CN106791510B - 一种高速红外图像传感器读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速红外图像传感器读出电路，包括光生电压产生模块及输出驱动模块，光生电压产生模块用于将接收红外线照射时的红外感光单元的阻抗变化转换为光生电压变化，输出驱动模块用于向下一级输出光生电压。本发明的读出电路可以有效提高红外图像传感器的读出速度，并可以减小工艺变化对输出的影响，适于推广使用。

Description

一种高速红外图像传感器读出电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种高速红外图像传感器读出电路。
背景技术
由于利用了红外线的特殊属性，红外图像传感器在气象监测，医疗检测，军事探测，火灾监测等多个领域获得了广泛应用。随着半导体工艺的进步，红外图像传感器芯片获得了极大的成功。由于其体积较小，应用方便的优点，逐渐变为业界主流。
红外图像传感器利用片上红外感光阵列接收红外线的变化，之后通过读出电路将各个像素点的光生电流变化转换为光生电压，随后利用ADC(模数转换器)对光生电压进行模数转换，随后将输出数据通过数字编码获得一幅红外照片。
传统红外图像传感器的读出电路包括自积分，直接注入，电容反馈跨阻放大器等架构。这些架构均需要将光生电流对电容做积分处理，需要一定的积分时间，因此限制了光生电压的读出速度，在需要高速读出的应用场合变得不适用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高速红外图像传感器读出电路，可以有效提高红外图像传感器的读出速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高速红外图像传感器读出电路，包括：
光生电压产生模块，用于将接收红外线照射时的红外感光单元的阻抗变化转换为光生电压变化；
输出驱动模块，用于向下一级输出光生电压；
其中，所述光生电压产生模块包括红外暗像素单元，运算放大器，第一、第二MOS管，红外感光单元；
所述红外暗像素单元与所述红外感光单元均为二端口器件，所述红外暗像素单元的一端与第一参考电压相连，另一端与所述第一MOS管的漏极相连；
所述运算放大器的负向输入端与第二参考电压相连，其输出端与所述第一MOS管的栅极相连，其正向输入端与所述第一MOS管的源极及所述第二MOS管的漏极相连；
所述红外感光单元的一端与所述第二MOS管的源极相连，另一端与电源负极相连；
所述第一MOS管的漏极与所述输出驱动模块相连；
所述红外暗像素单元不接收红外线照射，所述红外感光单元接收红外线照射。
优选地，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元在高速红外图像传感器读出电路中分别作为一个等效电阻。
优选地，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
优选地，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元在同一工艺中制成。
优选地，所述输出驱动模块包括第三MOS管和电流源；其中，所述第三MOS管的栅极与所述第一MOS管的漏极相连，其漏极与电源正极相连，其源极与所述电流源的正极相连，并作为所述高速红外图像传感器读出电路的输出端；所述电流源的负极与电源负极相连。
优选地，所述第一-第三MOS管为NMOS管。
优选地，所述第一MOS管的漏极电压与所述红外感光单元的等效电阻值具有对应关系。
优选地，所述第一MOS管的漏极电压为经光生电压产生模块转换的光生电压。
优选地，所述高速红外图像传感器读出电路的输出电压与所述红外感光单元的等效电阻值具有对应关系。
本发明的高速红外图像传感器读出电路在选中当前像素后即可立即读出输出电压，与传统架构相比不需要进行电容充放电，极大地节省了红外图像传感器的读出处理时间，因此非常适用于高速读出的应用场合。此外，由于红外暗像素单元和红外感光单元采用同种材料制作，因此二者受工艺偏差的影响是一致的，可以极大地降低工艺偏差带来的影响，提高高速读出时的精度。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种高速红外图像传感器读出电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种高速红外图像传感器读出电路的电路原理图。如图1所示，本发明的一种高速红外图像传感器读出电路，包括光生电压产生模块，如图中虚线框1内结构所示，以及与光生电压产生模块连接的输出驱动模块，如图中虚线框2内结构所示。光生电压产生模块用于将接收红外线照射时的红外感光单元的阻抗变化转换为光生电压变化；输出驱动模块用于向下一级输出光生电压。
请参阅图1。所述光生电压产生模块至少包括一个红外暗像素单元，一个运算放大器，第一、第二MOS管，以及一个红外感光单元。所述红外暗像素单元与所述红外感光单元均为二端口器件，其在高速红外图像传感器读出电路中可分别等效为一个电阻。所述红外暗像素单元与所述红外感光单元可由同种材料制成；并且，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元可进一步在同一工艺中同时制成。其中，所述红外暗像素单元不接收红外线照射，只采用所述红外感光单元接收红外线照射。
请参阅图1。所述红外暗像素单元等效电阻Rdark的一端与参考电压V1(第一参考电压)相连，等效电阻Rdark的另一端与所述第一MOS管M1的漏极相连于节点N1。所述运算放大器OPA1的负向输入端与参考电压V2(第二参考电压)相连，运算放大器OPA1的输出端与所述第一MOS管M1的栅极相连，运算放大器OPA1的正向输入端与所述第一MOS管M1的源极及所述第二MOS管M2的漏极相互连接于节点N2。所述红外感光单元等效电阻Rdet的一端与所述第二MOS管M2的源极相连，红外感光单元等效电阻Rdet的另一端与电源负极VSS相连，所述第二MOS管M2的栅极接输入端S0。所述第一MOS管M1的漏极与所述输出驱动模块相连。
根据运算放大器的虚短虚断原理，节点N2的电压等于第二参考电压V2。因此，红外感光单元流过的电流IS将满足公式(1)：
节点N1处的电压VN1满足公式(2)：
设定k1为V1和V2的电压比值，则有公式(3)：
因此，可得到公式(4)：
公式(4)中节点N1处的电压VN1即所述第一MOS管M1的漏极电压，就是经光生电压产生模块转换的光生电压。
当红外感光单元接收不同红外线照射时，其阻值Rdet会发生相应变化。公式(4)中k1、红外暗像素单元阻值Rdark、第二参考电压V2均为定值，因此，节点N1处的电压VN1的电压值将只随Rdet的变而变化，即所述第一MOS管的漏极电压与所述红外感光单元的等效电阻值具有对应关系。同时，由于红外暗像素单元和红外感光单元采用同种材料制作，因此二者受工艺偏差的影响是一致的；而公式(4)中Rdark和Rdet是一个比值，因此可以极大地降低工艺偏差带来的影响。
请参阅图1。所述输出驱动模块可至少包括第三MOS管M3和电流源I1。所述第三MOS管M3的栅极与所述第一MOS管的漏极相连于节点N1，第三MOS管M3的漏极与电源正极VDD相连，第三MOS管M3的源极与所述电流源I1的正极相连于节点VOUT，其作为本发明高速红外图像传感器读出电路的输出端，用于向下一级输出光生电压。所述电流源I1的负极与电源负极VSS相连。
上述第一-第三MOS管可以采用NMOS管。
由于第三MOS管M3是为源跟随接法，因此读出电路的输出电压VOUT将满足公式(5)：
由于电流源I1的电流是定值，因此第三MOS管M3的栅源电压VGS3也为定值；因此，本发明读出电路的输出电压VOUT与红外感光单元的等效电阻值Rdet一一对应。
也可以采用与本发明上述高速红外图像传感器读出电路等效的其他任意电路结构来构成本发明的上述高速红外图像传感器读出电路。
本发明提出的高速红外图像传感器读出电路在选中当前像素后即可立即读出输出电压，与传统架构相比不需要进行电容充放电，极大地节省了红外图像传感器的读出处理时间，因此非常适用于高速读出的应用场合。并且，由于红外暗像素单元和红外感光单元采用同种材料制作，因此二者受工艺偏差的影响是一致的，可以极大地降低工艺偏差带来的影响，提高高速读出时的精度。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，包括：
光生电压产生模块，用于将接收红外线照射时的红外感光单元的阻抗变化转换为光生电压变化；
输出驱动模块，用于向下一级输出光生电压；
其中，所述光生电压产生模块包括红外暗像素单元，运算放大器，第一MOS管、第二MOS管，红外感光单元；
所述红外暗像素单元与所述红外感光单元均为二端口器件，所述红外暗像素单元的一端与第一参考电压相连，另一端与所述第一MOS管的漏极相连；
所述运算放大器的负向输入端与第二参考电压相连，其输出端与所述第一MOS管的栅极相连，其正向输入端与所述第一MOS管的源极及所述第二MOS管的漏极相连；
所述红外感光单元的一端与所述第二MOS管的源极相连，另一端与电源负极相连；
所述第一MOS管的漏极与所述输出驱动模块相连；
所述红外暗像素单元不接收红外线照射，所述红外感光单元接收红外线照射；
所述输出驱动模块包括第三MOS管和电流源；其中，所述第三MOS管的栅极与所述第一MOS管的漏极相连，其漏极与电源正极相连，其源极与所述电流源的正极相连，并作为所述高速红外图像传感器读出电路的输出端；所述电流源的负极与电源负极相连。
2.根据权利要求1所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元在高速红外图像传感器读出电路中分别作为一个等效电阻。
3.根据权利要求1所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
4.根据权利要求1所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元在同一工艺中制成。
5.根据权利要求1所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管均为NMOS管。
6.根据权利要求2所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第一MOS管的漏极电压与所述红外感光单元的等效电阻值具有对应关系。
7.根据权利要求1或6所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第一MOS管的漏极电压为经光生电压产生模块转换的光生电压。
8.根据权利要求6所述的高速红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述高速红外图像传感器读出电路的输出电压与所述红外感光单元的等效电阻值具有对应关系。
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