一種高背景應(yīng)用的bdi型像素單元電路的制作方法
【專利摘要】一種高背景應(yīng)用的BDI型像素單元電路，在現(xiàn)有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復(fù)位控制電路、采樣開關(guān)電路和輸出控制電路的基礎(chǔ)上，去除用于控制積分時(shí)間的采樣開關(guān)電路，在注入管與積分/復(fù)位控制電路之間增設(shè)注入開關(guān)管，通過注入開關(guān)管來控制積分時(shí)間，注入開關(guān)管的柵極連接數(shù)字信號(hào)Vint，漏極連接前級(jí)注入管的輸出，源極連接后級(jí)積分/復(fù)位控制電路的輸入。
【專利說明】—種高背景應(yīng)用的BDI型像素單元電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外讀出電路的核心-像素單元電路，特別涉及一種高背景應(yīng)用的BDI (緩沖直接注入)型像素單元電路，屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外成像技術(shù)是利用在熱效應(yīng)最顯著的部位，將其轉(zhuǎn)換成可見圖像的技術(shù)，面陣型紅外焦平面組件是紅外成像技術(shù)中的關(guān)鍵組件，它是由紅外探測(cè)器及紅外讀出電路兩部分組成。讀出電路工作時(shí)，像素陣列與探測(cè)器陣列一一對(duì)應(yīng)，用于感應(yīng)微弱的信號(hào)電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出到下一級(jí)。像素單元是讀出電路的核心單元單路，其設(shè)計(jì)要求在一定面積限制內(nèi)選擇適合不同探測(cè)器的最優(yōu)電路結(jié)構(gòu)并完成電路設(shè)計(jì)，讀出電路中像素單元電路的性能直接關(guān)系到整個(gè)焦平面成像的性能。
[0003]緩沖直接注入(BDI)型像素單元具有注入效率高、保證探測(cè)器偏壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合于對(duì)讀出電路的性能要求高、能夠容忍復(fù)雜的像元電路結(jié)構(gòu)較大芯片面積和功耗的情況。傳統(tǒng)的BDI型像素單元如圖3所示，包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復(fù)位控制電路、采樣開關(guān)電路和輸出控制電路，像素單元中通常存在兩個(gè)電容，積分電容Cl和采樣電容C2。由于像素單元尺寸的限制，使這兩個(gè)電容做不到很大，將不利于像素單元在大背景電流下的使用；并且由于采樣電容C2和積分電容Cl間開關(guān)管M3的存在，將引入額外的KTC噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決像素單元電路在高背景電流下，由于像素單元尺寸的限制，積分電容容量不足的問題，提供一種高背景應(yīng)用的BDI型素像素單元電路。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種高背景應(yīng)用的BDI型像素單元電路，其特征在于，在現(xiàn)有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復(fù)位控制電路、采樣開關(guān)電路和輸出控制電路的基礎(chǔ)上，去除用于控制積分時(shí)間的采樣開關(guān)電路，在注入管與積分/復(fù)位控制電路之間增設(shè)注入開關(guān)管，通過注入開關(guān)管來控制積分時(shí)間；其中:
[0006]輸入放大器包括一個(gè)運(yùn)算放大器，其正向輸入端連接控制信號(hào)Vcom,負(fù)向輸入端連接紅外探測(cè)器的輸出端；
[0007]注入管包括NMOS管Ml，其柵極連接輸入放大器中運(yùn)算放大器的輸出端，漏極連接輸入放大器中運(yùn)算放大器的正向輸入端；
[0008]注入開關(guān)管包括NMOS管M2，其柵極連接數(shù)字信號(hào)Vint，漏極連接注入管Ml的源極；
[0009]積分/復(fù)位控制電路包括NMOS管M3和積分電容C，匪OS管M3的柵極連接數(shù)字信號(hào)Vrst，NMOS管M3的漏極連接注入開關(guān)管M2的源極和積分電容C的一端，NMOS管M3的源極連接積分電容C的另一端并接地；
[0010]輸出控制電路包括NMOS管M4，其漏極連接積分/復(fù)位控制電路中NMOS管M3的漏極，NMOS管M4的柵極連接數(shù)字信號(hào)Vrse，NMOS管M4的源極為像素單元電路的輸出端。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:本發(fā)明利用注入開關(guān)管控制積分時(shí)間，與現(xiàn)有技術(shù)采用采樣開關(guān)電路來控制積分時(shí)間相比，由于采樣開關(guān)電路中設(shè)有的采樣電容C2和積分/復(fù)位控制電路中的積分電容Cl同時(shí)存在，受限于像素單元的尺寸限制，使這兩個(gè)電容做不到很大，將不利于像素單元在大背景電流下的使用。本發(fā)明電路中只有一個(gè)積分電容C，從而在有限的像素單元面積內(nèi)能設(shè)計(jì)出大容量的積分電容，提高電荷存儲(chǔ)能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明BDI型像素單元實(shí)施電路圖；
[0013]圖2為本發(fā)明電路工作過程的信號(hào)波形圖；
[0014]圖3為傳統(tǒng)BDI型像素單元電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參看圖1，本發(fā)明一種高背景應(yīng)用的BDI型像素單元電路，包括輸入放大器1、注入管2、注入開關(guān)管3、積分/復(fù)位控制電路4、輸出控制電路5。與圖3所示的傳統(tǒng)的包括輸入放大器1、注入管2、積分/復(fù)位控制電路3、采樣開關(guān)電路4和輸出控制電路5的基礎(chǔ)上，去除了用于控制積分時(shí)間的采樣開關(guān)電路4，在注入管與積分/復(fù)位控制電路之間增設(shè)注入開關(guān)管3，通過注入開關(guān)管來控制積分時(shí)間。 [0016]輸入放大器I可以采用各種形式的雙端輸入單端輸出的放大電路，例如差分運(yùn)放、共源共柵結(jié)構(gòu)等。本發(fā)明中，輸入放大器I采用一個(gè)運(yùn)放組成，注入管2含有N型MOS管M1，構(gòu)成負(fù)反饋形式。注入開關(guān)管3含有N型MOS管M2，積分/復(fù)位控制電路4含有N型MOS管M3和積分電容C，輸出控制電路5含有N型MOS管M4。注入管Ml、注入開關(guān)管M2、復(fù)位開關(guān)管M3和輸出控制開關(guān)管(行選擇開關(guān)管)M4也可以采用不同類型的晶體管，如P型MOS 管。
[0017]本發(fā)明的具體連接方式如圖1中所示，運(yùn)放的正向輸入端接外圍的控制信號(hào)Vcom，負(fù)向輸入端與紅外探測(cè)器的輸出端相連接，運(yùn)放輸出端接注入管Ml柵極。注入管Ml漏極與運(yùn)放的正向輸入端連接，源極接注入開關(guān)管M2漏極。注入開關(guān)管M2柵極接數(shù)字信號(hào)Vint，源極連接積分/復(fù)位控制電路中復(fù)位開關(guān)管M3的漏極，M3柵極接數(shù)字信號(hào)Vrst，源極接地。積分電容C的一極接M3的漏極，另一極接地。行選擇開關(guān)管M4的柵極接數(shù)字信號(hào)Vrse,漏極接M3的漏極，M4的源極為為像素單元電路的輸出端,三個(gè)數(shù)字信號(hào)Vint、Vrst、Vrse均是由外部數(shù)字電路產(chǎn)生供給的。
[0018]上述電路結(jié)構(gòu)中:輸入放大器I是一個(gè)高增益的運(yùn)放，運(yùn)用其“虛短”特性將探測(cè)器偏置電壓穩(wěn)定在一恒定電壓，并且由于將運(yùn)放置到一負(fù)反饋狀態(tài)，使讀出電路的輸入阻抗減小為原來的1/A(A為運(yùn)放的放大倍數(shù))，從而提高單元電路的注入效率
[0019]注入開關(guān)管M2通過改變其柵壓控制積分的開始與結(jié)束，M2的柵極電壓在一個(gè)高電位和一個(gè)較低點(diǎn)位之間轉(zhuǎn)變，當(dāng)M2的柵極電位從較低電位變化到較高電位時(shí)代表讀出電路積分的開始；iM2的柵極電位從較高電位變化到較低電位時(shí)代表讀出電路積分的結(jié)束。當(dāng)M2的柵極電位為低電位時(shí)，M2處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)]?2的柵極電位為高電位時(shí)，紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)通過注入管Ml與注入開關(guān)管M2注入積分電容C。[0020]積分/復(fù)位控制電路4通過復(fù)位開關(guān)管M3的導(dǎo)通，將積分電容C上的電壓復(fù)位到地電平。復(fù)位開關(guān)管M3的柵極電壓在一個(gè)高電位和一個(gè)較低點(diǎn)位之間轉(zhuǎn)變，當(dāng)復(fù)位開關(guān)管M3的柵極電位從較低電位變化到較高電位時(shí)代表積分電容C復(fù)位的開始；當(dāng)復(fù)位開關(guān)管M3的柵極電位從較高電位變化到較低電位時(shí)代表積分電容C復(fù)位的結(jié)束。
[0021]輸出控制電路5用于進(jìn)行行選擇的控制，當(dāng)數(shù)字信號(hào)Vrse控制的開關(guān)管M4導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)在積分電容C上的積分電壓信號(hào)通過開關(guān)管M4被傳輸?shù)胶笠患?jí)信號(hào)處理電路中；當(dāng)數(shù)字信號(hào)Vrse控制的開關(guān)管M4關(guān)斷時(shí)，積分電壓信號(hào)保持在單元電路中。
[0022]參看圖2，本發(fā)明電路的具體工作過程如下，其中數(shù)字⑴?(5)代表5個(gè)時(shí)段:
[0023]時(shí)段(I)，積分/復(fù)位控制電路4中的復(fù)位開關(guān)管M3在數(shù)字信號(hào)Vrst的作用下導(dǎo)通，注入開關(guān)管M2在數(shù)字信號(hào)Vint作用下斷開，行選擇開關(guān)管M4在數(shù)字信號(hào)Vrse作用下斷開。此時(shí)積分電容C復(fù)位，紅外探測(cè)器的偏置電壓穩(wěn)定。
[0024]時(shí)段(2)，注入開關(guān)管M2在數(shù)字信號(hào)Vint作用下導(dǎo)通，積分/復(fù)位控制電路4中的復(fù)位開關(guān)管M3在數(shù)字信號(hào)Vrst的作用下斷開，行選擇開關(guān)管M4仍然處于斷開狀態(tài)，像素單元電路開始積分。
[0025]時(shí)段(3)，注入開關(guān)管M2在數(shù)字信號(hào)Vint作用下斷開，積分/復(fù)位控制單元2中的復(fù)位開關(guān)管M3和行選擇開關(guān)管M4仍然處于斷開狀態(tài)，積分電壓被保持在積分電容C上。
[0026]時(shí)段(4)，行選擇開關(guān)管M4在數(shù)字信號(hào)Vrse作用下閉合，積分/復(fù)位控制單元2中的復(fù)位開關(guān)管M3和注入開關(guān)管M2仍然處于斷開狀態(tài)，輸出積分電壓信號(hào)。
[0027]時(shí)段(5)，行選擇開關(guān)管M4在數(shù)字信號(hào)Vrse作用下斷開后完成像素單元電路的工作過程。
[0028]復(fù)位開關(guān)管M3在數(shù)字信號(hào)Vrst的作用下再一次導(dǎo)通，重復(fù)時(shí)段(I)?時(shí)段(5)的過程，這樣完成電路周而復(fù)始的工作。
[0029]本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，不論其實(shí)現(xiàn)方式作任何變化，凡采用注入開關(guān)管M2控制積分時(shí)間的方法，均應(yīng)落在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高背景應(yīng)用的BDI型像素單元電路，其特征在于，在現(xiàn)有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復(fù)位控制電路、采樣開關(guān)電路和輸出控制電路的基礎(chǔ)上，去除用于控制積分時(shí)間的采樣開關(guān)電路，在注入管與積分/復(fù)位控制電路之間增設(shè)注入開關(guān)管，通過注入開關(guān)管來控制積分時(shí)間；其中: 輸入放大器包括一個(gè)運(yùn)算放大器，其正向輸入端連接控制信號(hào)Vcom,負(fù)向輸入端連接紅外探測(cè)器的輸出端； 注入管包括NMOS管Ml，其柵極連接輸入放大器中運(yùn)算放大器的輸出端，漏極連接輸入放大器中運(yùn)算放大器的正向輸入端； 注入開關(guān)管包括NMOS管M2，其柵極連接數(shù)字信號(hào)Vint，漏極連接注入管Ml的源極；積分/復(fù)位控制電路包括NMOS管M3和積分電容C，NMOS管M3的柵極連接數(shù)字信號(hào)Vrst7NMOS管M3的漏極連接注入開關(guān)管M2的源極和積分電容C的一端，NMOS管M3的源極連接積分電容C的另一端并接地； 輸出控制電路包括NMOS管M4，其漏極連接積分/復(fù)位控制電路中NMOS管M3的漏極，NMOS管M4的柵極連接數(shù)字信號(hào)Vrse，NMOS管M4的源極為像素單元電路的輸出端。
【文檔編號(hào)】G01J5/10GK104034431SQ201410275471
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】夏曉娟, 蘇軍, 吉新村, 沈玲羽, 劉琦, 陳德媛, 成建兵, 郭宇鋒 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)