DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine de l'invention est celui des capteurs d'image à base de silicium, aussi bien des capteurs matriciels, que des capteurs linéaires, dont on cherche à améliorer la dynamique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

La dynamique d'un capteur s'exprime en décibels (dB) et est définie par le rapport du plus grand signal, correspondant à un fort éclairement, sur le niveau de bruit plancher du capteur qui fixe le plus bas signal, correspondant à un faible éclairement, observable en sortie. Ce niveau de bruit plancher dépend de la technologie du capteur et des caractéristiques de la chaîne électronique de lecture des pixels. On entend généralement par capteur à grande dynamique de scène des capteurs dont la dynamique est supérieure à 80 dB.

La dynamique du capteur dépend de caractéristiques propres au pixel et à sa structure, en particulier sa capacité à convertir des photons en électrons, c'est le rendement quantique, et sa capacité à convertir les électrons collectés en tension, c'est le gain de conversion charges/tension, et de caractéristiques propres au circuit de lecture en aval du pixel : gain du circuit de lecture et excursion de tension admissible par le convertisseur analogique/numérique du circuit de lecture. Cette dynamique est aussi contrainte par des facteurs technologiques : dans la zone photosensible où sont réalisés les pixels, c'est notamment le facteur de remplissage du pixel, c'est-à-dire le rapport de la zone photosensible du pixel sur la surface complète du pixel ; dans la zone périphérique autour de la zone photosensible, c'est la surface de silicium disponible pour les circuits de lecture. La vitesse de conversion et la consommation de puissance doivent également être pris en compte.

Lorsque l'on cherche à réaliser des capteurs offrant une grande dynamique de scène, de 80, 84, 90 dB ou plus, il est nécessaire d'avoir une structure de pixel permettant de stocker une grande quantité de charges pendant la durée d'intégration du capteur, faute de quoi on risque de saturer la chaîne de mesure au niveau du pixel fortement éclairé. Mais alors, il faut que le gain de la conversion de charges en tension soit relativement faible faute de quoi on va saturer les circuits de lecture et de conversion analogique-numérique. L'invention a pour but de fournir une solution pour ajuster le gain de conversion charge-tension du pixel de manière à obtenir un gain qui puisse s'adapter à l'éclairement reçu pour éviter la saturation en cas de fort éclairement et conserver un gain de conversion charge-tension suffisamment élevé en cas de faible éclairement.

Une structure de base d'un pixel de capteur à pixels actifs à base de silicium comprend :

-un nœud de stockage capacitif qui mémorise les charges (les électrons) collectées par l'élément photosensible du pixel, qui peut être formé par la capacité intrinsèque de l'élément photosensible; ou, dans une structure de pixel actif à noeud de stockage intermédiaire (pixel à quatre transistors ou plus), par une capacité séparée, connectée à l'élément photosensible par un transistor de transfert de charges et;

-un transistor suiveur relié à ce nœud de stockage, qui fournit en sortie un niveau de tension représentatif de la quantité de charges sur le nœud de stockage.

La solution technique qui est à la base de l'invention, consiste principalement à modifier la capacité effective du nœud de stockage du pixel, grâce à une boucle de contre-réaction qui agit sur l'alimentation du transistor suiveur relié au nœud de stockage, d'une manière telle que la capacité apparente du nœud de stockage dépende du gain de la boucle. En modifiant le gain, on modifie la capacité du nœud de stockage et donc le facteur de conversion charge-tension qui est inversement proportionnel à la capacité du nœud de stockage.

Cette modification de capacité effective du nœud de stockage résulte principalement de ce que la capacité effective est la somme de la capacité propre du nœud de stockage, de capacités grille-source et grille- drain du transistor suiveur connecté au nœud de stockage, ces deux dernières capacités étant chacune ramenée par effet Miller en parallèle avec le nœud de stockage avec un coefficient de pondération respectif, qui, pour la capacité grille drain, dépend du gain du transistor suiveur et du gain de la boucle de contre-réaction.

Par conséquent, l'invention propose un capteur d'image comportant des pixels et des circuits de lecture, chaque pixel ayant au moins un élément photosensible, un nœud de stockage de charges engendrées par l'élément photosensible, un transistor suiveur dont la grille est reliée au nœud de stockage, dont la source est relié à un conducteur de colonne lui- même relié à un circuit de lecture, et dont le drain reçoit une tension d'alimentation, caractérisé en ce qu'il est prévu une boucle de contre-réaction cette boucle ayant une entrée reliée au conducteur de colonne et une sortie reliée au drain du transistor suiveur pour fournir la tension d'alimentation de ce dernier, et en ce qu'il est prévu des moyens pour modifier le comportement de la boucle de contre-réaction en fonction de l'éclairement reçu.

Le comportement de la boucle de contre-réaction peut être modifié par mise en service ou mise hors service de la boucle en fonction de l'éclairement reçu. Alternativement, il peut être modifié par modification du gain de boucle en fonction de l'éclairement reçu.

Dans les deux cas, l'éclairement reçu peut être l'éclairement global reçu par le capteur ou bien il peut être l'éclairement reçu par le pixel lui-même.

Si l'éclairement est l'éclairement global du capteur on peut prévoir une détection automatique de l'éclairement global et une action sur le comportement de la boucle en fonction de cette détection, ou bien on peut prévoir une action manuelle de l'utilisateur qui décide s'il veut se mettre en mode de fort éclairement ou en mode de faible éclairement et qui modifie en conséquence le gain ou la mise en service ou hors service de la boucle.

Si au contraire l'éclairement est l'éclairement reçu par le pixel lui- même indépendamment des autres pixels, le comportement de la boucle sera de préférence modifié en fonction de la tension présente sur le conducteur de colonne au moment de la lecture des charges du nœud de stockage, car cette tension représente l'éclairement reçu par le pixel : on adoptera par exemple un gain de boucle différent selon le niveau de tension présent sur la colonne. En particulier, le gain de boucle peut être positif ou négatif. S'il est négatif, il augmente la capacité effective du nœud de stockage et diminue en conséquence le facteur de conversion charge-tension. S'il est positif, il diminue la capacité effective du nœud de stockage et augmente significativement le facteur de conversion charge-tension. On peut donc prévoir de préférence que le gain de boucle est rendu positif ou négatif en fonction de l'éclairement reçu.

La boucle de contre-réaction est de préférence mise hors service pendant une phase de ré-initialisation du nœud de stockage avant un transfert de charges de l'élément photosensible vers le nœud de stockage.

De préférence, la boucle de contre-réaction comporte un premier amplificateur à gain négatif dont l'entrée est reliée au conducteur de colonne, un deuxième amplificateur à gain négatif dont l'entrée est reliée à la sortie du premier amplificateur, un comparateur ayant deux entrées reliées respectivement aux sorties des deux amplificateurs, et un moyen d'aiguillage commandé par le comparateur pour diriger vers le drain du transistor suiveur soit la sortie du premier amplificateur soit la sortie du deuxième amplificateur.

De préférence, le premier amplificateur comprend une première entrée reliée à une première tension de référence, une deuxième entrée reliée à une capacité d'entrée, une capacité de contre-réaction, et un commutateur pour court-circuiter la capacité de contre-réaction pendant une phase d'initialisation du nœud de stockage ; et le deuxième amplificateur comprend une première entrée reliée à une deuxième tension de référence, une deuxième entrée reliée à une capacité d'entrée, une capacité de contre- réaction, et un commutateur pour court-circuiter la capacité de contre- réaction pendant une phase d'initialisation du nœud de stockage.

La solution proposée n'affecte pas le facteur de remplissage du pixel, ce qui est un avantage supplémentaire.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont donnés dans la description détaillée suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, et en référence aux dessins annexé dans lesquels : -les figures 1 a et 1 b illustrent respectivement une structure de base d'un pixel de capteur CMOS, à quatre transistors et les signaux de séquencement associés permettant la lecture d'un tel pixel, selon l'état de l'art;

-la figure 2 illustre une boucle de contre-réaction entre le conducteur d'une colonne de pixels, et le drain du transistor suiveur de ces pixels selon l'invention;

-la figure 3 illustre un premier mode de réalisation d'une boucle de contre- réaction à un amplificateur de gain négatif selon l'invention; et

-la figure 4 est un chronogramme mettant en évidence l'effet de la boucle de contre-réaction pendant la phase de transfert des charges;

-la figure 5 illustre un deuxième mode de réalisation d'une boucle de contre- réaction selon l'invention à deux amplificateurs à gain négatif chacun et un comparateur, permettant de fixer le gain de boucle à une valeur positive ou une valeur négative en fonction de la tension fournie par le conducteur colonne pendant la lecture des charges stockées dans le nœud de stockage; -les figures 6 et 7 sont des chronogrammes des différents signaux en séquence de lecture d'un pixel avec une telle boucle de contre-réaction à deux amplificateurs, dans le cas d'une tension de colonne correspondant la première (figure 6) à un niveau bas d'éclairement du pixel, et la seconde (figure 7), à un niveau élevé d'éclairement du pixel.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

L'invention va être décrite dans un exemple d'application à une structure de pixels actifs de capteur CMOS à quatre transistors. Mais le champ d'application de l'invention s'applique plus largement aux différentes structures de pixel à nœud de stockage des charges couplé à un transistor suiveur : à des pixels de structure plus complexe, utilisant plus de transistors ; ou à des pixels de structure à trois transistors, dans laquelle c'est la capacité de l'élément photosensible qui constitue directement le nœud de stockage capacitif.

Les figures 1 a et 1 b illustrent la structure et le séquencement des signaux de lecture d'un pixel PIX à quatre transistors d'une matrice de capteur CMOS. La matrice est organisée en lignes et colonnes de pixels de structure identique. Chaque pixel PIX est relié à un conducteur colonne reliant tous les pixels d'une même colonne de pixels. Chaque conducteur colonne est relié à une source de courant CC, généralement commune à toutes les colonnes de la matrice, qui fournit le courant nécessaire pour la lecture d'un pixel de la colonne sélectionné en lecture ; et à un circuit de lecture ADC des pixels de la colonne, qui convertit en numérique le niveau de tension Vcol appliqué sur le conducteur colonne par le pixel PIX sélectionné en lecture. Ce niveau de tension Vcol est représentatif de l'éclairement reçu par le pixel.

Dans l'exemple, l'élément photosensible du pixel est une photodiode Dph. D'autres éléments photosensibles peuvent être utilisés, par exemple une capacité MOS.

Cette photodiode est reliée à un nœud de stockage capacitif NS, par un transistor T1 , pendant une phase TRA de transfert des charges collectées par la photodiode, vers la capacité Cs du nœud de stockage NS.

Un transistor suiveur T3 fournit sur sa source s, alimentée par un courant constant fourni par une source de courant CC, une tension de sortie qui est représentative de la quantité de charges transférées sur le nœud de stockage capacitif : sa grille g est reliée au nœud de stockage NS ; son drain d reçoit une tension d'alimentation V _RE FP suffisante à polariser le transistor T3 en mode suiveur (polarisation en mode saturé), lorsque le pixel est sélectionné en lecture, permettant la recopie de la tension du nœud de stockage, sur le conducteur colonne.

Un transistor de sélection T4 est connecté entre la source s du transistor suiveur T3 et un conducteur colonne COL qui relie les pixels d'une même colonne. Sa grille est reliée à un conducteur ligne Ll par lequel un signal de sélection du pixel (SEL) est appliqué. Lorsque le pixel est sélectionné en lecture, le transistor T3 fonctionne en suiveur et la tension Vcol sur le conducteur colonne s'établit à la tension de sortie du pixel.

Un transistor de réinitialisation T2 est prévu, pour réinitialiser le nœud de stockage NS. Dans l'exemple il est connecté entre la tension d'alimentation V _RE FP et le nœud de stockage NS, portant ce nœud à la tension V _RE FP■

Lorsque le pixel est sélectionné en lecture (signal SEL actif), la phase d'initialisation du nœud de stockage NS est conduite par le signal RSNS, pendant laquelle la tension au nœud s'établit et se stabilise au niveau de réinitialisation V _RE FP ; et une phase de transfert des charges collectées par l'élément photosensible Dph, vers le nœud de stockage NS, est conduite par le signal TRA, pendant laquelle la tension au nœud de stockage va s'établir à un niveau utile représentatif de la quantité de charges stockées par le nœud NS, et fonction du facteur de conversion charge-tension du pixel. Pendant ce temps la tension Vcol sur la colonne COL, qui est la recopie de la tension au noeud de stockage, à la tension de seuil du transistor suiveur près, s'établit donc à un niveau de réinitialisation puis un niveau utile correspondants.

La lecture du pixel par le circuit de lecture ADC consiste généralement en une première conversion analogique numérique de la tension Vcol, conduite entre la phase d'initialisation (RS _N s) et la phase de transfert (TRA), pour obtenir une première valeur numérique représentative du niveau de réinitialisation, en une deuxième conversion de la tension Vcol, conduite après la phase de transfert, pour obtenir une deuxième valeur numérique représentative du niveau utile, puis une soustraction entre les deux valeurs numériques obtenues. On obtient un résultat numérique qui est une mesure représentative de l'éclairement reçu par le pixel et débarrassé du bruit corrélé, associé au nœud de stockage capacitif.

La structure de pixel et la séquence de lecture correspondante étant rappelée, nous allons maintenant expliquer comment, par l'invention, on peut agir sur le facteur de conversion charges/tension au nœud de stockage capacitif du pixel pour améliorer la dynamique exploitable du pixel.

Le facteur de conversion charge/tension du pixel qui s'exprime en volts par électrons, définit, pour le pixel, le niveau de tension que l'on va obtenir en entrée du circuit de lecture ADC, pour un électron collecté par l'élément photosensible du pixel.

La figure 2 détaille les éléments ou paramètres du pixel qui entrent dans la définition du facteur de conversion : la capacité C _N s du nœud de stockage NS du pixel, et le gain et les capacités intrinsèques du transistor suiveur. Le gain du transistor suiveur, noté G _f , est proche de 1 , généralement de l'ordre de 0,8 ou 0,9. Les capacités intrinsèques du transistor suiveur sont la capacité C _gs , entre grille et source du transistor T3 ; et la capacité C _gd entre grille et drain du transistor suiveur T3. Ce transistor suiveur a un gain propre.

La capacité totale vue du nœud de stockage NS comprend donc la contribution des capacités C _N s et C _gd , et celle de la capacité C _gSi mais celle-ci dans une proportion réduite par effet Miller à (1 -G _f )C _gs .

Le facteur de conversion charges tension s'écrit alors pour cette structure de pixel comme suit :

CVF = x G _f

CNS + (.1 ^_ ) X Cg _S + Cg _d Où q est la charge d'un électron.

Cette définition vaut pour une structure de pixel à nœud de stockage capacitif connecté à un transistor suiveur polarisé par une tension de référence V _RE FP fixée, fournie par une alimentation électrique à tous les pixels du capteur, selon l'état de l'art (figure 1 a).

Dans l'invention, et comme illustré sur la figure 2, la tension V _RE FP est fournie pendant la lecture du pixel par une boucle de contre-réaction 1 00 ayant un gain de boucle GL insérée entre le conducteur colonne et le drain du transistor suiveur des pixels de la colonne.

Plus précisément, la boucle de contre-réaction 1 00 a son entrée

101 reliée au conducteur colonne COL. Sa sortie 102 est reliée à un conducteur d'alimentation qui alimente le drain du transistor suiveur T3 de chacun des pixels de la colonne COL.

En pratique on aura ainsi une boucle de contre-réaction par colonne.

La tension de drain appliquée pendant la lecture d'un pixel de la colonne, dépend alors de la tension Vcol fournie par le conducteur colonne pendant la lecture de ce pixel. De cette façon, vu du nœud de stockage NS, la contribution de la capacité grille-drain C _g d du transistor au facteur de conversion CVF devient également proportionnée, par un effet Miller apporté par la boucle de contre-réaction selon l'invention. Et cette proportion dépend du gain du transistor suiveur et du gain de la boucle. Plus précisément, le facteur de conversion charge-tension s'écrit alors, pour cette structure de pixel à boucle de contre réaction à gain G _L , comme suit :

C _NS + (1 - Gf) x C _gs + (1 - G _L G _f ) x C _gd ^f

La boucle de contre-réaction 100 permet donc d'utiliser la capacité grille drain du transistor suiveur pour modifier la valeur du facteur de conversion charges/tension. Avec un gain Gi_ de boucle négatif, on augmente la contribution de cette capacité grille-drain à la capacité effective du nœud de stockage. Par suite le facteur CVF de conversion charge-tension est diminué. La dynamique du capteur vers les forts niveaux d'éclairement est améliorée. Inversement avec un gain de boucle positif, on rend la contribution de cette capacité grille-drain plus "négative", ce qui permet d'augmenter le facteur CVF, ce qui est favorable aux faibles niveaux d'éclairement.

La boucle de contre-réaction 100 permet donc d'améliorer la dynamique exploitable d'un pixel, pour une structure de pixel et une chaîne électronique de lecture données. Elle peut être mise en œuvre en pratique pour améliorer la dynamique pour les forts niveaux d'éclairement et/ou les faibles niveaux d'éclairement.

Différents exemples de réalisation pratique permettant de mieux comprendre l'invention et ses applications vont maintenant être décrits en référence aux figures 3 et 4. Pour faciliter la compréhension, les éléments communs aux différentes figures portent les mêmes références.

Un premier exemple de réalisation d'une boucle de contre- réaction, à gain de boucle GL prédéterminé, négatif, est illustré sur la figure 3. Y sont représentés deux pixels consécutifs PIX,, et ΡΙΧ, ₊ ι d'une même colonne COL de pixels. Ces deux pixels sont reliés au conducteur colonne COL par leur transistor de sélection respectif commandé pour le pixel PIXi par un signal de sélection SEL, d'une ligne de rang i de la matrice, et pour le pixel ΡΙΧ, ₊ ι par un signal de sélection SEL _i+ i de la ligne suivante, de rang i+1 . Les signaux de sélection sont séquencés de manière à ce qu'un seul pixel de la colonne à la fois soit sélectionné en lecture. Lorsqu'un pixel de la colonne est sélectionné en lecture, le transistor T3 du pixel a sa source reliée à la source de courant CC et fonctionne en suiveur.

La boucle de contre-réaction 100 à gain G _L est formée par un amplificateur AMP1 à gain G1 négatif. On a ici G _L =G1 . L'amplificateur a une entrée e1 reliée au conducteur colonne COL. L'autre entrée e2 reçoit une tension de référence V _REF . Cette tension de référence V _RE F est commune à tous les pixels de la matrice. La sortie de l'amplificateur forme la sortie 102 de la boucle. Elle est reliée au conducteur d'alimentation de drain des transistors suiveurs T3 de tous les pixels de la colonne.

De préférence, l'entrée e1 est reliée au conducteur colonne COL par une capacité d'entrée C1 1 et une capacité de contre-réaction C12 est connectée entre cette entrée et la sortie de l'amplificateur. Un interrupteur commandé par un signal d'initialisation RSAMPI est placé en parallèle sur cette capacité C12. L'interrupteur commandé par le signal RSAMPI et les deux capacités permettent de réaliser une initialisation de l'amplificateur suivant un montage en mode suiveur, permettant la recopie, en sortie, de la tension de référence d'entrée (la sortie S1 de l'amplificateur bouge jusqu'à annuler la différence de tension entre les deux entrées e1 et e2). On impose ainsi le niveau de tension de référence V _RE F sur la sortie S1 de l'amplificateur. En pratique cette initialisation de l'amplificateur de boucle est réalisée dans la phase de ré-initialisation du nœud de stockage : la tension V _RE F sert à la réinitialisation du nœud de stockage NS, et on retrouve un niveau correspondant de tension Vcol sur le conducteur colonne COL. Dans cette phase, la boucle de contre-réaction est hors service : sans effet de gain. Les variations du niveau de tension de la colonne ne jouent aucun rôle sur le niveau de tension appliqué au drain du transistor suiveur ; ce dernier est constant et égal à Vref. Après ré-initialisation du nœud de stockage NS et de l'amplificateur AMP1 , le signal RSAMPI est relâché mettant la boucle de contre-réaction en service : tout écart de tension entre la tension de colonne Vcol et la tension de référence V _REF est alors amplifié par l'amplificateur AMP1 dont le gain négatif est G1 = -C1 1 /C12.

Cet effet de contre-réaction est illustré sur la figure 4, qui montre l'évolution de la tension V _REF P appliquée sur le drain du pixel par la boucle de contre réaction. Il se produit pendant et après la phase de transfert des charges (électrons) vers le nœud de stockage (TRA). Dans cette phase (TRA), les charges de la photodiode transférées vers le nœud de stockage NS, font évoluer (baisser) la tension de ce nœud, et donc la tension Vcol sur la colonne, suivant le facteur de conversion charge-tension.

Le gain G _L de boucle étant dans l'exemple négatif, il fait baisser le facteur de conversion charge-tension au nœud de stockage du pixel : le niveau de tension au nœud de stockage, et donc le niveau de la tension Vcol sur la colonne, baisse moins vite et atteint à la fin du transfert un niveau qui est plus élevé que celui qui aurait été obtenu pour la même quantité de charges transférées, sans la boucle de contre-réaction. L'évolution de la tension Vcol avec et sans la boucle est respectivement représentée par la courbe en trait plein et en traits pointillés sur la figure 4. Cette configuration est favorable aux forts niveaux d'éclairement, permettant d'éviter la saturation de la chaîne électronique de lecture. Une action spécifique peut être exécutée pour mettre la boucle de réaction hors service pendant la phase de lecture des charges du nœud de stockage si l'éclairement global du capteur est plus faible, par exemple en court-circuitant la capacité C12 même en dehors des phases de réinitialisation. Cette action peut être décidée par l'utilisateur ou en fonction d'une détection automatique d'éclairement global du capteur. Une action décidée par l'utilisateur ou par une détection automatique peut alternativement être prévue pour modifier le gain de l'amplificateur ; ceci peut se faire par exemple en sélectionnant une autre capacité C1 1 ou C12, de valeur différente, en fonction de l'éclairement.

Sur le même principe, on réalise une boucle de contre-réaction, à gain de boucle G _L prédéterminé, positif, en utilisant deux amplificateurs ayant chacun une structure comparable à la structure de l'amplificateur de la figure 3, connectés l'un à la suite de l'autre, en série. Le gain G _L de boucle positif, fait augmenter le facteur de conversion charge-tension au nœud de stockage du pixel : pour une même quantité de charges transférées, le niveau de tension au nœud de stockage baisse plus vite et atteint à la fin du transfert un niveau qui est plus bas que celui qui aurait été obtenu pour la même quantité de charges transférées, sans la boucle de contre-réaction. Cette configuration est favorable aux faibles niveaux d'éclairement. Une action spécifique peut être exécutée pour mettre la boucle de réaction hors service pendant la phase de lecture des charges du nœud de stockage si l'éclairement global du capteur est plus fort, par exemple en court-circuitant la capacité C12 même en dehors des phases de réinitialisation. Cette action peut être décidée par l'utilisateur ou en fonction d'une détection automatique d'éclairement global du capteur. Une action décidée par l'utilisateur ou par une détection automatique peut alternativement être prévue pour modifier le gain de l'un des amplificateurs ; ceci peut se faire par exemple en sélectionnant d'autres valeurs de capacités associées à chacun des amplificateurs, en fonction de l'éclairement.

Cette mise hors service ou en service ou cette modification de gain est par exemple obtenue par un moyen de configuration externe du capteur (programmation, bouton de commande ...), ou alternativement à partir d'une mesure de la luminosité moyenne de la scène, obtenue dans le capteur.

On peut également prévoir que la boucle de contre-réaction peut être mise en service avec un gain de boucle positif ou un gain de boucle G négatif, en fonction de l'éclairement. Cette sélection de gain positif ou négatif peut être obtenue par un moyen de configuration externe du capteur (programmation, bouton de commande, sélecteur...) ou à partir d'une mesure de luminosité moyenne de la scène, faite par le capteur.

Un tel capteur permet alors à un utilisateur de mettre la boucle de contre-réaction en service, avec le gain qui convient le mieux à l'éclairement de la scène qu'il souhaite capturer : négatif si l'éclairement est fort ; positif s'il est au contraire faible. La figure 5 illustre une mise en œuvre perfectionnée d'une boucle de contre-réaction selon l'invention, par laquelle le gain de boucle G _L s'établit à une valeur qui est fonction du niveau de tension fourni par le conducteur colonne pendant la phase de transfert des charges stockées dans le nœud de stockage. En d'autres termes, le gain de boucle G _L est asservi à l'éclairement reçu par le pixel. On améliore ainsi la dynamique exploitable du pixel vers les deux extrêmes.

Dans la mise en œuvre de la figure 5 on prévoit que la modification du comportement de la boucle de réaction consiste en une sélection entre un gain de boucle positif et un gain de boucle négatif, mais l'asservissement en fonction de la tension de colonne pourrait aussi consister en une sélection entre deux gains positifs ou deux gains négatifs de valeurs différentes, ou encore une sélection entre une mise en service ou une mise hors service de la boucle.

Sur la figure 5, la boucle de contre-réaction 100 comprend deux amplificateurs à gain négatif en série, de même structure :

-un premier amplificateur AMP1 à gain négatif G1 , avec sur une entrée e1 , une capacité d'entrée C1 1 , une capacité de contre-réaction C12 et un interrupteur commandé par un signal d'initialisation RS _A MPI , et recevant sur une entrée e2, une première tension de référence V _RE FI ; le gain négatif est G1 = - C1 1 /C12.

-un deuxième amplificateur AMP2 à gain négatif G2, avec sur une entrée e'1 , une capacité d'entrée C21 , une capacité de contre-réaction C22 et un interrupteur commandé par un signal d'initialisation RS _A MP2, et recevant sur une entrée e'2, une deuxième tension de référence V _RE F2 ; son gain est G2 = -C21 /C22.

Le conducteur colonne COL est relié en entrée e1 du premier amplificateur par sa capacité d'entrée C1 1 ; la sortie S1 du premier amplificateur est relié en entrée du deuxième amplificateur par sa capacité d'entrée C21 . Les sorties S1 et S2 des amplificateurs sont appliquées en entrées d'un comparateur COMP, dont la sortie commande un circuit d'aiguillage SW de l'une ou l'autre sortie S1 ou S2 sur la sortie 102 de la boucle de contre-réaction. Suivant l'aiguillage commandé pour le pixel sélectionné en lecture, on retrouve donc la tension de sortie S1 ou S2 comme tension V _RE FP de drain du transistor suiveur T3 du pixel. En réalité cette tension est appliquée au drain des transistors suiveurs de tous les pixels de la colonne, le pixel sélectionné en lecture et les pixels non sélectionnés en lecture.

Il y a donc un gain de boucle différent selon que le comparateur bascule dans un sens ou dans un autre : gain négatif G1 ou gain positif G1 xG2. Ce basculement dépend du niveau de tension sur le conducteur de colonne puisque l'état du comparateur dépend de ce niveau ; le comparateur aiguille le signal S1 vers le drain des transistors suiveurs pour les forts éclairements et le gain de boucle est G1 négatif ; le facteur de conversion charge-tension est alors faible. Au contraire, il aiguille le signal S2 vers le drain des transistors suiveurs pour les faibles éclairements et le gain de boucle est G1 G2 ; le facteur de conversion charge-tension est alors fort. Il n'y a pas de gain de boucle pendant la phase de réinitialisation du pixel, une tension Vref2 étant imposée sur le drain du transistor suiveur.

La tension de référence V _RE F2 de l'amplificateur AMP2 est choisie supérieure à la tension V _RE FI de l'amplificateur AMP1 . Dans un exemple, REF2 est établi à 3,3 volts et la tension V _RE FI à 3 volts. Le comparateur COMP est configuré pour imposer la tension V _RE F2 en sortie 102 de la boucle de contre-réaction, via les moyens d'aiguillage SW, lors de la phase d'initialisation du nœud de stockage.

Les sorties S1 et S2 évoluent ensuite de façon inverse l'une de l'autre, en fonction de la tension de colonne Vcol reçue en entrée, cette tension diminuant lors du transfert de charges de la photodiode vers le nœud de stockage :

S2 part de V _RE F2 et baisse suivant une pente fonction du produit des gains G1 et G2 ;

S1 part de V _REF i<V _REF 2 et augmente suivant une pente fonction du gain G1 .

La sortie S2 s'impose lors de la phase d'initialisation et continue de s'appliquer pour des faibles niveaux d'éclairement. La sortie S1 s'impose si la tension Vcol atteint une tension de seuil telle que les sorties S1 et S2 se croisent, pour une valeur V _B. Cette valeur V _B de basculement du comparateur, est fixée par les tensions de références et les gains respectifs des amplificateurs AMP1 et AMP2. Elle est en pratique égale à (V _REF 2- V _REF i)/(G1 +G1 xG2).

Ces tensions de référence et les gains G1 , G2 sont aussi choisis pour que la sortie de boucle 102 fournisse une tension de drain V _REF P assurant que le transistor suiveur T3 soit toujours polarisé à saturation ( mode suiveur).

En pratique, on choisit G1 et G2 tel que produit G _f xG1 soit proche de -1 ; et que G _f xG1 _x G2 soit supérieur à 1 et de préférence inférieur à 3. Il est idéalement de l'ordre de 2 à 2,5. Le gain G _f de transistor suiveur est généralement de l'ordre de 0,8 ou 0,9 avec les technologies de transistors MOS habituellement utilisées. Le déroulement de la lecture du pixel avec une telle boucle avec un gain de boucle modifié en fonction de l'éclairement est maintenant expliqué en référence aux chronogrammes des figures 6 et 7. La figure 6 illustre le cas de la lecture d'un pixel ayant collecté un faible nombre de charges correspondant à un faible niveau d'éclairement ; et la figure 7, la lecture d'un pixel ayant collecté un nombre élevé de charges correspondant à un niveau élevé d'éclairement.

Comme on peut le voir sur ces chronogrammes, c'est pendant et après le transfert des charges dans le nœud collectif de stockage que la boucle de contre-réaction agit.

Auparavant, on a en premier lieu la phase de ré-initialisation du nœud de stockage NS du pixel conduite par le signal RS _N s- Lors de cette phase, les deux amplificateurs AMP1 et AMP2 sont chacun initialisés comme décrits précédemment en référence à la figure 3, en sorte que l'on retrouve la tension de référence V _RE FI en sortie S1 et la tension de référence REF2 en sortie S2. En pratique et comme illustré, la durée respective des signaux d'initialisation RS _N s, RSAMP-I , RSAMP2 est définie pour obtenir la stabilisation de la tension au nœud de stockage, puis celle de la sortie S1 , puis celle de la sortie S2. Comme expliqué précédemment, pendant cette phase c'est la sortie S2 qui est commutée sur la sortie 102 de boucle : le niveau de ré-initialisation du nœud de stockage s'établit donc à la tension VREF2- La tension Vcol qui en est la recopie sur le conducteur colonne s'établit sensiblement à ce même niveau (à la tension de seuil V _th du transistor suiveur près).

On notera qu'une tension de réinitialisation Vref2 pourrait être appliquée au nœud de stockage pendant la phase de réinitialisation sans passer par les amplificateurs. On notera également que le transistor de réinitialisation T2 pourrait être monté en diode sans commande de sa grille par un signal de réinitialisation, la réinitialisation se faisant du fait de l'application de la tension Vref2 sur le drain de ce transistor monté en diode.

Ensuite, pendant la phase de transfert des charges dans le nœud de stockage, conduite par le signal TRA, les charges (négatives) font baisser la tension sur le nœud de stockage et donc la tension Vcol. Comme le gain de boucle est positif, la tension de sortie S2, et donc la tension de drain VREFP, diminue plus vite que la tension sur le nœud de stockage NS et donc que la tension Vcol sur le conducteur colonne ; le facteur de conversion est augmenté.

Pour les faibles niveaux d'éclairement, une faible quantité d'électrons est transférée : même avec un facteur de conversion augmenté, la tension Vcol n'atteint pas le seuil V _B de basculement du comparateur COMP : la tension S2 s'impose comme tension de drain V _RE FP pendant toute la phase de transfert. A la fin de cette phase de transfert, la tension Vcol se stabilise à un niveau significativement plus bas que celui auquel il se serait stabilisé pour une même quantité de charges transférées, sans la boucle de contre-réaction. C'est ce qui est représenté sur la figure 6 : sur le chronogramme représentant l'évolution de la tension Vcol pendant la lecture du pixel, la courbe en pointillé représente ce qu'aurait été le niveau de tension Vcol sans la boucle de contre-réaction selon l'invention, tandis que la courbe en trait plein montre l'évolution du niveau de tension Vcol avec la boucle.

Les sorties S1 et S2 ne se croisent pas, car la quantité de charges transférées est faible : aucune n'atteint le seuil de basculement V _B du comparateur : pendant toute la séquence de lecture du pixel, la tension V _RE FP reste fixée par la sortie S2 du comparateur et évolue comme elle.

La figure 7 illustre ce qui se passe au contraire, quand la quantité de charges collectées est élevée : comme expliqué en relation avec les figures 3 et 4, la tension de colonne va baisser moins vite que si il n'y avait pas contre-réaction, mais comme la quantité de charges transférées est élevée, les sorties S1 et S2 vont ici se croiser et faire basculer le comparateur : la tension V _RE FP qui était fixée d'abord par la sortie S2, au début de la phase de transfert, suit ensuite la sortie S1 , et remonte. Le facteur de conversion est diminué, empêchant la tension Vcol d'atteindre un niveau de tension trop élevé.

On a vu qu'en pratique, la lecture du pixel comprend généralement deux conversions analogique-numérique suivi d'une soustraction des deux valeurs numériques obtenues. La première conversion étant celle du niveau d'initialisation, avant la phase de transfert de charges : il n'y a pas de gain de boucle : la tension Vcol correspond à la tension de référence V _RE F2. La deuxième conversion étant celle du niveau utile, après transfert de charges, le gain de boucle varie en fonction de l'éclairement : la tension Vcol obtenue va dépendre du facteur de conversion réel au nœud de stockage, à la fin de la phase de transfert et donc fonction de G1 et G2, ou bien de G1 seul.

On prévoit donc dans le circuit de lecture des moyens pour rendre homogène les deux conversions. Notamment on prévoira de transmettre un signal issu du comparateur vers le circuit de lecture. Dans ce qui vient d'être décrit, on a considéré que le capteur fonctionne avec un basculement automatique entre deux valeurs du facteur de conversion charge-tension, l'un pour les éclairements les plus forts, l'autre pour les éclairements les plus faibles, ce basculement résultant de l'utilisation de deux gains de boucle différents. On pourrait alternativement prévoir un automatisme de basculement entre trois valeurs de facteur de conversion ou plus, résultant de l'utilisation de trois gains différents ou plus.