Brevet FR2950502A1 — publié le 20110325

Circuit de détection avec dérivation d'une partie du courant d'un photodétecteur Domaine technique de l'invention L'invention concerne un circuit de détection comprenant un photodétecteur relié à un circuit de lecture, un circuit de dérivation agencé pour dériver une partie du courant du photodétecteur entre le photodétecteur et le circuit de lecture, et un transistor de polarisation du photodétecteur connecté entre le photodétecteur et le circuit de lecture. État de la technique Les circuits de détection optique comprennent généralement un photodétecteur couplé à un circuit de lecture. Le circuit de lecture a pour rôle de convertir et d'amplifier le signal provenant du photodétecteur afin qu'il puisse être traité. 20 Dans le domaine de l'infrarouge, le courant du photodétecteur est constitué d'une composante thermique, considérée comme 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 25 porteuse d'informations utiles. 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 30 courant. Ce problème est particulièrement contraignant dans l'imagerie infrarouge, notamment lors de la détection de grandes longueurs d'onde ou15 2 lors de la détection sur un fond ambiant fortement émissif. Dans de tels cas, la composante de courant thermique, ou le courant de scène minimum, est largement supérieure à la composante de courant utile et il devient difficile de discriminer le courant utile. II est alors nécessaire de corriger le courant du photodétecteur en dérivant le courant parasite. Une fonction de dérivation du courant parasite peut être réalisée au moyen d'un circuit représenté à la figure 1 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 photodétecteur. Ce système comprend un photodétecteur 1 relié à un circuit de lecture 2. Le circuit de lecture 2 peut être du type intégrateur, et comporte par exemple une capacité d'intégration Cl. Un transistor de polarisation Ti est connecté entre le photodétecteur 1 (borne A) et une borne B de la capacité Cl. Le transistor T1 assure la polarisation du photodétecteur. Le système comporte, de plus, un circuit de dérivation 3 du courant parasite du photodétecteur. Ce circuit de dérivation 3 comporte une source de courant réglable, constituée par exemple par un transistor MOS de type P T2 connecté à une ligne d'alimentation VDD. Un circuit de commande 4 du transistor T2 comporte une capacité de commande C2 dont une borne C est connectée à la grille du transistor T2. La capacité de commande C2 est en outre reliée à la capacité Cl par l'intermédiaire d'un interrupteur S1 et à la ligne d'alimentation VDD par l'intermédiaire de l'interrupteur S1 et d'un interrupteur S2.30 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 à l'observation d'un écran froid si l'on souhaite supprimer que le courant d'obscurité et le courant parasite lié aux instruments, ou au fond ambiant si l'on désire supprimer également le courant de scène. Les figures 2A à 2F, que l'on décrira en même temps, représentent des chronogrammes simplifiés de signaux du circuit de détection de la figure 1. Les figures 2A et 2B correspondent respectivement aux signaux logiques commandant les interrupteurs S1 et S2. L'état bas (ou niveau logique `0') représente, à titre d'exemple, l'état fermé des interrupteurs. Les figures 2C à 2F représentent des tensions et courants en différents points du circuit. La phase d'initialisation a lieu entre des instants to et t2. Dans la phase d'initialisation, le courant Il tiré par le photodétecteur correspond au courant parasite, noté Is sur la figure 2D. On établit dans cette phase un courant de dérivation 13 dans le circuit 3, égal au courant Il, qui annulera le courant parasite lors de la phase de prise de vue ultérieure. Au début de la phase d'initialisation (instant to), 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 S1 et S2 sont tous deux fermés (états bas sur les figures 2A et 2B) afin de charger la capacité d'intégration Cl et la capacité de commande C2 à leur valeur initiale, correspondant au potentiel d'alimentation VDD. Les potentiels VB et Vc aux points B et C, représentés respectivement aux figures 2F et 2C, sont donc portés au potentiel d'alimentation VDD à l'instant to. Puis, l'interrupteur S2 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 (Fig. 2C), tout comme la tension aux bornes de la capacité Cl, c'est-à-dire le potentiel au point B (Fig. 2F). 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 diminuant jusqu'à une certaine valeur seuil, le transistor T2 devient conducteur et un courant de dérivation 13 s'établit dans le circuit 3 à un instant t1, comme représenté à la figure 2D. La valeur seuil du potentiel Vc qui rend le transistor T2 conducteur vaut VDD - VT (Fig. 2C), VT étant la tension de seuil du transistor T2 et VDD le potentiel d'alimentation. 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 (Fig. 2D). Alors, le courant 12 provenant des capacités Cl et C2 s'annule (Fig. 2D). Les tensions VB et Vc aux bornes des capacités Cl et C2 se stabilisent, comme cela est représenté sur les figures 2C et 2F entre les instants t1 et t2. A la fin de la phase d'initialisation (instant t2), le courant 13 dans le circuit de dérivation 3 est égal au courant 11 du photodétecteur 1 et donc au courant parasite Is à compenser (Fig. 2D). A partir de l'instant t2, le circuit de détection est dans la phase de prise de vue. A cet instant, l'interrupteur S1 est ouvert (Fig. 2A). La capacité de commande C2 conserve la tension de consigne à appliquer au transistor T2. Le photodétecteur observe une scène utile et tire donc un courant Il composé du courant photonique, noté Ipp sur la figure 2D, et du courant parasite Is. Le courant parasite Is est dévié par le circuit de dérivation 3, sous 5 la forme du courant 13 établi par le transistor T2, et seul le courant photonique Ipp, sous la forme du courant 12 (Fig. 2D), est injecté dans le transistor de polarisation Ti. Le courant utile correspondant à 12 à partir de l'instant t2 (courant photonique Ipp) est prêt à être intégré par la capacité d'intégration Cl. L'intégration du courant utile démarre peu après un instant t3 où on opère une réinitialisation de la tension aux bornes de la capacité d'intégration Cl par une brève fermeture de l'interrupteur S2 (Fig. 2B). Le potentiel au point B est donc porté au potentiel d'alimentation VDD à l'instant t3 et diminue progressivement suite à l'intégration du courant utile Ipp dans la capacité Cl (Fig. 2F). Ce système permet donc de dériver le courant parasite afin que seul le courant utile soit intégré. En revanche, ce circuit présente de faibles performances en termes de fréquence de coupure, de rendement d'injection et de stabilité de la polarisation. Objet de l'invention L'invention vise un circuit de détection simple permettant la correction du courant du photodétecteur et ayant de bonnes performances. L'invention vise plus particulièrement un circuit de détection capable de maintenir de manière précise la polarisation du photodétecteur, et ayant un rendement d'injection et une fréquence de coupure élevés.30 6 Selon l'invention, on tend vers cet objectif par le fait que le transistor de polarisation est interposé entre le photodétecteur et un noeud de dérivation auquel le circuit de dérivation est connecté, au lieu d'être interposé entre le circuit de dérivation et le circuit de lecture. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la ~o description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un circuit de détection selon l'art antérieur, 15 - les figures 2A à 2F représentent des évolutions de signaux du circuit de la figure 1, la figure 3 représente des caractéristiques courant-tension du circuit de la figure 1, la figure 4 représente un mode de réalisation de circuit de détection selon 20 l'invention, - la figure 5 représente un évolution de signal du circuit de la figure 4, et - la figure 6 représente des caractéristiques courant-tension du circuit de la figure 4. 25 Description de modes particuliers de réalisation Dans un circuit de détection du type de la figure 1, le rendement d'injection est le rapport du courant injecté dans le transistor de polarisation T1 (12 30 dans le cas de la figure 1) sur le courant total de la photodiode Il. La fréquence de coupure de l'étage d'entrée formé par le transistor de5 7 polarisation Ti est également proportionnelle au courant 12 traversant le transistor T1. A l'instant t1 dans la phase d'initialisation (Fig. 2D), lorsque le courant 13 s'établit dans le circuit de dérivation 3, le courant 12 tiré des capacités Cl et C2 s'annule. Le courant 12, injecté dans le transistor T1, reste nul entre les instants t1 et t2. Le rendement d'injection et la fréquence de coupure sont donc nuls. Durant la phase de prise de vue, le courant 12 injecté dans le transistor Ti prend la valeur du courant utile, ou photonique IPp. Le rendement d'injection Tinj, (égal au rapport 12/11 dans le cas de la figure 1) est d'autant plus faible que le rapport du courant parasite Is sur le courant utile IPp est grand. Ainsi, le courant parasite étant prépondérant devant le courant utile dans les cas d'utilisation cités précédemment, on obtient un rendement faible et une basse fréquence de coupure dans cette phase. Un faible rendement d'injection entraîne que le bruit du transistor de polarisation devienne prépondérant. De plus, la fréquence de coupure doit 20 être suffisamment importante pour ne pas couper une partie du signal utile. Par ailleurs, le circuit de la figure 1 n'est pas efficace pour maintenir la polarisation du photodétecteur. La polarisation du photodétecteur est réalisée par le transistor T1. Une tension constante de polarisation VPOL est appliquée 25 sur l'électrode de commande du transistor Ti. Cette tension fixe alors la tension aux bornes du photodétecteur lorsque le transistor Ti conduit normalement (VPp = VPOL - VT, où VT est la tension de seuil du transistor Ti). Comme on peut le remarquer sur la figure 2E, le potentiel VPp sur la borne du photodétecteur est correctement fixé à VREF = VPOL - VT jusqu'à l'instant t1. 30 A partir de l'instant t1, le transistor Ti n'est traversé par aucun courant (12=0) et ne peut plus assurer la polarisation du photodétecteur. La figure 3 représente des caractéristiques I1(VpD) du photodétecteur à différents états de fonctionnement, respectivement 5a entre les instants to et t1, 5b entre t1 et t2 et 5c entre t2 et t4. La figure 3 représente également la caractéristique 11(VPD) 6 du transistor de polarisation Ti. L'intersection d'une caractéristique (5a, 5b ou 5c) du photodétecteur et de la caractéristique 6 du transistor Ti définit un point de fonctionnement du circuit de détection, ou 1 o point de polarisation. La caractéristique 5a représente le fonctionnement du photodétecteur dans le circuit de la figure 1 entre les instants to et t1. Le courant 12, égal au courant 11 du photodétecteur et au courant parasite Is, traverse le transistor T1 15 jusqu'à l'établissement du courant de dérivation 13. Le transistor Ti commandé par la tension VPOL, correspondant à la caractéristique 6 sur la figure 3, polarise correctement le photodétecteur à VREF= VPOL- VT. A partir de l'instant t1 où le courant 13 s'établit dans le circuit de dérivation 3, 20 le courant 12 traversant le transistor T1 devient nul (Fig. 2D). Le transistor n'est plus apte à polariser le photodétecteur. Le point de fonctionnement se décale sur la caractéristique 6 jusqu'à I = 0, provoquant ainsi le déplacement de la caractéristique 5a du photodétecteur 1 vers la caractéristique 5b. La tension VPD de la borne du photodétecteur 1 augmente de AV1, 25 correspondant à l'augmentation observée sur la figure 2E, entre t1 et t2. A l'instant t2, la phase de prise de vue démarre et le photodétecteur tire un courant correspondant au courant parasite Is et au courant utile IPp. Seul le courant IPp traverse le transistor Ti. Le point de fonctionnement se déplace 30 alors dans le sens opposé sur la caractéristique 6 du transistor. La tension VPD diminue de AV2. 9 Ainsi, le circuit de la figure 1 présente lors de son utilisation des phases de variation de polarisation tV1 et OV2 du photodétecteur. Ces variations provoquent un changement d'impédance du photodétecteur et une modification du courant qui risque de fausser la fonction de dérivation du courant et/ou la fonction de détection. En particulier, la variation OV1-OV2 traduit une différence dans les conditions de fonctionnement entre la phase d'initialisation et la phase de prise de vue. La figure 4 représente un mode de réalisation de circuit de détection ~o permettant de limiter ces inconvénients. On retrouve les éléments du circuit de la figure 1, notamment le photodétecteur 1, le circuit de lecture 2, le circuit de dérivation 3 et le circuit de commande 4. Le transistor de polarisation, référencé Ti' sur la figure 4, est interposé entre le photodétecteur 1 et le noeud de dérivation A, et non plus entre le circuit de lecture 2 et le noeud de 15 dérivation A. Le noeud de dérivation A est le noeud auquel le circuit de dérivation 3 est connecté. II résulte d'une telle modification que le courant injecté dans le transistor T1' ne s'annule jamais. En effet, il est constamment égal au courant Il du 20 photodétecteur. Le courant injecté est donc égal soit au courant parasite Is dans la phase d'initialisation, soit au courant parasite Is ajouté du courant utile IPD dans la phase de prise de vue. Le fonctionnement global du circuit de détection n'est pas modifié. Ainsi, les signaux du circuit de détection restent inchangés, excepté le potentiel VPD sur la borne du photodétecteur. 25 La figure 5 représente le potentiel VPD sur la borne du photodétecteur dans le circuit de détection de la figure 4. Celui-ci reste constant sur l'ensemble de la phase d'initialisation, contrairement au potentiel VPD du circuit de l'art antérieur (figure 2E) qui augmente entre les instants t, et t2. 30 10 La figure 6 représente la caractéristique 6' du transistor de polarisation Ti' et les caractéristiques du photodétecteur 1 pendant les différentes phases de fonctionnement du circuit de détection de la figure 4. La caractéristique 5a du photodétecteur représente son fonctionnement pendant l'ensemble de la phase d'initialisation. Le courant traversant le transistor Ti' est, à chaque instant de cette phase, égal au courant parasite Is. De ce fait, le point de fonctionnement, correspondant au point d'intersection entre la caractéristique 5a du photodétecteur 1 et la caractéristique 6' du transistor T1', est fixé. La polarisation du photodétecteur est stable pendant la phase d'initialisation et la tension VPD vaut VREF = VPOL - VT (Fig. 5). Pendant la phase de prise de vue, le courant Il du photodétecteur qui traverse le transistor Ti' augmente de IPD. Le courant utile IPD étant faible devant ls, le point de polarisation se déplace légèrement sur la caractéristique 6' du transistor Ti'. La caractéristique 5a du photodétecteur évolue vers la caractéristique 5d. Le décalage de polarisation OV2 associé est faible et sans conséquence sur le fonctionnement du photodétecteur. Le circuit de détection de la figure 4 permet également une nette amélioration du rendement d'injection et de la fréquence de coupure. En effet, le transistor de polarisation Ti' est désormais systématiquement traversé par au moins le courant parasite Is, qui représente la part la plus importante du courant du photodétecteur. Lors de l'établissement du courant de dérivation pendant la phase d'initialisation, le courant injecté dans le transistor Ti' vaut maintenant Il, valeur égale à Is. Le courant injecté ne s'annule plus lors de l'établissement du courant 13 dans le circuit de dérivation 3. La fréquence de coupure et le rendement d'injection étant proportionnels au courant injecté dans le transistor Ti', ils ne sont donc plus nuls pendant cette phase. 11 De plus, pendant la phase de prise de vue, le courant traversant le transistor Ti' est égal au courant parasite Is plus le courant utile IPp. La fréquence de coupure et le rendement d'injection ne sont donc plus seulement proportionnels au courant utile mais à la somme du courant parasite Is et du courant utile IPp. II en résulte donc une amélioration globale de la fréquence de coupure et du rendement d'injection, ce dernier étant proche de 1. Le circuit de détection de la figure 4 présente donc un point de polarisation stable pendant la phase d'initialisation et la phase de prise de vue, tout en ayant un rendement d'injection et une fréquence de coupure plus importants par rapport au circuit de détection de la figure 1. 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), un circuit de dérivation (3) agencé pour dériver une partie du courant du photodétecteur, et un transistor de polarisation (Ti) du photodétecteur connecté entre le photodétecteur (1) et le circuit de lecture (2), circuit caractérisé en ce que le transistor de polarisation (Ti') est interposé entre le photodétecteur (1) et un noeud de dérivation (A) auquel le circuit de dérivation (3) est connecté. 12