RU2739159C1 - Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения - Google Patents
Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2739159C1 RU2739159C1 RU2019141186A RU2019141186A RU2739159C1 RU 2739159 C1 RU2739159 C1 RU 2739159C1 RU 2019141186 A RU2019141186 A RU 2019141186A RU 2019141186 A RU2019141186 A RU 2019141186A RU 2739159 C1 RU2739159 C1 RU 2739159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cell
- bus
- vzn
- output
- comparator
- Prior art date
Links
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 32
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 210000000352 storage cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и касается устройства считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения. Устройство включает m каналов считывания. Каждый из m каналов считывания в своем составе имеет n ячеек считывания, шину сброса, шину опорного напряжения компаратора, шину сигнала интегрирования, шину тактирующего сигнала ВЗН ячеек и блок из n ВЗН ячеек, соединенных так, что выход каждой следующей ВЗН ячейки соединен с соответствующим входом последующей. Входы каждой ВЗН ячейки соединены с шиной сигнала интегрирования и с шиной тактирующего импульса. Каждая ячейка считывания по выходу соединена с одним из входов соответствующей ВЗН ячейки. Каждая ячейка считывания выполнена в составе интегратора фототока, компаратора, триггера-защелки. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона, обеспечении возможности изменения передаточной характеристики и уменьшении размеров схемы ВЗН регистра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для систем обработки оптической информации.
За ближайшее к заявляемому техническому решению принято известное устройство считывания с временной задержкой и накоплением (ВЗН) сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения [патент РФ №2498456 на изобретение], выполненное на полупроводниковой подложке, содержащее многоканальную систему считывания в составе m каналов считывания, при этом каждый из m каналов считывания выполнен из блока считывания с n ячейками считывания. Устройство содержит шину сброса, шину опорного напряжения компаратора, шину сигнала интегрирования, шину тактирующего сигнала блока каскадов ВЗН сигналов с n каскадами ВЗН.
В приведенном ближайшем аналоге к недостаткам можно отнести, что накопительные ячейки схем считывания фотосигнала (БИС считывания или мультиплексоров) с линейной передаточной характеристикой не в состоянии обеспечить детальную передачу высококонтрастного изображения (регистрации изменений освещенности на 4-5 порядков в пределах наблюдаемой сцены).
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности управления передаточной характеристикой устройства считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения и, как следствие, обеспечение управления динамическим диапазоном в широких пределах.
Решение задачи обеспечивается тем, что устройство считывания с временной задержкой и накоплением (фиг. 1) сигналов содержит m каналов считывания, каждый из m каналов считывания в своем составе имеет n ячеек считывания (CELL), шину сброса (RINT), шину опорного напряжения компаратора (VREF), шину сигнала интегрирования (INT), шину тактирующего сигнала ВЗН ячеек (CLK), блок n каскадов ВЗН ячеек (CTR), соединенных, так что выход каждой следующей ВЗН ячейки соединен с одним из входов последующей, один из входов каждой ВЗН ячейки соединен с шиной сигнала интегрирования, один из входов каждой ВЗН ячейки соединен с шиной тактирующего импульса CLK, каждая n-я ячейка считывания из состава блока считывания по выходу соединена с одним из входов соответствующей n-й ВЗН ячейки, выход с n-й ВЗН-ячейки используется для вывода информации с канала, каждая ячейка считывания выполнена в составе интегратора фототока (INT), компаратора (СОМР), триггера-защелки (RS-trig); интегратор фототока, компаратор, триггер-защелка последовательно соединены в указанной последовательности относительно одного из входов каждого, один из входов интегратора фототока предназначен для соединения с фотоприемником, второй вход соединен с шиной сброса (RINT), один из входов компаратора соединен с шиной опорного напряжения компаратора (VREF), шина опорного напряжения VREF соединена с источником постоянного напряжения, выход компаратора соединен с входом S триггера-защелки, второй вход R соединен с шиной сброса, выход с которого является выходом с ячейки считывания (OUT_CELL).
Также решение задачи обеспечивается тем, что ВЗН ячейка состоит из k-разрядного счетчика-сумматора, где k - число разрядов аналогово-цифрового преобразователя, имеет два режима работы счетный и сдвиговый, когда сигнал INT равен логической 1, ВЗН ячейка работает в счетном режиме, считая фронты тактирующего импульса CLK, имеющего форму меандра, когда INT равен логическому 0 сдвиговом режиме, т.е. как сдвиговый регистр, сигнал с выхода из ячейки считывания OUT_CELL является разрешающим для счета.
Также решение задачи обеспечивается тем, что изменяя частоту тактирующего импульса ВЗН каскада CLK, можно менять форму передаточной характеристики.
Техническое решение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.
Техническим результатом является:
- расширение динамического диапазона по сравнению с прототипом, достигается за счет использования нелинейной передаточной характеристики, в то время как прототип имеет только линейную передаточную характеристику;
- возможность изменения передаточной характеристики с помощью тактирующего импульса CLK и, как следствие, возможность управления динамическим диапазоном в широких приделах;
- уменьшение габаритов схемы ВЗН регистра, за счет использования архитектуры конвейерного типа, представляющей собой цифровой аналог приборов с зарядовой связью.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На фиг. 1 представлена схема m канального устройства считывания с ВЗН, где CELL - ячейка считывания, состоящая из INT - интегратора фототока, СОМР - компаратора, RS-trig - триггера защелки; CTR - ВЗН ячейки; SRG - регистра задержки; CLK_OD - шины тактирующего сигнала ВЗН ячеек; CLK - шина тактирующего импульса; INT - шина разрешения интегрирования; RINT - шина сброса; VREF - шина опорного напряжения компаратора.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема одной из возможных реализаций ячейки считывания, работающей в области малых токов, где ОР - операционный усилитель; С1 - емкость интегрирования; IN - контакт к фоточувствительному элементу; VPD - шина смещения; S1, S2 - аналоговые ключи; RINT - шина сброса; С2 - емкость ДКВ; R2 - шина управления ДКВ; RS-trig - триггер защелка; RDI - шина опроса ячеек; Z-BUF - буфер с «z» состоянием; OUT_CELL - выход с ячейки считывания; GND - шина земли.
Интегратор фототока выполнен в составе трансимпедансного усилителя с переменной емкостью интегрирования в цепи обратной связи, ключа сброса емкости интегрирования, обкладки емкости интегрирования соединены между отрицательным входом и выходом усилителя, ключ сброса подключен между обкладками емкости интегрирования и управляется шиной сброса, шина опорного напряжения подключена к положительному входу усилителя.
На фиг. 3 приведена временная диаграмма работы ячейки считывания, где RINT - напряжение на шине сброса; VREF - уровень опорного напряжения компаратора; VINT - напряжение на емкости интегрирования; OUT_CELL - напряжение на выходе с ячейки считывания.
На фиг. 4 поясняется принцип ВЗН суммирования в цифровом виде, импульсы из ячеек поступают в ВЗН счетчик-регистр, выполняющий функции счета, суммирования и сдвига цифровых кодов. Импульсы из ячеек являются разрешающими сигналами для счетных ячеек, тактируемых внешним сигналом. При увеличении длительности разрешающего импульса увеличивается число тактирующих импульсов, «посчитанных» счетной ячейкой. После завершения процесса счета коды последовательно сдвигаются вправо, таким образом код, «посчитанный» первой счетной ячейкой, попадает во вторую и т.д. Вторая счетная ячейка начинает счет со значения, которое было сформировано первой счетной ячейкой в предыдущий период, по окончании периода процесс повторяется. Так двоичный код на выходе счетчиков увеличивается (суммируется) при движении цифровых данных от первого до десятого счетчика.
На фиг. 5 приведены осциллограммы этих сигналов при использовании в качестве источников сигнала матрицы КРТ фотодиодов, засвеченной пространственно-модулированным ИК излучением. Из цифрового сигнала выводится только старший бит с установкой высокого логического уровня в момент превышения аналогового сигнала половины динамического диапазона ЦАП.
На фиг. 6 приведен график зависимости цифрового кода от фототока, кривые 1, 2, 3, приведенные на графике, соответствуют различным значениям частоты тактирующего импульса CLK_OD и соответствующие максимальному коду значения фототока I1, I2, I3, Count(IPh) - число тактов импульса CLK_OD, k - количество разрядов АЦП преобразования.
Динамический диапазон оценивается по формуле:
D=20lg(Imax/σn),
где Imax - максимальный фототок с фотодиода, σn - СКО шумового тока.
Разрешение АЦП можно выразить как
Тогда минимальный период тактирующего импульса ΔTmin
Из чего следует что, изменяя частоту тактирования АЦП, можно изменять разрешение АЦП. Таким образом, предлагаемая схема позволяет создавать управляемую зависимость выходного сигнала от фототока в виде линейных участков с различными наклонами и таким образом управлять динамическим диапазоном, малый шаг на начальном участке, для малых фототоков, и большой шаг на дальнейшем участке.
Описания примера исполнения содержится в статье Journal of Communications Technology and Electronics, 2019, Vol. 64, No. 3, pp. 304-309
Claims (2)
1. Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения, включающее m каналов считывания, каждый из m каналов считывания в своем составе имеет n ячеек считывания, шину сброса, шину опорного напряжения компаратора, шину сигнала интегрирования, шину тактирующего сигнала ВЗН ячеек, отличающееся тем, что содержит блок из n ВЗН ячеек, соединенных так, что выход каждой следующей ВЗН ячейки соединен с соответствующим входом последующей, один из входов каждой ВЗН ячейки соединен с шиной сигнала интегрирования, один из входов каждой ВЗН ячейки соединен с шиной тактирующего импульса, каждая ячейка считывания по выходу соединена с одним из входов соответствующей ВЗН ячейки, выход n-й ВЗН ячейки используется для вывода информации с канала; каждая ячейка считывания выполнена в составе интегратора фототока, компаратора, триггера-защелки; интегратор фототока, компаратор, триггер-защелка последовательно соединены в указанной последовательности, один из входов интегратора фототока предназначен для соединения с фотоприемником, второй вход соединен с шиной сброса, один из входов компаратора соединен с шиной опорного напряжения компаратора, выход компаратора соединен с входом S триггера-защелки, второй вход R соединен с шиной сброса, выход с триггера-защелки является выходом с ячейки считывания.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ВЗН ячейка состоит из k-разрядного счетчика-сумматора, где k - число разрядов аналогово-цифрового преобразователя, имеет два режима работы: счетный и сдвиговый, когда сигнал интегрирования равен логической 1, ВЗН ячейка работает в счетном режиме, считая фронты тактирующего импульса, имеющего форму меандра, когда сигнал интегрирования равен логическому 0 - в сдвиговом режиме, т.е. как сдвиговый регистр, тогда сигнал с выхода из ячейки считывания является разрешающим для счета.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141186A RU2739159C1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141186A RU2739159C1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2739159C1 true RU2739159C1 (ru) | 2020-12-21 |
Family
ID=74063021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019141186A RU2739159C1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2739159C1 (ru) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2325728C1 (ru) * | 2006-07-28 | 2008-05-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных ик фотоприемников |
| RU2498456C1 (ru) * | 2012-05-24 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения |
-
2019
- 2019-12-11 RU RU2019141186A patent/RU2739159C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2325728C1 (ru) * | 2006-07-28 | 2008-05-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных ик фотоприемников |
| RU2498456C1 (ru) * | 2012-05-24 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Н. А. Ларионов, И. С. Мощев "Реализация цифрового режима ВЗН на кристалле интегральной схемы считывания для сканирующих ФПУ", ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА, No 4, 2018, стр. 111-116. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| McIlrath | A low-power low-noise ultrawide-dynamic-range CMOS imager with pixel-parallel A/D conversion | |
| EP0954167B1 (en) | Improvements in or relating to image processing systems | |
| US6043675A (en) | Logic circuit utilizing capacitive coupling, an AD converter and a DA converter | |
| US8111312B2 (en) | Solid-state imaging device, method of driving the same, and camera | |
| CN1659860B (zh) | 图像传感器电路及其方法 | |
| CN102308573B (zh) | 信号处理装置以及光检测装置 | |
| US9641779B2 (en) | Solid-state image sensing device with increased dynamic range | |
| KR100616074B1 (ko) | 씨모스 타입 이미지 센서내의 아날로그/디지털 변환기의 자동 교정 | |
| US10491231B2 (en) | Reconfigurable ADC architecture for imaging-based applications | |
| US20080180112A1 (en) | Numerical full well capacity extension for photo sensors with an integration capacitor in the readout circuit using two and four phase charge subtraction | |
| RU2739159C1 (ru) | Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов в цифровом виде с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения | |
| CN114402531A (zh) | 图像传感器中的快速多重采样 | |
| KR101946787B1 (ko) | 반도체 장치 및 그 구동 방법 | |
| US5652586A (en) | Charge integrating-type analog to digital converter employing rapid charge neutralization and N-bit feedback | |
| US8928379B2 (en) | Minimal power latch for single-slope ADCs | |
| Mahmoodi et al. | Pixel-level delta-sigma ADC with optimized area and power for vertically-integrated image sensors | |
| JP4255486B2 (ja) | 容量結合を利用したｃｍｏｓのａｄ変換回路 | |
| CN112180422B (zh) | 前置放大器、像素单元电路和像素阵列探测器 | |
| CN117492349A (zh) | 时间数字转换器、数字读出电路以及电子装置 | |
| CN220542261U (zh) | 一种红外读出电路 | |
| RU140347U1 (ru) | Устройство с аналогово-цифровым преобразованием в ячейке фотоприемной матрицы ик диапазона | |
| Lee | A Column-parallel Single-Slope ADC with Signal-Dependent Multiple Sampling Technique for CMOS Image Sensor | |
| JP2013038661A (ja) | Ａ／ｄ変換器、固体撮像装置および電子情報機器 | |
| JP3821819B2 (ja) | 容量結合を利用したａｄ変換回路及びｄａ変換回路 | |
| JP4260174B2 (ja) | 容量結合を利用したｃｍｏｓの時系列型ａｄ変換回路及びｄａ変換回路 |