CN118250578A - 一种电流-电压转换的双采样像元读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种电流‑电压转换的双采样像元读出电路，包括：CTIA模块、积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块以及列选输出模块；CTIA模块用于接收外部探测器产生的光电流，并对光电流进行积分放大；积分电压采样保持模块在采样阶段用于导通开关，跟随CTIA模块输出端电平Vout的变化，在保持阶段用于断开开关，使输出电压Vout保持在Csh上且稳定不变；复位电压采样保持模块用于在采样复位阶段给复位电压采样电路预充电；列选输出模块用于控制像素单元的信号输出；本发明的像素电路采用相关双采样电容，在采样阶段可减少采样时间，在保持阶段避免不同积分电压输出后残余电荷的影响。

Description

一种电流-电压转换的双采样像元读出电路

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种电流-电压转换的双采样像元读出电路。

背景技术

像元读出电路可应用于红外成像等图像传感系统中，是该类组件的核心模块，其质量决定了整个系统的性能。并且随着红外焦平面阵列规模的不断扩大，其对像元电路的功耗、版图面积等指标也有了更高的要求。像元电路的主要作用是将传感器输出的微弱光电流转化为可供后续电路处理的电压信号，因此要求具有较小的积分电容，小的积分电容势必会带来更大的噪声，或造成像素单元性能的下降，另外较长的积分时间也会导致整体电路速度的下降。并且在一些高背景应用环境下，积分时间过长或光电流过大，特别是直流背景光电流过大，积分电容上电荷累积，使输出电压电平不断减小，使作为偏置的电流源的NMOS有进入三极管区的危险。

发明内容

针对传统像素电路积分电容充电时间长、噪声大以及由于积分时间过长、光电流过大造成的光晕现象，本发明提出了一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，该电路结构包括：CTIA模块、积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块以及列选输出模块；CTIA模块用于接收外部探测器产生的光电流，并对光电流进行积分放大；积分电压采样保持模块在采样阶段用于导通开关，跟随CTIA模块输出端电平Vout的变化，在保持阶段用于断开开关，使输出电压Vout保持在Csh上且稳定不变；复位电压采样保持模块用于在采样复位阶段给复位电压采样电路预充电；列选输出模块用于控制像素单元的信号输出。

本发明的有益效果：

本发明的像素电路采用相关双采样电容，一方面在采样阶段可减少采样时间，在保持阶段避免不同积分电压输出后残余电荷的影响；本发明的像素电路采用抗光晕管，避免由于积分时间过长过着光电流过大造成的光晕现象。

附图说明

图1为本发明的整体电路结构图；

图2为本发明的双采样像素读出电路时序图。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明中，本发明及附图中的术语“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。

一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，如图1所示，该电路结构包括：CTIA模块、积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块以及列选输出模块；CTIA模块用于接收外部探测器产生的光电流，并对光电流进行积分放大；积分电压采样保持模块在采样阶段用于导通开关，跟随CTIA模块输出端电平Vout的变化，在保持阶段用于断开开关，使输出电压Vout保持在Csh上且稳定不变；复位电压采样保持模块用于在采样复位阶段给复位电压采样电路预充电；列选输出模块用于控制像素单元的信号输出。

一种电流-电压转换双采样像元读出电路的具体实施方式，该电路结构包括CTIA模块、积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块以及列选输出模块四个部分；所述CTIA模块主要用于接收探测器产生的光电流，并进行积分放大，以实现信号的读出处理；所述积分电压采样保持模块主要是由一个采样开关管来控制采样的电压的输出；所述复位电压采样保持模块主要是在采样复位阶段给复位电压采样电路预充电，减少采样时间，在保持阶段，使某一时刻的输出电压Vout保持在Csh上且长时间不变；所述列选输出模块主要是控制该像素单元(及其所在的行)是否选通从而输出信号。

在本实施例中，CTIA模块主要用于接收探测器产生的光电流，并进行积分放大，以实现信号的读出处理，该模块主要包含一个高增益的放大器AMP1、Cint1和Cint2两个积分电容以及一个饱和抗晕管；具体地，放大器输入端接探测器，接收探测器产生的微弱光电流，放大器另外接三路偏置电压(VH、VL、VBL)、电源VCC、地GND，放大器输出端接NMOS管NM1源极，NM1栅极接控制信号VS_A_N，放大器输入跟输出两端并联积分电容Cint1，积分电容Cint1两端并联PMOS管PM2，放大器输入端接PM2漏极，输出端接PM2源极，PM2栅极接控制信号VRST_A，PM2两端并联积分电容Cint2和PMOS管PM3，PM2的漏极接PM3的漏极，PM3的源极接Cin2的正端，Cint2的负端接PM2的源极，PM3的栅极接控制信号HG，另外在放大器输入级和输出级两端并联NMOS管NM3，用于作为抗光晕管，NM3漏极接放大器输入端，源极接放大器输出端。

在本实施例中，积分电压采样保持模块由PM4和一个采样保持电容Csh组成；PM4的源极连接CTIA模块中的NM1的漏极，PM4的栅极接控制信号VSH_A，PM4漏极连接采样保持电容Csh的栅极，且电容Csh的源极、漏极以及衬底短接。

具体包括：积分电压采样保持模块由一个采样开关管来控制采样的电压的输出。具体地，链路上接一条相应的采样选通开关管PM4和一个采样保持电容Csh组成的积分电压采样保持支路。该电路的作用是，在采样阶段，导通开关，跟随CTIA模块输出端电平Vout的变化；在保持阶段，断开开关，使某一时刻的输出电压Vout保持在Csh上且长时间不变，以便后续电路对每个单元的Vout信号的逐次读出。具体地，NM1漏极接采样选通开关管PM4的源极，PM4的栅极接控制信号VSH_A，PM4漏极接源漏衬底短接的PMOS管(作为采样保持电容Csh)的栅极。

在本实施例中，复位电压采样保持模块由NM2、PM5以及采样保持电容Ccds组成；NM2的源极分别连接CTIA模块中的NM1的漏极以及PM5的漏极，NM2的漏极连接偏置电压VP，NM2的栅极连接控制信号VR_A；PM5的源极连接采样保持电容Ccds的栅极，PM5的栅极连接控制信号VCDS_A；采样保持电容Ccds的源极、漏极以及衬底短接。

具体包括：复位电压采样保持模块在输出链路上接一条相应的采样选通开关管PM5和一个采样保持电容Ccds组成的复位电压采样保持支路，以及一条由一个NMOS管NM2构成的输出链路复位支路。该电路的作用是，在采样复位电压阶段，先导通链路复位支路，再复位电压选通开关管导通，给复位电压采样电路预充电，减少采样时间，再断开链路复位支路，采样开关管导通，链路跟随电平Vout的变化而变化；在保持阶段，断开开关，使某一时刻的输出电压Vout保持在Csh上且长时间不变，在选择输出前复位电压前导通链路复位支路，以便使输出的复位电压，不受不同积分电压输出后残留的电荷的影响。具体地，NM2源极接NM1漏极，NM2漏极接偏置电压VP，栅极接控制信号VR_A。对于复位电压采样保持支路，采样选通开关管PM5的漏极接NM1漏极，PM4的栅极接控制信号VCDS_A，PM4的源极接源漏衬底短接的PMOS管(作为采样保持电容Ccds)的栅极。

在本实施例中，列选输出模块由两个PMOS管PM6～PM7；PM6的栅极接NM1的漏极，PM6的漏极接地，PM6的源极接PM7的漏极；PM7的栅极接控制信号VSEL_A，PM7的源极输出信号。

本发明的原理如下：外部传感器输出的光电流Iin，Iin输入到本电路中的第一级CTIA模块，开关管PM3控制积分电容的选择，当PM3栅极控制信号为高电平时，Cint2断开，当PM3栅极控制信号为低电平时，Cint1和Cint2并联，积分电容变大，大的积分电容对于高背景与强光电流信号的情况下适用，能有效的防止输出过早的进入饱和状态，此外，单次积分的电荷数量大大增加，一定程度上能提升电路性能；积分复位开关管PM2由VRST_A信号控制，当VRST_A为低电平时为复位阶段，为高电平时为积分时间；Csh为积分电压采样保持电容，VSH_A信号控制积分电压的采样保持，VSH_A为低时，PM4管导通，此时NM1也为导通状态，Csh充电，当VSH_A为高时，PM4关闭，停止采样，Ccds为复位电压采样保持电容，PM5导通时，为Ccds充电；右边的一个pmos管与列运放单元中的电流源组成源跟随器，VSEL_A为行选通信号，控制该单元(及其所在的行)是否选通，PM7导通时，该像素单元导通，输出积分电压。NM3管用于抗光晕，当积分电容上电荷过多时，该NMOS管导通，输入的光电流经该管泄漏，不再经过积分电容积分，从而输出电平不再减小。

像素电路详细工作时序见图2：像素电路工作时序，由时序图可知，整体时序主要分为三个阶段，分别为积分阶段、复位电压采样阶段以及像素选通输出阶段。在积分阶段后期，控制NM1的VS_A_N信号为高电平，控制PM4的VSH_A信号为低电平，此时为Csh电容采样时间；积分阶段完成后进行复位电压采样阶段，在此阶段内VCDS_A为低电平，PM5管打开，从而配合VR和VSH_A对复位电压进行采样；复位电压采样阶段完成后进入像素选通输出阶段，低电平有效，配合VSH_A和VCDS_A输出前两个阶段采样得到的复位电压信号以及像素电压信号。

表一时序信号说明

图2是双采样像素读出电路实现时序图，图中记录了双采样像素读出电路采用的时序，使该电路能够正常工作并实现双采样功能.

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，包括：CTIA模块、积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块以及列选输出模块；CTIA模块用于接收外部探测器产生的光电流，并对光电流进行积分放大；积分电压采样保持模块在采样阶段用于导通开关，跟随CTIA模块输出端电平Vout的变化，在保持阶段用于断开开关，使输出电压Vout保持在Csh上且稳定不变；复位电压采样保持模块用于在采样复位阶段给复位电压采样电路预充电；列选输出模块用于控制像素单元的信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，CTIA模块包括：放大器AMP1、两个积分电容Cint1～Cint2、两个PMOS管PM2～PM3以及两个NMOS管NM1和NM3；放大器AMP1的输入端分别连接外部探测器、PM2漏极、PM3的漏极、积分电容Cint1的正端以及NM3的漏极，放大器AMP1的五个偏置端分别连接三路偏置电压、电源VCC以及接地端GND，放大器AMP1的输出端分别连接NMOS管NM1源极、积分电容Cint2的负端、PM2的源极、积分电容Cint1的负端以及NM3的源极；PM3的源极连接积分电容Cint2的正端，PM3的栅极连接控制信号HG；PM2的栅极连接控制信号VRST_A；NM1栅极接控制信号VS_A_N，NM1的漏极分别连接积分电压采样保持模块、复位电压采样保持模块；NM3的栅极接地。

3.根据权利要求2所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，积分电压采样保持模块由PM4和一个采样保持电容Csh组成；PM4的源极连接CTIA模块中的NM1的漏极，PM4的栅极接控制信号VSH_A，PM4漏极连接采样保持电容Csh。

4.根据权利要求3所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，采样保持电容Csh为源极、漏极以及衬底短接PMOS管，采样保持电容Csh的栅极连接PM4漏极。

5.根据权利要求2所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，复位电压采样保持模块由NM2、PM5以及采样保持电容Ccds组成；NM2的源极分别连接CTIA模块中的NM1的漏极以及PM5的漏极，NM2的漏极连接偏置电压VP，NM2的栅极连接控制信号VR_A；PM5的源极连接采样保持电容Ccds，PM5的栅极连接控制信号VCDS_A。

6.根据权利要求5所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，采样保持电容Ccds为源极、漏极以及衬底短接PMOS管，且采样保持电容Ccds的栅极连接PM5的源极。

7.根据权利要求5所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，复位电压采样保持模块在采样复位电压阶段，导通链路复位支路，并使复位电压选通开关管导通，用于复位电压采样电路预充电；在保持阶段，断开开关，使输出电压Vout保持在Csh上不变，在选择输出前复位电压前导通链路复位支路。

8.根据权利要求1所述的一种电流-电压转换的双采样像元读出电路，其特征在于，列选输出模块由两个PMOS管PM6～PM7；PM6的栅极接NM1的漏极，PM6的漏极接地，PM6的源极接PM7的漏极；PM7的栅极接控制信号VSEL_A，PM7的源极输出信号。