CN114422731B - 红外读出电路及像素电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种红外读出电路及像素电路，可以提高输出信号的质量。该红外读出电路包括：由多个像素电路组成的像素阵列，每个像素电路均包括：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，包括：源跟随器和尾电流源，其中源跟随器的输入端与积分电路连接，用于根据积分电路的积分电压输出信号，且尾电流源连接在源跟随器和地之间；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。

Description

红外读出电路及像素电路
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外读出电路及像素电路。
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，一般采用红外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。如图1所示，是现有的红外读出电路的结构示意图。其包括：由多个像素电路101所组成的像素阵列10和由多个尾电流源111组成的尾电流电路11。其中像素阵列10通过其中的各个像素电路101检测红外光信号，并生成相应的电信号输出。如图所示，像素阵列10中的各像素电路101根据列共用一个尾电流源11，也就是说，当像素阵列10为N行M列的阵列时，每一列的像素电路101共用尾电流源11，因此，仅需要设置M个尾电流源即可。
但是，在实际应用中，本申请的发明人发现：图1所示的红外读出电路中不同行像素电路101的输出常常不能保证一致，因此导致红外读出电路的性能较差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种红外读出电路和像素电路，其能够提高红外读出电路中位于不同行的像素电路的输出的一致性，从而提高红外读出电路的输出信号质量。
为了实现上述发明目的，本发明实施例公开了一种红外读出电路，包括：由多个像素电路组成的像素阵列，每个像素电路均包括：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，包括：源跟随器和尾电流源，其中所述源跟随器的输入端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，且所述尾电流源连接在所述源跟随器和地之间；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。
其中，所述选通电路包括：开关晶体管。
其中，所述尾电流源包括：第一晶体管，所述第一晶体管串联在所述源跟随器和地之间，且其控制端接第一偏置信号。
其中，所述源跟随器包括：串联在电源电压和所述输出电路的输出端之间的第二和第三晶体管，其中第二晶体管的控制端接所述积分电路，第三晶体管的控制端接时序控制信号，第一晶体串联在第二和第三晶体管的连接点和地之间。
其中，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和所述源跟随器的输入端。
其中，所述反馈控制电路包括：串联在所述反馈控制电路的输入端和输出端之间的第四晶体管，所述第四晶体管的控制端接所述运放电路。
本发明实施例还公开了一种像素电路，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，包括：源跟随器和尾电流源，其中所述源跟随器的输入端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，且所述尾电流源连接在所述源跟随器和地之间；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。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例的红外读出电路，由于在每个像素电路的输出电路中均设置了尾电流源，因此其能够提高红外读出电路中位于不同行的像素电路的输出的一致性，从而提高红外读出电路的输出信号质量。
附图说明
图1是现有技术的红外读出电路的结构示意图；
图2是本发明的红外读出电路的实施例的结构示意图；
图3是本发明的像素电路的实施例的结构示意图；以及
图4是本发明的像素电路的另一实施例的结构示意图。
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所示的结构中，由于同一列的多个像素电路共用一个尾电流源，因此当这样的红外读出电路在实际制造时，由于版图中不同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。因此，图1结构不能够保证不同行像素的一致性。
针对此，本发明实施例实现了像素级的尾电流设计，即在每一个像素电路中均设计尾电源，从而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。
具体而言，如图2所示，是本发明的红外读出电路的实施例的结构示意图。该红外读出电路包括：由多个像素电路201所组成的像素阵列20。与图1所示的结构相比，图2的红外读出电路没有按列共用尾电流源。
其中，每个像素电路201的结构可以参考图3所示，也就是说，图2中的每一个矩形方块均代表图3所示的电路结构。如图3所示，是本发明的像素电路3的实施例的结构示意图。在图3中，先由连接在电源电压VCOM和互联电极2之间的红外探测器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，然后由像素电路3对该电信号进行检测。其中，像素电路3例如可以为BDI(Buffered DirectInjection，缓冲直接注入)型像素电路，且其可以包括：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。
另外，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。例如，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。
另外，如图4所示，是另一实施例的像素电路3的结构示意图。在图4中，输出电路34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。例如，选通电路可以由开关晶体管实现，在图中示意为晶体管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。
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 (8)

1.一种红外读出电路，包括：由多个像素电路组成的像素阵列，其特征在于，每个像素电路均包括：
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，包括：源跟随器和尾电流源，其中所述源跟随器的输入端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，且所述尾电流源连接在所述源跟随器和地之间；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；
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尾电流源之间，用于开启或关闭所述源跟随器与所述尾电流源之间的连接。
2.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述选通电路包括：开关晶体管。
3.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述尾电流源包括：第一晶体管，所述第一晶体管串联在所述源跟随器和地之间，且其控制端接第一偏置信号。
4.如权利要求3所述的红外读出电路，其特征在于，所述源跟随器包括：串联在电源电压和所述输出电路的输出端之间的第二和第三晶体管，其中第二晶体管的控制端接所述积分电路，第三晶体管的控制端接时序控制信号，第一晶体串联在第二和第三晶体管的连接点和地之间。
5.如权利要求1～4中任一项所述红外读出电路，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和所述源跟随器的输入端。
6.如权利要求1～4中任一项所述红外读出电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括：串联在所述反馈控制电路的输入端和输出端之间的第四晶体管，所述第四晶体管的控制端接所述运放电路。
7.一种像素电路，其特征在于，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，包括：源跟随器和尾电流源，其中所述源跟随器的输入端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，且所述尾电流源连接在所述源跟随器和地之间；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；
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尾电流源之间，用于开启或关闭所述源跟随器与所述尾电流源之间的连接。
8.如权利要求7所述的像素电路，其特征在于，所述尾电流源包括：第一晶体管，所述第一晶体管串联在所述源跟随器和地之间，且其控制端接第一偏置信号；
所述源跟随器包括：串联在电源电压和所述输出电路的输出端之间的第二和第三晶体管，其中第二晶体管的控制端接所述积分电路，第三晶体管的控制端接时序控制信号，且第一晶体串联在第二和第三晶体管的连接点和地之间。
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