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1、10申请公布号CN104040895A43申请公布日20140910CN104040895A21申请号201280066391622申请日20121114116073920111124FRH03M1/18200601H03M1/6020060171申请人原子能和能源替代品委员会地址法国巴黎申请人曲克赛尔股份有限公司72发明人JL莫洛74专利代理机构北京戈程知识产权代理有限公司11314代理人程伟王锦阳54发明名称包括用于通过注入根据先前注入的数量而变化的电荷数量来进行模数转换的电路的成像设备57摘要本发明属于成像设备的领域，其包括响应于入射光子辐射产生电荷的检测器11和形成用于读取产生的电荷的。
2、量的装置的模数转换电路12。模数转换电路12包括可根据积分节点A上的电势VA和预先确定的阈值电势VTHRESHOLD之间的比较来切换的比较器122；随着比较器的每次切换而增量的计数器123；随着比较器的每次切换在积分节点A处注入反电荷的量QC的反电荷注入电路124；以及确定所注入的反电荷的量QC的控制装置125。模数转换电路12的特征在于，控制装置125根据计数器123的值确定注入的反电荷的量QC。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014070886PCT国际申请的申请数据PCT/EP2012/0726432012111487PCT国际申请的公布数据WO2013/075993FR。
3、2013053051INTCL权利要求书1页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图2页10申请公布号CN104040895ACN104040895A1/1页21一种用于成像设备的模数转换电路，所述成像设备包括响应于入射光子辐射产生电荷的检测器11,所述电荷导致积分节点A上的积分电势VA的变化，所述模数转换电路12,22包括比较器122，所述比较器122能够根据所述积分电势VA和预先确定的阈值电势VSEUIL之间的比较来切换，计数器123，所述计数器123连接至所述比较器122的输出并且随着所述比较器的每次切换进行增量，反电荷注入电路124。
4、，224，所述反电荷注入电路124，224随着比较器的每次切换在积分节点A处注入反电荷的量QC，以及装置125，所述装置125用于控制反电荷注入电路124,224，其确定所注入的反电荷的量QC，所述模数转换电路12,22的特征在于，控制装置125根据所述计数器123的值确定注入的反电荷的量QC。2根据权利要求1所述的电路，其中所述控制装置125配置成每当所述计数器123的值达到一个或多个预先确定的阈值时使量QC变化。3根据权利要求2所述的电路，其中所述计数器123包括预先确定的数量的位，每个预先确定的阈值对应于所述计数器123的位中的一个的第一开关。4根据权利要求2和3中的任一项所述的电路，其。
5、中每当所述计数器123的值达到预先确定的阈值时注入的反电荷的量QC加倍。5根据前述权利要求中的任一项所述的电路，其中所述反电荷注入电路124,224包括每一个能够注入反电荷的预先确定的量的多个反电荷注入器12401245。6根据权利要求5的所述的电路，其中反电荷注入器22402245的每一个能够注入反电荷的同一的量Q0，在积分节点A处反电荷的每次注入的量QC通过选择一个或多个反电荷注入器22402245而变化。7根据权利要求5的所述的电路，其中反电荷注入器12401245的每一个能够注入不同量的反电荷，在积分节点A处反电荷的每次注入的量QC通过选择反电荷的注入器12401245的其中之一而变化。
6、。8一种成像设备，所述成像设备包括响应于入射光子辐射而产生电荷的检测器11，所述电荷导致积分节点A上的检测电势VA的变化，以及前述权利要求中的任一项所述的模数转换电路12,22。权利要求书CN104040895A1/6页3包括用于通过注入根据先前注入的数量而变化的电荷数量来进行模数转换的电路的成像设备技术领域0001本发明处于成像设备的领域，该成像设备包括在接收光子流时产生电荷的检测器和可以定量所产生的电荷的量的读取装置。本发明涉及一种形成这种读取装置的模数转换电路。正在讨论的成像设备可特别利用CMOS技术进行生产并且旨在用于成像，例如，利用X或伽马射线的放射成像或可见光或红外成像。背景技术0。
7、002成像设备一般包括像素矩阵和读取装置。每个像素包括至少一个感光元件，该至少一个感光元件产生与接收的光子的量成比例的电荷。这些电荷也称为光电荷由读取装置处理，以供应表示由每个感光元件接收的光子的量的信息。该读取装置可利用CMOS技术生产，CMOS技术允许读取装置纳入到每个像素中。例如，像素读取装置由所谓的“电荷注入”模数转换电路组成，“电荷注入”模数转换电路对应于术语“电荷反馈数模转换器”。也可使用术语“电荷平衡”电路。0003电荷注射模数转换电路至少包括积分电容器、比较器、反电荷注入电路、以及计数器。积分电容器通过它的电极中的一个连接至所考虑的像素的感光元件。在所考虑的感光元件的曝光阶段期。
8、间，感光元件将光子转化为电子空穴对。电荷、电子或空穴通过检测器的电极收集，然后在积分电容器的端子处积累，从而导致电容器的端子上的电压的变化。比较器的输入连接至收集电荷的积分电容器。比较器将该输入的电平处的电势称为检测电势与阈值相比较。每当检测电势超过阈值时，比较器的输出处的信号从第一状态切换到第二状态。每个切换导致计数器的增量和在积分电容器的电极上的反电荷的量Q0的注入，以补偿由感光元件产生的电荷。如果反电荷的量Q0被正确地校准，则检测电势再次超过阈值，并且比较器的输出信号从第二状态切换到第一状态。根据由感光元件产生的电荷的总量重复切换比较器的输出信号和反电荷的注入一定数量的次数。因此，平衡检。
9、测电势所必须的反电荷的注入的数量可以给出表示在给定积分时间周期期间由感光元件产生的电荷的总量的数值。这种电荷注入模数转换电路的缺点在于，它仅可适用于由光电元件接收的相对有限范围剂量的光子。事实上，为了允许精确定量低剂量的光子的目的，对应于由计数器编码的值的最低有效位的量Q0必须相对小。然而，当量Q0相对小时，必须执行许多注入以能够定量大剂量光子。因此，计数器必须包括大量的位例如，16位以能够计数所有注入。这被称为“深PROFOND”计数器。而且，光子流根据泊松定律经受固有噪声。换句话说，由光子产生的电流的噪声与所接收的光子的数量的平方根成比例。目前，光子流可相差很大，例如，在大约1至104的比。
10、例。因此，如果量Q0以使其基本上与可被感光元件接收的最低剂量对应的方式校准，则然后由感光元件产生的大量的电荷被编码，伴随着等于量Q0的几十倍的噪声。换句话说，用大大高于噪声的精确度数字化电荷的量，从而意味着计数器的若干位被毫无意义地使用。0004专利申请EP1860778A1提出一种电荷注入模数转换电路，其中根据光子流调制说明书CN104040895A2/6页4每次注入中的反电荷的量QC，在这种情况下，根据由该光子流产生的电流。光子流越大，则量QC越高。例如，该流由注入的频率确定。控制装置可以调制量QC并且控制换向器，以便根据该量QC使计数器增量多个单位。更精确地，控制换向器以使计数器增量等于。
11、反电荷Q0的多个基本量的多个单位。因此，数字化的精确度适合于检测到的光子流。而且，该精确度的数量级由在给定的积分时间周期上注入的反电荷的最大量QC而容易确定。然而，在该专利申请中描述的模数转换电路具有在计数器的输入处需要换向器，和相对复杂的控制装置的缺点。此外，为了允许在大范围上数字化光子的剂量，计数器必须总是与之前描述的转换电路一样深。发明内容0005本发明的目的尤其在于纠正上述缺点的所有或一部分。本发明的目的尤其在于提供一种简单设计的反电荷注入模数转换电路，其中反电荷的注入的数量的计数器包括适度数量的位同时可以针对低量的电荷按照高的精确度数字化可变数量的电荷。按照该目标，本发明的主题为一种。
12、用于成像设备的模数转换电路，该成像设备包括响应于入射光子辐射产生电荷的检测器,该电荷导致积分节点上的积分电势的变化，该模数转换电路包括0006能够根据所述积分电势和预先确定的阈值电势之间的比较来切换的比较器，0007连接至所述比较器的输出并且随着所述比较器的每次切换进行增量的计数器，0008随着所述比较器的每次切换在积分节点处注入反电荷的量QC的反电荷注入电路，以及0009用于控制反电荷注入电路的装置，其确定所注入的反电荷的量QC，0010所述模数转换电路的特征在于，控制装置根据所述计数器的值确定注入的反电荷的量QC。0011在具体的实施方案中，控制装置被配置成每当计数器的值达到一个或多个预先。
13、确定的阈值时使量QC变化。0012计数器可包括预先确定的数量的位，例如，在这种情况下，每个预先确定的阈值与计数器的位中的一个的第一开关对应。0013例如，每当计数器达到预先确定的阈值时注入的反电荷的量QC加倍。0014反电荷注入电路可包括多个反电荷注入器，其每一个都能够注入预先确定的量的反电荷。0015在第一具体实施方案中，反电荷注入器的每一个都能够注入反电荷的同一的量Q0，在积分节点上的反电荷的每次注入的量QC通过选择一个或多个反电荷注入器而变化。0016在第二具体实施方案中，反电荷注入器的每一个都能够注入不同量的反电荷，在积分节点上的反电荷的每次注入的量QC通过选择反电荷的注入器的其中之一。
14、而变化。0017本发明的另一主题为一种成像设备，该成像设备包括响应于入射光子辐射产生电荷的检测器，该电荷导致积分节点上的检测电势的变化，以及如前面所述的模数转换电路。0018本发明尤其具有可以减小计数器尺寸的同时不管接收的光子的量而将精确度保持在与光子流所经受的噪声的量相同的数量级的优点。附图说明说明书CN104040895A3/6页50019在参照所附附图阅读以下描述之后，本发明将被更好地理解并且其他优点将变得清楚，其中0020图1表示根据本发明的成像设备的第一示例性实施方案中的像素的电路图；0021图2表示根据本发明的成像设备的第二示例性实施方案中的像素的电路图；具体实施方式0022图1表。
15、示根据本发明的成像设备的第一示例性实施方案中的像素10的电路图。成像设备可包括以行或矩阵组织的多个像素。每个像素形成成像设备的感光点。像素10包括感光元件11和模数转换电路12。感光元件11形成像素的检测器。例如，检测器由光电二极管、由光电晶体管、或更普遍地由例如根据其接收的光子的量成比例地产生电荷的任何设备形成。例如，所考虑的光子具有在可见光、红外线、X射线或伽马射线光谱中的波长。模数转换电路12是所谓的“电荷注入”类型。该模数转换电路12包括积分电容器121、比较器122、计数器123、反电荷注入电路124和控制装置125。积分电容器121通过其电极中的一个连接至感光元件11并且通过它的其。
16、他电极连接至参考电势，例如，成像设备的电接地。感光元件11和积分电容器121之间的连接点被称为积分节点A并且在该点处的电势被称为积分电势VA。该节点还连接至比较器122的第一输入，比较器122的第二输入连接至称为阈值电势VSEUIL的参考电势。比较器122传输在输出处的表示为SCOMP的信号，例如，该信号根据积分电势VA和阈值电势VSEUIL之间比较的结果取为第一值或第二值。例如，信号SCOMP是电压。比较器122的输出一方面连接至计数器123的输入，并且另一方面连接至注入电路124的输入。例如，计数器123包括12个开关，每个开关表示计数器123的位。当然，计数器123根据将要编码的最大值包。
17、括大量开关。此外，计数器可由能够编码正整数值的任何其他设备产生。反电荷注入电路124包括6个反电荷注入器1240至1245、以及换向器126。例如，换向器126由六个受控的断续器1260至1265形成。更普遍地，注入电路124可包括表示为124K的K个反电荷注入器，其中K为严格的正整数，并且换向器可包括与反电荷注入器124K一样多的受控断续器，表示为126K。每个注入器124K连接至比较器122的输出并且可传输量2KQ0的反电荷。因此，注入器1240可注入量Q0的反电荷，注入器1241可注入量2Q0，诸如此类。每个受控的断续器126K连接在注入器124K中的一个的输出和积分节点A之间。控制装置。
18、125可以根据存储在计数器123中的值控制受控的断续器126K。0023在图1所表示的示例性实施方案中，模数转换电路12包括积分电容器121。然而，感光元件11可光学地具有寄生电容，该寄生电容足以实现积分电容器121的功能。在这种情况下，模数转换电路12可无需包括积分电容器。0024参照图1描述的模数转换电路以如下方式操作。在接收光子时，感光元件11产生在连接至积分节点A的积分电容器121的电极上积累的电荷，例如，电子。这导致积分电势VA的减小。当电势VA下降到阈值电势VSEUIL以下时，输出信号SCOMP从第一值例如，0切换至第二值例如，1。信号SCOMP由计数器123并且由注入电路124接。
19、收。具体而言，信号SCOMP可由每个反电荷注入器124K接收。在每个开关从第一值切换到第二值处，计数器123的值增量一个单位，并且每个反电荷注入器124K传输经校准的反电荷的量。根据换向器126的状态，积分节点A从注入器124K中的一个接收反电荷的量。表示说明书CN104040895A4/6页6为QC的反电荷的这个量使积分电势VA增加到阈值电势VSEUIL以上的值。然后输出信号SCOMP从第二值切换至第一值。根据由感光元件11产生的电荷的总量重复以上描述的数字化过程一定数量的次数。换向器126的状态，并且因此每个注入的反电荷的量QC取决于计数器123的值。在接收光子之前，计数器123的值被设置。
20、为零。然后控制换向器126以关闭受控的断续器1260，而其他受控的断续器12611265打开。因此，输出信号SCOMP的每个开关触发计数器123的值增量一个单位，并且注入反电荷的量QC等于Q0。量QC保持等于Q0直到计数器123的值达到第一预先确定阈值。例如，该第一阈值对应于计数器123的第六位图1中的BIT5的第一开关，即，值32。当计数器的值达到第一阈值时，控制装置125控制换向器126，以便关闭受控的断续器1261，而其他受控的断续器1260和12621265是打开的。0025因此，输出信号SCOMP的每个开关仍触发计数器123的值增量一个单位，但注入反电荷的量QC等于2Q0。量QC保持。
21、等于2Q0直到计数器123达到第二预先确定阈值。例如，该第二阈值对应于计数器123的第八位图1中的BIT7的第一开关，即，值128。0026当计数器的值达到第二阈值时，控制装置125控制换向器126，以便关闭受控的断续器1262，而其他受控的断续器1260、1261和12621265是打开的。因此，输出信号SCOMP的每个开关触发计数器123的值增量一个单位，并且注入反电荷的量QC等于4Q0。类似地，当计数器123的值达到阈值256、512和1024时，即，当第九、第十和第十一位分别进行第一次切换时，量QC逐步增加。0027应当注意，实际上，量QC对应于在积分节点A处注入的反电荷的总量QT的数。
22、字化步骤或定量步骤，例如，该总量QT与由感光元件11从其开始接收光子的时刻接收的光子的剂量成比例。因此，数字化的精确度随着计数器123的值逐步演变。0028在计数器123总是增量一个单位的措施中，无论注入的反电荷的量QC是多少，计数器123的值和总量QT之间的关系都不是线性的。0029然而，对于量QC增加到的给定组的阈值，该关系是固定的。这些阈值对应于触发修改注入的反电荷的量QC的计数器123的值。0030因此，总量QT可由计数器123的值直接确定。具体而言，对应表格可用于从计数器123的值确定总量QT。以下表格呈现了来自针对对X射线敏感的示例性成像设备的像素的这种对应表格的提取内容。第一列表。
23、示计数器123的值。第二列表示对于根据该值的每个注入的对应的量QC。第三列表示在积分节点A上注入的反电荷的总量QT直到信号SCOMP最后一次切换。最后，第四列表示光子流X经受的噪声的量。0031计数器QCQT噪声X111212313414说明书CN104040895A5/6页713113115115161162512531131322334626127632956429765299127222312842271294231255473525687433158121512511827835121627995131628151023161097510243211007106032121593812。
24、503218239462047324374372说明书CN104040895A6/6页80032该表格尤其显示噪声的量实际上是与总量QT的数字化步骤QC相同数量级。此外，该表格显示可由根据本发明的具有12位的计数器的模数转换电路确定的总量QT等于43743，即，大大高于可存储在12位的计数器上的值即，2047的值。对于现有技术的模数转换电路，等于43743的总量QT需要16位的计数器。本发明实际上可以减小计数器的尺寸，并且因此减少将被传输的数字数据的数量以及计数器123和成像设备的其他元件之间的连接的数量。连接的数量的减少可用于减小成像设备的像素的尺寸或增加每个感光元件的表面面积。使用根据本发。
25、明的设备可以保存测量的高动态范围，同时减少电路的电活动，并因此降低功率消耗。0033图2表示根据本发明的成像设备的第二示例性实施方案的像素20的电路图。像素20通过反电荷注入电路而与图1中所表示的像素10不同。在像素20的注入电路224中，所有注入器224K能够传输电反电荷的同一的量Q0。而且，换向器126的每个受控的断续器126K连接在比较器122的输出和注入器224K中的一个之间。受控的断续器126K仍由控制装置125根据计数器123的值控制。在该示例性实施方案中，如果注入器224K所连接的受控的断续器126K被控制在打开状态，则注入器224K仅传输反电荷。此外，为了增加在积分节点A处注入。
26、的反电荷的量QC，控制装置125逐步地将大量的受控的断续器126K控制在打开状态。在具体的实施方案中，控制在打开状态的受控断续器126K的数量以2的幂的级数增加。然后每当计数器的值达到阈值中的一个时，量QC加倍。0034在参照图1和图2所描述的实施方案中，当计数器123的某些位第一次切换时，每次注入的反电荷的量QC增加。然而，计数器可由与开关不同的其他装置产生并且量QC可增加至任何阈值。类似地，考虑到的是，每当计数器的值达到阈值中的一个时，量QC加倍。然而，量QC可不同地演变。量QC可尤其被确定成基本上遵循与注入的反电荷的总量QT相关联的噪声的量。说明书CN104040895A1/2页9图1说明书附图CN104040895A2/2页10图2说明书附图CN104040895A10。