一种高速bdi型像素单元电路的制作方法
【专利摘要】一种高速BDI型像素单元电路，包括依次连接的输入放大器、探测器偏压复位电路、注入管、积分/复位控制电路、采样保持电路和传输电路，输入放大器采用以电流镜为负载的差分放大器，探测器偏压复位电路在复位状态下使探测器偏压很快速的复位到稳定状态，注入管构成负反馈形式，积分/复位控制电路在积分状态下，对红外探测器的输出信号进行积分，复位状态下，复位积分电容。采样保持电路用于采集积分电压并保持，传输电路用于接收采样保持电路的输出。
【专利说明】一种高速BDI型像素单元电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外焦平面读出电路中的核心电路-像素单元电路，特别涉及一种高 速BDI型像素单元电路，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。R0IC 电路是把焦平面的各功能集成在单一的半导体芯片中的高集成度电路，其基本功能是进行 红外探测信号的转换、放大以及传输，即将数据从许多探测器端依次传输到输出端。R0IC的 每个像素单元有特定的探测器、放大器和控制开关。现有的R0IC电路包括行选择信号产生 电路、列选择信号产生电路、像素单元电路、列读出级电路和输出缓冲级。像素单元电路是 R0IC与探测器的接口电路，为探测器提供固定偏压，并将探测器采集到的电流信号进行光 电流积分（如电荷转化成电压），它的性能好坏直接影响整个读出电路的性能。
[0003] 缓冲直接注入（BDI)型像素单元具有注入效率高、保证探测器偏压稳定的特点适 合于对读出电路的性能要求高，能够容忍复杂的像元电路结构较大芯片面积和功耗的情 况。但是像素单元电路工作时，在复位阶段，探测器偏压需要较长时间才能稳定。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是在于提供一种适合于高速红外探测器的高速BDI型像素单元电 路，采用以下技术方案：一种高速BDI型像素单元电路，其特征在于，包括依次连接的输入 放大器、探测器偏压复位电路、注入管、积分/复位控制电路、采样保持电路和传输电路，其 中：
[0005] 输入放大器包括NM0S管Ml、M2、M5, PM0S管M3、M4, PM0S管M3、M4的源极互连并 连接电源VDD，PM0S管M3、M4的栅极互连并与PM0S管M3的漏极、NM0S管Ml的漏极连接在 一起，PM0S管M4的漏极连接NM0S管M2的漏极，NM0S管Ml的栅极连接外部控制信号Vcom， NM0S管Ml、M2的源极互连并连接NM0S管M5的漏极，NM0S管M5的栅极连接偏置电压Vb， 源极接公共地；
[0006] 探测器偏压复位电路包括NM0S管M6,其栅极连接外部数字信号Vrst，漏极和源极 分别连接输入放大器中PM0S管M4的漏极和NM0S管M2的栅极；
[0007] 注入管包括NM0S管M7,其栅极和源极分别连接探测器偏压复位电路中NM0S管M6 的漏极和源极；
[0008] 积分/复位控制电路包括NM0S管M8和电容Cl，NM0S管M8的栅极连接外部数字 信号Vrst，NM0S管M8的漏极连接电容C1的一端和注入管NM0S管M7的漏极，NM0S管M8 的源极连接电容C1的另一端并连接公共地；
[0009] 采样保持电路包括NM0S管M9和电容C2, NM0S管M9的栅极连接外部数字信号 Vsh，NMOS管M9的漏极连接积分/复位控制电路中NMOS管M8的漏极，NMOS管M9的源极连 接电容C2的一端，电容C2的另一端连接公共地；
[0010] 传输电路包括NM0S管M10,其栅极连接外部数字信号Vrse，漏极连接采样保持电 路中NM0S管M9的源极，NM0S管M10的源极为像素单元电路的输出端，输出积分电压。 [0011] 本发明的优点及显著效果：
[0012] (1)本发明利用单位增益放大器提供恒定的红外探测器偏置电压，不需要外置偏 压。
[0013] ⑵本发明输入放大器尾电流偏置电压由外部电压控制，可以在采样完成后，不提 供尾电流，从而降低电路功耗。
[0014] (3)本发明在复位阶段通过开关管M6直接与输入放大器形成负反馈结构，可快速 的稳定红外探测器的偏置电压，提高输入放大器的速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明电路结构原理图；
[0016] 图2为本发明电路工作过程的信号波形图。
【具体实施方式】
[0017] 如图1所示，输入放大器1采用以电流镜为负载的差分放大器，包括NM0S管Ml、 M2、M5和PM0S管M3、M4。在复位状态下，将红外探测复位到稳定偏压；在积分状态下，向探 测器提供稳定的偏置电压。NM0S管M2的栅极接收红外探测器的输出信号。
[0018] 探测器偏压复位电路2由NM0S管M6构成，在复位状态下使探测器偏压很快速的 复位到稳定状态，来提高电路对探测器偏压的复位速度。
[0019] 注入管3为NM0S管M7,构成负反馈形式，在积分状态下为红外探测器提供稳定的 偏置电压。
[0020] 积分/复位控制电路4包括NM0S管M8和电容C1，电路工作在积分或复位状态； 积分状态下，像素单元电路通过积分电容C1对红外探测器的输出信号进行积分，复位状态 下，像素单元电路复位积分电容C1。
[0021] 采样保持电路5包括NM0S管M9和电容C2，该部分电路用于采集积分电压并保持。 当工作在采样状态时，积分电压被采样到采样保持电容C2上；当工作在保持状态时，积分 电压保持在采样保持电容C2上，并且在采样保持开关管再次导通之前保持不变。保持的电 压通过NM0S管M10的漏极进入到传输单元6。
[0022] 传输电路6由行选择开关管NM0S管M10构成，用于接收米样保持电路的输出，同 时通过NM0S管M10的源极输出积分电压。通过控制传输电路的行选择开关管M10控制信 号的输出。当行选择开关管M10导通时，保持在采样保持电容C2上的积分电压信号被输出 到像素单元的后续信号处理电路中；当采样保持开关管M9关断时，保持在采样保持电容C2 上的积分电压信号不输出。
[0023] 如图2,图中标号（1)、（2)、（3)、（4)、（5)、（6)表不电路工作时序。
[0024] 时序（1)，探测器偏压复位电路2由开关管M6、积分/复位控制电路5中开关管M8 在数字信号Vrst的作用下导通，采样保持开关管M9在数字信号Vsh作用下闭合，行选择开 关管M10在数字信号Vrse作用下断开。此时输入放大器1相当于一个单位增益的放大器， 积分电容以及采样电容复位，红外探测器的偏置电压稳定。
[0025] 时序（2)，探测器偏压复位电路2由开关管M6、积分/复位控制电路5中开关管M8 在数字信号Vrst的作用下断开，采样保持开关管M9在数字信号Vsh作用下断开，行选择开 关管M10仍处于断开状态，单元电路开始积分。
[0026] 时序（3)，采样保持开关管M9在数字信号Vsh作用下闭合，探测器偏压复位电路2 由开关管M6、积分/复位控制电路5中开关管M8在数字信号Vrst的作用仍断开，行选择开 关管M10仍然处于断开状态，采样电容C2开始采样积分电压。
[0027] 时序（4)，采样保持开关管M9在数字信号Vsh作用下断开，探测器偏压复位电路2 由开关管M6、积分/复位控制电路5中开关管M8在数字信号Vrst的作用仍断开，行选择开 关管M10仍然处于断开状态，积分电压被保持在米样电容C2上。
[0028] 时序（5)，行选择开关管M10在数字信号Vrse作用下闭合，开关管M6、开关管M8、 米样保持开关管M9断开，输出积分电压信号。
[0029] 时序（6)，行选择开关管M10在数字信号Vrse作用下断开后完成单元电路的工作 过程。
[0030] 开关管M6、开关管M8在数字信号Vrst的作用下再一次导通，开关管M9在数字信 号Vsh作用下再一次导通，重复（1)?（6)的过程，这样完成电路周而复始的工作。
[0031] 本发明不局限于上述实施方式，不论其实现方式作任何变化，凡由探测器偏压复 位电路开关管M6控制积分时间的方法，均应落在本发明保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种高速BDI型像素单元电路，其特征在于，包括依次连接的输入放大器、探测器偏 压复位电路、注入管、积分/复位控制电路、采样保持电路和传输电路，其中： 输入放大器包括NMOS管Ml、M2、M5, PMOS管M3、M4, PMOS管M3、M4的源极互连并连接 电源VDD，PMOS管M3、M4的栅极互连并与PMOS管M3的漏极、NMOS管Ml的漏极连接在一 起，PMOS管M4的漏极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管Ml的栅极连接外部控制信号Vcom， NMOS管Ml、M2的源极互连并连接NMOS管M5的漏极，NMOS管M5的栅极连接偏置电压Vb， 源极接公共地； 探测器偏压复位电路包括NMOS管M6,其栅极连接外部数字信号Vrst，漏极和源极分别 连接输入放大器中PMOS管M4的漏极和NMOS管M2的栅极； 注入管包括NMOS管M7,其栅极和源极分别连接探测器偏压复位电路中NMOS管M6的漏 极和源极； 积分/复位控制电路包括NMOS管M8和电容Cl，NMOS管M8的栅极连接外部数字信号 Vrst，NMOS管M8的漏极连接电容C1的一端和注入管NMOS管M7的漏极，NMOS管M8的源极 连接电容C1的另一端并连接公共地； 采样保持电路包括NMOS管M9和电容C2，NMOS管M9的栅极连接外部数字信号Vsh，NMOS 管M9的漏极连接积分/复位控制电路中NMOS管M8的漏极，NMOS管M9的源极连接电容C2 的一端，电容C2的另一端连接公共地； 传输电路包括NMOS管M10,其栅极连接外部数字信号Vrse，漏极连接采样保持电路中 NMOS管M9的源极，NMOS管M10的源极为像素单元电路的输出端，输出积分电压。
【文档编号】H04N5/33GK104065890SQ201410274502
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】孙伟锋, 苏军, 朱长峰, 刘金岑, 徐申, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学