CN117135478A - 一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，属于集成电路领域。所述电流包括复合介质栅双晶体管光敏探测器像素、开关单元、两个相同的跨阻放大器、比较器、斜坡电流源和计数器。本申请电路采用两个相同的跨阻放大器构成两路只有电流不同其他均相同的电路，再通过一个比较器对两个跨阻放大器输出端电压的大小进行比较，将比较器的输出也即两路电压的比较结果作为计数器的使能信号实现对于像素读出电流的量化；该电路不需要电容元件，不易受到输入端高频噪声的干扰，利于实现双采样功能，以实现对复合介质栅双晶体管光敏探测器的高精度读出。

Description

一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路

技术领域

本发明涉及一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，属于集成电路领域。

背景技术

众所周知，成像探测器是一种通过将光信号转化为模拟电流信号、进而将模拟电流信号进行放大和模数转换从而实现图像获取、存储、处理和复现的成像器件，因此其具备感光和读取功能。常用的成像探测器如CCD、CMOS-APS，专利CN102938409B中提出了一种复合介质栅双晶体管光敏探测器，其特点是单个器件具备复位、感光以及读出功能，与常用的成像器件相比，该复合介质栅双晶体管光敏探测器提升了像素感光区填充因子，增大了满阱电荷量。作为新一代的成像器件，这种复合介质栅双晶体管光敏探测器利用阈值可变的MOSFET信号读出区进行读出。基于上述特点，能够通过量化器件读出电流并检测阈值电压改变引起的器件读出电流的改变的电路，可以对复合介质栅双晶体管光敏探测器实现稳定高速的读出。

针对复合介质栅双晶体管探测器的读出，专利CN114071041A公开了一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的行列减法读出电路，该读出电路避免了常规稳压器结构的设计，且在读出阶段，运算放大器反馈环路断开，开环运算放大器与比较器的级联结构检测阈值电压以实现快速逻辑翻转。但是，该读出电路在读出阶段采用了开环运算放大器结构，存在弊端，主要是其输出端在读出阶段开启时直流工作电平存在偏移线性工作区的问题，且开环结构无法避免输入端高频噪声经过增益影响输出端工作电平的隐患，两者共同使得开环结构运算放大器增益低、工作速度慢，从而导致其在检测阈值电压后逻辑翻转速度慢，且易受噪声干扰，造成了低精度、低速的读出效果。CN116017184B公开了一种基于反相器链跨阻放大器的复合介质栅双晶体管像素读出电路，该读出电路采用斜坡发生器、反相器链跨阻放大器、驱动级和计数器实现电流的读出，其反相器链跨阻放大器包括由N级反相器级联组成的开环前馈放大器（N为奇数）以及电阻构成的反馈网络，因此，其不可避免的存在响应延迟的问题，且级数N越大，延迟问题越严重；再者，其斜坡发生器包括恒流源，前馈放大器以及电容与开关S2并联形成的反馈回路，其中前馈放大器和电容的存在会使得整个电路的面积和功耗较大，在一些对于像素规模要求较高的应用场景下，探测器内部的像素阵列规模就会比较大，若单列像素的读出电路所占的面积和功耗较大的话，可能会导致大规模像素阵列的功耗和面积成本较高，不利于高像素要求场景下的实际应用。

发明内容

为了解决目前存在的问题，本发明提供了一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，所述电路包括复合介质栅双晶体管光敏探测器像素、开关单元、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、比较器、斜坡电流源和计数器，所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器为相同的跨阻放大器；

其中，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的栅极连接所述开关单元的一端、源端接地、漏端与所述第一跨阻放大器的输入端相连；所述开关单元的另一端连接外部固定偏压Vdc；通过所述开关单元的开合控制所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素是否处于工作状态；

所述斜坡电流源与所述第二跨阻放大器的输入端相连；

所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出分别与所述比较器的一个输入端相连，所述比较器的输出端与所述计数器的使能端相连，用于控制计数器是否计数。

可选的，所述斜坡电流源采用一个所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素实现，与所述第二跨阻放大器共同构成一个斜坡电压发生器；所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的栅端连接一个外部斜坡电压源Vramp，源端接地，漏端接第二跨阻放大器的输入端。

可选的，所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器均由一个电阻R和一个反向器组成，其中所述反向器的工作电压为Vdd。

可选的，当所述开关单元断开时，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素处于非工作状态下，其漏端电压为0.5×Vdd，第一跨阻放大器两端无电势差；

当所述开关单元闭合时，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素处于工作状态下，假设所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素开启的电流记为I，则其漏端电压为0.5×Vdd，第一跨阻放大器的输出端电压为（0.5×Vdd + I×R），作为参考电压输入比较器；第二跨阻放大器由于连接一个斜坡电流源，假设斜坡电流记为，则第二跨阻放大器输出一个递增的斜坡电压信号即为（0.5×Vdd +/>×R），作为比较器另外一个输入端的输入，与所述参考电压相比，当递增的斜坡电压信号小于所述参考电压时，比较器输出信号为1，计数器开始计数，计数器计数过程中，每一个时钟周期结束，计数器输出端口数值增加一；当递增的斜坡电压信号大于所述参考电压时，比较器输出信号为0，计数器停止计数；此时计数器计得的时钟周期数记为N，N即表征此时晶体管像素的读出电流。

可选的，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素中MOSFET信号读出区为N型MOSFET晶体管。

本申请的第二个目的在于提供一种复合介质栅双晶体管光敏探测器，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器包括上述基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路。

本申请的第三个目的在于提供一种成像装置，所述成像装置包括上述基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路或上述复合介质栅双晶体管光敏探测器。

本申请的第四个目的在于提供上述复合介质栅双晶体管光敏探测器在深空探测、生物微弱发光和环境辐射检测领域内的应用。

本发明有益效果是：

通过设计一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，采用两个相同的跨阻放大器构成两路只有电流不同其他均相同的电路，再通过一个比较器对两个跨阻放大器输出端电压的大小进行比较，将比较器的输出也即两路电压的比较结果作为计数器的使能信号实现对于像素读出电流的量化，该电路电流读出思路不同于现有技术，因此不存在偏移线性工作区的问题，另外，该电路实现时不需要电容以及运放元件，不易受到输入端高频噪声的干扰，而且电路整体面积和功耗较小，另外，该电路通过开关控制复合介质栅晶体管像素在工作状态和非工作状态进行切换，因此利于实现双采样功能，以实现对复合介质栅双晶体管光敏探测器的高精度读出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例一提供的基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路示意图。

图2是本发明实施例二提供的斜坡电流源发生器和所述跨阻放大器构成的一个斜坡电压发生器的电路示意图。

图3是基于本发明实施例一提供的基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路进行双采样操作的外部端口工作及加压时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，参见图1，所述电路包括：

复合介质栅双晶体管光敏探测器像素、开关单元、两个相同的跨阻放大器（为便于描述，后续分别记为第一跨阻放大器和第二跨阻放大器）、比较器、斜坡电流源和计数器。其中，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素即为公告号 CN102938409B的中国发明专利中所描述的光敏探测器，其单管由两个晶体管（感光晶体管和读取晶体管组成）组成，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素中MOSFET信号读出区为N型MOSFET晶体管，其栅极连接开关单元switch一端，源端接地、漏端与第一跨阻放大器的输入端相连；开关单元swtich另一端连接外部固定偏压Vdc，；斜坡电流源与另一个跨阻放大器即第二跨阻放大器的输入端相连，该斜坡电流源与第二跨阻放大器构成一个斜坡电压发生器；两个相同的跨阻放大器的输出端与比较器的输入端相连；比较器的输出端与所述计数器的使能端相连，用于控制计数器是否计数。

两个跨阻放大器均由一个电阻和反相器构成，反相器的工作电压记为Vdd，两个跨阻放大器增益相同。

当开关switch断开，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素处于非工作状态下，像素的栅端与Vdc断开；晶体管像素处于非工作状态未导通时，没有电流通过，第一跨阻放大器反相器两端没有电势差，在第一跨阻放大器增益大于30dB时，晶体管像素漏端的电压会稳定在0.5×Vdd，为反相器的静态工作点（需要进行说明的是，本申请对两个跨阻放大器的增益无要求，只需保证二者相同即可；由于晶体管像素漏端与第一跨阻放大器的输入端相连，在反相器工作电压确定的情况下，晶体管像素漏端电压和跨阻放大器增益值相关，本申请经过实验测定，当第一跨阻放大器增益大于30dB时，晶体管像素漏端的电压为0.5×Vdd。）；

当开关switch闭合，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素处于读取像素初始电流的阶段时，像素的栅端连接到正向外部固定偏压Vdc，源端接地，漏端接第一跨阻放大器的输入端。当对晶体管像素的栅端加一个正向外部固定偏压Vdc使得其导通并处于线性区时，此时像素开启的电流设为I，反相器具有放大器的功能，当第一跨阻放大器增益大于30dB时，晶体管像素漏端的电压基本保持在0.5×Vdd，与之前未导通时的漏端电压相同，所以此时第一跨阻放大器的输出端电压即为（0.5×Vdd + I×R），该电压值稳定并且被视为一个参考电压输入到比较器的一个输入端。斜坡电流源与第二跨阻放大器构成一个斜坡电压发生器，该斜坡电压发生器输出端可以输出一个递增的斜坡电压信号，该电压信号作为比较器另外一个输入端的输入，与（0.5×Vdd + I×R）作比较，当该电压信号小于（0.5×Vdd +I×R）时，比较器输出信号为1，计数器开始计数，计数器计数过程中，每一个时钟周期结束，计数器输出端口数值增加一；当该电压信号大于（0.5×Vdd + I×R）时，比较器翻转输出信号为0，计数器停止计数。此时计数器计得的时钟周期数记为N，N即可以用来表征此时晶体管像素的读出电流。

通常，斜坡电流源可采用二进制加权电流型DAC实现，或者以斜坡电压+晶体管的形式实现。

实施例二

本实施例提供一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，包括：复合介质栅双晶体管光敏探测器像素、开关单元、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、比较器、斜坡电流源和计数器。其中，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素即为公告号CN102938409B的中国发明专利中所描述的光敏探测器，其单管由两个晶体管（感光晶体管和读取晶体管组成）组成，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素中MOSFET信号读出区为N型MOSFET晶体管，其栅极连接开关单元switch一端，源端接地、漏端与第一跨阻放大器的输入端相连；开关单元swtich另一端连接外部固定偏压Vdc；斜坡电流源与第二跨阻放大器的输入端相连；两个跨阻放大器的输出端与比较器的输入端相连；比较器的输出端与所述计数器的使能端相连，用于控制计数器是否计数。

本实施例中，斜坡电流源由一个所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素实现，如图2所示，在其栅端连接一个外部斜坡电压源，源端接地，漏端接第二跨阻放大器的输入端；基于所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的电学特性，其导通电流亦为斜坡状电流，根据上述原理，像素的漏端接到第二跨阻放大器的输入端，第二跨阻放大器中的反相器可以被视为一个放大器；当与第一跨阻放大器相连的复合介质栅双晶体管光敏探测器像素导通产生电流且第一跨阻放大器增益大于30dB时，复合介质栅双晶体管光敏探测器像素漏端的电压基本保持在0.5×Vdd，与之前未导通时的漏端电压相同。在与第二跨阻放大器相连的复合介质栅双晶体管光敏探测器像素栅端加一个适当范围内的外部斜坡递增电压Vramp（如图2所示，外部斜坡递增电压由V0递增至V1），使得作为斜坡电流源的复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的工作状态处于线性区，此时像素漏端斜坡电流亦随时间递增，假设该电流为（t表示时间），此时第二跨阻放大器的输出端电压即为（0.5×Vdd +/>×R），即所述的斜坡电流源和所述跨阻放大器所构成的一个斜坡电压发生器的输出为一个随时间递增的斜坡电压信号；根据实施例一中的描述，第一跨阻放大器的输出端电压即为（0.5×Vdd + I×R），比较器对两个输入电压（0.5×Vdd + I×R）和（0.5×Vdd +/>×R）进行比较，根据两个电压的表达式可知，比较器实际上是对像素开启的电流I和斜坡电流/>进行比较，从而根据比较结果实现计时，以计数器计得的时钟周期数N表征晶体管像素的读出电流。

实施例三

本实施例提供一种复合介质栅双晶体管光敏探测器，该复合介质栅双晶体管光敏探测器中像素阵列为复合介质栅双晶体管光敏探测器像素构成的阵列，其单列像素的读出电路为实施例一或者实施例二提供的电路。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路，其特征在于，所述电路包括复合介质栅双晶体管光敏探测器像素、开关单元、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、比较器、斜坡电流源和计数器，所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器为相同的跨阻放大器；

其中，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的栅极连接所述开关单元的一端、源端接地、漏端与所述第一跨阻放大器的输入端相连；所述开关单元的另一端连接外部固定偏压Vdc；通过所述开关单元的开合控制所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素是否处于工作状态；

所述斜坡电流源与所述第二跨阻放大器的输入端相连；

所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出分别与所述比较器的一个输入端相连，所述比较器的输出端与所述计数器的使能端相连，用于控制计数器是否计数。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斜坡电流源采用一个所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素实现，与所述第二跨阻放大器共同构成一个斜坡电压发生器；所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素的栅端连接一个外部斜坡电压源Vramp，源端接地，漏端接第二跨阻放大器的输入端。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器均由一个电阻R和一个反向器组成，其中所述反向器的工作电压为Vdd。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，当所述开关单元断开时，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素处于非工作状态下，其漏端电压为0.5×Vdd，第一跨阻放大器两端无电势差；

当所述开关单元闭合时，假设所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素开启的电流记为I，则其漏端电压为0.5×Vdd，第一跨阻放大器的输出端电压为（0.5×Vdd + I×R），作为参考电压输入比较器；第二跨阻放大器由于连接一个斜坡电流源，假设斜坡电流记为，则第二跨阻放大器输出一个递增的斜坡电压信号即为（0.5×Vdd + />×R），作为比较器另外一个输入端的输入，与所述参考电压相比，当递增的斜坡电压信号小于所述参考电压时，比较器输出信号为1，计数器开始计数，计数器计数过程中，每一个时钟周期结束，计数器输出端口数值增加一；当递增的斜坡电压信号大于所述参考电压时，比较器输出信号为0，计数器停止计数；此时计数器计得的时钟周期数记为N，N即表征此时晶体管像素的读出电流。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器像素中MOSFET信号读出区为N型MOSFET晶体管。

6.一种复合介质栅双晶体管光敏探测器，其特征在于，所述复合介质栅双晶体管光敏探测器包括权利要求1-5任一所述的基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路。

7.一种成像装置，其特征在于，所述成像装置包括权利要求1-5任一所述的基于双跨阻放大器的复合介质栅晶体管像素读出电路或权利要求6所述的复合介质栅双晶体管光敏探测器。

8.权利要求6所述的复合介质栅双晶体管光敏探测器在深空探测的应用。

9.权利要求6所述的复合介质栅双晶体管光敏探测器在生物微弱发光的应用。

10.权利要求6所述的复合介质栅双晶体管光敏探测器在环境辐射检测领域内的应用。