CN1708983A - 用于红外探测器的读取电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含一个电容反馈互导运算放大器(11)的装置，该运算放大器包括一个主运算放大器(107)(其具有一个第一输入端(121)、一个第二输入端(122)和一个输出端(125))，一个跨接在所述第二输入端和输出端的积分电容(106)，以及一个与所述积分电容(106)并联的第一开关(105)；所述装置还包括一个自动归零运算放大器(110)，其具有一个第三输入端(123)和一个第四输入端(124)，其中虚地电势上的信号被加载到所述第三输入端(123)和所述第一输入端(121)上。所述第四输入端(124)通过一个电路(15)连接到所述输出端(125)，该电路包括两个偏移误差电容器(112，114)，一个第二开关(111)和一个第三开关(113)。

Description

用于红外探测器的读取电路
技术领域
本发明涉及低偏移、低噪声、自动归零的CMOS集成电路放大器，特别是用于红外探测器的读取电路。
背景技术
焦平面阵列包括多个单独的探测器元件(像素)。一个线性阵列或焦平面阵列上的像素数不断增长。信号复用器是一种高度复杂的探测器专用集成电路，它并行读取所有信道。最常用的探测器电路是直接注入级和电容反馈互导放大器(CTIA)。
读取电路中的常规探测器缓冲级包括一个电容反馈互导放大器。此CTIA的目标是累加所有探测器电流，且最好是在零偏移或是动态电阻很大的一些负向偏移条件下。此放大器使该探测器保持虚接地，同时该探测器电流在电容器上流动，从而在输出端上产生一个与积分时间和信号电流成比例的电压信号。在探测器和CTIA之间的DC(直流)耦合使探测器电流和输出电压变换之间具有良好的线性关系。在理想的零偏移条件下，没有暗电流的影响，所以也没有暗电流噪声。在这种情况下，由于探测器上没有电压差，所以探测器分流电阻没有起作用。然而在实际运用中，这种电路有一个主要问题，即运放输入电压不一致(存在偏移)，从而在读取电路上产生混合后的模式噪声，并限制了积分时间。此电路必须适于测量具有相对较低的并联电阻的红外线二极管所产生的极微弱的电流，因此需要偏置误差电压非常小的放大器。
为了校正所述运放输入电压不一致，通常使用自动归零(AZ)电路。这一方案例如在“Circuit Techniques for Reducing the Effects of运放Imperfections：Autozeroing，Correlated Double Sampling andChopper Stabilisation”，C.Enz和G.Themes，IEEE学报，第84卷，第11期，1996年11月，第1584-1614页中有所阐述。本专利申请公开了一种包括线性偏移运算电路的差分放大器，所述线性偏移运算电路包含用于提供参考电压和偏移校正电压的电压源，以及一对为校正放大器的偏移误差提供电流的辅助晶体管。
有关残余偏置电压的一些数字结论可以参见“A micropowerCMOS instrumentation amplifier”，IEEE J.Solid-State Circ.，SC-20卷，805-807页，1985年6月。
发明目的
本发明的目的在于提供一种能够克服现有技术中存在的问题的低噪声、高一致性、自动归零的集成电路放大器，更确切的说是提供一种用于红外探测器的读取电路。
发明内容
本发明涉及一种包括一个电容负馈互导运算放大器的装置，该放大器包括一个主运算放大器(具有一个第一输入端、一个第二输入端和一个输出端)、一个跨接在第二输入端和输出端之间的积分电容，和一个与积分电容并联的第一开关。该装置还包括一个自动归零运算放大器，其具有一个第三输入端和一个第四输入端，其中虚地电势上的信号被加载到第三输入端和第一输入端上。第四输入端通过一个电路连接到输出端，该电路包括两个偏移误差电容器、第二开关和第三开关。
偏移误差电容器最好具有一个连接到虚地电势的端子。
在一个有利的实施例中，此归零运算放大器包括连接MOS晶体管的电阻器。
在一个优选实施例中，第二和第三开关分别包括四个晶体管。
具有优点的是，积分电容由多个并联的电容组成，其中在每个并联分支中，所述分支中的电容的每一侧都提供有一个隔离开关。
典型地，所述输出端还连接到一个采样及保持电路上。
在另一个优选实施例中，用于红外探测的读取电路包括多个上述的装置。
附图说明
图1描述了一种没有自动归零校正的现有技术中的探测器缓冲级。
图2描述了一种具备自动归零校正的现有技术中的探测器缓冲级。
图3描述了根据本发明的新颖的自动归零校正方案。
图4描述了主CTIA运放和AZ放大器的晶体管级细节。
图5描述了主CTIA运放和AZ放大器的晶体管级细节的替代方案。
图6描述了四晶体管自动归零开关方案的晶体管级细节。
图7描述了用于多次自动归零方案的双侧开关积分电容的细节。
具体实施方式
图1示出了一个现有技术中的探测器缓冲级，包括一个电荷敏感互导放大器(CTIA)(11)。这个CTIA将所有探测器电流102进行累加，且最好是在零偏移或是动态电阻很大的一些负向偏移103的条件下。然而人们总是不得不处理变化的偏置电压。因此使用CMOS放大器时，通常要使用一个自动归零(AZ)电路。该系统的探测器电流和输出电压变换之间具有良好的线性关系，这是由于红外探测器二极管101和出现在组成CTIA(11)的主放大器107及其积分电容106的差分输入端-(122)和+(121)上的低等效输入阻抗之间的DC耦合。然而一个焦平面阵列中的各个运放的输入偏置电压的不一致性引起了这种读取阵列上的所谓的固定模式噪声，并限制了积分时间，因为较差的信道将更先饱和。
图2示出了上述图例的改进版本，它基于能够校正上述异常的辅助自动归零(AZ)运放。此方案显示了一种双运放设计，其中AZ运放110用于减少主CTIA级11的偏移效应。与主运放107相比，这个校正AZ运放110已知通过引入源恶化电阻408和409(也可以参见图4)来提供一定的互导衰减。在每个积分周期开始之前，每个CTIA通过同时关闭AZ开关111和开关115并打开运算开关116来再次自动归零。在这一周期结束时，校正系数通过首先打开开关111存储在辅助放大器110的电容112上。然后通过在较短时间内关闭开关105，CTIA主运放107及其积分电容106被重置到虚零开始点。接着，真正的积分周期开始，并以(通过关闭开关108)采样和(通过打开开关108)保持由采样及保持电容109上的集成探测器电流信号产生的放大器输出电压而结束。最后，通过在选择移位寄存器上施加一个启动脉冲来读取存储在同一电路的阵列上的保持电容109上的所有已获取的信息。接着由该寄存器选择由一个后接的放大器117所缓存的每个信道的输出118，并把其输出信号传送到一个公共输出缓冲放大器，以产生一个所谓的视频信号。该信号可以在视频显示屏上显示，从而给出由此红外线二极管阵列检测到的信号图像。
图2所示的自动归零方案在电子领域是众所周知的。然而图3的方案却包括现有技术方案中所没有的新颖的特征。该放大器的共模抑制用于削弱噪声。这个AZ放大器最好不要构造为独立的电路模块，而是嵌入到主CTIA运放的第一级中(如图4和图5所示)。按照这种方式设计的原因在于它能校正在主运放107内流动的电流，使之更接近虚地电势104。US 4884039也使用了嵌入式方案，但是其外部电容不是差分耦合的。差分放大器对其输入端的差分电压比对所谓的共模电压(例如加在这些输入端上的相同电压)更加灵敏。因此，存储在自动归零校正电容中的差错校正电压直接跨接该放大器最敏感的差分输入端。校正电容的一个端子连接到虚地端，它可能具有噪声或是缓慢变化的，特别是在这种情况下：由于常常使用外部提供的电压作为共模电压施加在放大器的输入端，利用电容器的原理可以使其端子上的电压保持恒定。
图3示出了一种新颖的装置，其实现了较长的积分时间，又能保持非常良好的线性关系，同时还能保持相对小的足迹(footprint)需求。常规的自动归零只通过一个开关111和一个误差存储电容112来执行(参见图2)。这存在两个重要缺陷。这些放大器和MOS开关漏极源杂散电容一起输出dV/dt，以及削弱倒相电流或使其处于阈值以下，从而使一个较小但又不可忽略的电流流入到存储电容112中。这使得存储的误差电压轻微地变化，从而增大了输出的非线性，特别是在长积分时间，或者是积分电容值较小时，或是这两种情况兼有，于是当该系统对输入电流非常敏感时，会产生偏移差错。通过提供另一个电容114和开关113，可以保证与放大器输出dV/dt更好地绝缘，因为第二个开关113两端的电压差非常小。
采用双电容(114，112)和双开关(113，111)的方案大大降低了校正电容上的剩余的电压误差，特别是附带使用四个专用的、完全补偿的MOS开关601，602，603，604(图6)能得到近乎完美的匹配。这些开关被设计为使开关两侧的电荷注入最小，从而也使得系统偏移误差最小。在包含三个晶体管的解决方案中(例如在Enz的文献中所建议的)，补偿是不可能实现的，因为需要不同规格的晶体管，于是这样的过程变化将导致有效晶体管大小之间的比率不可预测。为了使偏置校正电压误差和噪声最小，这些电容如上所述直接跨接在校正放大器110的差分输入端。通过这种方式，可能出现的噪声或虚地电压源104的缓慢变化都由于差分输入级110的共模抑制而削弱了。通过这种方式，在5V电源电压下可以获得只有10μV的残余偏置电压，而在现有技术中在3V电源电压下却有200μV的偏置电压．
图4更详细地示出了相结合的主运放和AZ运放，其包括所谓的源恶化电阻408和409。图4描述了一个具有PMOS差分输入晶体管的解决方案，但对于本领域技术人员来说，这显然只是一个可能的实施例，包含所有晶体管类型和相反电源极性的方案也可以具有完全相同的基本功能。图4中的校正差分输入对的源恶化电阻408-409可以由连接有电阻的MOS晶体管508-509来代替，如图5中另一种示意图所示。它显示了AZ校正差分输入对的重要细节，即所谓源恶化电阻或连接有电阻的MOS晶体管在偏置补偿MOS晶体管对的源极中的应用。MOS晶体管通过获得低得多的互导参数的方式来改变传输特性。此外，所述互导参数在一个比常规MOS输入对宽得多的电压范围内是近似于线性的。通过这种方式，偏置补偿电压的所有缺陷也可以按照与初级和次级校正输入对之间的互导比率相同的比率减少。还仍然能捕获和校正较大的偏置电压误差，从而得到整体上更佳最终产品收益，并能保证长期工作。所述连接有电阻的MOS晶体管的使用还提供了适用于所有CMOS工艺的重要优点。
本发明的另一个目标涉及CTIA反馈或积分电容。如图7所示，图7是图3中的积分电容106的一种可能的实现细节，其中不同的电容710至713具有不同的值，从而允许改变跨接在放大器反馈两端的整个电容值，以改变所得到的积分器的灵敏度。显然，在设计中可以根据所需的互导参数值(或增益)的范围和取值改变电容的数量及其电容值。这些电容器不是单侧开关的，而是双侧开关的(参见开关701-708)。这种措施使电容器可以从其环境中完全独立出来，以执行其他电荷域操作，而不会影响(已切断的)反馈电容上的信息电荷。最后这一特性对引入多次AZ概念来说是必要的。通过这一信号获取方法，反馈电容可以在整个积分时间框架内以规定的次数从CTIA放大器断开。此时将执行一个新的AZ操作，接着反馈电容再次与CTIA接通，以继续执行积分周期。这种多次AZ方案的效果在于其有效地对各次AZ的噪声电压进行平均。这是因为尽管有各种使噪声最小的方法，但总是还会有少量的噪声残留在所存储的自动归零校正电压中，这样连续读取同一微弱的红外线二极管电流可能会导致连续积分的输出电压值出现相对大的误差。

Claims (7)

1.一种包括一个电容反馈互导运算放大器(11)的装置，该运算放大器包括一个主运算放大器(107)，其具有一个第一输入端(121)、一个第二输入端(122)和一个输出端(125)，还包括一个跨接在所述第二输入端和所述输出端的积分电容(106)，以及一个与所述积分电容(106)并联的第一开关(105)，所述装置还包括一个自动归零运算放大器(110)，其具有一个第三输入端(123)和一个第四输入端(124)，其中虚地电势上的信号被加载到所述第三输入端(123)和所述第一输入端(121)上，其特征在于，所述第四输入端(124)通过一个电路(15)连接到所述输出端(125)，该电路包括两个偏移误差电容器(112，114)，一个第二开关(111)和一个第三开关(113)。
2.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏移误差电容器(112，114)具有一个连接到所述虚地电势的端子。
3.权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述自动归零运算放大器(11)包含连接有电阻的MOS晶体管(508，509)。
4.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二开关(111)和所述第三开关(113)分别包含四个晶体管。
5.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分电容(106)包括多个并联的电容，其中在每个并联支路中，在该支路中的电容的每一侧提供了一个隔离开关。
6.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出端(125)还连接到一个采样及保持电路。
7.一种用于红外探测的读取电路，其包括多个如以上权利要求中任一项所述的装置。
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