロ電子画像センサデバイス。
少なくとも1つの検出器と、前記検出器に関連した少なくとも1つの積分コンデンサであって、少なくとも前記検出器によって提供される電流に従って変化させることができる少なくとも1つのアナログ信号を提供することができる積分コンデンサとを備えたマイクロ電子デバイスに指令を与える方法であって、
前記アナログ信号と所定の基準を比較し、「安定状態」と呼ばれる第1の状態または第2の状態をとることができる、比較結果を表す2つの状態の信号を提供するステップと、
前記2つの状態の信号の、前記第1の状態から前記第2の状態への遷移を検出するステップと、
前記検出の後で、1つまたは複数の電荷の量Qcを前記積分コンデンサに注入するステップと、
前記検出器によって提供された前記電流についての少なくとも1つの推定を実施するステップと、
前記推定の結果を少なくとも1つの所定の閾値と比較するステップと、
前記比較の後で、1つまたは複数の新しい所与の電荷の量Qcを前記コンデンサに注入するステップであって、前記新しい所与の電荷の量Qcが前記比較ステップの結果に従って適合されるステップと
からなる諸ステップを含むことを特徴とする方法。
前記検出器によって提供される電流の前記推定が少なくとも電荷注入Qcの回数に従って実施されることを特徴とする請求項14に記載の方法。
前記推定が、少なくとも前記アナログ信号の最小レベルに従ってなされることを特徴とする請求項14に記載の方法。
前記状態の変化の後で、
前記コンパレータの出力における2つの状態の前記信号が前記第2の状態にとどまる限りは、2つの状態の他の信号の形で1つまたは複数の電荷注入起動命令を発行するステップであって、前記検出器によって提供された前記電流についての前記推定が、少なくとも発行された起動命令の数のカウントダウンを使用して実施されるステップをさらに含むことを特徴とする請求項14または15または16のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記コンパレータの出力における前記信号が前記第2の状態にとどまっている間の起動命令の数が所定の閾値に達した場合は、前記方法が、少なくとも1つの後続の電荷注入に対する電荷の量の増加をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。
前記コンパレータの出力における前記信号が前記第1の状態に切り換わったときに、前記状態の変化の後の起動命令の所与の数が所定の閾値より小さいかまたは等しい場合は、前記方法が、少なくとも1つの後続の電荷注入に対する注入される電荷の量の低減をさらに含むことを特徴とする請求項17または18に記載の方法。