CN113237562B - 具有盲元记忆和抑制功能的读出电路和红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路和红外探测器，在读出电路像元阵列的每个像元电路内通过忆阻器对像元的状态进行存储，当探测器的像元为盲元时，将该像元电路内的忆阻器写为高阻态，通过恒流偏置电路和反相器将忆阻器的高阻态转换为数字高电平，再写入到静态随机存储器中，然后关断忆阻器的恒流偏置电路节省功耗，利用静态随机存储器控制读出电路像元的复位管，关断盲元所在的读出电路的积分电路，从而抑制了盲元的负面影响。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS中的读出电路，尤其是涉及一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路和红外探测器。
背景技术
红外探测器是对红外辐射进行感应探测的器件，当红外探测器发展到二维阵列后，需要专用的读出电路芯片对红外光敏芯片的输出信号进行处理。红外光敏芯片阵列的每个像元将红外辐射转换为微弱的电流信号，读出电路与之匹配的每个像元电路将电流信号积分转换为电压信号，再通过行选电路和列选电路依次选通阵列中的每个像元串行输出到红外探测器外。在每一帧工作开始时，每个像元电路会对积分电路进行全局复位，对积分电压清零，重新开始下一帧电流信号的积分。
当红外探测器发展到大规模以后，阵列中不可避免的会存在一些坏的光敏像元，称之为盲元。当这些盲元为过热像元时，暗电流远远大于正常的工作电流，积分电荷超出了积分电路的满阱容量范围，这些电荷可能会溢出到临近像元，或者让该区域的电路工作点偏离正常，产生“光晕”等负面现象。
抑制红外探测器中盲元有多种方法，其中一种是在像元内通过比较器等分析输出电压，当偏离正常范围时将判断结果反馈到积分电路的复位端，将该像元进行复位或者切换增益，另一种思路是在像元内设计静态随机存储器，先通过常规测试记录每个盲元的位置，每次上电时，将正常像元和盲元以0/1的码值写入到静态随机存储器中，由静态随机存储器根据存储信息判断是将该像元的积分电路设置为正常工作还是复位。
上述第一种思路，它的缺点是应用适应性差，当积分时间、辐照条件变化后，需要重新去设置阈值判断条件，阈值条件设置偏严格，容易将正常像元设置为盲元，阈值条件设置偏宽松，会漏掉部分盲元，这种方法在实际应用中难以发挥出理想的效果。第二种思路，通过每个像元内设计静态随机存储器来存储盲元的信息，但是由于静态随机存储器在断电后会丢失信息，因此需要每次上电时将盲元信息写入到静态随机存储器中，这增加了系统设计的复杂度和硬件开支成本。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路和红外探测器，利用忆阻器的非易失性、兼容集成电路工艺的优点，将忆阻器集成到读出电路像元电路内，在第一次将盲元信息写入到像元的忆阻器内后，可以长期存储记忆盲元信息，无需再次重复写入盲元信息。正常上电后通过静态随机存储器读取忆阻器的盲元信息，然后关断忆阻器的工作支路从而大幅度减小忆阻器的静态读取功耗，再根据静态随机存储器的存储信息选择性对盲元所在的像元进行复位，从而实现了盲元抑制功能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路，包括像元阵列、列选电路和行选电路，所述像元阵列由M行N列的像元电路排列而成，所述读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的列选通开关MOS管，所有列选通开关MOS管的栅极均连接至列选电路，源极连接至相同电压的电源，所述像元电路包括忆阻器、恒流偏置电路、比较器、静态随机存储器单元、反相器、数据选择器、积分电路、复位MOS管、采样保持电路和像元输出电路，所述忆阻器的一端接地，另一端连接恒流偏置电路的输出端和比较器的正相输入端，所述恒流偏置电路的第一输入端连接至对应的列选通开关MOS管的漏极，第二输入端连接至行选电路，所述比较器的输出端连接静态随机存储器单元的第一输入端和反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至静态随机存储器单元的第二输入端，所述静态随机存储器单元的输出端依次通过数据选择器、复位MOS管和采样保持电路连接像元输出电路。
所述静态随机存储器单元的输出端连接至数据选择器的数据选择端，所述复位MOS管的栅极连接至数据选择端的输出端，源极连接积分电路的输出端，所述积分电路的输出端通过采样保持电路连接像元输出电路。
所述复位MOS管的漏极连接积分电路的输入端。
所述恒流偏置电路包括第一偏置MOS管和第一选通开关MOS管，所述第一偏置MOS管的源极连接至列选通开关MOS管的漏极，漏极连接第一选通开关MOS管的源极，所述第一选通开关MOS管的漏极连接忆阻器，栅极连接行选电路。
所述数据选择器的第一数据输入端连接地线，第二数据输入端连接外部的复位控制发生模块。
所述所有列选通开关MOS管的源极均连接至第一电源。
所述读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的写入总线，所述恒流偏置电路的第一输入端均通过对应的写入总线连接至列选通开关MOS管的漏极。
每一列像元电路中的所有像元输出电路共享输出总线。
所述行选电路设有2M个脉冲输出端。
一种红外探测器，含有如上述的读出电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过像元内的忆阻器，实现了盲元信息的长期记忆存储，无需每次上电后写入盲元信息，节省了硬件资源和写入时间。
2)通过恒流偏置电路，将忆阻器内的高阻态/低阻态转换为高压和低压，进一步通过后面的比较器转换为高电平和低电平，从而实现了忆阻器存储的阻态到高低电平的转换，简化了信息读取电路。
3)在比较器后设计静态随机存储单元，将比较器输出的高低电平写入到静态随机存储单元中，然后关断忆阻器的恒流偏置电路，从而大幅度降低了功耗，实现了低功耗设计。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图；
图2为本发明实施例的像元电路的原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路，如图1和图2所示，包括像元阵列、列选电路和行选电路，像元阵列由M行N列的像元电路排列而成，M、N为大于1的整数，读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的列选通开关MOS管，所有列选通开关MOS管的栅极均连接至列选电路，源极连接至相同电压的电源，像元电路包括忆阻器、恒流偏置电路、比较器、静态随机存储器单元、反相器、数据选择器、积分电路、复位MOS管、采样保持电路和像元输出电路，忆阻器的一端接地，另一端连接恒流偏置电路的输出端和比较器的正相输入端，恒流偏置电路的第一输入端连接至对应的列选通开关MOS管的漏极，第二输入端连接至行选电路，比较器的输出端连接静态随机存储器单元的第一输入端和反相器的输入端，反相器的输出端连接至静态随机存储器单元的第二输入端，静态随机存储器单元的输出端依次通过数据选择器、复位MOS管和采样保持电路连接像元输出电路。
通过像元内的忆阻器，实现了盲元信息的长期记忆存储，无需每次上电后写入盲元信息，节省了硬件资源和写入时间，通过恒流偏置电路，将忆阻器内的高阻态/低阻态转换为高压和低压，进一步通过后面的比较器转换为高电平和低电平，从而实现了忆阻器存储的阻态到高低电平的转换，简化了信息读取电路。
静态随机存储器单元的输出端连接至数据选择器的数据选择端，复位MOS管的栅极连接至数据选择端的输出端，源极连接积分电路的输出端，积分电路的输出端通过采样保持电路连接像元输出电路，复位MOS管的漏极连接积分电路的输入端。
行选电路输出2×M个脉冲，分别为M行像元电路(以下简称像元)提供控制脉冲，每行像元共用2个控制脉冲，第一行的两个控制脉冲分别为R1_1和R1_2，第二行的两个控制脉冲分别为R2_1和R2_2，以此类推，第M行的两个控制脉冲分别为RM_1和RM_2。
在一些实施例中，恒流偏置电路包括第一偏置MOS管和第一选通开关MOS管，第一偏置MOS管的源极(即Bus_Col)连接至列选通开关MOS管的漏极，漏极连接第一选通开关MOS管的源极，第一选通开关MOS管的漏极连接忆阻器，栅极连接行选电路。每一列像元电路中的所有像元输出电路共享输出总线，每列像元共享输入和输出总线，输出总线为红外探测器读出电路常规的数据总线，输入总线为忆阻器的列写入总线，第一列的写入总线如附图1所示的L1，第二列的写入总线如附图1所示的L2，第N列的写入总线如附图1所示的LN，列写入总线L1、L2到LN分别与列选通开关MOS管(SWCOL_1、SWCOL_2SWCOL_N)的漏端连接，列选通开关MOS管(SWCOL_1、SWCOL_2、SWCOL_N)的栅端由列选电路的N列选通脉冲控制，这N列选通脉冲依次为LS1、LS2到LSN，所有列选通开关MOS管(SWCOL_1、SWCOL_2、SWCOL_N)的源端连接相同的列输入电压Vcol。以第一列为例，第一列所有像元电路的Bus_Col均连接到图1中的L1列写入总线上。
在一些实施例中，数据选择器的第一数据输入端连接地线，第二数据输入端连接外部的复位控制发生模块。
在一些实施例中，所有列选通开关MOS管的源极均连接至第一电源。
在一些实施例中，读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的写入总线，恒流偏置电路的第一输入端均通过对应的写入总线连接至列选通开关MOS管的漏极。
忆阻器如附图2中的MR1所示，恒流偏置电路如附图2中的虚框1所示，比较器如附图2中的COMP所示，静态随机存储单元如附图2中的虚框2所示，反相器如附图2中的INV所示。忆阻器MR1的第一端接地，第二端连接恒流偏置电路的第一端，即图2中节点26和比较器COMP的正输入端，比较器COMP的输出端连接静态随机存储单元的第一位线，即图2中的节点21和反相器的输入端，反相器的输出端接静态随机存储单元的第二位线，即图2中的节点22。
数据选择器如图2中的MUX所示，静态随机存储单元的第三位线23连接MUX的数据选择端，MUX的第一数据输入端连接地线，MUX的第二数据输入端连接外部的复位控制脉冲，如图2中的Rst所示，数据选择器的输出端连接复位MOS管SW2的栅端。
积分电路如图2中的虚框3所示，复位MOS管SW2的漏端连接积分电路的输入端，SW2的源端连接积分电路的输出端，积分电路的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接像元输出电路的输入端。
结合优选实施例，实现盲元记忆和抑制功能的步骤如下：
S1：通过列选电路使所有列的列选通开关MOS管保持导通；
S2：通过行选电路的输出脉冲R1_1使第一行的SW1导通，将列输入电压Vcol设置为短脉冲电压Vwrite_low，通过该短脉冲电压将第一行的所有忆阻器设置为低阻态，然后关断第一行的SW1；
S3：通过行选电路的输出脉冲R2_1,…RM_1依次使第二行到第M行的SW1导通，参照步骤S2，将第二行到第M行所有忆阻器设置为低阻态，关断所有的列选通开关MOS管；
S4：通过行选电路的输出脉冲R1_1使第一行的行选通开关MOS管导通，根据已知的第一行盲元位置，通过列选电路使盲元所在列的列选通开关MOS管导通，为列输入端提供短脉冲电压Vwrite_high，将第一行所有盲元像元的忆阻器设置为高阻态；
S5：通过行选电路的输出脉冲R2_1,…RM_1依次使第二行到第M行的行选通开关MOS管导通，根据已知的各行盲元位置，通过列选电路使盲元所在列的列选通开关MOS导通，为列输入端提供短脉冲电压Vwrite_high，将第二行到第M行的所有盲元像元的忆阻器设置为高阻态，此时阵列内的忆阻器存储了盲元的信息；
S6：通过列选电路使所有列的列选通开关MOS导通，为列输入端提供直流电源电压Vcol；
S7：通过行选电路的输出脉冲R1_1使第一行的SW1导通，同时通过行选电路的输出脉冲R1_2使第一行静态随机存储单元的字线(如附图2所示的24和25)导通，将忆阻器的存储信息转移到静态随机存储单元后，关断SW1和随机存储单元的位线；
S8：重复S7，通过行选电路的输出脉冲R2_1,…,RM_1依次使第二行到第M行的行选通开关MOS管导通，同时通过行选电路的输出脉冲R2_2,…,RM_2依次选通第二行到第M行静态随机存储单元的字线，将忆阻器的存储信息逐行转移到静态随机存储单元后，关断SW1和随机存储单元的位线。此时所有阵列的盲元信息传递到该像元电路的静态随机存储单元内。当像元为正常像元时，静态存储单元内存储低位，控制MUX选择正常的复位脉冲Rst，复位脉冲控制复位MOS管SW2的栅端，使像元处于正常的积分和复位模式。当像元为盲元时，静态存储器内存储高位，控制MUX选择电源线，由电源高电平控制复位MOS管的源端，使像元始终处于复位状态，从而实现了盲元抑制。
Claims (4)
1.一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路，包括像元阵列、列选电路和行选电路，所述像元阵列由M行N列的像元电路排列而成，其特征在于，所述读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的列选通开关MOS管，所有列选通开关MOS管的栅极均连接至列选电路，源极连接至相同电压的电源，所述像元电路包括忆阻器、恒流偏置电路、比较器、静态随机存储器单元、反相器、数据选择器、积分电路、复位MOS管、采样保持电路和像元输出电路，所述忆阻器的一端接地，另一端连接恒流偏置电路的输出端和比较器的正相输入端，所述恒流偏置电路的第一输入端连接至对应的列选通开关MOS管的漏极，第二输入端连接至行选电路，所述比较器的输出端连接静态随机存储器单元的第一输入端和反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至静态随机存储器单元的第二输入端，所述静态随机存储器单元的输出端依次通过数据选择器、复位MOS管和采样保持电路连接像元输出电路；
所述静态随机存储器单元的输出端连接至数据选择器的数据选择端，所述复位MOS管的栅极连接至数据选择端的输出端，源极连接积分电路的输出端，所述积分电路的输出端通过采样保持电路连接像元输出电路；
所述复位MOS管的漏极连接积分电路的输入端；
所述恒流偏置电路包括第一偏置MOS管和第一选通开关MOS管，所述第一偏置MOS管的源极连接至列选通开关MOS管的漏极，漏极连接第一选通开关MOS管的源极，所述第一选通开关MOS管的漏极连接忆阻器，栅极连接行选电路；
所述数据选择器的第一数据输入端连接地线，第二数据输入端连接外部的复位控制发生模块；
所述所有列选通开关MOS管的源极均连接至第一电源；
所述读出电路还包括N个分别与各列像元电路对应的写入总线，所述恒流偏置电路的第一输入端均通过对应的写入总线连接至列选通开关MOS管的漏极。
2.根据权利要求1所述的一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路，其特征在于，每一列像元电路中的所有像元输出电路共享输出总线。
3.根据权利要求1所述的一种具有盲元记忆和抑制功能的读出电路，其特征在于，所述行选电路设有2M个脉冲输出端。
4.一种红外探测器，其特征在于，含有如权利要求1-3中任一所述的读出电路。
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