二极管型红外阵列传感器像素级校准结构的制作方法

本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及一种可用于红外二极管阵列探测器读出电路中，实现像素级校准。

背景技术：

任何温度超过绝对零度的物体表面均会辐射出电磁波，红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形。红外成像技术具有全天候成像，抗干扰能力强，可穿透云雾烟尘等特点，广泛应用于火灾预警、安防监控、故障检测等领域。

二极管型红外图像传感器具有与CMOS工艺兼容的独特优势，有成为新一代低成本、高性能红外图像传感器的潜力，近年来成为红外图像传感器的一个热门研究方向。但是由于阵列传感器制作过程中的工艺偏差，阵列型探测器不可避免的存在非均匀特点，在整个阵列中的不同位置的二极管探测器的物理尺寸和掺杂浓度不同，导致不同位置的二极管探测器电学特性不同。对于探测读出电路而言，不同位置二极管不同的电学特性会导致阵列输出结果的非均匀性，导致图像失真。

传统补偿方式往往是通过对输出信号进行标定，之后采用两点校正的方式进行补偿。但是这种校正方式并没有从根本上解决探测器输出信号不均匀的问题。而且当探测器非均匀现象较为严重时，会严重制约输出信号动态范围，影响成像系统信噪比。为了解决这一难题，必须在探测器输出信号之前进行校正，即采用一种能够针对每个像素中的二极管单独进行调节。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出解决探测器输出信号不均匀的技术方案，实现减少探测器非均匀现象制约输出信号动态范围，提高成像系统信噪比。本发明采用的技术方案是，二极管型红外阵列传感器像素级校准结构，包含校准电流源阵列，所述校准电流源阵列由电流舵DAC单元构成，每个电流舵型DAC单元给一个像素提供偏置电流，并且独立调节电流大小，依靠电流舵DAC单元对每个像素偏置电流进行调节，从而改变像素单元中二极管偏置点，实现对工艺偏差导致的二极管工作点变化进行调节校准。

所述电流舵DAC单元包括偏置电流源，分流电流镜，电流舵开关，电流池，输出电流镜；其中偏置电流源用于提供电流舵DAC的总电流，分流电流镜能够按照比例分得偏置电流源的电流，在电流舵开关选通控制下，偏置电流源总电流被分成两个部分分别流入两个电流池；电流池IB_sink中的电流经过输出电流镜镜像输出给每个像素单元，从而改变每个像素单元的偏置电流。

所述电流舵型DAC电路中，PMOS管MP81的源极连接到偏置电流源I的输出端，PMOS管MP81的漏极连接PMOS管MP71，PMOS管MP81的栅极连接偏置电压vb8。PMOS管MP71源极连接PMOS管MP81的漏极，PMOS管MP71漏极连接电流舵开关PMOS管MP7和PMOS管MP7N的源极，PMOS管MP71的栅极连接偏置电压vb7。PMOS管MP7的源极连接PMOS管MP71的漏极，PMOS管MP7的漏极连接电流池中NMOS管MN1的漏极和栅极，PMOS管MP7的栅极连接控制信号D7。PMOS管MP7N的源极连接PMOS管MP71的漏极，PMOS管MP7N的漏极连接电流池中NMOS管MN2的漏极和栅极，PMOS管MP7N栅极连接控制电压D7N。PMOS管MP82源极连接偏置电流源I的输出端，PMOS管MP82漏极连接PMOS管MP72和PMOS管MP73的源极，PMOS管MP82的栅极连接偏置电压vb8。PMOS管MP72的源极连接PMOS管MP82的漏极，PMOS管MP72的漏极连接PMOS管MP61的源极，PMOS管MP72的栅极连接偏置电压vb7。PMOS管MP61的源极连接PMOS管MP72的漏极，PMOS管MP61的漏极连接电流舵开关PMOS管MP6和PMOS管MP6N的源极，PMOS管MP61的栅极连接偏置电压vb6。PMOS管MP6源极连接PMOS管MP61的漏极，PMOS管MP6的漏极连接电流池中NMOS管MN1的漏极和栅极，PMOS管MP6的栅极连接控制电压D6。PMOS管MP6N的源极连接PMOS管MP61的漏极，PMOS管MP6N的漏极连接电流池中NMOS管MN2的漏极和栅极，PMOS管MP6N的栅极连接控制信号D6N。其余各级分流电流镜和电流舵开关按照此种方式依次连接。电流池中NMOS管MN1的栅极和漏极相连，并且连接到电流舵开关PMOS管MP7，MP6，MP5，MP4，MP3，MP2，MP1，MP0的漏极，NMOS管MN1源极连接到地。电流池中NMOS管MN2的栅极和漏极相连，并且连接到电流舵开关PMOS管MP7N，MP6N，MP5N，MP4N，MP3N，MP2N，MP1N，MP0N的漏极，NMOS管MN2源极连接到地。输出电流镜NMOS管MN3栅极连接NMOS管MN2的栅极，NMOS管MN3的漏极连接像素单元中二极管探测器的阴极，NMOS管MN3的源极接地。

电流舵型DAC当中的分流电流镜部分，PMOS管全部工作在饱和区，电流舵开关部分的PMOS管作为开关来使用，电流池中的两个NMOS管，MN1用来收集无用的电流，MN2用来收集有用的电流，并且通过输出电流镜NMOS管MN3镜像输出。

本发明的特点及有益效果是：

1、本发明提出的电流舵DAC结构简单，面积小能够集成在红外图像传感器读出集成电路电路的行通道中。

2、通过本发明提出的电流舵DAC，可以实现对二极管型红外探测器像素的偏置电流逐个调节，能够实现对每个像素单元进行补偿校准。

附图说明：

图1是二极管型红外传感器阵列架构示意图；

图2是不同偏置工作点下二极管IV特性曲线；

图3是电流舵型DAC结构示意图；

图4是电流舵型DAC电路图。

具体实施方式

本发明提出了一种二极管型红外阵列传感器像素级校准结构，尤其适用于滚筒式曝光方式的二极管型红外阵列传感器。所述像素级校准结构包含校准电流源阵列，所述校准电流源阵列由电流舵DAC单元构成。每个电流舵型DAC单元给一个像素提供偏置电流，并且可以独立调节电流大小，校准工作原理是依靠电流舵DAC单元对每个像素偏置电流进行调节，从而改变像素单元中二极管偏置点，实现对工艺偏差导致的二极管工作点变化进行调节校准。

所述电流舵DAC单元包括偏置电流源，分流电流镜，电流舵开关，电流池，输出电流镜。其中偏置电流源用于提供电流舵DAC的总电流，分流电流镜能够按照比例分得偏置电流源的电流，在电流舵开关选通控制下，偏置电流源总电流被分成两个部分分别流入两个电流池。电流池IB_sink中的电流经过输出电流镜镜像输出给每个像素单元，从而改变每个像素单元的偏置电流。

所述电流舵型DAC电路中，PMOS管MP81的源极连接到偏置电流源I的输出端，PMOS管MP81的漏极连接PMOS管MP71，PMOS管MP81的栅极连接偏置电压vb8。PMOS管MP71源极连接PMOS管MP81的漏极，PMOS管MP71漏极连接电流舵开关PMOS管MP7和PMOS管MP7N的源极，PMOS管MP71的栅极连接偏置电压vb7。PMOS管MP7的源极连接PMOS管MP71的漏极，PMOS管MP7的漏极连接电流池中NMOS管MN1的漏极和栅极，PMOS管MP7的栅极连接控制信号D7。PMOS管MP7N的源极连接PMOS管MP71的漏极，PMOS管MP7N的漏极连接电流池中NMOS管MN2的漏极和栅极，PMOS管MP7N栅极连接控制电压D7N。PMOS管MP82源极连接偏置电流源I的输出端，PMOS管MP82漏极连接PMOS管MP72和PMOS管MP73的源极，PMOS管MP82的栅极连接偏置电压vb8。PMOS管MP72的源极连接PMOS管MP82的漏极，PMOS管MP72的漏极连接PMOS管MP61的源极，PMOS管MP72的栅极连接偏置电压vb7。PMOS管MP61的源极连接PMOS管MP72的漏极，PMOS管MP61的漏极连接电流舵开关PMOS管MP6和PMOS管MP6N的源极，PMOS管MP61的栅极连接偏置电压vb6。PMOS管MP6源极连接PMOS管MP61的漏极，PMOS管MP6的漏极连接电流池中NMOS管MN1的漏极和栅极，PMOS管MP6的栅极连接控制电压D6。PMOS管MP6N的源极连接PMOS管MP61的漏极，PMOS管MP6N的漏极连接电流池中NMOS管MN2的漏极和栅极，PMOS管MP6N的栅极连接控制信号D6N。其余各级分流电流镜和电流舵开关按照此种方式依次连接。电流池中NMOS管MN1的栅极和漏极相连，并且连接到电流舵开关PMOS管MP7，MP6，MP5，MP4，MP3，MP2，MP1，MP0的漏极，NMOS管MN1源极连接到地。电流池中NMOS管MN2的栅极和漏极相连，并且连接到电流舵开关PMOS管MP7N，MP6N，MP5N，MP4N，MP3N，MP2N，MP1N，MP0N的漏极，NMOS管MN2源极连接到地。输出电流镜NMOS管MN3栅极连接NMOS管MN2的栅极，NMOS管MN3的漏极连接像素单元中二极管探测器的阴极，NMOS管MN3的源极接地。

本发明提出的电流舵型DAC当中的分流电流镜部分，PMOS管全部工作在饱和区，电流舵开关部分的PMOS管作为开关来使用，电流池中的两个NMOS管，MN1用来收集无用的电流，MN2用来收集有用的电流，并且通过输出电流镜NMOS管MN3镜像输出。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

二极管型红外传感器利用的原理是二极管IV特性曲线随温度变化，通过固定偏置电流，检测二极管正向导通电压的变化，从而可以得到温度变化的大小。而温度变化是由于探测器吸收红外辐射导致的，因此，通过对固定偏置电流的二极管正向导通电压的检测，可以获取红外辐射的强度信息。

实际二极管型红外传感器阵列架构示意图如图1，电流源阵列给像素单元提供偏置电流，行通道读出电路采样二极管正向导通电压的变化，并放大输出。二极管正向导通压降随温度变化关系如下。

根据Shockley方程式可知，对于理想二极管，其正向导通电压V_f与电流密度J_f的关系为

其中，J_s为反向饱和电流密度，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。在室温条件下，有因此式(1)可化简为

二极管反向饱和电流密度可表示为

其中，C为与温度无关的常数，γ为常数，E_g为硅的禁带宽度，若PN结的截面积为S_d，则通过PN结的电流I_f可表示为

当PN结工作在恒定电流偏置的条件下时，由式(4)可得

由式(5)可知，在恒定电流条件下，当温度变化较小时，PN结的正向导通电压与温度之间呈负温度系数的线性关系，也即当PN结温度升高时，其正向导通电压下降，如图1所示，其中，A1和B1为二极管在温度T1下的IV特性曲线，A2和B2为二极管在温度T2下的IV特性曲线，T₂＞T₁。由于工艺偏差，二极管阵列中不同位置的二极管对应的IV特性曲线不一致，即A1和B1，A2和B2不重合。如果使用同样大小的电流给二极管A和B提供偏置，则相同温度变化导致二极管的正向导通电压变化不一致，输出信号产生偏差。此时通过调节正向偏置电流IF，改变二极管工作时的偏置工作点，可以将正向导通电压变化调节到相同状态。即对二极管A使用偏置电流大小为IA，对二极管B使用偏置电流大小为IB，相同温度变化导致的电压变化VSIG就可以保持一致。

如图3所示，在控制信号D0-D7的控制下，通过开关选通来控制流入电流池IA_sink和IB_sink中的电流大小，最终通过电流镜将IB_sink中的电流镜像输出。

电流IOUT表达式为：

电流舵型DAC具体电路图如图4所示，其中PMOS管MP81和MP82尺寸相同，过驱动电压也相同，均工作在饱和区。因此，流过MP81和MP82的电流大小一致，均为I/2。D7为1(高电平)时，PMOS管MP7关断，此时D7N为0(低电平)，PMOS管MP7N导通，MP81上流过的I/2电流经过MP7N流入电流池中NMOS管MN2。其他D6，D5，D4，D3，D2，D1控制原理与D7一致。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。