CN112290924B - 一种红外探测器的像素电路及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器的像素电路及驱动方法，属于红外探测器电路设计领域。该像素电路包括：积分控制电路，信号传输电路，复位电路，选通读出电路和积分电容。本发明所提供的红外探测器的像素电路及驱动方法，能够在同一帧的较短时间间隔内分时读出复位电压和信号电压，同一帧内较短时间间隔内的两次采样所包含的热噪声信号也基本相同，所以通过后续电路对两次采样电压作差，理论上能够完全消除像素电路的热噪声。
Description
技术领域
本发明属于红外探测器技术领域，更具体地，涉及一种红外探测器的像素电路及驱动方法。
背景技术
一般来说，红外探测器分为红外感应部分和CMOS集成电路部分。CMOS集成电路的参数设计与红外感应部分的光响应情况密不可分。因此根据红外感应部分的光响应等相关参数，设计专用的CMOS集成电路对于红外探测器的构建十分重要。而且随着时代发展，红外探测器诸多的军用和民用的应用场景需要探测器能够探测十分微弱的红外光，所以如何读出弱光下红外感应信号是一个新的挑战性。
图1为现有的红外探测器像素电路结构示意图。该像素电路包含5个NMOS管，该电路时序如图2所示，t0～t1时段，NMOS管M5打开，光电二极管PD上的电压被复位为至VDD(电源电压)；t1～t2时段，NMOS管M5关闭，进入积分阶段，PD在光照下产生光电流；t2～t3时段，NMOS管M4打开，PD的信号电压存储在电容C中；t3～t4时段，NMOS管M3和开关S/S打开，电容C中电压被读出至电容CS；t4～t5时段，NMOS管M1打开，NMOS管M2栅极复位至VDD；t5～t6时段，NMOS管M3和开关S/R打开，复位电压被读出至电容CR，后续电路对电容CR和CS的电压作差，得到光响应。
在现有结构中，由于信号电压的读出和复位电压的读出处于不同帧，因此并未实现真正的双采样，复位过程所带来的热噪声无法被完全消除。另外，由于源跟随结构的输入管采用NMOS管，因此小于NMOS管阈值电压范围的积分电压会被截止。积分电容所得到的积分电压与光电流大小成正比，所以当红外光较弱的时候，得到的积分电压小于NMOS管的阈值电压，无法得到正确输出。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种红外探测器像素电路及驱动方法，其目的在于，实现真正的相关双采样，消除复位过程所引入的热噪声，并且解决弱光下的积分电压较小导致的信号被截断的问题，同时减小像素点路的1/f噪声。
为实现上述目的，本发明设计了一种红外探测器像素电路，包括积分控制电路，信号传输电路，复位电路，选通读出电路和积分电容。
所述积分控制电路的第一输入端输入所述光生电流信号，所述积分控制电路的第二输入端连接至第一时序控制信号GTX，所述积分控制电路的第三输入端连接至第二时序控制信号GPRE，所述积分控制电路的输出端分别连接至所述积分电容和所述信号传输电路的第一输入端；所述积分控制电路用于根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE的电平高低情况，控制所述光生电流信号流入所述像素电路或流至地GND，同时根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE高低电平的持续时间，控制积分时间。
所述信号传输电路的第二输入端连接至第三时序控制信号TX，所述信号传输电路的输出端分别连接至所述复位电路的输出端和所述选通读出电路的第一输入端以形成浮动扩散节点；所述信号传输电路用于在复位阶段配合所述复位电路实现所述积分电容的复位，在信号读出阶段打开信号读出通路，实现所述积分电容电压的读出。
所述复位电路的输入端连接至第四时序控制信号RST；所述复位电路用于根据所述第四时序控制信号RST的电平高低情况，控制所述浮动扩散节点的复位，同时在复位阶段与所述信号传输电路配合，实现所述积分电容的复位。
所述选通读出电路的第二输入端连接至第五时序控制信号SEL；所述选通读出电路用于在信号读出阶段分别将浮动扩散节点的复位电压和积分电容电压读出至所述选通读出电路的输出端Vout，配合后续电路，完成相关双采样操作。
积分电容接收输入的光电流信号，并将光电流信号转化为电压信号。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种上述红外探测器的像素电路的驱动方法，包括以下步骤：
复位阶段：将第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为高电平，积分电容和浮动扩散节点电压被复位至低电平；
积分阶段：将第一时序控制信号GTX设置为高电平，第二时序控制信号GPRE、第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为低电平，光生电流信号进入所述像素电路，所述积分电容上极板电压不断升高；
读出阶段：将第四时序控制信号RST设置为高电平，浮动扩散节点电压被再次复位为低电平；再将第一时序控制信号GTX设置为低电平、第二时序控制信号GPRE设置为高电平，积分结束，红外探测器内的光生电流信号被导入到地；然后再将第五时序控制信号SEL设置为高电平，从而将浮动扩散节点的复位电压读出；接着，将第三时序控制信号TX设置为高电平，从而将积分电容电压读出。
根据本申请的又一个方面，还提供了一种红外探测器，该红外探测器采用上述的像素电路。
总体而言，通过本发明所构思的上述技术方案，能够取得以下的有益效果：
(1)本发明所提供的红外探测器的像素电路及驱动方法，能够在同一帧的较短时间间隔内分时读出复位电压和信号电压，同一帧内较短时间间隔内的两次采样所包含的热噪声信号的基本相同，所以通过后续电路对两次采样电压作差，理论上能够完全消除像素电路的热噪声，
(2)本发明所提供的红外探测器的像素电路及驱动方法，在源跟随结构中采用了PMOS管代替现有结构中的NMOS管作为输入管。PMOS管阈值电压为负值，因此不会出现较小光强下，信号电压截止的情况，提升了电路对于弱光信号的读出能力。
同时，电路的1/f噪声的公式为：
式中α1/f是一个和电路具体设计相关的无单位的系数；CP是指存储节点的寄生电容；是布线、传输门、复位晶体管等引起的寄生电容的总和；Ce是指MOS管中栅极的边缘单位电容值；W是指MOS管的沟道宽度；L是指MOS管的沟道长度；Cox是指MOS管栅氧化层的单位电容值；KF与晶体管的氧化物陷阱密度成正比，从工艺上来说，PMOS管的氧化物陷阱密度低于NMOS，因此使用PMOS管可以降低像素电路的1/f噪声，提升信噪比，最终提升图像质量。
附图说明
图1为现有红外探测器像素电路结构示意图；
图2为现有红外探测器像素电路时序图；
图3为本发明实施例提供的红外探测器像素电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的红外探测器像素电路时序图；
图5为本发明实施例提供的红外探测器像素电路仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的红外探测器像素电路仿真结果线性拟合图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了消除像素电路的热噪声，提升了电路对于弱光信号的读出能力，同时降低像素电路的1/f噪声，提升信噪比，最终提升图像质量，本发明提供了一种红外探测器的像素电路，用于读出红外探测器内的光生电流信号，如图3所示，包括积分控制电路2，信号传输电路3，复位电路4，选通读出电路5和积分电容6。
在电路设计过程中，为了便于电路的仿真及测试，还提供了信号产生电路1。所述信号产生电路1，用于模拟红外探测器在红外光辐射下所产生的光电流，其输出端与积分控制电路2的输入端相连，将光电流输入像素电路进行处理。
所述积分控制电路的第一输入端输入所述光生电流信号，所述积分控制电路的第二输入端连接至第一时序控制信号GTX，所述积分控制电路的第三输入端连接至第二时序控制信号GPRE，所述积分控制电路的输出端分别连接至所述积分电容和所述信号传输电路的第一输入端；所述积分控制电路用于根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE的电平高低情况，控制所述光生电流信号流入所述像素电路或流至地GND，同时根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE高低电平的持续时间，控制积分时间。
所述信号传输电路的第二输入端连接至第三时序控制信号TX，所述信号传输电路的输出端分别连接至所述复位电路的输出端和所述选通读出电路的第一输入端以形成浮动扩散(FD)节点；所述信号传输电路用于在复位阶段配合所述复位电路实现所述积分电容的复位，在信号读出阶段打开信号读出通路，实现所述积分电容电压的读出。
所述复位电路的输入端连接至第四时序控制信号RST；所述复位电路用于根据所述第四时序控制信号RST的电平高低情况，控制所述浮动扩散节点的复位，同时在复位阶段与所述信号传输电路配合，实现所述积分电容的复位。
所述选通读出电路的第二输入端连接至第五时序控制信号SEL；所述选通读出电路用于在信号读出阶段分别将浮动扩散节点的复位电压和积分电容电压读出至所述选通读出电路的输出端Vout，配合后续电路，完成相关双采样操作。
所述积分电容接收输入的光电流信号，并将光电流信号转化为电压信号。
具体地，如图3所示，所述积分控制电路2包括第一NMOS管M0和第二NMOS管M1；所述第一NMOS管M0的漏极与所述第二NMOS管M1的源极连接，作为所述积分控制电路的第一输入端；所述第一NMOS管M0的栅极作为所述积分控制电路的第二输入端；所述第一NMOS管M0的源极作为所述积分控制电路的输出端；所述第二NMOS管M1的栅极作为所述积分控制电路的第三输入端；所述第二NMOS管M1的漏极接地。
所述信号传输电路3包括第三NMOS管M2，所述第三NMOS管M2的源极作为所述信号传输电路的第一输入端，所述第三NMOS管M2的栅极作为所述信号传输电路的第二输入端，所述第三NMOS管M2的漏极作为所述信号传输电路的输出端。
所述复位电路4包括第四NMOS管M3，所述第四NMOS管M3的栅极作为所述复位电路的输入端，所述第四NMOS管M3的漏极作为所述复位电路的输出端，所述第四NMOS管M3的源极接地。
所述选通读出电路5包括第一PMOS管M4和第五NMOS管M5；所述第一PMOS管M4的栅极作为所述选通读出电路的第一输入端，所述第一PMOS管M4的漏极接地，所述第一PMOS管M4的源极连接所述第五NMOS管M5的漏极，所述第五NMOS管M5的栅极作为所述选通读出电路的第二输入端，所述第五NMOS管M5的源极作为所述选通读出电路的输出端。
所述积分电容C1的一端分别连接至所述积分控制电路的输入端和所述信号传输电路的第一输入端，所述积分电容的另一端接地。
基于上述的红外探测器像素电路，本发明还提供了一种驱动方法，包括：
如图4所示，像素电路的驱动分为复位、积分、读出三个阶段。首先进入复位状态，积分电容C1被复位；然后进入积分阶段，积分电容C1接收光生电流信号，电压上升；最后进入读出阶段，信号读出包含复位电压读出和信号电压(也就是积分电容电压)读出两个阶段；读出阶段之后，像素电路再次进入复位阶段，进入下一帧处理。
具体地址，如图4所示，像素电路的驱动时序分为复位阶段，积分阶段和读出阶段。下述的高电平代表VDD电压(即电源电压)，低电平代表GND电压(地电压)。对于图中所示所有MOS管而言，高电平能够打开MOS管，低电平能够关断MOS管。
t0～t1时段为复位阶段，将第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为高电平，NMOS管M2和M3导通，积分电容C1和FD节点电压被复位至GND。
t1～t3时段为积分阶段，将第一时序控制信号GTX设置为高电平，第二时序控制信号GPRE、第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为低电平，MOS管M0导通，MOS管M1关闭，光电流进入像素电路，积分电容C1上极板电压不断上升。
t2～t5时段为读出阶段。系统采用相关双采样的工作模式，因此读出阶段分为复位电压的读出和信号电压的读出。t2～t3时段，将第四时序控制信号RST设置为高电平，MOS管M3打开，FD节点电压被再次复位为GND。t3时刻，将第一时序控制信号GTX设置为低电平、第二时序控制信号GPRE设置为高电平，MOS管M0关闭，积分结束，MOS管M1打开，红外探测器产生的光生电流通过MOS管M5导入GND。t3～t4时段，第五时序控制信号SEL设置为高电平，MOS管M5打开，FD节点的复位电压被读出。t4～t5时段，将第三时序控制信号TX设置为高电平，MOS管M2打开，积分电容C1的信号电压被读出。后续电路(未画出)实现对两次采样电压的相减，实现相关双采样，消除噪声，得到真正的净信号电压值。
t5时段，将第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为高电平，MOS管M2和M3再次导通，重复上述操作，进入下一帧处理。
本发明设计了低噪声、能够实现弱光信号检测的红外探测器像素电路。图5为红外探测器像素电路的仿真图，仿真结果显示，当信号产生电路1输入0～150pA电流，积分时间为100μs的条件下，电路的输出电压范围为0～1V。线性拟合分析采用数据处理软件Origin，图6所示的线性拟合结果，输出电压的Adj.R-Square(校正决定系数)达到0.99979，线性度优良。因此，所设计的像素电路在输入信号范围下，能够实现全范围信号的线性读出，尤其实现了弱光信号的线性读出，提升了红外探测器的应用范围。
在本申请的一个实施例中，还提供了一种红外探测器，该红外探测器采用了上述的读出电路，再次不再赘述。
总的来说，本发明所提供的红外探测器像素电路是一种低噪声，能实现弱光信号检测的像素电路，消除了复位过程引入的热噪声，同时减小了1/f噪声，提升了像素电路弱光信号检测的能力，提升了红外探测器的应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种红外探测器的像素电路，用于读出红外探测器内的光生电流信号，其特征在于，包括：积分控制电路、信号传输电路、复位电路、选通读出电路和积分电容；
所述积分控制电路的第一输入端输入所述光生电流信号，所述积分控制电路的第二输入端连接至第一时序控制信号GTX，所述积分控制电路的第三输入端连接至第二时序控制信号GPRE，所述积分控制电路的输出端分别连接至所述积分电容和所述信号传输电路的第一输入端；所述积分控制电路用于根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE的电平高低情况，控制所述光生电流信号流入所述像素电路或流至地GND，同时根据所述第一和第二时序控制信号GTX和GPRE高低电平的持续时间，控制积分时间；
所述信号传输电路的第二输入端连接至第三时序控制信号TX，所述信号传输电路的输出端分别连接至所述复位电路的输出端和所述选通读出电路的第一输入端以形成浮动扩散节点；所述信号传输电路用于在复位阶段配合所述复位电路实现所述积分电容的复位，在信号读出阶段打开信号读出通路，实现所述积分电容电压的读出；
所述复位电路的输入端连接至第四时序控制信号RST；所述复位电路用于根据所述第四时序控制信号RST的电平高低情况，控制所述浮动扩散节点的复位，同时在复位阶段与所述信号传输电路配合，实现所述积分电容的复位；
所述选通读出电路的第二输入端连接至第五时序控制信号SEL；所述选通读出电路用于在信号读出阶段分别将浮动扩散节点的复位电压和积分电容电压读出至所述选通读出电路的输出端Vout，配合后续电路，完成相关双采样操作。
2.根据权利要求1所述的红外探测器的像素电路，其特征在于，所述积分控制电路包括第一NMOS管M0和第二NMOS管M1；所述第一NMOS管M0的的漏极与所述第二NMOS管M1的源极连接，作为所述积分控制电路的第一输入端；所述第一NMOS管M0的栅极作为所述积分控制电路的第二输入端；所述第一NMOS管M0的源极作为所述积分控制电路的输出端；所述第二NMOS管M1的栅极作为所述积分控制电路的第三输入端；所述第二NMOS管M1的漏极接地。
3.根据权利要求1所述的红外探测器的像素电路，其特征在于，所述信号传输电路包括第三NMOS管M2，所述第三NMOS管M2的源极作为所述信号传输电路的第一输入端，所述第三NMOS管M2的栅极作为所述信号传输电路的第二输入端，所述第三NMOS管M2的漏极作为所述信号传输电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的红外探测器的像素电路，其特征在于，所述复位电路包括第四NMOS管M3，所述第四NMOS管M3的栅极作为所述复位电路的输入端，所述第四NMOS管M3的漏极作为所述复位电路的输出端，所述第四NMOS管M3的源极接地。
5.根据权利要求1所述的红外探测器的像素电路，其特征在于，所述选通读出电路包括第一PMOS管M4和第五NMOS管M5；所述第一PMOS管M4的栅极作为所述选通读出电路的第一输入端，所述第一PMOS管M4的漏极接地，所述第一PMOS管M4的源极连接所述第五NMOS管M5的漏极，所述第五NMOS管M5的栅极作为所述选通读出电路的第二输入端，所述第五NMOS管M5的源极作为所述选通读出电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的红外探测器的像素电路，其特征在于，所述积分电容的一端分别连接至所述积分控制电路的输入端和所述信号传输电路的第一输入端，所述积分电容的另一端接地。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的红外探测器的像素电路的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
复位阶段：将第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为高电平，积分电容和浮动扩散节点电压被复位至低电平；
积分阶段：将第一时序控制信号GTX设置为高电平，第二时序控制信号GPRE、第三时序控制信号TX和第四时序控制信号RST设置为低电平，光生电流信号进入所述像素电路，所述积分电容上极板电压不断升高；
读出阶段：将第四时序控制信号RST设置为高电平，浮动扩散节点电压被再次复位为低电平；再将第一时序控制信号GTX设置为低电平、第二时序控制信号GPRE设置为高电平，积分结束，红外探测器内的光生电流信号被导入到地；然后再将第五时序控制信号SEL设置为高电平，从而将浮动扩散节点的复位电压读出；接着，将第三时序控制信号TX设置为高电平，从而将积分电容电压读出。
8.一种红外探测器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一权利要求所述的红外探测器的像素电路。
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