[發(fā)明專利]一種像素單元電路及像素讀出芯片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510599716.2
• 申請(qǐng)日: 2015-09-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105100654B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏微;李懷申;李紹富;藍(lán)克堅(jiān);江曉山;樊磊;張杰;寧哲;盧云鵬;歐陽(yáng)群;劉鵬;朱科軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H04N5/372
• 分類(lèi)號(hào): H04N5/372;H04N5/378
• 代理公司: 北京律智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11438
• 代理人: 姜燕,王衛(wèi)忠

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)、CMOS(一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。

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(lèi)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(lèi)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。

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)。

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。

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)_。

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(lèi)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100MHz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(lèi)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。

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(Single Event 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

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)。

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。

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：