[發明專利]像素探測器及其分布式前端模數變換與讀出電路、方法

在審

• 申請號: 202011268548.6
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112261327A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 李木槿;魏微;江曉山
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: H04N5/378
• 分類號: H04N5/378
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發明公開了一種像素探測器及其分布式前端模數變換與讀出電路、方法。本發明電路包括斜波電壓發生器、斜波電壓緩沖器、多個像素內模數變換及讀出電路；其中斜波電壓發生器與斜波電壓緩沖器連接，將斜坡電壓扇入至各像素內的比較器；每一像素內模數變換及讀出電路包括一采樣保持電路、一比較器和一計數器，采樣保持電路與比較器的一輸入端連接；比較器的另一輸入端與斜波電壓緩沖器連接；比較器的輸出端與計數器的第一輸入端連接，控制該計數器的計數停止；計數器的第二輸入端用于接收時鐘信號，計數器的第三輸入端收計數/移位控制信號，計數器的第四輸入端接收前一像素中的計數器輸出信號，計數器的輸出端與后一像素中的計數器的輸入端連接。

技術領域

本發明屬于像素探測器讀出芯片領域，涉及一種用于像素探測器的分布式前端模數變換及讀出電路、方法。

背景技術

像素探測器廣泛應用于各種需要成像的設備中，根據前端電路是否需要模數轉換可分為光子計數型和積分型。如圖1所示，積分型像素讀出芯片的模擬前端電路利用積分電容，將探測器產生的電荷變換成電壓信號，通過調節積分電容的大小可以適應不同的輸入動態范圍。

由于積分型讀出芯片的前端電路輸出的是模擬的電壓值，后續還需要模數變換電路將其變換成數字量。傳統的像素探測器模數變換結構主要有兩種。一種不在讀出芯片內進行模數變換，而是將模擬信號傳出芯片外，利用芯片外的獨立ADC進行變換。這種方式在讀出芯片內部全程傳輸的是模擬電壓，極易受到噪聲干擾，信噪比低。受限于片外ADC的通道數和變換速度，讀出速率難以提高。

另一種方案是在像素陣列的列端集成ADC。如圖2所示，每列像素對應一個ADC。模數變換時每次只能通過行選通電路選擇一行進行變換，以逐行掃描的方式完成對整個像素陣列的變換和讀出。這種變換方式存在以下缺陷：從像素內部到列端傳輸的依然是模擬電平，傳輸過程中易受噪聲干擾；逐行掃描方式不能對整個像素內的所有像素同時進行模數變換，勢必需要在像素內集成模擬緩存來暫時存儲模擬電壓，這樣一來就影響了模擬電壓的精度；由于每次只能對一行進行變換，變換時間和陣列規模成正比，對于較大的像素陣列變換時間過長；行選通電路的存在增大了像素陣列外的電路面積，增大了探測死區。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在于提供一種用于像素探測器的分布式前端模數變換及讀出電路。該模數變換電路分布于像素探測器各像素的內部，可對像素探測器中的所有像素單元的前端模擬電壓輸出信號同時進行模擬-數字變換，同時無需行列選擇結構即可串行讀出。相比傳統的列端模數變換結構一次只能變換一列像素，本發明給出的緊湊型結構可將關鍵電路集成于像素內部，從而實現所有像素模擬前端輸出電壓信號的同時模數變換，提高了像素探測器的成像質量。同時無需行列選通讀出結構，從而節約了電路面積，減小了探測死區。

本發明通過一個全局的斜坡電壓發生器，為所有像素提供模數變換的參考電壓；利用緊湊型的設計，能夠將模數變換結構集成于像素內部，從而實現所有像素同時進行模數變換，縮短模數變換時間，進而提高信號質量的目的。電路中的斜坡發生器、斜坡緩沖器、采樣保持電路、比較器和計數器可以有多種不同的實現形式，在本發明方案基礎上對具體電路部件的替換仍屬于本發明的技術方案的保護范圍之內。

本發明的技術方案為：

一種像素探測器的分布式前端模數變換與讀出電路，其特征在于，包括斜波電壓發生器、斜波電壓緩沖器、多個像素內模數變換及讀出電路；其中

所述斜波電壓發生器與斜波電壓緩沖器連接，用于將產生的斜波電壓輸入給斜波電壓緩沖器；

所述斜波電壓緩沖器與各比較器連接，用于將收到的斜坡電壓扇入至各像素單元內的比較器；