CN104270137A - 一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器，其特征在于包括电压转换成电流电路和运算放大器电路；其优越性在于：用于红外面阵型探测器读出电路中，能够提高输出缓冲器电路对负载的驱动能力，极大提高缓冲器电路的信号输出速度，加快输出信号的建立时间，并降低红外面阵型探测器读出电路的整体功耗。

Description

一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器

技术领域

本发明属于红外读出电路领域，涉及半导体集成电路与标准CMOS工艺的一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速缓冲器。

背景技术

读出电路(Readout Integrated Circuit，ROIC)是非制冷红外焦平面阵列探测器的核心部件之一。目前，读出电路主要使用标准CMOS工艺制作，其基本功能是将红外焦平面阵列中探测元的光电特性信号进行转换、放大后输出到成像电路中。

读书电路的性能直接决定了探测器的成像质量，其测试信号非常微弱，因此对电路的要求也比较苛刻，包括电荷存储容量要大、噪声低、动态范围大、功耗低、对红外探测器偏压控制良好，而且阵列尺寸和中心距要小。随着红外焦平面技术的发展，阵列越来越大，像素尺寸越来越小，对功耗和成本的要求也越来越高。读出电路在很多情况下已成为限制非制冷红外焦平面技术进一步发展的瓶颈，当然也是影响我国非制冷红外焦平面阵列探测器快速发展的关键技术之一。

高速输出缓冲器电路用于将经过积分放大、采样/保持后的信号高速串行输出，并驱动读出电路芯片外的负载。高速输出缓冲器电路采用单位增益负反馈运算放大器结构，为达到高速、高精度、高性能的要求，设计时应有较低的噪声和失调电压影响，较大的输入/输出摆幅和带宽，以及较高的增益、稳定性、电源抑制比和负载驱动能力，同时要消耗较少的功耗。

发明内容

高速输出缓冲器用于缓冲用于探测像元读出的信号，为后续电路提供足够的驱动能力。随着像素阵列大小的增加和帧频的提高，对输出缓冲器的设计要求也越来越高，建立时间、精度、摆率和输入/输出范围等都是其重要的设计参数。

为了克服一般输出缓冲器建立时间太长带来的问题，本发明采用先将电压转化成电流，从而减少了建立时间，使得输出信号的建立时间更短。主要由两个部分组成：电压转换电流电路，运算放大器电路。其中电压转换电流电路，运算放大器电路通过IOUTN端子与I_N端子连接、IOUTP端子与I_P端子连接，首先是将电压转换成电流，其中VI_P和VI_N输入信号。当作为高速输出缓冲器使用的工作状态，输入信号端VI_N在工作时为闭环系统，与输出信号端Video连接。输入信号端VI_P外接有信号源提供的激励电压，通过时序信号控制_EN和_SW开启和关断，以此来控制输入信号端VI_N的信号输入，从而控制高速缓冲器整体的工作状态。端子IOUTP和端子IOUTN分别为VI_P和VI_N经转化获得的电流信号，端子IOUTP和端子IOUTN分别连接着开关管Mp1和Mp2的源端。当外界将控制时序信号_EN选通时，此时输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。输入偏置VBN连接Mn5的栅端，Mn5的漏端连接Mn3和Mn4的源端。输入信号端VI_N的信号通过输入对管Mn6和Mp7导入。

输入信号端VI_P和输入信号端VI_N转换成电流后通过端子I_P和端子I_N连接到运算放大器中，输入信号端VI_P和输入信号端VI_N连接Mp8和Mp9的漏端，Mp8和Mp9的源端连接到电源VCC，Mp8和Mp9的栅端连接输入偏置Vbp1，Mp8和Mp9的主要作用是控制该支路的电流。Mp8和Mp9的漏端分别连接Mp10和Mp11的源端，Mp10和Mp11的栅端连接输入偏置Vbp2。Mn12、Mn13、Mn14和Mn15分别连接为电流镜结构。输入偏置Vbp3控制Mp16的栅压。输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，输入偏置Vbn1控制Mn19的栅压，可调节尾电流。电容C1、C2和C3构成可调电容和补偿电容，Mp20的漏端与Mn23的漏端连接，并连接到输出信号端Video。

电压转换成电流电路采用输入信号端VI_P和输入信号端VI_N栅端作为信号输入。其中输入信号端VI_N是通过控制时序信号_EN和_SW进行控制，来选择是否输入VI_N。输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。转换成电流后通过端子I_P和端子I_N连接到运算放大器中，经过运算放大器后输出到输出信号端Video。采用电压转换成电流电路后，加快了输出信号的建立时间。电容C1、C2和C3分别为补偿作用，电容C2和C3通过时序控制开关ctr1控制接入的补偿电容值，从而调节运放的增益和带宽，使得输出的建立时间变为可控。

高速缓冲器中的输入信号端VI_N是通过时序控制_EN和控制_SW控制，来选择是否输入VI_N。输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。

高速缓冲器中的输入信号端VI_N通过通过控制时序_EN和_SW进行控制，当控制时序_EN选通时，输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。控制时序_EN和_SW同时关闭时，可以避免电荷注入效应及失调电压影响，同时也可以关断整个高速缓冲器，从而降低电路功耗。

Mp8和Mp9的栅端连接到输入偏置Vbp1，漏端分别连接到Mp10和Mp11的源端，Mp10和Mp11的栅端连接到输入偏置Vbp2。Mn12和Mn13，以及Mn14和Mn15分别构成电流镜结构。输入偏置Vbp3控制Mp16的栅压。输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，输入偏置Vbn1控制Mn19的栅压。

电容C1、C2和C3分别为电容补偿作用，电容C2和C3通过开关控制时序ctr1控制接入的补偿电容值，使得运算放大器的增益和带宽得到补偿。

输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，这使得Mp17和Mn18所构成的支路中总有一条支路是导通的，实现既能传输高电平，也能传输低电平，最终使得Video的输出范围接近GND～VCC。

附图说明

图1是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器的电路图。

图2是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器中电压转换成电流电路的电路图。

图3是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速输出缓冲器中运算放大器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速缓冲器，包括输入信号端VI_P和输入信号端VI_N、输出信号端Video、电源VCC、地端子GND、输入偏置VBN、输入偏置Vbp1、输入偏置Vbp2、输入偏置Vbp3、输入偏置Vbp4、输入偏置Vbn1、输入偏置Vbn2、控制时序_EN、控制时序_SW、控制时序ctr1。主要由两个部分组成：电压转换电流电路，运算放大器电路。

上述所说的电压转换电流电路(见图2)，其中VI_P和VI_N输入信号。当作为高速输出缓冲器使用的工作状态，输入信号端VI_N在工作时为闭环系统，与输出信号端Video连接。输入信号端VI_P外接有信号源提供的激励电压，通过时序信号控制_EN和_SW开启和关断，以此来控制输入信号端VI_N的信号输入，从而控制高速缓冲器整体的工作状态。端子IOUTP和端子IOUTN分别为VI_P和VI_N经转化获得的电流信号，端子IOUTP和端子IOUTN分别连接着开关管Mp1和Mp2的源端。当外界将控制时序信号_EN选通时，此时输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。输入偏置VBN连接Mn5的栅端，Mn5的漏端连接Mn3和Mn4的源端。输入信号端VI_N的信号通过输入对管Mn6和Mp7导入。

上述所说的运算放大电路(见图3)，输入信号端VI_P和输入信号端VI_N转换成电流后通过端子I_P和端子I_N连接到运算放大器中，输入信号端VI_P和输入信号端VI_N连接Mp8和Mp9的漏端，Mp8和Mp9的源端连接到电源VCC，Mp8和Mp9的栅端连接输入偏置Vbp1，Mp8和Mp9的主要作用是控制该支路的电流。Mp8和Mp9的漏端分别连接Mp10和Mp11的源端，Mp10和Mp11的栅端连接输入偏置Vbp2。Mn12、Mn13、Mn14和Mn15分别连接为电流镜结构。输入偏置Vbp3控制Mp16的栅压。输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，输入偏置Vbn1控制Mn19的栅压，可调节尾电流。电容C1、C2和C3构成可调电容和补偿电容，Mp20的漏端与Mn23的漏端连接，并连接到输出信号端Video。

Claims (7)

1.一种用于红外面阵型探测器读出电路的高速缓冲器，包括输入信号端VI_P和输入信号端VI_N、输出信号端Video、电源VCC、地端子GND、输入偏置VBN、输入偏置Vbp1、输入偏置Vbp2、输入偏置Vbp3、输入偏置Vbp4、输入偏置Vbn1、输入偏置Vbn2、控制时序_EN、控制时序_SW、控制时序ctr1；主要由两个部分组成：电压转换电流电路，运算放大器电路；其中电压转换电流电路，运算放大器电路通过IOUTN端子与I_N端子连接、IOUTP端子与I_P端子连接，首先是将电压转换成电流，其中VI_P和VI_N输入信号；当作为高速输出缓冲器使用的工作状态，输入信号端VI_N在工作时为闭环系统，与输出信号端Video连接；输入信号端VI_P外接有信号源提供的激励电压，通过时序信号控制_EN和_SW开启和关断，以此来控制输入信号端VI_N的信号输入，从而控制高速缓冲器整体的工作状态；端子IOUTP和端子IOUTN分别为VI_P和VI_N经转化获得的电流信号，端子IOUTP和端子IOUTN分别连接着开关管Mp1和Mp2的源端；当外界将控制时序信号_EN选通时，此时输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN；输入偏置VBN连接Mn5的栅端，Mn5的漏端连接Mn3和Mn4的源端；输入信号端VI_N的信号通过输入对管Mn6和Mp7导入；

输入信号端VI_P和输入信号端VI_N转换成电流后通过端子I_P和端子I_N连接到运算放大器中，输入信号端VI_P和输入信号端VI_N连接Mp8和Mp9的漏端，Mp8和Mp9的源端连接到电源VCC，Mp8和Mp9的栅端连接输入偏置Vbp1，Mp8和Mp9的主要作用是控制该支路的电流；Mp8和Mp9的漏端分别连接Mp10和Mp11的源端，Mp10和Mp11的栅端连接输入偏置Vbp2；Mn12、Mn13、Mn14和Mn15分别连接为电流镜结构：输入偏置Vbp3控制Mp16的栅压；输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，输入偏置Vbn1控制Mn19的栅压，可调节尾电流；电容C1、C2和C3构成可调电容和补偿电容，Mp20的漏端与Mn23的漏端连接，并连接到输出信号端Video。

2.根据权利要求1所述的高速输出缓冲器，其电压转换成电流电路采用输入信号端VI_P和输入信号端VI_N栅端作为信号输入；其中输入信号端VI_N是通过控制时序信号_EN和_SW进行控制，来选择是否输入VI_N；输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN；转换成电流后通过端子I_P和端子I_N连接到运算放大器中，经过运算放大器后输出到输出信号端Video；采用电压转换成电流电路后，加快了输出信号的建立时间；电容C1、C2和C3分别为补偿作用，电容C2和C3通过时序控制开关ctr1控制接入的补偿电容值，从而调节运放的增益和带宽，使得输出的建立时间可控。

3.根据权利要求1所述的高速缓冲器，其中输入信号端VI_N是通过时序控制_EN和控制_SW控制，来选择是否输入VI_N；输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN。

4.根据权利要求1所述的高速缓冲器，其输入信号端VI_N通过通过控制时序_EN和_SW进行控制，当控制时序_EN选通时，输入信号端VI_P和VI_N输入的电压分别转换成电流IOUTP和IOUTN；控制时序_EN和_SW同时关闭时，可以避免电荷注入效应及失调电压影响，同时也可以关断整个高速缓冲器，从而降低电路功耗。

5.根据权利要求1所述的高速缓冲器；Mp8和Mp9的栅端连接到输入偏置Vbp1，漏端分别连接到Mp10和Mp11的源端，Mp10和Mp11的栅端连接到输入偏置Vbp2；Mn12和Mn13，以及Mn14和Mn15分别构成电流镜结构；输入偏置Vbp3控制Mp16的栅压；输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，输入偏置Vbn1控制Mn19的栅压。

6.根据权利要求1和权利要求4所述的高速缓冲器，输入偏置Vbp4为Mp17的栅压，输入偏置Vbn2为Mn18的栅压，这使得Mp17和Mn18所构成的支路中总有一条支路是导通的，实现既能传输高电平，也能传输低电平，最终使得Video的输出范围接近GND～VCC。

7.根据权利要求1和权利要求2所述的高速缓冲器；电容C1、C2和C3分别为电容补偿作用，电容C2和C3通过开关控制时序ctr1控制接入的补偿电容值，使得运算放大器的增益和带宽得到补偿。