CN108225564A - 一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，包括：第一模数转换器，第二模数转换器，第一功能模块电路，第二功能模块电路，PMOS管，NMOS管，传感器探测元电阻阵列，积分电路，不感光电阻；NMOS管的漏极与传感器探测元电阻阵列连接，源极分别与PMOS管的漏极和积分电路连接；PMOS管的源极与不感光电阻的一端连接，漏极还与积分电路连接；第一功能模块电路和第二功能模块电路分别与PMOS管的栅极和NMOS管的栅极连接；第一模数转换器和第二模数转换器分别与PMOS管的衬底和NMOS管的衬底连接，用于调节PMOS管和NMOS管的衬底电压。本发明通过调节晶体管的衬底电压来实现片上非均匀性的校正，降低非均匀校正时调整电压对输出的噪声贡献，提高电路的扩展性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面的非均匀性校正领域，特别是涉及一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置及方法。
背景技术
由于制作工艺和材料限制，红外焦平面阵列的非均匀性问题很突出，非均匀性的存在会减小红外探测器的动态范围，并且红外图像对比度低。非均匀性以空间分布的噪声形式存在，并且不能通过求多次测量的平均来消除，它严重影响着红外传感器的成像质量，使获取的图像信号模糊不清、畸变，甚至使传感器失去探测的能力，必须通过非均匀性校正才可以减小。非均匀性校正技术就是对探测器的非均匀性进行校正，使探测器能够输出噪声小、画质好的图像。
常用的片上非均匀性校正是依靠探测元阵列的设计，或者通过焦平面后继的信号处理电路或焦平面工作条件的选择，实现减小红外图像非均匀性的目的。目前，非均匀性校正主要采用模拟开关的片上校正法，如图1所示，该方法是通过调整施加于PMOS管5的栅极的偏置电压VP和施加于NMOS管6的栅极的偏置电压VN来调整探测元件的非均匀性，其中，PMOS管即为P沟道场效应晶体管，NMOS管即为N沟道场效应晶体管。该方法的缺点是：1.偏置电压VP、偏置电压VN的噪声会反应到积分电流Is中，通过积分电路积分得到积分电压信号Vout；2.偏置电压VP、偏置电压VN占用了PMOS管5的栅极和NMOS管6的栅极，降低了电路的扩展性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置及方法，用于解决片上非均匀校正调整电压对输出的噪声贡献大、电路的扩展性能较低等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，如图1所示，包括：第一模数转换器1，第二模数转换器2，第一功能模块电路3，第二功能模块电路4，PMOS管5，NMOS管6，传感器探测元电阻阵列7，积分电路8，不感光电阻9；
所述NMOS管6的漏极与所述传感器探测元电阻阵列7连接，源极分别与所述PMOS管5的漏极和所述积分电路连接；
所述PMOS管5的源极与所述不感光电阻9的一端连接，漏极还与所述积分电路8连接；
所述第一功能模块电路3和所述第二功能模块电路4分别与所述PMOS管5的栅极和所述NMOS管6的栅极连接；
所述第一模数转换器1和所述第二模数转换器2分别与所述PMOS管5的衬底和所述NMOS管6的衬底连接，用于调节所述PMOS管5和所述NMOS管6的衬底电压。
本发明的有益效果是：通过模数转换器与晶体管的衬底连接来调节输入积分电路的积分电流，一方面，PMOS管的栅极和NMOS管的栅极均被空出，可以设计其它电路用于电路功能的扩展；另一方面，由于模数转换器的输出噪声是一定的，当模数转换器调节晶体管的栅极电压时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的跨导gm成正比的，而当模数转换器的输出噪声作用在晶体管的衬底时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的衬底跨导gmb成正比的，而衬底跨导gmb一般只有跨导gm的1/4，所以，当输入同样大小的噪声电压时，使用本发明所述装置，其流入积分电路的噪声电流只有原来的1/4，减少了片上非均匀校正调整电压对输出信号的噪声贡献，使得在红外辐射下的传感器探测元电阻阵列中任一传感器探测元电阻与NMOS管的漏极连接时输入积分电路的积分电流保持基本一致，减少噪声干扰、实现红外焦平面非均匀校正的目的。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一功能模块电路3和第二功能模块电路4均为根据实际需要而设计的用作扩展功能的功能模块电路。
本发明的进一步有益效果是：PMOS管和NMOS管的栅极均被空出，根据实际需要设计扩展电路，进一步改善电路性能，提高了电路的应用范围。
进一步，所述积分电路8包括开关10、电容11和运算放大器12；所述开关10和所述电容11并联；所述开关10与所述运算放大器12的输入端和输出端连接；所述电容11与所述运算放大器12的输入端和输出端连接。
进一步，所述不感光电阻9的阻值与所述传感器探测元电阻阵列7中的任一传感器探测元电阻的阻值相同。
本发明还提供了一种基于如前所述装置的调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的方法，包括以下步骤：
步骤一：所述NMOS管6的漏极与所述传感器探测元电阻阵列7中的接收红外辐射的传感器探测元电阻自动连接，所述第一功能模块电路3向所述PMOS管5的栅极输入电压信号，所述PMOS管5的漏极输出电流信号I1；
步骤二：所述电流信号I1分两路流入所述NMOS管6的源极和所述积分电路8，通过所述第一模数转换器1调节所述PMOS管5的衬底电压以调节所述电流信号I1和/或通过所述第二模数转换器2调节所述NMOS管6的衬底电压以调节流入所述NMOS管6的电流信号I2，以校正流入积分电路8的积分电流Is；
步骤三：所述积分电路8根据校正后的所述积分电流Is输出积分电压信号Vout。
本发明的有益效果是：通过模数转换器调节晶体管的衬底电压来调节输入积分电路的积分电流Is，一方面，PMOS管的栅极和NMOS管的栅极均被空出，可以设计其它电路用于功能的扩展；另一方面，由于模数转换器的输出噪声是一定的，当模数转换器调节晶体管的栅极电压时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的跨导gm成正比的，而当模数转换器的输出噪声作用在晶体管的衬底时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的衬底跨导gmb成正比的，而衬底跨导gmb一般只有跨导gm的1/4，所以，当输入同样大小的噪声电压时，使用本方法，积分电路中的噪声电流只有原来的1/4，减少了片上非均匀校正调整电压对输出信号的噪声贡献，使得在红外辐射下的传感器探测元电阻阵列中任一传感器探测元电阻与NMOS管的漏极连接时输入积分电路的积分电流保持基本一致，减少噪声干扰、实现红外焦平面非均匀校正的目的。
进一步，所述第一模数转换器1自动连续地向所述PMOS管5的衬底输入不同的调节电压。
进一步，所述第二模数转换器2自动连续地向所述NMOS管6的衬底输入不同的调节电压。
进一步，所述第一模数转换器1输入所述PMOS管5的衬底的调节电压的位数和/或所述第二模数转换器2输入所述NMOS管6的衬底的调节电压的位数均根据实际精度需要进行调节。
本发明的进一步有益效果是：可以根据校正精度需要，在模数转换器内设定实际需要的节数的电压，第一模数转换器自动连续地向PMOS管的衬底输入固定节位的一系列的调节电压和/或第二模数转换器自动连续地向NMOS管的衬底输入固定节位的一系列的调节电压，提高了校正的精度，减少了噪声对输出信号的干扰。
附图说明
图1为现有技术中的一种采用模拟开关的非均匀性矫正结构示意图；
图2为本发明所述一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的结构示意图；
图3为本发明实施例所述一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的结构示意图；
附图中，各标号所代表的元件列表如下：1、第一模数转换器，2、第二模数转换器，3、第一功能模块电路，4、第二功能模块电路，5、PMOS管，6、NMOS管，7、传感器探测元电阻阵列，8、积分电路，9、不感光电阻，10、开关，11、电容，12、运算放大器，13、功能模块电路，14、第一不感光电阻，15、第二不感光电阻，16、第一PMOS管，17、第一NMOS管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的结构示意图，包括：第一模数转换器1，第二模数转换器2，PMOS管5，NMOS管6，传感器探测元电阻阵列7，积分电路8，不感光电阻9，功能模块电路13，其中，PMOS管为P沟道场效应晶体管，NMOS管为N沟道场效应晶体管；NMOS管6的漏极与传感器探测元电阻阵列7连接，源极分别与PMOS管5的漏极和积分电路8连接；PMOS管5的源极与不感光电阻9的一端连接，漏极还与积分电路8连接；PMOS管5的栅极和NMOS管6的栅极分别与功能模块电路13连接；第一模数转换器1和第二模数转换器2分别与PMOS管5的衬底和NMOS管6的衬底连接，用于调节PMOS管5和NMOS管6的衬底电压；积分电路8包括开关10、电容11和运算放大器12；开关10与运算放大器12的输入端和输出端连接；电容11与运算放大器12的输入端和输出端连接；功能模块电路13包括第一不感光电阻14、第二不感光电阻15、第一PMOS管和第一NMOS管。
NMOS管6的漏极与传感器探测元电阻阵列7中的接收红外辐射的传感器探测元电阻自动连接，功能模块电路13向PMOS管5的栅极输入电压信号，PMOS管5的漏极输出电流信号I1，同时功能模块13也向NMOS管6的栅极输入相同大小的电压信号，NMOS管6的漏极输出电流信号I2；电流信号I1分两路流入NMOS管5所在的支路和积分电路8，其中，NMOS管5所在支路的电流为I2，流入积分电路8的电流为Is。通过第一模数转换器1调节PMOS管5的衬底电压以调节电流信号I1和/或通过第二模数转换器2调节NMOS管6的衬底电压以调节流入所述NMOS管的电流信号I2，以校正流入积分电路的积分电流Is；积分电路8根据校正后的积分电流Is输出积分电压信号Vout。
传感器探测元电阻阵列共有m行n列，其中，m和n均为正整数，则该传感器探测元电阻阵列中共有m*n个传感器探测元电阻，且均接收红外辐射，当NMOS管6的漏极依次与该阵列中任一传感器探测元电阻连接，并通过第一模数转换器1调节PMOS管5的衬底电压和/或第二模数转换器2调节NMOS管6的衬底电压，则在积分电路8的输出端会输出m*n个校正后的积分电压信号Vout，该m*n个积分电压信号Vout保持基本一致，从而实现片上非均匀性的校正。
理想情况下，即没有传感器探测元电阻的不均匀性以及电路中各元件的不匹配性，且功能模块电路施加于PMOS管的栅极电压和施加于NMOS管的栅极电压大小相同，则从PMOS管的漏极输出的电流I1与流入NMOS管支路的电路I2大小相等，即I1＝I2，则流入积分电路的积分电流Is＝0。而传感器探测元电阻阵列7中每个元电阻存在不均匀性，使得Is的数值并不为0，通过第一模数转换器1调节PMOS管5的衬底电压和/或第二模数转换器2调节NMOS管6的衬底电压，使得积分电路8输出的m*n个积分电压信号Vout的数值保持基本一致。
本实施例中，模数转换器通过与晶体管的衬底连接来调节晶体管的衬底电压，以达到校正PMOS管的漏极输出的电流I1和NMOS管的漏极输出的电流I2的目的，使得PMOS管的漏极输出的电流大小与NMOS管的漏极输出的电流大小相差很小且传感器探测元电阻阵列中的任一传感器探测元电阻对应的输入积分电路的积分电流Is基本保持一致。该方法中，一方面，PMOS管的栅极和NMOS管的栅极均被空出，用于设计其它电路来实现功能的扩展；另一方面，由于模数转换器的输出噪声是一定的，当模数转换器调节晶体管的栅极电压时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的跨导gm成正比的，而当模数转换器的输出噪声作用在晶体管的衬底时，模数转换器的噪声电压转化为噪声电流时是与晶体管的衬底跨导gmb成正比的，而衬底跨导gmb一般只有跨导gm的1/4，所以，在模数转换器向电路输入同样大小的噪声电压时，使用本发明实施例所述装置，其流入积分电路的噪声电流只有原来的1/4，减少了片上非均匀校正调整电压对输出的噪声贡献，使得在红外辐射下的传感器探测元电阻阵列中任一传感器探测元电阻与NMOS管的漏极连接时输入积分电路的积分电流保持基本一致，减少噪声干扰、实现红外焦平面非均匀校正的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，其特征在于，包括：第一模数转换器(1)，第二模数转换器(2)，第一功能模块电路(3)，第二功能模块电路(4)，PMOS管(5)，NMOS管(6)，传感器探测元电阻阵列(7)，积分电路(8)，不感光电阻(9)；
所述NMOS管(6)的漏极与所述传感器探测元电阻阵列(7)连接，源极分别与所述PMOS管(5)的漏极和所述积分电路(8)连接；
所述PMOS管(5)的源极与所述不感光电阻(9)的一端连接，漏极还与所述积分电路(8)连接；
所述第一功能模块电路(3)和所述第二功能模块电路(4)分别与所述PMOS管(5)的栅极和所述NMOS管(6)的栅极连接；
所述第一模数转换器(1)和所述第二模数转换器(2)分别与所述PMOS管(5)的衬底和所述NMOS管(6)的衬底连接，用于调节所述PMOS管(5)和所述NMOS管(6)的衬底电压。
2.根据权利要求1所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，其特征在于，所述第一功能模块电路(3)和第二功能模块电路(4)均为根据实际需要而设计的用作扩展功能的功能模块电路。
3.根据权利要求2所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，其特征在于，所述积分电路(8)包括开关(10)、电容(11)和运算放大器(12)；所述开关(10)和所述电容(11)并联；所述开关(10)与所述运算放大器(12)的输入端和输出端连接；所述电容(11)与所述运算放大器(12)的输入端和输出端连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的装置，其特征在于，所述不感光电阻(9)的阻值与所述传感器探测元电阻阵列(7)中的任一传感器探测元电阻的阻值相同。
5.一种基于如权利要求1至4中任一项所述装置的调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：所述NMOS管(6)的漏极与所述传感器探测元电阻阵列(7)中的接收红外辐射的传感器探测元电阻自动连接，所述第一功能模块电路(3)向所述PMOS管(5)的栅极输入电压信号，所述PMOS管(5)的漏极输出电流信号；
步骤二：所述电流信号分两路流入所述NMOS管(6)的源极和所述积分电路(8)，通过所述第一模数转换器(1)调节所述PMOS管(5)的衬底电压以调节所述电流信号和/或通过所述第二模数转换器(2)调节所述NMOS管(6)的衬底电压以调节流入所述NMOS管(6)的电流信号，以校正流入积分电路(8)的积分电流；
步骤三：所述积分电路(8)根据校正后的所述积分电流输出积分电压信号。
6.根据权利要求5所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的方法，其特征在于，所述第一模数转换器(1)自动连续地向所述PMOS管(5)的衬底输入不同的调节电压。
7.根据权利要求5或6所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的方法，其特征在于，所述第二模数转换器(2)自动连续地向所述NMOS管(6)的衬底输入不同的调节电压。
8.根据权利要求5所述的一种调整晶体管衬底电压校正片上非均匀性的方法，其特征在于，所述第一模数转换器(1)输入所述PMOS管(5)的衬底的调节电压的位数和/或所述第二模数转换器(2)输入所述NMOS管(6)的衬底的调节电压的位数均根据实际精度需要进行调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A device and method for adjusting transistor substrate voltage and correcting on-chip non-uniformity Effective date of registration: 20211228 Granted publication date: 20200515 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980016546 |
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Date of cancellation: 20230106 Granted publication date: 20200515 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980016546 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A device and method for adjusting transistor substrate voltage and correcting on-chip non-uniformity Effective date of registration: 20230113 Granted publication date: 20200515 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980031039 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20200515 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980031039 |