CN101222576A - 用于阵列信号读出电路的ir压降消减电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，在由多个相同跟随器级组成的阵列信号读出电路中，每个跟随器级都是由高精度偏置产生单元和缓冲放大单元构成，其中，所述的高精度偏置产生单元包括有与电源和地波动无关的并分别与输入电源及基准电压相连的电流源电路IBIAS，以及与电流源电路IBIAS输出相连的电流镜电路构成；所述的缓冲放大单元包括有由MOS管构成的缓冲管MR，缓冲管MR的栅极与电压信号相连，漏极与输入电源相连，源极与高精度偏置产生单元中的电流镜电路相连，此源极的连接点构成输出端VOUT。本发明可以消除偏置电流与地电位的IR压降波动关系，减低了偏置电流波动对源极跟随器的影响，使阵列读出信号固定模式噪声降低，各列一致性增强。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵列信号读出电路。特别是涉及一种使跟随器阵列与缓冲极电路电源和地波动无关，有效消减固定模式噪声的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构。
背景技术
目前一些集成传感器(如CMOS图像传感器、红外焦平面探测器等)都含有规模庞大的二维感测像素阵列，其读出电路一般呈一维线阵排列，最前端一般由CMOS源跟随器组成，用于缓冲放大电平信号并实现阵列与读出电路的电学隔离。
由于在实际的电路设计和版图实现中，晶体管之间以及晶体管和电源之间的长距离互连、晶体管的寄生效应会产生不可忽略的寄生电阻和引线电阻，电流流过这些电阻时会产生一定的电压损失，这种效应成为IR压降。对于本发明所涉及到的阵列读出电路，其IR压降产生的具体原因如下：
如图1所示，每极CMOS源跟随器都由一个MR缓冲管和一个MBIAS电流偏置有源负载构成，电压输入信号V1N经过缓冲管的缓冲，直接输出到输出总线上得到输出电压VOUT。其偏置电流由栅极连接在基准电压VB下的有源负载MBIAS提供。在现有的布图设计中，电源和地的设计一般采用如下的方法(图中省略号代表未画出的缓冲极)：
即：电源VDD和接地点放置在跟随器阵列的两端。由于阵列面积庞大，每极之间的电源和地的互连线阻抗变得不可忽略，表现为集总电阻R1、R2、……、Rn、Rn-1。由于每极的供电电流都要通过这些电阻所在的互连线，因此会产生IR压降。其结果为每极使用的实际电源和地出现上升和下降的波动，以实际使用的“地”Vgnd为例，其电流流动的方向为从中间的缓冲极到两端的缓冲极，缓冲器阵列的实际“地”呈现出“两头高、中间低”的特点，其中某一点Vgndx为整个缓冲器阵列的最高“地”点。
这种实际“地”的电压分布特点会严重影响各个跟随器极之间偏置电流的匹配性和一致性，原因如下所示：
MBIAS有源负载的电流I＝β(VGS-VTH)2＝β(VB-Vgnd-VTH)2，其中VB是基准产生电路产生的基准电压，由于其传输线均连接栅极的容性负载，没有可供电流通过的直流通路，因此每极实际获得的VB基本相同。而由于上述设计的缺陷引起的Vgnd的相对变化却可以很明显的使得各极之间的偏置电流产生偏移(Offset)，进而影响到缓冲器的增益，带宽等多数小信号特性，使得感测得到的数据产生列固定模式噪声(Column LevelFPN)，影响传感器的精度和分辨率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过改变偏置电流产生和传导的方式，使跟随器阵列与缓冲极电路电源和地波动无关，以达到“隔绝”IR压降的作用，从而改善各个缓冲极电路之间参数的匹配性，有效消减固定模式噪声的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构。
本发明所采用的技术方案是：一种用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，在由多个相同跟随器级组成的阵列信号读出电路中，每个跟随器级都是由高精度偏置产生单元和缓冲放大单元构成，其中，所述的高精度偏置产生单元包括有与电源和地波动无关的并分别与输入电源及基准电压相连的电流源电路IBIAS，以及与电流源电路IBIAS输出相连的电流镜电路构成；所述的缓冲放大单元包括有由MOS管构成的缓冲管MR，缓冲管MR的栅极与电压信号相连，漏极与输入电源相连，源极与高精度偏置产生单元中的电流镜电路相连，此源极的连接点构成输出端VOUT。
所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP，其中，MOS管MBN和MOS管MBP的源极互相连接，MOS管MBN的栅极连接基准电压VN，漏极直接与输入电源相连；MOS管MBP的栅极连接基准电压VP，漏极与电流镜电路的输入端相连。
所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP和MOS管MCAS，其中，MOS管MBN的漏极连接输入电源，栅极连接基准电压VN，源极与MOS管MCAS的漏极相连；MOS管MCAS的源极与MOS管MBP的源极相连，MOS管MCAS的栅极与输入电源相连；MOS管MBP的漏极连接电流镜电路的输入端，MOS管MBP的栅极连接基准电压VP。
所述的电流镜电路是由二极管连接的MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS构成，输入端连接电流源电路IBIAS的输出端，其中MOS管MBIAS的漏极与缓冲放大单元中的缓冲管MR的源极相连接，此连接点构成输出端VOUT，MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS的源极接地。
本发明的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，可以消除偏置电流与地电位的IR压降波动关系，减低了偏置电流波动对源极跟随器的影响，使阵列读出信号固定模式噪声降低，各列一致性增强。
附图说明
图1是现有技术的阵列读出电路原理图；
图2是本发明的阵列读出电路原理图；
图3是图2中一个跟随器级的电路原理图；
图4是图3的第一实施例的电路原理图；
图5是图3的第二实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构做出详细说明。
如图2所示，本发明的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，在由多个相同跟随器级组成的阵列信号读出电路中，每个跟随器级都是由高精度偏置产生单元和缓冲放大单元构成，其中，所述的高精度偏置产生单元包括有与电源和地波动无关的并分别与输入电源及基准电压相连的电流源电路IBIAS，以及与电流源电路IBIAS输出相连的电流镜电路构成；所述的缓冲放大单元包括有由MOS管构成的缓冲管MR，缓冲管MR的栅极与电压信号相连，漏极与输入电源相连，源极与高精度偏置产生单元中的电流镜电路相连，此源极的连接点构成输出端VOUT。
所述的电流镜电路是由二极管连接的MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS构成，输入端连接电流源电路IBIAS的输出端，其中MOS管MBIAS的漏极与缓冲放大单元中的缓冲管MR的源极相连接，此连接点构成输出端VOUT，MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS的源极接地。
如图3所示，所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP，其中，MOS管MBN和MOS管MBP的源极互相连接，MOS管MBN的栅极连接基准电压VN，漏极直接与输入电源相连；MOS管MBP的栅极连接基准电压VP，漏极与电流镜电路的输入端相连。
即：图3中每个跟随器级由两部分组成：缓冲放大单元包括现有技术设计中的MOS管MR；高精度偏置产生单元主要由与电源和地波动无关的电流电路及其电流镜电路构成。电流源电路由包括MOS管MBN、MBP组成。电流镜电路由二极管连接的MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS构成。由于在版图设计中每个缓冲级含有的这两部分电路单元相邻放置，其间的引线电阻可以忽略不计，在图中用Rign表示。
本发明的偏置电流产生方法如下：通过适当的选择标准电压VN和VP，我们可以令MOS管MBN、MOS管MBP都处于饱和区工作，对于分别流过两管MOS管MBN、MOS管MBP的电流IN和IP而言，我们可以列出如下两个方程：
IN＝βn(VN-VA-VTn)2(1)
IP＝βp(VP-VA+VTp)2(2)
其中βn和βp为工艺常参数，VA为MOS管MBN、MOS管MBP源级电压，VTn和VTp分别为NMOS和PMOS晶体管阈值电压，近似为常数。
因为VA点没有到地的直流通路，所以IN＝IP＝I.联立(1)(2)两方程得到如下结果
通过合理的数学迭代，我们可以最终得到一个I的表达式，由于(3)各项中都不包含有经过IR压降后的电源和地的电平，因此I的大小在各管都工作在饱和区的前提下就与电源电平和地电平的波动无关。而只与基准电压VNB和VPB之间的差值和阈值电压VTn和VTp之间的差值有关，前者由于两电压的传输线负载为容性负载，无到地的直流通路，因此不存在电压降损失，且使用电压差分信号还可以抑制由于温度和工艺偏差等产生的共模信号。后者由工艺参数决定，近似保持不变。
改进后的电流传导方法如下：电流从高精度偏置产生单元到缓冲放大单元的传导由电流镜电路完成，由于R1gn可以忽略不计，且在不同的缓冲级互连中基本相同，根据电流镜的原理，我们就可以将I和有源负载MBIAS中的电流IB看作是完全镜像的电流对，这样实际为缓冲放大单元提供偏置的IB同样不会受到IR压降的影响，实现了对IR压降的隔离和消除。
如图4所示，所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP和MOS管MCAS，其中，MOS管MBN的漏极连接输入电源，栅极连接基准电压VN，源极与MOS管MCAS的漏极相连；MOS管MCAS的源极与MOS管MBP的源极相连，MOS管MCAS的栅极与输入电源相连；MOS管MBP的漏极连接电流镜电路的输入端，MOS管MBP的栅极连接基准电压VP。
图4中电流镜电路和缓冲放大单元不变，电流源电路中加入了MCAS管。此改进后的电流产生方法和图3所述的改进原理相同，唯一不同的地方是方程中的VN换成了VDD，VN只用来偏置MBN使其工作在饱和区。这样MBN和MCAS就形成了共源共栅结构，使得电流源更为精准，更好的隔绝了电源波动对电路的影响。但由于这种方案管子级联较多，为了保证其均工作在饱和区，消耗了较多的电压余度，影响了电压摆幅，不适合用在低电压工作的电路设计中使用。
Claims (4)
1.一种用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，在由多个相同跟随器级组成的阵列信号读出电路中，其特征在于，每个跟随器级都是由高精度偏置产生单元和缓冲放大单元构成，其中，所述的高精度偏置产生单元包括有与电源和地波动无关的并分别与输入电源及基准电压相连的电流源电路IBIAS，以及与电流源电路IBIAS输出相连的电流镜电路构成；所述的缓冲放大单元包括有由MOS管构成的缓冲管MR，缓冲管MR的栅极与电压信号相连，漏极与输入电源相连，源极与高精度偏置产生单元中的电流镜电路相连，此源极的连接点构成输出端VOUT。
2.根据权利要求1所述的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，其特征在于，所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP，其中，MOS管MBN和MOS管MBP的源极互相连接，MOS管MBN的栅极连接基准电压VN，漏极直接与输入电源相连；MOS管MBP的栅极连接基准电压VP，漏极与电流镜电路的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，其特征在于，所述的电流源电路IBIAS包括有MOS管MBN、MBP和MOS管MCAS，其中，MOS管MBN的漏极连接输入电源，栅极连接基准电压VN，源极与MOS管MCAS的漏极相连；MOS管MCAS的源极与MOS管MBP的源极相连，MOS管MCAS的栅极与输入电源相连；MOS管MBP的漏极连接电流镜电路的输入端，MOS管MBP的栅极连接基准电压VP。
4.根据权利要求1所述的用于阵列信号读出电路的IR压降消减电路结构，其特征在于，所述的电流镜电路是由二极管连接的MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS构成，输入端连接电流源电路IBIAS的输出端，其中MOS管MBIAS的漏极与缓冲放大单元中的缓冲管MR的源极相连接，此连接点构成输出端VOUT，MOS管MBIAS-M和MOS管MBIAS的源极接地。
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