一種高集成度多功能像素單元及其偏置電路的制作方法
【專利摘要】一種高集成度多功能像素單元及其偏置電路，像素單元包括紅外探測器、注入管M1、多功能管M2、復(fù)位管M3、行選管M4和積分電容C1，注入管M1的柵極由偏置電路產(chǎn)生的積分控制信號INT控制，多功能管M2的柵極由偏置電路產(chǎn)生的控制信號VCON控制，通過對多功能管M2及其偏置電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在不同的偏置條件下，通過對M2的復(fù)用能夠分別實(shí)現(xiàn)測試電流的注入功能和抗飽和的功能，從而降低了像素單元的面積和整個(gè)芯片的面積和成本，在像素單元有限面積內(nèi)，能夠保證注入管M1以及探測器工作在較為理想的狀態(tài)。
【專利說明】一種高集成度多功能像素單元及其偏置電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外焦平面讀出電路的像素單元電路，特別涉及一種高集成度多功 能像素單元及其偏置電路，屬于光電子技術(shù)及微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 紅外成像技術(shù)在軍事、空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)以及國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域正得到日益廣泛的 應(yīng)用。紅外焦平面陣列組件是紅外成像技術(shù)中獲取紅外圖像信號的核心光電器件。該組件 由紅外探測器和紅外焦平面讀出電路（ROIC :readout integrated circuits)組成。
[0003] 讀出電路工作時(shí)，像素陣列與探測器陣列一一對應(yīng)，用于感應(yīng)微弱的信號電流，并 把它轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出到下一級。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。像素單元電路中，探測器偏壓的穩(wěn)定對 于紅外成像系統(tǒng)是非常重要的，當(dāng)探測器注入電流過大，使得積分輸出達(dá)到極限時(shí)（電源 電壓或者地），如果積分還在繼續(xù)，那么積分電容兩極板的壓差將繼續(xù)增大，此時(shí)輸出端電 壓已無法變化，那么輸入端的電壓將會(huì)發(fā)生變化，也就是說此時(shí)探測器偏壓將不再保持恒 定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高集成度多功能像素單元及其 偏置電路，引入了抗飽和（Anti-bloom)功能，同時(shí)由于電路測試的需要，在像素單元中需 具有測試的功能，由于像素單元電路對于面積限制，就需要在盡量小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡量多 的功能。本發(fā)明設(shè)計(jì)的像素單元能在盡可能小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了抗飽和并具有測試功能。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種高集成度多功能像素單元及其偏置電路，其特征在于：
[0007] 像素單元包括紅外探測器、注入PM0S管Ml、多功能PM0S管M2、復(fù)位NM0S管M3、 行選NM0S管M4和積分電容C1，紅外探測器的輸出連接注入PM0S管Ml的源極，注入PM0S 管Ml的漏極與多功能PM0S管M2的源極、復(fù)位NM0S管M3的漏極、行選NM0S管M4的源極 以及積分電容C1的一端連接在一起，注入PM0S管Ml的柵極連接偏置電路產(chǎn)生的積分控制 信號INT，多功能PM0S管M2的漏極連接模擬信號VM，多功能PM0S管M2的柵極連接偏置電 路產(chǎn)生的控制信號VC0N，復(fù)位NM0S管M3的源極接地，復(fù)位NM0S管M3的柵極連接復(fù)位控制 信號VRST，積分電容C1的另一端接地，行選NM0S管M4的柵極連接行選控制信號LSEL，行 選NM0S管M4的漏極為積分信號的輸出端，將積分的結(jié)果輸出到后續(xù)的讀出電路中；
[0008] 偏置電路包括 NM0S 管 M5、NM0S 管 M6、NM0S 管 M9、NM0S 管 Mil 及 PM0S 管 M7、PM0S 管皿8、？]\?)5管組0，電阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5，電阻1?1的一端連接電源￥00，電阻1?1的另一端 連接NM0S管M5的漏極，NM0S管M5的柵極與NM0S管M6的柵極互連，NM0S管M5的源極和 襯底以及NM0S管M6的源極和襯底均接地，NM0S管M6的漏極連接電阻R5的一端和PM0S管 M7的柵極，電阻R5的另一端與電阻R4的一端、PMOS管M10的源極以及NMOS管Mil的漏極 連接在一起，電阻R4的另一端與PM0S管M7的漏極以及PM0S管M8的源極與NM0S管M9的 互連端連接在一起并作為積分控制信號INT的輸出端連接像素單元中注入PM0S管Ml的柵 極，PM0S管M7的源極分別連接電阻R2和電阻R3的一端，電阻R2的另一端連接外部調(diào)整 電壓VDET_ADJ，電阻R3的另一端連接電源VDD和PM0S管M7的襯底，NM0S管M9的柵極連 接模擬信號VM，PM0S管M8的柵極連接模擬信號VM的反相信號VM_，PM0S管M10的柵極連 接模擬信號VM，NM0S管Mil的柵極連接模擬信號VM的反相信號VM_，PM0S管M8的漏極與 NM0S管M9的源極互連并與PM0S管M10的漏極與NM0S管Ml 1的源極互連端連接在一起，作 為控制信號VC0N的輸出端連接像素單元中多功能PM0S管M2的柵極。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果：
[0010] (1)本發(fā)明通過對多功能管M2及其偏置電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在不同的偏置條 件下，M2能夠分別實(shí)現(xiàn)測試電流的注入功能和抗飽和的功能，通過同一個(gè)M0S管M2的復(fù)用 實(shí)現(xiàn)多重功能從而降低了像素單元的面積和整個(gè)芯片的面積和成本。
[0011] (2)本發(fā)明在像素單元有限面積內(nèi)，能夠保證注入管以及探測器工作在較為理想 的狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的像素單元的電路圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明像素單元的的偏置電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 參看圖1，本發(fā)明像素單元電路包括注入管Ml、復(fù)位管M3、行選開關(guān)管M4、積分電 容C1和多功能管M2,其中注入管Ml和多功能管M2是PM0S管，復(fù)位管M3和行選開關(guān)管M4 是NM0S管。注入管Ml的柵極接積分控制信號INT，探測器的電流從注入管Ml源極輸入， Ml漏極與多功能管M2的源極以及復(fù)位管M3的漏極相連；多功能管M2的柵極接控制信號 VC0N，漏極接模擬信號VM，源極與復(fù)位管M3的漏極相連；復(fù)位管M3的柵極接復(fù)位控制信號 VRST，源極接地，漏極接積分電容C1的上端；積分電容C1上端與復(fù)位管M3的漏極以及行選 開關(guān)管M4的源極相連，積分電容C1下端接地；行選開關(guān)管M4柵極接行選控制信號LSEL， 源極與電容C1的上端相連，漏極為輸出端。
[0015] 注入管Ml在積分控制信號INT的控制下實(shí)現(xiàn)信號電流的輸入，再由積分電容C1 對信號電流積分，進(jìn)而通過后級輸出。由于需要保證探測器偏壓的穩(wěn)定，所以要求Ml的漏 極電壓在積分電容的積分過程中不能過高，因此需要本發(fā)明中的抗飽和設(shè)計(jì)以保證Ml的 漏極電壓不超過某個(gè)定值。
[0016] 多功能管M2由于M0S管的結(jié)構(gòu)特性，在不同的源漏電壓情況下，可以實(shí)現(xiàn)源極和 漏極的互換，這一互換可通過不同的模擬信號VM實(shí)現(xiàn)。當(dāng)VM為高電平時(shí)，通過設(shè)定VC0N 為合適的電壓值，使得M2左端為源極，右端為漏極，實(shí)現(xiàn)電流的注入，對積分電容C1充電， 完成測試的功能；當(dāng)VM為低電平時(shí)，通過設(shè)定VC0N為合適的電壓值，使得M2左端為漏極， 右端為源極，當(dāng)積分電容C1上電壓達(dá)到一定值時(shí)，M2管開啟，電流可以通過M2管從VM端 流出，以保證C1的電壓不高于某一值，這一電壓可以通過對VC0N的設(shè)定來調(diào)節(jié)。
[0017] 復(fù)位管M3在復(fù)位控制信號VRST的控制下實(shí)現(xiàn)對積分電容的復(fù)位操作。當(dāng)VRST 為低電位時(shí)，M3管關(guān)閉，Cl可以進(jìn)行對信號電流的積分操作；當(dāng)VRST的為高電位時(shí)，M3管 開啟，電容C1通過M3管放電，實(shí)現(xiàn)對電容C1的復(fù)位操作。
[0018] 積分電容C1用來實(shí)現(xiàn)對輸入信號電流的積分采樣，以供后級進(jìn)行讀出。其積分由 復(fù)位管M3控制，當(dāng)M3管關(guān)斷時(shí)C1進(jìn)行積分，當(dāng)M3開啟時(shí)C1進(jìn)行復(fù)位。
[0019] 行選開關(guān)管M4在行選控制信號LSEL的控制下開啟或關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)積分信號的輸 出。當(dāng)LSEL為高電平時(shí)M4開啟，積分信號輸出；當(dāng)LSEL為低電平時(shí)M4關(guān)斷，無信號輸出。
[0020] 參看圖2,本發(fā)明中的偏置電路主要用以產(chǎn)生注入管Ml的積分控制信號INT和多 功能管M2的控制信號VC0N。包括偏置電壓產(chǎn)生電路和偏置電壓選擇電路兩部分。偏置電 壓產(chǎn)生電路中基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部分產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，偏壓產(chǎn)生與調(diào)節(jié)部分按一定比例鏡像基準(zhǔn) 電流，并通過VDET_ADJ調(diào)節(jié)產(chǎn)生電阻R4的兩端電壓VI、V2。偏置電壓主要用以產(chǎn)生電阻 R4兩端的電壓，其中R4上端電壓為INT信號，同時(shí)通過VM以及其反向信號￥11_控制兩個(gè) 傳輸門來選擇控制信號VC0N是R4的上端電壓VI或是下端電壓V2。選擇INT為VI電壓， VC0N在VM為高電位時(shí)選擇VI電壓、在VM為低電位時(shí)選擇V2電壓。
[0021] 基準(zhǔn)電流產(chǎn)生部分1由電阻R1和PM0S管M5組成以產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，VDD為模擬高 電位，通過合理的參數(shù)設(shè)置已獲得合適的基準(zhǔn)電流。
[0022] 偏壓產(chǎn)生與調(diào)節(jié)部分2由NM0S管M6、PM0S管M7以及電阻R2、R3、R4、R5組成。M6 管按一定比例鏡像基準(zhǔn)電流，通過M6的電流與流過R4、R5以及M7的電流基本相同。電阻 R3 -端接高電位VDD -端接PM0S管M7的源極。電阻R2 -端接PM0S管M7的源極，另一 端接VDET_ADJ，VDET_ADJ為外部的調(diào)整電壓，通過改變這一電壓可以調(diào)節(jié)電阻R4的兩端電 壓，由于這兩個(gè)電壓即為標(biāo)號3部分的輸出電壓，所以可以調(diào)節(jié)VDET_ADJ電壓實(shí)現(xiàn)對控制 電壓的調(diào)節(jié)。由于管M6、管M7、電阻R4、R5構(gòu)成的到地通路的電阻很大，在調(diào)節(jié)VDET_ADJ 時(shí)M7管的源端電壓隨之線性變化，通過合理設(shè)置M7管的參數(shù)使之工作在合適的工作區(qū)域， 可以實(shí)現(xiàn)M6管的漏端電壓與M7管的源端電壓基本固定，同時(shí)因?yàn)榱鬟^R4、R5電流恒定，所 以R4的兩端電壓與M7管的源端電壓的差值也基本恒定，R4的兩端電壓跟隨VDET_ADJ的 變化而近似線性變化。
[0023] 偏壓選擇與輸出部分3為兩個(gè)分別由PM0S管M8、NM0S管M9以及PM0S管M10、 NM0S管Mil組成的兩個(gè)傳輸門電路。INT信號直接引用M7管漏端電壓，也即R4上端電壓 VI。傳輸門的開啟關(guān)斷由VM及其反向信號VM_控制，當(dāng)VM為高電平時(shí)，M8、M9管組成的傳 輸門導(dǎo)通，控制信號VC0N為R4上端電壓VI，像素單元中的多功能管工作在測試狀態(tài)；當(dāng)VM 為低電壓時(shí)，MKKM11組成的傳輸門導(dǎo)通，控制信號VC0N為R4下端電壓V2,多功能管工作 在抗飽和狀態(tài)，由于此時(shí)INT和VC0N分別為R4電阻兩端電壓，因此兩者電壓差為電阻R4 上壓降且近似為一恒定值，同時(shí)像素單元中PM0S管Ml的源漏電壓差也將不低于這一值，從 而保證了探測器偏壓的穩(wěn)定。
[0024] 本發(fā)明的具體工作過程如下：
[0025] (1)探測器電流輸入狀態(tài)，此時(shí)VM為低電平。在積分周期中VRST為低電位，復(fù)位 管關(guān)斷。通過VDET_ADJ調(diào)節(jié)，設(shè)置INT至合適的偏置電壓，注入管Μ在INT信號的控制下 實(shí)現(xiàn)信號電流的輸入，再由積分電容C1積分供后級輸出。此時(shí)多功能管工作在抗飽和狀 態(tài)，VC0N電壓為電阻R4下端電壓V2,由于VC0N電壓與ΙΝΤ電壓分別為電阻R4的兩端電 壓，INT電壓高于VCON電壓，壓差即為R4上壓降。當(dāng)電容上積分電壓升高使得注入管漏極 電壓高于其源極電壓的值小于該壓差時(shí)，多功能管開啟，信號電流將由多功能管流出，積分 電容不再積累電荷，其電壓基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)抗飽和的功能。在復(fù)位周期中，VRST為 高電平，復(fù)位管開啟，信號電流以及積分電容上電荷將由復(fù)位管流至地，從而實(shí)現(xiàn)對于積分 電容的復(fù)位。
[0026] (2)像素單元測試狀態(tài)，此時(shí)VM為高電平。VC0N為電阻R4上端電壓VI，通過調(diào)節(jié) VDET_ADJ的電壓可以調(diào)節(jié)VI電壓至合適的值，此時(shí)多功能管工作在注入狀態(tài)，電流通過多 功能管M2流至電容Cl，C1對電流積分，以供后級輸出，完成對電路的測試。
[0027] 本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，不論其具體實(shí)現(xiàn)方式作任何變化，凡使用一個(gè)多 功能管復(fù)用，并使用類似的對應(yīng)偏壓產(chǎn)生電路來實(shí)現(xiàn)抗飽和以及測試功能的設(shè)計(jì)均在本專 利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種高集成度多功能像素單元及其偏置電路，其特征在于： 像素單元包括紅外探測器、注入PMOS管Ml、多功能PMOS管M2、復(fù)位NMOS管M3、行選 NMOS管M4和積分電容C1，紅外探測器的輸出連接注入PMOS管Ml的源極，注入PMOS管Ml 的漏極與多功能PMOS管M2的源極、復(fù)位NMOS管M3的漏極、行選NMOS管M4的源極以及積 分電容C1的一端連接在一起，注入PMOS管Ml的柵極連接偏置電路產(chǎn)生的積分控制信號 INT，多功能PMOS管M2的漏極連接模擬信號VM，多功能PMOS管M2的柵極連接偏置電路產(chǎn) 生的控制信號VC0N，復(fù)位NMOS管M3的源極接地，復(fù)位NMOS管M3的柵極連接復(fù)位控制信 號VRST，積分電容C1的另一端接地，行選NMOS管M4的柵極連接行選控制信號LSEL，行選 NMOS管M4的漏極為積分信號的輸出端，將積分的結(jié)果輸出到后續(xù)的讀出電路中； 偏置電路包括NMOS管M5、NMOS管M6、NMOS管M9、NMOS管Mil及PMOS管M7、PMOS管 M8、PMOS管M10,電阻Rl、R2、R3、R4、R5,電阻R1的一端連接電源VDD，電阻R1的另一端連 接NMOS管M5的漏極，NMOS管M5的柵極與NMOS管M6的柵極互連，NMOS管M5的源極和襯 底以及NMOS管M6的源極和襯底均接地，NMOS管M6的漏極連接電阻R5的一端和PMOS管 M7的柵極，電阻R5的另一端與電阻R4的一端、PMOS管M10的源極以及NMOS管Mil的漏極 連接在一起，電阻R4的另一端與PMOS管M7的漏極以及PMOS管M8的源極與NMOS管M9的 互連端連接在一起并作為積分控制信號INT的輸出端連接像素單元中注入PMOS管Ml的柵 極，PMOS管M7的源極分別連接電阻R2和電阻R3的一端，電阻R2的另一端連接外部調(diào)整 電壓VDET_ADJ，電阻R3的另一端連接電源VDD和PMOS管M7的襯底，NMOS管M9的柵極連 接模擬信號VM，PMOS管M8的柵極連接模擬信號VM的反相信號VM_，PMOS管M10的柵極連 接模擬信號VM，NMOS管Mil的柵極連接模擬信號VM的反相信號VM_，PMOS管M8的漏極與 NMOS管M9的源極互連并與PMOS管M10的漏極與NMOS管Ml 1的源極互連端連接在一起，作 為控制信號VC0N的輸出端連接像素單元中多功能PMOS管M2的柵極。
【文檔編號】G01J5/10GK104062017SQ201410313283
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 劉金岑, 朱長峰, 蘇軍, 夏曉娟, 徐申, 陸生禮, 時(shí)龍興 申請人:東南大學(xué)