CN109974863A - 一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路 - Google Patents

一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，所述积分电路将紫外焦平面探测器的光电流信号通过积分放大器在积分电容上进行线性积分放大转换为电压信号，并通过低漏电流结构降低漏电流的影响，减小积分输出的起始电压；本发明的积分电路在传统结构上加入低漏电流结构得到线性度更高，输出范围更大的积分电压，为后续的采样电路提供线性度更高的积分电压且增大输出电压范围。

Description

一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路
技术领域
本发明涉及紫外焦平面探测器数据处理技术领域，具体涉及一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路。
背景技术
紫外焦平面探测器读出电路主要包含积分电路和采样电路。积分电路的作用在于将紫外焦平面探测器的光电流信号进行积分放大，转化成电压信后再由采样电路进行采样从而输出。由于积分电路的复位开关管不是理想开关管，当电路处于积分状态时，复位电路上仍会抽取电流，这部分电流称为漏电流。漏电流过大将会严重影响到积分电路的积分结果，这通常是不希望出现的。为解决漏电流的问题，目前的方案均是采用传输门作为开关管，目的是运用互补开关减小电荷注入，然而经过仿真发现，尽管上述方法能够降低漏电流带来的影响，但是对于紫外焦平面探测器的光电流而言，尤嫌不足，即使降低了的漏电流依旧会对积分结果产生较大的影响，而且为节省面积和功耗，像素单元中的积分运放结构常选择一级运放，该运放结构的缺点便是输出电压范围较窄。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，该积分电路采用了低漏电流结构，优化了原有的积分结构，降低了漏电流的影响，减小了积分输出的起始电压，从而提高了积分结果的线性度和输出电压范围。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，所述积分电路用于将紫外焦平面探测器的光电流信号进行积分放大转换为电压信号，并通过低漏电流结构降低漏电流的影响，减小积分输出的起始电压。
优选的，所述低漏电流结构包括传输门T1、晶体管M1和晶体管M2；所述晶体管M1连接在传输门T1的右端，所述晶体管M2连接在传输门T1的左端。
优选的，所述晶体管M1和晶体管M2的体端电压为Vref；所述晶体管M1的源极电压为Vref，栅极接反向控制信号RESB，漏极与传输门T1连接；所述晶体管M2的源极和漏极均与传输门T1连接，栅极接反向控制信号RESB；所述传输门T1的一个晶体管栅极接控制信号RES，另一个晶体管栅极接反向控制信号RESB，且传输门T1中的晶体管体端连接各自的源端。
优选的，所述积分电路还包括复位传输门T2，由复位传输门T2和低漏电流结构构成复位电路。
优选的，所述复位传输门T2连接在所述运算放大器的输出端和所述晶体管M1的漏极之间；且所述复位传输门T2中：PMOS晶体管的体端接电源vdd，其栅极接反向控制信号RESB，NMOS晶体管的体端接gnd，其栅极接控制信号RES。
优选的，所述积分电路还包括运算放大器和积分电容CFB，所述复位电路和所述积分电容CFB并联在运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述运算放大器的正相输入端输入电压Vref，所述运算放大器的反相输入端输入紫外焦平面探测器的光电流。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的积分电路通过低漏电流结构降低漏电流的影响，减小积分输出的起始电压，为后续的采样电路提供线性度更高的积分电压且增大输出电压范围。
2、本发明的低漏电流结构仅由一个传输门(T1)和两个晶体管(M1、M2)组成，M1、M2的体端电位为Vref，T1中的晶体管体端连接各自的源端。当积分电路处于复位状态时，T1导通，其工作方式与传统传输门相同；当积分电路处于积分状态时，T1断开，M1、M2导通，M1导通是为了将T1右端电压钳位至近似于Vref，又因为运放的作用，会将运放的负端，即T1的左端稳定于Vref，此时T1内部p-n结压差均为0，从而降低漏电流的产生，M2导通，在不增加漏电流的同时，吸收电路中的空穴，降低积分输出的起始电压。加入漏电流消除结构不仅降低漏电流的影响，得到线性度更高的积分电压，又提高了输出电压范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统的积分电路结构示意图。
图2为本发明的积分电路结构示意图。
图3为本发明与传统积分电路的漏电流对比示意图。
图4为本发明与传统积分电路的积分结果对比示意图。其中，图4(a)为传统积分电路积分结果示意图；图4(b)为本发明的积分电路积分结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
传统的应用于紫外焦平面探测器的积分电路包括运算放大器、积分电容CFB和复位传输门T2，如图1所示；传统的积分电路工作原理是：在积分过程中，复位传输门T2断开，紫外焦平面探测器光电流通过积分电容CFB进行积分放大，转化为电压信号；在复位过程中，复位传输门T2导通，积分电容CFB进行复位。传统的积分电路在积分过程中，积分电容对光电流信号进行积分放大，复位电路则停止工作，但由于复位开关管并非理想开关管，即使断开开关管，仍会有电流通过，这部分电流为漏电流，因此传统的积分电路对漏电流带来的影响并未有效抑制，且传统的积分电路输出电压范围较窄，且线性度差。
因此，本实施例提供的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，该积分电路在传统积分电路结构(包含运算放大器、积分电容CFB、传输门T2)的基础上增加了低漏电流结构，如图2所示。本实施例的积分电路将紫外焦平面探测器中每个像素的光电流信号进行线性积分放大，并通过低漏电流结构降低漏电流的影响，提高线性度，优化积分结果，将其交由后续采样电路采样后输出。
本实施例中，如图2所示，所述低漏电流结构包括传输门T1、晶体管M1和晶体管M2；所述晶体管M1连接在传输门T1的右端，所述晶体管M2连接在传输门T1的左端。如图1所示，传输门T1由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管构成；且两个晶体管的体端连接各自的源极。每个像素的复位电路在复位信号RES使能时运作；在积分时间内，复位电路停止工作，晶体管M1的工作使得漏电流得到有效的抑制，光电流信号则在积分电容上积分放大，得到线性度更高的积分电压，晶体管M2导通则降低了积分输出的起始电压，增大了电压输出范围。
实施例2
基于实施例1，本实施中，所述晶体管M1和晶体管M2的体端电压为Vref；所述晶体管M1的源极电压为Vref，栅极接反向控制信号RESB，漏极与传输门T1连接；所述晶体管M2的源极和漏极均与传输门T1连接，栅极接反向控制信号RESB；所述传输门T1的一个晶体管栅极接控制信号RES，另一个晶体管栅极接反向控制信号RESB，且传输门T1中的晶体管体端连接各自的源端，如图2所示。
在积分过程中，积分电容对光电流信号进行积分放大，复位电路则停止工作，但由于复位开关管并非理想开关管，即使断开开关管，仍会有电流通过，这部分电流为漏电流ILKG，由紫外焦平面探测器的部分光电流和积分电容产生的IC_FB组成。对于mos管处于关闭状态而言，它产生漏电流最主要的原因在于mos管内部p-n结上有电位差，因此，本发明的低漏电流结构则可以消除电位差，降低漏电流。低漏电流结构中的传输门工作方式与传统结构中的传输门一样，只是在该传输门关闭时，强制让其p-n结的电位为0，从而降低漏电流。又因为积分运放结构选择一级运放，其输出范围受偏置电压的影响而较窄，本发明采用的结构可以减小它的积分起始电压，因其线性度不变，则输出范围就变宽；在复位过程中，停止积分，积分电容进行放电，恢复至初始值。本方案的结构具体实施方案为：当积分电路处于复位状态时，T1导通，其工作方式与传统传输门相同；当积分电路处于积分状态时，T1断开，M1、M2导通，M1导通是为了将T1右端电压钳位至近似于Vref，又因为运放的作用，会将运放的负端，即T1的左端稳定于Vref，此时T1的输入端、输出端和体端的电压均为VREF，使得T1内部p-n结压差均为0，从而抑制了漏电流的影响，M2导通，由于其体端电位设为Vref，依旧不会增加漏电流，在此基础上，不仅用以减小电荷注入和时钟馈通，最重要是吸收电路中的空穴，降低积分输出的起始电压。加入漏电流消除结构不仅降低漏电流的影响，得到线性度更高的积分电压，又提高了输出范围。
实施例3
基于上述实施例2，如图2所示，本实施例的积分电路还包括复位传输门T2，由复位传输门T2和低漏电流结构构成复位电路，如图2所示。所述复位传输门T2连接在所述运算放大器的输出端和所述晶体管M1的漏极之间；且所述复位传输门T2中其中一个晶体管的体端接电压vdd，栅极接反向控制信号RESB，另一个晶体管的体端接gnd，栅极接控制信号RES。如图2所示，所示复位传输门T2由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管构成，且PMOS晶体管的体端接电源vdd，其栅极接反向控制信号RESB；NMOS晶体管的体端接地gnd，其栅极接控制信号RES。
本实施例的积分电路工作原理：当RES为高电平，RESB为低电平时，电路进入复位状态，此时，传输门T1、T2导通，T1的工作模式与复位传输门T2的工作模式相同，pmos管M2和nmos管M1断开，积分电容CFB通过传输门T1和T2泄放电荷，复位到初始值；在积分周期内，传输们T1、T2断开，pmos管M2和nmos管M1导通，积分电容CFB对光生电流信号进行积分放大，其中M1导通是为了将T1右端电压钳位至近似于Vref，又因为运放的作用，会将运放的负端，即T1的左端稳定于Vref，此时T1的输入端、输出端和体端的电压均为VREF，使得T1内部p-n结压差均为0，从而抑制了漏电流的影响，M2导通，由于其体端电位设为Vref，依旧不会增加漏电流，在此基础上，不仅用以减小电荷注入和时钟馈通，最重要是吸收电路中的空穴，降低积分输出的起始电压。
实施例3
基于上述实施例，本实施例的积分电路还包括运算放大器和积分电容CFB，所述复位电路和所述积分电容CFB并联在运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述运算放大器的正相输入端输入电压Vref，所述运算放大器的反相输入端输入紫外焦平面探测器的光电流。
本实施例中，二极管D1和电容CE构成紫外焦平面探测器的模拟电路，输出光电流Idet。
实施例4
本实施例基于上述实施例提成的积分电路，通过在CADENCE软件上进行仿真，比较传统结构与本发明的结构对漏电流的抑制效果，此次仿真条件是输入电流设为200fA，积分时间为10ms，得到比较结果如图3所示，在同等输入电流的条件下，传统结构的漏电流达到4.6nA，而本发明的结构将漏电流降至1.3nA，可见本发明的方案能有效降低漏电流的产生。再对传统结构与本发明的结构的积分电压进行仿真，比较两种结构的线性度和输出电压范围，此次仿真条件为输入电流从100fA到600fA变化，步进100fA，Vref设置为600mV，结果如图4所示。由仿真结果可知，在相同仿真条件下，本发明的结构的起始电压只有100mV，传统结构的起始电压为600mV，因此，本发明的结构比传统结构的输出范围也就更大，且比起传统结构的积分电压线性度更高，积分效果也更好。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述积分电路用于将紫外焦平面探测器的光电流信号进行积分放大转换为电压信号，并通过低漏电流结构降低漏电流的影响，减小积分输出的起始电压。
2.根据权利要求1所述的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述低漏电流结构包括传输门T1、晶体管M1和晶体管M2；所述晶体管M1连接在传输门T1的右端，所述晶体管M2连接在传输门T1的左端。
3.根据权利要求2所述的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述晶体管M1和晶体管M2的体端电压为Vref；所述晶体管M1的源极电压为Vref，栅极接反向控制信号RESB，漏极与传输门T1连接；所述晶体管M2的源极和漏极均与传输门T1连接，栅极接反向控制信号RESB；所述传输门T1的一个晶体管栅极接控制信号RES，另一个晶体管栅极接反向控制信号RESB，且传输门T1中的晶体管体端连接各自的源端。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述积分电路还包括复位传输门T2，由复位传输门T2和低漏电流结构构成复位电路。
5.根据权利要求4所述的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述复位传输门T2连接在所述运算放大器的输出端和所述晶体管M1的漏极之间；且所述复位传输门T2中：PMOS晶体管的体端接电源vdd，其栅极接反向控制信号RESB，NMOS晶体管的体端接gnd，其栅极接控制信号RES。
6.根据权利要求5所述的一种应用于紫外焦平面探测器的积分电路，其特征在于，所述积分电路还包括运算放大器和积分电容CFB，所述复位电路和所述积分电容CFB并联在运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述运算放大器的正相输入端输入电压Vref，所述运算放大器的反相输入端输入紫外焦平面探测器的光电流。
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