CN108496359A - 成像电路和方法 - Google Patents
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Abstract
提供成像电路和成像方法。成像电路的一个示例包括：跨阻抗放大器电路，其包括放大器和反馈电容器，该反馈电容器耦接在所述放大器的输出端与所述放大器的反相输入端之间的反馈路径中；相关双采样电容器；第一开关，其沿第一路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第一端与所述放大器的所述输出端之间；第二开关，其沿第二路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第二端和所述放大器的所述输出端之间，所述第二开关定位为在激活时与所述反馈电容器串联地将所述相关双采样电容器耦接到所述反馈路径中；采样保持电容器，其经由采样保持开关耦接到所述放大器的输出端。
Description
背景技术
电容性跨阻抗放大器(CTIA，Capacitive Transimpedance Amplifier)经常在各种配置中用于将焦平面阵列的读出集成电路单位元件内的光电二极管或其他检测器的输出放大到一可用电压。典型的焦平面阵列包括按行或列组织的二维阵列的检测器元件或像素(即，单位元件(unit cell))。CTIA向光电二极管提供低阻抗，并将光电二极管与CTIA中运算放大器的输出电压相隔离。CTIA的反馈回路内的反馈电容器通常用于改善CTIA的稳定性。传统的成像电路通常还包括相关双采样(CDS，Correlated Double Sampling)电容器，并采用CDS方案改善噪声性能。CDS是一种在成像电路中降噪的方法，其中，像素的参考电压在每个积分周期结束时从该像素的信号电压中去除。
成像电路的现有方案通常与采样保持电路结合地利用CTIA架构和CDS技术。例如，许多传统的读出集成电路单位元件包括CTIA和CDS架构，用于处理光电二极管产生的与该光电二极管处的各种波长的光的通量对应的电荷。通常，该电荷累积在电路内的一电容器上，其有效地将电荷积分以产生一输出电压。该输出电压对应于一给定时间区间(通常称为积分区间)上该通量的强度。这种电路通常将该输出电压传送到下游部件，并将电容器的电压复位到复位值。例如，该输出电压可以在采样保持电容器处被采样并保持，并且通过与单位元件相关联的电路周期性地取出和数字化以产生一个或多个二进制值。
发明内容
这里讨论的各方面和实施例涉及用于成像的电路和方法。具体地，各方面和实施例涉及改进现有的电容性跨阻抗放大器和相关双采样读出集成电路(ROIC，Read-OutIntegrated Circuit)单位元件电路的成像电路和方法。在各个方面中，通过将CDS电容器选择性地耦接到单位元件电路的CTIA电路的反馈回路，由此以CTIA电路直接驱动采样保持电容而没有信号衰减，从而避免由于传统成像电路的CDS电容器和采样保持电容器之间的电容性共享引起的衰减。因此，相对于传统架构，各方面和实施例提供的技术优点可以至少包括得到改进的可行性和噪声性能。
根据一方面，提供的是一种成像电路。在一个示例中，该成像电路包括：跨阻抗放大器电路，其包括放大器和反馈电容器，该反馈电容器耦接在所述放大器的输出端与所述放大器的反相输入端之间的反馈路径中；相关双采样电容器；第一开关，其沿第一路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第一端与所述放大器的所述输出端之间；第二开关，其沿第二路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第二端和所述放大器的所述输出端之间，所述第二开关定位为在激活时与所述反馈电容器串联地将所述相关双采样电容器耦接到所述反馈路径中；采样保持电容器，其经由采样保持开关耦接到所述放大器的输出端。
根据一实施例，所述采样保持开关在激活时直接耦接所述放大器的输出端和所述采样保持电容器。在一个实施例中，所述相关双采样电容器的第一端是负端子，所述相关双采样电容器的第二端是正端子。根据一实施例，所述成像电路进一步包括光电二极管，其耦接到所述放大器的反相输入端。
在一个实施例中，所述成像电路进一步包括电压箝位器，其经由箝位开关耦接到所述相关双采样电容器的所述第二端。根据又一实施例，所述成像电路进一步包括控制器，其与所述箝位开关电连通，其中，在噪声采样工作模式期间，所述控制器配置为控制所述箝位开关，以将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器。在一实施例中，在积分工作模式期间，所述跨阻抗放大器电路配置为对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分，并且在所述放大器的所述输出端产生输出电压。
根据一实施例，所述控制器进一步与所述第一开关和所述第二开关电连通，并且，在相关双采样工作模式期间，所述控制器配置为禁用所述第一开关并且激活所述第二开关，以从所述输出电压中去除所述反馈电容器的kTC噪声。在一个实施例中，所述控制器进一步与所述采样保持开关电连通，并且，在采样保持工作模式期间，所述控制器配置为激活所述采样保持开关，以直接将所述输出电压采样到所述采样保持电容器上。
根据一方面，提供的是一种成像方法。在一个示例中，该成像方法包括：将耦接在跨阻抗放大器电路的反馈路径中的反馈电容器的kTC噪声采样到相关双采样电容器上；至少部分基于在所述反馈电容器处存储的电荷，在所述跨阻抗放大器电路的放大器的输出端处产生输出电压；切换与所述反馈电容器串联的相关双采样电容器，以从所述输出电压中去除所述反馈电容器的kTC噪声；将所述输出电压采样到通过采样保持开关直接耦接到所述放大器的输出端的采样保持电容器。
在一实施例中，该方法进一步包括：从耦接到所述跨阻抗放大器电路的光电二极管接收电流。在一个实施例中，将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器包括：控制电压箝位器和所述相关双采样电容器的正端子之间的箝位开关。根据一实施例，在所述放大器的输出端产生输出电压包括：对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分。在一实施例中，切换与所述反馈电容器串联的所述相关双采样电容器包括：禁用耦接在所述相关双采样电容器的负端子和所述放大器的输出端之间的第一开关，并且激活耦接在所述相关双采样电容器的正端子和所述放大器的输出端之间的第二开关。在一实施例中，所述采样保持电容器进一步耦接到跟随器放大器的输入端，并且所述方法进一步包括：在所述采样保持电容器处保持所述放大器的输出电压；感测所述采样保持电容器处的采样保持电压。
根据另一方面，提供的是一种用于成像的电路。在一个示例中，该电路包括：跨阻抗放大器电路，其包括放大器和反馈电容器，该反馈电容器耦接在所述放大器的输出端和所述放大器的输入端之间的反馈路径中；相关双采样电容器，其具有第一端和第二端；切换部件，其用于将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器的第一端，并且与所述反馈电容器串联地将所述相关双采样电容器耦接到所述反馈路径中；采样保持电容器，其经由采样保持开关耦接到所述放大器的输出端。
根据一实施例，所述采样保持开关在激活时直接耦接所述放大器的输出端和所述采样保持电容器。在一实施例中，所述跨阻抗放大器电路配置为对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分并且产生输出电压，并且，所述切换部件定位为从所述输出电压中去除所述kTC噪声。根据一个实施例，所述相关双采样电容器的第一端是负端子，所述相关双采样电容器的第二端是正端子。在一实施例中，该电路进一步包括光电二极管，其耦接到所述放大器的反相输入端。
这些示例性方面和实施例的又一些其它方面、实施例和优点在下文中详细加以讨论。这里公开的实施例可以以任何方式和与这里公开的至少一个原理一致的其它实施例结合，并且对“一实施例”、一些实施例”、“替代实施例”、“各个实施例”、“一个实施例”或诸如此类的引用不一定是相互排斥的，而是旨在表明所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施例中。这些术语在此的出现不一定都指同一实施例。这里描述的各个方面和实施例可以包括用于执行任何描述的方法或功能的部件。
附图说明
以下参照附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。附图被包括用于提供对于各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且并入本说明书中且构成本说明书的一部分，但并非旨在作为本发明的限制的限定。在附图中，在各个附图中示出的每个等同或几乎等同的组件用相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个组件都会在每个附图中标出。在附图中：
图1是已知成像电路的一个示例的示意性图示；
图2是根据本发明一些方面的处于第一工作模式下的成像电路的一个示例的示意性图示；
图3是根据本发明一些方面的示出在第二工作模式下的图2的成像电路的示意性图示；
图4是根据本发明一些方面的示出在第三工作模式下的图2的成像电路的示意性图示；
图5是根据本发明一些方面的示出在第四工作模式下的图2的成像电路的示意性图示；以及
图6是根据本发明一些方面的示例处理流程。
具体实施方式
各方面和实施例涉及成像电路和方法，具体涉及读出集成电路(ROIC，Read-OutIntegrated Circuit)单位元件电路。各个方面和实施例包括改进现有电容性跨阻抗放大器(CTIA，capacitive transimpedance amplifier)、相关双采样(CDS，correlated doublesampling)和采样保持的单位元件电路的ROIC单位元件和方法。
图1是现有CTIA、CDS和采样保持电路设计100的示意性图示。电路100包括浮置CDS电容器102，其耦接在CTIA 104的输出端和采样保持电容器106之间。因此，浮置CDS电容器102在单位元件电路100的每次复位后通过CTIA 104输出端的kTC噪声(Johnson-Nyquist噪声)电平而箝位。在采样/保持转换期间，CTIA 104的输出端通过CDS电容器102被采样并进入采样保持电容器106。由于CDS电容器102和采样保持电容器106之间的电荷共享衰减，驱动采样保持电容器106的所需值，使其远小于CDS电容器102的所需值。衰减还可能导致来自电路100内的部件(如采样保持电容器106和其它下游部件)的噪声的非期望放大。
因此，已知的配置需要CDS电容器102值和采样保持电容器106值之间的精细平衡，以保持有效的噪声性能。尽管希望选择具有相对于CDS电容器102小得多的值的采样保持电容器106以限制电荷共享衰减，然而选择过于小的值的采样保持电容器106将会导致电路100的kTC噪声增加。进一步地，电路100的噪声受到采样保持复位开关108的kTC噪声的二次影响；首先，当kTC噪声“向后”充电到CDS电容器102中时，其次，当采样保持电容器106被采样时(即，当采样保持开关110被激活以快照(snaposhot)输出电压时)。由于诸如图1所示的电路100之类的已知的配置通常需要相比其kTC极限大得多的值的CDS电容器，因此需要长的箝位周期。长的箝位周期产生CTIA104的积分效率，并且使快的帧速操作复杂化。
例如，传统电路可以包括411飞法(femto-farad)的CDS电容器102和110飞法的采样保持电容器106，这将导致CDS电容器102、采样保持电容器106电荷共享中大约0.78的衰减。当在传统电路100的CTIA 104内使用32飞法反馈电容器112时，所得到的采样保持电容器106的kTC噪声将约为31.2e-，而CDS电容器102的kTC噪声将约于18e-。这种示例说明，在传统电路中，采样保持电容器kTC噪声非期望地主宰了本底噪声，这是因为无法使得CDS电容器相对于采样保持电容器值足够大。
因此，这里描述的各个方面和实施例通过减小各种已知成像电路的输入涉及到的噪声并减小来自电路部件的kTC噪声的影响而改善了噪声性能。具体地，通过将相关双采样电容器选择性地耦接至CTIA电路的反馈回路中，由此直接用CTIA电路来驱动采样保持电容器，各个方面和实施例防止了由于CDS电容器和采样保持电容器之间的电容共享所引起的衰减。
要理解，这里讨论的方法和装置的实施例在应用中不限于以下描述中阐述的或附图中示出的组件的构造和配置的细节。这些方法和装置能够在其它实施例中实现，并且能够以各种方式实施或执行。具体实施方式的示例在此仅仅出于说明的目的加以提供，而非旨在限制。此外，这里使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应该认为是限制性的。此处使用“包括”，“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型旨在涵盖此后列出的条目和其等同物以及额外的条目。对“或”的引用可以解释为包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以表示描述的术语中的单个、多于一个和所有中的任何一个。对于前和后、左和右、顶和底、上和下、垂直和水平的任何引用旨在便于描述，而非将当前的***和方法或其组件限制到任何一个位置上的或空间上的方位。
图2示出根据一些方面和实施例的成像电路的一个示例的示意性图示。电路200可以包括跨阻抗放大器电路204、CDS电容器202、采样保持电容器206、一个或多个切换器件(即，开关)。具体地，各个实施例的跨阻抗放大器电路204可以包括运算放大器208，其具有反相输入端和同相输入端；反馈电容器212，其耦接在放大器208的输出端226和放大器208的反相输入端228之间的跨阻抗放大器204的反馈路径中；复位开关220，其耦接在运算放大器208的反相输入端228和输出端226之间。在这样的实施例中，第一开关210(例如，积分开关)沿着箭头234指示的第一路径定位在CDS电容器202的第一端与放大器226的输出端之间。第二开关242(例如，CDS开关)可以沿着箭头236指示的第二路径定位在CDS电容器202的第二端和放大器208的输出端226之间。各个实施例的开关可以包括配置为通过控制器240(其可包括微控制器)激活和禁用(即，断开和闭合)的任何合适的切换器件。
如图2所示，CDS电容器202的第一端可以包括负端子，CDS电容器202的第二端可以包括正端子。在各个实施例中，采样保持电容器206经由采样保持开关218耦接到放大器208的输出端226。如所示，采样保持开关218在激活(即，闭合)时直接耦接放大器208的输出端226和采样保持电容器206。在各个实施例中，电路200的电容性元件可以减小到相对小的值。在特定实施例中，电路200可以包括具有基本上相同值的采样保持电容器206和CDS电容器202。例如，一个实施例的CDS电容器202可以具有260飞法的电容值，采样保持电容器206可以具有260飞法的电容值。在这样的实施例中，反馈电容器212可以具有32飞法的电容值。然而，在进一些实施例中可以使用各个其它合适的值。
如下面进一步详细讨论的，电路200可以另外包括光电二极管224、电压箝位器214和跟随器放大器222。Cdet230示出为代表对应检测器的寄生电容，Cpar232示出为代表由于电路200内的走线(例如，金属布线或金属-氧化物-金属电容器底板)所引起的寄生电容。根据一个实施例，电压箝位器214经由箝位开关216选择性地耦接到CDS电容器202的第二端。如图2所示，光电二极管224可以耦接到跨阻抗放大器电路204的放大器208的反相输入端228。各个实施例的特定光电二极管224可以包括被选择为对于光的特定波长敏感的任何检测器。例如，光电二极管224可以包括这样的检测器：其配置为响应于接收范围从小至0.3微米到上至2.5微米或更大的光的波长而产生电流。例如，可以通过相关联照明***的一个或多个光源产生期望波长的光。
在各个实施例中，跟随器放大器222可以包括运算放大器，其具有耦接到采样保持电容器206的输入端，如图2所示。如这里讨论的，各个实施例的采样保持电容器206配置为存储例如来自CTIA电路204的积分信号并将其提供到诸如跟随器放大器222之类的下游部件。在一个示例中，跟随器放大器222包括(接近)单位增益放大器，如源极跟随器。跟随器放大器222的输出端可以连同其它单位元件电路的输出端一起连到列总线。在各个实施例中，跟随器放大器222配置为感测采样保持电容器206处的采样保持电压，并将该电压驱动到列总线。
图2示出电路200在第一工作模式期间的示意性图示，在各个实施例中，该第一工作模式可以是噪声采样工作模式，如kTC噪声采样工作模式。如先前讨论的，电路200内的组件的kTC噪声可能对电路200和下游处理(诸如成像操作)具有非期望的影响。在某些实施例中，CTIA电路204可以包括共源极放大器，其中CTIA电路204的输出电压在复位开关220激活期间为CTIA电路204输入晶体管的阈值电压。即，运算放大器208的输出电压可以是放大器208的共模电压(Vcm)。在释放复位开关220之后，反馈电容器212在输出电压中导致kTC噪声，如这里所讨论的。出于解释的目的，在采样工作模式期间并在复位开关220禁用之后，运算放大器208的输出电压可表示为：
Vtcia＝Vcm+VkTC，
其中，Vcm是虚拟放大器参考电压(其例如等于共源极放大器输入晶体管的Vgs)，VkTc是反馈电容器212在复位开关220禁用后导致的kTC噪声。
因此，在各个实施例中，在kTC采样周期期间并紧接在复位开关220禁用后，电压箝位器214被激活以将kTC噪声采样到CDS电容器202上。在各个实施例中，电压箝位器214将输入波形的上极值和下极值固定到一固定的DC电压电平，该DC电压电平在此情况下可以包括CTIA电路204的复位电平。即，在第一工作模式期间，箝位开关214被激活以将复位电压和反馈电容器212导致的kTC噪声采样到CDS电容器202上。
在各个实施例中，反馈电容器212两端的积分的光电流Vint可以表示为：
Vint＝∫(Iphoto/(Cfb*Tint))，
其中，Iphoto是来自光电二极管224的电流，Cfb是反馈电容器212的值(即电容值)，Tint是积分周期。在某些实施例中，电路100的积分周期的范围可以是1ms到30ms，并且可以与电路200的工作的帧速率基本上相同。如以上参照图1所讨论的，各种传统架构需要大的CDS电容器值(相对于采样保持电容器值)，以使电路内的衰减最小化。这种配置在复位开关禁用后需要相应长的持续时间以稳定复位电平(即复位电压和kTC噪声)。由于持续时间可能是相当长的，因此许多传统方法遭受较差的积分效率。相比之下，各个方面和实施例由于CDS电容器202的值未受到采样保持电容器206的值的直接规制而改善了积分效率。在图2中，反馈电容器212处的电压可以表示为：
Vfb＝(Vcm+VkTC)-Vcm，
并且，CDS电容器202处的电压可以表示为：
Vcds＝vClamp-(Vcm+VkTC)，
其中，vClamp是电压箝位器214的电压。
如图2所示，在噪声采样模式期间，采样保持开关218保持禁用且第二开关242保持禁用。在各个实施例中，电路200配置为一旦CTIA电路204已稳定了kTC噪声并将电压复位到CDS电容器202上就从第一模式(即，噪声采样模式)转变到第二模式(即，积分模式)。例如，控制器240可以禁用箝位开关216以从第一工作模式转变并且基于预定的固定延迟周期开始积分。图3示出根据各个方面和实施例的处于积分工作模式(即，第二工作模式)的图2的成像电路200的示意性图示。在积分工作模式期间，例如通过控制器240，复位开关220保持禁用，第一开关210保持激活，第二开关242保持禁用，采样保持开关218保持禁用，箝位开关216禁用。图3示出这种配置。在积分工作模式期间，存储在反馈电容器212处的电荷有效地积分，使得产生与给定积分区间上在光电二极管224接收到的通量的强度对应的输出电压。输出电压在放大器208的输出端226产生。
在各个实施例中，在积分工作模式期间，反馈电容器212导致的kTC噪声在CDS电容器202处保持浮置。就在电路200配置为执行输出电压的快照采样的第三工作模式之前，第一开关210禁用并且第二开关242激活，以将CDS电容器202耦接到CTIA电路204的反馈回路中并且与反馈电容器212串联，使得将电路200转变为第三工作模式。在特定实施例中，基于非重叠的切换信号控制第一开关210和第二开关242，使得第一开关210和第二开关242在不同时刻受到控制。在各个实施例中，在积分工作模式期间，运算放大器208的输出电压可以表示为：
Vctia＝Vcm+VkTC-Vint。
在这种实施例中，反馈电容器212处的电压可以表示为：
Vfb＝(Vcm+VkTC-Vint)-Vcm，
并且，CDS电容器202处的电压可以表示为：
Vcds＝vClamp-(Vcm+VkTC)。
当第二开关242激活(即，闭合)并且第一开关210禁用(即，断开)时，运算放大器208的输出电压经受CDS电容器202处存储的电荷(即，先前存储的反馈电容器212的kTC噪声)的瞬时减少。因此，反馈电容器212两端唯一的噪声可以是可忽略的kTC寄生效应，这是因为将反馈电容器212与CDS电容器202的负端子串联耦接而有效地从放大器208的输出电压中去除了kTC噪声。尽管在此与第二工作模式(即，积分模式)分开讨论，但应理解，在各个实施例中，第三工作模式(即，CDS模式)可以在积分工作模式期间执行，特别地可以在积分工作模式结束时执行。因此，CDS工作模式在此与积分工作模式分开讨论仅是为了便于解释。
图4示出根据各个方面和实施例的图2的读出集成电路200示出在第三工作模式下的示意性图示。在第三工作模式期间，如所示，复位开关220保持禁用，第一开关210在第一时刻禁用，第二开关242在第二时刻激活，钳开关216保持禁用，并且采样保持开关218保持禁用。在CDS工作模式期间，反馈电容器212处的电压可以表示为：
Vfb＝(Vcm+VkTC-Vint)-Vcm，
并且，CDS电容器202处的电压可以表示为：
Vcds＝vClamp-(Vcm+VkTC)。
如上面讨论的，在各个实施例中，CDS电容器202处的电荷在积分阶段期间保持恒定，因此在CDS工作模式期间保持在相同的值。然而，由于将CDS电容器与反馈电容器212串联地耦接在CTIA电路204的反馈路径内，电路200配置为有效地从运算放大器208的输出电压中减去kTC噪声，其可表示为：
Vctia＝Vcm+Vfb+Vcds，
并且其可以简化如下：
Vctia＝Vcm+[(Vcm+VkTC-Vint)-Vcm]+[vClamp-(Vcm+VkTC)]
＝vClamp-Vint。
在各个实施例中，在CDS工作模式之后，电路200配置为转变到第四工作模式(例如，采样保持工作模式)。图5是根据一些方面和实施例的图2的成像电路200示出在采样保持工作模式下的示意性图示。在采样保持工作模式期间，放大器208的输出电压被直接采样到采样保持电容器206上。在各个实施例中，由CTIA电路204输出端直接驱动采样保持电容器206，这避免并去除了传统方案的采样保持复位开关(例如，图1所示的开关108)的操作所形成的额外噪声。此外，所有增益对于CTIA电路204输出端都是单位增益，这是由于CDS电容器202和采样保持电容器206的电容值对上面提供的电压等式具有最小的影响。
在一个实施例中，通过将CDS电容器202的值设置为大约等于采样保持电容器206的值，激活复位开关220后的噪声可以得到进一步降低。这种实施方式将会平衡来自CDS电容器202和采样保持电容器206的任何涉及输入的噪声。这进一步改进了诸如图1所示的布局之类的相比于采样保持电容器的值需要大得多的值的CDS电容器的传统方案。又进一步，将CDS电容器202的值设置为大约等于采样保持电容器206的值允许短箝位脉冲，这可以进一步改进积分工作模式期间的效率。
因此，如先前讨论的那样，在采样保持工作模式期间，反馈电容器212处的电压可以表示为：
Vfb＝(Vcm+VkTC-Vint)-Vcm，
并且，CDS电容器202处的电压可以表示为：
Vcds＝vClamp-(Vcm+VkTC)。
进一步，采样保持电容器206处的电压可以表示为：
Vsh＝Vctia＝vClamp-Vint。
因此，各个实施例避免了电荷共享衰减，并且解决了传统成像电路内kTC噪声的非期望影响，使得改善了电路200的总体噪声性能。
如上面讨论的，各个实施例可以包括可操作地连接到并配置为激活和/或禁用各个实施例的开关(诸如第一开关210、第二开关242、箝位开关216、采样保持开关218和复位开关220)中的一个或多个开关的控制器(例如，控制器240)。控制器240可以包括单个控制器；然而，在各种其它实施例中，控制器240可以由多个控制器和/或控制子***组成，所述控制子***可以包括外部设备、信号处理电路或其它控制电路。特别地，控制器240可以包括模拟处理电路(例如，微控制器)和/或数字信号处理电路(例如，数字信号处理器(DSP))。例如，各个实施例的微控制器可以包括处理器核、存储器和可编程输入/输出组件。控制器240可以配置为自动控制成像电路的各个组件，如一个或多个切换器件。
如上面参照图2-5所讨论的，若干实施例执行改善用于CTIA和CDS操作的已知方案的处理。在一些实施例中，由诸如上面参照图2-5描述的电路200之类的成像电路运行这些处理。这种处理的一个示例示出在图6中。根据该示例，处理600可以包括以下动作：采样CTIA内的反馈电容器的kTC噪声，产生一输出电压，切换与反馈电容器串联的CDS电容器以去除kTC噪声，并且将输出电压采样到采样保持电容器。继续参考图2-5所示的电路200讨论图6。
在动作602中，处理600包括将CTIA的反馈路径内的反馈电容器导致的kTC噪声采样到相关双采样电容器上。如这里描述的，可以由该电路在第一工作模式(例如，噪声采样工作模式)期间执行该处理。在释放复位开关后，处理600可以包括激活电压箝位开关以将电路的复位电平采样到CDS电容器上。如上面讨论的，这包括虚拟放大器参考电压(Vcm)和反馈电容器在复位开关禁用时导致的kTC噪声。在各个实施例中，在第一工作模式期间，处理600可以包括：控制沿着第一路径耦接在相关双采样电容器的第一端与放大器的输出端之间的第一开关(例如，积分开关)以保持在激活位置(即，闭合位置)，并且控制电压箝位器与相关双采样电容器的第二端之间的箝位开关以保持在激活位置(即，闭合位置)。
如这里讨论的，在各个实施例中，电路可配置为从第一模式(即，噪声采样模式)转变到第二模式(即，积分模式)。第二工作模式可以包括用于接收光电流并在CTIA的输出端产生一输出电压的一个或多个处理(动作604和动作606)。例如，在各个实施例中，处理600可以包括至少部分地基于存储在反馈电容器处的电荷，在CTIA的输出端产生一输出电压。在积分工作模式期间，复位开关保持禁用，第一开关保持激活，第二开关保持禁用，采样保持开关保持禁用，并且箝位开关保持禁用。在积分工作模式期间，处理600可以包括：对存储在反馈电容器的电荷进行积分，以产生与给定积分区间上在光电二极管接收到的通量的强度对应的电压。输出电压在CTIA的输出端产生。
在各个实施例中，在积分工作模式期间，处理600可以包括将反馈电容器导致的kTC噪声保持在CDS电容器。就在处理600可以包括执行快照采样的第四工作模式(即，采样保持工作模式)之前，处理600可以包括禁用第一开关并激活第二开关，以将CDS电容器耦接到CTIA的反馈回路中并与反馈电容器串联。在各个实施例中，禁用第一开关包括在第一时间禁用第一开关，激活第二开关包括在第二时间激活第二开关，使得第一开关和第二开关基于非重叠的切换信号而激活。具体地，这可以包括基于存储在CDS电容器处的电荷从放大器的输出端的输出电压中去除kTC噪声(动作608)。因此，此时反馈电容器两端唯一的噪声是可忽略的kTC寄生效应，这是因为将反馈电容器与CDS电容器的负端子串联耦接而有效地从输出电压中去除了kTC噪声。虽然在此作为与第二工作模式(即，积分模式)分开的第三工作模式加以讨论，但要理解，在各个实施例中，第三工作模式可以在积分工作模式期间执行，特别是在积分工作模式结束时执行。因此，CDS工作模式在此与积分工作模式分开讨论仅是为了解释的目的。
在各个实施例中，第三工作模式转变到第四工作模式(即采样保持模式)。在各个实施例中，第四工作模式可以包括以下动作：通过采样保持开关将输出电压采样到与放大器的输出端直接耦接的采样保持电容器(动作610)。在各个实施例中，采样保持电容器由CTIA输出端直接驱动，其避免并去除了传统方案的采样保持复位开关(例如，图1所示的开关108)的操作所形成的额外噪声。此外，所有增益对于CTIA输出端都是单位增益，这是因为CDS电容器和采样保持电容器的电容值对上面提供的电压等式具有最小的影响。
在又一些实施例中，处理600可以包括将放大器的输出电压保持在采样保持电容器，并且提供积分的输出信号。在各个实施例中，处理600可以包括一个或多个处理，用于至少部分地基于存储在采样保持电容器的电荷来提供输出信号。在一个示例中，处理600包括感测采样保持电容器处的采样保持电压，并且将采样保持电压驱动到列总线而不耗取(drain)存储在采样保持电容器处的电荷。例如，处理600可以包括利用耦接到采样保持电容器的源极跟随器放大器，将来自采样保持电容器的采样保持电压缓冲到列总线。
上面已经描述了至少一个实施例的若干方面，要理解，本领域技术人员将会容易想到各种变更、变型和改进。这样的变更、变型和改进旨在作为本申请的一部分并且旨在处于本发明的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例，本发明的范围应当根据所附权利要求及其等效物的适当构造加以确定。
Claims (20)
1.一种成像电路，包括：
跨阻抗放大器电路，其包括放大器和反馈电容器，该反馈电容器耦接在所述放大器的输出端与所述放大器的反相输入端之间的反馈路径中；
相关双采样电容器；
第一开关，其沿第一路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第一端与所述放大器的所述输出端之间；
第二开关，其沿第二路径选择性地耦接在所述相关双采样电容器的第二端和所述放大器的所述输出端之间，所述第二开关定位为在激活时与所述反馈电容器串联地将所述相关双采样电容器耦接到所述反馈路径中；以及
采样保持电容器，其经由采样保持开关耦接到所述放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的成像电路，其中，所述采样保持开关在激活时直接耦接所述放大器的输出端和所述采样保持电容器。
3.根据权利要求2所述的成像电路，其中，所述相关双采样电容器的所述第一端是负端子，所述相关双采样电容器的所述第二端是正端子。
4.根据权利要求3所述的成像电路，进一步包括光电二极管，其耦接到所述放大器的反相输入端。
5.根据权利要求1所述的成像电路，进一步包括电压箝位器，其经由箝位开关耦接到所述相关双采样电容器的所述第二端。
6.根据权利要求5所述的成像电路，进一步包括控制器，其与所述箝位开关电连通，其中，在噪声采样工作模式期间，所述控制器配置为控制所述箝位开关，以将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器。
7.根据权利要求6所述的成像电路，其中，在积分工作模式期间，所述跨阻抗放大器电路配置为对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分，并且在所述放大器的所述输出端产生输出电压。
8.根据权利要求7所述的成像电路，其中，所述控制器进一步与所述第一开关和所述第二开关电连通，并且，在相关双采样工作模式期间，所述控制器配置为禁用所述第一开关并且激活所述第二开关，以从所述输出电压中去除所述反馈电容器的kTC噪声。
9.根据权利要求8所述的成像电路，其中，所述控制器进一步与所述采样保持开关电连通，并且，在采样保持工作模式期间，所述控制器配置为激活所述采样保持开关，以直接将所述输出电压采样到所述采样保持电容器上。
10.一种成像方法，包括：
将耦接在跨阻抗放大器电路的反馈路径中的反馈电容器的kTC噪声采样到相关双采样电容器上；
至少部分基于在所述反馈电容器处存储的电荷，在所述跨阻抗放大器电路的放大器的输出端产生输出电压；
切换与所述反馈电容器串联的所述相关双采样电容器，以从所述输出电压中去除所述反馈电容器的kTC噪声；以及
将所述输出电压采样到通过采样保持开关直接耦接到所述放大器的输出端的采样保持电容器。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：从耦接到所述跨阻抗放大器电路的光电二极管接收电流。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器包括：控制电压箝位器和所述相关双采样电容器的正端子之间的箝位开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述放大器的输出端产生输出电压包括：对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，切换与所述反馈电容器串联的相关双采样电容器包括：禁用耦接在所述相关双采样电容器的负端子和所述放大器的输出端之间的第一开关，并且激活耦接在所述相关双采样电容器的正端子和所述放大器的输出端之间的第二开关。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述采样保持电容器进一步耦接到跟随器放大器的输入端，并且所述方法进一步包括：
将所述放大器的输出电压保持在所述采样保持电容器；以及
感测所述采样保持电容器处的采样保持电压。
16.一种用于成像的电路，包括：
跨阻抗放大器电路，其包括放大器和反馈电容器，该反馈电容器耦接在所述放大器的输出端和所述放大器的输入端之间的反馈路径中；
相关双采样电容器，其具有第一端和第二端；
切换部件，其用于将所述反馈电容器的kTC噪声采样到所述相关双采样电容器的第一端，并且与所述反馈电容器串联地将所述相关双采样电容器耦接到所述反馈路径中；以及
采样保持电容器，其经由采样保持开关耦接到所述放大器的输出端。
17.根据权利要求16所述的电路，其中，所述采样保持开关在激活时直接耦接所述放大器的输出端和所述采样保持电容器。
18.根据权利要求16所述的电路，其中，所述跨阻抗放大器电路配置为对存储在所述反馈电容器处的电荷进行积分并且产生输出电压，并且，所述切换部件定位为从所述输出电压中去除所述kTC噪声。
19.根据权利要求16所述的电路，其中，所述相关双采样电容器的第一端是负端子，所述相关双采样电容器的第二端是正端子。
20.根据权利要求19所述的电路，进一步包括光电二极管，其耦接到所述放大器的反相输入端。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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