TW201707442A - 具有電流鏡之緩衝直接注入讀出中的影像滯後緩解 - Google Patents

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Abstract

提供一種具有一緩衝直接注入(BDI)模組之電路以用於影像滯後緩解。該BDI模組包括耦合至一緩衝器之一光學偵測器。該緩衝器具有一像素放大器，該像素放大器包括不超過兩個電晶體。該BDI模組包括耦合至該BDI模組之一第一電流鏡。該第一電流鏡基於該光學偵測器之輸出而產生一調變電流。該BDI模組進一步包括耦合至該第一電流鏡之一第二電流鏡。該第二電流鏡經組態以產生一放大或衰減之光電流，該放大或衰減之光電流可操作以最佳化該光學偵測器之一成像時間及場景亮度。該BDI模組進一步包括一重設電路，該重設電路耦合至該第二電流鏡，且經組態以重設一積分電容器，該積分電容器基於該光學偵測器之該輸出而對一影像信號求積分。

Description

具有電流鏡之緩衝直接注入讀出中的影像滯後緩解
本發明係關於影像感測器電路，且更特定而言，係關於具有電流鏡之緩衝直接注入像素電路。
在光學感測器之領域中，使用光學感測器以在紅外線(IR)及其它光譜中偵測影像為已知的。諸如InGaAs(砷化銦鎵)之光學偵測器或IR譜帶及其他頻率中之其他感測器已部署於具有矽讀出電路之焦平面中。通常，已經由注入MOSFET將來自偵測器裝置之電流輸出遞送至積分電容器，注入MOSFET又由緩衝器閘控以減小歸因於光電流變化而發生之偵測器逆向偏壓變化。此組態稱作緩衝直接注入(BDI)讀出電路。根據已知實施方案之BDI電路組態示於圖1中。
可將來自彼等實施方案之BDI部分的輸出遞送至電流鏡，亦如圖1所示。電流鏡用以放大或衰減輸入之光電流以便偵測日光至星光場景。藉由使圖1中之偏壓與增益之間的電壓差變化，圖1中之I輸出與I輸入之間的比可變化達若干數量級。網路之右手部分用以重設積分電容器，積分電容器用以控制由BDI或其他讀出電路執行之聚光間隔的時序。
然而，在BDI實施方案中，諸如圖1所示的BDI實施方案，在執行由BDI及電流鏡電路產生之光學感測及輸出方面存在潜在困難。電路之電流鏡部分在由電路之BDI部分產生之緩衝電流驅動時的操作特性可導致所成像之場景之安定時間的延遲，尤其在場景中的輝度量存在大的改變時。
因此，需要具有改良之架構的像素讀出電路，改良之架構具有經較好地最佳化以用於IR FPA中的特性。
一種電路包括一緩衝直接注入(BDI)模組。該BDI模組包括一光學偵測器，及一緩衝器，該緩衝器連接至該光學偵測器之一輸出，具有一像素放大器。該像素放大器具有不超過兩個電晶體。
該BDI模組包括耦合至該BDI模組之一第一電流鏡。該第一電流鏡基於該光學偵測器之該輸出而產生一調變電流。該BDI模組進一步包括耦合至該第一電流鏡之一第二電流鏡。該第二電流鏡經組態以產生一放大或衰減之光電流，該放大或衰減之光電流可操作以最佳化該光學偵測器之一成像時間及場景亮度。該BDI模組進一步包括一重設電路，該重設電路耦合至該第二電流鏡，且經組態以重設一積分電容器，該積分電容器基於該光學偵測器之該輸出而對一影像信號求積分。
在實施例中，該偵測器包括一紅外線偵測器。該紅外線偵測器可經組態以在紅外線頻率範圍中偵測影像。該第一電流鏡可包括一Sackinger電流鏡。該第一電流鏡及該第二電流鏡中之每一者可包括一對耦合之電晶體。該第一電流鏡與該第二電流鏡可共用至少一個電晶體。
該第二電流鏡可包括至少一個輸出電晶體以輸出該影像信號。該第一電流鏡可經由負反饋產生該調變電流之調變的一增大。該重設電路可包括耦合至該第二電流鏡之一開關電晶體。
該緩衝器可進一步包括一直接注入電晶體。該直接注入電晶體可為一PMOS電晶體且該像素放大器之該兩個電晶體可包括一NMOS電晶體及一PMOS電晶體。該緩衝器可進一步包括一直接注入電晶體。該直接注入電晶體可為一NMOS電晶體且該像素放大器之該兩個電晶體包括一NMOS電晶體及一PMOS電晶體。該像素放大器可消耗小於約1nA之電流。該像素放大器可包括連接至接地之一第一偏壓電晶體及連接至一電源之一第二偏壓電晶體。
在本發明之態樣中，一種成像系統包括緩衝直接注入(BDI)驅動之光學偵測器元件的一焦平面陣列。每一BDI驅動之光學偵測器元件包括一緩衝直接注入(BDI)模組。該BDI模組包括光學偵測器、緩衝器、第一電流鏡、第二電流鏡，及重設電路。每一BDI驅動之光學偵測器元件形 成於一共同基板上。
根據結合圖式進行的較佳實施例之以下詳細描述，本發明之系統及方法的此等及其他特徵對於熟習此項技術者而言將變得更易於顯而易見。
302‧‧‧BDI模組
304‧‧‧光學偵測器
305‧‧‧雙電晶體像素放大器
305'‧‧‧像素放大器
306‧‧‧第一電晶體
306'‧‧‧電晶體
307‧‧‧第二電晶體
307'‧‧‧電晶體
308‧‧‧電晶體
308'‧‧‧電晶體
310‧‧‧第一電流鏡
312‧‧‧第三電晶體
314‧‧‧第四電晶體
316‧‧‧電晶體
320‧‧‧重設開關模組
322‧‧‧重設開關
324‧‧‧積分電容器
326‧‧‧電晶體
330‧‧‧第二電流鏡
CG‧‧‧電壓
Min‧‧‧電晶體
MSF‧‧‧第三電晶體
M輸入‧‧‧第四電晶體
M輸出‧‧‧第六電晶體
Vin‧‧‧輸出信號
VSFG‧‧‧電壓值
為了使熟習本發明所屬於之技術的人員將易於理解如何製作及使用本發明之裝置及方法而無不適當之實驗，下文中將參考某些圖式詳細地描述本發明之較佳實施例，圖式中：圖1圖示采用BDI電路之光學偵測系統；圖2圖示圖1所示的光學偵測系統在明亮至黑暗之轉變條件下的信號回應特性；圖3圖示根據本發明之各種態樣的併入有BDI及電流鏡電路之光學偵測系統的實施例；及圖4圖示根據本發明之各種態樣的併入有BDI及電流鏡電路之光學偵測系統的另一實施例。
現將詳細地參考本發明之例示性實施例，在附圖中圖示了例示性實施例。只要有可能，相同或類似的元件符號將在所有圖式中用來表示相同或相似部分。
圖2圖示當BDI或其他讀出電路正在連續場景之亮度顯著變化的情况下捕獲影像時的安定時間之延遲。如所示，時間訊框存在限制，其中讀出電路可在合理的時間訊框內回應於場景亮度變化。在圖2中，明亮場景在訊框0時出現，而在訊框1時不能顯示全亮度。實情為，全亮度僅可在訊框2時顯示。此在圖2中稱作“前端”滯後。接著，在訊框2時，明亮場景切換為黑暗場景，且顯示器在圖2中顯示為“後端”滯後的效應下花費長得多的時間以安定為黑暗場景。在彼類型之閃光或其他轉變期間，感測器裝置可能無法足够迅速地回應於場景之總輝度的迅速改變以致無法準確地產生輸出信號值。此影像滯後部分地由與圖1中之電路之電流鏡部分相關聯的電容之充電/放電而引起。可根據表達式估計後端滯後時間常數τ： τ=RC
R為電流鏡閘極節點處之有效阻抗，且在黑暗場景中可在幾百吉Ω之範圍內。對R之簡單估計可與圖1中之Min電晶體的跨導gm相關。R1/gm (1.5*kT/q)/I輸入，其中k為波茲曼常數，T為溫度，q為電子電荷(1.6021765e-19)且I輸入為光電流。若T=300°K且光電流I輸入=0.1pA，則R為幾乎400GΩ。C為電流鏡閘極節點處之有效電容。
如圖2所示，當亮度變化包括自明亮場景至黑暗場景之轉變時，使電流鏡閘極節點之放電安定的時間常數可為幾十毫秒。由於典型訊框時間為33mS，因此後端影像滯後在轉變的輝度條件下可持續若干訊框，此可顯著影響影像品質或準確度。
可能需要提供用於實現具有電流鏡之緩衝直接注入讀出電路中之影像滯後緩解的方法及系統，其中光學感測器可經由BDI部分遞送影像信號，BDI部分又向電流鏡拓撲饋電，電流鏡拓撲提供改良之回應時間以用於改變影像狀况。
不幸地，IR焦平面陣列及多工讀出電路具有設計約束，該等設計約束限制信號處理晶片上通常可用之空間或“有效面積”的量。在FPA之讀出部分中，將每一光偵測器耦合至對應讀出位點的輸入放大器單元電路必須執行因為空間約束而難以同時經併入之若干功能。詳言之，FPA之光偵測器及放大器單元應理想地包括：在均勻操作偏壓下具有低輸入阻抗之偵測器介面級；大電荷處置積分電容器；用於在積分電容時間較長時均勻地抑制背景之級；低功率像素多工及重設級；及足以驅動匯流排線路電容以用於隨後按視訊速率進行多工之輸出級。
先前技術IR FPA通常缺乏阻抗緩衝，此迫使偵測器暗電流變化及固定型樣雜訊(即，在應用習知的兩點非均勻性校正之後剩餘的空間雜訊)增大。固定型樣雜訊在影像中形成可見遮蔽，其隱藏低對比度、高頻資訊，因而使最小可解析溫度降低且在不利條件下損害效能。此外，先前技術裝置缺乏減小像素節距及增大像素密度之能力。若先前技術裝置中之像素節距及光偵測器及放大器單元有效面積減小，則效能限制進一步加重。當像素節距繼續減小時，功率及雜訊問題甚至變得更難應付。
考慮到當前的技術現狀及可用的有限晶片面積，不存在足够的光偵測器及放大器單元有效面積來使讀出電路使用習知架構來整合所有最重要的特徵，諸如低輸入阻抗、均勻偵測器偏壓及令人滿意的電荷儲存容量。然而，因為小單元對於具有高像素計數之FPA、具有合理晶粒大小之積體讀出電路及緊凑光學元件為必要的，所以讀出電路之所有重要的功能必須整合於盡可能小之單元有效面積中。包括用於滯後緩解之組件將消耗額外空間，從而進一步挑戰空間限制。
本發明之實施例係關於用於在具有電流鏡之緩衝直接注入電路中實現影像滯後及雜訊緩解及減小之“有效面積”及功率消耗的系統及方法。更具體而言，實施例係關於緊凑的光學偵測系統，其用於收集由來自InGaAs或其他感測器陣列之光學感測器產生的信號，同時減少當在高亮度場景與低亮度場景之間轉變時或在成像環境之其他轉變期間使感測器之輸出安定所需的滯後時間。
圖3圖示電路300之實施例，用於實現具有電流鏡之緩衝直接注入電路中之影像滯後緩解的系統及方法可在電路300中操作。美國專利申請案2015/009337中揭露了與緩衝直接注入電路相關的電路，且美國專利申請案2014/0340154中揭露了與影像滯後緩解相關的電路，該等美國專利申請案全文皆以引用的方式併入本文中。在圖3所示的態樣中，電路300可包括BDI模組302。BDI模組302可包括光學偵測器304，光學偵測器304可為或可包括InGaAs偵測器或將輸入信號轉換為電信號之其他光學感測元件。
在實施方案中，光學偵測器304可經組態以實現增强的低級效能，例如經受液體冷却以實現低雜訊及較好的低光敏感度。撞擊於光學偵測器304上之光可觸發通過緩衝區段之電流，緩衝區段由耦合至雙電晶體像素放大器305的電晶體308組成。輸出信號Vin由光學偵測器304輸出且經提供至像素放大器305及電晶體308。
電晶體308可為直接注入電晶體，其連結至光學偵測器304且讀取由光學偵測器304輸出之電信號。在此實施例中，電晶體308為p型MOSFET，另外稱作PMOS電晶體。直接注入PMOS電晶體14與像素 放大器305耦合。
放大器305包括兩個電晶體，即連接至第二電晶體307之第一電晶體306。第一電晶體306可連結至光學偵測器304且自光學偵測器304讀取電信號。在所說明之實施例中，第一電晶體306為p型MOSFET，另外稱作PMOS電晶體。可將Vin施加至第一電晶體306之閘極節點。第一電晶體306可進一步連接至電源。
第二電晶體307可充當像素放大器305之偏壓電晶體且連接至接地。在所說明之實施例中，第二電晶體307為NMOS電晶體。可將信號偏壓_1施加至第二電晶體307之閘極。
像素放大器305替代先前技術像素單元中所使用的五電晶體像素放大器。因此，與實現類似效能之五電晶體像素放大器消耗的約50nA至100nA之電流相比，像素放大器305消耗極小量的電流，例如小於約1nA之電流。僅包括兩個電晶體之像素放大器305為單端放大器，單端放大器供應有限的開環增益。與負反饋一起，像素放大器305可減小第一電晶體306之閘極節點處的阻抗；因此，第一電晶體306之閘極節點處的電壓變化在通過電晶體308之光電流變化較大的情况下顯著減小。
參考圖4，圖示了另一BDI模組302'。BDI模組302'包括耦合至緩衝區段之光學偵測器304，緩衝區段包括耦合至像素放大器305'之電晶體308'。輸出信號Vin由光學偵測器304輸出且經提供至像素放大器305'及電晶體308'。
電晶體308'可為直接注入電晶體，其連結至光學偵測器304且讀取由光學偵測器304輸出之電信號。在此實施例中，電晶體308為n型MOSFET，另外稱作NMOS電晶體。直接注入NMOS電晶體308與像素放大器305'耦合。
放大器305'包括電晶體306'及307'。在所說明之實施例中，第一電晶體306'為PMOS電晶體。第一電晶體306'可進一步連接至電源。可將信號偏壓_1施加至第一電晶體306'之閘極。
第二電晶體307'可連結至光學偵測器304且自光學偵測器304讀取電信號。可將Vin施加至第二電晶體307'之閘極節點。第一電晶體 306'可充當提供電流以使第二電晶體307'起作用的偏壓電晶體，且連接至接地。在所說明之實施例中，第二電晶體307'為PMOS電晶體。
像素放大器305'替代先前技術像素單元中所使用的五電晶體像素放大器。因此，像素放大器305'消耗極小量的電流。
參考圖3及圖4，由BDI模組302或302'提供之輸出可耦合至第一電流鏡310。第一電流鏡310可含有經組態以提供電流鏡功能之元件，詳言之，第三電晶體312(標記為MSF)及第四電晶體314(標記為M輸入)。根據實施方案，第一電流鏡310可為或可包括Sackinger電流鏡，Sackinger電流鏡可作為經調節之疊接電流鏡的縮減版操作或起作用。
在所示實施方案中，整體電路300之集合可進一步包括第二電流鏡330。第二電流鏡330可包括第四電晶體314連同第六電晶體326(標記為M輸出)。另外，整體電路300之集合可包括重設開關模組320，重設開關模組320可操作以經由重設開關322重設積分電容器324，以便對積分電容器324充電以獲得新的訊框或其他成像間隔。第一電流鏡310及第二電流鏡330可共用第四電晶體314。
電流ISF可在第二電流鏡330之兩側驅動電流輸出，此又藉由使V偏壓與V增益(例如，如圖1所示為偏壓及增益)之間的電壓差變化而提供由光學偵測器304產生之放大的/衰減的光電流。進入電晶體326之電流反映傳輸通過第一電流鏡310之電流，且可為固定電流值。根據態樣，可藉由調變電流ISF，而非藉由調變由光學偵測器304產生之光電流的值來控制所感測之影像的滯後緩解。相比之下，電流ISF可反映來自M輸入314及M輸出326兩者之閘極節點的充電/放電電流。基於電壓值VSFG回應於光亮度之變化，電流ISF及電流鏡310之閘極充電/放電電流相對於由電晶體316供應之恒定電流對彼此進行調變。
由電晶體316供應之電流為實質上恒定的。然而，電流ISF在光强度改變時變化。歸因於變化之光强度的瞬變ISF與由電晶體316供應之恒定電流之間的差可耗乏或補充電晶體314及電晶體326之閘極電荷。電晶體314及電晶體326之閘極電荷的此快速耗乏或補充可減少後端(在電荷耗乏之情况下)及前端(在電荷補充之情况下)兩種情况下的滯後。
當明亮場景切換為黑暗場景時，VSFG值的減小可使ISF減小，ISF之減小又可使來自M輸入314及M輸出326兩者之閘極節點的放電電流增大，因為電流偏壓_2為固定的。來自M輸入314及M輸出326兩者之閘極節點的此加速的放電電流具有減少後端滯後之效應。
根據態樣，相同原理適用於前端滯後之緩解。根據態樣，由第一電流鏡310提供之負反饋可使電晶體312之調變增大達增益因子(gm-Min)/(gds-Min)，其中(gm-Min)為電晶體314之跨導，且(gds-Min)為電晶體314之電導。舉例而言，若電晶體314之汲極節點處的電壓VSFG增大，則電晶體312之源極節點處的電壓CG亦可增大。當電壓CG增大時，電壓VSFG可減小。此負反饋可防止電壓VSFG繼續增大並使電壓VSFG穩定，因而調變電晶體312。電晶體312之目的為在光强度變化時抑制瞬變。電晶體312之調變有利地加速對此瞬變之抑制。
此增益因子可相對於具有電流鏡之已知BDI驅動之讀出電路所經歷的滯後減少由BDI模組302及之後的電流鏡電路產生之影像滯後。因此可在IR或其他譜帶中實現較快、雜訊較少及/或較準確之成像。
應注意，可將包括BDI 302、第一電流鏡310、第二電流鏡330及重設開關模組320之整體電路300的集合實施為焦平面陣列中之單一像素的偵測器元件。可使用大型積體電路(LSI)來製造大量彼等像素元件以形成可對大量組合像素成像的整合之感測單元，該等組合像素之輸出中之每一者使用本文中揭露之電路及技術來調節。聚集感測單元可再次經組態以在IR譜帶及/或其他頻率範圍中捕獲影像。
在本發明之兩個實施例中，本發明之BDI像素電路包括總計七個電晶體，從而與具有五電晶體像素放大器之先前技術的直接注入像素電路相比產生覆蓋較少“有效面積”之大小減小的電路架構。
此外，本發明之BDI像素單元消耗藉由習知五電晶體像素放大器建構之像素單元消耗的功率之1%以下。因此可使用本發明之BDI像素建構大得多的像素陣列。與習知BDI像素相比，本發明之BDI像素產生的雜訊亦較低。
更具體而言，在像素節距較小之情况下，每像素之信號輻照 度減小且信雜比相應地減小。實際上，此實施例中之較少電晶體計數及低偏壓電流有助於使雜訊低於傳統讀出設計。
另外，Sackinger電流鏡藉由其內在負反饋而提供光二極體逆向偏壓之小得多的變化。此類似於典型的直接注入六電晶體像素放大器，但有效面積、功率及雜訊小得多。
以上描述為說明性的，且熟習此項技術者可想到組態及實施方案之變化。舉例而言，儘管已描述了使用以某一配置組態之雙電晶體像素放大器305、電晶體308及光學偵測器304對BDI模組302進行組態的實施例，但在實施方案中，彼等元件可以不同拓撲或配置組態，及/或可以其他電元件取代。類似地，儘管已將第一電流鏡310及第二電流鏡330說明為藉由說明性配置中的某些電晶體元件組態，但應瞭解，在實施方案中，彼等元件亦可以不同拓撲或配置組態，及/或以其他電元件取代。描述為單個或整合的其他資源在實施例中可為複數的或分散式的。
如上文所描述及圖示中所示的本發明之方法及系統提供具有優越性質之光學偵測器元件，優越性質包括改良之影像品質。雖然已參考較佳實施例示出及描述了本發明之設備及方法，但熟習此項技術者將易於瞭解，可對本發明進行改變及/或修改而不偏離本發明之精神及範疇。
302‧‧‧BDI模組
304‧‧‧光學偵測器
305‧‧‧雙電晶體像素放大器
306‧‧‧第一電晶體
307‧‧‧第二電晶體
308‧‧‧電晶體
310‧‧‧第一電流鏡
312‧‧‧第三電晶體
314‧‧‧第四電晶體
316‧‧‧電晶體
320‧‧‧重設開關模組
322‧‧‧重設開關
324‧‧‧積分電容器
326‧‧‧電晶體
330‧‧‧第二電流鏡
CG‧‧‧電壓
MSF‧‧‧第三電晶體
M輸入‧‧‧第四電晶體
M輸出‧‧‧第六電晶體
Vin‧‧‧輸出信號
VSFG‧‧‧電壓值

Claims (15)

  1. 一種影像感測器電路，其包括：一緩衝直接注入(BDI)模組，該BDI模組包括：一光學偵測器；一緩衝器，其連接至該光學偵測器之一輸出，具有一像素放大器，該像素放大器具有不超過兩個電晶體；一第一電流鏡，其耦合至該BDI模組，該第一電流鏡基於該光學偵測器之該輸出而產生一調變電流；一第二電流鏡，其耦合至該第一電流鏡，該第二電流鏡經組態以產生一放大或衰減之光電流，該放大或衰減之光電流可操作以最佳化該光學偵測器之一成像時間及場景亮度；及一重設電路，其耦合至該第二電流鏡，且經組態以重設一積分電容器，該積分電容器基於該光學偵測器之該輸出而對一影像信號求積分。
  2. 如請求項1之影像感測器電路，其中該光學偵測器包括一紅外線偵測器。
  3. 如請求項2之影像感測器電路，其中該紅外線偵測器經組態以在紅外線頻率範圍中偵測影像。
  4. 如請求項1之影像感測器電路，其中該第一電流鏡包括一Sackinger電流鏡。
  5. 如請求項1之影像感測器電路，其中該第一電流鏡及該第二電流鏡中之每一者包括一對耦合之電晶體。
  6. 如請求項6之影像感測器電路，其中該第一電流鏡與該第二電流鏡共用至少一個電晶體。
  7. 如請求項7之影像感測器電路，其中該第二電流鏡包括至少一個輸出電晶體以輸出該影像信號。
  8. 如請求項1之影像感測器電路，其中該第一電流鏡經由負反饋產生該調變電流之調變的一增大。
  9. 如請求項1之影像感測器電路，其中該重設電路包括耦合至該第二電流鏡之一開關電晶體。
  10. 如請求項1之影像感測器電路，其中該緩衝器進一步包括一直接注入電 晶體，該直接注入電晶體為一PMOS電晶體且該像素放大器之該兩個電晶體包括一NMOS電晶體及一PMOS電晶體。
  11. 如請求項1之影像感測器電路，其中該緩衝器進一步包括一直接注入電晶體，該直接注入電晶體為一NMOS電晶體且該像素放大器之該兩個電晶體包括一NMOS電晶體及一PMOS電晶體。
  12. 如請求項1之影像感測器電路，其中該像素放大器消耗小於約1nA之電流。
  13. 如請求項1之影像感測器電路，其中該像素放大器包括連接至接地之一第一偏壓電晶體及連接至一電源之一第二偏壓電晶體。
  14. 一種成像系統，其包括：緩衝直接注入(BDI)驅動之光學偵測器元件的一焦平面陣列，其中每一BDI驅動之光學偵測器元件包括一緩衝直接注入(BDI)模組，該BDI模組包括：一光學偵測器；一緩衝器，其連接至該光學偵測器之一輸出，具有一像素放大器，該像素放大器具有不超過兩個電晶體；一第一電流鏡，其耦合至該BDI模組，該第一電流鏡基於該光學偵測器之該輸出而產生一調變電流；一第二電流鏡，其耦合至該第一電流鏡，該第二電流鏡經組態以產生一放大或衰減之光電流，該放大或衰減之光電流可操作以最佳化該光學偵測器之一成像時間及場景亮度；及一重設電路，其耦合至該第二電流鏡，且經組態以重設一積分電容器，該積分電容器基於該光學偵測器之該輸出而對一影像信號求積分；其中每一BDI驅動之光學偵測器元件形成於一共同基板上。
  15. 如請求項14之成像系統，其中該像素放大器包括連接至接地之一第一偏壓電晶體及連接至一電源之一第二偏壓電晶體。
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