CN102541128B - 一种传感器的偏置电压控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器的偏置电压控制电路，包括：与传感器一端连接的基准产生单元，用于向传感器的一端输出基准偏置电压；与传感器另一端连接的受控基准产生单元，用于根据上电控制单元的控制，向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；所述相关偏置电压与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间；与所述受控基准产生单元连接的上电控制单元，用于在上电启动阶段控制受控基准产生单元输出所述与基准偏置电压相关的偏置电压；以及，在上电启动阶段结束后，控制所述受控基准产生单元的输出与传感器断开。本发明可以使传感器两端的电压差在上电启动阶段维持在一个适当的偏压值内，避免上电启动阶段传感器的损毁。

Description

一种传感器的偏置电压控制电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种传感器的偏置电压控制电路。

背景技术

传感器是一种对声、光、电磁场、热辐射和磁感应等敏感的元件，通常有电容，电阻或者二极管的构成形式。读出电路（readout circuit）是传感器阵列的关键部分之一，其功能是对传感器感应的微弱光谱辐射进行前置处理（如积分、采样/保持、放大等）以及信号的串并行转换。

参考图1所示的现有技术中给传感器提供偏置电压的方案，其中放大电路11与传感器10的负向端（或正向端）连接，而传感器10的正向端（或负向端）与一个偏置电压12连接，通常情况下该偏置电压不在芯片内部产生，而是由芯片外部的电压源提供。由于传感器SUB端的偏置电压在芯片外部产生，而N1端连接在芯片内部，在芯片上电启动阶段，SUB端的外部偏置电压与芯片内部N1端的电压将不能完全同步，即无法保证芯片外部的电压和芯片内部的电压同步上电，在这种情况下，将很可能造成传感器两端的电压差过大，而如果传感器两端电压差过大，传感器将烧毁。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种传感器的偏置电压控制电路，用以使传感器两端的电压差在上电启动阶段维持在一个适当的偏压值内，避免上电启动阶段传感器的损毁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种传感器的偏置电压控制电路，用以使传感器两端的电压差在上电启动阶段维持在一个适当的偏压值内，避免上电启动阶段传感器的损毁。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种传感器的偏置电压控制电路，包括：

与传感器一端连接的基准产生单元，用于向传感器的一端输出基准偏置电压；

与传感器另一端连接的受控基准产生单元，用于根据上电控制单元的控制，向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；所述相关偏置电压与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间；

与所述受控基准产生单元连接的上电控制单元，用于在上电启动阶段控制受控基准产生单元输出所述与基准偏置电压相关的偏置电压；以及，在上电启动阶段结束后，控制所述受控基准产生单元的输出与传感器断开。

优选的，所述受控基准产生单元与基准产生单元具有相同结构。

优选的，所述基准产生单元、受控基准产生单元和上电控制单元均设置在芯片内部。

优选的，所述上电控制单元在上电启动阶段输出第一控制信号，在上电启动阶段结束后输出第二控制信号；

所述受控基准产生单元依据所述第一控制信号向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；以及，依据所述第二控制信号使所述受控基准产生单元的输出处于高阻状态。

优选的，所述基准产生单元包括连接在电源电压VDD与地之间的电流源（It）和晶体管（Mt），电流源（It）流过二极管连接的晶体管（Mt），通过晶体管（Mt）的栅极向传感器的一端（SUB）输出基准偏置电压；

所述受控基准产生单元包括连接在电源电压VDD与地之间的电流源（I1）和晶体管（M1），以及，连接在电流源（I1）输出端及晶体管（M1）栅极的开关；当所述开关闭合时，电流源（I1）流过二极管连接的晶体管（M1），通过晶体管（M1）的栅极向传感器的另一端（N1）输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；当所述开关断开时，断开晶体管（M1）与传感器的另一端（N1）的连接，传感器的另一端（N1）处于高阻状态。

优选的，所述基准产生单元中电流源（It）的电流值，为受控基准产生单元中电流源（I1）的电流值的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

优选的，所述基准产生单元所连接的传感器一端（SUB）的电容（Ct），为受控基准产生单元所连接的传感器另一端（N1）的电容（Cs）的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

优选的，所述基准产生单元中晶体管（Mt）的宽长比，为受控基准产生单元中晶体管（M1）的宽长比的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

优选的，所述上电控制单元中包括计时器、上电复位电路和逻辑控制单元，所述上电复位电路用于在上电时产生复位信号控制计时器，所述计时器用于按照预定时间进行计时；所述逻辑控制单元用于在计时器开始计时至计时结束前，产生第一控制信号；以及，在计时器停止计时后，产生第二控制信号。

优选的，所述第一控制信号为高电平，所述第二控制信号为低电平；或者，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过在传感器的一端设置基准产生单元，以向传感器输出基准偏置电压，在传感器的另一端设置受控基准产生单元，以在上电控制单元的控制下，在上电启动阶段向传感器的另一端输出与基准偏置电压相关的偏置电压（与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间），上电控制单元还用于在上电启动阶段结束后，控制受控基准产生单元的输出与传感器断开。本发明可以使得上电启动阶段传感器两端的电压差维持在一个适当的偏压值内，从而避免系统整个上电启动阶段的传感器损毁。

附图说明

图1是现有技术中读出电路中给传感器提供偏置电压的电路图；

图2是本发明的一种传感器的偏置电压控制电路实施例的结构图；

图3是本发明的一种读出电路芯片实施例的结构图；

图4是本发明上电启动阶段关键信号的时序图；

图5是本发明的一种基准产生单元和受控基准生产单元的具体示例的结构图；

图6是本发明的一种上电控制单元的具体示例的结构图；

图7是本发明的一种示例中传感器两端SUB和N1以及控制信号C1的输出波形。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

现有技术中，当读出电路或者外部偏置电压源上电时，因为读出电路芯片内部的电压的上电时序，与芯片外部偏置电压源的上电时序不能完全同步，极易造成传感器两端的电压差超出传感器偏置允许的范围而将传感器损毁。针对此问题，本专利发明人提出了一种创新的传感器的偏置电压控制电路实现方案，该方案的核心构思之一在于，在传感器的一端设置基准产生单元，以向传感器输出基准偏置电压，在传感器的另一端设置受控基准产生单元，以在上电控制单元的控制下，在上电启动阶段向传感器的另一端输出与基准偏置电压相关的偏置电压（与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间），上电控制单元还用于在上电启动阶段结束后，控制受控基准产生单元的输出与传感器断开。本发明可以使得上电启动阶段传感器两端的电压差维持在一个适当的偏压值内，从而避免系统整个上电启动阶段的传感器损毁。

参考图2，示出了本发明的一种传感器的偏置电压控制电路实施例的结构图，具体可以包括：

与传感器21的SUB端连接的基准产生单元20，用于向传感器21的SUB端输出基准偏置电压；

与传感器21的N1端连接的受控基准产生单元22，用于根据上电控制单元23的控制，向传感器21的N1端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；所述相关偏置电压与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间；

与所述受控基准产生单元22连接的上电控制单元23，用于在上电启动阶段控制受控基准产生单元22输出所述与基准偏置电压相关的偏置电压；以及，在上电启动阶段结束后，控制所述受控基准产生单元22的输出与传感器21断开。

在上电启动阶段，基准产生单元输出一个从低到高的电压，在芯片正常工作时，基准产生单元给传感器提供正向端（或者负向端）的偏置电压。为了控制上电启动阶段传感器的SUB端和N1端之间的电压差在一个小的范围内，在本发明的一种优选实施例中，可以将SUB端电压的产生内置，即SUB端的电压不通过外置方法得到，而是通过电路内部的基准产生单元得到，SUB端电压可以为传感器的正向端（或负向端）提供偏置电压。在将本发明实施例应用于芯片中，可以将所述基准产生单元、受控基准产生单元和上电控制单元设置在芯片内部。

在实际中，所述受控基准产生单元与基准产生单元具有相同结构。例如，所述基准产生单元可以由连接在电源电压VDD与地之间的电流源和晶体管组成，在这种结构中，电流源流过二极管连接的晶体管，在晶体管的栅极得到输出电压SUB；所述受控基准生产单元也可以由连接在电源电压VDD与地之间的电流源和晶体管组成，在这种结构中，电流源流过二极管连接的晶体管，在晶体管的栅极产生输出电压N1。所述受控基准产生单元可以采用较小比例的与基准产生单元相同结构的元器件。当然，本领域技术人员采用任一种受控基准产生单元与基准产生单元的电路设计方式均是可行的，只需要保证受控基准产生单元可以向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压差值在-1V——+0.5V之间的相关偏置电压，本发明对此无需加以限制。

在上电启动阶段，上电控制单元输出第一控制信号，根据实际情况，这个第一控制信号可以是高电平，也可以是低电平，该第一控制信号将受控基准产生单元中的基准产生功能开启，受控基准产生单元给传感器的负向端（或者正向端）提供偏置电压。因为受控基准产生单元与基准产生单元具有相同结构，故受控基准产生单元中的基准产生方式与基准产生单元中的基准产生方式一致，这样就保证了在上电阶段，受控基准产生单元与基准产生单元所产生的电压以同样的斜率上升，即保证受控基准产生单元可以向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压差值在-1V——+0.5V之间的相关偏置电压。在上电启动阶段结束后，上电控制单元输出第二控制信号，根据实际情况，这个第二控制信号可以是低电平，也可以是高电平，即当第一控制信号为高电平时，该第二控制信号为低电平；或者，当第一控制信号为低电平时，第二控制信号为高电平；该第二控制信号控制受控基准产生单元的输出处于高阻状态，从而使得受控基准产生单元与传感器的负向端（或者正向端）断开。

为了保证上电启动阶段传感器两端的电压差维持在传感器正常工作的偏置范围内，应用本发明实施例，在电源上电启动阶段，基准产生单元的输出电压需要与受控基准产生单元的输出电压以近似相等的斜率上升，并且其电压差值保持在在-1V和+0.5V之间的较小范围内，在电源上电结束后（上电启动阶段还未结束），基准产生单元的输出电压与受控基准产生单元的输出电压的差值持续维持在一个较小的范围内，从而保证传感器不会因为两端电压差超出范围而损毁。在上电启动阶段结束后，受控基准产生单元的输出将不再影响传感器负向端（或者正向端）的电位，受控基准产生单元的输出处于高阻状态。

参考图3，示出了本发明的一种读出电路芯片实施例的结构图，具体可以包括：

传感器31；

放大电路32；

与传感器31的SUB端连接的基准产生单元33，用于向传感器31的SUB端输出基准偏置电压；

连接在传感器31的N1端与放大电路32之间的受控基准产生单元34，用于根据上电控制单元35的控制，向传感器31的N1端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；所述相关偏置电压与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间；

与所述受控基准产生单元34连接的上电控制单元35，用于在上电启动阶段控制受控基准产生单元34输出所述与基准偏置电压相关的偏置电压；以及，在上电启动阶段结束后，控制所述受控基准产生单元的输出与传感器31断开。

参考图4所示的上电启动阶段关键信号的时序图。在电源上电启动阶段，当电源上升达到一个电压阈值范围（能够控制计时器工作的电压）时，上电控制单元开始计时，一般而言，计时器的时间依据实际中最慢的上电时间设定，在上电控制单元计时结束前，上电控制单元的控制信号C1输出为高电平，C1控制受控基准产生单元的输出电压与基准产生单元的输出电压的差值维持在较小的范围内。当计时器停止计时，进入放大电路正常工作阶段时，上电控制单元的控制信号C1信号变为低电平，C1控制受控基准产生单元的输出处于高阻状态，同理地，N1，N2...Nm端不再受受控基准产生单元输出端的控制。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，参考图5，示出了本发明的一种基准产生单元和受控基准生产单元的具体示例的结构图。其中，所述基准产生单元51包括连接在电源电压VDD与地之间的电流源It和晶体管Mt，电流源It流过二极管连接的晶体管Mt，通过晶体管Mt的栅极向传感器50的SUB端输出基准偏置电压；

所述受控基准产生单元52包括连接在电源电压VDD与地之间的电流源I1和晶体管M1，以及，连接在电流源I1输出端及晶体管M1栅极的开关；当所述开关闭合时，电流源I1流过二极管连接的晶体管M1，通过晶体管M1的栅极向传感器的N1端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；当所述开关断开时，断开晶体管M1与传感器50的N1端的连接，传感器的N1端处于高阻状态。

在放大电路单元正常工作时，SUB端必须提供一个稳定的电压，所以电流源It的电流一般设计的较大，而且晶体管Mt的W/L的值（晶体管Mt的宽与长的比值）也设计的较大，这样当传感器从SUB端抽取电流时，SUB端电压能够基本保持恒定。而电流源I1只需要在上电启动阶段工作，因此电流源I1的电流值设计的较小。在实际中，It/I1=n，n为大于10的正整数，而且n=Ct/Cs，其中Ct为SUB端电容，Cs为N1端电容，在上电启动阶段，因为电流It与I1的比例和Ct与Cs的比例相等，所以SUB上升的斜率和N1上升的斜率近似相等。同时晶体管Mt的W/L与晶体管M1的W/L的比也为n，这样就可以保证当C1控制开关断开时，Mt的栅极电压与M1的栅极电压近似相等。这样就保证了在整个上电启动过程中，SUB端电压与N1端电压的差值维持在一个较小的范围内。当C1控制开关断开时，N1端处于高阻状态，传感器负向端（或者正向端）的电压不再受晶体管M1栅极的控制。

参考图6，示出了本发明的一种上电控制单元的具体示例的结构图。其中包括一个计时器61（或者是一个延迟模块），一个上电复位电路62和一个逻辑控制单元63。上电复位电路用于在芯片上电阶段产生一个复位信号去控制计时器。计时器61（或者延迟模块）用于在复位信号控制后，计时一段时间，保证芯片上电阶段能够在该计时时间内结束后，系统进入稳定的工作状态。所述逻辑控制单元63用于在计时器开始计时至计时结束前，产生第一控制信号；以及，在计时器停止计时后，产生第二的控制信号。在具体实现中，所述第一控制信号为高电平，所述第二控制信号为低电平；或者，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平。

当然，上述基准产生单元、受控基准产生单元、上电控制单元的结构亦仅仅用作示例，本领域技术人员根据实际需求采用任一相应结构都是可行的，本发明对此无需加以限制。

参考图7，示出了传感器两端SUB和N1以及控制信号C1的输出波形。如图所示，采用本发明实施例后，传感器两端电压SUB和N1同步上升，使传感器两端的电压基本保持恒定，避免了上电启动阶段传感器因其两端电压差大而烧坏。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种传感器的偏置电压控制电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种传感器的偏置电压控制电路，包括与传感器一端连接的基准产生单元，用于向传感器的一端输出基准偏置电压，其特征在于，所述传感器的偏置电压控制电路还包括：

与传感器另一端连接的受控基准产生单元，用于根据上电控制单元的控制，向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；其中，所述受控基准产生单元与基准产生单元具有相同结构，所述相关偏置电压与基准偏置电压的电压差在-1V——+0.5V之间；

与所述受控基准产生单元连接的上电控制单元，用于在上电启动阶段控制受控基准产生单元输出所述与基准偏置电压相关的偏置电压；以及，在上电启动阶段结束后，控制所述受控基准产生单元的输出与传感器断开。

2.如权利要求1所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述基准产生单元、受控基准产生单元和上电控制单元均设置在芯片内部。

3.如权利要求1或2所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述上电控制单元在上电启动阶段输出第一控制信号，在上电启动阶段结束后输出第二控制信号；

所述受控基准产生单元依据所述第一控制信号向传感器的另一端输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；以及，依据所述第二控制信号使所述受控基准产生单元的输出处于高阻状态。

4.如权利要求3所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述基准产生单元包括电流源（It）和晶体管（Mt），所述电流源（It）和晶体管（Mt）连接在电源电压VDD与地之间，电流源（It）流过二极管连接的晶体管（Mt），通过晶体管（Mt）的栅极向传感器的一端（SUB）输出基准偏置电压；

所述受控基准产生单元包括电流源（I1）和晶体管（M1），所述电流源（I1）和晶体管（M1）连接在电源电压VDD与地之间，以及，连接在电流源（I1）输出端及晶体管（M1）栅极之间的开关；当所述开关闭合时，电流源（I1）流过二极管连接的晶体管（M1），通过晶体管（M1）的栅极向传感器的另一端（N1）输出与所述基准偏置电压相关的偏置电压；当所述开关断开时，断开晶体管（M1）与传感器的另一端（N1）的连接，传感器的另一端（N1）处于高阻状态。

5.如权利要求4所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述基准产生单元中电流源（It）的电流值，为受控基准产生单元中电流源（I1）的电流值的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

6.如权利要求4所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述基准产生单元所连接的传感器一端（SUB）的电容（Ct），为受控基准产生单元所连接的传感器另一端（N1）的电容（Cs）的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

7.如权利要求4所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述基准产生单元中晶体管（Mt）的宽长比，为受控基准产生单元中晶体管（M1）的宽长比的n倍；其中，所述n为大于10的正整数。

8.如权利要求3所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述上电控制单元中包括计时器、上电复位电路和逻辑控制单元，所述上电复位电路用于在上电时产生复位信号控制计时器，所述计时器用于按照预定时间进行计时；所述逻辑控制单元用于在计时器开始计时至计时结束前，产生第一控制信号；以及，在计时器停止计时后，产生第二控制信号。

9.如权利要求8所述的传感器的偏置电压控制电路，其特征在于，所述第一控制信号为高电平，所述第二控制信号为低电平；或者，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平。

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