CN101261160A - 红外焦平面读出电路的单元电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述单元电路包括：积分电容选择单元，积分/复位控制单元，输入放大器，采样保持单元和源跟随单元。本发明利用积分/复位控制单元的复位在单元电路内部提供恒定的红外探测器偏置电压，不需要外置偏压；大部分晶体管采用P型MOS管，有效减小了单元电路的噪声；采用单级放大器代替差分放大器，减小了单元电路功耗，并且节省单元面积；设计了两档电容值可供选择，可以满足不同背景条件的需要；积分时间可以根据不同的探测器电流大小进行合适的选取。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外成像系统中的红外焦平面读出电路的单元电路，属于微电子及光电子技术领域。
背景技术
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 integratedcircuits)组成。随着红外焦平面阵列组件规模的不断扩大，作为其重要组成部分的红外焦平面读出电路既要满足高的工作性能，也要求有低的功耗。
ROIC电路的基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大以及传输。常见的ROIC电路包括单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路。单元电路是ROIC电路与红外探测器的接口电路，它的性能好坏直接影响整个读出电路的性能。
目前国内红外成像系统中的读出电路普遍采用直接注入结构(DI)或采用差分放大器的电容跨导放大器结构(CTIA)作为单元电路。
直接注入结构(DI)单元电路有功耗低、结构简单、占用单元面积小等优点。但在使用这种结构时，探测器的偏置电压随积分电压变化，降低了探测器偏压的一致性并增加探测器噪声。直接注入结构(DI)单元电路的注入效率较低而且会因探测器电流减小而降低。
采用差分放大器的电容跨导放大器结构(CTIA)单元电路具有探测器偏置恒定、注入效率高、噪声低、动态范围大、均匀性和线性度好等特点。但由于单元电路结构中采用了差分放大器，不仅使得单元内管子数目多(占用面积大)，而且单元电路需要很大的功耗。在焦平面阵列向大规模，小单元尺寸发展的情况下，它的这一缺点显得更加明显。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适合于大规模红外探测器阵列，功耗低，具有恒定的红外探测器偏置电压和高注入效率的ROIC电路的单元电路。
本发明的技术方案如下：
一种红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述单元电路包括：
积分电容选择单元，连接在第一节点和第三节点之间，通过选择单元电路积分电容的大小控制积分电压的输出大小；第一节点用于接收红外探测器的输出信号；
积分/复位控制单元，连接在第一节点和第三节点之间，控制单元电路工作在积分或复位状态，积分状态下单元电路对红外探测器的输出信号进行积分，复位状态下，单元电路复位积分电容；
输入放大器，连接在第四节点和第七节点之间，第四节点、第七节点分别与电源、地连接，采用单级放大器，在复位状态下通过第一节点和第三节点为红外探测器提供稳定的偏置电压；
采样保持单元，连接在第三节点和第七节点之间，用于采集积分电压并保持，通过第八节点输出积分电压到源跟随单元；
源跟随单元，通过第八节点接收采样保持单元的输出，通过第九节点与电源连接，通过第十一节点输出积分电压。
优选地：
所述积分电容选择单元包括第一积分电容、第二积分电容和第一开关管，第一积分电容的一极接第一节点，另一极接第三节点；第二积分电容的一极接第二节点，另一极接第三节点；第一开关管采用P型MOS管，其栅极接第一控制信号，源极接第一节点，漏极接节点第二节点。
所述积分/复位控制单元由第二开关管组成，第二开关管采用P型MOS管，第二开关管的栅极接第一时钟信号，源极接第一节点，漏极接第三节点。
所述输入放大器包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管，第三晶体管、第四晶体管是P型MOS管，第五晶体管第六晶体管是N型MOS管，第一晶体管的栅极接第一节点，源极接第三节点，漏极接第五节点；第二晶体管的栅极接第四偏置电压，源极接第五节点，漏极接第三节点；第三晶体管的栅极接第二偏置电压，源极接第六节点，漏极接第三节点；第四晶体管的栅极接第一偏置电压，源极接第七节点，漏极接第六节点。
所述采样保持单元包括采样保持开关管和采样保持电容，采样保持开关管采用P型MOS管，采样保持开关管的栅极接第二时钟信号，源极接第三节点，漏极接第八节点；采样保持电容的一极接第八节点，另一极接第七节点。
所述源跟随单元包括源跟随晶体管和行选择开关管，源跟随晶体管和行选择开关管采用N型MOS管，源跟随晶体管的栅极接第八节点，源极接第十节点，漏极接第九节点，；行选择开关管的栅极接第二时钟信号，源极接第十一节点，漏极接第十节点。
本发明的单元电路是整个读出电路与读出电路外部红外探测器的接口电路，单元电路通过第一节点接收外部红外探测器的输出信号，并通过一系列电路单元对信号进行处理。
积分电容选择单元通过第一开关管导通或关断来选择单元电路的积分电容的大小，从而控制积分电压的输出大小，使红外焦平面阵列可以在不同的背景条件下工作。当第一开关管导通时，单元电路的积分电容由第一积分电容和第二积分电容并联构成；当第一开关管关断时，单元电路的积分电容只由第一积分电容构成。
积分/复位控制单元的作用是控制单元电路的工作状态(积分或复位)。当第二开关管导通时，单元电路处于复位状态，复位积分电容并为红外探测器提供恒定的偏置电压；当第二开关管关断时，单元电路处于积分状态，对红外探测器的输出信号进行积分。
输入放大器是由第三～第六晶体管组成的共源共栅单级放大器，该输入放大器具有高的电压增益，当单元电路工作在复位状态时，输入放大器为红外探测器提供稳定的偏置电压。
采样保持单元中，当采样保持开关管导通时，积分电压被采样到采样保持电容上；当采样保持开关管关断时，积分电压保持在采样保持电容上，并且在采样保持开关管再一次导通之前保持不变。
源跟随晶体管和行选择开关管组成源跟随单元，单元电路通过行选择开关管来控制信号的输出。当行选择开关管导通时，保持在采样保持电容上的积分电压信号被输出到后一级信号处理电路中；当行选择开关管关断时，保持在采样保持电容上的积分电压信号不输出。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用积分/复位控制单元的复位在单元电路内部提供恒定的红外探测器偏置电压，不需要外置偏压。
(2)本发明单元电路的大部分晶体管采用P型MOS管，PMOS管的1/f噪声比NMOS管低，有效减小了单元电路的噪声。
(3)本发明采用单级放大器代替差分放大器，减小了单元电路功耗，并且节省单元面积。
(4)像素单元的积分电容大小直接影响到读出电路的电荷存储能力，在弱背景情况下，系统对读出电路的电荷存储能力要求较低，但在背景信号较强时，对读出电路的电荷存储能力要求也变高。本发明的红外焦平面读出电路积分电容设计了两档电容值可供选择，可以满足不同背景条件的需要。
(5)本发明单元电路的积分时间由第一时钟信号和第二时钟信号共同决定，积分时间可以根据不同的探测器电流大小进行合适的选取。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。
图1是本发明中单元电路结构原理图；
图2是本发明中单元电路工作过程的信号波形图；
图3是图1中的单元电路应用于具体红外焦平面读出电路中的连接电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种红外焦平面读出电路的单元电路，包括：
积分电容选择单元1，连接在第一节点A1和第三节点A3之间，通过选择单元电路积分电容的大小控制积分电压的输出大小；第一节点A1用于接收红外探测器的输出信号；
积分/复位控制单元2，连接在第一节点A1和第三节点A3之间，控制单元电路工作在积分或复位状态，积分状态下单元电路对红外探测器的输出信号进行积分，复位状态下，单元电路复位积分电容；
输入放大器3，连接在第四节点A4和第七节点A7之间，第四节点A4、第七节点A7分别与电源、地连接，采用单级放大器，在复位状态下通过第一节点A1和第三节点A3为红外探测器提供稳定的偏置电压；
采样保持单元4，连接在第三节点A3和第七节点A7之间，用于采集积分电压并保持，通过第八节点A8输出积分电压到源跟随单元5；
源跟随单元5，通过第八节点A8接收采样保持单元4的输出，通过第九节点A9与电源连接，通过第十一节点A11输出积分电压。
积分电容选择单元1包括第一积分电容C1、第二积分电容C2和第一开关管M1，第一积分电容C1的一极接第一节点A1，另一极接第三节点A3；第二积分电容C2的一极接第二节点A2，另一极接第三节点A3；第一开关管M1采用P型MOS管，其栅极接第一控制信号VG，源极接第一节点A1，漏极接节点第二节点A2。
积分/复位控制单元2由第二开关管M2组成，第二开关管M2采用P型MOS管，第二开关管M2的栅极接第一时钟信号Vir，源极接第一节点A1，漏极接第三节点A3。
输入放大器3包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6，第三晶体管M3、第四晶体管M4是P型MOS管，第五晶体管M5第六晶体管M6是N型MOS管，第一晶体管M3的栅极接第一节点A1，源极接第三节点A3，漏极接第五节点A5；第二晶体管M4的栅极接第四偏置电压Vcas，源极接第五节点A5，漏极接第三节点A3；第三晶体管M5的栅极接第二偏置电压VB2，源极接第六节点A6，漏极接第三节点A3；第四晶体管M6的栅极接第一偏置电压VB1，源极接第七节点A7，漏极接第六节点A6。
采样保持单元4包括采样保持开关管M7和采样保持电容C3，采样保持开关管M7采用P型MOS管，采样保持开关管M7的栅极接第二时钟信号Vsh，源极接第三节点A3，漏极接第八节点A8；采样保持电容C3的一极接第八节点A8，另一极接第七节点A7。
源跟随单元5包括源跟随晶体管M8和行选择开关管M9，源跟随晶体管M8和行选择开关管M9采用N型MOS管，源跟随晶体管M8的栅极接第八节点A8，源极接第十节点A10，漏极接第九节点A9，；行选择开关管M9的栅极接第三时钟信号Vrsel，源极接第十一节点A11，漏极接第十节点A10。
图2是本发明中单元电路工作过程的信号波形图。原理如下：
(1)积分/复位控制单元2中第二开关管M2在第一时钟信号Vir的作用下导通，采样保持开关管M7在时钟信号Vsh的作用下断开，行选择开关管M9在第三时钟信号Vrsel作用下断开。此时，共源共栅输入放大器3相当于一个单位增益放大器，积分电容复位。
(2)积分/复位控制单元2中第二开关管M2在第一时钟信号Vir的作用下断开，采样保持开关管M7和行选择开关管M9仍处于断开状态，单元电路开始积分。
(3)采样保持开关管M7在第二时钟信号Vsh的作用下闭合，积分复位开关管M2和选择开关管M9仍处于断开，积分电容C3开始采样积分电压。
(4)采样保持开关M7在第二时钟信号Vsh的作用下断开，积分复位开关M2和选择开关管M9仍处于断开，积分电压被保持在积分电容C3上。
(5)选择开关管M9在第三时钟信号Vrsel作用下闭合，积分复位开关管M2断开，采样保持开关管M7断开，输出积分电压信号。
(6)在选择开关管M9在第三时钟信号Vrsel作用下断开后完成单元电路的工作过程。
积分复位开关管M2在第一时钟信号Vir的作用下再一次闭合，重复(1)～(6)的过程，这样完成电路周而复始的工作。
图3是图1中的单元电路应用于具体红外焦平面读出电路中的连接电路图，外部的红外探测器单元6采用一个PN结型光伏探测器，P结接第一节点A1，N结接节点A12，节点A12接固定的探测器衬底电压。单元电路7与图1中的红外焦平面读出电路的单元电路完全相同。尾电流和列选择开关单元8中，单元电路7的尾电流由N型MOS管M10产生，晶体管M10的栅极接第三偏置电压VB3，源极接节点A13，漏极接第十一节点A11，其中节点A13与地相连；列选择开关由N型MOS管M11构成，M11的栅极接时钟信号Vlsel，源极接节点A11，漏极接节点A12。当行选择开关管M9关闭时，源跟随晶体管M8和M10构成源跟随器，晶体管M10管提供偏置电流，跟随节点A8的信号；列选择开关管M11导通，单元电路的输出信号从第十一节点A11传输到节点A13。
Claims (6)
1.一种红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述单元电路包括：
积分电容选择单元(1)，连接在第一节点(A1)和第三节点(A3)之间，通过选择单元电路积分电容的大小控制积分电压的输出大小；第一节点(A1)用于接收红外探测器的输出信号；
积分/复位控制单元(2)，连接在第一节点(A1)和第三节点(A3)之间，控制单元电路工作在积分或复位状态，积分状态下单元电路对红外探测器的输出信号进行积分，复位状态下，单元电路复位积分电容；
输入放大器(3)，连接在第四节点(A4)和第七节点(A7)之间，第四节点(A4)、第七节点(A7)分别与电源、地连接，采用单级放大器，在复位状态下通过第一节点(A1)和第三节点(A3)为红外探测器提供稳定的偏置电压；
采样保持单元(4)，连接在第三节点(A3)和第七节点(A7)之间，用于采集积分电压并保持，通过第八节点(A8)输出积分电压到源跟随单元(5)；
源跟随单元(5)，通过第八节点(A8)接收采样保持单元(4)的输出，通过第九节点(A9)与电源连接，通过第十一节点(A11)输出积分电压。
2.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述积分电容选择单元(1)包括第一积分电容(C1)、第二积分电容(C2)和第一开关管(M1)，第一积分电容(C1)的一极接第一节点(A1)，另一极接第三节点(A3)；第二积分电容(C2)的一极接第二节点(A2)，另一极接第三节点(A3)；第一开关管(M1)采用P型MOS管，其栅极接第一控制信号(VG)，源极接第一节点(A1)，漏极接节点第二节点(A2)。
3.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述积分/复位控制单元(2)由第二开关管(M2)组成，第二开关管(M2)采用P型MOS管，第二开关管(M2)的栅极接第一时钟信号(Vir)，源极接第一节点(A1)，漏极接第三节点(A3)。
4.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述输入放大器(3)包括第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)，第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)是P型MOS管，第五晶体管(M5)第六晶体管(M6)是N型MOS管，第一晶体管(M3)的栅极接第一节点(A1)，源极接第三节点(A3)，漏极接第五节点(A5)；第二晶体管(M4)的栅极接第四偏置电压(Vcas)，源极接第五节点(A5)，漏极接第三节点(A3)；第三晶体管(M5)的栅极接第二偏置电压(VB2)，源极接第六节点(A6)，漏极接第三节点(A3)；第四晶体管(M6)的栅极接第一偏置电(VB1)，源极接第七节点(A7)，漏极接第六节点(A6)。
5.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述采样保持单元(4)包括采样保持开关管(M7)和采样保持电容(C3)，采样保持开关管(M7)采用P型MOS管，采样保持开关管(M7)的栅极接第二时钟信号(Vsh)，源极接第三节点(A3)，漏极接第八节点(A8)；采样保持电容(C3)的一极接第八节点(A8)，另一极接第七节点(A7)。
6.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路的单元电路，其特征在于所述源跟随单元(5)包括源跟随晶体管(M8)和行选择开关管(M9)，源跟随晶体管(M8)和行选择开关管(M9)采用N型MOS管，源跟随晶体管(M8)的栅极接第八节点(A8)，源极接第十节点(A10)，漏极接第九节点(A9)；行选择开关管(M9)的栅极接第三时钟信号(Vrsel)，源极接第十一节点(A11)，漏极接第十节点(A10)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHINA ELECTRONICS TECHNOLOGY GROUP CORPORATION 44T |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Sun Weifeng Inventor after: Xia Xiaojuan Inventor after: Jiang Yongqing Inventor after: Xie Liang Inventor after: Feng Na Inventor after: Lu Shengli Inventor after: Shi Longxing Inventor before: Sun Weifeng Inventor before: Xia Xiaojuan Inventor before: Xie Liang Inventor before: Feng Na Inventor before: Lu Shengli Inventor before: Shi Longxing |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: SUN WEIFENG XIA XIAOJUAN XIE LIANG FENG NUO LU SHENGLI SHI LONGXING TO: SUN WEIFENG XIA XIAOJUAN JIANG YONGQING XIE LIANG FENG NUO LU SHENGLI SHI LONGXING |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20100505 Address after: 210096 Jiangsu city Nanjing Province four pailou No. 2 Co-patentee after: No.44 Inst., China Electronical Science and Technology Group Co. Patentee after: Southeast University Address before: 210096 Jiangsu city Nanjing Province four pailou No. 2 Patentee before: Southeast University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091202 Termination date: 20150219 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |