专利名称：带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路的制作方法
技术领域：
带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路技术领域[0001]本实用新型涉及一种读出电路，特别涉及一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路。
背景技术：
[0002]红外成像系统由光学镜头、探测器阵列、读出电路以及数字成像算法组成。读出电路的作用是将红外探测器产生的微弱光电流信号进行放大、去噪和模拟信号数字化转换。随着现代红外技术的发展，读出电路的性能已成为红外成像系统质量的决定性因素。由于半导体工艺技术的不断进步，红外焦平面阵列逐渐增大，对读出电路的尺寸及功耗也有了更高的要求。而单元读出电路中，单元积分器由于直接与探测器相连，起到对光电流预放大及提高驱动能力的作用，因此其性能直接决定了整个读出电路系统的质量。[0003]单元读出电路通常采用电荷积分的形式，收集探测器光生电荷并将其转换为电压信号读出。单元积分器的性能要求主要有:单元积分器电路面积受像素单元面积限制，这就意味着积分器电路结构通常不能太复杂，所使用的器件数量不宜过多；单元积分器噪声要小于探测器噪声；单元积分器工作温度与探测器工作温度相同，并具有很好的阻抗匹配性；单元积分器应具有良好的线性度与响应度；单元积分器功耗应尽量的低，以避免电路过大的散热影响探测器工作温度，导致探测器性能下降。[0004]常用的红外焦平面阵列单元读出电路主要包括:直接探测器积分(DDI)结构、直接注入结构(DI)、缓冲直接注入(BDI)结构、栅调制输入(GMI)结构、电容跨导放大器(CTIA)结构等。其中，CTIA结构由于具有注入效率高、线性度好等优点，成为很多应用环境下理想的单元读出电路结构。但受到读出电路单元面积所限，CTIA结构中放大器通常采用简单的共源放大器或五管差分放大器的结构，其电压增益通常很低，无法满足对线性度要求很高的读出系统的应用需求。同时，由于CTIA结构在积分电容复位的过程中，受半导体工艺偏差的影响，会产生固定模式噪声(FPN)，因此通常需要的在单元读出电路的后级连接一级相关双采样(OTS)电路，以便消除FPN，这样整个电路的面积、功耗以及复杂度都会提闻。[0005]因此，提供一种结构简单，性能可靠，操作简便的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，是该领域技术人员需着手解决的问题之一。实用新型内容[0006]本实用新型的目的在于克服上述的不足之处，提供一种结构简单、设计合理、性能可靠、适用性强的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路。[0007]为实现上述目的本实用新型所采用的技术方案是:一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于该电路由一个高增益共源共栅放大器，一组积分电容，一个采样电容，一个采样开关，一个列选开关，一组带有相关双采样功能的积分开关和一对镜像电流源连接组成；[0008]其中，一组积分电容跨接在共源共栅放大器输入、输出两端，完成将微弱光电流转换为积分电压信号的功能；由电容Cintl、Cint2和模式选通开关Smod构成的积分电容组受模式选通开关Smod控制，实现不同电荷存储能力的调控；[0009]通过一组反相时钟分别控制积分开关Sint与Sintd，实现失调电压消除的相关双采样与增大积分电压输出范围的功能；[0010]一对镜像电流源由晶体管M5和电流源IBIAS构成；[0011]采样开关Ssh与采样电容Csh串接方式结合，配合列选开关Ssel实现电荷转移型的列读出结构。[0012]本实用新型的有益效果是:该电路设有的高增益共源共栅放大器可有效提高光电探测器的注入效率。[0013]独特的积分开关时序具有相关双采样功能，有益于简化电路结构，节省芯片面积与功耗。基于电荷转移的积分电压采样形式可以有效降低列总线寄生电容的影响。[0014]本实用新型结构简单、设计合理、性能可靠、适用性强；应用于红外成像系统，有效保障红外成像系统稳定的工作，应用效果非常显著。
[0015]图1是传统CTIA单元电路原理图；[0016]图2是本实用新型CTIA单元电路原理图。
具体实施方式
[0017]
以下结合附图和较佳的实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式
、结构、特征详述如下:[0018]首先分析一下传统的CTIA单元电路，如图1所示，传统CTIA结构其包括一个运算放大器0ΡΑΜΡ、一个在反馈环路上的积分电容Cint、一个与积分电容并联的复位晶体管开关Ml和单元选通开关M2。在复位阶段，复位开关Ml闭合，相当于积分电容两端短接，对积分电容放电，同时由于运算放大器的虚短特性，放大器输出电压复位到Vbias。当积分开始后，恒定的探测器光电流对积分电容积分，放大器输出电压变为:[0019]其中，I为探测器光电流，t是积分时间，Cint为积分电容值，A是放大器开环增益。从式中可以看出，CTIA的注入效率为:[。。21] “0 (2)[0022]因此，只要放大器开环增益A足够大，就可以保证非常高的注入效率，但CTIA结构的一个很大的问题就是由于放大器失调电压Voff的存在，就使得积分器输出电压的起始电压从Vbias变为了 Vbias+Voff，由于像素阵列中Voff的不一致性，最终会导致FPN，因此在CTIA电路后通常要增加一级⑶S电路，以消除FPN。[0023]本实用新型提出的CTIA单元电路结构，如图2所示，一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，该电路由一个高增益共源共栅放大器(由晶体管M1、M2、M3和M4构成，VBIASPI和VBIASP2分别为M2和M3管提供固定偏置电压)，一组积分电容(由电容Cintl、Cint2和模式选通开关Smod构成)，一个采样电容(Csh),—个采样开关(Ssh),一个列选开关(Ssel)，一组带有相关双采样功能的积分开关(开关组Sint和Sintd)和一对镜像电流源(由晶体管M5和电流源IBIAS构成)组成。[0024]其中，主放大器采用的共源共栅放大器由两个PMOS管和两个NMOS管串联而成，实现增益提闻功能。[0025]一组积分电容跨接在放大器输入输出两端，完成将微弱光电流转换为积分电压信号的功能。积分电容组受模式选通开关Smod控制，(如图2所示)实现不同电荷存储能力的调控。[0026]通过一组反相时钟分别控制积分开关Sint与Sintd，实现失调电压消除的相关双采样与增大积分电压输出范围的功能；即通过开关组Sint和Sintd的交替选通(如图2所示)，完成相关双采样并增大积分电压输出范围。[0027]采样开关Ssh与采样电容Csh串接方式结合，(如图2所示)配合列选开关Ssel实现电荷转移型的列读出结构，可以有效降低列总线寄生电容对积分电压读出的影响。[0028]本实用新型采用了一种带有内部CDS功能的CTIA结构，无需额外的CDS电路就可以消除由于放大器失调引起的FPN。同时，为了减小电路面积，在放大器的设计上也没有采用传统的差分放大器结构，而是使用了一个高增益的共源共栅放大器结构，并且为了降低噪声，放大器输入管使用了低噪声的PMOS管。[0029]电路中Smod开关为两种不同电荷存储能力模式的选通开关，通过开启或关闭Smod，实现不同电荷存储能力的切换以适应不同的应用需求。与传统的CTIA电路相比，本实用新型提出的结构中增加了两组积分控制开关。其工作原理为:在复位阶段，Sint开关闭合，Sintd开关断开，此时并不是简单的将积分电容两端的短接并分别跨接在放大器的输入输出端上，而是将积分电容的下极板连接在一个固定参考电平VREF2上；当积分阶段开始，Sint开关断开，Sintd开关闭合，恒定的探测器光电流对积分电容积分，放大器输出电压变为:[0030]
权利要求1.一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于该电路由一个高增益共源共栅放大器，一组积分电容，一个米样电容，一个米样开关，一个列选开关，一组带有相关双采样功能的积分开关和一对镜像电流源连接组成； 其中，一组积分电容跨接在共源共栅放大器输入、输出两端；由电容Cintl、Cint2和模式选通开关Smod构成的积分电容组受模式选通开关Smod控制； 通过一组反相时钟分别控制积分开关Sint与Sintd，实现失调电压消除的相关双采样与增大积分电压输出范围的功能； 一对镜像电流源由晶体管M5和电流源IBIAS构成； 采样开关Ssh与采样电容Csh串接方式结合，配合列选开关Ssel实现电荷转移型的列读出结构。
2.根据权利要求1所述的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于所述共源共栅放大器由两个PMOS管和两个NMOS管串联而成。
3.根据权利要求1所述的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于通过开关组Sint和Sintd的交替选通，完成相关双采样并增大积分电压输出范围。
4.根据权利要求1所述的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于所述采样开关与采样电容的连接方式为有利于实现电荷转移型的列读出方式。
5.根据权利要求1所述的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于通过Smod开关控制实现不同电荷存储能力的选择。
专利摘要本实用新型涉及一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，该电路包括一个高增益共源共栅放大器，一组积分电容由电容Cint1、Cint2和模式选通开关Smod构成，一个采样电容Csh，一个采样开关Ssh，一个列选开关Ssel，一组带有相关双采样功能的积分开关由开关组Sint和Sintd构成，以及一对由晶体管M5和电流源IBIAS构成镜像电流源。其中由晶体管M1、M2、M3和M4构成的高增益共源共栅放大器，VBIASP1和VBIASP2分别为M2和M3提供固定偏置电压，可有效提高光电探测器的注入效率。独特的积分开关时序具有相关双采样功能，有益于简化电路结构，节省芯片面积与功耗。基于电荷转移的积分电压采样形式可以有效降低列总线寄生电容的影响。该电路有效保障红外成像系统稳定的工作。
文档编号H04N5/378GK202979124SQ201220661189
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者檀柏梅, 牛新环, 高振斌, 潘国峰 申请人:河北工业大学