CN114422722A - Bdi型像素电路及读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种具有高的稳定性的BDI型像素电路及读出电路。其中像素电路包括：积分电路；反馈控制电路，包括：输入端，与红外探测器的输出端连接，用于接收红外探测器根据红外光信号所产生的电流信号；输出端，与积分电路连接，用于对积分电路进行充电；以及控制端；输出电路，与积分电路连接，用于根据积分电路的积分电压输出信号；以及运放电路，包括：输入端，与反馈控制电路的输入端连接，以及输出端，与反馈控制电路的控制端连接；其中，运放电路，包括：作为尾电流源的晶体管，该晶体管为倒比管，且该晶体管的宽长比介于1：50～1：100之间。

Description

BDI型像素电路及读出电路

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种BDI(Buffered Direct Injection，缓冲直接注入)型像素电路及读出电路。

背景技术

红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，其中红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到，要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，需要把它转变成可以察觉和测量的其他物理量(如电信号)。当前，红外探测器在损伤检测、物品分拣等工业中被广泛应用。

在现有技术中，一般采用读出电路来检测红外探测器基于红外光信号所生成的光电流信号。而在读出电路中，BDI型像素电路是比较重要的一部分，其性能关系着整个读出电路的性能高低。如图1所示，是现有的BDI型像素电路3的结构示意图，BDI型像素电路是一种常用的红外探测器像素电路。在图1中，由探测器1检测红外光信号，并产生相应的电信号，产生的电信号通过互联电极2输出至BDI型像素电路3的输入端，其中探测器1连接在电源电压VCOM和BDI型像素电路3的输入端之间。在图中，BDI型像素电路3包括：反馈控制电路30、运放电路31、积分电路32、复位电路33和输出电路34。

其中，反馈控制电路30由晶体管M0实现，其源端为BDI型像素电路3的输入端，用于从互联电极2接收信号。输出电路34由晶体管M7和M10构成的源跟随器组成，其中源跟随器连接在电源电压VCC和BDI型像素电路3的输出端之间。运放电路31包括晶体管M1～M5，其中M1为尾电流源，其由偏置电压Vb控制，M2的栅极接至M0的源极，即像素电路3的输入端，M3的栅极由偏置信号VD控制；工作时，反馈控制电路30和像素运放电路31相配合，在输入光电流发生变化时，保持运放电路31反向输入端(即M2的栅极)的电压保持稳定(即与VD相等)，从而使红外探测器件的偏置电压保持稳定，同时提高信号注入效率。积分电路32由电容C实现，其上极板FD接M0的漏极，下极板接地，由M0对电容C进行充电以实现电压积分。复位电路33由晶体管M6实现，其与电容C并联，当重置信号RST有效时，M6导通，从而将电容C的上极板FD的电压重置为预置电压VRST。输出电路34为源跟随器，当需要读出信号时，时序信号SEL升为高电平，将M10导通，从而输出像素电流信号Iout。

在应用中，一般由多个如图1所示的BDI型像素电路3组成像素阵列的形式来对红外探测器生成的信号进行检测。而本申请的发明人发现：虽然采用相同的结构和工艺来实现像素阵列中的各BDI型像素电路，但在实际应用时，各像素电路的性能却存在不一致的问题，也就是说，图式结构的像素电路的性能不稳定。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种BDI型像素电路和读出电路，其具有高的性能稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明实施例公开了一种BDI型像素电路，包括：积分电路；反馈控制电路，包括：输入端，与红外探测器的输出端连接，用于接收所述红外探测器根据红外光信号所产生的电流信号；输出端，与所述积分电路连接，用于对所述积分电路进行充电；以及控制端；输出电路，与所述积分电路连接，用于根据所述积分电路的积分电压输出信号；以及运放电路，包括：输入端，与所述反馈控制电路的输入端连接，以及输出端，与所述反馈控制电路的控制端连接；其中，所述运放电路，包括：作为第一尾电流源的第一晶体管，所述第一晶体管为倒比管，且所述第一晶体管的宽长比介于1：50～1：100之间。

在一种实施方式中，所述第一晶体管的宽长比介于1：60～1：70之间。

在一种实施方式中，所述第一晶体管的宽长比为1：65、1：66、1：67或者1：68。

在一种实施方式中，在180nm工艺条件下，所述第一晶体管的宽为300nm，长为20μm。

在一种实施方式中，所述运放电路还包括：第二至五晶体管，所述第二和第五晶体管串联之后与串联的第三和第四晶体管并联，所述第一晶体管串接在所述第二和第三晶体管的连接点和地之间，所述第四和第五晶体的栅极连接并且与所述第三和第四晶体管的连接点连接，所述第一晶体管的栅极接第一偏置电压，所述第二晶体管的栅极为所述运放电路的输入端，所述第三晶体管的栅极接第二偏置电压，所述第二和第五晶体管的连接点为所述运放电路的输出端。

在一种实施方式中，所述输出电路包括：源跟随器和串接在所述源跟随器和地之间的第二尾电流源。

在一种实施方式中，所述输出电路还包括：选通电路，串联在所述源跟随器和所述第二尾电流源之间，用于开启或关闭所述源跟随器与所述第二尾电流源之间的连接。

在一种实施方式中，所述源跟随器包括：第七和第十晶体管，所述选通电路包括：第八晶体管，所述第二尾电流源包括：第九晶体管；所述第七和第十晶体管串联，且所述第七晶体管的控制端与所述积分电路的输出端连接，未与所述第十晶体管连接的一端接电源电压；所述第十晶体的控制端接时序信号，未与所述七晶体管连接的一端为所述BDI型像素电路的输出端；所述第八和第九晶体串联在所述第七和第十晶体管的连接点和地之间，且所述第八晶体管的控制端接所述时序信号，所述第九晶体管的控制端接第三偏置信号。

在一种实施方式中，所述积分电路包括：积分电容，所述积分电容的上极板接所述反馈控制电路的输出端，下极板接地。

本发明实施例还公开了一种读出电路，用于读出红外探测器根据红外光信号所生成的电信号，所述读出电路包括：由像素电路组成的像素阵列，其中所述像素电路为上述的BDI型像素电路。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例的BDI型像素电路，由于其运放电路中的尾电流源由较大的倒比管实现，具体地，倒比管的宽长比介于1：50～1：100之间，此宽长比能够使得倒比管工作于饱和区而非亚阈值区；当倒比管工作于饱和区时，既使各像素电路中的倒比管的阈值电压Vth不一致(如因为工艺因素导致)，但是由于倒比管的过驱动电压(Vgs-Vth)较大，仍能使得尾电流保持稳定，从而使得像素电路的运放电路的性能和带宽等指标稳定，进而提高BDI型像素电路的性能稳定性。

附图说明

图1是现有技术的BDI型像素电路的结构示意图；

图2是本发明的BDI型像素电路的实施例的结构示意图；

图3是本发明的BDI型像素电路的另一实施例的结构示意图；

图4是本发明的BDI型像素电路的另一实施例的结构示意图；

图5是本发明的读出电路的实施例的结构示意图；

图6是本发明实施例的BDI型像素电路的仿真图；以及

图7是本发明实施例的BDI型像素电路的线性拟合图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅以解释本发明，并不用于限定本发明。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。

以下结合附图，通过实施例来对本发明进行说明。

在图1的结构中，由M1充当的尾电流源的电流信号一般为几十nA量级，受限于像素电路面积，M1的宽长比一般做的比较小，所以像素运放电路31处于亚阈值区。然而，受限于工艺等各方面的原因，像素阵列(由像素电路组成)上不同位置的像素电路中的M1的Vth(阈值电压)会存在波动，而M1又工作于亚阈值区，在此两种因素的叠加作用下，像素阵列中各像素电路的M1的电流会有指数级的变化，这样的变化会导致像素阵列中不同位置的像素电路的运放的带宽不一致，进而导致积分特性不一致，最终导致像素区中各像素电路的性能不一致。

针对这样的问题，本发明实施例的BDI型像素电路，将运放电路中的尾电流源(如图1中的M1)由较大的倒比管实现，具体地，倒比管的宽长比介于1：50～1：100之间，此宽长比能够使得倒比管工作于饱和区而非亚阈值区；当倒比管工作于饱和区时，既使各像素电路中的倒比管的阈值电压Vth不一致(如因为工艺因素导致)，但是由于倒比管的过驱动电压Vgs-Vth较大(可达传统结构的2～4倍)，仍能使得尾电流保持稳定，从而使得像素电路的运放电路的性能和带宽等指标稳定，进而提高了BDI型像素电路的性能稳定性。

具体地，下面结合附图说明本发明实施例。

如图2所示，是本发明的BDI型像素电路的实施例的结构示意图。在图2中，由(红外)探测器1检测红外光信号，并产生相应的电信号，产生的电信号通过互联电极2输出至像素电路3的输入端。在图中，BDI型像素电路3包括：反馈控制电路30、运放电路31、积分电路32、复位电路33和输出电路34。

其中，反馈控制电路30由晶体管M0实现，例如由P型晶体管(如PMOS)实现。其源端为像素电路3的输入端，用于从互联电极2接收光电流信号；其漏端与积分电路32连接，用于对积分电路32充电；其控制端与运放电路31的输出端连接。

其中，运放电路31包括：晶体管M1～M5，其中，M1～M3可以由N型晶体管(如NMOS)实现，M4和M5可以由P型晶体管(如PMOS)实现。其中，运放电路为差分式运放，其一输入端(即M3的栅极)接外部提供的偏置电压VD，另一输出端(即M2的栅极)接反馈控制电路30的输入端。其一输出端(即M2的漏极)接反馈控制电路30的控制端，另一输出端(即M3漏极)接M4和M5的栅极。其中，M1作为尾电流源，用于提供尾电流，其栅极接外部偏置电压Vb，源极接地，漏极接M2和M3的源极。

其中，运放电路31主要有两个作用，一是和反馈控制电路30一起，维持探测器1的偏置电压稳定，其中探测器1的偏置电压由其输出端的电压(即M0的输入端)和电源电压VCOM共同决定。透过图式的运放电路31和反馈控制电路30，当探测器1产生的光电流信号发生变化时，其能够维持M2的栅极电压恒定为VD，从而维持探测器1的偏置电压稳定。运放电路31的另一个作用是减小输入阻抗，从而提高光电流信号的注入效率。

在运放电路31中，作为尾电流源的晶体管M1采用倒比管实现，并且倒比管的宽长比介于1：50～1：100之间，例如介于1：60～1：75之间。具体地，在一种实施方式中，倒比管的宽长比可以为1：65、1：66、1：67或者1：68。以180nm工艺为例，倒比管的宽可以为300nm，长可以为20μm。如上所述，如此设计倒比管的宽长比，可以提高像素电路的稳定性。

其中，积分电路12可以由电容C实现，其上极板FD接反馈控制电路30的输出端，如M0的漏极，下极板接地；通过M0对电容C进行充电以实现电压积分。

其中，复位电路33由晶体管M6实现，其与电容C并联，当重置信号RST有效(如为高电平)时，M6导通，从而将电容C的上极板FD的电压重置为预置电压VRST。

其中，输出电路34包括：源跟随器，在一种实施方式中，源跟随器主要由晶体管M7和M10组成，其中M7和M10可以为N型晶体管，如NMOS。其中，M7和M10串接在电源电压VCC和像素电路3的输出端之间。当需要读出信号时，时序信号SEL升为高电平，M10导通，从而输出像素电流信号Iout。

如上所述，通过由具有大的宽长比的倒比管来实现尾电流源，可以提高像素电路的稳定性。

如图3～4所示，是本发明的BDI型像素电路3的其他实施例的结构示意图。在图3中，输出电路34还包括：尾电流源，用于向源跟随器提供尾电流，该尾电流源串接在源跟随器和地之间。具体地，该尾电流源可以由图式的晶体管M9实现，该M9例如为N型晶体管，如NMOS。其中，M9的漏极与M7和M10的连接点连接，栅极受外部偏置部VBSF的控制，源极接地。在图4中，输出电路除了包括尾电流源之外，还包括：选通电路，串联在源跟随器和尾电流源之间，用于开启或关闭源跟随器与尾电流源之间的连接；具体地，选通电路可以由晶体管M8实现，该M8例如为N型晶体管，如NMOS；M8的漏极接M7和M10的连接点，栅极接时序信号SEL，源极接M9的漏极；当时序信号SEL升为高电平时，M8导通，M9和M7连通，从而提供尾电流；当时序信号SEL降为低电平时，M8断开，M9不接入源跟随器，不消耗功率；在图4中，透过选通电路可以控制M9无需一直工作，从而能够节约功耗。

在图3和4的实施例中，在像素电路这一层级中的输出电路34中提供尾电流，从而实现像素级的尾电流设计。而在传统设计中，一般多个像素电路共用一个尾电流源(例如在像素阵列中的同一列的像素电路共用一个尾电流源)；由于版图中列线所带来的寄生电阻和寄生电容的值是不同的，而寄生电阻会导致不同行的像素电路输出有mV级别的差异，而寄生电容会造成大量十分复杂的耦合电容，这些都会影响最终的输出信号。而采用图3和4的设计，通过实现像素级的尾电流设计，则能够消除版图中列线寄生电阻和寄生电容导致的不同行像素电路输出差别，保证不同行像素的一致性。

以上对本发明实施例的BDI型像素电路进行了说明，下面对包含该BDI型像素电路的读出电路进行说明。如图5所示，是本发明的读出电路的实施例的结构示意图。该读出电路包括：像素阵列50、CDS(Correlated Double Sampling，相关双取样电路)阵列51、PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)阵列52和ADC(Analog to DigitalConverter，模数转换器)阵列53。其中，像素阵列50是由多个如图2～3所示的像素电路所组成，在图示中，每个矩形框代表一个像素电路。其中CDS阵列51、PGA阵列52和ADC阵列，分别包括：多个CDS、多个PGA和多个ADC；在图式中，CDS、PGA和ADC均采用按列共用的方式。

图6为本发明的图4所示的BDI型像素电路的仿真图。如图所示，当红外探测器输入0～150pA电流，积分时间为400μs的条件下，电路的输出电压范围为409.5mV～1213mV。结合图7所示的线性拟合结果可见，输出电压的校正决定系数达到0.99989，表示线性度优良。因此，本发明实施例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。仿真结果显示在不同输入下像素电路中运放尾电流管的过驱动电压为160mV，能够保证尾电流在工艺偏差情况下依然保持稳定，从而使得不同像素的信号处理性能保持一致，同时将源跟随电路的尾电流设计在像素电路内部并增加一个开关管，能够提高阵列中不同行像素电路输出的一致性，同时不引入额外的功耗。

另外，表一示出了本发明中BDI像素电路的关键特性，由表一可见，本发明实施例所提供的像素电路是一种高可靠性、高一致性的像素电路，提升了像素电路在制造工艺偏差时的稳定性和一致性，同时提升了不同行像素电路输出的一致性，最终使得整个成像阵列的一致性得到提升。

表一

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、物品或者系统不仅包括那些要素，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、物品或者系统所固有的要素。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、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种BDI型像素电路，包括：

积分电路；

反馈控制电路，包括：输入端，与红外探测器的输出端连接，用于接收所述红外探测器根据红外光信号所产生的电流信号；输出端，与所述积分电路连接，用于对所述积分电路进行充电；以及控制端；

输出电路，与所述积分电路连接，用于根据所述积分电路的积分电压输出信号；以及

运放电路，包括：输入端，与所述反馈控制电路的输入端连接，以及输出端，与所述反馈控制电路的控制端连接；

其特征在于，所述运放电路，包括：作为第一尾电流源的第一晶体管，所述第一晶体管为倒比管，且所述第一晶体管的宽长比介于1：50～1：100之间。

2.如权利要求1所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述第一晶体管的宽长比介于1：60～1：75之间。

3.如权利要求2所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述第一晶体管的宽长比为1：65、1：66、1：67或者1：68。

4.如权利要求1所述的BDI型像素电路，其特征在于，在180nm工艺条件下，所述第一晶体管的宽为300nm，长为20μm。

5.如权利要求1所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述运放电路还包括：第二至五晶体管，所述第二和第五晶体管串联之后与串联的第三和第四晶体管并联，所述第一晶体管串接在所述第二和第三晶体管的连接点和地之间，所述第四和第五晶体的栅极连接并且与所述第三和第四晶体管的连接点连接，所述第一晶体管的栅极接第一偏置电压，所述第二晶体管的栅极为所述运放电路的输入端，所述第三晶体管的栅极接第二偏置电压，所述第二和第五晶体管的连接点为所述运放电路的输出端。

6.如权利要求1～5中任一项所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述输出电路包括：源跟随器和串接在所述源跟随器和地之间的第二尾电流源。

7.如权利要求6所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述输出电路还包括：选通电路，串联在所述源跟随器和所述第二尾电流源之间，用于开启或关闭所述源跟随器与所述第二尾电流源之间的连接。

8.如权利要求7所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述源跟随器包括：第七和第十晶体管，所述选通电路包括：第八晶体管，所述第二尾电流源包括：第九晶体管；

所述第七和第十晶体管串联，且所述第七晶体管的控制端与所述积分电路的输出端连接，未与所述第十晶体管连接的一端接电源电压；所述第十晶体的控制端接时序信号，未与所述七晶体管连接的一端为所述BDI型像素电路的输出端；

所述第八和第九晶体串联在所述第七和第十晶体管的连接点和地之间，且所述第八晶体管的控制端接所述时序信号，所述第九晶体管的控制端接第三偏置信号。

9.如权利要求1～5中任一项所述的BDI型像素电路，其特征在于，所述积分电路包括：积分电容，所述积分电容的上极板接所述反馈控制电路的输出端，下极板接地。

10.一种读出电路，用于读出红外探测器根据红外光信号所生成的电信号，其特征在于，所述读出电路包括：由多个如权利要求1～9中任一项所述的像素电路所组成的像素阵列。

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