[發明專利]用于飛行時間系統的主動像素電路及其操作方法

有效

• 申請號: 201810361575.4
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108737753B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: V·賽流陳科
• 申請（專利權）人: 邁來芯科技有限公司
• 主分類號: H04N5/369
• 分類號: H04N5/369;H04N5/353;H04N5/378
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 姬利永;黃嵩泉

本發明涉及用于執行飛行時間測量的像素電路，包括?至少一個光學傳感器(10)，被布置用于接收參考調制信號(20)和光信號并且被布置用于取決于所述光信號和對應于所述光信號和所述參考調制信號之間的相位差的相移輸出光電流信號，積分器電路，包括積分電容器(Cint)、放大器(15)和開關裝置(R0,R1,S0,S1,RS)，借此所述開關裝置被布置用于在重置模式中重置所述積分電容器，用于在被動模式中將所述積分電容器連接在所述至少一個光學傳感器和電壓參考信號(Vref)之間，用于在主動模式中將所述積分電容器連接在包括所述放大器的負反饋回路中，所述負反饋回路被饋送有所述至少一個光學傳感器的所述光電流信號，并且用于在讀出模式中將由所述積分器電路輸出的信號連接到輸出總線。

技術領域

本發明大體上涉及飛行時間系統領域。更具體而言，它涉及用于增加這種系統的動態范圍的解決方案。

背景技術

飛行時間(ToF)是一種用于基于信號發射與其在被物體反射后返回到傳感器之間的時間差，測量傳感器與物體之間的距離的方法。各種類型的信號(也稱為載波)可以與ToF一起使用，非常常見的一種類型是光。

圖1中示出了ToF像素的傳統方案。它使用三個晶體管SEL、SF和RT以及電容器C來執行流出解調光電探測器DEM的ToF光電流的讀出。由于解調器典型地具有兩個輸出(0°和180°解調光電流)，所以相同的讀出電路在每個像素中被復制。該操作通過向RT晶體管的柵極施加脈沖來以將積分電容重置到初始電壓來開始。然后，光電流在電容C上積分達一段積分時間。在積分的結束處，源極跟隨器SF通過SEL開關被連接到列總線，并且由源極跟隨器晶體管SF緩沖的電容C上的電壓信號在由電流源偏置的列總線A和B上被讀出。

ToF信號典型地包括兩部分，即調制的AC光和恒定的背景光。背景信號的幅度可以大大超過有用的調制信號幅度，這對像素動態范圍提出了挑戰性的要求。此問題傳統地通過使電荷積分節點變得相當大并將幀分割成諸個具有較短積分時間的微幀來解決。此現有技術方法具有至少三個重要的缺點。首先，使用大積分電容器引入重置kT/C噪音，并降低像素的轉換增益，從而顯著地使在黑暗中的飛行時間傳感器的性能變差。進一步，將幀分割成多個微幀增加了對ADC帶寬的要求。它也增加了功耗且(通過增加的ADC噪音和更高的片上溫度)間接地使傳感器的暗性能變差。最后，整體像素靈敏度被降低，因為大像素內積分和采樣與保持電容器降低了填充因子(即光敏區域與總像素面積的比率)。

為了實現最佳的SNR，簡單的采樣與保持像素的像素積分電容器應該適當地被尺寸設計成適應每個微幀的最大預期光電荷，其主要由日光強度、光源占空比和幀讀出速度來限定。對于戶外應用，定義積分電容器的尺寸的主要因素是恒定的背景光信號。大電容導致低像素轉換增益和較低的像素填充因子。低轉換增益增加了讀出噪聲，從而不利地影響由于例如較低的物體反射率而具有較低信號幅度的像素。如果去除信號的恒定背景部分，則可以使積分電容器較小，因此增加轉換增益。

通過適當地實施積分電容器可以解決暗信號靈敏度和背景光穩健性之間的權衡。已經建議了解決方案，其中在兩個積分電容器之間的選擇是可得的。取決于場景，應用然后可以決定是使用小積分電容器還是大積分電容器。它只提供了問題的部分解決方案，因為實際上按照像素的整個陣列全局地作出低增益或高增益的選擇-因此，在高日光條件下，從低反射率物體接收低信號的像素將在具有劣化性能的低增益模式中操作。