專利名稱：帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路的制作方法
技術領域：
帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路技術領域[0001]本實用新型涉及一種讀出電路，特別涉及一種帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路。
背景技術：
[0002]紅外成像系統由光學鏡頭、探測器陣列、讀出電路以及數字成像算法組成。讀出電路的作用是將紅外探測器產生的微弱光電流信號進行放大、去噪和模擬信號數字化轉換。隨著現代紅外技術的發展，讀出電路的性能已成為紅外成像系統質量的決定性因素。由于半導體工藝技術的不斷進步，紅外焦平面陣列逐漸增大，對讀出電路的尺寸及功耗也有了更高的要求。而單元讀出電路中，單元積分器由于直接與探測器相連，起到對光電流預放大及提高驅動能力的作用，因此其性能直接決定了整個讀出電路系統的質量。[0003]單元讀出電路通常采用電荷積分的形式，收集探測器光生電荷并將其轉換為電壓信號讀出。單元積分器的性能要求主要有:單元積分器電路面積受像素單元面積限制，這就意味著積分器電路結構通常不能太復雜，所使用的器件數量不宜過多；單元積分器噪聲要小于探測器噪聲；單元積分器工作溫度與探測器工作溫度相同，并具有很好的阻抗匹配性；單元積分器應具有良好的線性度與響應度；單元積分器功耗應盡量的低，以避免電路過大的散熱影響探測器工作溫度，導致探測器性能下降。[0004]常用的紅外焦平面陣列單元讀出電路主要包括:直接探測器積分(DDI)結構、直接注入結構(DI)、緩沖直接注入(BDI)結構、柵調制輸入(GMI)結構、電容跨導放大器(CTIA)結構等。其中，CTIA結構由于具有注入效率高、線性度好等優點，成為很多應用環境下理想的單元讀出電路結構。但受到讀出電路單元面積所限，CTIA結構中放大器通常采用簡單的共源放大器或五管差分放大器的結構，其電壓增益通常很低，無法滿足對線性度要求很高的讀出系統的應用需求。同時，由于CTIA結構在積分電容復位的過程中，受半導體工藝偏差的影響，會產生固定模式噪聲(FPN)，因此通常需要的在單元讀出電路的后級連接一級相關雙采樣(OTS)電路，以便消除FPN，這樣整個電路的面積、功耗以及復雜度都會提聞。[0005]因此，提供一種結構簡單，性能可靠，操作簡便的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，是該領域技術人員需著手解決的問題之一。實用新型內容[0006]本實用新型的目的在于克服上述的不足之處，提供一種結構簡單、設計合理、性能可靠、適用性強的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路。[0007]為實現上述目的本實用新型所采用的技術方案是:一種帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于該電路由一個高增益共源共柵放大器，一組積分電容，一個采樣電容，一個采樣開關，一個列選開關，一組帶有相關雙采樣功能的積分開關和一對鏡像電流源連接組成；[0008]其中，一組積分電容跨接在共源共柵放大器輸入、輸出兩端，完成將微弱光電流轉換為積分電壓信號的功能；由電容Cintl、Cint2和模式選通開關Smod構成的積分電容組受模式選通開關Smod控制，實現不同電荷存儲能力的調控；[0009]通過一組反相時鐘分別控制積分開關Sint與Sintd，實現失調電壓消除的相關雙采樣與增大積分電壓輸出范圍的功能；[0010]一對鏡像電流源由晶體管M5和電流源IBIAS構成；[0011]采樣開關Ssh與采樣電容Csh串接方式結合，配合列選開關Ssel實現電荷轉移型的列讀出結構。[0012]本實用新型的有益效果是:該電路設有的高增益共源共柵放大器可有效提高光電探測器的注入效率。[0013]獨特的積分開關時序具有相關雙采樣功能，有益于簡化電路結構，節省芯片面積與功耗。基于電荷轉移的積分電壓采樣形式可以有效降低列總線寄生電容的影響。[0014]本實用新型結構簡單、設計合理、性能可靠、適用性強；應用于紅外成像系統，有效保障紅外成像系統穩定的工作，應用效果非常顯著。
[0015]圖1是傳統CTIA單元電路原理圖；[0016]圖2是本實用新型CTIA單元電路原理圖。
具體實施方式
[0017]
以下結合附圖和較佳的實施例，對依據本實用新型提供的具體實施方式
、結構、特征詳述如下:[0018]首先分析一下傳統的CTIA單元電路，如圖1所示，傳統CTIA結構其包括一個運算放大器0ΡΑΜΡ、一個在反饋環路上的積分電容Cint、一個與積分電容并聯的復位晶體管開關Ml和單元選通開關M2。在復位階段，復位開關Ml閉合，相當于積分電容兩端短接，對積分電容放電，同時由于運算放大器的虛短特性，放大器輸出電壓復位到Vbias。當積分開始后，恒定的探測器光電流對積分電容積分，放大器輸出電壓變為:[0019]其中，I為探測器光電流，t是積分時間，Cint為積分電容值，A是放大器開環增益。從式中可以看出，CTIA的注入效率為:[。。21] “0 (2)[0022]因此，只要放大器開環增益A足夠大，就可以保證非常高的注入效率，但CTIA結構的一個很大的問題就是由于放大器失調電壓Voff的存在，就使得積分器輸出電壓的起始電壓從Vbias變為了 Vbias+Voff，由于像素陣列中Voff的不一致性，最終會導致FPN，因此在CTIA電路后通常要增加一級⑶S電路，以消除FPN。[0023]本實用新型提出的CTIA單元電路結構，如圖2所示，一種帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，該電路由一個高增益共源共柵放大器(由晶體管M1、M2、M3和M4構成，VBIASPI和VBIASP2分別為M2和M3管提供固定偏置電壓)，一組積分電容(由電容Cintl、Cint2和模式選通開關Smod構成)，一個采樣電容(Csh),—個采樣開關(Ssh),一個列選開關(Ssel)，一組帶有相關雙采樣功能的積分開關(開關組Sint和Sintd)和一對鏡像電流源(由晶體管M5和電流源IBIAS構成)組成。[0024]其中，主放大器采用的共源共柵放大器由兩個PMOS管和兩個NMOS管串聯而成，實現增益提聞功能。[0025]一組積分電容跨接在放大器輸入輸出兩端，完成將微弱光電流轉換為積分電壓信號的功能。積分電容組受模式選通開關Smod控制，(如圖2所示)實現不同電荷存儲能力的調控。[0026]通過一組反相時鐘分別控制積分開關Sint與Sintd，實現失調電壓消除的相關雙采樣與增大積分電壓輸出范圍的功能；即通過開關組Sint和Sintd的交替選通(如圖2所示)，完成相關雙采樣并增大積分電壓輸出范圍。[0027]采樣開關Ssh與采樣電容Csh串接方式結合，(如圖2所示)配合列選開關Ssel實現電荷轉移型的列讀出結構，可以有效降低列總線寄生電容對積分電壓讀出的影響。[0028]本實用新型采用了一種帶有內部CDS功能的CTIA結構，無需額外的CDS電路就可以消除由于放大器失調引起的FPN。同時，為了減小電路面積，在放大器的設計上也沒有采用傳統的差分放大器結構，而是使用了一個高增益的共源共柵放大器結構，并且為了降低噪聲，放大器輸入管使用了低噪聲的PMOS管。[0029]電路中Smod開關為兩種不同電荷存儲能力模式的選通開關，通過開啟或關閉Smod，實現不同電荷存儲能力的切換以適應不同的應用需求。與傳統的CTIA電路相比，本實用新型提出的結構中增加了兩組積分控制開關。其工作原理為:在復位階段，Sint開關閉合，Sintd開關斷開，此時并不是簡單的將積分電容兩端的短接并分別跨接在放大器的輸入輸出端上，而是將積分電容的下極板連接在一個固定參考電平VREF2上；當積分階段開始，Sint開關斷開，Sintd開關閉合，恒定的探測器光電流對積分電容積分，放大器輸出電壓變為:[0030]
權利要求1.一種帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于該電路由一個高增益共源共柵放大器，一組積分電容，一個米樣電容，一個米樣開關，一個列選開關，一組帶有相關雙采樣功能的積分開關和一對鏡像電流源連接組成； 其中，一組積分電容跨接在共源共柵放大器輸入、輸出兩端；由電容Cintl、Cint2和模式選通開關Smod構成的積分電容組受模式選通開關Smod控制； 通過一組反相時鐘分別控制積分開關Sint與Sintd，實現失調電壓消除的相關雙采樣與增大積分電壓輸出范圍的功能； 一對鏡像電流源由晶體管M5和電流源IBIAS構成； 采樣開關Ssh與采樣電容Csh串接方式結合，配合列選開關Ssel實現電荷轉移型的列讀出結構。
2.根據權利要求1所述的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于所述共源共柵放大器由兩個PMOS管和兩個NMOS管串聯而成。
3.根據權利要求1所述的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于通過開關組Sint和Sintd的交替選通，完成相關雙采樣并增大積分電壓輸出范圍。
4.根據權利要求1所述的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于所述采樣開關與采樣電容的連接方式為有利于實現電荷轉移型的列讀出方式。
5.根據權利要求1所述的帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，其特征在于通過Smod開關控制實現不同電荷存儲能力的選擇。
專利摘要本實用新型涉及一種帶有相關雙采樣功能的高增益光電探測器單元讀出電路，該電路包括一個高增益共源共柵放大器，一組積分電容由電容Cint1、Cint2和模式選通開關Smod構成，一個采樣電容Csh，一個采樣開關Ssh，一個列選開關Ssel，一組帶有相關雙采樣功能的積分開關由開關組Sint和Sintd構成，以及一對由晶體管M5和電流源IBIAS構成鏡像電流源。其中由晶體管M1、M2、M3和M4構成的高增益共源共柵放大器，VBIASP1和VBIASP2分別為M2和M3提供固定偏置電壓，可有效提高光電探測器的注入效率。獨特的積分開關時序具有相關雙采樣功能，有益于簡化電路結構，節省芯片面積與功耗。基于電荷轉移的積分電壓采樣形式可以有效降低列總線寄生電容的影響。該電路有效保障紅外成像系統穩定的工作。
文檔編號H04N5/378GK202979124SQ201220661189
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者檀柏梅, 牛新環, 高振斌, 潘國峰 申請人:河北工業大學