CN203772424U - 红外读出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种红外读出电路，该红外读出电路包括：第一感应电阻和第二感应电阻，第一感应电阻和第二感应电阻的一端分别与电源相连；第一开关管和第二开关管，第一开关管的栅极与红外读出电路的第一输入端相连，第二开关管的栅极与红外读出电路的第二输入端相连，第一开关管的源极与第一感应电阻的另一端相连，第二开关管的源极与第二感应电阻的另一端相连；电流镜电路，电流镜电路的输入端与第一开关管的漏极相连，电流镜电路的输出端与第二开关管的漏极相连；电容跨阻放大器的反相输入端与第二开关管的另一端相连。本实用新型的红外读出电路消除了由于NMOS管的衬偏效应导致的阈值电压变大的弊端，降低了设计难度和设计时间。

Description

红外读出电路

技术领域

本实用新型涉及微电子及电子技术领域，尤其涉及一种红外读出电路。

背景技术

目前，现有的红外读出电路如图1所示，该电路的工作原理是热敏电阻R2'吸收红外能量，于是产生了热量从而热敏电阻R2'的温度发生改变，温度的改变导致热敏电阻R2'的阻值改变，R2'阻值的改变导致流经它的电流发生改变。这个电流的改变量通过开关s2'流入CTIA（Capacitive Transimpedance Amplifer，电容跨阻放大器）的跨接电容c1'以进行积分放大（此时开关s1'为断开，但积分开始之前s1'为闭合，这样可以设置CTIA的输入输出节点电压）。这样，CTIA的输出电压vout'就反映了电流的大小，从而反映了该电路吸收的红外能量的情况。具体地，图1所示的红外读出电路是由R2'（R2'为为活动的或敏感的测辐射热仪Active Bolometer）和R1'（R1'为不敏感的测辐射热仪Blind Bolometer）以串联的方式来进行直流电流的补偿，由于不希望进行偏置作用的直流电流流入CTIA，于是R1'流过的直流电流要与R2'流过的直流电流一样，这样就可以避免R2'的直流偏置电流流入CTIA中。

但是，这种补偿方式的缺陷是：（1）由于NMOS（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体）偏置管的体电位不能和源极相连接（此处NMOS偏置管的体电位就是衬底的电位），且由于衬偏效应，NMOS偏置管的阈值电压会明显变大（阈值电压为MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）管的开启电压，图1中没有标示出来），当测辐射热仪Bolometer的电阻值比较大时（如2M欧姆），不利于NMOS偏置管导通；（2）由于图1所示的红外读出电路中存在NMOS偏置管和PMOS偏置管（Positivechannel-Metal-Oxide-Semiconductor，P型金属氧化物半导体），需要设计两个专门优化的DAC（Digital to Analog Converter，数字模拟转换器）以分别对NMOS偏置管和PMOS偏置管进行最优化的偏置，增加了设计时间和设计难度。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种红外读出电路。该红外读出电路消除了由于NMOS管的衬偏效应导致的阀值电压变大的弊端，同时不需再对NMOS管进行DAC的优化偏置，降低了设计难度和设计时间。

为了实现上述目的，本实用新型实施例的红外读出电路，包括：第一感应电阻和第二感应电阻，所述第一感应电阻和第二感应电阻的一端分别与电源相连；第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的栅极与所述红外读出电路的第一输入端相连，所述第二开关管的栅极与所述红外读出电路的第二输入端相连，所述第一开关管的源极与所述第一感应电阻的另一端相连，所述第二开关管的源极与所述第二感应电阻的另一端相连；电流镜电路，所述电流镜电路的输入端与所述第一开关管的漏极相连，所述电流镜电路的输出端与所述第二开关管的漏极相连；以及电容跨阻放大器，所述电容跨阻放大器的反相输入端与所述第二开关管的漏极相连。

另外，根据本实用新型的红外读出电路还具有如下附加技术特征：

所述电流镜电路包括：第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的漏极与所述第一开关管的漏极相连，所述第三开关管的源极接地，所述第四开关管的漏极与所述第二开关管的漏极相连，所述第四开关管的源极接地，所述第三开关管的栅极与所述第四开关管的栅极相连。

所述第一输入端和第二输入端为数字模拟转换器DAC（Digital to analog converter）。

所述红外读出电路还包括：第一开关，所述第一开关的一端与所述第二开关管的漏极相连，所述第一开关的另一端与所述电容跨阻放大器的反相输入端相连。

所述电容跨阻放大器的同相输入端与参考电压源相连。

所述第一开关管和第二开关管为P型MOS管。

所述第三开关管和第四开关管为N型MOS管。

所述电流镜电路还包括：第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的漏极与所述第三开关管的源极相连，所述第五开关管的源极接地，所述第六开关管的漏极与所述第四开关管的源极相连，所述第六开关管的源极接地，所述第五开关管的栅极与所述第六开关管的栅极相连，其中，所述第五开关管和第六开关管为N型MOS管。这样可尽可能的实现完美镜像，提高精确度。

所述电流镜电路还包括：第七开关管，所述第七开关管的栅极与所述第七开关管的漏极相连，所述第七开关管的源极接地，所述第七开关管为N型MOS管；第八开关管，所述第八开关管的栅极与所述第八开关管的漏极相连，所述第八开关管的源极接地，所述第八开关管为N型MOS管。这样通过添加第七开关管和第八开关管，可防止工艺对器件的影响。

根据本实用新型实施例的红外读出电路，通过两个NMOS管形成电流镜电路，同时将R1的NMOS管转换成与R2一样的PMOS管，这样可以利用在单独N阱中PMOS管的体电位和源极连接的特点，以消除NMOS管的衬偏效应导致的阈值电压变大的弊端，并且不需要再对NMOS管进行DAC的优化偏置，只需对两个PMOS管进行偏置即可，降低了设计难度和设计时间。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1是现有的红外读出电路的电路示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的红外读出电路的电路示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的红外读出电路中采用共源共栅技术的电路示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的红外读出电路中添加两个Dummy MOS管的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为了解决NMOS管的衬偏效应对阀值电压的影响的问题，本实用新型提出了一种红外读出电路，该红外读出电路消除了以前NMOS的衬偏效应导致的阀值电压变大的弊端，同时不需再对NMOS管进行DAC的优化偏置。具体地，下面参考附图描述根据本实用新型实施例的红外读出电路。

如图2所示，该红外读出电路包括：第一感应电阻R1、第二感应电阻R2、第一开关管p1、第二开关管p2、电流镜电路10和电容跨阻放大器CTIA。其中，第一感应电阻R1和第二感应电阻R2的一端分别与电源相连。

如图2所示，第一开关管p1的栅极与该红外读出电路的第一输入端DAC1相连，第二开关管p2的栅极与该红外读出电路的第二输入端DAC2相连，第一开关管p1的源极与第一感应电阻R1的另一端相连，第二开关管p2的源极与第二感应电阻R2的另一端相连。其中，在本实用新型的实施例中，第一开关管p1和第二开关管p2均可为P型MOS管。

此外，在本实用新型的实施例中，第一输入端DAC1和第二输入端DAC2分别为针对第一开关管p1和第二开关管p2的数字模拟转换器DAC，第一输入端DAC1和第二输入端DAC2可以分别对第一开关管p1和第二开关管p2进行优化偏置。

如图2所示，电流镜电路10的输入端与第一开关管p1的漏极相连，电流镜电路10的输出端与第二开关管p2的漏极相连。

需要说明的是，在本实用新型的实施例中，电容跨阻放大器CTIA可具有反相输入端和同相输入端，如图2所示，电容跨阻放大器CTIA的反相输入端与第二开关管p2的漏极相连，电容跨阻放大器CTIA的同相输入端可与参考电压源Vref相连。其中，在本实用新型的实施例中，电容跨阻放大器CTIA可以包括放大器a1、电容c1和第二开关s2，电容c1和第二开关s2分别与放大器a1并联。

进一步地，如图2所示，在本实用新型的实施例中，电流镜电路10包括第三开关管n1和第四开关管n2，第三开关管n1的漏极与第一开关管p1的漏极相连，第三开关管n1的源极接地，第四开关管n2的漏极与第二开关管p2的漏极相连，第四开关管n2的源极接地，第三开关管n1的栅极与第四开关管n2的栅极相连。其中，在本实用新型的实施例中，第三开关管n1和第四开关管n2均为N型MOS管。其中，如图2所示，在本实用新型的实施例中，电流镜电路10还包括第一节点A和与第一节点A相连的第二节点B，第一节点A位于第三开关管n1的漏极，第二节点B位于第三开关管n1的栅极。

进一步地，如图2所示，在本实用新型的实施例中，该红外读出电路还包括第一开关s1，第一开关s1的一端与第二开关管p2的漏极相连，第一开关s1的另一端与电容跨阻放大器CTIA的反相输入端相连。这样可通过第一开关s1和第二开关s2的断开和闭合控制电容跨阻放大器CTIA的工作模式，以完成对红外辐射的感测。

下面通过结合图2来介绍本实用新型实施例的红外读出电路的工作原理。

如图2所示，R1是Blind Bolometer（即为敏感度差的测辐射热仪），R2是Active Bolometer（即为敏感度比较强的测辐射热仪）。R1的偏置管p1（即第一开关管p1）是PMOS，可以进行体端和源极的连接，这样p1的阈值电压就不会受衬偏效应的影响。n1和n2可形成电流镜电路10，电流镜电路10可以把R1这条支路的电流镜像到R2这条支路，这样可以抵消R2这条支路的直流偏置电流，其中，直流偏置电流的需要是因为红外读出电路需要工作在一个合适的直流状态，于是DAC2输出的电压vref2可以方便设置直流工作点。而且由于R1这条支路工作时，R1上也会产生焦耳热（因为电流流过电阻就会产生热量，该热量叫焦耳热），这样由于焦耳热导致R1电阻变化，从而导致此支路电流变化，所以这个变化的电流镜像到R2这条支路上，可以抵消R2由于焦耳热导致的电流变化。这样，R1这条支路的电流可以抵消补偿R2这条支路的直流偏置电流以及由于焦耳热产生的电流，最终导致R2因为红外辐射吸收的能量产生的电流通过第一开关s1注入到CTIA的反相输入端（也就是图2中电容跨阻放大器CTIA的V-端），CTIA对这个微弱的电流在电容c1上进行累加积分（这时的第二开关s2处于断开状态，但积分开始之前是闭合状态，这样可以设置CTIA的输入输出节点电压），积分时间完成后，vout输出电压信号，完成对红外辐射的感测。

其中，CTIA在第一开关s1处于断开状态、第二开关s2处于闭合状态时，处于复位模式，电容跨阻放大器CTIA的输出和正输入端都被跟随为电压Vref。CTIA在第一开关s1处于闭合状态、第二开关s2处于断开状态时，处于积分模式，电容跨阻放大器CTIA的输出电压在Vref的基础上叠加由于注入CTIA电流导致的积分电压。

由于完美的镜像是理想情况，在实际情况下如何尽量得到完美的镜像是需要考虑的，而最大的困难来自沟道长度调制效应，在本实用新型的一个实施例中，可以考虑用长沟道NMOS管和共源共栅技术以尽可能的实现完美镜像。可选地，如图3所示，在本实用新型的实施例中，电流镜电路10还包括第五开关管n3、第六开关管n4，第五开关管n3的漏极与第三开关管n1的源极相连，第五开关管n3的源极接地，第六开关管n4的漏极与第四开关管n2的源极相连，第六开关管n4的源极接地，第五开关管n3的栅极与第六开关管n4的栅极相连。其中，第五开关管n3和第六开关管n4均为N型MOS管。此外，在本实用新型的实施例中，如图3所示，电流镜电路10还包括第三节点C，第三节点C与第一节点A相连，位于第五开关管n3的栅极。这样可尽可能的实现完美镜像，提高精确度。

可选地，在本实用新型的一个实施例中，还可通过添加Dummy MOS管n5和n6，防止工艺对器件的影响，Dummy MOS管n5和n6的位置，在物理上可分别位于第三开关管n1和第四开关管n2的两侧。具体地，如图4所示，在本实用新型的实施例中，电流镜电路10还可以包括第七开关管n5和第八开关管n6，第七开关管n5的栅极与第七开关管n5的漏极相连，第七开关管n5的源极接地，第八开关管n6的栅极与第八开关管n6的漏极相连，第八开关管n6的源极接地。其中，第七开关管n5和第八开关管n6均为N型MOS管。应当理解，在物理上第七开关管n5可设置于第三开关管n1的左侧，第八开关管n6可设置于第四开关管n2的右侧。

根据本实用新型实施例的红外读出电路，通过两个NMOS管形成电流镜电路，同时将R1的NMOS管转换成与R2一样的PMOS管，这样可以利用在单独N阱中PMOS管的体电位和源极连接的特点，以消除NMOS管的衬偏效应导致的阈值电压变大的弊端，并且不需要再对NMOS管进行DAC的优化偏置，只需对两个PMOS管进行偏置即可，降低了设计难度和设计时间。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种红外读出电路，其特征在于，包括：

第一感应电阻和第二感应电阻，所述第一感应电阻和第二感应电阻的一端分别与电源相连；

第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的栅极与所述红外读出电路的第一输入端相连，所述第二开关管的栅极与所述红外读出电路的第二输入端相连，所述第一开关管的源极与所述第一感应电阻的另一端相连，所述第二开关管的源极与所述第二感应电阻的另一端相连；

电流镜电路，所述电流镜电路的输入端与所述第一开关管的漏极相连，所述电流镜电路的输出端与所述第二开关管的漏极相连；以及

电容跨阻放大器，所述电容跨阻放大器的反相输入端与所述第二开关管的漏极相连。

2.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述电流镜电路包括：

第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的漏极与所述第一开关管的漏极相连，所述第三开关管的源极接地，所述第四开关管的漏极与所述第二开关管的漏极相连，所述第四开关管的源极接地，所述第三开关管的栅极与所述第四开关管的栅极相连。

3.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述第一输入端和第二输入端为数字模拟转换器DAC。

4.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，还包括：

第一开关，所述第一开关的一端与所述第二开关管的漏极相连，所述第一开关的另一端与所述电容跨阻放大器的反相输入端相连。

5.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述电容跨阻放大器的同相输入端与参考电压源相连。

6.如权利要求1所述的红外读出电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为P型MOS管。

7.如权利要求2所述的红外读出电路，其特征在于，所述第三开关管和第四开关管为N型MOS管。

8.如权利要求1-7任一项所述的红外读出电路，其特征在于，所述电流镜电路还包括：

第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的漏极与所述第三开关管的源极相连，所述第五开关管的源极接地，所述第六开关管的漏极与所述第四开关管的源极相连，所述第六开关管的源极接地，所述第五开关管的栅极与所述第六开关管的栅极相连，其中，所述第五开关管和第六开关管为N型MOS管。

9.如权利要求1-7任一项所述的红外读出电路，其特征在于，所述电流镜电路还包括：

第七开关管，所述第七开关管的栅极与所述第七开关管的漏极相连，所述第七开关管的源极接地，所述第七开关管为N型MOS管；

第八开关管，所述第八开关管的栅极与所述第八开关管的漏极相连，所述第八开关管的源极接地，所述第八开关管为N型MOS管。