CIRCUITO INTEGRADO PARA LA SINTONÍA DIGITAL DEL CONTRASTE TEMPORAL EN SENSORES DE IMAGEN.

Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen que comprende al menos un píxel activo digital que tiene un sensor óptico que genera una corriente Isens en función de una potencia de iluminación,

un filtro paso-alto sintonizable por corriente que genera una corriente efectiva Ieff a partir de la corriente Isens y un lazo de enganche de fase que genera una corriente Itune a partir de una señal de frecuencia ftune generada por unas señales digitales externas de control, siendo la corriente Itune la corriente de sintonización del filtro paso-alto sintonizable.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201130750.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: TERES TERES,LLUIS, VERGARA OGANDO,GERMAN, GUTIERREZ ALVAREZ,Raul, LINARES HERRERO,Rodrigo, SERRA GRAELLS,Francesc, DEI,Michele, MARGARIT TAULE,Josep Mª, MONTOJO SUPERVIELLE,Mª Teresa.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H03K17/94 SECCION H — ELECTRICIDAD.H03 CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS.H03K TECNICA DE IMPULSO (medida de las características de los impulsos G01R; modulación de oscilaciones sinusoidales por impulsos H03C; transmisión de información digital, H04L; circuitos discriminadores de detección de diferencia de fase entre dos señales de conteo o integración de ciclos de oscilación H03D 3/04; control automático, arranque, sincronización o estabilización de generadores de oscilaciones o de impulsos electrónicos donde el tipo de generador es irrelevante o esta sin especificar H03L; arranque, sincronización o estabilización de generadores cuando el tipo de generadores es indiferente o no especificado H03L; codificación, decodificación o conversión de código, en general H03M). › H03K 17/00 Conmutación o apertura de puerta electrónica, es decir, por otros medios distintos al cierre y apertura de contactos (amplificadores controlados H03F 3/72; disposiciones de conmutación para los sistemas de centrales que utilizan dispositivos estáticos H04Q 3/52). › caracterizado por la manera en que son producidas las señales de control.
CIRCUITO INTEGRADO PARA LA SINTONÍA DIGITAL DEL CONTRASTE TEMPORAL EN SENSORES DE IMAGEN.

Fragmento de la descripción:

CIRCUITO INTEGRADO PARA LA SINTONÍA DIGITAL DEL CONTRASTE

TEMPORAL EN SENSORES DE IMAGEN OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen. Introduce una nueva topología para la sintonía del contraste temporal interno de los píxeles activos del plano focal basada en señales digitales de frecuencia variable. Frente a la tecnología actual, la invención presenta la ventaja de aumentar la robustez de dicha sintonía frente a posibles variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación del circuito. Además, la invención también introduce una mayor flexibilidad para implementar sintonías dinámicas en tiempo real.

El principal campo de aplicación de la presente invención son los sectores de las tecnologías de la información y de las comunicaciones.

Así la presente invención describe un dispositivo microelectrónico específico para la captura digital de imágenes dinámicas. Dichas imágenes se descomponen en píxeles, cuyo valor individual se obtiene de la lectura de un sensor óptico monolítico o híbrido. La agrupación en matriz de estos sensores constituye el plano focal de la imagen a capturar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El mercado de los semiconductores está experimentando en estos días una creciente demanda de dispositivos portátiles capaces de capturar imágenes

dinámicas en condiciones adversas, como pueden ser aplicaciones como navegación nocturna en automoción, diagnóstico médico o equipamiento estratégico. Estos dispositivos de imagen se basan en matrices de plano

focal (Focal Plane Array, FPA) formadas por píxeles activos sensores (Active Pixel Sensor, APS) , cada uno conteniendo tanto el elemento sensor óptico, que capta la potencia de iluminación incidente y la convierte a una corriente equivalente Isens' así como su circuito individual de pre-procesado de señal. Las técnicas de diseño modernas para celdas APS incluyen parcialmente

[tal y como reflejan las patentes US5461425, US6707410, US7023369] o completamente [patente US6741198] el convertidor analógico-digital (Analog-to-Digital Converter, ADC) dentro del propio APS, dando lugar a píxeles activos digitales (Digital Pixel Sensor, DPS) que suministran directamente a su salida la lectura digital de su iluminación dout· Dadas las restricciones de espacio físico dentro del píxel activo, las arquitecturas ADC más adoptadas en la actualidad para celdas DPS son de tipo predictivo, frente a las alternativas directas (p.e. paralela) y algorítmicas (p.e. aproximaciones sucesivas) , ya que permiten simplificar las partes analógicas del ADC.

Así mismo y con el fin de reducir el consumo de potencia por píxel, dicho ADC suele implementarse mediante técnicas de conversión basadas en tiempo, ya sean de tipo "tiempo a primer suceso" (time to first spike) [patentes US5565915, US6271 785, US6377303, US6525304, US6559788, US6969879, US7071982, US7164114] o de tipo "conteo de sucesos" (spike counting) [patente US7095439]. La ventaja de la segunda estrategia es la baja actividad de conmutación digital durante la conversión analógica-digital, con la consiguiente reducción del ruido electrónico. Independientemente de la técnica de ADC escogida a nivel de DPS, es conveniente intentar reducir la información redundante en la corriente Isens antes de su conversión analógica-digital

con el fin de disminuir la capacidad necesaria para el canal de lectura de dout. En ese sentido, una de las técnicas más empleadas para eliminar redundancia en imágenes dinámicas es el contraste temporal [patente US5576767], que suprime las componentes de baja frecuencia de las secuencias de imágenes. Para el caso particular del DPS, dicho contraste temporal requiere la inserción de un filtro paso-alto entre la señal captada por el sensor óptico Isens y la señal efectiva Ieff que llega a la etapa ADC. En la práctica, la frecuencia de corte del filtro marca la frontera entre las componentes redundantes y la información útil de la imagen dinámica, siendo por tanto su sintonía de especial importancia. En general, dicha sintonía se implementa a nivel de circuito mediante una corriente programable Itune de muy bajo valor

(típicamente <lnA) . Las principales desventajas de este mecanismo analógico de sintonía son: dispersión debido a la variabilidad de la tecnología de integración, sensibilidad respecto a la temperatura de operación del circuito, y corrupción debido a acoplamientos (crosstalk) originados en una o varias celdas DPS vecinas.

El circuito integrado presentado en esta memoria de invención trata de resolver estos efectos indeseados en la sintonía analógica del contraste temporal dentro de la

celda DPS por medio de una topología alternativa de sintonía basada en señales digitales de frecuencia variable (típicamente <1KHz) Esta nueva estrategia

permite aumentar la robustez de dicha sintonía frente a posibles variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación del circuito, así como permite aislar las sintonías de cada celda DPS para evitar acoplamiento (crosstalk) entre píxeles del plano focal. Además, la invención también introduce una mayor flexibilidad de cara a implementar

una sintonía variable en tiempo real en función del

propio contenido y evolución de las imágenes.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados anteriormente, la presente invención consiste en un circuito integrado para la

sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen que comprende un píxel activo digital ( DPS) que incorpora, un sensor óptico, un filtro paso-alto para el contraste temporal, un ADC, y un lazo de enganche de fase

(Phase-Locked Loop, PLL) para la sintonía digital del filtro paso-alto. Dicho PLL se encarga de generar localmente dentro de cada celda DPS la corriente de sintonía Itune necesaria para el filtro paso-alto de contraste temporal según la frecuencia ftune de las señales digitales externas de control.

En comparación con las referencias del estado de la técnica actual ya mencionadas anteriormente la invención permite incrementar la robustez de la sintonía del contraste temporal de cada DPS) , ya que a nivel de plano focal se distribuye uno o varios reloj es digitales de frecuencia ftune en vez de una corriente analógica Itune de integridad más débil. Asimismo, mediante el aparejamiento por diseño del filtro paso-alto y de su PLL correspondiente se puede obtener una baja sensibilidad de la sintonía del contraste temporal respecto a las variaciones tanto de la tecnología de integración como de la temperatura de operación.

A su vez, el bloque PLL de sintonía digital incorpora un detector de fase y frecuencia (Phase-Frequency Detector, PFD) , una bomba de carga (Charge-Pump, CP) , una capacidad de lazo, un convertidor tensión-corriente (V/I) , y un oscilador controlado por corriente (Current-Controlled Oscillator, CCO) .

El principio de funcionamiento del bloque PLL de

sintonía digital del contraste temporal es el siguiente: la frecuencia ftune de las señales digitales de control externas a la celda DPS se compara con la propia frecuencia interna del CCO local mediante el PFD; la señal de error en fase resultante se envía a la CP para

ser amplificada en la capacidad en forma de tensión de sintonía Vtune; dicha tensión se convierte luego a la corriente Itune utilizando el convertidor V/I; la corriente de sintonía resultante se deriva hacia el

filtro paso-alto para la sintonía del contraste temporal pero también hacia el CCO. Gracias a la operación en lazo cerrado con realimentación negativa de todo el bloque PLL y asegurando unas constantes de tiempo adecuadas, la frecuencia de oscilación del eco se engancha a...

 


Reivindicaciones:

1. Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen que comprende al menos un píxel activo digital donde cada pixel activo digital comprende al menos:

i) un sensor óptico que genera como salida una corriente Isens en función de una potencia de iluminación incidente captada por el sensor;

ii) un filtro paso-alto sintonizable por corriente que genera una corriente efectiva Ieff a partir de la corriente Isens de entrada, siendo la corriente efectiva Ieff la salida del circuito integrado que proporciona una medida del contraste temporal del píxel activo digital

caracterizado porque comprende un lazo de enganche de fase que genera una corriente Itune a partir de una señal de frecuencia ftune generada por unas señales digitales externas de control, siendo la corriente Itune la corriente de sintonización del filtro paso-alto sintonizable.

2. Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen, según la reivindicación 1, caracterizado porque el lazo de enganche de fase al menos comprende:

i) un detector de fase y frecuencia que recibe como entrada la señal de frecuencia ftune procedente de las señales digitales externas de control y una señal de frecuencia fcco procedente de un oscilador controlado por corriente y genera como salida una señal digital de error de fase;

ii) una bomba de carga que recibe como entrada la señal digital de error de fase y genera una señal de error en corriente a la salida;

iii) una capacidad de lazo que recibe como entrada la señal de error en corriente y la integra en forma de tensión Vtune;

iv) un convertidor tensión-corriente que transforma la tensión Vtune que recibe a la entrada en la corriente Itune de salida, siendo la corriente Itune la corriente que sintoniza el filtro paso-alto sintonizable; y,

v) el oscilador controlado por corriente que recibe como entrada la corriente Itune de salida del convertidor-tensión corriente y genera como salida la señal de frecuencia fcco.

3. Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen, según la reivindicación 2, caracterizado porque el filtro paso-alto sintonizable por la corriente Itune y el oscilador controlado por la misma corriente Itune están constituidos por las mismas estructuras tecnológicas básicas y operan a la misma temperatura.

4. Circuito integrado para la sintonía digital del contraste temporal en sensores de imagen, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un convertidor analógico/digital situado a la salida del filtro paso-alto sintonizable que genera un valor de lectura digital de iluminación dout a partir de la corriente efectiva Ieff de entrada.


 

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