一種像素單元電路及像素讀出芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種像素單元電路及像素讀出芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)意義上的像素讀出芯片或像素探測(cè)系統(tǒng)，主要基于電荷積分的方式完成對(duì)信號(hào)的探測(cè)。例如CO)(Charge-coupled Device，電荷親合元件)、CM0S( —種典型的固體成像傳感器)相機(jī)等等，通過(guò)同感光二極管相連的電容對(duì)電荷進(jìn)行積分，將積分之后的幅度進(jìn)行讀出，如圖1和圖2所示，從而對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)量實(shí)現(xiàn)探測(cè)。這種方式無(wú)法有效分辨信號(hào)和噪聲，信噪比不高。
[0003]為了有效的對(duì)單個(gè)光子或入射粒子進(jìn)行分辨，發(fā)展出一類基于單光子信號(hào)處理的像素讀出芯片形式。如圖3所示，這類芯片通過(guò)電荷靈敏前置放大器，首先將單個(gè)入射信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，之后通過(guò)設(shè)定閾值，將幅度低于該閾值的噪聲信號(hào)進(jìn)行剔除，從而獲得無(wú)噪聲的真正探測(cè)器信號(hào)。對(duì)過(guò)閾甄別信號(hào)，最簡(jiǎn)單的處理方式就是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的過(guò)閾事例數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而間接獲得這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)亮度的統(tǒng)計(jì)，這種方式稱為單光子計(jì)數(shù)模式。其后，芯片需要按一定的刷新頻率將各像素的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行讀出并清零，以便開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù)。如果以各像素的計(jì)數(shù)作為圖像亮度，像素的二維位置對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)的位置，所讀出的數(shù)據(jù)就形成了一幀圖像，即芯片通常工作在幀刷新模式下。
[0004]單光子計(jì)數(shù)型像素芯片已有一些發(fā)展，主要用于同步輻射或醫(yī)療成像應(yīng)用。其中兩種代表性主流產(chǎn)品的像素單元電路的結(jié)構(gòu)框圖分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看到，兩種產(chǎn)品的模擬前端電路部分大同小異，均由前文描述的電荷靈敏前置放大器，對(duì)探測(cè)器輸入信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，之后通過(guò)甄別器(在圖5中稱為甄別器，Discriminator)將信號(hào)幅度同設(shè)定閾值進(jìn)行比較，利用計(jì)數(shù)器對(duì)過(guò)閾信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0005]兩種產(chǎn)品在讀出方式上有一些差異。圖4中，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果是通過(guò)行列選通的方式，通過(guò)列總線的方式進(jìn)行讀出的。即在讀出過(guò)程中，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果被鎖定，通過(guò)行、列選擇信號(hào)依次使能像素，使計(jì)數(shù)結(jié)果連接到數(shù)據(jù)總線上，從而實(shí)現(xiàn)讀出。而在圖5中，讀出是通過(guò)線性反饋移位寄存器的方式完成的，即在計(jì)數(shù)階段，該部分邏輯作為一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)計(jì)數(shù)器工作，對(duì)甄別過(guò)閾信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；而在讀出階段，該部分邏輯將同前后相鄰像素相連，作為移位寄存器長(zhǎng)鏈中的一段進(jìn)行工作，通過(guò)全局時(shí)鐘，將每個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果依次移位至芯片引腳并輸出。
[0006]可以看到，兩種主流產(chǎn)品讀出方式具有共同的缺點(diǎn):讀出時(shí)計(jì)數(shù)器無(wú)法同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖4中，計(jì)數(shù)器需要等待被掛載至數(shù)據(jù)總線，因此結(jié)果需要處于鎖存狀態(tài)，直到一幀結(jié)果被讀出，才能被清零而繼續(xù)進(jìn)行下一次工作；而圖5中，計(jì)數(shù)器電路在讀出時(shí)被占用成為移位寄存器，也只有在一幀讀出完成后才能切換回計(jì)數(shù)模式。因此這兩種結(jié)構(gòu)的讀出時(shí)間都將成為探測(cè)死時(shí)間，同時(shí)該工作方式也限制了幀刷新率的提高:即如果要提高幀刷新率，只有減少讀出時(shí)間，因此勢(shì)必采用高速時(shí)鐘和高速讀出邏輯，這樣一方面高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)難度大大提升，同時(shí)高速數(shù)字信號(hào)的引入也將對(duì)靈敏的模擬電路造成更多串?dāng)_。
[0007]圖4、圖5所討論的兩種讀出方法，是單光子計(jì)數(shù)型像素芯片各類產(chǎn)品的主要代表性讀出結(jié)構(gòu)。由此結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，這兩種主流系列最新版產(chǎn)品的幀刷新率指標(biāo)均只在每秒幾十幀到每秒一百幀的水平，并且需要用到約10MHz左右時(shí)鐘頻率的高速時(shí)鐘，盡管如此，死時(shí)間仍高達(dá)每幀3ms左右。該幀刷新率和死時(shí)間指標(biāo)已不能滿足最新一代同步輻射應(yīng)用的需求，并且目前市場(chǎng)上也無(wú)法找到滿足要求的產(chǎn)品。這類應(yīng)用要求在保證性能的前提下，實(shí)現(xiàn)好于每秒一千幀的刷新率，從而對(duì)某些短壽命樣品觀測(cè)其動(dòng)態(tài)的響應(yīng)。因此發(fā)展一種高幀刷新率的單光子計(jì)數(shù)型像素讀出芯片設(shè)計(jì)方法，成為推動(dòng)該技術(shù)在更高端場(chǎng)合應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0008]另外，由于工作在輻射條件下，讀出芯片的設(shè)計(jì)必須考慮抗輻照設(shè)計(jì)。在各主流產(chǎn)品的像素單元配置寄存器中，普遍采用經(jīng)典的三模冗余電路，對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)事例(SingleEvent Upset, SEU)進(jìn)行一定程度的抗輻照加固。如圖6和圖7所示，配置寄存器通常均采用一定的冗余設(shè)計(jì)。對(duì)于每像素單元通常需要5、6位寄存位甚至更多的像素讀出芯片來(lái)說(shuō)，這將占用大量的空間。本發(fā)明所提出的讀出方式在保證性能的前提下，也可兼顧降低該部分的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)省像素空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種像素單元電路及像素讀出芯片，以實(shí)現(xiàn)降低讀出死時(shí)間，提升芯片的幀刷新率指標(biāo)。
[0010]本公開(kāi)的其他特性和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面的詳細(xì)描述變得顯然，或部分地通過(guò)本公開(kāi)的實(shí)踐而習(xí)得。
[0011]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種像素單元電路，包括:
[0012]—電荷靈敏前置放大器，對(duì)像素的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大；
[0013]—甄別器，用于將進(jìn)行低噪聲放大后的探測(cè)信號(hào)同閾值進(jìn)行比較，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行甄別判斷；
[0014]—計(jì)數(shù)器鏈，包括N位計(jì)數(shù)器，對(duì)于根據(jù)甄別判斷結(jié)果對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，其中N為大于I的整數(shù)；
[0015]—移位寄存器鏈，包括N位寄存器，分別與所述計(jì)數(shù)器鏈連接，當(dāng)幀刷新信號(hào)到來(lái)時(shí)，所述移位寄存器鏈將所述計(jì)數(shù)器鏈中的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行移位讀出。
[0016]進(jìn)一步地，所述像素單元電路還包括一配置寄存器模組，與所述移位寄存器鏈連接;
[0017]當(dāng)幀刷新信號(hào)到來(lái)時(shí)，所述配置寄存器模組向所述移位寄存器鏈的輸入端輸入下一幀的配置信息，同時(shí)所述移位寄存器鏈將上一幀的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果從輸出端輸出，所述配置信息和所述計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果不重疊地通過(guò)所述移位寄存器鏈。
[0018]進(jìn)一步地，當(dāng)幀刷新信號(hào)到來(lái)時(shí)，具體包括:
[0019]當(dāng)幀刷新信號(hào)在時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，所述甄別器與所述計(jì)數(shù)器鏈信號(hào)通路被屏蔽，以使所述計(jì)數(shù)器鏈中的所述上一幀的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果被封鎖；
[0020]從隨后的時(shí)鐘下降沿開(kāi)始的第一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi):所述配置寄存器模組變?yōu)橥该麈i存狀態(tài)，所述移位寄存器鏈上的配置信息被刷新到所述配置寄存器模組中的各對(duì)應(yīng)的配置寄存器，作為所述像素單元電路對(duì)應(yīng)的像素單元的下一幀的工作狀態(tài)定義；[0021 ] 從所述時(shí)鐘下降沿開(kāi)始的第二個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi):被封鎖的計(jì)數(shù)器鏈中的所述上一幀的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果被加載至所述移位寄存器鏈中；
[0022]從所述時(shí)鐘下降沿開(kāi)始的第三個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi):所述計(jì)數(shù)器鏈的所述計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果被清零，同時(shí)所述計(jì)數(shù)器鏈的封鎖被解除。
[0023]進(jìn)一步地，在所述計(jì)數(shù)器鏈的封鎖被解除之后還包括:
[0024]所述計(jì)數(shù)器鏈中的N位計(jì)數(shù)器開(kāi)始在新一幀中對(duì)過(guò)閾的有用信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，所述新一幀的配置信息從所述移位寄存器鏈的輸入端輸入，同時(shí)上一幀的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)從移位鏈輸出端輸出，配置數(shù)據(jù)流和計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)流恰好不重疊的通過(guò)移位鏈進(jìn)行流動(dòng)。
[0025]進(jìn)一步地，在所述電荷靈敏前置放大器與所述甄別器之間，還包括成形/放大模塊，用于將所述進(jìn)行低噪聲放大后的探測(cè)信號(hào)進(jìn)一步放大濾波；
[0026]所述甄別器，用于將所述放大濾波后的探測(cè)信號(hào)同閾