具有恒定电压偏置的光电二极管的像素电路和相关的成像方法技术

一种成像系统，包括多个像素电路，每个像素电路具有光电二极管、偏置电路和电荷-电压转换器。光电二极管被配置成响应于光或辐射来生成电荷。偏置电路被配置成提供光电二极管两端的恒定偏置电压，以便排出由光电二极管生成的电荷。电荷-电压转换器被配置成累积由偏置电路排出的电荷并且将所累积的电荷转换成对应的输出电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年9月11日提交的美国临时申请号61/876,226(代理人案号124-0015-US-PRO)的权益，其通过引用并入本文。
技术介绍
除非在本文中另外指出，否则不应该认为在本部分中所描述的途径是本申请的权利要求的现有技术，并且不因为其包括在该部分中而认为是现有技术。常规成像器使用是将入射光转换成电流或电压的光敏电子元件的光电二极管。来自这样的光电二极管元件或像素的矩阵的信号产生图像。光电二极管通常以“电荷耗尽”模式操作。在这种模式下，在曝光或图像采集之前，与每个像素电路中的光电二极管相关联的电容器被预先充电到1V-6V反向偏置(或电压)。比如，阴极处于比阳极更高的电压电平(阴极和阳极是光电二极管中的两个带有相反电荷的电极)。非常低的漏电流流动可能在这些两个终端之间。漏电流是电荷在设备的“断开”状态下的流动，并且是不期望的效果。在电荷耗尽模式下，由图像信息生成的光电流会被动地耗尽或移除存储在反向偏置中的电荷，以使光电二极管两端的电压在其吸收由输入图像投影的光时逐渐下降。在一些现有技术的无源像素电路中，读出动作可以将光电二极管反向偏置恢复至曝光前的水平，并且测量恢复该偏置所需的电荷的数量。在一些现有技术的有源像素电路中，在曝光结束时测量留在光电二极管上的电压。然后，光电二极管反向偏置由单独的重置动作恢复。上文所提及的现有技术的途径至少具有下列限制：(1)光电二极管漏电流还可能耗尽所存储的反向偏置，从而引入被称为散粒噪声的噪声类型和动态范围限制；(2)光电二极管响应度可能随其偏置电压而改变，其可能随信号积分增加而被耗尽，从而引入不期望的非线性度；(3)在许多有源像素设计中，所累积的信号电荷由是电压的函数的光电二极管电容两端的电压表示，从而引入不期望的非线性度；和(4)光电二极管电容的偏置恢复动作可以引入kTC噪声(还称为重置噪声)。附图说明图1是成像系统中的一个示例像素电路的示意图；图2是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；图3是成像系统中的另一示例像素电路的示意图；图4是成像系统中的又一示例像素电路的示意图；图5是用图1中所图示的像素电路实现的成像系统的示意图；和图6是图示了图5的成像系统的操作的时序图，所有操作按照本公开的至少一些实施例进行布置。具体实施方式在以下的具体实施方式中，参照形成其一部分的附图。在附图中，类似的符号通常标识类似的部件，除非上下文另外指示。在具体实施方式、附图和权利要求书中所描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以利用其它实施例，并且可以在不脱离这里所提出的主题的精神或范围的情况下做出其它改变。应当容易理解，如本文中通常所描述的并且在附图中所图示的，本公开的方面可以以广泛多种不同的构造进行布置、取代、组合并且设计，所有这些都在本文中进行明确设想。贯穿本描述，应当注意光电二极管两端的偏置电压(即，在光电二极管阴极和阳极端子两端预先设定或维持的电位差)和在像素电路中操作的偏置电流之间的区别。偏置电压被施加到光电二极管，以使它们能够通过电荷耗尽来积分光学信号。偏置电流被施加在像素电路的有源单元中，以确保像素电路的最佳的、线性的和低噪声操作。图1、图2、图3和图4分别是根据本公开的至少一些实施例的成像系统中的像素电路101，102，103和104的示意图。每个像素电路101，102，103和104包括光电二极管PD、偏置电路10、电荷-电压转换器C1、以及开关SW1和SW2。像素电路101，102，103和104可以被配置成基于将在随后的段落中详细地进行解释的控制信号RESET，BIAS和SELECT来操作。VCC和VSS表示供应到偏置电路10以确保适当的操作的偏置电压。像素电路101，102，103和104的操作可以包括至少三个阶段：图像采集周期、读出周期、和重置周期。偏置电路10被配置成在整个操作期间提供光电二极管PD两端的恒定偏置电压，以使像素电路101，102，103和104可以以“电荷生成”模式操作。在图像采集周期期间，光电二极管PD可以被配置成响应于输入光或辐射来生成电荷。在“电荷生成”模式下，响应于光或辐射由光电二极管PD所生成的电荷由偏置电压电路10排出(drain)并且在电荷-电压转换器C1中进行累积。如先前所陈述的，现有技术的像素电路被配置成以其中光电二极管响应度可以随偏置电压而改变的“电荷耗尽”模式来操作，从而引入不期望的非线性度。在本公开中，由于光电二极管PD两端的偏置电压不被允许通过输入光或辐射进行调制，所以光电二极管响应度不是已经所捕获的信号的数量的函数，并且因此可以维持信号响应的线性度。在图1，图2，图3和图4中所图示的实施例中，电荷-电压转换器C1可以是但不限于线性平行板电容器或具有类似功能的另一类型的设备。在图像采集周期期间，电荷-电压转换器C1可以被配置成在第一端接收从光电二极管PD排出的电荷、累积所接收的电荷、并且在第二端将所累积的电荷转换成输出电压Vo。在读出周期期间，输出电压Vo可以经由开关SW1被传送给成像系统中的对应的数据线用于获取对应的视频信号，其将在随后的段落中详细地进行说明。在重置周期期间，电荷-电压转换器C1可以使用开关SW2进行重置用于清除所累积的电荷，从而准备用于随后的图像获取周期。如先前所陈述的，在现有技术的有源像素电路由于光或辐射而生成的电荷被累积在光电二极管电容中，其是变化的偏置电压的函数，从而引入不期望的非线性度。在本公开中，由于光或辐射而生成的电荷被积累在电荷-电压转换器C1而非在光电二极管电容中累积。由于电荷-电压转换器C1(输入电荷与输出电压的比例)的增益是与任何输入光或辐射无关的恒定值，输入光或辐射的线性表示可以通过在电荷-电压转换器C1的第二端直接读出输出电压Vo来提供。应当注意，当以“电荷生成”模式操作时，不需以切换方式对光电二极管PD执行偏置恢复动作。因此，如同常规像素电路的缺点一样，根据本公开的至少一些实施例的像素电路101，102，103和104不生成太多的kTC噪声。在如图1和图3所图示的实施例中，像素电路101或103的偏置电路10包括运算放大器20和电压源40。电压源40被耦合在运算放大器20的非反相端和光电二极管PD的阳极之间。电荷-电压转换器C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有像素阵列的成像系统，所述成像系统包括多个像素电路，每个像素电路包括：光电二极管，被配置成响应于光或辐射来生成电荷；偏置电路，被配置成提供所述光电二极管两端的恒定偏置电压，以便排出由所述光电二极管生成的电荷；以及第一电荷‑电压转换器，被配置成累积由所述偏置电路排出的所述电荷并且将所累积的电荷转换成对应的输出电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.11 US 61/876,2261.一种具有像素阵列的成像系统，所述成像系统包括多个像素电
路，每个像素电路包括：
光电二极管，被配置成响应于光或辐射来生成电荷；
偏置电路，被配置成提供所述光电二极管两端的恒定偏置电压，
以便排出由所述光电二极管生成的电荷；以及
第一电荷-电压转换器，被配置成累积由所述偏置电路排出的所
述电荷并且将所累积的电荷转换成对应的输出电压。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述每个像素电路还
包括：
增益切换电路，被配置成检测所述输出电压并且提供第二电荷-
电压转换器，以响应于超过阈值电压的所述输出电压来累积由所述
光电二极管生成的所述电荷。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其中，
所述增益切换电路包括：
电压比较器，被配置成根据所述输出电压和所述阈值电压之
间的差来生成选择信号；以及
选择电路，被配置成生成与所述选择信号的逻辑电平相关联
的锁存信号；以及
所述第二电荷-电压转换器基于所述锁存信号选择性地与所述第
一电荷-电压转换器平行地耦合。
4.根据权利要求1所述的成像系统，其中，
所述第一电荷-电压转换器包括：
第一端，其耦合至所述光电二极管的阴极；和
第二端，其用于输出所述输出电压；和
所述偏置电路包括：
运算放大器，其包括：
非反相输入端；
反相输入端，其耦合至所述光电二极管的所述阴极；输出
端，其耦合至所述第一电荷-电压转换器的所述第二端；和
电压源，其耦合在所述光电二极管的阳极和所述运算放大器
的所述非反相输入端之间以提供所述恒定偏置电压。
5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，
所述第一电荷-电压转换器包括：
第一端，其耦合至所述光电二极管的阳极；和
第二端，其用于输出所述输出电压；和
所述偏置电路包括：
第一晶体管，其包括：
第一端，其耦合至所述光电二极管的阴极；
第二端；和
控制端；
第二晶体管，其包括：
第一端；
第二端，其耦合至所述第一晶体管的所述控制端；和
控制端，其耦合至所述第一晶体管的所述控制端；
第三个晶体管，其包括：
第一端；
第二端，其耦合至所述第一晶体管的所述第二端；和
控制端，其耦合至所述第一晶体管的所述第二端；
第四晶体管，其包括：
第一端，其耦合至所述第三晶体管的第一端；
第二端，其耦合至所述第一晶体管的所述控制端；和
控制端，其耦合至所述第一晶体管的所述第二端；
第五晶体管，其包括：
第一端，其耦合至所述第三晶体管的所述第一端；
第二端，其耦合至所述第一电荷-电压转换器的所述第
二端；和
控制端，其耦合至所述第一晶体管的所述第二端；和
电压源，其耦合在所述光电二极管的所述阳极和所述第二
晶体管的所述第一端之间以提供所述恒定偏置电压。
6.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述每个像素电路还
包括：
第一开关，其选择性地将所述第一电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·甘谷利，P·鲁斯，
申请(专利权)人：瓦里安医疗系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US