一種高背景應用的bdi型像素單元電路的制作方法
【專利摘要】一種高背景應用的BDI型像素單元電路，在現有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復位控制電路、采樣開關電路和輸出控制電路的基礎上，去除用于控制積分時間的采樣開關電路，在注入管與積分/復位控制電路之間增設注入開關管，通過注入開關管來控制積分時間，注入開關管的柵極連接數字信號Vint，漏極連接前級注入管的輸出，源極連接后級積分/復位控制電路的輸入。
【專利說明】—種高背景應用的BDI型像素單元電路
【技術領域】
[0001]本發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用的BDI (緩沖直接注入)型像素單元電路，屬于微電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]紅外成像技術是利用在熱效應最顯著的部位，將其轉換成可見圖像的技術，面陣型紅外焦平面組件是紅外成像技術中的關鍵組件，它是由紅外探測器及紅外讀出電路兩部分組成。讀出電路工作時，像素陣列與探測器陣列一一對應，用于感應微弱的信號電流，并把它轉換成電壓信號，輸出到下一級。像素單元是讀出電路的核心單元單路，其設計要求在一定面積限制內選擇適合不同探測器的最優電路結構并完成電路設計，讀出電路中像素單元電路的性能直接關系到整個焦平面成像的性能。
[0003]緩沖直接注入(BDI)型像素單元具有注入效率高、保證探測器偏壓穩定的特點，適合于對讀出電路的性能要求高、能夠容忍復雜的像元電路結構較大芯片面積和功耗的情況。傳統的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/復位控制電路、采樣開關電路和輸出控制電路，像素單元中通常存在兩個電容，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間開關管M3的存在，將引入額外的KTC噪聲。

【發明內容】

[0004]本發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，提供一種高背景應用的BDI型素像素單元電路。
[0005]本發明采用的技術方案如下:一種高背景應用的BDI型像素單元電路，其特征在于，在現有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復位控制電路、采樣開關電路和輸出控制電路的基礎上，去除用于控制積分時間的采樣開關電路，在注入管與積分/復位控制電路之間增設注入開關管，通過注入開關管來控制積分時間；其中:
[0006]輸入放大器包括一個運算放大器，其正向輸入端連接控制信號Vcom,負向輸入端連接紅外探測器的輸出端；
[0007]注入管包括NMOS管Ml，其柵極連接輸入放大器中運算放大器的輸出端，漏極連接輸入放大器中運算放大器的正向輸入端；
[0008]注入開關管包括NMOS管M2，其柵極連接數字信號Vint，漏極連接注入管Ml的源極；
[0009]積分/復位控制電路包括NMOS管M3和積分電容C，匪OS管M3的柵極連接數字信號Vrst，NMOS管M3的漏極連接注入開關管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/復位控制電路中NMOS管M3的漏極，NMOS管M4的柵極連接數字信號Vrse，NMOS管M4的源極為像素單元電路的輸出端。
[0011]本發明的優點及顯著效果:本發明利用注入開關管控制積分時間，與現有技術采用采樣開關電路來控制積分時間相比，由于采樣開關電路中設有的采樣電容C2和積分/復位控制電路中的積分電容Cl同時存在，受限于像素單元的尺寸限制，使這兩個電容做不到很大，將不利于像素單元在大背景電流下的使用。本發明電路中只有一個積分電容C，從而在有限的像素單元面積內能設計出大容量的積分電容，提高電荷存儲能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明BDI型像素單元實施電路圖；
[0013]圖2為本發明電路工作過程的信號波形圖；
[0014]圖3為傳統BDI型像素單元電路圖。
【具體實施方式】
[0015]參看圖1，本發明一種高背景應用的BDI型像素單元電路，包括輸入放大器1、注入管2、注入開關管3、積分/復位控制電路4、輸出控制電路5。與圖3所示的傳統的包括輸入放大器1、注入管2、積分/復位控制電路3、采樣開關電路4和輸出控制電路5的基礎上，去除了用于控制積分時間的采樣開關電路4，在注入管與積分/復位控制電路之間增設注入開關管3，通過注入開關管來控制積分時間。 [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，例如差分運放、共源共柵結構等。本發明中，輸入放大器I采用一個運放組成，注入管2含有N型MOS管M1，構成負反饋形式。注入開關管3含有N型MOS管M2，積分/復位控制電路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、注入開關管M2、復位開關管M3和輸出控制開關管(行選擇開關管)M4也可以采用不同類型的晶體管，如P型MOS 管。
[0017]本發明的具體連接方式如圖1中所示，運放的正向輸入端接外圍的控制信號Vcom，負向輸入端與紅外探測器的輸出端相連接，運放輸出端接注入管Ml柵極。注入管Ml漏極與運放的正向輸入端連接，源極接注入開關管M2漏極。注入開關管M2柵極接數字信號Vint，源極連接積分/復位控制電路中復位開關管M3的漏極，M3柵極接數字信號Vrst，源極接地。積分電容C的一極接M3的漏極，另一極接地。行選擇開關管M4的柵極接數字信號Vrse,漏極接M3的漏極，M4的源極為為像素單元電路的輸出端,三個數字信號Vint、Vrst、Vrse均是由外部數字電路產生供給的。
[0018]上述電路結構中:輸入放大器I是一個高增益的運放，運用其“虛短”特性將探測器偏置電壓穩定在一恒定電壓，并且由于將運放置到一負反饋狀態，使讀出電路的輸入阻抗減小為原來的1/A(A為運放的放大倍數)，從而提高單元電路的注入效率
[0019]注入開關管M2通過改變其柵壓控制積分的開始與結束，M2的柵極電壓在一個高電位和一個較低點位之間轉變，當M2的柵極電位從較低電位變化到較高電位時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代表讀出電路積分的結束。當M2的柵極電位為低電位時，M2處于截止狀態；當]?2的柵極電位為高電位時，紅外探測器的輸出信號通過注入管Ml與注入開關管M2注入積分電容C。[0020]積分/復位控制電路4通過復位開關管M3的導通，將積分電容C上的電壓復位到地電平。復位開關管M3的柵極電壓在一個高電位和一個較低點位之間轉變，當復位開關管M3的柵極電位從較低電位變化到較高電位時代表積分電容C復位的開始；當復位開關管M3的柵極電位從較高電位變化到較低電位時代表積分電容C復位的結束。
[0021]輸出控制電路5用于進行行選擇的控制，當數字信號Vrse控制的開關管M4導通時，存儲在積分電容C上的積分電壓信號通過開關管M4被傳輸到后一級信號處理電路中；當數字信號Vrse控制的開關管M4關斷時，積分電壓信號保持在單元電路中。
[0022]參看圖2，本發明電路的具體工作過程如下，其中數字⑴?(5)代表5個時段:
[0023]時段(I)，積分/復位控制電路4中的復位開關管M3在數字信號Vrst的作用下導通，注入開關管M2在數字信號Vint作用下斷開，行選擇開關管M4在數字信號Vrse作用下斷開。此時積分電容C復位，紅外探測器的偏置電壓穩定。
[0024]時段(2)，注入開關管M2在數字信號Vint作用下導通，積分/復位控制電路4中的復位開關管M3在數字信號Vrst的作用下斷開，行選擇開關管M4仍然處于斷開狀態，像素單元電路開始積分。
[0025]時段(3)，注入開關管M2在數字信號Vint作用下斷開，積分/復位控制單元2中的復位開關管M3和行選擇開關管M4仍然處于斷開狀態，積分電壓被保持在積分電容C上。
[0026]時段(4)，行選擇開關管M4在數字信號Vrse作用下閉合，積分/復位控制單元2中的復位開關管M3和注入開關管M2仍然處于斷開狀態，輸出積分電壓信號。
[0027]時段(5)，行選擇開關管M4在數字信號Vrse作用下斷開后完成像素單元電路的工作過程。
[0028]復位開關管M3在數字信號Vrst的作用下再一次導通，重復時段(I)?時段(5)的過程，這樣完成電路周而復始的工作。
[0029]本發明不局限于上述實施方式，不論其實現方式作任何變化，凡采用注入開關管M2控制積分時間的方法，均應落在本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高背景應用的BDI型像素單元電路，其特征在于，在現有包括依次連接的輸入放大器、注入管、積分/復位控制電路、采樣開關電路和輸出控制電路的基礎上，去除用于控制積分時間的采樣開關電路，在注入管與積分/復位控制電路之間增設注入開關管，通過注入開關管來控制積分時間；其中: 輸入放大器包括一個運算放大器，其正向輸入端連接控制信號Vcom,負向輸入端連接紅外探測器的輸出端； 注入管包括NMOS管Ml，其柵極連接輸入放大器中運算放大器的輸出端，漏極連接輸入放大器中運算放大器的正向輸入端； 注入開關管包括NMOS管M2，其柵極連接數字信號Vint，漏極連接注入管Ml的源極；積分/復位控制電路包括NMOS管M3和積分電容C，NMOS管M3的柵極連接數字信號Vrst7NMOS管M3的漏極連接注入開關管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/復位控制電路中NMOS管M3的漏極，NMOS管M4的柵極連接數字信號Vrse，NMOS管M4的源極為像素單元電路的輸出端。
【文檔編號】G01J5/10GK104034431SQ201410275471
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】夏曉娟, 蘇軍, 吉新村, 沈玲羽, 劉琦, 陳德媛, 成建兵, 郭宇鋒 申請人:南京郵電大學