CN109067396A - 一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器 - Google Patents

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王耕耘
孙启扬
徐圣亚
戴立群
卜洪波
樊奔
王栋
程甘霖
翟国芳
吴淞波
姚瑶
张旭
陈瑞明
潘卫军
周滕
王磊
冀翼
董方
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Abstract

一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、开关晶体管M3、光电二极管D、比较器Comp以及计数器counter。本发明中像元内部不采用基板电容而是采用浮置节点电容作为电荷电压转换元件，首先可以减小像元面积，其次，浮置节点电容通过增加有源区宽度的办法减小自身电容量，进而减少单次计数的电荷量，减小技术阈值和最后一次电压余量，提高量化精度，最后采用容值较低的浮置节点电容，可以降低像元电荷存储节点的复位噪声。

Description

一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器
技术领域
本发明涉及一种基于浮置节点电容的红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器。
背景技术
采用直接读出结构的长波红外探测器像元电路需要较长的积分时间来平衡积分时间和读出速率，长波红外背景辐射大和较长的积分时间会使积分电荷量变多，导致所需积分电容变大，进而使像元版图面积变大。然而实际电路中由于读出电路电荷存储容量的限制，积分时间较短。
为了使较小的版图面积下容纳更多的积分电荷，一种电压分段计数的像元结构被提出。这种结构的特点是积分电荷通过积分电容转换成电压，该电压与一个参考值比较，如果积分电压高于参考电压则计一次数，计数的同时将电容复位，为下一次计数做准备，如此往复，直到积分电压不能高于参考电压为止，这时，将得到两个结果，一个是计数次数，另一个是最后一次积分电压。计数次数可以作为数字化的高数字位，而最后一次积分电压将作为模数转换器的输入信号或者直接舍弃。
像元内的积分电容采用的是基板电容，电容所占的面积和容量都相对较大，因而单次计数等效的电荷量较多，且复位过程引入的噪声偏大，同时最后一次的积分电压所对应的电荷量较多，这些电荷量被低精度处理，比如再次粗量化或者没有被计入到最终的量化结果中。电容较大引入较多噪声和最后一次积分电压的低精度处理都会影响最终的量化精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于浮置节点电容的红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器。
本发明的技术解决方案是：
一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、开关晶体管M3、光电二极管D、比较器Comp以及计数器counter；
光电二极管D作为感光单元，其输出信号送至传输晶体管M1的源端，传输晶体管M1的栅极连接外部输入的直流偏置电压Vbias，传输晶体管M1的漏端节点、复位晶体管M2的源端节点和开关晶体管M3的漏端节点共用一个反向偏置节点P，所述反向偏置节点P对地形成节点电容Cp，节点电容Cp靠近反向偏置节点P的一端和比较器Comp的负极输入端连接，比较器Comp正极输入端、开关晶体管M3的源端节点以及参考电压源Vref连接在一起，开关晶体管M3的栅极连接输入开关信号RST，控制比较器Comp的开闭，复位晶体管M2的漏端连接电源信号VDD，同时复位晶体管M2的栅极和比较器Comp的输出端连接，比较器Comp输出端与计数器counter的输入端相连。
开关信号RST为模数转换器的周期性的初始触发信号，开关信号RST的频率数值等于模数转换器的转换速率数值。当开关信号RST为高电平时，控制比较器Comp的关闭，当开关信号RST为低电平时，控制比较器Comp的打开。
光电二极管D采用n-on-p连接结构，负极连接至地信号，正极连接至传输晶体管M1的源端。
反向偏置节点P对地形成的节点电容Cp，其电容量通过增加有源区宽度进行调整。
一种红外焦平面器件，包括多个相同的标准像元，每个像元的电路结构均为上述模数转换器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明中，像元内部不采用实际电容而是采用浮置节点电容作为电荷电压转换元件，可以减小像元面积。浮置节点电容通过增加有源区宽度的办法减小自身电容量，进而减少单次计数的电荷量，减小电荷量计数阈值和最后一次电压余量等效的电荷数，提高量化精度。减小浮置节点电容，降低像元电荷存储节点的复位噪声。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图；
图2为浮置节点电容通过增加有源区宽度改变自身电容量示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
现有技术中红外焦平面像元内的积分电容采用的是基板电容，电容所占的面积和容量都相对较大，因而单次计数等效的电荷量较多，且复位过程引入的噪声偏大，同时最后一次的积分电压所对应的电荷量较多，电容较大引入较多噪声和最后一次积分电压的低精度处理都会影响最终的量化精度。
为此，本发明中像元内部不采用基板电容而是采用浮置节点电容作为电荷电压转换元件，首先可以减小像元面积，其次，浮置节点电容通过增加有源区宽度的办法减小自身电容量，进而减少单次计数的电荷量，减小技术阈值和最后一次电压余量，提高量化精度，最后采用容值较低的浮置节点电容，可以降低像元电荷存储节点的复位噪声。
如图1所示，本发明提出的红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、开关晶体管M3、光电二极管D、比较器Comp以及计数器counter；
光电二极管D作为感光单元，其输出信号送至传输晶体管M1的源端，传输晶体管M1的栅极连接外部输入的直流偏置电压Vbias，传输晶体管M1的漏端节点、复位晶体管M2的源端节点和开关晶体管M3的漏端节点共用一个反向偏置节点P，所述反向偏置节点P对地形成节点电容Cp，节点电容Cp靠近反向偏置节点P的一端和比较器Comp的负极输入端连接，比较器Comp正极输入端、开关晶体管M3的源端节点以及参考电压源Vref连接在一起，开关晶体管M3的栅极连接输入开关信号RST，控制比较器Comp的开闭，复位晶体管M2的漏端连接电源信号VDD，同时复位晶体管M2的栅极和比较器Comp的输出端连接，比较器Comp输出端与计数器counter的输入端相连。
开关信号RST为模数转换器的周期性的初始触发信号，开关信号RST的频率数值等于模数转换器的转换速率数值。当开关信号RST为高电平时，控制比较器Comp的关闭，当开关信号RST为低电平时，控制比较器Comp的打开。
光电二极管D采用n-on-p连接结构，负极连接至地信号，正极连接至传输晶体管M1的源端。反向偏置节点P对地形成的节点电容Cp，其电容量通过增加有源区宽度进行调整。
基于上述模数转换电路，还可以实现一种红外焦平面器件，该红外焦平面器件包括的多个相同标准像元的电路结构均为上述模数转换器。
如图2所示，图中P-N代表二极管PN结，节点P为输晶体管M1的漏端节点、复位晶体管M2的源端节点和开关晶体管M3的漏端节点共用的一个反向偏置节点。从该节点垂直向器件内部引一条切线PP′，沿PP′方向的有源区深度变大，可以降低节点电容量。
工作原理：
像元内部开关晶体管RST置高为起始信号，P点初始电压与Vref电压相当，此时比较器输出信号X为低电平，M2晶体管为关闭状态，栅极直流偏置的传输晶体管M1将浮置节点电容与光电二极管连通，光电二极管向浮置节点电容注入电子，浮置节点P点电压降低，低于参考电压Vref，比较器的输出转为高电平，M2晶体管处于打开状态，浮置节点P被电源电压拉高，此时P点电压再次高于Vref，比较器输出再次置低，关闭M2晶体管，节点P又随着光电二极管注入电子导致电压变低，直到又一次低于Vref，如此往复，比较器输出脉冲信号通过计数器Counter计数，完成一次转换。
实施例：
节点电容采用极板电容，可容纳的电子电荷容量为20k个电子以上，本发明采用浮置节点电容，将满阱容量控制在6k个电子。一次模数转换过程的最后一次电荷计数为5k个电子，则这5k个电子被舍弃，等效到极板电容的情况可知，最后一次舍弃的电子数为17k个电子。综上，采用小电容量化可以降低模数转换器最后一次计数后舍弃的电子数，即提高了量化精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、开关晶体管M3、光电二极管D、比较器Comp以及计数器counter；
光电二极管D作为感光单元，其输出信号送至传输晶体管M1的源端，传输晶体管M1的栅极连接外部输入的直流偏置电压Vbias，传输晶体管M1的漏端节点、复位晶体管M2的源端节点和开关晶体管M3的漏端节点共用一个反向偏置节点P，所述反向偏置节点P对地形成节点电容Cp，节点电容Cp靠近反向偏置节点P的一端和比较器Comp的负极输入端连接，比较器Comp正极输入端、开关晶体管M3的源端节点以及参考电压源Vref连接在一起，开关晶体管M3的栅极连接输入开关信号RST，控制比较器Comp的开闭，复位晶体管M2的漏端连接电源信号VDD，同时复位晶体管M2的栅极和比较器Comp的输出端连接，比较器Comp输出端与计数器counter的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于：开关信号RST为模数转换器的周期性的初始触发信号。
3.根据权利要求2所述的一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于：开关信号RST的频率数值等于模数转换器的转换速率数值。
4.根据权利要求2或3所述的一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于：当开关信号RST为高电平时，控制比较器Comp的关闭，当开关信号RST为低电平时，控制比较器Comp的打开。
5.根据权利要求1所述的一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于：光电二极管D采用n-on-p连接结构，负极连接至地信号，正极连接至传输晶体管M1的源端。
6.根据权利要求1所述的一种红外焦平面像元级电压分段计数型模数转换器，其特征在于：反向偏置节点P对地形成的节点电容Cp，其电容量通过增加有源区宽度进行调整。
7.一种红外焦平面器件，其特征在于包括多个相同的标准像元，每个像元的电路结构均为模数转换器，所述模数转换器包括：传输晶体管M1、复位晶体管M2、开关晶体管M3、光电二极管D、比较器Comp以及计数器counter；
光电二极管D作为感光单元，其输出信号送至传输晶体管M1的源端，传输晶体管M1的栅极连接外部输入的直流偏置电压Vbias，传输晶体管M1的漏端节点、复位晶体管M2的源端节点和开关晶体管M3的漏端节点共用一个反向偏置节点P，所述反向偏置节点P对地形成节点电容Cp，节点电容Cp靠近反向偏置节点P的一端和比较器Comp的负极输入端连接，比较器Comp正极输入端、开关晶体管M3的源端节点以及参考电压源Vref连接在一起，开关晶体管M3的栅极连接输入开关信号RST，控制比较器Comp的开闭，复位晶体管M2的漏端连接电源信号VDD，同时复位晶体管M2的栅极和比较器Comp的输出端连接，比较器Comp输出端与计数器counter的输入端相连。
8.根据权利要求7所述的一种红外焦平面器件，其特征在于：开关信号RST为模数转换器的周期性的初始触发信号，开关信号RST的频率数值等于模数转换器的转换速率数值，当开关信号RST为高电平时，控制比较器Comp的关闭，当开关信号RST为低电平时，控制比较器Comp的打开。
9.根据权利要求7所述的一种红外焦平面器件，其特征在于：光电二极管D采用n-on-p连接结构，负极连接至地信号，正极连接至传输晶体管M1的源端。
10.根据权利要求7所述的一种红外焦平面器件，其特征在于：反向偏置节点P对地形成的节点电容Cp，其电容量通过增加有源区宽度进行调整。
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