CN112866593A - 一种像素电路和一种红外成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种像素电路和一种红外成像系统，涉及像素电路领域。所述电路包括：积分单元电路、模数转换单元电路、存储单元电路；积分单元电路接收光电探测器产生的光电流并进行积分，产生需要被量化的电压；模数转换单元电路获取需要被量化的电压，对需要被量化的电压进行量化，产生对应光电流的数字量；存储单元电路获取数字量并储存，以及输出数字量至列级电路；模数转换单元电路中比较器的翻转电压固定为参考电压。本发明比较器工作过程中，输出偏差较低的同时，并不需要增加比较器的功耗，只需按照基本的工作特性正常工作即可，整个像素电路的线性度较高，具有较好的实用性。

Description

一种像素电路和一种红外成像系统

技术领域

本发明涉及像素电路领域，尤其涉及一种像素电路和一种红外成像系统。

背景技术

红外成像系统包括以下几个组成部分：红外光学系统、红外探测器阵列、探测器阵列输出的电信号的读出电路、对图像进行后处理的机芯组件。红外焦平面读出电路作为焦平面探测器组件的重要组成部分，是探测器阵列产生的电学信号和后续信号处理电路之间的桥梁。按照读出电路输出的信号类型进行划分，可以将读出电路分为模拟读出型和数字读出型。根据ADC的位置，数字读出型又可以分为输出缓冲级模数转换、列级模数转换、以及像素级模数转换。

像素级模数转换中，对像素阵列的面积要求严格，其中比较器的输出偏差较高，而想要降低比较器的输出偏差，一定要增加比较器的功耗，所以如何在降低比较器的输出偏差的同时，又不增加比较器的功耗，是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种像素电路和一种红外成像系统，提出了一种降低比较器的输出偏差的同时，又不增加比较器的功耗的技术方案。

本发明实施例第一方面提供一种像素电路，所述电路包括：积分单元电路、模数转换单元电路、存储单元电路；

所述积分单元电路接收光电探测器产生的光电流，并进行积分，产生被需要量化的电压；

所述模数转换单元电路获取所述需要被量化的电压，对所述需要被量化的电压进行量化，产生对应所述光电流的数字量；

所述存储单元电路获取所述数字量并储存，以及输出所述数字量至列级电路。

可选地，所述积分单元电路包括：第一开关组件、NMOS管、积分电容；

所述NMOS管的源极与所述光电探测器连接；

所述NMOS管的栅极与信号控制电路连接；

所述NMOS管的漏极与所述第一开关组件的第一端、所述积分电容的第一端以及所述模数转换单元电路分别连接；

所述第一开关组件的第二端与复位电压端连接；

所述积分电容的第二端接地。

可选地，所述模数转换单元电路包括：第二开关组件、第三开关组件、第四开关组件、第五开关组件、采样电容、比较器；

所述第二开关组件的第一端与所述NMOS管的漏极、所述第一开关组件的第一端、所述积分电容的第一端分别连接；

所述第二开关组件的第二端与所述第三开关组件的第一端、所述第四开关组件的第一端、所述采样电容的第一端分别连接；

所述第三开关组件的第二端与所述复位电压端连接；

所述第四开关组件的第二端与斜坡电压端连接；

所述采样电容的第二端与所述比较器的反相端和所述第五开关组件的第一端分别连接；

所述比较器的同相端与所述第五开关组件的第二端、参考电压端分别连接；

所述比较器的输出端与所述存储单元电路连接。

可选地，所述存储单元电路包括：存储器；

所述存储器与所述比较器的输出端、n-bit计数器的输出端、所述列级电路分别连接。

可选地，所述信号控制电路产生积分信号、第一复位信号、第二复位信号、采样信号、量化信号；

所述积分信号的上升沿时间点与所述第一复位信号的上升沿时间点相同；

所述积分信号的下降沿时间点与所述第二复位信号的上升沿时间点、所述量化信号的下降沿时间点均相同；

所述第二复位信号的下降沿时间点与所述采样信号的上升沿时间点相同；

所述采样信号的下降沿时间点与所述量化信号的上升沿时间点相同。

可选地，所述积分信号的高电平维持时间大于所述第一复位信号的高电平维持时间；

所述积分信号的低电平维持时间大于所述第一复位信号的高电平维持时间，与所述第二复位信号的高电平维持时间之和；

所述积分信号的低电平维持时间大于所述量化信号的低电平维持时间；

所述量化信号的低电平维持时间等于所述第一复位信号的高电平维持时间，与所述第二复位信号的高电平维持时间之和。

可选地，所述积分信号高电平时，所述NMOS管导通；

所述积分信号低电平时，所述NMOS管导通关断；

所述第一复位信号高电平时，所述第一开关组件闭合；

所述第一复位信号低电平时，所述第一开关组件断开；

所述采样信号高电平时，所述第二开关组件闭合；

所述采样信号低电平时，所述第二开关组件断开；

所述第二复位信号高电平时，所述第三开关组件闭合；

所述第二复位信号低电平时，所述第三开关组件断开；

所述量化信号高电平时，所述第四开关组件闭合；

所述量化信号低电平时，所述第四开关组件断开；

所述采样信号和所述第二复位信号中任一为高电平时，所述第五开关组件闭合；

所述采样信号和所述第二复位信号均为低电平时，所述第五开关组件断开。

可选地，所述第一开关组件闭合时，所述积分电容的电压大小与所述复位电压端的电压大小相同；

所述NMOS管导通时，所述光电流在所述积分电容上进行积分，产生所述需要被量化的电压；

所述第三开关组件闭合时，所述采样电容的第一端的电压大小与所述复位电压端的电压大小相同；

所述第二开关组件闭合时，所述需要被量化的电压被采样至所述采样电容的第一端；

所述第四开关组件闭合时，所述采样电容的第一端的电压大小，从所述需要被量化的电压的大小变为斜坡电压的大小，所述采样电容的第二端的电压大小，从所述参考电压端的电压大小变为：

所述参考电压端的电压与所述斜坡电压求和之后，与所述需要被量化的电压做差得到的差值大小；

所述第四开关组件闭合的情况下，所述采样电容的第二端的电压随所述斜坡电压的下降而下降，所述采样电容的第二端的电压大小下降至等于所述参考电压端的电压大小时，所述比较器发送翻转，输出低电平。

可选地，实际被量化的电压大小为：

所述复位电压端的电压与所述需要被量化的电压之间做差，得到的差值的大小。

本发明实施例第二方面提供一种红外成像系统，所述红外成像系统包括：红外探测器以及依照像素阵列的需求，布置的多个如第一方面任一所述的像素电路。

本发明提供的像素电路，积分单元电路接收光电探测器产生的光电流，并进行积分，产生被需要量化的电压；模数转换单元电路获取需要被量化的电压，对需要被量化的电压进行量化，产生对应光电流的数字量，存储单元电路获取数字量并储存，以及输出数字量至列级电路。

本发明的技术方案中，由于模数转换单元电路中比较器的翻转电压固定为参考电压，不再随光电流电压的变化而变化，因此，对于每个像素的模数转换来说，比较器的延迟时间固定，则实质上使得所有像素在模数转换时，比较器的输出偏差一致，自然可以将其当做背景电流直接去除，从而使得整个像素电路的线性度较高，而且比较器工作过程中，并不需要增加比较器的功耗。本发明的像素电路具有较好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种像素电路的模块化示意图；

图2是本发明实施例中一种优选的像素电路的结构示意图；

图3是本发明实施例中各个信号的时序示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，示出了本发明实施例一种像素电路的模块化示意图，电路包括：积分单元电路、模数转换单元电路、存储单元电路；积分单元电路接收光电探测器产生的光电流，并进行积分，产生需要被量化的电压；模数转换单元电路获取到需要被量化的电压，对该需要被量化的电压进行量化，产生对应光电流的数字量，模数转换单元电路中比较器的翻转电压固定为参考电压V_REF；存储单元电路获取数字量并储存，以及输出数字量至列级电路；n-bit计数器从量化开始时计时至比较器发生翻转的时间点，计数的时长即为对应光电流的数字量，从而实现对像素的模数转换。

具体的，本发明实施例中一种优选的像素电路的结构示意图参照图2所示。图2中像素电路(Pixel circuit)包括：NMOS管M1、积分电容C_PIX、第一开关组件S1、第二开关组件S2、第三开关组件S3、第四开关组件S4、第五开关组件S5、采样电容C_SH、比较器CMP、存储器memory。

其中，积分单元电路包括：NMOS管M1、积分电容C_PIX、第一开关组件S1；模数转换单元电路包括：第二开关组件S2、第三开关组件S3、第四开关组件S4、第五开关组件S5、采样电容C_SH、比较器CMP和存储器memory。需要说明的是，本发明实施例中，第一开关组件S1、第二开关组件S2、第三开关组件S3、第四开关组件S4、第五开关组件S5均受控于不同的信号，这些信号由信号控制电路40产生并发送。一切可以利用信号实现开关功能的元器件都可以视为开关组件，例如：场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOS管)，继电器等，均可以实现开关的闭合、断开电路的功能，本发明实施例对此不作具体限定。

具体的，NMOS管M1的源极与光电探测器D_G连接，NMOS管M1的栅极与信号控制电路40连接，其受控于信号控制电路40发送的积分信号INT，积分信号INT高电平时，NMOS管M1导通，积分信号INT低电平时，NMOS管M1关断。NMOS管M1的漏极与第一开关组件S1的第一端、积分电容C_PIX的第一端(即积分电容C_PIX的上极板)以及模数转换单元电路中的第二开关组件S2的第一端分别连接。第一开关组件S1的第二端与复位电压端VR连接，积分电容C_PIX的第二端(即积分电容C_PIX的下极板)接地GND。第一开关组件S1受控于信号控制电路40发送的第一复位信号RST1，第一复位信号RST1为高电平时，第一开关组件S1闭合，第一复位信号RST1为低电平时，第一开关组件S1断开。

第二开关组件S2的第二端与第三开关组件S3的第一端、第四开关组件S4的第一端、采样电容C_SH的第一端(即采样电容C_SH的下极板)分别连接；第二开关组件S2受控于信号控制电路40发送的采样信号SH，采样信号SH为高电平时，第二开关组件S2闭合，采样信号SH为低电平时，第二开关组件S2断开。第三开关组件S3的第二端与复位电压端VR连接；第三开关组件S3受控于信号控制电路40发送的第二复位信号RST2，第二复位信号RST2为高电平时，第三开关组件S3闭合，第二复位信号RST2为低电平时，第三开关组件S3断开。第四开关组件S4受控于信号控制电路40发送的量化信号AD，量化信号AD为高电平时，第四开关组件S4闭合，量化信号AD为低电平时，第四开关组件S4断开。

第四开关组件S4的第二端接斜坡电压端V_RAMP；采样电容C_SH的第二端(即采样电容C_SH的上极板)与比较器CMP的反相端和第五开关组件S5的第一端分别连接；比较器CMP的同相端与第五开关组件S5的第二端、参考电压端V_REF分别连接；比较器CMP的输出端OUT与存储单元电路中的存储器memory连接。存储器memory与比较器CMP的输出端OUT、n-bit计数器n-bit counter的输出端、列级电路50分别连接。

第五开关组件S5受控于信号控制电路40发送的采样信号SH和第二复位信号RST2，采样信号SH和第二复位信号RST2中任一信号为高电平时，第五开关组件S5闭合，采样信号SH和第二复位信号RST2均为低电平时，第五开关组件S5断开。

本发明实施例中，信号控制电路40用于产生上述积分信号INT、第一复位信号RST1、第二复位信号RST2、采样信号SH、量化信号AD；参照图3，示出了本发明实施例中各个信号的时序示意图。其中，积分信号INT的上升沿时间点与第一复位信号RST1的上升沿时间点相同；积分信号INT的下降沿时间点与第二复位信号RST2的上升沿时间点、量化信号AD的下降沿时间点均相同；第二复位信号RST2的下降沿时间点与采样信号SH的上升沿时间点相同；采样信号SH的下降沿时间点与量化信号AD的上升沿时间点相同。

积分信号INT的高电平维持时间大于第一复位信号RST1的高电平维持时间；积分信号INT的低电平维持时间大于第一复位信号RST1的高电平维持时间，与第二复位信号RST2的高电平维持时间之和；积分信号INT的低电平维持时间大于量化信号AD的低电平维持时间；量化信号AD的低电平维持时间等于第一复位信号RST1的高电平维持时间，与第二复位信号RST2的高电平维持时间之和。

本发明实施例上述优选的像素电路结合各个信号的时序，具体的工作原理为：假设针对帧频1kHz的像素阵列，在帧时间开始时，积分信号INT和第一复位信号RST1均为高电平，此时NMOS管M1导通，第一开关组件S1闭合。虽然NMOS管M1导通，但是积分电容C_PIX的上极板电压的大小，依然会被复位电压端VR复位至与复位电压端VR产生的电压大小相同，假设该电压为V_R。之后第一复位信号RST1变为低电平，第一开关组件S1断开，此时积分信号INT继续维持高电平，光电探测器D_G产生的光电流在积分电容C_PIX的上极板进行积分，直至积分信号INT变为低电平时完成积分过程，此时NMOS管M1关断，积分电容C_PIX上极板上累积出需要被量化的电压，假设该需要被量化的电压为V_SH。

由于在积分信号INT高电平期间，量化信号AD一直为高电平，因此，第四开关组件S4闭合，采样电容C_SH的下极板电压为斜坡电压端V_RAMP的电压，假设为V_RAMP。积分信号INT变为低电平时，量化信号AD变为低电平，第二复位信号RST2变为高电平，此时第三开关组件S3闭合，第四开关组件S4断开，与此同时，第五开关组件S5也闭合，则采样电容C_SH的上极板电压V_IN等于参考电压端的电压V_REF，采样电容C_SH的下极板电压会被复位电压端VR复位至电压V_R。之后第二复位信号RST2变为低电平，同时采样信号SH变为高电平，此时第三开关组件S3断开，第二开关组件S2闭合，而第五开关组件S5也因为采样信号SH变为高电平所以闭合，则采样电容C_SH的下极板与积分电容C_PIX上极板相连，直至采样信号SH变为低电平，采样完成，采样电容C_SH的下极板电压从V_R变为V_SH。即，采样电容C_SH的下极板上就为需要被量化的电压。

采样信号SH变为低电平时，量化信号AD变为高电平，此时第二开关组件S2断开，第五开关组件S5因为采样信号SH和第二复位信号RST2均为低电平变所以也断开，而第四开关组件S4闭合，则采样电容C_SH的下极板电压又从V_SH变为V_RAMP，基于电容的电荷守恒特性，电容两端电压差不变，所以当采样电容C_SH的下极板电压的电压值又从V_SH变为V_RAMP时，采样电容C_SH的上极板电压V_IN的电压值将从V_REF变为V_REF+V_RAMP-V_SH。

随着量化的进行，斜坡电压V_RAMP会逐渐下降，采样电容C_SH的下极板电压的电压值也随之下降，则采样电容C_SH的上极板电压V_IN的电压值也会随之下降，当采样电容C_SH的上极板电压V_IN的电压值下降到V_REF时，比较器CMP会发送翻转，输出端OUT会输出低电平至存储器memory。由于在帧开始时，积分电容C_PIX的上极板电压为V_R，之后光电流在积分电容C_PIX的上极板进行积分，累积出需要被量化的电压为V_SH，即实质上积分电容C_PIX的上极板电压是从V_R变为V_SH，所以实际上最终被量化的电压就为V_R与V_SH的差值，即V_R-V_SH，而从量化信号AD变为高电平的时间点，一直到比较器CMP发生翻转的时间点之间的时长，即为该帧光电流对应的数字量，也即像素阵列在该帧对应的数字量。这个时长会被n-bit计数器n-bit counter记录，并在写信号TRAN的控制下储存在存储器memory中，然后在行选信号RS的控制下逐行输出到列级电路50中。

由于像素电路工作时，越大的光电流会导致越低的V_SH，那么实际上被量化的信号V_R-V_SH也就越大，从而实现正比的量化。n-bit计数器n-bit counter记录量化的时长(即从量化信号AD变为高电平的时间点，一直到比较器CMP发生翻转的时间点之间的时长)，时长和量化的信号量成正比，所以n-bit计数器n-bit counter的记数结果即为最终的量化结果。

而比较器CMP的翻转电压(即使得比较器CMP输出低电平的电压)固定为参考电压V_REF，其不再随光电流电压的变化而变化，因此，对于每个像素的模数转换来说，比较器CMP的延迟时间固定，则实质上使得所有像素在模数转换时，比较器CMP的输出偏差一致，自然可以将该输出偏差当做背景电流直接去除，从而使得整个像素电路的线性度较高，而且比较器CMP工作过程中，并不需要增加比较器的功耗，只需按照基本的工作特性正常工作即可，所以本发明的像素电路具有较好的实用性。

基于上述像素电路，本发明实施例还提供一种红外成像系统，所述红外成像系统包括：红外探测器以及依照像素阵列的需求，布置的多个如上任一所述的像素电路。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种像素电路，其特征在于，所述电路包括：积分单元电路、模数转换单元电路、存储单元电路；

所述积分单元电路接收光电探测器产生的光电流，并进行积分，产生需要被量化的电压；

所述模数转换单元电路获取所述需要被量化的电压，对所述需要被量化的电压进行量化，产生对应所述光电流的数字量；

所述存储单元电路获取所述数字量并储存，以及输出所述数字量至列级电路；

其中，所述模数转换单元电路中比较器的翻转电压固定为参考电压。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述积分单元电路包括：第一开关组件、NMOS管、积分电容；

所述NMOS管的源极与所述光电探测器连接；

所述NMOS管的栅极与信号控制电路连接；

所述NMOS管的漏极与所述第一开关组件的第一端、所述积分电容的第一端以及所述模数转换单元电路分别连接；

所述第一开关组件的第二端与复位电压端连接；

所述积分电容的第二端接地。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述模数转换单元电路包括：第二开关组件、第三开关组件、第四开关组件、第五开关组件、采样电容、比较器；

所述第二开关组件的第一端与所述NMOS管的漏极、所述第一开关组件的第一端、所述积分电容的第一端分别连接；

所述第二开关组件的第二端与所述第三开关组件的第一端、所述第四开关组件的第一端、所述采样电容的第一端分别连接；

所述第三开关组件的第二端与所述复位电压端连接；

所述第四开关组件的第二端与斜坡电压端连接；

所述采样电容的第二端与所述比较器的反相端和所述第五开关组件的第一端分别连接；

所述比较器的同相端与所述第五开关组件的第二端、参考电压端分别连接；

所述比较器的输出端与所述存储单元电路连接。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述存储单元电路包括：存储器；

所述存储器与所述比较器的输出端、n-bit计数器的输出端、所述列级电路分别连接。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述信号控制电路产生积分信号、第一复位信号、第二复位信号、采样信号、量化信号；

所述积分信号的上升沿时间点与所述第一复位信号的上升沿时间点相同；

所述积分信号的下降沿时间点与所述第二复位信号的上升沿时间点、所述量化信号的下降沿时间点均相同；

所述第二复位信号的下降沿时间点与所述采样信号的上升沿时间点相同；

所述采样信号的下降沿时间点与所述量化信号的上升沿时间点相同。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述积分信号的高电平维持时间大于所述第一复位信号的高电平维持时间；

所述积分信号的低电平维持时间大于所述第一复位信号的高电平维持时间，与所述第二复位信号的高电平维持时间之和；

所述积分信号的低电平维持时间大于所述量化信号的低电平维持时间；

所述量化信号的低电平维持时间等于所述第一复位信号的高电平维持时间，与所述第二复位信号的高电平维持时间之和。

7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述积分信号高电平时，所述NMOS管导通；

所述积分信号低电平时，所述NMOS管导通关断；

所述第一复位信号高电平时，所述第一开关组件闭合；

所述第一复位信号低电平时，所述第一开关组件断开；

所述采样信号高电平时，所述第二开关组件闭合；

所述采样信号低电平时，所述第二开关组件断开；

所述第二复位信号高电平时，所述第三开关组件闭合；

所述第二复位信号低电平时，所述第三开关组件断开；

所述量化信号高电平时，所述第四开关组件闭合；

所述量化信号低电平时，所述第四开关组件断开；

所述采样信号和所述第二复位信号中任一为高电平时，所述第五开关组件闭合；

所述采样信号和所述第二复位信号均为低电平时，所述第五开关组件断开。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述第一开关组件闭合时，所述积分电容的电压大小与所述复位电压端的电压大小相同；

所述NMOS管导通时，所述光电流在所述积分电容上进行积分，产生所述需要被量化的电压；

所述第三开关组件闭合时，所述采样电容的第一端的电压大小与所述复位电压端的电压大小相同；

所述第二开关组件闭合时，所述需要被量化的电压被采样至所述采样电容的第一端；

所述第四开关组件闭合时，所述采样电容的第一端的电压大小，从所述需要被量化的电压的大小变为斜坡电压的大小，所述采样电容的第二端的电压大小，从所述参考电压端的电压大小变为：

所述参考电压端的电压与所述斜坡电压求和之后，与所述需要被量化的电压做差得到的差值大小；

所述第四开关组件闭合的情况下，所述采样电容的第二端的电压随所述斜坡电压的下降而下降，所述采样电容的第二端的电压大小下降至等于所述参考电压端的电压大小时，所述比较器发送翻转，输出低电平。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，实际被量化的电压大小为：

所述复位电压端的电压与所述需要被量化的电压之间做差，得到的差值的大小。

10.一种红外成像系统，其特征在于，所述红外成像系统包括：红外探测器以及依照像素阵列的需求，布置的多个如权利要求1-9任一所述的像素电路。

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