RU2222874C1 - Optical radiation video converter - Google Patents
Optical radiation video converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2222874C1 RU2222874C1 RU2002113431/09A RU2002113431A RU2222874C1 RU 2222874 C1 RU2222874 C1 RU 2222874C1 RU 2002113431/09 A RU2002113431/09 A RU 2002113431/09A RU 2002113431 A RU2002113431 A RU 2002113431A RU 2222874 C1 RU2222874 C1 RU 2222874C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- buses
- bus
- gate
- readout
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к многоэлементным фоточувствительным приборам. The present invention relates to multi-element photosensitive devices.
Известны видеопреобразователи оптического излучения, выполненные в виде многоэлементных матричных приемников излучения, в которых заряд от фоточувствительной площадки к выходному усилителю перемещается по регистрам переноса заряда (К. Секен, М. Томпсет "Приборы с переносом заряда", М., Мир, 1978 г. ). Основными недостатками таких приборов являются последовательная выборка видеоинформации при считывании кадра, необходимость выделения значительной площади фоточувствительного поля для регистров переноса заряда. Known video converters of optical radiation, made in the form of multi-element matrix radiation detectors, in which the charge from the photosensitive area to the output amplifier moves through the charge transfer registers (K. Seken, M. Thompset "Devices with charge transfer", M., Mir, 1978 ) The main disadvantages of such devices are sequential sampling of video information when reading a frame, the need to allocate a significant area of the photosensitive field for charge transfer registers.
Известен видеопреобразователь оптического излучения - многоэлементный приемник излучения, в котором накопленный в фоточувствительном элементе (ФЧЭ) заряд определяет ток управляющего транзистора истокового повторителя, расположенного в ячейке матрицы, нагрузка которого привязана к сигнальной шине. Управление считыванием видеосигнала производится с помощью КМОП-мультиплексоров, допускающих организацию последовательной или произвольной выборки элементов кадра (см. пат. США 5933190, НКИ 348-302, 1999 г.). Недостатком таких приборов является необходимость размещения в каждой ячейке матрицы трех транзисторов, что снижает полезную для фоточувствительности площадь ячейки матрицы. A known optical radiation video converter is a multi-element radiation detector in which the charge accumulated in the photosensitive element (PSE) determines the current of the control transistor of the source follower located in the matrix cell, the load of which is connected to the signal bus. Control of video signal readout is carried out using CMOS multiplexers, allowing the organization of sequential or arbitrary sampling of frame elements (see US Pat. No. 5,933,190, NKI 348-302, 1999). The disadvantage of such devices is the need to place three transistors in each matrix cell, which reduces the matrix cell area useful for photosensitivity.
Известен выбранный за прототип видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, построчно соединенных с вертикальными шинами считывания через МОП-транзисторы, затворы которых посредством горизонтальных шин подключены к сдвиговым регистрам выборки строк, шины считывания соединены через транзисторы связи с узлом считывания, состоящим из считывающего диода, транзистора выборки и хранения, транзистора поэлементной выборки, подключенного к сдвиговым регистрам поэлементной выборки строки, и каскада преобразователя зарядов, состоящего из трех транзисторов (см. з. Японии 2714293, МПК 6 Н 04 N 5/335, 1997 г.). Считывание информации с матричного приемника излучения осуществляется по схеме строчно-кадровой выборки. По этой схеме с помощью одного сдвигового регистра производится выборка строки, с помощью второго сдвигового регистра выбирается столбец. Перезарядка фоточувствительного диода происходит при считывании с него заряда, а перезарядка считывающего диода осуществляется построчно после считывания информации с выбранной строки. Known for the prototype video converter of optical radiation, containing a matrix of photosensitive elements, line-by-line connected to vertical read buses through MOS transistors, the gates of which are connected via horizontal buses to the shift registers of row sampling, the read buses are connected through communication transistors to a read unit consisting of a read diode , a sampling and storage transistor, a bitmap transistor connected to shift registers of a bitmap row sampling, and the cascade of the charge converter, consisting of three transistors (see. Japan 2714293, IPC 6 H 04
Недостатками прототипа являются:
1. Конструктивная сложность преобразователя заряда в напряжение с использованием 9 транзисторов от фоточувствительного диода до сигнальной шины.The disadvantages of the prototype are:
1. The structural complexity of the charge-to-voltage converter using 9 transistors from a photosensitive diode to a signal bus.
2. Необходимость использования дополнительной разности потенциалов для получения достаточно высокого выходного напряжения, а также вычитания фонового заряда. 2. The need to use an additional potential difference to obtain a sufficiently high output voltage, as well as subtracting the background charge.
3. Конструкция не позволяет изменять время накопления заряда. 3. The design does not allow changing the charge accumulation time.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения являются упрощение конструкции преобразователя заряда в напряжение, обеспечение возможности применения более низкого напряжения питания схемы и дополнение функциональных возможностей схемы за счет введения управления временем накопления заряда. The technical result when using the present invention is to simplify the design of the charge-to-voltage converter, to provide the possibility of applying a lower supply voltage to the circuit, and to add functionality to the circuit by introducing control of the charge storage time.
Это достигается тем, что в видеопреобразователе оптического излучения, содержащем матрицу фоточувствительных элементов, построчно соединенных с вертикальными шинами считывания через МОП-транзисторы, затворы которых посредством горизонтальных шин подключены к сдвиговому регистру выборки строк, вертикальные шины считывания соединены через транзисторы связи, затворы которых подключены к шине управления связью, с узлом считывания, состоящим из считывающего транзистора, затвор которого подключен к шине управления их зарядовой емкостью, считывающего диода, образованного истоком считывающего транзистора и стоком транзистора перезарядки и соединенного с затвором транзистора выборки и хранения, при этом исток транзистора перезарядки подключен к шине питания, а затвор - к шине управления перезарядкой, исток транзистора выборки и хранения соединен со стоком транзистора поэлементной выборки, исток которого соединен с шиной питания, а затвор - со сдвиговым регистром поэлементной выборки строки, причем сток транзистора выборки и хранения подключен к шине выходного сигнала, подключенной к нагрузочному сопротивлению. Затворы МОП-транзисторов, соединяющих фоточувствительные элементы с вертикальными шинами, горизонтальными шинами также соединены со сдвиговым регистром управления временем экспозиции. This is achieved by the fact that in an optical radiation video converter containing a matrix of photosensitive elements connected row-wise to vertical readout buses through MOS transistors, whose gates are connected via horizontal buses to a shift register of row samples, vertical readout buses are connected through communication transistors, whose gates are connected to communication control bus, with a reading unit, consisting of a reading transistor, the gate of which is connected to the control bus of their charge capacity of the readout diode formed by the source of the readout transistor and the drain of the recharge transistor and connected to the gate of the sample and store transistor, while the source of the reload transistor is connected to the power bus and the gate to the charge control bus, the source of the sample and store transistor is connected to the drain of the element transistor the source of which is connected to the power bus, and the gate is with the shift register of the element-wise row sampling, and the drain of the sampling and storage transistor is connected to the output signal bus, Connecting to a load resistor. Gates of MOS transistors connecting photosensitive elements with vertical buses, horizontal buses are also connected to a shift register for controlling the exposure time.
Новым в предлагаемом устройстве является то, что в нем транзисторы считывания подсоединены непосредственно к считывающим диодам. Кроме того, к шине управления транзисторами связи фоточувствительных элементов с вертикальными шинами дополнительно подключен регистр управления временем экспозиции. New in the proposed device is that in it the read transistors are connected directly to the readout diodes. In addition, the exposure time control register is additionally connected to the control bus of the transistor for connecting photosensitive elements with vertical buses.
Упрощение конструкции обеспечивается тем, что в предложенной схеме исключен состоящий из трех транзисторов каскад преобразования зарядов. The simplification of the design is ensured by the fact that the proposed circuit excludes the cascade of charge conversion consisting of three transistors.
Поскольку между напряжением питания и применяемыми нормами проектирования (размеры элементов схем и расстояние между ними) существует прямая связь, очевидна важность понижения напряжения и унификации питания всех элементов схемы. Применение пониженных норм проектирования позволяет повысить отношение площади фоточувствительного элемента к общей площади ячейки матрицы, что улучшает выходные характеристики приемников излучения, в том числе пороговую чувствительность. Понижение напряжения питания снижает потребляемую мощность. Since there is a direct connection between the supply voltage and the applicable design standards (sizes of circuit elements and the distance between them), the importance of lowering the voltage and unifying the power of all circuit elements is obvious. The use of reduced design standards allows you to increase the ratio of the area of the photosensitive element to the total area of the matrix cell, which improves the output characteristics of the radiation receivers, including the threshold sensitivity. Lowering the supply voltage reduces power consumption.
Сущность изобретения, связанная с изменением конструкции и режимов управления ее элементами, поясняется чертежами. На фиг. 1 и 2 представлены электрическая схема и диаграмма тактового питания, соответственно, где
1 - фоточувствительные элементы (диоды, диоды Шоттки и др.),
2 - вертикальные шины,
3 - МОП-транзисторы связи фоточувствительных элементов с вертикальными шинами,
4 - горизонтальные шины,
5 - сдвиговый регистр выборки строк,
6 - сдвиговый регистр управления временем экспозиции,
7 - транзисторы связи,
8 - шина управления транзисторами связи вертикальных шин с узлом считывания,
9 - считывающие транзисторы,
10 - шина управления зарядовой емкостью транзисторов считывания,
11 - считывающий диод,
12 - транзисторы перезарядки,
13 - транзисторы выборки и хранения,
14 - шина питания,
15 - шина управления транзисторами перезарядки,
16 - транзисторы поэлементной выборки,
17 - сдвиговый регистр поэлементной выборки строки,
18 - шина выходного сигнала,
19 - сопротивление нагрузки.The invention associated with a change in design and control modes of its elements is illustrated by drawings. In FIG. 1 and 2 are an electrical diagram and a clock diagram, respectively, where
1 - photosensitive elements (diodes, Schottky diodes, etc.),
2 - vertical tires,
3 - MOS transistors for connecting photosensitive elements with vertical buses,
4 - horizontal tires,
5 - shift register of row selection,
6 - shift register control exposure time,
7 - communication transistors,
8 - control bus transistors for communication of vertical buses with a reading unit,
9 - reading transistors,
10 - bus control charge capacitance of read transistors,
11 is a reading diode,
12 - recharge transistors,
13 - transistors sampling and storage,
14 - power bus
15 - bus control transistor recharge,
16 - transistors of element-wise sampling,
17 is a shift register of element-wise selection of a row,
18 - bus output signal
19 - load resistance.
Видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу фоточувствительных элементов (ФЧЭ) 1, составленную из N строк и каждая строка содержит К элементов. ФЧЭ 1 построчно соединены с вертикальными шинами 2 считывания через МОП-транзисторы 3, затворы которых посредством горизонтальных шин 4(1...N) подключены к сдвиговым регистрам выборки строк 5 и управления временем экспозиции 6. Вертикальные шины считывания соединены через транзисторы связи 7(1...K), затворы которых подключены к шине управления связью 8, с узлами считывания, состоящими из считывающих транзисторов 9(1...K), затворы которых подключены к шине управления их зарядовой емкостью 10, считывающих диодов 11(1...K), образованных истоками считывающих транзисторов 9 и стоками транзисторов перезарядки 12(1...K) и соединенных с затворами транзисторов выборки и хранения 13(1...K). Истоки транзисторов перезарядки 12 подключены к шине питания 14, а затворы - к шине управления перезарядкой 15, истоки транзисторов выборки и хранения 13 соединены со стоками транзисторов поэлементной выборки 16(1...K), истоки которых соединены с шиной питания 14, а затворы - со сдвиговым регистром поэлементной выборки строки 17, причем стоки транзисторов выборки и хранения 13 подключены к шине выходного сигнала 18, подключенной к нагрузочному сопротивлению 19.The video converter of optical radiation contains a matrix of photosensitive elements (PSE) 1, composed of N lines and each line contains K elements.
Работа предложенной схемы преобразования накопленного в фоточувствительном элементе заряда в напряжение осуществляется как вариант матричного приемника излучения со строчно-кадровой организацией считывания. При этом в качестве схем управления выборкой строк для считывания, перезарядки и поэлементной выборки элементов строки применяются сдвиговые регистры. The work of the proposed scheme for converting the charge accumulated in the photosensitive element to voltage is carried out as a variant of a matrix radiation receiver with line-frame reading organization. At the same time, shift registers are used as control schemes for selecting rows for reading, recharging, and element-by-element selection of row elements.
Фоточувствительные элементы матрицы, например фотодиоды, построчно подключаются сдвиговым регистром выборки строк 5 к вертикальным шинам, когда на горизонтальную шину 4, связанную с затворами МОП-транзисторов 3, подается отпирающее напряжение. При этом отпирающее напряжение подается также на транзисторы связи 7 и считывающие транзисторы 9, и накопленный в ФЧЭ заряд переходит под затворы считывающих транзисторов 9. После этого МОП-транзисторы 3 и транзисторы связи 7 закрываются. The photosensitive elements of the matrix, for example photodiodes, are connected line-by-line with the shift register of the
Зарядовая емкость считывающих транзисторов 9 (в прототипе на затворе аналогичного транзистора потенциал поддерживается постоянным) определяется площадью затвора и уровнем приложенного к нему напряжения при считывании заряда. Максимальный уровень приложенного напряжения определяется нормами проектирования, а площадь должна быть достаточной, чтобы электрическая емкость при максимальном напряжении была не меньше емкости ФЧЭ. Это позволяет полностью выбрать накопленный заряд. При наличии фоновой составляющей в накопленном зарядовом пакете напряжение выборки на шине управления емкостью считывания 10 устанавливается достаточным для считывания информационной части, а фоновая составляющая будет выведена через транзисторы 12 из цепи считывания при перезарядке. The charging capacity of the reading transistors 9 (in the prototype, the potential of the gate of a similar transistor is kept constant) is determined by the area of the gate and the level of voltage applied to it when reading the charge. The maximum level of applied voltage is determined by the design standards, and the area should be sufficient so that the electric capacitance at maximum voltage is not less than the capacity of the PSE. This allows you to fully select the accumulated charge. If there is a background component in the accumulated charge package, the sample voltage on the read
При снижении напряжения на шине 10 при закрытых транзисторах 7 и 12 шин 8 и 15 заряд из-под затворов 91-9K переходит в узел считывания, имеющего относительно малую электрическую емкость, что приведет к усиленному в соотношении этих емкостей изменению потенциала затворов транзисторов выборки и хранения 13. Сигналы, пропорциональные потенциалам затворов транзисторов выборки и хранения 13, поочередно считываются при подаче регистром поэлементной выборки 17 отпирающих потенциалов на транзисторы 16 и считываются через шину 18 с нагрузочного сопротивления 19. При этом не требуется повышать напряжение питания.When the voltage on the
Цикл перезарядки необходим для восстановления потенциала на ФЧЭ во всей цепи считывания. Для этого после поэлементного считывания сигналов с выбранной строки на горизонтальные шины 4, шины 8, 10 и 15 подаются отпирающие потенциалы, причем потенциал горизонтальной шины определяется дополнительным регистром управления временем перезарядки 6. The recharge cycle is necessary to restore potential on the PSE in the entire reading circuit. To do this, after reading the signals from the selected line by bit by bit, the unlocking potentials are fed to the
В конструкции прототипа перезарядка фоточувствительного элемента совмещена со считыванием, при этом время накопления заряда будет равно времени считывания кадра. Введение дополнительного регистра позволяет провести перезарядку фотодиодов любой строки независимо от времени считывания с нее информации, то есть реализовать функцию уменьшения времени накопления заряда. При времени накопления, равном времени накопления считывания кадра, перезарядка выбранной строки проводится сразу после завершения процесса ее считывания. Уменьшение времени накопления заряда позволяет работать в более широком диапазоне освещенности. In the design of the prototype, the recharging of the photosensitive element is combined with reading, while the accumulation time of the charge will be equal to the reading time of the frame. The introduction of an additional register allows recharging of photodiodes of any row, regardless of the time of reading information from it, that is, to implement the function of reducing the charge accumulation time. When the accumulation time is equal to the accumulation time of reading the frame, reloading of the selected line is carried out immediately after the completion of the reading process. Reducing the charge accumulation time allows you to work in a wider range of illumination.
Для работы в режиме с регулировкой времени накопления после завершения считывания информации с выбранной, например 41, строки в цикле перезарядки выбирается строка 4n. При этом время накопления на фоточувствительных элементах после перезарядки t будет равно:
t=Т(N-n)/N,
где Т - время считывания кадра;
N - число строк в матрице;
n - число строк, пропущенных при перезарядке после считывания.To work in the mode with adjustment of the accumulation time after the completion of reading information from the selected, for example 4 1 , line in the recharge cycle,
t = T (Nn) / N,
where T is the reading time of the frame;
N is the number of rows in the matrix;
n is the number of lines skipped when recharging after reading.
Предложенная конструкция разработана для видеопреобразователя оптического излучения ИК-диапазона с ФЧЭ с барьером Шоттки на основе силицида платины. Анализ применения норм проектирования 1,2 мкм при шаге пикселей 36•27 мкм показывает возможность получения фактора заполнения до 56% и работоспособность при напряжении питания 5 В. При реализации подобной конструкции со схемой видеопреобразователя, изложенной в прототипе, необходимо увеличить напряжение питания, что приведет к изменению норм проектирования и ухудшению выходных параметров в 1,5-2 раза. The proposed design was developed for an IR optical video converter with PSE with a Schottky barrier based on platinum silicide. An analysis of the application of design standards of 1.2 μm with a pixel pitch of 36 • 27 μm shows the possibility of obtaining a fill factor of up to 56% and operability with a supply voltage of 5 V. When implementing a similar design with the video converter circuit described in the prototype, it is necessary to increase the supply voltage, which will lead to to changes in design standards and the deterioration of output parameters by 1.5-2 times.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002113431/09A RU2222874C1 (en) | 2002-05-23 | 2002-05-23 | Optical radiation video converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002113431/09A RU2222874C1 (en) | 2002-05-23 | 2002-05-23 | Optical radiation video converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2222874C1 true RU2222874C1 (en) | 2004-01-27 |
RU2002113431A RU2002113431A (en) | 2004-02-10 |
Family
ID=32091123
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002113431/09A RU2222874C1 (en) | 2002-05-23 | 2002-05-23 | Optical radiation video converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2222874C1 (en) |
-
2002
- 2002-05-23 RU RU2002113431/09A patent/RU2222874C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
СЕКЕН К. и др. Приборы с переносом заряда. - М.: Мир, 1978. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002113431A (en) | 2004-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100379017B1 (en) | Active pixel cmos sensor with multiple storage capacitors | |
JP4374115B2 (en) | Active pixel sensor | |
US7791657B2 (en) | Dynamic range enhancement scheme for imagers | |
US7209166B2 (en) | Wide dynamic range operation for CMOS sensor with freeze-frame shutter | |
US8847136B2 (en) | Conversion gain modulation using charge sharing pixel | |
US6046444A (en) | High sensitivity active pixel with electronic shutter | |
EP3714595B1 (en) | Pixel sensor cell for cmos image sensors with enhanced conversion gain at high dynamic range capability | |
KR20070062410A (en) | Method of obtaining an image using an image sensor with broad dynamic range | |
JP4268492B2 (en) | Photodetector | |
US6995797B2 (en) | Charge detecting device for a solid state imaging device | |
TW448683B (en) | Multiple storage node active pixel sensors | |
CN110113548B (en) | CMOS image sensor and signal transmission method thereof | |
US20050030401A1 (en) | Method and circuit for determining the response curve knee point in active pixel image sensors with extended dynamic range | |
EP0760191B1 (en) | Cmos imaging array with active pixels | |
RU2222874C1 (en) | Optical radiation video converter | |
US20100201431A1 (en) | Snapshot pixel circuit for sensors with high leakage current | |
JP2743842B2 (en) | Infrared detector | |
CN103873792A (en) | Pixel unit read-out device and method, and pixel array read-out device and method | |
JPH06311441A (en) | Solid-state image pickup device | |
US11330207B1 (en) | High dynamic range in direct injection | |
JP3500761B2 (en) | Solid-state imaging device and driving method thereof | |
RU2054753C1 (en) | Reading set based on charge-coupled devices for two-dimension image receivers | |
JPS63290080A (en) | Photoelectric converting device | |
JPS61224452A (en) | Solid-state image pickup element | |
JPH05110758A (en) | Solid-state image pickup element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070524 |