RU2499291C2 - Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method - Google Patents

Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2499291C2
RU2499291C2 RU2011138836/28A RU2011138836A RU2499291C2 RU 2499291 C2 RU2499291 C2 RU 2499291C2 RU 2011138836/28 A RU2011138836/28 A RU 2011138836/28A RU 2011138836 A RU2011138836 A RU 2011138836A RU 2499291 C2 RU2499291 C2 RU 2499291C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetector
cell
signal
charge
switching
Prior art date
Application number
RU2011138836/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011138836A (en
Inventor
Игорь Валерьевич Ванюшин
Антон Григорьевич Климкович
Евгений Борисович Володин
Original Assignee
Игорь Валерьевич Ванюшин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Игорь Валерьевич Ванюшин filed Critical Игорь Валерьевич Ванюшин
Priority to RU2011138836/28A priority Critical patent/RU2499291C2/en
Publication of RU2011138836A publication Critical patent/RU2011138836A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2499291C2 publication Critical patent/RU2499291C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method for analogue-to-digital conversion of optical radiation involves converting the radiation into photocurrent; integrating the photocurrent over the exposure time into an electric charge which changes the initial charge input before exposure; converting the resultant charge into signal voltage; comparing the signal voltage with a reference voltage and switching the comparator as the comparison result; generating binary signals, modulated on the time of switching relative the initial time; generating digital codes based thereon; storing the digital codes and successively sending said codes to outputs, wherein the initial charge is input into the switched conductivity diode by applying a voltage corresponding to the initial charge in the forward direction at the rate of change which causes injection of minority carriers, which does not exceed the level of triggering the switching diode into the conducting state, and the reference voltage applied is the corresponding sampling voltage at a variation rate sufficiently high to cause injection of minority carriers, needed for triggering thereof upon reaching voltage corresponding to the resultant charge, with given accuracy. The device which realises this method has one or more photosensitive cells connected to address and signal lines, each cell having series-connected photodetector, initial charge input circuit, charge converter for converting the charge generated by the photodetector signal, in addition to the initial charge, into output voltage of the photodetector, a comparator which converts the difference between the output voltage of the photodetector and a reference voltage into a digital cell signal, a circuit for reading the digital cell signal through address and signal lines, a circuit for generating cell signal codes, random access memory for storing digital codes, a circuit for reading cell signal digital codes on one or more outputs of the photodetector. In a cell, the photodetector, the initial charge input circuit, the charge converter and comparator are in form of a tunnel switching electrode in a MIS (metal, insulator, semiconductor) structure, one of the leads of which is connected to the address line and the other to the signal line.
EFFECT: high spatial resolution with high equivalent quantum efficiency.
9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цифровых изображений.The invention relates to techniques for machine vision and can be used in video cameras and cameras designed to register digital images.

Известны способы аналогово-цифрового преобразования и фотоприемники с аналогово-цифровым преобразованием в ячейках, см. US Patent 6,271,785, Aug.7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A/D per pixel convector", US Patent 6,380,880, Apr. 30, 2002, Bidermann, "Digital pixel sensor with integrated charge transfer amplifier", US Patent 7,456,885, Nov.25, 2008, R.J. Baker, "Per column one-bit ADC for image sensors". Достоинством способов аналогово-цифрового преобразования светового излучения в ячейке и фотоприемников на их основе является высокая защищенность от нелинейных искажений и помех в цепях считывания и передачи сигналов фотодетекторов. Недостатком является повышенная сложность ячеек.Known methods of analog-to-digital conversion and photodetectors with analog-to-digital conversion in cells, see US Patent 6,271,785, Aug.7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A / D per pixel convector", US Patent 6,380,880, Apr. 30, 2002, Bidermann, "Digital pixel sensor with integrated charge transfer amplifier", US Patent 7,456,885, Nov.25, 2008, R.J. Baker, "Per column one-bit ADC for image sensors." The advantage of the methods of analog-to-digital conversion of light radiation in a cell and photodetectors based on them is high protection from nonlinear distortions and interference in the read and transmit signals of photodetectors. The disadvantage is the increased complexity of the cells.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство фотоприемника и метод, описанные в US Patent 6,271,785, Aug. 7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A/D per pixel convector".The closest analogue to the claimed invention is a photodetector device and the method described in US Patent 6,271,785, Aug. 7, 2001, D.A. Martin et al., "CMOS imager with an A / D per pixel convector".

Приведенный в этом источнике способ аналогово-цифрового преобразования светового излучения включает преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение компаратора как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательная их выдача на выходы.The method of analog-to-digital conversion of light radiation described in this source includes converting radiation into a photocurrent, integrating during the exposure of the photocurrent to an electric charge, changing the initial charge previously introduced before exposure, converting the resulting charge into a signal voltage, comparing the signal voltage with a reference voltage, and switching the comparator as a result of comparison, the formation of binary signals modulated by the switching time relative to the initial time, the formation of digital codes on them, storing digital codes and their sequential output to the outputs.

Предложенное по этому способу устройство содержит одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в цифровой сигнал ячейки, схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника.The device proposed by this method contains one or more photosensitive cells connected to address and signal buses, each of which contains a photodetector connected in series with each other, an initial charge input circuit, a charge converter created by the photodetector signal in addition to the initial charge, into the output voltage of the photodetector, a comparator that converts the difference between the output voltage of the photodetector and the reference voltage into a digital cell signal, a digital readout circuit with drove cell via address and signal lines, a scheme for generating digital signals of cells codes a random access memory for storing digital codes, digital readout circuit cell signaling codes for one or more of the photodetector outputs.

Их недостатком является сложность, препятствующая уменьшению размеров ячейки и соответственно увеличению пространственного разрешения фотоприемника, а также снижающая долю площади ячейки, открытой для принимаемого излучения, т.е. уменьшающая эквивалентную квантовую эффективность.Their disadvantage is the complexity that prevents a reduction in the size of the cell and, accordingly, an increase in the spatial resolution of the photodetector, as well as a decrease in the fraction of the area of the cell open to received radiation, i.e. reducing equivalent quantum efficiency.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение пространственного разрешения при высокой эквивалентной квантовой эффективности.The technical result of the present invention is to increase spatial resolution with high equivalent quantum efficiency.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном способе аналогово-цифрового преобразования светового излучения, включающим преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение компаратора как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательная их выдача на выходы, предложено:This result is achieved due to the fact that in the known method of analog-to-digital conversion of light radiation, including converting radiation into a photocurrent, integrating during the exposure of the photocurrent to an electric charge, changing the initial charge previously introduced before exposure, converting the resulting charge into a signal voltage, comparing voltage signal with a reference voltage and switching the comparator as a result of comparison, the formation of binary signals modulated in time switching relative to the initial time, the formation of digital codes on them, storing digital codes and their sequential output to the outputs, it is proposed:

- для ввода в диод с переключаемой проводимостью начального заряда подавать на него соответствующее начальному заряду напряжение в прямом направлении со скоростью изменения, вызывающей инжекцию неосновных носителей, не превышающую уровень включения переключающего диода в проводящее состояние, а в качестве эталонного напряжения подавать на него соответствующее ему напряжение опроса со скоростью изменения достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей, необходимую для его включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью, а в реализующем данный способ устройстве, содержащим одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в цифровой сигнал ячейки, схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника, предложено:- to enter an initial charge into a diode with a switched conductivity, apply a forward voltage corresponding to the initial charge to it with a change rate causing injection of minority carriers that does not exceed the level of switching of the switching diode into a conducting state, and apply a voltage corresponding to it as a reference voltage polling at a rate of change high enough to cause the injection of minority carriers necessary to turn it on when voltage is reached, respectively the resulting charge, with a given accuracy, and in a device that implements this method, containing one or more photosensitive cells connected to address and signal buses, each of which contains a photodetector in series, an initial charge input circuit, a charge converter created by a photodetector signal in addition to the initial charge, into the output voltage of the photodetector, a comparator converting the difference between the output voltage of the photodetector and the reference voltage a digital cell signal reading circuit, a digital cell signal reading circuit through address and signal buses, a digital signal code generation circuit of a cell, a random access memory device for storing digital codes, a digital signal reading circuit of cell signals to one or more photodetector outputs, it is proposed:

- в ячейке фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнить в виде туннельного переключающего диода в МДП (металл, диэлектрик, полупроводник) структуре, один из выводов которого соединен с адресной шиной, а другой - с сигнальной.- in the cell, the photodetector, the initial charge input circuit, the charge converter and the comparator are implemented as a tunnel switching diode in the MIS (metal, dielectric, semiconductor) structure, one of the terminals of which is connected to the address bus, and the other to the signal bus.

Дополнительно предложено:Additionally proposed:

- эталонное напряжение опроса подавать линейно или ступенчато изменяющимся,- the reference voltage of the survey to submit linearly or stepwise changing,

- последовательную выдачу на выход сигналов переключающего диода производить в виде двоичных сигналов с широтно-импульсной модуляцией,- sequential output of the switching diode signals in the form of binary signals with pulse-width modulation,

- формирование цифровых кодов сигналов переключающих диодов по времени их переключения относительно начального времени выполнять путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждого переключающего диода, счета накопителями количеств опросов при определенном состоянии переключающего диода и отсутствие счета при его другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей с ячейками памяти цифровых кодов сигналов переключающих диодов при циклическом переключении накопителей к другим переключающим диодам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти на выходы по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных переключающих диодов,- the generation of digital codes of the signals of the switching diodes according to the time of their switching relative to the initial time is performed by repeatedly intermittently polling during the exposure time of the state of each switching diode, counting by the drives the number of polls for a certain state of the switching diode and the absence of counting when it is in a different state, exchanging intermediate results of drives with cells memory of digital codes of signals of switching diodes when cyclic switching drives to another switch they diodes issuing digital codes from the memory cells to the outputs at the end of exposure time corresponding photosensitive switching diode,

- в ячейке фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнить в виде переключающего диода в n-р-n-р полупроводниковой структуре,- in the cell photodetector, the input circuit of the initial charge, the charge Converter and the comparator to perform in the form of a switching diode in n-p-n-p semiconductor structure,

- ячейку на МДП туннельном переключающем диоде выполнить на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, которая содержит охватывающую и изолирующую ячейки область одинакового с подложкой типа проводимости с омическим контактом на поверхности, имеющую градиент концентрации примеси, создающей электрическое поле, выталкивающее неосновные носители во внутреннюю область противоположного типа проводимости, на которой сформированы электрод, отделенный от нее туннельно тонким диэлектриком, и область первого типа проводимости, способная инжектировать во внутреннюю область и к туннельному диэлектрику неосновные носители, имеющая омический контакт с электродом р-n перехода,- to carry out the cell on the MIS tunnel switching diode on a semiconductor substrate of the first type of conductivity, which contains a region of conductivity that is the same as the substrate and has an ohmic contact on the surface, which covers and insulates the cells, and has an impurity concentration gradient that creates an electric field that pushes minority carriers into the inner region of the opposite type conductivity, on which an electrode is formed, separated from it by a tunnel thin dielectric, and the region of the first type of conductivity, with individuality injected into the internal region and the tunneling dielectric minority carriers having ohmic contact with the electrode p-n junction,

- боковые части охватывающей и изолирующей ячейки области одинакового с подложкой типа проводимости выполнить в виде изолирующих канавок,- the side parts of the enclosing and insulating cells of the region of the same conductivity type as the substrate are made in the form of insulating grooves,

- схему считывания цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника выполнить с включением в каждую схему или в любую комбинацию из них компонентов схемы преобразования изображения и сжатия данных.- a circuit for reading a digital signal of a cell through address and signal buses, a circuit for generating digital codes for cell signals, a random access memory device for storing digital codes, a circuit for reading digital codes for cell signals to one or more outputs of a photodetector, to be included in each circuit or in any combination of them components of the image conversion and data compression schemes.

Увеличение пространственного разрешения при высокой эквивалентной квантовой эффективности достигается за счет функциональной интеграции фотодетектора, схемы ввода начального заряда, преобразователя заряда и компаратора в областях туннельного переключающего диода, не превышающего по размерам МОП-транзистор, с применением предложенного способа аналогово-цифрового преобразования.An increase in spatial resolution with high equivalent quantum efficiency is achieved due to the functional integration of a photodetector, an initial charge input circuit, a charge converter and a comparator in the areas of a tunnel switching diode not exceeding the size of the MOS transistor using the proposed method of analog-to-digital conversion.

При субмикронной КМОП технологии уменьшение размеров ячеек в предлагаемом фотоприемнике ограничивается лишь дифракционным пределом, которому соответствует плотность ячеек около 3·107 см-2.With submicron CMOS technology, the reduction in cell size in the proposed photodetector is limited only by the diffraction limit, which corresponds to a cell density of about 3 · 10 7 cm -2 .

Так как в отличие от глаза информация в матричном фотоприемнике выводится через ограниченное число выводов, то при обычной кадровой частоте (100 Гц) частота считывания становится чрезвычайно высокой - до 10 Гбит/сек.Since, unlike the eye, the information in the matrix photodetector is output through a limited number of pins, then at the usual frame frequency (100 Hz) the read frequency becomes extremely high - up to 10 Gbit / s.

Поэтому дополнительно предложено для снижения количества выходов и/или тактовой частоты вывода через них сигналов ячеек (в 10-100 раз) ввести в периферийные схемы фотоприемника компоненты схемы преобразования изображения и сжатия данных.Therefore, it is additionally proposed to reduce the number of outputs and / or the clock frequency of outputting cell signals (10-100 times) through them to introduce components of the image conversion and data compression circuits into the peripheral circuits of the photodetector.

Указанные выше технические результаты достигаются совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.The above technical results are achieved by the combination of the above new features of the invention.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:The list of graphic materials illustrating a device that implements the claimed invention:

Фиг.1 показывает пример блок-схемы предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.Figure 1 shows an example block diagram of the proposed photodetector with analog-to-digital conversion.

Фиг.2 иллюстрирует структуру ячейки с формируемыми травлением изолирующими канавками предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.Figure 2 illustrates the structure of the cell formed by etching insulating grooves of the proposed photodetector with analog-to-digital conversion.

Фиг.2а иллюстрирует структуру ячейки с формируемой примесью изолирующей областью предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием.Figure 2a illustrates the structure of a cell with an admixture-formed insulating region of the proposed analog-to-digital conversion photodetector.

Фиг.3 показывает эквивалентную электрическую схему ячейки предлагаемого фотоприемника с аналогово-цифровым преобразованием (IT - туннельный ток через тонкий подэлектродный диэлектрик, ID - ток фотодетектора).Figure 3 shows the equivalent circuitry of the cell of the proposed photodetector with analog-to-digital conversion (I T is the tunneling current through a thin sub-electrode dielectric, I D is the photodetector current).

Фиг.4 показывает вольт-амперную характеристику МДП туннельного переключающего диода, поясняющую режимы работы ячейки (I RES - ток ввода начального заряда, I REDON - ток считывания во включенном состоянии, I REDON >> I RES, I REDOFF << I RES в выключенном состоянии).Figure 4 shows the current-voltage characteristic of the MIS tunnel switching diode, explaining the modes of operation of the cell (I RES - input current of the initial charge, I REDON - read current in the on state, I REDON >> I RES , I REDOFF << I RES off condition).

Фотоприемник с аналогово-цифровым преобразованием содержит одну или более соединенных с адресными 1 и сигнальными 2 шинами фоточувствительных ячеек 3, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор 4, схему (р-n переход) ввода начального заряда 5, преобразователь (МДП конденсатор) 6 заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор 7, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора (на зарядовой емкости) и эталонным напряжением (подаваемым во время опроса на шину 2) в цифровой сигнал ячейки, схему считывания 8 цифрового сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования 9 цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство 10 для хранения цифровых кодов, схему считывания 11 цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов 12 фотоприемника, причем согласно изобретению в ячейке 3 фотодетектор 4, схема ввода начального заряда 5, преобразователь заряда 6 и компаратор 7 выполнены в виде МДП туннельного переключающего диода 13, один из выводов которого соединен с адресной 1 шиной, а другой - с сигнальной 2, а схемы 8, 9, 10, 11 могут содержать компоненты схемы преобразования изображения и сжатия данных.An analog-to-digital conversion photodetector contains one or more photosensitive cells 3 connected to the address 1 and signal 2 buses, each of which contains a photodetector 4 connected in series with each other, an initial charge circuit 5 (pn junction), a converter (MIS capacitor ) 6 of the charge created by the photodetector signal in addition to the initial charge, into the output voltage of the photodetector, a comparator 7, which converts the difference between the output voltage of the photodetector (on the charge capacitance) and the reference voltage (supplied during polling to bus 2) to a digital cell signal, a reading circuit 8 of a digital cell signal through address and signal buses, a circuit for generating 9 digital codes of cell signals, a random access memory 10 for storing digital codes, a reading circuit for 11 digital codes cell signals to one or more outputs 12 of the photodetector, moreover, according to the invention, in the cell 3 photodetector 4, the input circuit of the initial charge 5, the charge converter 6 and the comparator 7 are made in the form of an MIS tunnel switching diode and 13, one of whose terminals is connected to the address bus 1 and the other - with the signal 2, and the circuit 8, 9, 10, 11 may contain components of an image conversion circuit and data compression.

Реализация схемы сжатия данных и метод приведены в US Patent 7,769,238, Aug. 3, 2010, Kiyofumi Abe et al., "Picture coding method and picture decoding method".The implementation of the data compression scheme and method are given in US Patent 7,769,238, Aug. 3, 2010, Kiyofumi Abe et al., "Picture coding method and picture decoding method".

Описание МДП туннельного переключающего диода см. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, кн.2, М. Мир, 1984, стр.133-137.For a description of the MIS of a tunnel switching diode, see S. Zee, Physics of Semiconductor Devices, Book 2, M. Mir, 1984, pp. 133-137.

Предложенный фотоприемник, реализующий предложенный способ аналогово-цифрового преобразования, работает следующим образом: во время экспозиции фотодетектор 4 выполняет в ячейках 3 преобразование излучения в фототок ID, интегрирует фототок в электрический заряд (на суммарной емкости МДП конденсатора 6, фотодетектора 4 и р-n перехода 5), изменяющий предварительно введенный через вывод 1 перед экспозицией начальный заряд, подачей на р-n переход 5 соответствующего начальному заряду напряжения в прямом направлении со скоростью изменения (например, 103 В/сек), вызывающей инжекцию неосновных носителей I RES, не превышающую уровень включения ячейки в проводящее состояние, преобразует результирующий заряд в напряжение сигнала, сравнивает напряжение сигнала с эталонным напряжением, которое подается схемой 8 при опросе на вывод 1 линейно или ступенчато изменяющимся со скоростью изменения (например, 105 В/сек) достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей I REDON, необходимую для включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью, и в то же время позволяющей формировать цифровые коды сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени эталонного напряжения опроса подсчетом (например с частотой 100 МГц) тактовых импульсов в схеме 9, запоминает в оперативном запоминающем устройстве 10 сформированные цифровые коды (например, 10-разрядные) и последовательно их выдает через схему считывания 11 на выходы 12,The proposed photodetector that implements the proposed method of analog-to-digital conversion works as follows: during exposure, the photodetector 4 in cells 3 converts the radiation into the photo current I D , integrates the photo current into an electric charge (on the total capacitance of the MIS capacitor 6, photodetector 4 and pn 5), which changes the initial charge previously introduced through terminal 1 before exposure, by applying to pn junction 5 the voltage corresponding to the initial charge in the forward direction with the rate of change (for example measures 10 3 V / s), which causes injection of minority carriers I RES , which does not exceed the level of switching the cell into a conducting state, converts the resulting charge into a signal voltage, compares the signal voltage with the reference voltage, which is supplied by circuit 8 when interrogating to terminal 1 linearly or stepwise varying with the rate of change (for example, 10 5 V / s) high enough to cause the injection of minority carriers I REDON , which is necessary for switching on when the voltage corresponding to the resulting charge is reached at a given point At the same time, it allows one to generate digital codes of cell signals by the time of their switching relative to the initial time of the reference polling voltage by counting (for example, with a frequency of 100 MHz) clock pulses in circuit 9, stores generated digital codes in operational memory 10 (for example, 10 -discharge) and sequentially issues them through the readout circuit 11 to the outputs 12,

- в другом варианте формирование сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени эталонного напряжения опроса производится схемой считывания 8 попиксельно или группами пикселей в виде сигналов с широтно-импульсной модуляцией при непосредственном выводе этих сигналов, минуя накопители 9 и ячейки памяти 10, на один или соответствующую группу выводов 12,- in another embodiment, the formation of cell signals by the time of their switching relative to the initial time of the reference interrogation voltage is performed by a reading circuit 8 pixel by pixel or by groups of pixels in the form of signals with pulse-width modulation during direct output of these signals, bypassing drives 9 and memory cells 10, by one or the corresponding group of conclusions 12,

- в другом варианте формирование цифровых кодов сигналов ячеек по времени их переключения относительно начального времени экспозиции выполняется путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждой ячейки 3, счета накопителями 9 количеств опросов при определенном состоянии ячеек и отсутствии счета при другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей 9 с ячейками памяти 10 цифровых кодов сигналов ячеек при циклическом переключении накопителей 9 к другим ячейкам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти 10 на выходы 12 по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных ячеек.- in another embodiment, the formation of digital codes of cell signals by the time of their switching relative to the initial exposure time is performed by repeatedly periodically interrogating during the exposure the state of each cell 3, counting by the drives 9 counts of polls for a certain state of the cells and no counting for a different state, exchanging intermediate results of the drives 9 with memory cells 10 digital codes of cell signals during cyclic switching of drives 9 to other cells, issuing digital codes from cells n Name 10 to outputs 12 after the exposure time of the corresponding photosensitive cells.

В последнем варианте длительность импульса эталонного напряжения при опросе строк значительно сокращается (например, со строчной до пиксельной, т.е. в 1000 раз), что вследствие увеличения скорости его изменения пропорционально улучшает точность включения ячейки как компаратора. Недостаток этого варианта - большое количество ячеек памяти 11 (превышающее количество фоточувствительных ячеек) и накопителей 10 (до количества ячеек в строке), более чем вдвое увеличит площадь кристалла, но оставит ее приемлемой.In the latter case, the pulse duration of the reference voltage during row polling is significantly reduced (for example, from lowercase to pixel, i.e., 1000 times), which, due to an increase in the rate of change, proportionally improves the accuracy of turning on the cell as a comparator. The disadvantage of this option is the large number of memory cells 11 (exceeding the number of photosensitive cells) and drives 10 (up to the number of cells per row), more than double the size of the crystal, but leave it acceptable.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.The present description of the invention, including the composition and operation of the device, including the proposed version of its execution, involves its further possible improvement by specialists and does not contain any restrictions in terms of implementation. All claims are formulated solely in the claims.

Claims (9)

1. Способ аналогово-цифрового преобразования светового излучения на диоде с переключаемой проводимостью, включающий преобразование излучения в фототок, интегрирование за время экспозиции фототока в электрический заряд, изменяющий предварительно введенный перед экспозицией начальный заряд, преобразование результирующего заряда в напряжение сигнала, сравнение напряжения сигнала с эталонным напряжением и переключение проводимости как результат сравнения, формирование двоичных сигналов, модулированных по времени переключения относительно начального времени, формирование по ним цифровых кодов, запоминание цифровых кодов и последовательную их выдачу на выходы, отличающийся тем, что для ввода в диод с переключаемой проводимостью начального заряда подают на него соответствующее начальному заряду напряжение в прямом направлении со скоростью изменения, вызывающей инжекцию неосновных носителей, не превышающую уровень включения переключающего диода в проводящее состояние, а в качестве эталонного напряжения подают на него соответствующее ему напряжение опроса со скоростью изменения достаточно высокой, чтобы вызвать инжекцию неосновных носителей, необходимую для его включения при достижении напряжения, соответствующего результирующему заряду, с заданной точностью.1. A method of analog-digital conversion of light radiation on a diode with a switched conductivity, including the conversion of radiation into a photocurrent, integration during the exposure of the photocurrent to an electric charge, changing the initial charge previously introduced before exposure, converting the resulting charge into a signal voltage, comparing the signal voltage with a reference voltage and conductivity switching as a result of comparison, the formation of binary signals modulated by the switching time starting time, generating digital codes from them, storing digital codes and sequentially issuing them to the outputs, characterized in that for input into the diode with switched conductivity of the initial charge, voltage is applied to it in the forward direction corresponding to the initial charge with the rate of change causing injection of minor carriers, not exceeding the level of switching the switching diode into a conducting state, and as a reference voltage, the corresponding polling voltage is supplied to it from the speed Stu changes sufficiently high to cause injection of minority carriers, necessary to enable it when the voltage corresponding to the charge resulting from a given accuracy. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эталонное напряжение опроса подают линейно или ступенчато изменяющимся.2. The method according to claim 1, characterized in that the reference interrogation voltage is supplied linearly or in steps. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что последовательная выдача на выход сигналов переключающего диода производится в виде двоичных сигналов с широтно-импульсной модуляцией.3. The method according to claim 2, characterized in that the sequential output of the switching diode signals is in the form of binary signals with pulse-width modulation. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование цифровых кодов сигналов переключающих диодов по времени их переключения относительно начального времени выполняется путем многократного периодического опроса за время экспозиции состояния каждого переключающего диода, счета накопителями количеств опросов при определенном состоянии переключающего диода и отсутствия счета при его другом состоянии, обмена промежуточными результатами накопителей с ячейками памяти цифровых кодов сигналов переключающих диодов при циклическом переключении накопителей к другим переключающим диодам, выдачи цифровых кодов из ячеек памяти на выходы по истечении времени экспозиции соответствующих им фоточувствительных переключающих диодов.4. The method according to claim 1, characterized in that the generation of digital codes of the signals of the switching diodes according to the time of their switching relative to the initial time is performed by repeatedly interrogating during the exposure time the state of each switching diode, counting by the drives the number of polls for a certain state of the switching diode and no counting in its other state, the exchange of intermediate results of drives with memory cells of digital codes of switching diode signals during cyclic switching storage drives to other switching diodes, the issuance of digital codes from memory cells to the outputs after the exposure time of the corresponding photosensitive switching diodes. 5. Фотоприемник с аналогово-цифровым преобразованием светового излучения для реализации способа, содержащий одну или более соединенных с адресными и сигнальными шинами фоточувствительных ячеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные друг с другом фотодетектор, схему ввода начального заряда, преобразователь заряда, созданного сигналом фотодетектора дополнительно к начальному заряду, в выходное напряжение фотодетектора, компаратор, преобразующий разность между выходным напряжением фотодетектора и эталонным напряжением в двоичный сигнал ячейки, схему считывания двоичного сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схему формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схему считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника, отличающийся тем, что в ячейке фотодетектор, схема ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнены в виде туннельного переключающего диода в МДП (металл, диэлектрик, полупроводник) структуре, один из выводов которого соединен с адресной шиной, а другой - с сигнальной.5. A photodetector with analog-to-digital conversion of light radiation for implementing the method, comprising one or more photosensitive cells connected to address and signal buses, each of which contains a photodetector connected in series with each other, an initial charge input circuit, an additional charge converter created by the photodetector signal to the initial charge, into the output voltage of the photodetector, a comparator converting the difference between the output voltage of the photodetector and the reference voltage we eat in the binary signal of the cell, a circuit for reading the binary signal of the cell through address and signal buses, a circuit for generating digital codes of cell signals, a random access memory device for storing digital codes, a circuit for reading digital codes of cell signals for one or more outputs of the photodetector, characterized in that cell photodetector, the input circuit of the initial charge, the charge converter and the comparator are made in the form of a tunnel switching diode in the MIS (metal, dielectric, semiconductor) structure, one of the conclusions to torogo connected to the address bus and the other - with the signal. 6. Фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что в ячейке фотодетектор, схема ввода начального заряда, преобразователь заряда и компаратор выполнены в виде переключающего диода в n-p-n-р полупроводниковой структуре.6. The photodetector according to claim 5, characterized in that in the cell a photodetector, an initial charge input circuit, a charge converter and a comparator are made in the form of a switching diode in an n-p-n-p semiconductor structure. 7. Фотоприемник по п.5, отличающийся тем, что ячейка на МДП туннельном переключающем диоде выполнена на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, содержит охватывающую и изолирующую ячейки область одинакового с подложкой типа проводимости с омическим контактом на поверхности, имеющую градиент концентрации примеси, создающий электрическое поле, выталкивающее неосновные носители во внутреннюю область противоположного типа проводимости, на которой сформированы электрод, отделенный от нее туннельно тонким диэлектриком, и область первого типа проводимости, способная инжектировать во внутреннюю область и к туннельному диэлектрику неосновные носители, имеющая омический контакт с электродом р-n перехода.7. The photodetector according to claim 5, characterized in that the cell on the MIS tunneling switching diode is made on a semiconductor substrate of the first type of conductivity, comprises a region of the same type of conductivity as the substrate with the ohmic contact on the surface, covering and insulating cells, having an impurity concentration gradient that creates an electrical impurity field pushing minority carriers into the inner region of the opposite type of conductivity, on which an electrode is formed, separated from it by a tunnel thin dielectric, and There is the first type of conductivity, capable of injecting minority carriers into the inner region and to the tunneling dielectric, which has ohmic contact with the pn junction electrode. 8. Фотоприемник по п.7, отличающийся тем, что боковые части охватывающей изолирующей ячейки области одинакового с подложкой типа проводимости выполнены в виде изолирующих канавок.8. The photodetector according to claim 7, characterized in that the side portions of a region of the same conductivity type that surrounds the insulating cell are made in the form of insulating grooves. 9. Фотоприемник по любому из пп.5-7, 8, отличающийся тем, что схема считывания двоичного сигнала ячейки через адресные и сигнальные шины, схема формирования цифровых кодов сигналов ячеек, оперативное запоминающее устройство для хранения цифровых кодов, схема считывания цифровых кодов сигналов ячеек на один или более выходов фотоприемника выполнены с включением в каждую схему или в любую комбинацию из них компонентов схемы преобразования изображения и сжатия данных. 9. A photodetector according to any one of claims 5 to 7, 8, characterized in that the scheme for reading a binary cell signal through address and signal buses, a circuit for generating digital codes of cell signals, a random access memory device for storing digital codes, a circuit for reading digital codes of cell signals one or more outputs of the photodetector are made with the inclusion of components of the image conversion and data compression schemes in each circuit or in any combination of them.
RU2011138836/28A 2011-09-22 2011-09-22 Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method RU2499291C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011138836/28A RU2499291C2 (en) 2011-09-22 2011-09-22 Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011138836/28A RU2499291C2 (en) 2011-09-22 2011-09-22 Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011138836A RU2011138836A (en) 2013-03-27
RU2499291C2 true RU2499291C2 (en) 2013-11-20

Family

ID=49124079

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011138836/28A RU2499291C2 (en) 2011-09-22 2011-09-22 Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2499291C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787954C1 (en) * 2022-08-05 2023-01-13 Акционерное общество "НПО "Орион" Device for analog-to-digital conversion of photocurrent into digital code

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6271785B1 (en) * 1998-04-29 2001-08-07 Texas Instruments Incorporated CMOS imager with an A/D per pixel convertor
US7230649B2 (en) * 2001-12-11 2007-06-12 Renesas Technology Corp. Image sensor system using CMOS image sensor and image sensor apparatus using CMOS image sensor
RU2380829C2 (en) * 2007-12-06 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз" Analogue-to-digital converter
USRE41767E1 (en) * 2004-12-15 2010-09-28 Aptina Imaging Corporation Ramp generators for imager analog-to-digital converters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6271785B1 (en) * 1998-04-29 2001-08-07 Texas Instruments Incorporated CMOS imager with an A/D per pixel convertor
US7230649B2 (en) * 2001-12-11 2007-06-12 Renesas Technology Corp. Image sensor system using CMOS image sensor and image sensor apparatus using CMOS image sensor
USRE41767E1 (en) * 2004-12-15 2010-09-28 Aptina Imaging Corporation Ramp generators for imager analog-to-digital converters
RU2380829C2 (en) * 2007-12-06 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз" Analogue-to-digital converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787954C1 (en) * 2022-08-05 2023-01-13 Акционерное общество "НПО "Орион" Device for analog-to-digital conversion of photocurrent into digital code

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011138836A (en) 2013-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5926772B2 (en) Photodetection device and method using light emission conversion of switching diode
US10547802B2 (en) Solid-state image pickup device and control method therefor, and electronic apparatus
CN101867687B (en) A/d converter, solid-state image sensing device, and camera system
US9723236B2 (en) Photoelectric conversion apparatus and method for driving photoelectric conversion apparatus
US10497737B2 (en) Enhanced dynamic range imaging
US10805561B2 (en) Solid-state image pickup device and control method therefor, and electronic apparatus
US20050224903A1 (en) Circuitry for image sensors with avalanche photodiodes
TW200838288A (en) Image sensors with output noise reduction mechanisms
WO2003085699A2 (en) Image sensor circuit and method
CN105723700A (en) Pixel circuit with constant voltage biased photodiode and related imaging method
US9781374B2 (en) Photoelectric conversion apparatus, photoelectric conversion system, and driving method for the photoelectric conversion apparatus
CN103365326B (en) For pel array provides average voltage generation circuit and the method for reference voltage
JP2771221B2 (en) Photosensitive dot matrix
KR100303597B1 (en) Photoelectric conversion apparatus and method of driving the same
RU2499291C2 (en) Method for analogue-to-digital conversion of optical radiation on switched conductivity diode and photodetector for realising said method
CN105323509A (en) Photoelectric conversion apparatus and photoelectric conversion system
US4340909A (en) Solid state area imaging apparatus
US20240056702A1 (en) Solid-state imaging device
Crooks et al. A CMOS image sensor with in-pixel ADC, timestamp, and sparse readout
US9706143B2 (en) Readout circuit and method of using the same
US11457164B2 (en) Image sensing device
CN115278100B (en) Pixel unit circuit, signal acquisition device and signal acquisition method
CN220732925U (en) Image sensor pixel unit, signal processing circuit and electronic device
JP2005101675A (en) Photodetector and photodetecting method
Beynon Optical self-scanned arrays. Part 1: Principles of self-scanned arrays

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150923