Brevet FR2983371A1 — publié le 20130531

DISPOSITIF IMAGEUR COMPRENANT UN CIRCUIT DE CONVERSION ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE PAR INJECTION DE CHARGES EN QUANTITÉ VARIABLE EN FONCTION DU NOMBRE D'INJECTIONS PRÉCÉDENTES L'invention se situe dans le domaine des dispositifs imageurs comprenant un détecteur générant des charges électriques à la réception d'un flux de photons, et des moyens de lecture permettant de quantifier la quantité de charges électriques générées. Elle concerne un circuit de conversion analogique-numérique formant de tels moyens de lecture. Les dispositifs imageurs concernés peuvent notamment être réalisés en technologie CMOS et être destinés à l'imagerie, par exemple l'imagerie radiologique par rayons X ou gamma ou l'imagerie visible ou infrarouge. Un dispositif imageur comprend généralement une matrice de pixels et des moyens de lecture. Chaque pixel comprend au minimum un élément photosensible générant des charges électriques proportionnellement à la quantité de photons reçue. Ces charges électriques, également appelées photocharges, sont traitées par les moyens de lecture afin de fournir une information représentative de la quantité de photons reçue par chaque élément photosensible. Les moyens de lecture peuvent être réalisés en technologie CMOS, ce qui permet leur intégration dans chaque pixel. Les moyens de lecture d'un pixel consistent par exemple en un circuit de conversion analogique-numérique dit "à injection de charges", ce qui correspond au terme anglais "charge feedback digital to analog convertor". On peut également parler de circuit à équilibrage de charge, ou "charge balancing". Un circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges comprend au minimum une capacité d'intégration, un comparateur, un circuit d'injection de contre-charges, et un compteur. La capacité d'intégration est reliée par l'une de ses électrodes à l'élément photosensible du pixel considéré. Pendant une phase d'exposition de l'élément photosensible considéré, ce dernier convertit les photons en paires d'électrons-trous. Les charges électriques, électrons ou trous, sont collectées par une électrode du détecteur, puis s'accumulent aux bornes d'une capacité d'intégration, ce qui entraîne une variation de tension aux bornes de la capacité. Une entrée du comparateur est reliée à la capacité d'intégration collectant les charges électriques. Le comparateur compare le potentiel au niveau de cette entrée, appelé potentiel de détection, à une valeur seuil. A chaque fois que le potentiel de détection franchit la valeur seuil, le signal en sortie du comparateur bascule d'un premier état à un deuxième état. Chaque basculement entraîne l'incrémentation du compteur et l'injection d'une quantité QO de contre-charges sur l'électrode de la capacité d'intégration afin de compenser les charges générées par l'élément photosensible. Si la quantité QO de contre-charges est correctement calibrée, le potentiel de détection franchit à nouveau la valeur seuil, et le signal en sortie du comparateur bascule du deuxième état vers le premier état. Le basculement du signal en sortie du comparateur et l'injection de contre-charges se répètent un certain nombre de fois en fonction de la quantité totale de charges générées par l'élément photosensible. Le nombre d'injections de contre-charges nécessaire pour équilibrer le potentiel de détection permet ainsi de donner une valeur numérique représentative de la quantité totale de charges générées par l'élément photosensible pendant une durée d'intégration donnée. Un inconvénient de ce circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges est qu'il ne peut être adapté qu'à une plage relativement limitée de doses de photons reçues par l'élément photosensible. En effet, dans le but de permettre la quantification précise de faibles doses de photons, la quantité QO, qui correspond au bit de poids faible de la valeur codée par le compteur, doit être relativement faible. Cependant, lorsque la quantité QO est relativement faible, de nombreuses injections doivent être réalisées pour pouvoir quantifier une dose importante de photons. Ainsi, le compteur doit comporter un grand nombre de bits (16 bits par exemple) pour pouvoir comptabiliser toutes les injections. On parle de compteur "profond". Par ailleurs, le flux de photons est soumis à un bruit intrinsèque suivant une loi de Poisson. Autrement dit, le bruit du courant électrique engendré par les photons est proportionnel à la racine carrée du nombre de photons reçus. Or le flux de photons peut varier énormément, par exemple dans un rapport de l'ordre de 1 à 104. En conséquence, si la quantité QO est calibrée de manière à correspondre sensiblement à la plus faible dose pouvant être reçue par l'élément photosensible, alors une quantité importante de charges générées par l'élément photosensible est codée avec un bruit égal à plusieurs dizaines de fois la quantité QO. Autrement dit, la quantité de charges est numérisée avec une précision largement supérieure au bruit, ce qui signifie que plusieurs bits du compteur sont utilisés inutilement. La demande de brevet EP 1860778 Al propose un circuit de conversion analogique-numérique à injection de charges dans lequel la quantité Qc de contre-charges de chaque injection est modulée en fonction du flux de photons, en l'occurrence en fonction du courant électrique généré par ce flux de photons. Plus le flux de photons est important, et plus la quantité Qc est élevée. Ce flux est par exemple déterminé par la fréquence des injections. Des moyens de commande permettent de moduler la quantité Qc et de commander un commutateur de manière à incrémenter le compteur d'un nombre d'unités dépendant de cette quantité Qc. Plus précisément, le commutateur est commandé pour incrémenter le compteur d'un nombre d'unités égal au multiple de la quantité de contre-charges élémentaire QO. La précision de la numérisation est donc adaptée aux flux de photons détectés. En outre, l'ordre de grandeur de cette précision est facilement déterminé par la plus grande quantité Qc de contre-charges injectée pendant une durée d'intégration donnée. Cependant, le circuit de conversion analogique-numérique décrit dans cette demande de brevet présente l'inconvénient de nécessiter un commutateur en entrée du compteur, ainsi que des moyens de commande relativement complexes. De plus, afin de permettre la numérisation de doses de photons sur une large plage, le compteur doit toujours être aussi profond que celui du circuit de conversion décrit précédemment. Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. L'invention vise notamment à fournir un circuit de conversion analogique-numérique par injection de contre-charges qui soit de conception simple, et dans lequel le compteur du nombre d'injections de contre-charges comporte un nombre réduit de bits tout en permettant de numériser des quantités variables de charges électriques avec une précision élevée pour les faibles quantités de charges électriques. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit de conversion analogique-numérique pour un dispositif imageur comprenant un détecteur générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel d'intégration sur un noeud d'intégration, le circuit de conversion analogique-numérique comprenant : ^ un comparateur apte à basculer en fonction de la comparaison entre le potentiel d'intégration et un potentiel de seuil prédéterminé, ^ un compteur connecté à une sortie du comparateur et s'incrémentant 10 à chaque basculement du comparateur, ^ un circuit d'injection de contre-charges injectant une quantité Qc de contre-charges sur le noeud d'intégration à chaque basculement du comparateur, et ^ des moyens de commande du circuit d'injection de contre-charges 15 déterminant la quantité Qc de contre-charges injectée, le circuit de conversion analogique-numérique étant caractérisé en ce que les moyens de commande déterminent la quantité Qc de contre-charges injectée en fonction d'une valeur du compteur. 20 Selon une forme particulière de réalisation, les moyens de commande sont configurés pour faire varier la quantité Qc à chaque fois que la valeur du compteur atteint une ou plusieurs valeurs seuils prédéterminées. Le compteur peut comprendre un nombre de bits prédéterminé, 25 auquel cas chaque valeur seuil prédéterminée correspond par exemple au premier basculement de l'un des bits du compteur. La quantité Qc de contre-charges injectée est par exemple doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint une valeur seuil 30 prédéterminée. Le circuit d'injection de contre-charges peut comprendre une pluralité d'injecteurs de contre-charges chacun aptes à injecter une quantité prédéterminée de contre-charges. 35 Selon une première forme particulière de réalisation, les injecteurs de contre-charges sont chacun aptes à injecter une même quantité QO de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre-charges sur le noeud d'intégration variant par la sélection d'un ou plusieurs injecteurs de contre-charges. Selon une deuxième forme particulière de réalisation, les injecteurs de contre-charges sont chacun aptes à injecter une quantité différente de contre-charges, la quantité Qc de chaque injection de contre- charges sur le noeud d'intégration variant par la sélection de l'un des injecteurs de contre-charges. L'invention a également pour objet un dispositif imageur comprenant un détecteur générant des charges électriques sous l'effet d'un rayonnement photonique incident, les charges électriques entraînant une variation d'un potentiel de détection sur un noeud d'intégration, et un circuit de conversion analogique-numérique tel que décrit précédemment. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de 20 diminuer la dimension du compteur tout en conservant une précision dans le même ordre de grandeur que la quantité de bruit auquel est soumis le flux de photons, quelle que soit la quantité de photons reçue. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 25 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma électrique d'un pixel dans un premier exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention ; - la figure 2 représente le schéma électrique d'un pixel dans un 30 deuxième exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention. La figure 1 représente le schéma électrique d'un pixel 10 dans un premier exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention. Le dispositif imageur peut comporter une pluralité de pixels organisés en ligne 35 ou en matrice. Chaque pixel forme un point photosensible du dispositif 2 9833 71 6 imageur. Le pixel 10 comprend un élément photosensible 11 et un circuit de conversion analogique-numérique 12. L'élément photosensible 11 forme un détecteur du pixel. Il est par exemple formé par une photodiode, par un phototransistor ou, plus généralement, par tout dispositif générant des 5 charges électriques dépendant, par exemple de façon proportionnelle, de la quantité de photons qu'il reçoit. Les photons considérés ont par exemple une longueur d'onde dans le domaine visible, de l'infrarouge, des rayons X ou des rayons gamma. Le circuit de conversion analogique-numérique 12 est de type dit "à injection de charges". Il comprend un condensateur d'intégration 10 121, un comparateur 122, un compteur 123, un circuit d'injection de contre-charges 124 et des moyens de commande 125. Le condensateur d'intégration 121 est relié par l'une de ses électrodes à l'élément photosensible 11 et par son autre électrode à un potentiel de référence, par exemple la masse électrique du dispositif imageur. Le point de connexion 15 entre l'élément photosensible 11 et le condensateur d'intégration 121 est appelé noeud d'intégration A et le potentiel en ce point est appelé potentiel d'intégration Va. Ce noeud est également connecté à une première entrée du comparateur 122, une deuxième entrée étant connectée à un potentiel de référence, appelé potentiel de seuil Vseuil. Le comparateur 122 délivre sur une sortie un signal noté Scomp prenant, par exemple, soit une première valeur, soit une deuxième valeur en fonction du résultat de la comparaison entre le potentiel d'intégration Va et le potentiel de seuil Vseuil. Le signal Scomp est par exemple une tension. La sortie du comparateur 122 est connectée, d'une part, à une entrée du compteur 123 et, d'autre part, à une entrée du circuit d'injection 124. Le compteur 123 comprend par exemple 12 bascules représentant chacune un bit du compteur 123. Il peut bien entendu comporter un plus grand nombre de bascules en fonction de la valeur maximale à coder. Par ailleurs, le compteur peut être réalisé par tout autre dispositif apte à coder une valeur entière positive. Le circuit d'injection de contre-charges 124 comprend 6 injecteurs de contre-charges 1240 à 1245, et un commutateur 126. Le commutateur 126 est par exemple formé de six interrupteurs commandés 1260 à 1265. Plus généralement, le circuit d'injection 124 peut comporter K injecteurs de contre-charges, notés 124k, où K est un entier strictement positif, et le commutateur peut comporter autant d'interrupteurs commandés, notés 126k, que d'injecteurs de contre- charges 124k. Chaque injecteur 124k est connecté à la sortie du comparateur 122 et peut délivrer des contre-charges en quantité 2k.00. Ainsi, l'injecteur 1240 peut injecter une quantité 00 de contre-charges, l'injecteur 1241 peut injecter une quantité 2.00, et ainsi de suite. Chaque interrupteur commandé 126k est connecté entre une sortie de l'un des injecteurs 124k et le noeud d'intégration A. Les moyens de commande 125 permettent de commander les interrupteurs commandés 126k en fonction de la valeur stockée dans le compteur 123. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le circuit de conversion analogique-numérique 12 comprend un condensateur d'intégration 121. Cependant, l'élément photosensible 11 peut éventuellement présenter une capacité parasite suffisante pour remplir la fonction du condensateur d'intégration 121. Dans un tel cas, le circuit de conversion analogique-numérique 12 peut ne pas comporter de condensateur d'intégration. Le circuit de conversion analogique-numérique décrit en référence à la figure 1 fonctionne de la manière suivante. A la réception de photons, l'élément photosensible 11 génère des charges électriques, par exemple des électrons, qui viennent s'accumuler sur l'électrode du condensateur d'intégration 121 connectée au noeud d'intégration A. Il en résulte une diminution du potentiel d'intégration Va. Lorsque le potentiel Va devient inférieur au potentiel de seuil Vseuil, le signal de sortie Scomp bascule d'une première valeur, par exemple '0', à une deuxième valeur, par exemple '1'. Le signal Scomp est reçu par le compteur 123 et par le circuit d'injection 124. En particulier, le signal Scomp peut être reçu par chaque injecteur de contre-charges 124k. A chaque basculement de la première à la deuxième valeur, la valeur du compteur 123 est incrémentée d'une unité, et chaque injecteur de contre-charges 124k délivre une quantité calibrée de contre-charges. En fonction de l'état du commutateur 126, le noeud d'intégration A reçoit une quantité de contre-charges de l'un des injecteurs 124k. Cette quantité de contre-charges, notée Qc, augmente le potentiel d'intégration Va à une valeur supérieure au potentiel de seuil Vseuil. Le signal de sortie Scomp bascule alors de la deuxième à la première valeur. Le processus de numérisation décrit ci-dessus se répète un certain nombre de fois en fonction de la quantité totale de charges électriques générées par l'élément photosensible 11. L'état du commutateur 126, et donc la quantité Qc de contre-charges de chaque injection, dépend de la valeur du compteur 123. Préalablement à la réception de photons, la valeur du compteur 123 est initialisée à zéro. Le commutateur 126 est alors commandé pour fermer l'interrupteur commandé 1260, les autres interrupteurs commandés 12611265 étant ouverts. Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité et l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à 00. La quantité Qc reste égale à 00 jusqu'à ce que la valeur du compteur 123 atteigne une première valeur seuil prédéterminée. Cette première valeur seuil correspond par exemple au premier basculement du sixième bit (Bit5 sur la figure 1) du compteur 123, c'est-à-dire à la valeur 32. Lorsque la valeur du compteur atteint la première valeur seuil, les moyens de commande 125 commandent le commutateur 126 de manière à fermer l'interrupteur commandé 1261, les autres interrupteurs commandés 1260 et 1262-1265 étant ouverts. Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche toujours l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité, mais l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à 2.00. La quantité Qc reste égale à 2.00 jusqu'à ce que la valeur du compteur 123 atteigne une deuxième valeur seuil prédéterminée. Cette deuxième valeur seuil correspond par exemple au premier basculement du huitième bit (Bit7 sur la figure 1) du compteur 123, c'est-à-dire à la valeur 128. Lorsque la valeur du compteur atteint la deuxième valeur seuil, les moyens de commande 125 commandent le commutateur 126 de manière à fermer l'interrupteur commandé 1262, les autres interrupteurs commandés 1260, 1261 et 1263-1265 étant ouverts. Ainsi, chaque basculement du signal de sortie Scomp déclenche l'incrémentation de la valeur du compteur 123 d'une unité, et l'injection d'une quantité Qc de contre-charges égale à 4.00. De manière analogue, la quantité Qc augmente par paliers lorsque la valeur du compteur 123 atteint les valeurs seuils 256, 512 et 1024, c'est-à-dire lorsque les neuvième, dixième et onzième bits, respectivement, basculent pour la première fois. 2 9833 71 9 Il est à noter que la quantité Qc correspond en fait au pas de numérisation (ou pas de quantification) de la quantité totale Qt de contre-charges injectée sur le noeud d'intégration A, cette quantité totale Qt étant, par exemple, proportionnelle à la dose de photons reçue par l'élément 5 photosensible 11 depuis le début de la réception de photons. La précision de numérisation évolue donc par paliers avec la valeur du compteur 123. Dans la mesure où la valeur du compteur 123 est toujours incrémentée d'une unité, quelle que soit la quantité Qc de contre-charges injectée, la relation entre la valeur du compteur 123 et la quantité totale Qt 10 n'est pas linéaire. Cependant, cette relation est fixe pour un ensemble donné de valeurs seuils auxquelles la quantité Qc augmente. Ces valeurs seuils correspondent aux valeurs du compteur 123 déclenchant une modification de la quantité Qc de contre-charges injectée. 15 La quantité totale Qt peut donc être directement déterminée à partir de la valeur du compteur 123. En particulier, une table de correspondance peut être utilisée pour déterminer la quantité totale Qt à partir de la valeur du compteur 123. Le tableau suivant présente un extrait d'une telle table de correspondance pour un pixel d'un exemple de dispositif 20 imageur sensible aux rayons X. Une première colonne indique la valeur du compteur 123. Une deuxième colonne indique la quantité Qc correspondante pour chaque injection à partir de cette valeur. Une troisième colonne indique la quantité totale Qt de contre-charges injectée sur le noeud d'intégration A jusqu'au dernier basculement du signal Scomp. Enfin, une quatrième 25 colonne indique la quantité de bruit auquel est soumis le flux de photons X. 2 9833 71 10 Compteur Oc Qt Bruit X 1 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 4 13 1 13 1 15 1 15 16 1 16 25 1 25 31 1 31 32 2 33 46 2 61 2,7 63 2 95 64 2 97 65 2 99 127 2 223 128 4 227 129 4 231 255 4 735 256 8 743 315 8 1215 12 511 8 2783 512 16 2799 513 16 2815 1023 16 10975 1024 32 11007 1060 32 12159 38 1250 32 18239 46 2047 32 43743 72 Ce tableau montre notamment que la quantité de bruit est bien dans le même ordre de grandeur que le pas de numérisation (Qc) de la quantité totale Qt. Par ailleurs, il montre que la quantité totale Qt pouvant 5 être déterminée par le circuit de conversion analogique-numérique selon l'invention avec un compteur sur 12 bits est égale à 43743, soit une valeur largement supérieure à la valeur pouvant être stockée dans un compteur sur 12 bits, à savoir 2047. Pour un circuit de conversion analogique-numérique selon l'état de la technique, une quantité totale Qt égale à 43743 nécessite 10 un compteur sur 16 bits. L'invention permet bien de diminuer la taille du compteur, et donc le nombre de données numériques à transférer ainsi que le nombre de connexions entre le compteur 123 et d'autres éléments du dispositif imageur. La diminution du nombre de connexions peut être utilisée soit pour diminuer la taille des pixels du dispositif imageur, soit pour 2 9833 71 11 augmenter la surface de chaque élément photosensible. Le fait d'utiliser un dispositif selon l'invention permet de conserver une dynamique de mesure élevée tout en réduisant l'activité électrique du circuit, et donc la consommation d'énergie. 5 La figure 2 représente le schéma électrique d'un pixel 20 dans un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif imageur selon l'invention. Le pixel 20 diffère du pixel 10 représenté sur la figure 1 par le circuit d'injection de contre-charges. Dans le circuit d'injection 224 du pixel 20, tous les 10 injecteurs 224k sont aptes à délivrer une même quantité QO de contre-charges électriques. En outre, chaque interrupteur commandé 126k du commutateur 126 est connecté entre la sortie du comparateur 122 et l'un des injecteurs 224k. Les interrupteurs commandés 126k sont toujours commandés par les moyens de commande 125 en fonction de la valeur du 15 compteur 123. Dans cet exemple de réalisation, un injecteur 224k ne délivre des contre-charges que si l'interrupteur commandé 126k auquel il est connecté est commandé à l'état passant. Par ailleurs, afin d'augmenter la quantité Qc de contre-charges injectée sur le noeud d'intégration A, les moyens de commande 125 commandent progressivement un plus grand 20 nombre d'interrupteurs commandés 126k à l'état passant. Selon une forme particulière de réalisation, le nombre d'interrupteurs commandés 126k commandés à l'état passant augmente selon une progression en puissance de deux. La quantité Qc est alors doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint l'une des valeurs seuils. 25 Dans les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 et 2, la quantité Qc de contre-charges de chaque injection augmente lorsque certains bits du compteur 123 basculent pour la première fois. Cependant, le compteur peut être réalisé par d'autres moyens que des bascules et la 30 quantité Qc peut augmenter à des valeurs seuils quelconques. De même, il est considéré que la quantité Qc est doublée à chaque fois que la valeur du compteur atteint l'une des valeurs seuils. Cependant, la quantité Qc peut évoluer différemment. Elle peut notamment être déterminée de manière à suivre sensiblement la quantité de bruit associée à la quantité totale Qt de contre-charges injectée.