CN105163048A - 基于放大器复用的动态视觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路领域，为提供一种采用复用结构实现光电流连续监测和光强量化读出两种功能的传感器，本发明采取的技术方案是，基于放大器复用的动态视觉传感器，光电二极管PD与对数管Mfb的源级相连接，并在Mfb的栅级和源级之间加入放大器A1构成负反馈回路，用于将光电二极管探测到的光电流以对数方式转换为电压；对数管Mfb的栅级还和电容C1相连，电容C1与放大器A2之间加入开关SW3；开关SW4一端连接放大器A2输入端，另一端则连接参考电压Vref；电容C2和复位开关SW2分别与放大器A2并联，电容C3与开关SW1串联后并接在放大器A2的两端。本发明主要应用于集成电路的设计制造。

Description

基于放大器复用的动态视觉传感器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及采用放大器复用方式进行光强量化读出的动态视觉传感器。具体讲，涉及基于放大器复用的动态视觉传感器。

技术背景

动态视觉传感器(DynamicVisionSensor，DVS)是一种新型CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器，其像素的基础结构如图1所示，由光电二极管PD、对数管Mfb、放大器A1、放大器A2、电容C1、电容C2、开关RST、ON比较器、OFF比较器和逻辑模块logic组成。具体工作方式如下：

光电二极管PD因受到光照而产生光电流Iph，Iph通过对数管Mfb转化为对应的光信号电压Vp。放大器A1的作用在于形成负反馈环路，使得Vp能及时响应Iph的变化。Vp与Iph的转化关系为

$V_p={\mathrm{\κ}}^{-1}.(V_S+U_T\·log(\frac{I_{ph}}{I_0}\left)\right)$

其中κ表示Mfb的亚阈值斜率因子，VS表示对数管Mfb的源级电压，UT表示热电压，I0表示光电二极管PD的恒定参考电流。电容C1和C2、放大器A2以及开关RST组成一个开关电容放大器。当开关RST断开时，放大器输出端电压Vdiff的变化值ΔVdiff与放大器输入端电压Vp的变化值ΔVp成比例变化，即有

${\mathrm{\ΔV}}_{diff}=-\left(\frac{C_1}{C_2}\right)\·{\mathrm{\ΔV}}_p$

从而DVS能实时监测Vp的变化情况：若ΔVdiff达到了所设定的变化阈值Vth,ON(通常为负值)，则ON比较器输出一个脉冲，称为产生了一个ON事件；若ΔVdiff达到了所设定的变化阈值Vth,OFF(通常为正值)，则OFF比较器输出一个脉冲，称为产生了一个OFF事件。当有事件产生时，逻辑模块输出事件并控制开关RST闭合，清除事件并进行复位过程。复位完成后开关RST断开，本次事件周期完成，DVS将开始新一轮监测过程。

由上述DVS的工作原理可以看出，传统的DVS仅能够实现监测光电流的连续变化从而产生表征其变化性质的ON/OFF事件脉冲，而本身并不具有将光强信息进行量化读出的功能。如若要求DVS在探测光强变化的同时亦能得到光强信息，则需要在DVS像素结构中引入额外的量化读出电路。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种采用复用结构实现光电流连续监测和光强量化读出两种功能的传感器，为此，本发明采取的技术方案是，基于放大器复用的动态视觉传感器，光电二极管PD与对数管Mfb的源级相连接，并在Mfb的栅级和源级之间加入放大器A1构成负反馈回路，用于将光电二极管探测到的光电流以对数方式转换为电压；对数管Mfb的栅级还和电容C1相连，电容C1与放大器A2之间加入开关SW3；开关SW4一端连接放大器A2输入端，另一端则连接参考电压Vref；电容C2和复位开关SW2分别与放大器A2并联，电容C3与开关SW1串联后并接在放大器A2的两端；A2的输出分别与ON比较器和OFF比较器相连接，ON比较器和OFF比较器的输出均接入逻辑模块Logic中；Logic有五个输出，分别控制SW1～SW5的断开与闭合。

各开关开、关时序是，在事件探测阶段，开关SW1、SW2、SW4和SW5处于断开状态，而SW3闭合，放大器A2用于将光强变化信号放大后用于判断时间是否触发；在事件产生后，SW3、SW4和SW5保持原状态，SW1和SW2闭合，进入事件复位过程；事件复位过程完成后，SW2断开，同时SW3断开SW4闭合，进入量化阶段，此时放大器A2用于将A1反馈回路得到的对数光响应电压输出；量化阶段持续若干时钟周期，以保证放大器输出信号的完全建立。在量化阶段末尾SW5闭合，对放大器的输出信号进行读出；在量化阶段结束后，SW4和SW5断开，SW2和SW3闭合，从而进入到量化复位阶段；量化复位结束时，SW1、SW2断开，完成本事件周期，进入到下一个事件周期的事件探测过程中。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

1.采用放大器复用结构的传感器不仅能够实时监测光信号变化，还能基于此结构对光信号进行量化读出。

2.传感器的事件探测过程和量化读出过程采用的是同一光电二极管输入的信号，避免了光响应非一致性带来的信号偏差，消除了DVS像素的探测-量化误差。

附图说明

图1传统DVS像素结构图。

图2采用放大器复用进行光强量化读出的DVS像素的结构与时序图。

具体实施方式

本发明在传统DVS结构基础上通过增加参考电压、电容和开关等端口或元件，并在一个事件周期中增加量化读出和量化复位两个放大器的工作过程，使得该DVS结构本身同时具备连续光强监测和光强量化输出的能力。

具体描述如下：

本发明采用的像素结构及其工作时序如图2所示。像素具体结构如下：光电二极管PD与对数管Mfb的源级相连接，并在Mfb的栅级和源级之间加入放大器A1构成负反馈回路，用于将光电二极管探测到的光电流以对数方式转换为电压；电容C1与放大器A2之间加入开关SW3；开关SW4一端连接放大器，另一端则连接参考电压Vref；C2和复位开关SW2分别与放大器A2并联，电容C3与开关SW1串联后并接在放大器A2的两端；A2的输出分别与ON比较器和OFF比较器相连接，两个比较器的输出均接入逻辑模块Logic中；Logic有五个输出，分别控制SW1～SW5的断开与闭合。

时序图中SW1～SW5为低电平时表示该开关断开，为高电平时表示该开关闭合。在事件探测阶段，开关SW1、SW2、SW4和SW5处于断开状态，而SW3闭合，此时与传统DVS中事件探测过程一致，放大器A2用于将光强变化信号放大后用于判断时间是否触发。在事件产生后，SW3、SW4和SW5保持原状态，SW1和SW2闭合，进入事件复位过程。事件复位过程完成后，SW2断开，同时SW3断开SW4闭合，进入量化阶段，此时放大器A2用于将A1反馈回路得到的对数光响应电压输出。量化阶段持续若干时钟周期，以保证放大器输出信号的完全建立。在量化阶段末尾SW5闭合，对放大器的输出信号进行读出。在量化阶段结束后，SW4和SW5断开，SW2和SW3闭合，从而进入到量化复位阶段。量化复位结束时，SW1、SW2断开，完成本事件周期，进入到下一个事件周期的事件探测过程中。

因为所提出方法可能有很多的实现方式，这里要写一个比较理想的方案。

以3.3V，110nm制作工艺为例给出本发明的一种实施方式。所设计图像传感器一个时钟周期为20ns，一个事件周期为160ns。Vref为2.8V，C1为800fF，C2为50fF，C3为200fF，Vth,ON和Vth,OFF均为40mV。

Claims (2)

1.一种基于放大器复用的动态视觉传感器，其特征是，电二极管PD与对数管Mfb的源级相连接，并在Mfb的栅级和源级之间加入放大器A1构成负反馈回路，用于将光电二极管探测到的光电流以对数方式转换为电压；对数管Mfb的栅级还和电容C1相连，电容C1与放大器A2之间加入开关SW3；开关SW4一端连接放大器A2输入端，另一端则连接参考电压Vref；电容C2和复位开关SW2分别与放大器A2并联，电容C3与开关SW1串联后并接在放大器A2的两端；A2的输出分别与ON比较器和OFF比较器相连接，ON比较器和OFF比较器的输出均接入逻辑模块Logic中；Logic有五个输出，分别控制SW1～SW5的断开与闭合。

2.如权利要求1所述的基于放大器复用的动态视觉传感器，其特征是，各开关开、关时序是，在事件探测阶段，开关SW1、SW2、SW4和SW5处于断开状态，而SW3闭合，放大器A2用于将光强变化信号放大后用于判断时间是否触发；在事件产生后，SW3、SW4和SW5保持原状态，SW1和SW2闭合，进入事件复位过程；事件复位过程完成后，SW2断开，同时SW3断开SW4闭合，进入量化阶段，此时放大器A2用于将A1反馈回路得到的对数光响应电压输出；量化阶段持续若干时钟周期，以保证放大器输出信号的完全建立。在量化阶段末尾SW5闭合，对放大器的输出信号进行读出；在量化阶段结束后，SW4和SW5断开，SW2和SW3闭合，从而进入到量化复位阶段；量化复位结束时，SW1、SW2断开，完成本事件周期，进入到下一个事件周期的事件探测过程中。