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TWI610065B - 緩衝直接注入(bdi)讀出電路及成像系統 - Google Patents

緩衝直接注入(bdi)讀出電路及成像系統 Download PDF

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TWI610065B TW103117250A TW103117250A TWI610065B TW I610065 B TWI610065 B TW I610065B TW 103117250 A TW103117250 A TW 103117250A TW 103117250 A TW103117250 A TW 103117250A TW I610065 B TWI610065 B TW I610065B
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Abstract

實施例係關於用於具有電流鏡之一緩衝直接注入讀出電路之影像滯後緩解之系統及方法。一光偵測器裝置耦合至一緩衝直接注入(BDI)電路，其中一運算放大器及其他元件將來自該偵測器之輸出信號傳遞至後續級。該BDI輸出被傳輸至一第一電流鏡，其可被實施為一Säckinger電流鏡。該第一電流鏡耦合至一第二電流鏡，其等之輸出之一者係一固定偏置電流。影像滯後可由該固定偏置電流控制，而非由該光學偵測器直接產生之光電流控制。在態樣中，由該第一電流鏡提供之負回饋可增大該第二電流鏡之調變。此增益因子可將影像滯後減少到比沒有Säckinger電流鏡之已知BDI電流調變讀出電路所經歷之滯後顯著更低的程度。

Description

緩衝直接注入(BDI)讀出電路及成像系統
本教示係關於用於具有電流鏡之緩衝直接注入讀出電路的影像滯後緩解之系統及方法，且更特定言之，係關於使用緩衝直接注入讀出而用於減少光學感測器中之穩定時間之平臺及技術。
在光學感測器之領域中，已知使用光學感測器來偵測紅外線(IR)及其他光譜中的影像。光學偵測器，如InGaAs(砷化銦鎵)或在IR帶及其他頻率中之其他感測器已被部署于具有矽讀出電路之焦平面中。通常，來自偵測器裝置的電流輸出已透過注入MOSFET被遞送至積分電容器，該注入MOSFET繼而由緩衝器閘控以減少由於光電流變化引起之偵測器反向偏置變化。此組態被稱為緩衝直接注入(BDI)讀出電路。根據已知實施之BDI電路組態在圖1中示出。
來自此等實施之BDI部分之輸出可被遞送至電流鏡，亦如圖1中所示出。電流鏡用於放大或削弱輸入光電流以偵測日光至星光的場景。藉由改變圖1中之BIAS與GAIN之間之電壓差，圖1中之Iout與Iin之間的比率可改變若干個數量級。網路之右手部分用於重置積分電容器，其用於控制由BDI或其他讀出電路執行之聚光間隔之定時。
然而，在已知BDI實施中，如圖1中所示之實施，在光學感測及由BDI及電流鏡電路產生的輸出之效能上具有困難。明確言之，且例如圖2中所示，當由藉由電路的BDI部分產生之緩衝電流驅動時，電路之電流鏡部分之操作特性可尤其在場景中之亮度量上具有較大變化時可能導致被成像之場景之穩定時間上的顯著延遲。
亦即，且同樣如圖2中所示，當BDI或其他讀出電路正在 捕獲連續場景中具有顯著亮度變化之影像時，讀出電路無法回應於合理時間訊框內之場景亮度變化。在圖2中，在訊框0處發生明亮場景，而在訊框1處無法顯示完全亮度。相反，完全亮度僅可在訊框2處顯示。在圖2中這被稱為「前端」滯後。接著，在訊框2，明亮場景被切換為黑暗場景，且顯示花費更長時間來穩定至圖2中作為「後端」滯後所顯示之效果的黑暗場景。在該類型之耀斑或其他過渡期間，感測器裝置可能無法足夠快地回應於場景之整體亮度上之迅速變化來精確地產生輸出信號值。此影像滯後部分由圖1中之電路之電流鏡部分之電容的充電/放電所引起。後端滯後時間常數τ可根據表達式：τ=RC來估算。
R是電流鏡閘極節點處之有效阻抗，且在黑暗場景中可處於幾百千兆Ω之範圍內。R之簡單估算可涉及圖1中之Min電晶體之跨導gm。R
Figure TWI610065BD00001
1/gm
Figure TWI610065BD00002
(1.5*kT/q)/Iin，其中k是波茲曼常數，T是溫度，q是電子電荷且Iin是光電流。若T=300°K且光電流=0.1pA，則R接近400GΩ。C是電流鏡閘極節點處之有效電容。即，從明亮場景至黑暗場景，穩定電流鏡閘極節點之放電的時間常數可為幾十毫秒。因為典型訊框時間為33mS，因此後端影像滯後可持續若干個訊框並不意外，其在過渡的亮度條件下可顯著影響影像品質或精確度。
可期望提供具有電流鏡之緩衝直接注入讀出電路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，所述BDI部分繼而供應電流鏡拓撲，其對於變化的影像條件提供改良之回應時間。
300‧‧‧電路
302‧‧‧BDI模組
304‧‧‧光學偵測器
306‧‧‧運算放大器
308‧‧‧電晶體
310‧‧‧第一電流鏡
312‧‧‧第一電晶體(標為MSF)
314‧‧‧第二電晶體(標為Min)
320‧‧‧重置開關模組
322‧‧‧重置開關
324‧‧‧積分電容器
326‧‧‧第三電晶體(標為Mout)
330‧‧‧第二電流鏡
併入本說明書中并組成本說明書一部分之附圖繪示本教示之實施例，且連同描述一起用於解釋本教示之原理。圖中：圖1繪示根據已知實施的利用BDI電路之光學偵測系統；圖2繪示在明亮至黑暗過渡條件中的圖1中所示的光學偵測系統的信號回應特性；及圖3繪示根據本教示之各種態樣之併入BDI及電流鏡電路之整體光學偵測系統。
本發明之實施例係關於用於具有電流鏡之緩衝直接注入電路之影像滯後緩解之系統及方法。更特定言之，實施例係關於收集由光學感測器從InGaAs或其他感測器陣列產生之信號，同時當從高亮度場景過渡至低亮度場景時或在成像環境中之其他過渡期間減少感測器之輸出用於穩定所需之滯後時間的平臺及技術。
現在將對本教示之例示性實施例進行詳細參考，其在附圖中繪示。在可行之處，將在附圖各處使用相同或類似參考數字以指相同或相似部件。
圖3繪示根據實施之一組整體電路300，其中可操作用於具有電流鏡之緩衝直接注入電路之影像滯後緩解之系統及方法。在所示之態樣中，該電路300可包括BDI模組302。BDI模組302可包括光學偵測器304，其可為或包含InGaAs偵測器或其他光學感測元件。在實施中，光學偵測器304可組態用於增強之低位準效能，例如以出於更低噪聲及更好的低光敏感性而經受液體冷卻。撞擊於光學偵測器304上之光可透過由耦合至運算放大器306之電晶體308組成的緩衝部分觸發電流。由BDI模組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，尤其是第一電晶體312(標為MSF)及第二電晶體314(標為Min)。根據實施，第一電流鏡310可為或包含Säckinger電流鏡，其可操作或運作為經調控之疊接電流鏡之簡化形式。
在所示之實施中，該組整體電路300可進一步包含第二電流鏡330。第二電流鏡330可包含第二電晶體314，以及第三電晶體326(標為Mout)。此外，該組整體電路300可包含重置開關模組320，其可操作來經由重置開關322重置積分電容器324，以對於新訊框或其他成像間隔而對積分電容器324充電。
根據態樣，電流ISF可在第二電流鏡330之兩側驅動電流輸出，其繼而藉由改變BIAS與GAIN(例如，如圖1中所示)之間之電壓差而提供由光學偵測器304產生之放大/削弱之光電流。電流IBIAS反映了透過 第一電流鏡310傳輸之電流，且可為固定電流值。根據態樣，第二影像之滯後緩解可由ISF之調變電流控制，而非由光學偵測器304產生之光電流之值控制。電流ISF可相比之下反映來自圖1中之Min及Mout兩者之閘極節點的充電/放電電流。基於從光亮度之電壓值VSFG之變化，電流ISF及電流鏡310之閘極充電/放電電流相對於圖1中之恆定電流IBIAS針對彼此而調變。當明亮場景切換成黑暗場景時，VSFG值的減小將使ISF減小，其繼而因為IBIAS固定而將增大從Min及Mout兩者的閘極節點的放電電流。從Min及Mout兩者之閘極節點之此種加速放電電流將具有減小後端滯後的效應。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提供之負回饋可使第一電晶體312之調變增大(gm-Min)/(gds-Min)倍。此增益因子可將由BDI模組302及跟隨之電流鏡電路產生之影像滯後驅動至比具有電流鏡之已知的BDI驅動的讀出電路所經歷之滯後顯著更低的程度。因此可達成在IR或其他帶中的更快、噪聲更少及/或更精確之成像。
可注意到，包含BDI 302、第一電流鏡310、第二電流鏡330及重置開關模組320之該組整體電路300可被實施為焦平面陣列中單個像素之偵測器元件。可使用大規模集成(LSI)來製造大量此等像素元件以形成可成像大量組合像素之集成感測單元，其每個之輸出使用本文中揭示之電路及技術來調控。總的感測單元亦可經組態以捕獲IR帶及/或其他頻率範圍內之影像。
前述描述係例證性的，且對於熟悉此項技術者而言，組態及實施中可出現變化。例如，雖然實施例已描述BDI模組302使用運算放大器306、電晶體308來組態，且光學偵測器304組態為某一配置，但是在實施中，此等元件可以不同拓撲或配置來組態，及/或可用其他電子元件取代。類似地，雖然第一電流鏡310及第二電流鏡330已繪示為被組態為例證性配置中的某些電晶體元件，但是將了解，在實施中，此等元件亦可以不同拓撲或配置來組態，及/或用其他電子元件取代。描述為單數或集成之其他資源在實施例中可為複數或分佈式，且描述為多個或分佈式之資源在實施例中可組合。本教示之範疇相應地意在僅受到下文申請專利範圍所限制。

Claims (15)

  1. 一種緩衝直接注入(BDI)讀出電路，其包括：一BDI模組，該BDI模組包括：一光學偵測器，及一緩衝器，其連接至該光學偵測器之一輸出；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放大或削弱之光電流，其可操作以使該光學偵測器之一成像時間及場景亮度最優化；及一重置電路，其耦合至該第二電流鏡，且經組態以重置一積分電容器，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進行積分。
  2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該光學偵測器包括砷化銦鎵(InGaAs)裝置或其他IR裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項之電路，其中該InGaAs或其他IR裝置經組態以偵測紅外線頻率範圍中之影像。
  4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該緩衝器包括一運算放大器。
  5. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該第一電流鏡包括一Säckinger電流鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該第一電流鏡及該第二電流鏡之各種包括一對耦合之電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中該第一電流鏡及該第二電流鏡共用至少一個電晶體。
  8. 如申請專利範圍第7項之電路，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。
  9. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該第一電流鏡經由負反饋產生該調變電流之調變之增加。
  10. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該重置電路包括耦合至該第二電流鏡之一開關電晶體。
  11. 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之一焦平面陣列，其中：每個BDI驅動之光學偵測器元件包括：一BDI模組，該BDI模組包括：一光學偵測器，及一緩衝器，其連接至該光學偵測器之一輸出；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放大或削弱之光電流，其可操作來使該光學偵測器之一成像時間及場景亮度最優化；及一重置電路，其耦合至該第一電流鏡且經組態以重置一積分電容器，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進行積分；其中每個BDI驅動之光學偵測器元件形成於一共同基板上。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中每個BDI模組之該光學偵測器包括一InGaAs裝置或其他IR裝置。
  13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中每個BDI模組之該InGaAs或其他IR偵測器經組態以在該紅外線頻率範圍中偵測影像。
  14. 如申請專利範圍第11項之系統，其中每個BDI模組之該緩衝器包括一運算放大器。
  15. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該第一電流鏡包括一Säckinger電流鏡。
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