一种高集成度多功能像素单元及其偏置电路的制作方法
【专利摘要】一种高集成度多功能像素单元及其偏置电路，像素单元包括红外探测器、注入管M1、多功能管M2、复位管M3、行选管M4和积分电容C1，注入管M1的栅极由偏置电路产生的积分控制信号INT控制，多功能管M2的栅极由偏置电路产生的控制信号VCON控制，通过对多功能管M2及其偏置电压的优化设计，实现了在不同的偏置条件下，通过对M2的复用能够分别实现测试电流的注入功能和抗饱和的功能，从而降低了像素单元的面积和整个芯片的面积和成本，在像素单元有限面积内，能够保证注入管M1以及探测器工作在较为理想的状态。
【专利说明】一种高集成度多功能像素单元及其偏置电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外焦平面读出电路的像素单元电路，特别涉及一种高集成度多功 能像素单元及其偏置电路，属于光电子技术及微电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 红外成像技术在军事、空间技术、医学以及国民经济相关领域正得到日益广泛的 应用。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。该组件 由红外探测器和红外焦平面读出电路（ROIC :readout integrated circuits)组成。
[0003] 读出电路工作时，像素阵列与探测器阵列一一对应，用于感应微弱的信号电流，并 把它转换成电压信号，输出到下一级。像素单元是读出电路的核心单元单路，其设计要求在 一定面积限制内选择适合不同探测器的最优电路结构并完成电路设计，读出电路中像素单 元电路的性能直接关系到整个焦平面成像的性能。像素单元电路中，探测器偏压的稳定对 于红外成像系统是非常重要的，当探测器注入电流过大，使得积分输出达到极限时（电源 电压或者地），如果积分还在继续，那么积分电容两极板的压差将继续增大，此时输出端电 压已无法变化，那么输入端的电压将会发生变化，也就是说此时探测器偏压将不再保持恒 定。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高集成度多功能像素单元及其 偏置电路，引入了抗饱和（Anti-bloom)功能，同时由于电路测试的需要，在像素单元中需 具有测试的功能，由于像素单元电路对于面积限制，就需要在尽量小的面积内实现尽量多 的功能。本发明设计的像素单元能在尽可能小的面积内实现了抗饱和并具有测试功能。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] -种高集成度多功能像素单元及其偏置电路，其特征在于：
[0007] 像素单元包括红外探测器、注入PM0S管Ml、多功能PM0S管M2、复位NM0S管M3、 行选NM0S管M4和积分电容C1，红外探测器的输出连接注入PM0S管Ml的源极，注入PM0S 管Ml的漏极与多功能PM0S管M2的源极、复位NM0S管M3的漏极、行选NM0S管M4的源极 以及积分电容C1的一端连接在一起，注入PM0S管Ml的栅极连接偏置电路产生的积分控制 信号INT，多功能PM0S管M2的漏极连接模拟信号VM，多功能PM0S管M2的栅极连接偏置电 路产生的控制信号VC0N，复位NM0S管M3的源极接地，复位NM0S管M3的栅极连接复位控制 信号VRST，积分电容C1的另一端接地，行选NM0S管M4的栅极连接行选控制信号LSEL，行 选NM0S管M4的漏极为积分信号的输出端，将积分的结果输出到后续的读出电路中；
[0008] 偏置电路包括 NM0S 管 M5、NM0S 管 M6、NM0S 管 M9、NM0S 管 Mil 及 PM0S 管 M7、PM0S 管皿8、？]\?)5管組0，电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5，电阻1?1的一端连接电源￥00，电阻1?1的另一端 连接NM0S管M5的漏极，NM0S管M5的栅极与NM0S管M6的栅极互连，NM0S管M5的源极和 衬底以及NM0S管M6的源极和衬底均接地，NM0S管M6的漏极连接电阻R5的一端和PM0S管 M7的栅极，电阻R5的另一端与电阻R4的一端、PMOS管M10的源极以及NMOS管Mil的漏极 连接在一起，电阻R4的另一端与PM0S管M7的漏极以及PM0S管M8的源极与NM0S管M9的 互连端连接在一起并作为积分控制信号INT的输出端连接像素单元中注入PM0S管Ml的栅 极，PM0S管M7的源极分别连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接外部调整 电压VDET_ADJ，电阻R3的另一端连接电源VDD和PM0S管M7的衬底，NM0S管M9的栅极连 接模拟信号VM，PM0S管M8的栅极连接模拟信号VM的反相信号VM_，PM0S管M10的栅极连 接模拟信号VM，NM0S管Mil的栅极连接模拟信号VM的反相信号VM_，PM0S管M8的漏极与 NM0S管M9的源极互连并与PM0S管M10的漏极与NM0S管Ml 1的源极互连端连接在一起，作 为控制信号VC0N的输出端连接像素单元中多功能PM0S管M2的栅极。
[0009] 本发明的优点及显著效果：
[0010] (1)本发明通过对多功能管M2及其偏置电压的优化设计，实现了在不同的偏置条 件下，M2能够分别实现测试电流的注入功能和抗饱和的功能，通过同一个M0S管M2的复用 实现多重功能从而降低了像素单元的面积和整个芯片的面积和成本。
[0011] (2)本发明在像素单元有限面积内，能够保证注入管以及探测器工作在较为理想 的状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的像素单元的电路图；
[0013] 图2为本发明像素单元的的偏置电路图。
【具体实施方式】
[0014] 参看图1，本发明像素单元电路包括注入管Ml、复位管M3、行选开关管M4、积分电 容C1和多功能管M2,其中注入管Ml和多功能管M2是PM0S管，复位管M3和行选开关管M4 是NM0S管。注入管Ml的栅极接积分控制信号INT，探测器的电流从注入管Ml源极输入， Ml漏极与多功能管M2的源极以及复位管M3的漏极相连；多功能管M2的栅极接控制信号 VC0N，漏极接模拟信号VM，源极与复位管M3的漏极相连；复位管M3的栅极接复位控制信号 VRST，源极接地，漏极接积分电容C1的上端；积分电容C1上端与复位管M3的漏极以及行选 开关管M4的源极相连，积分电容C1下端接地；行选开关管M4栅极接行选控制信号LSEL， 源极与电容C1的上端相连，漏极为输出端。
[0015] 注入管Ml在积分控制信号INT的控制下实现信号电流的输入，再由积分电容C1 对信号电流积分，进而通过后级输出。由于需要保证探测器偏压的稳定，所以要求Ml的漏 极电压在积分电容的积分过程中不能过高，因此需要本发明中的抗饱和设计以保证Ml的 漏极电压不超过某个定值。
[0016] 多功能管M2由于M0S管的结构特性，在不同的源漏电压情况下，可以实现源极和 漏极的互换，这一互换可通过不同的模拟信号VM实现。当VM为高电平时，通过设定VC0N 为合适的电压值，使得M2左端为源极，右端为漏极，实现电流的注入，对积分电容C1充电， 完成测试的功能；当VM为低电平时，通过设定VC0N为合适的电压值，使得M2左端为漏极， 右端为源极，当积分电容C1上电压达到一定值时，M2管开启，电流可以通过M2管从VM端 流出，以保证C1的电压不高于某一值，这一电压可以通过对VC0N的设定来调节。
[0017] 复位管M3在复位控制信号VRST的控制下实现对积分电容的复位操作。当VRST 为低电位时，M3管关闭，Cl可以进行对信号电流的积分操作；当VRST的为高电位时，M3管 开启，电容C1通过M3管放电，实现对电容C1的复位操作。
[0018] 积分电容C1用来实现对输入信号电流的积分采样，以供后级进行读出。其积分由 复位管M3控制，当M3管关断时C1进行积分，当M3开启时C1进行复位。
[0019] 行选开关管M4在行选控制信号LSEL的控制下开启或关断来实现积分信号的输 出。当LSEL为高电平时M4开启，积分信号输出；当LSEL为低电平时M4关断，无信号输出。
[0020] 参看图2,本发明中的偏置电路主要用以产生注入管Ml的积分控制信号INT和多 功能管M2的控制信号VC0N。包括偏置电压产生电路和偏置电压选择电路两部分。偏置电 压产生电路中基准电压产生部分产生基准电流，偏压产生与调节部分按一定比例镜像基准 电流，并通过VDET_ADJ调节产生电阻R4的两端电压VI、V2。偏置电压主要用以产生电阻 R4两端的电压，其中R4上端电压为INT信号，同时通过VM以及其反向信号￥11_控制两个 传输门来选择控制信号VC0N是R4的上端电压VI或是下端电压V2。选择INT为VI电压， VC0N在VM为高电位时选择VI电压、在VM为低电位时选择V2电压。
[0021] 基准电流产生部分1由电阻R1和PM0S管M5组成以产生基准电流，VDD为模拟高 电位，通过合理的参数设置已获得合适的基准电流。
[0022] 偏压产生与调节部分2由NM0S管M6、PM0S管M7以及电阻R2、R3、R4、R5组成。M6 管按一定比例镜像基准电流，通过M6的电流与流过R4、R5以及M7的电流基本相同。电阻 R3 -端接高电位VDD -端接PM0S管M7的源极。电阻R2 -端接PM0S管M7的源极，另一 端接VDET_ADJ，VDET_ADJ为外部的调整电压，通过改变这一电压可以调节电阻R4的两端电 压，由于这两个电压即为标号3部分的输出电压，所以可以调节VDET_ADJ电压实现对控制 电压的调节。由于管M6、管M7、电阻R4、R5构成的到地通路的电阻很大，在调节VDET_ADJ 时M7管的源端电压随之线性变化，通过合理设置M7管的参数使之工作在合适的工作区域， 可以实现M6管的漏端电压与M7管的源端电压基本固定，同时因为流过R4、R5电流恒定，所 以R4的两端电压与M7管的源端电压的差值也基本恒定，R4的两端电压跟随VDET_ADJ的 变化而近似线性变化。
[0023] 偏压选择与输出部分3为两个分别由PM0S管M8、NM0S管M9以及PM0S管M10、 NM0S管Mil组成的两个传输门电路。INT信号直接引用M7管漏端电压，也即R4上端电压 VI。传输门的开启关断由VM及其反向信号VM_控制，当VM为高电平时，M8、M9管组成的传 输门导通，控制信号VC0N为R4上端电压VI，像素单元中的多功能管工作在测试状态；当VM 为低电压时，MKKM11组成的传输门导通，控制信号VC0N为R4下端电压V2,多功能管工作 在抗饱和状态，由于此时INT和VC0N分别为R4电阻两端电压，因此两者电压差为电阻R4 上压降且近似为一恒定值，同时像素单元中PM0S管Ml的源漏电压差也将不低于这一值，从 而保证了探测器偏压的稳定。
[0024] 本发明的具体工作过程如下：
[0025] (1)探测器电流输入状态，此时VM为低电平。在积分周期中VRST为低电位，复位 管关断。通过VDET_ADJ调节，设置INT至合适的偏置电压，注入管Μ在INT信号的控制下 实现信号电流的输入，再由积分电容C1积分供后级输出。此时多功能管工作在抗饱和状 态，VC0N电压为电阻R4下端电压V2,由于VC0N电压与ΙΝΤ电压分别为电阻R4的两端电 压，INT电压高于VCON电压，压差即为R4上压降。当电容上积分电压升高使得注入管漏极 电压高于其源极电压的值小于该压差时，多功能管开启，信号电流将由多功能管流出，积分 电容不再积累电荷，其电压基本保持不变，从而实现抗饱和的功能。在复位周期中，VRST为 高电平，复位管开启，信号电流以及积分电容上电荷将由复位管流至地，从而实现对于积分 电容的复位。
[0026] (2)像素单元测试状态，此时VM为高电平。VC0N为电阻R4上端电压VI，通过调节 VDET_ADJ的电压可以调节VI电压至合适的值，此时多功能管工作在注入状态，电流通过多 功能管M2流至电容Cl，C1对电流积分，以供后级输出，完成对电路的测试。
[0027] 本发明不局限于上述实施方式，不论其具体实现方式作任何变化，凡使用一个多 功能管复用，并使用类似的对应偏压产生电路来实现抗饱和以及测试功能的设计均在本专 利保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种高集成度多功能像素单元及其偏置电路，其特征在于： 像素单元包括红外探测器、注入PMOS管Ml、多功能PMOS管M2、复位NMOS管M3、行选 NMOS管M4和积分电容C1，红外探测器的输出连接注入PMOS管Ml的源极，注入PMOS管Ml 的漏极与多功能PMOS管M2的源极、复位NMOS管M3的漏极、行选NMOS管M4的源极以及积 分电容C1的一端连接在一起，注入PMOS管Ml的栅极连接偏置电路产生的积分控制信号 INT，多功能PMOS管M2的漏极连接模拟信号VM，多功能PMOS管M2的栅极连接偏置电路产 生的控制信号VC0N，复位NMOS管M3的源极接地，复位NMOS管M3的栅极连接复位控制信 号VRST，积分电容C1的另一端接地，行选NMOS管M4的栅极连接行选控制信号LSEL，行选 NMOS管M4的漏极为积分信号的输出端，将积分的结果输出到后续的读出电路中； 偏置电路包括NMOS管M5、NMOS管M6、NMOS管M9、NMOS管Mil及PMOS管M7、PMOS管 M8、PMOS管M10,电阻Rl、R2、R3、R4、R5,电阻R1的一端连接电源VDD，电阻R1的另一端连 接NMOS管M5的漏极，NMOS管M5的栅极与NMOS管M6的栅极互连，NMOS管M5的源极和衬 底以及NMOS管M6的源极和衬底均接地，NMOS管M6的漏极连接电阻R5的一端和PMOS管 M7的栅极，电阻R5的另一端与电阻R4的一端、PMOS管M10的源极以及NMOS管Mil的漏极 连接在一起，电阻R4的另一端与PMOS管M7的漏极以及PMOS管M8的源极与NMOS管M9的 互连端连接在一起并作为积分控制信号INT的输出端连接像素单元中注入PMOS管Ml的栅 极，PMOS管M7的源极分别连接电阻R2和电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接外部调整 电压VDET_ADJ，电阻R3的另一端连接电源VDD和PMOS管M7的衬底，NMOS管M9的栅极连 接模拟信号VM，PMOS管M8的栅极连接模拟信号VM的反相信号VM_，PMOS管M10的栅极连 接模拟信号VM，NMOS管Mil的栅极连接模拟信号VM的反相信号VM_，PMOS管M8的漏极与 NMOS管M9的源极互连并与PMOS管M10的漏极与NMOS管Ml 1的源极互连端连接在一起，作 为控制信号VC0N的输出端连接像素单元中多功能PMOS管M2的栅极。
【文档编号】G01J5/10GK104062017SQ201410313283
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】孙伟锋, 刘金岑, 朱长峰, 苏军, 夏晓娟, 徐申, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学