专利名称：新结构相关双采样保持电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于红外焦平面阵列探测器的双采样保持电路，具体涉及一种新结构相关双采样保持电路。
背景技术：
噪声是所有图像传感器共同面对的问题。其中固定模式噪声(FPN)和KTC开关噪声是CMOS图像传感器的主要缺点。因为像元的读出信号经过了一系列的CMOS电路时，器件参数的非均匀性将会引起很大的固定模式噪声；同时，电路中的控制脉冲信号也将会带来KTC开关噪声。为了减小噪声的影响，提高CMOS图像传感器的信噪比(S/N)，通常采用相关双采样技术(CDS)。
常规的相关双采样保持电路(如美国专利，专利号US6,373,050B1，2002年4月16日)是一种很好的用于消除固定模式噪声的技术。它通过在像元读出过程中采取两次采样积分电容上的电压信号(V＝Q/C)来实现。一次是在积分开始之前，像元被复位时，采到的电压信号是Vr＝Qr/C。另一次是在像元信号积分结束之前进行的，采到的电压信号是Vs＝Qs/C。这样两次采样的电压信号保持在采保电容上，通过后续电路进行差分，得到最后的输出电压信号，Vout＝Vs-Vr＝(Qs-Qr)/C。因为固定模式噪声和KTC开关噪声对两次采样的信号(Vs和Vr)都是相同的，所以经过相关双采样电路之后，输出信号Vout中基本上消除了这两种噪声。但该电路结构复杂，需要相同的两路采样保持电路，然后对这两路的输出进行差分，来实现相关双采样。每路中都有一个采样控制MOS管，一个采保电容，一个缓冲输出级(如源随器)。而且在这之后，还要有一个公共的差分放大器来实现差分输出，复杂的电路结构必将降低输出波形的噪声特性，增加芯片的面积和功耗。这对于大面积探测阵列是很不利的。
现有技术还有文献2，Chih-Cheng Hsieh，Chung-Yu Wu，“A NewCryogenic CMOS Readout Circuits for Infrared Focal Plane Array，”IEEE J.Solid-State Circuits，vol.32，pp.1192-1199，Aug.1997.和文献3，Chih-Cheng Hsieh，Chung-Yu Wu，Tai-Ping Sun，Far-Wen Jih，andYa-Tung Cherng，“High-Performance CMOS Buffered Gate ModulationInput(BGMI)Readout Circuits for IRFPA，”IEEE J.Solid-StateCircuits，vol.33，pp.1188-1198，Aug.1998。与常规的相关双采样电路相比，文献2中所采用的电路结构具有明显改进。它通过一个串联的电容来实现相关双采样功能。它的主要优点是电路结构简单，所以芯片面积和功耗都较小；输出信号的噪声小。但它也有缺点(1)帧时间是读出时间和积分时间的和，这样帧频就比较低，尤其是在小积分电流和长积分时间的情况下；(2)受行选(或列选)控制，选中的一行中的所有像元不能同时开始积分；(3)输出波形是离散的，不是箱形波。于是，数模转换的脉冲宽度必须是列选(或行选)信号宽度的一半，这将增加模数转换的难度。与文献2中的电路相比，文献3中所采用的相关双采样电路又有明显改进。它通过奇/偶选择控制开关和增加的一行公用积分单元来实现信号的串行输出，虽然提高了帧频，消除了文献2中电路的第一个缺点，但代价是增加了电路的功耗和芯片的面积，而且文献2中的后两个缺点仍然存在。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型设计一种新结构的相关双采样保持电路，其目的是实现以下功能(1)实现结构简单、功耗小的相关双采样电路，并改善电路的噪声特性；(2)电路的输出波形为箱形波，以便于数模转换；(3)提高帧频，使读出过程发生在下一行像元的积分期间内。
本实用新型的目的是这样实现的新结构相关双采样保持电路，其特征在于含有源随管Msf1、开关管MLp、采样选通管Msh和直流复位管Mdc，其中源随管Msf1的源极通过开关管MLp接电源，且通过采样保持电容Ccds接到缓冲输出级输入端，漏极通过采样选通管Msh接地，栅极接积分电容；而且源随管Msf1的源极和衬底接在一起，以减小晶体管的体效应；直流复位管Mdc的漏极和源极分别接缓冲输出级的输入端和地；开关管MLp采样选通管Msh和直流复位管Mdc的栅极均接同一控制脉冲Vcdsh。所述源随管Msf1、开关管MLp为PMOS管，采样选通管Msh和直流复位管Mdc为NMOS管。
本实用新型采用了一种新结构动态源随器方案(由源随管Msf1、开关管MLp、采样选通管Msh和采样保持电容Ccds组成)。称之为动态源随器是因为该源随器只工作在动态，即相关双采样和保持脉冲Vcdsh的电平从低变为高的时段，如图4所示的T0到T1时段。稳态时，串联的开关管MLp和采样选通管Msh不能同时导通，所以没有电流流经动态源随器，动态源随器不工作，从而大大地降低了芯片的功耗。受采样保持脉冲的控制，通过串联的采样保持电容Ccds经动态源随器的放电回路(由源随管Msf1和采样选通管Msh组成)放电来实现相关双采样功能。
新结构的相关双采样保持电路具有如下优点1、结构简单，只由一个电容和四个MOS管组成；
2、驱动脉冲简单，一个脉冲Vcdsh就能实现相关双采样和保持功能；3、受行选(或列选)控制，选中的一行中的所有像元能同时开始积分；4、信号的读出过程位于下一行像元的积分时间之内，这样帧时间只由积分时间组成，与读出时间无关，所以与文献2的相关双采样保持结构相比，对于相同的积分时间，该结构的帧频率提高了一倍；5、数模转换很方便，因为输出波形是箱形波，数模转换的脉冲宽度可与列选(或行选)信号宽度相同，为文献2、文献3中的数模转换脉冲宽度的一倍；6、由于结构简单，相关双采样和保持功能只需一个脉冲，且稳态时，动态源随器中没有直流通路，所以电路的功耗很小，电路的输出噪声特性也提高了许多。
本实用新型是一种新结构相关双采样保持电路，可用于各种光电，光伏，光导探测器的积分信号的输出处理。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。
图1是具有新结构的相关双采样保持电路的大面积探测阵列的方框图。
图2是图1的一具体电路结构图。
图3是图2电路的控制脉冲信号的时序图。
图4是相关双采样保持脉冲Vcdsh的波形示意图。
电路中所有的高电平均为5V，低电平均为0V。
具体实施方式
如图1所示，新结构的相关双采样保持电路包括A-相关双采样保持电路前端的积分电路；B-新结构相关双采样保持电路；C-公共的缓冲输出级。
如图2所示，新结构相关双采样和保持电路由以下两部分组成1、动态源随器由源随管Msf1，开关管MpL，采样选通管Msh和串联的采样保持电容Ccds组成；2、直流复位管Mdc。其中源随管Msf1的源极通过开关管MLp接电源，且通过采样保持电容Ccds接到列选缓冲输出级的输入端，漏极通过采样选通管Msh接地，栅极接到积分电容上。而且源随管Msf1的源极和衬底接在一起，以减小晶体管的体效应。直流复位管Mdc的漏极和源极分别接列选缓冲输出级的输入端和地；开关管MLp采样选通管Msh和直流复位管Mdc的栅极都受同一个相关双采样和保持脉冲Vcdsh控制。所述源随管Msf1、开关管MLp为PMOS管，采样选通管Msh和直流复位管Mdc为NMOS管。
从图2可知，开关管MLp的源极接电源，漏极串联源随管Msf1并经采样保持电容Ccds接列选缓冲输出级的输入端，栅极接控制脉冲Vcdsh；源随管Msf1的源极、衬底和开关管MLp的漏极结在一起，漏极与采样选通管Msh的漏极连接，栅极接在积分电容上；采样选通管Msh的漏极连接源随管Msf1的漏极，源极接地，栅极接控制脉冲Vcdsh；直流复位管Mdc的漏极接采样保持电容Ccds和列选缓冲输出级的输入端，源极接地，栅极接控制脉冲Vcdsh。
工作原理本实用新型采用了一种新的源随器方案，把由三个MOS管(源随管Msf1、开关管MLp和采样选通管Msh)和保持电容Ccds所组成的新结构源随器称为动态源随器。因为串联的两个MOS管(MLp和Msh)受同一脉冲Vcdsh控制，不能同时导通，所以该结构源随器在稳态时没有直流通路，所以不能叫作普通的源随器。该源随器只工作在动态，即相关双采样和保持脉冲Vcdsh的电平从低变为高的时段，如图4所示的T0到T1时段。在T0时刻之前，Vcdsh为低电平，开关管MLp导通，节点N1连接到高电平Vdd；在t0时刻之后，Vcdsh从低电平变为高电平，开关管MLp截止，采样选通管Msh导通；源随管Msf1受积分电压控制，于是，节点N1将通过放电回路(由导通的采样选通管Msh和源随管Msf1组成)放电。在T1时刻，放电过程结束，节点N1处的电压(即源随管Msf1源级的电压)受源随管Msf1的栅电压控制而稳定下来，所以称它为动态源随器。
由于动态源随器电路结构简单，在稳态时没有直流通路，而且，用来实现相关双采样保持的脉冲信号只有一个，时序简单，所以电路的功耗很小。动态源随器管Msf1的源级和衬底接在一起，以减小MOS管的体效应，提高源随器的精度。Mdc是用来保持节点N2采样电压，并在下一次相关双采样时，受相关双采样和保持脉冲Vcdsh控制，复位到地，开始实现下一次的相关双采样和保持功能。MLp用来在采样结束后把节点N1的电压保持在Vdd，以配合Mcdsh实现保持功能，并为下一次的相关双采样和保持功能作准备。源随管Msf2是列选(或行选)输出级的源随管。
图3中，Vcseli，(i＝1，2，…，N)，是列选输出选通信号；Vrst是复位信号；Vcdsh是相关双采样和保持信号；Vrseli，(i＝1，2，…，N)是行选信号。
如图4是相关双采样和保持信号Vcdsh的波形示意图，T0是Vcdsh从低电平开始变为高电平的时刻；T1是电容Ccds通过动态源随器的放电回路放电结束的时刻；T2是Vcdsh从高电平开始变为低电平的时刻，T3是Vcdsh变为低电平的时刻。
本实用新型相关双采样功能的实现具体描述如下在积分结束的的时候，即T0时刻之前，Vcdsh是低电平，MLp是导通的，那么节点N1处的电压为高电平Vdd，用方程表示为VN1(T0)＝Vdd。(1)
T0时刻之后，Vcdsh从低电平上升为高电平，MLp很快被断开，Msh和Mdc导通，节点N2被复位到地。节点N1上的电压VN1(T0)将通过由Msf1和Msh组成的直流回路放电。这时，Msh是导通的，Msf1受积分电压控制，就可以把这个源随器结构称为动态源随器。
于是在T1时刻，节点N1和N2上的电压可表示为VN1(T1)＝Vint+VT，Msf1VN2(T1)＝0(2)方程中，VT，Msf1是Msf1的开启电压，Vint是积分电压信号。
在T1和T2时刻之间，Vcdsh保持为高电平，动态源随器处于截止状态。所以节点N1和N2上的电压能被保持住。所以在T2时刻，节点N1和N2上的电压为VN1(T2)＝VN1(T1)＝Vint+VT，Msf1VN2(T2)＝0(3)接着，在T2时刻之后，Vcdsh变为低电平，MLp很快导通，节点N1的电压立刻变为Vdd。由于电容两端的电压差不能突变，所以节点N1上的采样电压信号VN1(T2)传到节点N2上。因此，在T3时刻，VN1(T3)＝VddVN2(T3)＝Vdd-VN1(T2)＝Vdd-VN1(T1)＝Vdd-Vint-VT，Msf1(4)在信号的读出过程中(即T3时刻之后)，采样保持电压Vcdsh保持为低电平，Mdc是断开的，因此节点N2上的电压VN2(T3)能被保持很长一段时间，足够完成读出过程。这样相关双采样和保持功能就实现了。在方程(4)中，只有Vint一项是随着信号电流的大小而改变的，其余的两项是常量。所以采样保持电压电压VN2(T3)与积分电压(或者说信号电流)成线性关系。
到此为止，第一行的行选就结束了，紧接着，开始第二行的选通，在第二行的选通期间，列选信号Vcseli，(i＝1，2，…，N)逐个变为低电平，把第一行N个像元的相关双采样保持信号VN2(T3)选通输出到公共的输出级上去。
权利要求1.新结构相关双采样保持电路，其特征在于含有源随管(Msf1)、开关管(MLp)、采样选通管(Msh)和直流复位管(Mdc)，各MOS晶体管分别有源极、漏极和栅极；源随管(Msf1)的源极经开关管(MLp)接电源，且经采样保持电容(Ccds)接缓冲输出级的输入端，漏极经采样选通管(Msh)接地，栅极接积分电容；源随管Msf1的源级和衬底接在一起；直流复位管(Mdc)的漏极和源极分接缓冲输出级的输入端和地；开关管(MLp)、采样选通管(Msh)和直流复位管(Mdc)的栅极均接同一控制脉冲Vcdsh。
2.根据权利要求1所述的相关双采样保持电路，其特征在于所述源随管(Msf1)、开关管(MLp)为PMOS管，采样选通管(Msh)和直流复位管(Mdc)为NMOS管。
专利摘要新结构相关双采样保持电路，包含有源随管M
文档编号H04N5/33GK2586314SQ0224546
公开日2003年11月12日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者袁祥辉, 张智, 黄友恕, 吕果林 申请人:重庆大学