包括用于通過(guò)注入根據(jù)先前注入的數(shù)量而變化的電荷數(shù)量來(lái)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路的成像設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于成像設(shè)備的領(lǐng)域，其包括：響應(yīng)于入射光子輻射產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器(11)和形成用于讀取產(chǎn)生的電荷的量的裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)包括：可根據(jù)積分節(jié)點(diǎn)(A)上的電勢(shì)(Va)和預(yù)先確定的閾值電勢(shì)(Vthreshold)之間的比較來(lái)切換的比較器(122)；隨著比較器的每次切換而增量的計(jì)數(shù)器(123)；隨著比較器的每次切換在積分節(jié)點(diǎn)(A)處注入反電荷的量Qc的反電荷注入電路(124)；以及確定所注入的反電荷的量Qc的控制裝置(125)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)的特征在于，控制裝置(125)根據(jù)計(jì)數(shù)器(123)的值確定注入的反電荷的量Qc。
【專利說(shuō)明】包括用于通過(guò)注入根據(jù)先前注入的數(shù)量而變化的電荷數(shù)量來(lái)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路的成像設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明處于成像設(shè)備的領(lǐng)域，該成像設(shè)備包括在接收光子流時(shí)產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器和可以定量所產(chǎn)生的電荷的量的讀取裝置。本發(fā)明涉及一種形成這種讀取裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。正在討論的成像設(shè)備可特別利用CMOS技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)并且旨在用于成像，例如，利用X或伽馬射線的放射成像或可見(jiàn)光或紅外成像。
【背景技術(shù)】
[0002]成像設(shè)備一般包括像素矩陣和讀取裝置。每個(gè)像素包括至少一個(gè)感光元件，該至少一個(gè)感光元件產(chǎn)生與接收的光子的量成比例的電荷。這些電荷(也稱為光電荷)由讀取裝置處理，以供應(yīng)表示由每個(gè)感光元件接收的光子的量的信息。該讀取裝置可利用CMOS技術(shù)生產(chǎn)，CMOS技術(shù)允許讀取裝置納入到每個(gè)像素中。例如，像素讀取裝置由所謂的“電荷注入”模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，“電荷注入”模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)應(yīng)于術(shù)語(yǔ)“電荷反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器”。也可使用術(shù)語(yǔ)“電荷平衡”電路。
[0003]電荷注射模數(shù)轉(zhuǎn)換電路至少包括積分電容器、比較器、反電荷注入電路、以及計(jì)數(shù)器。積分電容器通過(guò)它的電極中的一個(gè)連接至所考慮的像素的感光元件。在所考慮的感光元件的曝光階段期間，感光元件將光子轉(zhuǎn)化為電子-空穴對(duì)。電荷、電子或空穴通過(guò)檢測(cè)器的電極收集，然后在積分電容器的端子處積累，從而導(dǎo)致電容器的端子上的電壓的變化。比較器的輸入連接至收集電荷的積分電容器。比較器將該輸入的電平處的電勢(shì)(稱為檢測(cè)電勢(shì))與閾值相比較。每當(dāng)檢測(cè)電勢(shì)超過(guò)閾值時(shí)，比較器的輸出處的信號(hào)從第一狀態(tài)切換到第二狀態(tài)。每個(gè)切換導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的增量和在積分電容器的電極上的反電荷的量QO的注入，以補(bǔ)償由感光元件產(chǎn)生的電荷。如果反電荷的量QO被正確地校準(zhǔn)，則檢測(cè)電勢(shì)再次超過(guò)閾值，并且比較器的輸出信號(hào)從第二狀態(tài)切換到第一狀態(tài)。根據(jù)由感光元件產(chǎn)生的電荷的總量重復(fù)切換比較器的輸出信號(hào)和反電荷的注入一定數(shù)量的次數(shù)。因此，平衡檢測(cè)電勢(shì)所必須的反電荷的注入的數(shù)量可以給出表示在給定積分時(shí)間周期期間由感光元件產(chǎn)生的電荷的總量的數(shù)值。這種電荷注入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的缺點(diǎn)在于，它僅可適用于由光電元件接收的相對(duì)有限范圍劑量的光子。事實(shí)上，為了允許精確定量低劑量的光子的目的，對(duì)應(yīng)于由計(jì)數(shù)器編碼的值的最低有效位的量QO必須相對(duì)小。然而，當(dāng)量QO相對(duì)小時(shí)，必須執(zhí)行許多注入以能夠定量大劑量光子。因此，計(jì)數(shù)器必須包括大量的位(例如，16位)以能夠計(jì)數(shù)所有注入。這被稱為“深(profond)”計(jì)數(shù)器。而且，光子流根據(jù)泊松定律經(jīng)受固有噪聲。換句話說(shuō)，由光子產(chǎn)生的電流的噪聲與所接收的光子的數(shù)量的平方根成比例。目前，光子流可相差很大，例如，在大約I至IO4的比例。因此，如果量QO以使其基本上與可被感光元件接收的最低劑量對(duì)應(yīng)的方式校準(zhǔn)，則然后由感光元件產(chǎn)生的大量的電荷被編碼，伴隨著等于量QO的幾十倍的噪聲。換句話說(shuō)，用大大高于噪聲的精確度數(shù)字化電荷的量，從而意味著計(jì)數(shù)器的若干位被毫無(wú)意義地使用。
[0004]專利申請(qǐng)EP 1860778 Al提出一種電荷注入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其中根據(jù)光子流調(diào)制每次注入中的反電荷的量Qc，在這種情況下，根據(jù)由該光子流產(chǎn)生的電流。光子流越大，則量Qc越高。例如，該流由注入的頻率確定?？刂蒲b置可以調(diào)制量Qc并且控制換向器，以便根據(jù)該量Qc使計(jì)數(shù)器增量多個(gè)單位。更精確地，控制換向器以使計(jì)數(shù)器增量等于反電荷QO的多個(gè)基本量的多個(gè)單位。因此，數(shù)字化的精確度適合于檢測(cè)到的光子流。而且，該精確度的數(shù)量級(jí)由在給定的積分時(shí)間周期上注入的反電荷的最大量Qc而容易確定。然而，在該專利申請(qǐng)中描述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路具有在計(jì)數(shù)器的輸入處需要換向器，和相對(duì)復(fù)雜的控制裝置的缺點(diǎn)。此外，為了允許在大范圍上數(shù)字化光子的劑量，計(jì)數(shù)器必須總是與之前描述的轉(zhuǎn)換電路一樣深。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的尤其在于糾正上述缺點(diǎn)的所有或一部分。本發(fā)明的目的尤其在于提供一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的反電荷注入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其中反電荷的注入的數(shù)量的計(jì)數(shù)器包括適度數(shù)量的位同時(shí)可以針對(duì)低量的電荷按照高的精確度數(shù)字化可變數(shù)量的電荷。按照該目標(biāo)，本發(fā)明的主題為一種用于成像設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，該成像設(shè)備包括響應(yīng)于入射光子輻射產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器，該電荷導(dǎo)致積分節(jié)點(diǎn)上的積分電勢(shì)的變化，該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括:
[0006]能夠根據(jù)所述積分電勢(shì)和預(yù)先確定的閾值電勢(shì)之間的比較來(lái)切換的比較器，
[0007]連接至所述比較器的輸出并且隨著所述比較器的每次切換進(jìn)行增量的計(jì)數(shù)器，
[0008]隨著所述比較器的每次切換在積分節(jié)點(diǎn)處注入反電荷的量Qc的反電荷注入電路，以及
[0009]用于控制反電荷注入電路的裝置，其確定所注入的反電荷的量Qc，
[0010]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的特征在于，控制裝置根據(jù)所述計(jì)數(shù)器的值確定注入的反電荷的量Qc。
[0011]在具體的實(shí)施方案中，控制裝置被配置成每當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到一個(gè)或多個(gè)預(yù)先確定的閾值時(shí)使量Qc變化。
[0012]計(jì)數(shù)器可包括預(yù)先確定的數(shù)量的位，例如，在這種情況下，每個(gè)預(yù)先確定的閾值與計(jì)數(shù)器的位中的一個(gè)的第一開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)。
[0013]例如，每當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)先確定的閾值時(shí)注入的反電荷的量Qc加倍。
[0014]反電荷注入電路可包括多個(gè)反電荷注入器，其每一個(gè)都能夠注入預(yù)先確定的量的反電荷。
[0015]在第一具體實(shí)施方案中，反電荷注入器的每一個(gè)都能夠注入反電荷的同一的量Q0,在積分節(jié)點(diǎn)上的反電荷的每次注入的量Qc通過(guò)選擇一個(gè)或多個(gè)反電荷注入器而變化。
[0016]在第二具體實(shí)施方案中，反電荷注入器的每一個(gè)都能夠注入不同量的反電荷，在積分節(jié)點(diǎn)上的反電荷的每次注入的量Qc通過(guò)選擇反電荷的注入器的其中之一而變化。
[0017]本發(fā)明的另一主題為一種成像設(shè)備，該成像設(shè)備包括響應(yīng)于入射光子輻射產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器，該電荷導(dǎo)致積分節(jié)點(diǎn)上的檢測(cè)電勢(shì)的變化，以及如前面所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
[0018]本發(fā)明尤其具有可以減小計(jì)數(shù)器尺寸的同時(shí)不管接收的光子的量而將精確度保持在與光子流所經(jīng)受的噪聲的量相同的數(shù)量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0019]在參照所附附圖閱讀以下描述之后，本發(fā)明將被更好地理解并且其他優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，其中:
[0020]-圖1表示根據(jù)本發(fā)明的成像設(shè)備的第一示例性實(shí)施方案中的像素的電路圖；
[0021]-圖2表示根據(jù)本發(fā)明的成像設(shè)備的第二示例性實(shí)施方案中的像素的電路圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1表示根據(jù)本發(fā)明的成像設(shè)備的第一示例性實(shí)施方案中的像素10的電路圖。成像設(shè)備可包括以行或矩陣組織的多個(gè)像素。每個(gè)像素形成成像設(shè)備的感光點(diǎn)。像素10包括感光元件11和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12。感光元件11形成像素的檢測(cè)器。例如，檢測(cè)器由光電二極管、由光電晶體管、或更普遍地由例如根據(jù)其接收的光子的量成比例地產(chǎn)生電荷的任何設(shè)備形成。例如，所考慮的光子具有在可見(jiàn)光、紅外線、X射線或伽馬射線光譜中的波長(zhǎng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12是所謂的“電荷注入”類型。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12包括積分電容器121、比較器122、計(jì)數(shù)器123、反電荷注入電路124和控制裝置125。積分電容器121通過(guò)其電極中的一個(gè)連接至感光元件11并且通過(guò)它的其他電極連接至參考電勢(shì)，例如，成像設(shè)備的電接地。感光元件11和積分電容器121之間的連接點(diǎn)被稱為積分節(jié)點(diǎn)A并且在該點(diǎn)處的電勢(shì)被稱為積分電勢(shì)Va。該節(jié)點(diǎn)還連接至比較器122的第一輸入，比較器122的第二輸入連接至稱為閾值電勢(shì)Vseuil的參考電勢(shì)。比較器122傳輸在輸出處的表不為Scomp的信號(hào),例如，該信號(hào)根據(jù)積分電勢(shì)Va和閾值電勢(shì)Vseuil之間比較的結(jié)果取為第一值或第二值。例如，信號(hào)Scomp是電壓。比較器122的輸出一方面連接至計(jì)數(shù)器123的輸入，并且另一方面連接至注入電路124的輸入。例如，計(jì)數(shù)器123包括12個(gè)開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)表示計(jì)數(shù)器123的位。當(dāng)然，計(jì)數(shù)器123根據(jù)將要編碼的最大值包括大量開(kāi)關(guān)。此外，計(jì)數(shù)器可由能夠編碼正整數(shù)值的任何其他設(shè)備產(chǎn)生。反電荷注入電路124包括6個(gè)反電荷注入器1240至1245、以及換向器126。例如，換向器126由六個(gè)受控的斷續(xù)器1260至1265形成。更普遍地，注入電路124可包括表示為124k的K個(gè)反電荷注入器，其中K為嚴(yán)格的正整數(shù)，并且換向器可包括與反電荷注入器124k—樣多的受控?cái)嗬m(xù)器，表示為126k。每個(gè)注入器124k連接至比較器122的輸出并且可傳輸量2k.QO的反電荷。因此，注入器1240可注入量QO的反電荷，注入器1241可注入量2.Q0，諸如此類。每個(gè)受控的斷續(xù)器126k連接在注入器124k中的一個(gè)的輸出和積分節(jié)點(diǎn)A之間。控制裝置125可以根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)器123中的值控制受控的斷續(xù)器126k。
[0023]在圖1所表示的示例性實(shí)施方案中，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12包括積分電容器121。然而，感光元件11可光學(xué)地具有寄生電容，該寄生電容足以實(shí)現(xiàn)積分電容器121的功能。在這種情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12可無(wú)需包括積分電容器。
[0024]參照?qǐng)D1描述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以如下方式操作。在接收光子時(shí)，感光元件11產(chǎn)生在連接至積分節(jié)點(diǎn)A的積分電容器121的電極上積累的電荷，例如，電子。這導(dǎo)致積分電勢(shì)Va的減小。當(dāng)電勢(shì)Va下降到閾值電勢(shì)Vseuil以下時(shí),輸出信號(hào)Scomp從第一值(例如，’ O’)切換至第二值(例如，’ I’)。信號(hào)Scomp由計(jì)數(shù)器123并且由注入電路124接收。具體而言，信號(hào)Scomp可由每個(gè)反電荷注入器124k接收。在每個(gè)開(kāi)關(guān)從第一值切換到第二值處，計(jì)數(shù)器123的值增量一個(gè)單位，并且每個(gè)反電荷注入器124k傳輸經(jīng)校準(zhǔn)的反電荷的量。根據(jù)換向器126的狀態(tài)，積分節(jié)點(diǎn)A從注入器124k中的一個(gè)接收反電荷的量。表示為Qc的反電荷的這個(gè)量使積分電勢(shì)Va增加到閾值電勢(shì)Vseuil以上的值。然后輸出信號(hào)Scomp從第二值切換至第一值。根據(jù)由感光元件11產(chǎn)生的電荷的總量重復(fù)以上描述的數(shù)字化過(guò)程一定數(shù)量的次數(shù)。換向器126的狀態(tài)，并且因此每個(gè)注入的反電荷的量Qc取決于計(jì)數(shù)器123的值。在接收光子之前，計(jì)數(shù)器123的值被設(shè)置為零。然后控制換向器126以關(guān)閉受控的斷續(xù)器1260，而其他受控的斷續(xù)器1261 - 1265打開(kāi)。因此，輸出信號(hào)Scomp的每個(gè)開(kāi)關(guān)觸發(fā)計(jì)數(shù)器123的值增量一個(gè)單位，并且注入反電荷的量Qc等于Q0。量Qc保持等于QO直到計(jì)數(shù)器123的值達(dá)到第一預(yù)先確定閾值。例如，該第一閾值對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)器123的第六位(圖1中的Bit5)的第一開(kāi)關(guān)，即，值32。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到第一閾值時(shí)，控制裝置125控制換向器126，以便關(guān)閉受控的斷續(xù)器1261，而其他受控的斷續(xù)器1260和1262-1265是打開(kāi)的。
[0025]因此，輸出信號(hào)Scomp的每個(gè)開(kāi)關(guān)仍觸發(fā)計(jì)數(shù)器123的值增量一個(gè)單位，但注入反電荷的量Qc等于2.Q0。量Qc保持等于2.QO直到計(jì)數(shù)器123達(dá)到第二預(yù)先確定閾值。例如，該第二閾值對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)器123的第八位(圖1中的Bit7)的第一開(kāi)關(guān)，即，值128。
[0026]當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到第二閾值時(shí)，控制裝置125控制換向器126，以便關(guān)閉受控的斷續(xù)器1262，而其他受控的斷續(xù)器1260、1261和1262-1265是打開(kāi)的。因此，輸出信號(hào)Scomp的每個(gè)開(kāi)關(guān)觸發(fā)計(jì)數(shù)器123的值增量一個(gè)單位，并且注入反電荷的量Qc等于4.Q0。類似地，當(dāng)計(jì)數(shù)器123的值達(dá)到閾值256、512和1024時(shí)，即，當(dāng)?shù)诰拧⒌谑偷谑晃环謩e進(jìn)行第一次切換時(shí)，量Qc逐步增加。
[0027]應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際上，量Qc對(duì)應(yīng)于在積分節(jié)點(diǎn)A處注入的反電荷的總量Qt的數(shù)字化步驟(或定量步驟)，例如，該總量Qt與由感光元件11從其開(kāi)始接收光子的時(shí)刻接收的光子的劑量成比例。因此，數(shù)字化的精確度隨著計(jì)數(shù)器123的值逐步演變。 [0028]在計(jì)數(shù)器123總是增量一個(gè)單位的措施中，無(wú)論注入的反電荷的量Qc是多少，計(jì)數(shù)器123的值和總量Qt之間的關(guān)系都不是線性的。
[0029]然而，對(duì)于量Qc增加到的給定組的閾值，該關(guān)系是固定的。這些閾值對(duì)應(yīng)于觸發(fā)修改注入的反電荷的量Qc的計(jì)數(shù)器123的值。
[0030]因此，總量Qt可由計(jì)數(shù)器123的值直接確定。具體而言，對(duì)應(yīng)表格可用于從計(jì)數(shù)器123的值確定總量Qt。以下表格呈現(xiàn)了來(lái)自針對(duì)對(duì)X射線敏感的示例性成像設(shè)備的像素的這種對(duì)應(yīng)表格的提取內(nèi)容。第一列表不計(jì)數(shù)器123的值。第二列表不對(duì)于根據(jù)該值的每個(gè)注入的對(duì)應(yīng)的量Qc。第三列表示在積分節(jié)點(diǎn)A上注入的反電荷的總量Qt直到信號(hào)Scomp最后一次切換。最后，第四列表示光子流X經(jīng)受的噪聲的量。
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種用于成像設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述成像設(shè)備包括響應(yīng)于入射光子輻射產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器(11)，所述電荷導(dǎo)致積分節(jié)點(diǎn)(A)上的積分電勢(shì)(Va)的變化，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12，22)包括: 比較器(122)，所述比較器(122)能夠根據(jù)所述積分電勢(shì)(Va)和預(yù)先確定的閾值電勢(shì)(Vseuil)之間的比較來(lái)切換， 計(jì)數(shù)器(123)，所述計(jì)數(shù)器(123)連接至所述比較器(122)的輸出并且隨著所述比較器的每次切換進(jìn)行增量， 反電荷注入電路(124，224)，所述反電荷注入電路(124，224)隨著比較器的每次切換在積分節(jié)點(diǎn)(A)處注入反電荷的量Qc，以及 裝置(125)，所述裝置(125)用于控制反電荷注入電路(124，224)，其確定所注入的反電荷的量Qc, 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12，22)的特征在于，控制裝置(125)根據(jù)所述計(jì)數(shù)器(123)的值確定注入的反電荷的量Qc。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述控制裝置(125)配置成每當(dāng)所述計(jì)數(shù)器(123)的值達(dá)到一個(gè)或多個(gè)預(yù)先確定的閾值時(shí)使量Qc變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述計(jì)數(shù)器(123)包括預(yù)先確定的數(shù)量的位，每個(gè)預(yù)先確定的閾值對(duì)應(yīng)于所述計(jì)數(shù)器(123)的位中的一個(gè)的第一開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3中的任一項(xiàng)所述的電路，其中每當(dāng)所述計(jì)數(shù)器(123)的值達(dá)到預(yù)先確定的閾值時(shí)注入的反電荷的量Qc加倍。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電路，其中所述反電荷注入電路(124，224)包括每一個(gè)能夠注入反電荷的預(yù)先確定的量的多個(gè)反電荷注入器(1240-1245)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的所述的電路，其中反電荷注入器(2240-2245)的每一個(gè)能夠注入反電荷的同一的量Q0，在積分節(jié)點(diǎn)(A)處反電荷的每次注入的量Qc通過(guò)選擇一個(gè)或多個(gè)反電荷注入器(2240-2245)而變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的所述的電路，其中反電荷注入器(1240-1245)的每一個(gè)能夠注入不同量的反電荷，在積分節(jié)點(diǎn)(A)處反電荷的每次注入的量Qc通過(guò)選擇反電荷的注入器(1240-1245)的其中之一而變化。
8.一種成像設(shè)備，所述成像設(shè)備包括響應(yīng)于入射光子輻射而產(chǎn)生電荷的檢測(cè)器(11)，所述電荷導(dǎo)致積分節(jié)點(diǎn)㈧上的檢測(cè)電勢(shì)(Va)的變化，以及前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12，22)。
【文檔編號(hào)】H03M1/18GK104040895SQ201280066391
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月24日
【發(fā)明者】J-L·莫洛 申請(qǐng)人:原子能和能源替代品委員會(huì), 曲克賽爾股份有限公司