CN103856730A

CN103856730A - 基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路及其读出方法

Info

Publication number: CN103856730A
Application number: CN201410020862.0A
Authority: CN
Inventors: 徐斌; 袁永刚; 李向阳; 马丁; 叶柏松
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明公开一种基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路及其读出方法。紫外焦平面读出电路包括：前端电荷积分模块，用于对紫外探测器的微弱光生电流进行积分，实现电流到电压的转换；像素级模数转换模块，实现在像素内量化模拟电压，并锁存量化结果；行/列选择控制电路实现对焦平面上每一个单元的选择；感应放大器感应像素内量化结果，进行放大并送到输出总线；输出级缓冲器用于增大电路的输出驱动能力，把输出信号依次串行输出。本发明的读出电路，将紫外探测器信号直接转换成数字信号，通过减小模拟信号传输路径来降低噪声对信号的干扰，实现片上模数转换，有效提高了紫外焦平面芯片的信噪比，可以应用于微弱紫外信号的检测与成像。

Description

基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路及其读出方法

技术领域

本发明涉及紫外焦平面读出电路信号处理技术，特别是一种基于像素级模数转换结构的紫外焦平面读出电路及其读出方法。

背景技术

紫外探测技术由于其特有的“日盲”和“可见盲”特性，在民事和军事方面具有广泛的应用前景。紫外焦平面阵列是紫外探测技术的核心部分，主要由紫外探测器阵列和读出电路组成。读出电路对紫外探测器输出的微弱信号进行积分、放大后，通过多路选择器输出给模数转换器进行模拟信号数字化转换。读出电路的性能将直接影响紫外焦平面的质量。随着紫外焦平面成像质量要求的不断提高，阵列规模不断增加、单元尺寸的不断减小、系统集成度不断提高，对读出电路的性能和面积也有了更高的要求。

常用的焦平面阵列读出方法为：驱动信号控制焦平面阵列进行复位和光电流在电容上的积分，行/列选择控制电路和多路选择器将模拟电压信号串行输出给后端噪声抑制电路和模数转换器。这种方法的读出电路仅实现了光电流到电压的转换，模拟信号电压需要在焦平面外部进行模数转换，模拟信号传输路径长，不可避免的受到外部噪声的影响，降低信号信噪比；其次，随着焦平面阵列规模的不断增大，探测器单元数量不断增多，在保证帧频的情况下，对后端模数转换器的速度要求越来越高，功耗和面积越来越大，难以实现。

将模数转换器集成到一列或者数列中，即探测器阵列中每列或者是数列像素单元共享一个模数转换器。由于模数转换器并行工作，同时对一行像素单元进行模数转换，模数转换器的速度、功耗和面积要求降低。这种读出方法的问题有：模拟信号的传输路径较长，噪声影响较大；高帧频大面阵的成像对模数转换器的速率要求依然很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种将紫外探测器阵列输出的光电信号读出、积分转换成模拟电压信号，在像素单元内采用数字编码技术将模拟信号转换成数字信号输出的紫外焦平面读出电路。

本发明的另一个目的是提供上述读出电路的读出方法。

本发明的技术方案如下：

基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路，包括：集成在M行×N列像素阵列中的M行×N列像素单元电路、行选择控制电路、列选择控制电路、驱动信号模块、感应放大器和输出级缓冲器。

所述的M行×N列像素单元电路模块中，每个单元电路由前端电荷积分模块和模数转换模块构成。同一列像素单元数字信号输出由行选择控制电路模块控制，连接在同一条列总线上，并与列共享感应放大器相连，感应放大器的输出经过控制晶体管连接到输出总线，然后通过输出级缓冲器连接输出端口，列选择控制电路模块的输出与控制晶体管相连，控制各列感应放大器的输出。

所述的前端电荷积分模块包括复位晶体管、积分电容、运算放大器A1、传输门和采样电容，复位晶体管与积分电容并联，并跨接在运放A1的输出端和“-”输入端，紫外焦平面器件光敏元的阳极与运放A1的“-”输入端相连，阴极与运放A1的“+”输入端相连，采样电容正极通过传输门与运放A1的输出相连，同时也与比较器A2的“+”输入端相连。

所述的模数转换模块包括比较器A2和锁存器，比较器A2的“+”输入端与前端电荷积分模块中的采样电容正极相连，“-”输入端与驱动信号模块中的比较信号端相连，输出端与锁存器触发端相连，锁存器输出控制端连接行选择控制电路中的行选通信号端，输出端连接读出电路的列总线，锁存器的写信号端连接驱动信号模块的写输入输出端。

所述的锁存器由输入控制电路、输出控制电路和锁存电路构成，其中输入控制电路由4个晶体管串联堆叠而成，4个晶体管的栅极相连，作为锁存器输入控制端，串联堆叠晶体管的漏级作为锁存器写信号端；锁存电路由1个电容和1个晶体管构成，电容的正极与晶体管栅极连接，并与堆叠晶体管的源极相连，电容的负极与晶体管源极连接，并与地相连；输出控制电路由1个晶体管构成，晶体管的栅极作为锁存器输出控制端，晶体管的源极与锁存电路中晶体管的漏级相连，晶体管的漏级作为锁存器输出端。

所述的基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路的读出方法，以一帧作为重复的工作周期，一帧包括：单元阵列中各个像素单元并行积分和模数转换、各个像素单元信号的串行输出，具体包括以下步骤：

1）对单元阵列中各个像素单元同时进行复位和积分；

2）积分结束后，同时采样各像素单元的模拟信号并进行数字化；

3）行选择控制电路依次选通第一行至最后一行，在某一行行选通信号有效期间，该行对应的各个像素单元内的信号输出到对应的感应放大器；

4）列选择控制电路依次选通第一列至最后一列，感应放大器的输出信号串行送到输出总线并通过输出级缓冲器进行输出。

所述的以一帧做为重复的工作周期，即焦平面读出电路完成紫外光电信号的转换、积分、数字化和信号输出的周期T_f包括：读出电路的复位时间T_reset，电荷信号的积分时间T_int，模拟信号到数字信号的转换时间T_adc，M行行选通信号有效时间T_row×M四部分，即T_f=T_reset+T_int+T_adc+T_row×M；行选通信号有效时间T_row需要满足T_row≧T_col×N，T_col为列选通信号有效时间。

本发明有如下优点：

1、将模数转换器集成到像素单元内，系统结构紧凑、集成度高，最大程度减少噪声对模拟信号的影响，提高系统的信噪比；

2、像素内集成的模数转换器并行工作，信号处理速度快，提高焦平面成像的帧频，可以实现高速图像摄取和实时成像；

3、当模数转换动作完成，进行数据读出时，可以同时进行下一帧信号的复位和积分，从而实现单元电路的复用，进一步提高帧频；

4、系统对模数转换器的速率要求降低，在相同电路设计条件下，可以获得精度更高、功耗更小的模数转换器；

5、可以根据光照强度和探测器响应率灵活调节前端电荷积分模块的积分时间和参考电压，获得较大的输出动态范围；

6、输出数据为数字信号，允许快速直接的后端信号处理。

附图说明

图1是本发明的整体框图。

图2是本发明的单元电路及体系结构。

图3是本发明的电荷积分模块所采用的运算放大器的晶体管级结构图。

图4是本发明所采用的高增益比较器的晶体管级结构图。

图5是本发明所采用的锁存器的晶体管级结构图。

图6是本发明的某一行的模数转换模块的时序图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路及其读出方法做出详细说明。

本发明的基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路，其整体框图如图1所示。采用DP4M标准CMOS工艺设计，像素单元大小为50微米×50微米。

图2是单元电路及体系结构示意图。每个单元电路由前端电荷积分模块和模数转换模块构成。前端电荷积分模块包括复位晶体管、积分电容、运算放大器A1、传输门和采样电容，复位晶体管与积分电容并联，并跨接在运放A1的输出端和“-”输入端，紫外焦平面器件光敏元的阳极与运放A1的“-”输入端相连，阴极与运放A1的“+”输入端相连，采样电容正极通过传输门与运放A1的输出相连，同时也与比较器A2的“+”输入端相连。模数转换模块包括比较器A2和锁存器，比较器A2的“+”输入端与前端电荷积分模块中的采样电容正极相连，“-”输入端与驱动信号模块中的比较信号端相连，输出端与锁存器触发端相连，锁存器输出控制端连接行选择控制电路中的行选通信号端，输出端连接读出电路的列总线，锁存器的写信号端连接驱动信号模块的写输入输出端。同一列像素单元数字信号输出连接在同一条列总线上，并与列共享感应放大器相连。感应放大器的输出经控制晶体管连接到输出总线，然后通过输出级缓冲器进行连接输出端口。列选择控制电路的输出与控制晶体管相连，控制各列感应放大器的输出。

前端电荷积分模块的模拟输出电压V_o(t)与光电流I_d、积分电容C_int、积分时间t和参考电压V_ref的关系为：

根据光照强度和探测器响应率灵活调节积分时间和参考电压，可以获得需要的输出动态范围。积分结束后，采样V_o(t)并保持至模数转换结束。图3是运算放大器A1的晶体管级结构图，增大输入MOS管M1，M2可以有效减小运放的1/f噪声，增大密勒电容Cc、减小器件电容可以减小运放的热噪声，在面积有限的情况下，需要折衷考虑。

模数转换模块由比较器A2和锁存器组成。图5是锁存器的晶体管级结构图，M20由4个晶体管堆叠而成，晶体管的栅极相连，并与比较器A2的输出连接；晶体管M21的栅极与晶体管M20的漏极连接，晶体管M21的漏极与地相连，源级与晶体管M22的漏极相连；晶体管M22的栅极接行选通输入信号，源级与列总线相连；电容C_T的正极与晶体管M21的栅极相连，负极与地相连。锁存器的动作特点是：M20的栅极受比较器输出端控制，当比较器输出高电平时，M21的栅极等于写信号；当比较器输出由高电平跳变为低电平时，M21的栅极锁存此时的写信号。读出阶段，读控制信号有效，若M21的栅极为高电平，则M21晶体管导通，输出低电平；若M21的栅极为低电平，则M21晶体管关闭，输出高电平。图4是比较器A2的晶体管级结构图，采用二级开环模式，前两级作为增益放大级，第三级用于提高动态范围。比较器的增益和输出延迟时间分别决定了模数转换器的有效位数和转换速率。在本发明中，由于采用了并行模式，对模数转换器的速率要求低，可以在有效面积内实现更高分辨率的模数转换器。

所述基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路，其工作时序如下：

在一帧周期内，先对单元阵列中各个像素单元同时进行复位和积分；积分结束后，同时采样各像素单元的模拟信号并进行数字化；信号数字化完成后，依次选通各行各列，串行输出数字信号。

在信号数字化完成后，所述各行各列像素单元内的信号按照以下顺序转移到输出级缓冲器输出：行选择控制电路依次选通第一行至最后一行，在某一行行选通信号有效期间，该行对应的各个像素单元内的信号输出到对应的感应放大器，列选择控制电路依次选通第一列至最后一列，感应放大器的输出信号串行送到输出总线并通过输出级缓冲器进行输出。

图6是某一行的模数转换模块的时序图。比较信号是不断上升的阶梯信号，阶梯的高低电势差对应模数转换器的输入动态范围，每一级台阶的高度对应一个最低有效位（LSB），台阶之间的0电位用于每次比较前复位锁存器。写信号在台阶的后1/4时段处于高电平，其它均保持低电平状态。读控制信号在写信号处于高电平一段时间后有效。对于模拟输入电压V1，前两个台阶的比较器输出均为高电平，读控制信号有效时，输出信号等于写信号，即高电平；从第三个台阶开始，比较器输出为低电平，锁存器锁存信号跳变时写信号的低电平，然后输出；V1共输出2个高电平脉冲。模拟输入电压V2用相同方法分析，共输出4个高电平脉冲。通过对电路输出的高电平脉冲进行计数，实现模拟信号向数字信号的转换。

Claims

1.一种基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路，包括：集成在M行×N列像素阵列中的M行×N列像素单元电路模块、行选择控制电路模块、列选择控制电路模块、驱动信号模块、感应放大器和输出级缓冲器模块，其特征在于：

所述的M行×N列像素单元电路模块中，每个单元电路由前端电荷积分模块和模数转换模块构成；同一列像素单元数字信号输出由行选择控制电路模块控制，连接在同一条列总线上，并与列共享感应放大器相连，感应放大器的输出经过控制晶体管连接到输出总线，然后通过输出级缓冲器连接输出端口，列选择控制电路模块的输出与控制晶体管相连，控制各列感应放大器的输出；

所述的前端电荷积分模块包括复位晶体管、积分电容、运算放大器A1、传输门和采样电容，复位晶体管与积分电容并联，并跨接在运放A1的输出端和“-”输入端，紫外焦平面器件光敏元的阳极与运放A1的“-”输入端相连，阴极与运放A1的“+”输入端相连，采样电容正极通过传输门与运放A1的输出相连，同时也与比较器A2的“+”输入端相连；

所述的模数转换模块包括比较器A2和锁存器，比较器A2的“+”输入端与前端电荷积分模块中的采样电容正极相连，“-”输入端与驱动信号模块中的比较信号端相连，输出端与锁存器输入控制端相连，锁存器输出控制端连接行选择控制电路中的行选通信号端，输出端连接读出电路的列总线，锁存器的写信号端连接驱动信号模块的写输入输出端；

2.一种基于权利要求1所述读出电路的读出方法，其特征在于：

以一帧做为重复的工作周期，一帧包括：单元阵列中各个像素单元并行积分和模数转换、各个像素单元信号的串行输出，具体包括以下步骤：

1）对单元阵列中各个像素单元同时进行复位和积分；

3.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述读出电路的读出方法，其特征在于：所述的以一帧做为重复的工作周期，即焦平面读出电路完成紫外光电信号的转换、积分、数字化和信号输出的周期T_f包括：读出电路的复位时间T_reset，电荷信号的积分时间T_int，模拟信号到数字信号的转换时间T_adc，M行行选通信号有效时间T_row×M四部分，即T_f=T_reset+T_int+T_adc+T_row×M；行选通信号有效时间T_row需要满足T_row≧T_col×N，T_col为列选通信号有效时间。