CN111147078B - 基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路。该模数转换电路包括钳位电路、信号存储电路、信号比较电路、计数电路和缓存电路；钳位电路连接复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的漏端，同时连接信号存储电路，信号存储电路再依次连接信号比较电路、计数电路和缓存电路。本发明的模数转换电路，通过控制片外斜坡信号，能够以更低的功耗、更小的面积，实现多量程、多精度的数模转换功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，属于集成电路领域。
背景技术
CCD和CMOS-APS作为当前最常见的两种成像器件，都具有各自的局限。CCD因其复杂的控制时序和电压要求，导致工作速度较慢，且不易集成；CMOS-APS因其采用感光二极管，且结构复杂，导致填充系数低，满阱电荷小。
在中国专利CN201210442007中提出了一种双晶体管光敏探测器，该探测器的特点是单个半导体器件即可实现完整的复位、感光以及读出的功能，构成一个完整的像素，可以极大地提高像素的填充因子。这种复合介质栅双晶体管光敏探测器作为新一代的成像器件，其更快的工作速度、更大的填充系数、更多的满阱电荷且能和CMOS工艺集成，使其与CCD和CMOS-APS相比具有先天优势。但目前还没有对于复合介质栅双晶体管光敏探测器模数转换电路和相关双采样电路的研究。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路。
本发明采用的的技术方案如下：
基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，包括钳位电路、信号存储电路、信号比较电路、计数电路和缓存电路；所述复合介质栅双晶体管光敏探测器包括MOS-C部分和MOSFET部分，所述钳位电路连接复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的漏端，同时连接信号存储电路，所述信号存储电路再依次连接信号比较电路、计数电路和缓存电路；所述钳位电路使复合介质栅双晶体管光敏探测器恒压放电，所述信号存储电路记录探测器的放电电荷量；所述信号比较电路用于比较所述信号存储电路电压和外部参考电压的大小，当所述信号存储电路电压小于外部参考电压时，所述计数电路开始工作，当所述信号存储电路电压大于外部参考电压时，所述计数电路停止工作；所述计数电路在所述信号比较电路信号的控制下，根据外部时钟信号进行计数；所述缓存电路在所述计数电路计数结束后，存储所述计数电路的计数值。
进一步地，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOS-C部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二层介质层和第一控制栅极；所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二顶层介质层和第二控制栅极，其中，在所述P型半导体衬底中且靠近底层介质层的一侧设有N型源极区和N型漏极区，在所述P型半导体衬底中且底层介质层的下方设有阈值调节注入区。
进一步地，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的栅端施加有斜坡信号，且所述信号比较电路端施加有恒定信号；或所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的栅端施加有恒定信号，且所述信号比较电路端施加有斜坡信号。
进一步地，所述计数电路为向上向下计数器：当复合介质栅双晶体管光敏探测器复位后，所述计数电路设置为向下计数模式；当复合介质栅双晶体管光敏探测器曝光后，所述计数电路设置为向上计数模式。
进一步地，所述计数电路、缓存电路和复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量相同。
进一步地，所述计数电路的数量小于复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量，所述缓存电路的数量和所述复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量相同。
本发明的模数转换电路无需在每个像素或每行中添加通用的模数转换模块(ADC)，能够有效地减小读出电路的面积，同时降低功耗。除此之外，可还通过改变斜坡信号的幅值及步进，利用同一套电路实现不同信号范围及精度的模数转换任务，较传统ADC更具灵活性。
附图说明
图1是复合介质栅双晶体管光敏探测器的结构示意图；
图2是本发明模数转换电路的结构框图；
图3是本发明模数转换电路的电路图；
图4是本发明实施例1的相关双采样电路框图；
图5是本发明实施例2的相关双采样电路框图。
具体实施方式
本实施例采用的复合介质栅双晶体管光敏探测器的结构如图1所示，包括MOS-C部分和MOSFET部分。MOS-C部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二层介质层和第一控制栅极。MOSFET部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二顶层介质层和第二控制栅极，其中，在P型半导体衬底中且靠近底层介质层的一侧设有N型源极区和N型漏极区，在P型半导体衬底中且底层介质层的下方设有阈值调节注入区。
本实施例介绍一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，包括钳位电路、信号存储电路、信号比较电路、计数电路和缓存电路，如图2所示。采用钳位电路令复合介质栅双晶体管光敏探测器恒压放电，同时利用信号存储电路记录其放电电荷量，再根据信号比较电路设定的阈值驱动计数电路记录复合介质栅双晶体管光敏探测器恒压放电固定电荷量所需的时钟周期，进而通过计数电路将其转换为数字信号，最后通过缓存电路进行存储。钳位电路用于将复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的漏端电压固定；信号存储电路在读出前维持在满状态，当复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分通过漏端缓慢放电时，信号存储电路的电荷逐渐减少；信号比较电路用于比较信号存储电路电压和外部参考电压的大小，当信号存储电路电压小于外部参考电压时，计数电路开始工作，当信号存储电路电压大于外部参考电压时，计数电路停止工作；计数电路在信号比较电路信号的控制下，根据外部时钟信号进行计数；缓存电路用于在计数电路计数结束后，存储计数电路的计数值。
对于上述模数电路，可以在复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分栅端施加一斜坡信号，且在信号比较电路端施加一恒定信号；或在复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分栅端施加一恒定信号，且在信号比较电路端施加一斜坡信号。当复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分缓慢放电至阈值的过程中，计数电路的计数值则为复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的阈值。
当计数电路采用为向上向下计数器时，可实现相关双采样电路。首先，当复合介质栅双晶体管光敏探测器复位后，计数电路设置为向下计数模式，开始第一次计数并记录下噪声信号；然后，当复合介质栅双晶体管光敏探测器曝光后，计数电路设置为向上计数模式，开始第二次计数，由于第二次计数的噪声信号被第一次计数抵消，因此第二次计数结果仅包含信号值。相关双采样电路框图如图3所示。其中，M0为复合介质栅双晶体管光敏探测器的MOSFET部分，运算放大器OPA和晶体管M1为钳位电路，晶体管M2和电容M3为电荷存储电路，CMP为信号比较电路，向上向下计数器为计数电路，锁存器为缓存电路。此外，Vclamp为钳位信号，Vreset为复位信号，VG为斜坡信号，Vcmp为比较信号。
当曝光结束后，在M0的复合介质栅上会感应出曝光信号，从而影响M0的阈值。因此只需确定M0阈值的变化，就可以得到曝光信号的大小。整个电路进行相关双采样的过程如下所述。
第一次计数：首先，Vreset置高电平，M2导通，从而M3被充电至电源电压VCC。接着，Vreset置低电平，M2截止；MO的栅端加斜坡信号VG,同时Vclamp通过钳位电路被恒定地加载到M0的漏端，M0在恒压条件下放电。然后，Vcmp被设置为CMP的参考电压，同时CMP被设置为向下计数模式，噪声信号被记录在CMP中。
第二次计数：首先，令复合介质栅双晶体管光敏探测器进行曝光。接着，MO的栅端加斜坡信号VG,同时Vclamp通过钳位电路被恒定地加载到M0的漏端，M0在恒压条件下放电。然后，Vcmp被设置为CMP的参考电压，同时CMP被设置为向上计数模式，噪声信号和M0中的曝光信号被记录在CMP中；由于第一次读取反向记录了噪声信号，因此第二次的计数值则为经过相关双采样去除噪声后的曝光值。
最后，计数器的结果被存入锁存器中。
实施例1
本实施例中，计数电路数量、缓存电路数量都和复合介质栅双晶体管光敏探测器数量相同，如图4所示，相关双采样电路采样得到复合介质栅双晶体管光敏探测器中的信号值后，将它们一对一的存入缓存电路。该实施例由4个复合介质栅双晶体管光敏探测器(图4中只给出了复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分)构成，且计数器、锁存器的数量也都为4。M0为复合介质栅双晶体管光敏探测器的MOSFET部分，运算放大器OPA和晶体管M1为钳位电路，晶体管M2和电容M3为电荷存储电路，CMP为信号比较电路，向上向下计数器为计数电路，锁存器为缓存电路；OPA输出端与M1栅端相连，M1源漏分别连接M0和M2，此外M1漏端还连接到M3并最终送入CMP的同相端，最后CMP、向上向下计数器和锁存器依次相连。当系统开始工作时，4组由OPA、M1、M2、M3、CMP、向上向下计数器组成的电路同时工作，并最终将经过相关双采样的分别存储在4个M0中的曝光信号存入到对应的4个锁存器中。
实施例2
本实施例中，计数电路数量小于复合介质栅双晶体管光敏探测器数量，缓存电路数量和复合介质栅双晶体管光敏探测器数量相同，如图5所示。该实施例由4个复合介质栅双晶体管光敏探测器(图5中只给出了复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分)构成，计数器的数量为1，锁存器的数量为4。M0为复合介质栅双晶体管光敏探测器的MOSFET部分，运算放大器OPA和晶体管M1为钳位电路，晶体管M2和电容M3为电荷存储电路，CMP为信号比较电路，向上向下计数器为计数电路，锁存器为缓存电路。当系统开始工作时，1组由OPA、M1、M2、M3、CMP、向上向下计数器组成的电路顺序读取经过相关双采样的分别存储在4个M0中的曝光信号，并依次存入到与M0对应的4个锁存器中。
Claims (6)
1.基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器包括MOS-C部分和MOSFET部分，其特征在于，该模数转换电路包括钳位电路、信号存储电路、信号比较电路、计数电路和缓存电路；所述钳位电路连接复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的漏端，同时连接信号存储电路，所述信号存储电路再依次连接信号比较电路、计数电路和缓存电路；
所述钳位电路使复合介质栅双晶体管光敏探测器恒压放电，所述信号存储电路记录探测器的放电电荷量；所述信号比较电路用于比较所述信号存储电路电压和外部参考电压的大小，当所述信号存储电路电压小于外部参考电压时，所述计数电路开始工作，当所述信号存储电路电压大于外部参考电压时，所述计数电路停止工作；所述计数电路在所述信号比较电路信号的控制下，根据外部时钟信号进行计数；所述缓存电路在所述计数电路计数结束后，存储所述计数电路的计数值。
2.根据权利要求1所述的基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，其特征在于，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOS-C部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二层介质层和第一控制栅极；所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一层介质层、电荷耦合层、第二顶层介质层和第二控制栅极，其中，在MOSFET部分的P型半导体衬底中且靠近第一层介质层的一侧设有N型源极区和N型漏极区，在MOSFET部分的P型半导体衬底中且第一层介质层的下方设有阈值调节注入区。
3.根据权利要求1所述的基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，其特征在于，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的栅端施加有斜坡信号，且所述信号比较电路端施加有恒定信号；或所述复合介质栅双晶体管光敏探测器MOSFET部分的栅端施加有恒定信号，且所述信号比较电路端施加有斜坡信号。
4.根据权利要求1所述的基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，其特征在于，所述计数电路为向上向下计数器：当复合介质栅双晶体管光敏探测器复位后，所述计数电路设置为向下计数模式；当复合介质栅双晶体管光敏探测器曝光后，所述计数电路设置为向上计数模式。
5.根据权利要求1所述的基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，其特征在于，所述计数电路、缓存电路和复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量相同。
6.根据权利要求1所述的基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的模数转换电路，其特征在于，所述计数电路的数量小于复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量，所述缓存电路的数量和所述复合介质栅双晶体管光敏探测器的数量相同。
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