Brevet FR2950503A1 — publié le 20110325

Circuit de détection avec dérivation d'une partie du courant d'un photodétecteur et procédé d'exploitation Domaine technique de l'invention L'invention concerne un circuit de détection comprenant un photodétecteur relié à un circuit de lecture, le circuit de lecture imposant, dans un premier état du circuit de détection, une tension de polarisation du photodétecteur. État de la technique Les circuits de détection optique comprennent généralement un 15 photodétecteur couplé à un circuit de lecture. Le circuit de lecture a pour rôle de convertir et éventuellement d'amplifier le signal provenant du photodétecteur afin qu'il puisse être traité. La figure 1 représente un exemple de circuit de détection couramment utilisé 20 avec les photodétecteurs. Le circuit comporte un photodétecteur 1 et un circuit de lecture 2. Une borne du photodétecteur, la cathode sur l'exemple de la figure 1, est reliée au circuit de lecture 2. L'autre borne du photodétecteur, l'anode par exemple, est reliée au potentiel du substrat du photodétecteur VSUB. 25 Le circuit de lecture 2 peut être du type intégrateur. Il joue un double rôle : d'une part, il intègre le courant Il du photodétecteur et ainsi convertit le courant en une tension Vs exploitable, et d'autre part, il assure la polarisation du photodétecteur 1. A titre d'exemple, le circuit de lecture 2 peut être réalisé 30 par un amplificateur à transimpédance capacitif (« Capacitive Transimpedance Amplifier » en anglais, CTIA) représenté sur la figure 1. Un10 tel intégrateur comporte un amplificateur opérationnel 3. La première entrée de l'amplificateur 3, l'entrée négative par exemple, forme l'entrée du circuit de lecture 2 et la sortie de l'amplificateur 3 forme la sortie du circuit de lecture. La deuxième entrée de l'amplificateur, l'entrée positive sur l'exemple de la figure 1, reçoit un potentiel de référence VREF. Le circuit de lecture 2 comporte également une capacité Cl d'intégration et un interrupteur S1 de remise à zéro connectés en parallèle entre la première entrée de l'amplificateur et la sortie de l'amplificateur. Ainsi, le courant Il tiré par le photodétecteur est intégré dans la capacité Cl et converti en une rampe de tension VS à la sortie du circuit de lecture 2. La durée d'intégration correspond à un temps d'exposition. La tension Vs est exploitée en fin de phase d'intégration, juste avant la décharge de la capacité Cl par la fermeture de l'interrupteur S1 pour démarrer une nouvelle phase d'intégration. Le montage CTIA permet d'établir la polarisation du photodétecteur 1 en maintenant la tension VPO de la borne du photodétecteur au potentiel de référence VREF. La tension aux bornes du photodétecteur est alors égale à VREF ' VSUB. Un circuit de lecture tel que l'amplificateur à transimpédance capacitif (CTIA) est avantageux car il permet d'obtenir une polarisation stable du photodétecteur, un faible niveau de bruit, une bonne précision et une bonne linéarité. Dans le domaine de l'infrarouge, le courant Il du photodétecteur 1 est constitué d'une composante thermique, aussi appelée courant parasite, et d'une composante utile, appelée courant photonique. La composante de courant thermique correspond, par exemple, au courant d'obscurité et n'est pas porteuse d'informations utiles. 3 Un problème d'un tel circuit de détection survient lors d'une lecture de forts courants issus du photodétecteur. En effet, un trop fort courant conduit à une saturation du circuit de lecture et/ou l'impossibilité d'intégrer la totalité du courant. Ce problème est particulièrement contraignant dans l'imagerie infrarouge, notamment lors de la détection de grandes longueurs d'onde ou lors de la détection sur un fond ambiant fortement émissif. Dans de tels cas, la composante de courant thermique est largement supérieure à la composante de courant utile et il devient difficile de discriminer le courant utile. Il est alors nécessaire de corriger le courant du photodétecteur en dérivant le courant parasite. Objet de l'invention L'invention vise un circuit de détection à dérivation du courant parasite utilisable avec un circuit de lecture à intégrateur assurant la polarisation du photodétecteur. L'invention vise plus particulièrement un circuit de détection capable d'établir un courant de dérivation tout en maintenant la polarisation du photodétecteur lorsque le photodétecteur est découplé du circuit de lecture pendant une phase d'établissement du courant de dérivation. 25 Selon l'invention, cet objectif est atteint par le fait que le circuit de détection comprend un photodétecteur relié à un circuit de lecture, le circuit de lecture imposant, dans un premier état du circuit de détection, une tension de polarisation du photodétecteur. Le circuit comporte un interrupteur de 30 couplage connecté en série entre le photodétecteur et le circuit de lecture, le circuit de détection étant dans le premier état lorsque l'interrupteur de20 couplage est fermé et dans un second état lorsque l'interrupteur de couplage est ouvert. Le circuit comporte également un circuit de dérivation agencé pour dériver une partie du courant du photodétecteur et un circuit de polarisation auxiliaire agencé pour maintenir, dans le deuxième état, la tension de polarisation du photodétecteur. L'invention vise également un procédé d'exploitation d'un photodétecteur, permettant la dérivation du courant parasite du photodétecteur. ~o Cela est atteint par le fait que le procédé comprend une phase d'initialisation et une phase de prise de vue. La phase de prise de vue comporte la lecture du signal du photodétecteur par un circuit de lecture et la polarisation du photodétecteur par le circuit de lecture. La phase d'initialisation comporte la déconnexion du photodétecteur du circuit de lecture, l'établissement d'un 15 courant de dérivation et le maintien de la polarisation du photodétecteur par un circuit de polarisation auxiliaire. La phase de prise de vue comporte en outre l'application du courant de dérivation au photodétecteur. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, 25 dans lesquels : la figure 1 représente un circuit de détection selon l'art antérieur, la figure 2 représente un circuit de détection dit à couplage direct avec une fonction de dérivation, 30 les figures 3 et 4 représentent des modes particuliers de réalisation d'un circuit de détection selon l'invention, les figures 5A à 5G et 6A à 6E représentent des évolutions de signaux du circuit de la figure 4, les figures 7 et 8 représentent le circuit de la figure 4 dans deux états distincts. Description de modes particuliers de réalisation Une fonction de dérivation ou de compensation du courant parasite peut être ~o réalisée au moyen d'un circuit représenté à la figure 2 et décrit dans le brevet FR2634900. Ce système de détection est utilisé avec un photodétecteur et un circuit de lecture couplés en injection directe. Par couplage en injection directe, on entend que les électrons issus du photodétecteur sont directement injectés dans un transistor qui assure la polarisation du 15 photodétecteur. Ce système comprend un photodétecteur 1 relié à un circuit de lecture se résumant à une capacité d'intégration Cl'. Le circuit de lecture n'assure donc pas la polarisation du photodétecteur. Celle-ci est assurée par un transistor 20 de polarisation Ti connecté entre le photodétecteur 1 et la capacité Cl'. Le système comporte, de plus, un circuit de dérivation 4 du courant parasite du photodétecteur. Ce circuit de dérivation 4 comporte une source de courant réglable, 25 constituée par exemple par un transistor MOS de type P T2 connecté à une ligne d'alimentation VDD. Un circuit de commande 5 du transistor T2 comporte une capacité de commande C2 connectée à la grille du transistor T2 (point C). La capacité de 30 commande C2 est en outre reliée à la capacité Cl' par l'intermédiaire d'un5 interrupteur S2 et à la ligne d'alimentation VDD par l'intermédiaire de l'interrupteur S2 et d'un interrupteur S3. Le fonctionnement de ce circuit se décompose en deux phases : une phase d'initialisation pendant laquelle le photodétecteur reçoit un flux de photons de référence et une phase de prise de vue pendant laquelle il reçoit le rayonnement à étudier. Pendant la phase d'initialisation, le détecteur est par exemple placé devant un écran froid, un corps noir ou encore devant l'espace pour une application spatiale. Le flux de photons de référence correspond par exemple au fond ambiant. Dans la phase d'initialisation, le courant Il tiré par le photodétecteur correspond au courant parasite. On établit dans cette phase un courant de dérivation 13, ou courant de correction, dans le circuit 4, égal au courant h, qui annulera le courant parasite lors de la phase de prise de vue. Au début de la phase d'initialisation, le courant de dérivation 13 est nul, c'est-à-dire que le transistor T2 n'a pas encore reçu de consigne. Le réglage du transistor T2 s'effectue de la manière suivante : les interrupteurs S2 et S3 sont tous deux fermés afin de charger la capacité d'intégration Cl' et la capacité de commande C2 à leur valeur initiale, correspondant au potentiel d'alimentation VDD. Puis, l'interrupteur S3 est ouvert de manière que la capacité d'intégration Cl' et la capacité de commande C2 se déchargent dans le photodétecteur 1. Les capacités Cl' et C2 sont donc déchargées par le courant Il tiré par le photodétecteur. Ainsi, la tension aux bornes de la capacité de commande C2, c'est-à-dire le potentiel au point C, diminue, tout comme la tension aux bornes de la capacité Cl'. La tension aux bornes de la capacité de commande C2, appliquée sur la grille du transistor T2, constitue la consigne de réglage de la source de courant. La tension aux bornes de la capacité de commande C2 atteignant un certain seuil, le transistor T2 devient conducteur et un courant de dérivation 13 s'établit dans le circuit 4. Au fur et à mesure que la tension aux bornes de la capacité de commande C2 diminue en dessous de ce seuil, le courant 13 augmente jusqu'à fournir la totalité du courant Il du photodétecteur. Alors, le courant 12 provenant des capacités Cl' et C2 s'annule et la tension à leurs bornes se stabilise. A la fin de la phase d'initialisation, le courant de dérivation 13 dans le circuit 4 est égal au courant Il du photodétecteur et donc au courant parasite à compenser. Pendant la phase de prise de vue, les interrupteurs S2 et S3 sont ouverts. La capacité de commande C2 conserve la tension de consigne à appliquer au transistor T2 tandis que la capacité Cl' est prête à jouer son rôle d'intégrateur. Le photodétecteur observe une scène utile et tire donc un courant Il composé du courant photonique et du courant parasite. Le courant parasite est dévié par le circuit de dérivation 4, sous la forme du courant 13 établi par le transistor T2, et seul le courant photonique, sous la forme du courant 12, est injecté dans le transistor de polarisation Tl et intégré par la capacité d'intégration Cl'. Ce système permet donc de dériver le courant parasite afin que seul le courant utile soit intégré. En revanche, ce circuit n'est pas adapté à des circuits de lecture intégrateurs plus performants, du type de la figure 1. La figure 3 représente un mode de réalisation de circuit de détection capable de dériver le courant parasite tout en utilisant un circuit de lecture performant de type « CTIA ». 30 On retrouve le circuit de lecture 2 de la figure 1 et des éléments du circuit de la figure 2, désignés par les mêmes références, notamment le circuit de25 dérivation 4 et un circuit de commande 5' dérivé du circuit 5 de la figure 2, tous deux reliés au photodétecteur. Le circuit de détection représenté à la figure 3 comporte, en outre, un interrupteur de couplage S4 connecté en série entre le photodétecteur 1 et une entrée du circuit de lecture 2, et un circuit de polarisation auxiliaire 6. Par rapport au circuit de la figure 2, l'interrupteur S3 est déplacé de l'autre côté de l'interrupteur S2 et est désigné par S3'. En effet, la capacité d'intégration Cl, reportée dans le circuit de lecture CTIA 2, n'a pas besoin d'être préchargée comme la capacité Cl' à la figure 2 et l'interrupteur S3' ne sert à précharger que la capacité C2. Dans l'exemple de la figure 3, le circuit de polarisation auxiliaire 6 comprend le transistor de polarisation Ti connecté à la borne du photodétecteur 1 et une seconde source de courant réglable. Cette seconde source de courant est, dans ce mode de réalisation, constituée par un transistor MOS de type P T3 connecté à la ligne d'alimentation VDD. Le transistor T3 est connecté au circuit de commande 5' de la même manière que le transistor T2. Ainsi, la grille du transistor T3 est également connectée à la capacité de commande C2 et les courants des transistors T2 et T3 sont réglés par une même consigne fournie par le circuit de commande 5'. Un second transistor de polarisation T4, MOS de type N, est connecté en diode entre le transistor T3 et une ligne au potentiel de référence VREF. Le transistor T4 est connecté pour former un miroir de courant avec le transistor T1 par l'intermédiaire d'un interrupteur S5. Les grilles des transistors Ti et T4 sont donc reliées entre elles par l'intermédiaire de l'interrupteur S5. Le circuit de polarisation 6 comprend également un interrupteur S6, permettant de connecter la grille du transistor T1 à la ligne d'alimentation VDD. Dans un mode de réalisation préféré, les transistors T2 et T3 sont identiques. Alors, le courant 14 dans le transistor T3 est égal au courant de dérivation 13 dans le transistor T2. De plus, le premier transistor de polarisation Ti et le second transistor de polarisation T4 sont identiques. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le circuit de commande 5' des sources de courant réglables formées par les transistors T2 et T3 comporte la capacité de commande C2. Une borne de la capacité C2 est reliée au photodétecteur par l'intermédiaire de l'interrupteur S2 et à la ligne d'alimentation VDD par l'intermédiaire de l'interrupteur S3'. Dans une variante de réalisation préférée représentée à la figure 4, le circuit de dérivation 4 est relié au photodétecteur à un point de connexion A situé entre l'interrupteur de couplage S4 et le transistor Ti du circuit de polarisation 6. De cette manière, le courant de dérivation 13 traverse à chaque instant le transistor Ti. Le courant traversant ce transistor ne s'annule pas lors des différentes phases de fonctionnement du circuit, décrites ci-après, de sorte que ce transistor assure en permanence une polarisation du photodétecteur 1 durant la phase d'initialisation. On distingue deux états importants du circuit de détection suivant l'état de l'interrupteur de couplage S4. Dans un premier état, lorsque l'interrupteur de couplage S4 est fermé et l'interrupteur S1 est ouvert, le circuit de lecture 2 est connecté au photodétecteur 1. Le circuit de lecture assure la polarisation du photodétecteur en fixant le potentiel VPD de la borne du photodétecteur. Cet état correspond à la phase de prise de vue pendant laquelle le courant utile est intégré, conformément à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1. Dans un second état, lorsque l'interrupteur de couplage S4 est ouvert, le circuit de lecture est déconnecté et n'assure plus la polarisation. Le photodétecteur est alors polarisé par le circuit de polarisation 6 qui prend le relais. Cet état correspond à la phase d'initialisation pendant laquelle on établit le courant 13 pour dériver le courant parasite. L'interrupteur Si est, par exemple, fermé et assure la réinitialisation du circuit de lecture 2. Le circuit de polarisation 6 est agencé pour, dans le deuxième état, maintenir la polarisation de la borne du photodétecteur au même potentiel de référence que celui imposé par le circuit de lecture 2 pendant la phase de prise de vue. Ce potentiel de référence correspond à la référence du circuit de lecture, c'est-à-dire le potentiel VREF appliqué à l'entrée positive de io l'amplificateur 3. Les figures 5A à 5G représentent, de manière simplifiée, des chronogrammes de signaux du circuit de détection de la figure 4, notamment une horloge CLK du circuit et différents signaux logiques commandant les 15 interrupteurs S1 à S6. L'état bas (ou niveau logique `0') représente, à titre d'exemple, l'état fermé des interrupteurs. Les figures 6A à 6E, que l'on décrira en même temps, représentent des tensions et courants en différents points du circuit. 20 Entre les instants t, et t2, le circuit est dans un état non initialisé. Le photodétecteur 1 est couplé au circuit de lecture 2. L'interrupteur de couplage S4 est fermé (état bas, Fig.5E). Le photodétecteur est alors polarisé par le circuit de lecture. Le potentiel VPD de la borne du photodétecteur est donc 25 égal au potentiel de référence VREF (Fig.6C). L'interrupteur S3' est fermé (Fig.5D) afin de charger la capacité de commande C2 au potentiel d'alimentation VDD. Ainsi, la capacité de commande C2 est chargée au potentiel d'alimentation VDD, comme l'illustre 30 le signal Vc sur la figure 6B. Le circuit de dérivation 4 ne génère aucun courant 13 (13=0, Fig.6D). Le photodétecteur reçoit un flux de référence. Il 11 débite un courant I, correspondant au courant parasite, noté Is sur la figure 6D. Le circuit de polarisation 6 est désactivé. L'interrupteur S5 est ouvert alors que l'interrupteur S6 est fermé (Fig.5F et 5G). Les interrupteurs S5 et S6 sont constamment en opposition de phase puisque l'un commande la polarisation du photodétecteur par le circuit de polarisation 6 et le second désactive le circuit 6. Le potentiel VPOL de la grille du transistor Ti est donc fixé au potentiel d'alimentation VDD (Fig.6A) par l'intermédiaire de l'interrupteur S6. 1 o Le transistor T1 est alors complètement passant, permettant la polarisation du photodétecteur 1 par le circuit de lecture 2. Puis, l'interrupteur S3' est ouvert à un instant t2. La capacité C2 conserve sa charge. 15 L'étape d'initialisation commence à un instant t3. A cet instant t3, l'interrupteur S2 (Fig.5C) est fermé, connectant la capacité de commande C2 au photodétecteur. La capacité de commande C2 se décharge progressivement et donc le potentiel Vo diminue (Fig.6B). Au même instant (t3), l'interrupteur 20 de couplage S4 (Fig.5E) est ouvert, déconnectant le circuit de lecture 2. L'interrupteur S5 (Fig.5F) est fermé et l'interrupteur S6 est ouvert (Fig.5G). Ainsi, la polarisation du photodétecteur est assurée par le circuit de polarisation 6. 25 Entre l'instant t3 et un instant t5, c'est-à-dire lors de la phase d'établissement du courant de dérivation 13 dans le circuit 4, le circuit de détection est équivalent à celui représenté à la figure 7. Le potentiel VPOL sur la grille du transistor Ti est alors égal au potentiel de référence VREF augmenté de la tension de seuil du transistor T4 (VPOL = VREF + VT ; Fig.6A). Le potentiel VPp 30 à la borne du photodétecteur 1 est alors égal à VPOL moins la tension de seuil VT du transistor Ti. Le potentiel VPp est donc sensiblement égal au potentiel VREF. On remarque sur la figure 6C que le potentiel VPO diffère légèrement de VREF pendant cette phase d'étalonnage. Cette variation est due au laps de temps où le courant 14 s'établit dans le circuit de polarisation 6. Le courant 14 s'établit en même temps que le courant 13, puisque les transistors T2 et T3 sont connectés à la même consigne fournie par le circuit de commande 5'. Ce laps de temps correspond donc au temps nécessaire pour que le potentiel sur la borne C de la capacité de commande C2 diminue jusqu'à la valeur de seuil VDD - V-r des transistors T2 et T3 (entre t3 et t4). Pendant ce laps de temps, le courant 14 n'est pas établi et le circuit de polarisation 6 n'est pas encore opérationnel. Cependant, cette faible variation de la polarisation du photodétecteur ne modifie pas significativement le courant Il du photodétecteur 1, qui reste égal au courant parasite Is (Fig.6D). A un instant t4, le potentiel Vc a atteint la valeur seuil. Le courant de dérivation 13 issu du transistor T2 augmente rapidement pour fournir le courant Il du photodétecteur, égal au courant d'obscurité Is (Fig.6D). Le potentiel Vc se stabilise ensuite à cette valeur (Fig.6B) puisque le courant Il du photodétecteur n'est plus tiré de la capacité C2, mais est fourni par le circuit de dérivation 4. De plus, le courant 14 est également établi et le circuit 6 assure la polarisation en fixant précisément le potentiel VPp au potentiel de référence (Fig.6C) A l'instant t5, l'interrupteur S2 (Fig.5C) est ouvert, mémorisant ainsi le potentiel Vc sur la borne C de la capacité de commande C2, et fixant ainsi le courant de dérivation 13. Le circuit de lecture 2 est reconnecté au photodétecteur 1 par la fermeture de l'interrupteur de couplage S4 (Fig.5E). La polarisation est effectuée de nouveau par le circuit de lecture 2. Le potentiel VPp de la borne du photodétecteur est toujours maintenu au potentiel de référence VREF (Fig.6C).30 Le circuit de polarisation 6 est déconnecté en rendant le transistor Ti complètement passant. Le potentiel VPOL de la grille du transistor Ti est donc de nouveau fixé au potentiel d'alimentation VDD (Fig.6A) par l'intermédiaire de l'interrupteur S6. L'interrupteur S6 est donc fermé alors que l'interrupteur S5 est ouvert (respectivement Figs.5G et 5F). La phase de prise de vue démarre à un instant ts. Le photodétecteur est placé devant une scène utile. Le photodétecteur débite alors un courant I, égal au courant parasite Is ajouté d'un courant utile lPD (Fig.6D). A cet instant ts, l'interrupteur de remise à zéro S1 est ouvert (Fig.5B) pour procéder à l'intégration du courant utile l2=lPD. Ainsi, à l'instant ts, le circuit de détection est équivalent à celui de la figure 8. Le courant intégré lINT prend la valeur du courant utile IPp (Fig.6D). En effet, le courant parasite 13=IS est dévié par le circuit de dérivation 4. Le courant IPp étant intégré, le signal Vs en sortie du circuit de lecture 2 croit. Cette évolution est détectée puis traitée dans un autre étage, non représenté sur le figure 8. De nombreuses variantes et modifications du circuit de détection décrit ici apparaîtront à l'homme du métier. Notamment, l'invention n'est pas limitée à un type particulier de photodétecteur. Le dispositif décrit ci-dessus peut être utilisé avec une photodiode, un phototransistor ou tout autre type de photodétecteur, dans les domaines de rayonnement visible, infrarouge ou rayonnement X. La nature et le sens des transistors pourront êtres inversés et il n'est pas exclu d'utiliser des alimentations séparées pour les différents composants du circuit. Revendications1. Circuit de détection comprenant un photodétecteur (1) relié à un circuit de lecture (2), le circuit de lecture (2) imposant, dans un premier état du circuit de détection, une tension de polarisation du photodétecteur, circuit caractérisé en ce qu'il comporte : un interrupteur de couplage (S4) connecté en série entre le photodétecteur (1) et le circuit de lecture (2), le circuit de détection étant dans ledit premier état lorsque l'interrupteur de couplage (S4) est fermé et dans un second état lorsque l'interrupteur de couplage est ouvert, un circuit de dérivation (4) agencé pour dériver une partie du courant du photodétecteur, et un circuit de polarisation auxiliaire (6) agencé pour maintenir, dans le deuxième état, ladite tension de polarisation du photodétecteur. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de polarisation auxiliaire (6) comporte un premier transistor de polarisation (Ti) connecté au photodétecteur (1), un second transistor de polarisation (T4) connecté à une borne à un potentiel de référence (VREF), le second transistor de polarisation (T4) étant connecté en miroir de courant avec le premier transistor de polarisation (Ti) par l'intermédiaire d'un interrupteur de polarisation (S5) dans ledit deuxième état. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (4) est relié à un point de connexion (A) entre l'interrupteur de couplage (S4) et le circuit de polarisation (6). 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (4) comporte une première source de courant réglable (T2) et en ce que le circuit de polarisation (6) comprend une seconde source de courant réglable (T3), les première et seconde sources 14 de courant réglables recevant une même consigne d'un circuit de commande (5'). 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite consigne est formée par la tension aux bornes d'une capacité de commande (C2), une borne de la capacité de commande recevant un potentiel d'alimentation (VDD) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (S2) et étant reliée au photodétecteur par l'intermédiaire d'un second interrupteur (S3). 6. Procédé d'exploitation d'un photodétecteur comprenant une phase d'initialisation et une phase de prise de vue, la phase de prise de vue comportant : la lecture du signal du photodétecteur par un circuit de lecture, la polarisation du photodétecteur par le circuit de lecture, caractérisé en ce que la phase d'initialisation comporte : - la déconnexion du photodétecteur du circuit de lecture, l'établissement d'un courant de dérivation, le maintien de la polarisation du photodétecteur par un circuit de polarisation auxiliaire ; et et en ce que la phase de prise de vue comporte en outre l'application du courant de dérivation au photodétecteur.