CN108881749B - 一种基于相关双采样的像素单元电路及其相关双采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相关双采样的像素单元电路及其相关双采样方法，属于集成电路技术领域。所述像素单元电路包括：积分电路、相关双采样电路和源跟随器电路；相关双采样电路包括采样开关、第一电容、第二电容和第一复位开关；积分电路的输出端与采样开关的输入端相连，采样开关的输出端分别与第一电容的一端、第二电容的一端相连，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端分别与第一复位开关的输出端、源跟随器电路的输入端相连，第一复位开关的输入端与第一复位电压相连。本发明中的单元像素电路，整体结构简单，其中的相关双采样电路不仅有效的抑制了积分电容的KTC噪声和积分运算放大器的1/f噪声，提高了信噪比，而且时序控制易操作。

Description

一种基于相关双采样的像素单元电路及其相关双采样方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于相关双采样的像素单元电路及其相关双采样方法。

背景技术

随着科技的发展，红外成像技术日益成熟，得益于其隐蔽性好，作用距离远，不受电磁干扰，探测能力强等特点，在国防、科研、民用、工业等相关领域都有着日益广泛的应用。红外成像系统的核心组成部分是红外焦平面探测器组件，由红外探测器组件和红外焦平面读出电路两部分组成；通过红外探测器组件采集红外信号，然后利用红外焦平面读出电路实现信号转换，最后再通过机芯组件对获得的原始图像进行处理并将信号输出，从而得到优化后的红外图像。

近年来，红外焦平面阵列规模不断扩大，如640x512，1280x1024等，大阵列的焦平面阵列需要与其规模相匹配的读出电路，而大规模读出电路则对像素单元电路的面积、噪声和功耗提出了更苛刻的要求。在像素单元电路中，由于红外探测器输出的是微弱的电流，通常为纳安甚至皮安量级，因而要想获得较大的输出电压，像素单元电路中的积分电容需要很小，而这必然会导致因积分电路复位开关的通断而引入很大的KTC噪声，再加上积分运算放大器会有热噪声和1/f噪声等，这些噪声会对像素单元电路的性能产生很大影响；并且传统的像素单元电路的输出电压起始值由积分运算放大器的偏置电压V_cm决定，对于摆幅小的积分运算放大器，积分时间过长时，积分电压不再线性增加，而是缓慢增加，然后趋近于一个电压值，因此能够自由设置输出电压起始值也显得很有必要。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于相关双采样的像素单元电路及其相关双采样方法。

一方面，本发明提供了一种基于相关双采样的像素单元电路，包括：

积分电路、相关双采样电路和源跟随器电路；所述相关双采样电路包括采样开关、第一电容、第二电容和第一复位开关；

所述积分电路的输出端与所述采样开关的输入端相连，所述采样开关的输出端分别与所述第一电容的一端、所述第二电容的一端相连，所述第一电容的另一端接地，所述第二电容的另一端分别与所述第一复位开关的输出端、所述源跟随器电路的输入端相连，所述第一复位开关的输入端与第一复位电压相连。

可选地，所述积分电路包括：积分运算放大器、积分电容、第二复位开关和第三复位开关；

所述积分运算放大器的正向输入端分别与偏置电压、所述第二复位开关的输出端相连，所述积分运算放大器的负向输入端分别与红外探测器的输出端、所述第二复位开关的输入端、所述积分电容的一端相连，所述积分运算放大器的输出端分别与所述积分电容的另一端、所述第三复位开关的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连；

所述积分电容的一端分别与所述积分运算放大器的负向输入端、所述第二复位开关的输入端、所述红外探测器的输出端相连，所述积分电容的另一端分别与所述积分运算放大器的输出端、所述第三复位开关的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连；

所述第二复位开关的输入端与所述积分运算放大器的负向输入端、所述积分电容的一端、所述红外探测器的输出端相连，所述第二复位开关的输出端分别与所述积分运算放大器的正向输入端、偏置电压相连；

所述第三复位开关的输入端与第二复位电压相连，所述第三复位开关的输出端分别与所述积分电容的另一端、所述积分运算放大器的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连。

可选地，所述积分运算放大器具体为：低噪声运算放大器。

可选地，所述采样开关具体为：互补金属氧化物半导体传输门。

可选地，所述积分电容的电容值远小于所述第二电容的电容值。

另一方面，本发明提供一种适用于本发明的一方面所述电路的相关双采样方法，包括：

积分电路对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

相关双采样电路对所述积分电压进行双采样和保持，并通过源跟随器电路输出。

可选地，所述积分电路对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压，具体包括：

将所述积分电路的第二复位开关和第三复位开关、所述相关双采样电路的采样开和第一复位开关关闭合，当所述积分电路中的积分运算放大器的输出端为第二复位电压、所述相关双采样电路中第一预设点被钳位到第一复位电压时，将对应的时间作为第一时刻，并在所述第一时刻断开所述积分电路的第二复位开关和第三复位开关，所述积分电路开始对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

可选地，所述相关双采样电路对所述积分电压进行双采样和保持，具体包括：

在第二时刻，所述第二时刻位于所述第一时刻之后，将所述第一时刻至所述第二时刻内的积分电压采集到所述相关双采样电路的第一电容，断开所述相关双采样电路的第一复位开关；

在第三时刻，所述第三时刻位于所述第二时刻之后，将所述第二时刻至所述第三时刻内的积分电压叠加到所述相关双采样电路的第一电容，断开所述相关双采样电路的采样开关。

本发明的优点在于：

本发明中的单元像素电路，整体结构简单，其中的相关双采样电路不仅有效的抑制了积分电容的KTC噪声和积分运算放大器的1/f噪声，提高了信噪比，而且时序控制易操作，使得本发明中的单元像素电路能够更好的适应于大规模读出电路的要求；同时本发明中的单元像素电路能够调节输出电压的起始值，扩大了输出电压的范围。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为本发明提供的基于相关双采样的像素单元电路的结构原理图；

附图2为本发明提供的基于相关双采样的像素单元电路的相关双采样方法流程图；

附图3为本发明提供的进行相关双采样方法的操作时序图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

根据本发明的实施方式，提供一种基于相关双采样的像素单元电路，如图1所示，包括：

积分电路、相关双采样(Correlated Double Sample，简称CDS)电路和源跟随器电路SF；其中，相关双采样电路包括采样开关SH、第一电容C₁、第二电容C₂和第一复位开关RST₁；

积分电路的输出端与采样开关SH的输入端相连，采样开关SH的输出端分别与第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端相连，第一电容C₁的另一端接地，第二电容C₂的另一端与第一复位开关RST₁的输出端、源跟随器电路的输入端相连，第一复位开关RST₁的输入端与第一复位电压V_R,1相连。

根据本发明的实施方式，积分电路具体为CTIA型积分电路，包括：积分运算放大器、积分电容C_int、第二复位开关RST₂和第三复位开关RST₃，其中：

积分运算放大器的正向输入端V_p分别与偏置电压V_cm、第二复位开关RST₂的输出端相连，积分运算放大器的负向输入端V_n分别与红外探测器的输出端、第二复位开关RST₂的输入端、积分电容C_int的一端相连，积分运算放大器的输出端CTIA_out分别与积分电容C_int的另一端、第三复位开关RST₃的输出端、相关双采样电路的输入端相连；

积分电容C_int的一端分别与积分运算放大器的负向输入端V_n、第二复位开关RST₂的输入端、红外探测器的输出端相连，积分电容C_int的另一端分别与积分运算放大器的输出端CTIA_out、第三复位开关RST₃的输出端、相关双采样电路的输入端相连；

第二复位开关RST₂的输入端与积分运算放大器的负向输入端V_n、积分电容C_int的一端、红外探测器的输出端相连，第二复位开关RST₂的输出端分别与积分运算放大器的正向输入端V_p、偏置电压V_cm相连；

第三复位开关RST₃的输入端与第二复位电压V_R,2相连，第三复位开关RST₃的输出端分别与积分电容C_int的另一端、积分运算放大器的输出端CTIA_out、相关双采样电路的输入端相连。

需要说明的，在图1中，Out即为像素单元电路的输出，并通过二极管D表示红外探测器的等效模型，关于红外探测器的电路原理本发明中不再详述。

根据本发明的实施方式，积分运算放大器具体为：低噪声运算放大器。

根据本发明的实施方式，采样开关SH具体为：互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)传输门。

根据本发明的实施方式，积分电容C_int的电容值远小于第二电容C₂的电容值。

本发明中的像素单元电路，通过相关双采样电路对积分电路的积分电压进行双采样，能够有效的抑制积分电容C_int的KTC噪声和积分运算放大器的1/f噪声，从而提高信噪比。其中，通过相关双采样电路对积分电路的积分电压进行双采样的方法在实施例二中进行详述。

实施例二

根据本发明的实施方式，提供一种适用于实施例一所述电路的相关双采样方法，如图2所示，包括：

步骤101：积分电路对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

具体地，将积分电路的第二复位开关RST₂和第三复位开关RST₃、相关双采样电路的采样开关SH和第一复位开关RST₁闭合，当积分电路中的积分运算放大器的输出端CTIA_out为第二复位电压V_R,2、相关双采样电路中第一预设点被钳位到第一复位电压V_R,1时，将对应的时间作为第一时刻，并在第一时刻断开积分电路的第二复位开关RST₂和第三复位开关RST₃，积分电路开始对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

其中，第一预设点，具体为图1中的B点，第一时刻具体为图3所示时序图中的t₁；优选地，在本实施例中，第一复位电压V_R,1与第二复位电压V_R,2相等，即V_R,1＝V_R,2＝V_R。

步骤102：相关双采样电路对积分电路形成的积分电压进行双采样和保持，并通过源跟随器电路输出。

根据本发明的实施方式，步骤102具体包括：

步骤102-1：在第二时刻，第二时刻位于第一时刻之后，将第一时刻至第二时刻内的积分电压采集到相关双采样电路的第一电容C₁，断开相关双采样电路的第一复位开关RST₁；

其中，第二时刻具体为图3所示时序图中的t₂；

进一步地，将第一时刻至第二时刻内的积分电压采集到相关双采样电路的第一电容C₁，具体为：将第一时刻t₁至第二时刻t₂内的积分电压采集到如图1所示的相关双采样电路的A点；

对应地，在第二时刻t₂时，理想状态下，即不考虑噪声时，图1中A点和B点的电压分别如下：

V_B(t₂)＝V_R，其中I为红外探测器的电流。

更进一步地，断开相关双采样电路的第一复位开关RST₁之后，相关双采样电路中第二电容C₂右极板的电荷没有通路可以转移，而被固定在图1中的B点，此时，第二电容C₂的电压差为：

步骤102-2：在第三时刻，第三时刻位于第二时刻之后，将第二时刻至第三时刻内的积分电压叠加到相关双采样电路的第一电容C₁，断开相关双采样电路的采样开关SH。

其中，第三时刻具体为图3所示时序图中的t₃；

需要指出地，t₁、t₂、t₃本发明中不做具体限定，均可以根据需求自行设定，即时序控制易操作。

进一步地，将第二时刻至第三时刻内的积分电压采集到相关双采样电路的第一电容C₁，具体为：将第二时刻t₂至第三时刻t₃内的积分电压叠加到如图1所示的相关双采样电路的A点；

对应地，在第三时刻t₃时，理想状态下，即不考虑噪声时，图1中A点和B点的电压分别如下：

其中，V_B(t₃)即为通过源跟随器输出的电压，可见，对于电路中固定的积分电容、电流以及采样时刻，能够通过调节复位电压V_R，来调节输出电压的起始值，从而扩大了输出电压的范围。

更进一步地，当考虑电路中的噪声时，则在第三时刻t₃时，图1中A点和B点的噪声分别如下：

A点的噪声主要包括：积分电容C_int的KTC噪声

积分运算放大器的1/f噪声和热噪声、第一电容C₁的KTC噪声

等；

B点的噪声主要包括：积分运算放大器的热噪声、第一电容C₁的KTC噪声

第二电容C₂的KTC噪声

比较A点的噪声和B点的噪声，得到不同之处在于A点的积分电容C_int的KTC噪声

积分运算放大器的1/f噪声、B点的第二电容C₂的KTC噪声

由于C₂＞＞C_int，故

要远小于

与1/f噪声之和，即，B点的噪声要远小于A点的噪声，抑制了积分电容C_int的KTC噪声和积分运算放大器的1/f噪声，提高了信噪比；从而使得本发明中的单元像素电路能够更好的适应于大规模读出电路的要求。

本发明中的单元像素电路，整体结构简单，其中的相关双采样电路不仅有效的抑制了积分电容的KTC噪声和积分运算放大器的1/f噪声，提高了信噪比，而且时序控制易操作，使得本发明中的单元像素电路能够更好的适应于大规模读出电路的要求；同时本发明中的单元像素电路能够调节输出电压的起始值，扩大了输出电压的范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于相关双采样的像素单元电路，其特征在于，包括：

积分电路、相关双采样电路和源跟随器电路；所述相关双采样电路包括采样开关、第一电容、第二电容和第一复位开关；

所述积分电路的输出端与所述采样开关的输入端相连，所述采样开关的输出端分别与所述第一电容的一端、所述第二电容的一端相连，所述第一电容的另一端接地，所述第二电容的另一端分别与所述第一复位开关的输出端、所述源跟随器电路的输入端相连，所述第一复位开关的输入端与第一复位电压相连；

所述积分电路包括：积分运算放大器、积分电容、第二复位开关和第三复位开关；

所述积分运算放大器的正向输入端分别与偏置电压、所述第二复位开关的输出端相连，所述积分运算放大器的负向输入端分别与红外探测器的输出端、所述第二复位开关的输入端、所述积分电容的一端相连，所述积分运算放大器的输出端分别与所述积分电容的另一端、所述第三复位开关的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连；

所述积分电容的一端分别与所述积分运算放大器的负向输入端、所述第二复位开关的输入端、所述红外探测器的输出端相连，所述积分电容的另一端分别与所述积分运算放大器的输出端、所述第三复位开关的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连；

所述第二复位开关的输入端与所述积分运算放大器的负向输入端、所述积分电容的一端、所述红外探测器的输出端相连，所述第二复位开关的输出端分别与所述积分运算放大器的正向输入端、偏置电压相连；

所述第三复位开关的输入端与第二复位电压相连，所述第三复位开关的输出端分别与所述积分电容的另一端、所述积分运算放大器的输出端、所述相关双采样电路的输入端相连；所述积分电容的电容值远小于所述第二电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述积分运算放大器具体为：低噪声运算放大器。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述采样开关具体为：互补金属氧化物半导体传输门。

4.一种适用于权利要求1所述电路的相关双采样方法，其特征在于，包括：

积分电路对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

相关双采样电路对所述积分电压进行双采样和保持，并通过源跟随器电路输出。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述积分电路对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压，具体包括：

将所述积分电路的第二复位开关和第三复位开关、所述相关双采样电路的采样开关和第一复位开关闭合，当所述积分电路中的积分运算放大器的输出端为第二复位电压、所述相关双采样电路中第一预设点被钳位到第一复位电压时，将对应的时间作为第一时刻，并在所述第一时刻断开所述积分电路的第二复位开关和第三复位开关，所述积分电路开始对红外探测器的电流进行积分并形成积分电压；

所述相关双采样电路对所述积分电压进行双采样和保持，具体包括：

在第二时刻，所述第二时刻位于所述第一时刻之后，将所述第一时刻至所述第二时刻内的积分电压采集到所述相关双采样电路的第一电容，断开所述相关双采样电路的第一复位开关；

在第三时刻，所述第三时刻位于所述第二时刻之后，将所述第二时刻至所述第三时刻内的积分电压叠加到所述相关双采样电路的第一电容，断开所述相关双采样电路的采样开关。

Images