專利名稱：新結構相關雙采樣保持電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于紅外焦平面陣列探測器的雙采樣保持電路，具體涉及一種新結構相關雙采樣保持電路。
背景技術：
噪聲是所有圖像傳感器共同面對的問題。其中固定模式噪聲(FPN)和KTC開關噪聲是CMOS圖像傳感器的主要缺點。因為像元的讀出信號經過了一系列的CMOS電路時，器件參數的非均勻性將會引起很大的固定模式噪聲；同時，電路中的控制脈沖信號也將會帶來KTC開關噪聲。為了減小噪聲的影響，提高CMOS圖像傳感器的信噪比(S/N)，通常采用相關雙采樣技術(CDS)。
常規的相關雙采樣保持電路(如美國專利，專利號US6,373,050B1，2002年4月16日)是一種很好的用于消除固定模式噪聲的技術。它通過在像元讀出過程中采取兩次采樣積分電容上的電壓信號(V＝Q/C)來實現。一次是在積分開始之前，像元被復位時，采到的電壓信號是Vr＝Qr/C。另一次是在像元信號積分結束之前進行的，采到的電壓信號是Vs＝Qs/C。這樣兩次采樣的電壓信號保持在采保電容上，通過后續電路進行差分，得到最后的輸出電壓信號，Vout＝Vs-Vr＝(Qs-Qr)/C。因為固定模式噪聲和KTC開關噪聲對兩次采樣的信號(Vs和Vr)都是相同的，所以經過相關雙采樣電路之后，輸出信號Vout中基本上消除了這兩種噪聲。但該電路結構復雜，需要相同的兩路采樣保持電路，然后對這兩路的輸出進行差分，來實現相關雙采樣。每路中都有一個采樣控制MOS管，一個采保電容，一個緩沖輸出級(如源隨器)。而且在這之后，還要有一個公共的差分放大器來實現差分輸出，復雜的電路結構必將降低輸出波形的噪聲特性，增加芯片的面積和功耗。這對于大面積探測陣列是很不利的。
現有技術還有文獻2，Chih-Cheng Hsieh，Chung-Yu Wu，“A NewCryogenic CMOS Readout Circuits for Infrared Focal Plane Array，”IEEE J.Solid-State Circuits，vol.32，pp.1192-1199，Aug.1997.和文獻3，Chih-Cheng Hsieh，Chung-Yu Wu，Tai-Ping Sun，Far-Wen Jih，andYa-Tung Cherng，“High-Performance CMOS Buffered Gate ModulationInput(BGMI)Readout Circuits for IRFPA，”IEEE J.Solid-StateCircuits，vol.33，pp.1188-1198，Aug.1998。與常規的相關雙采樣電路相比，文獻2中所采用的電路結構具有明顯改進。它通過一個串聯的電容來實現相關雙采樣功能。它的主要優點是電路結構簡單，所以芯片面積和功耗都較小；輸出信號的噪聲小。但它也有缺點(1)幀時間是讀出時間和積分時間的和，這樣幀頻就比較低，尤其是在小積分電流和長積分時間的情況下；(2)受行選(或列選)控制，選中的一行中的所有像元不能同時開始積分；(3)輸出波形是離散的，不是箱形波。于是，數模轉換的脈沖寬度必須是列選(或行選)信號寬度的一半，這將增加模數轉換的難度。與文獻2中的電路相比，文獻3中所采用的相關雙采樣電路又有明顯改進。它通過奇/偶選擇控制開關和增加的一行公用積分單元來實現信號的串行輸出，雖然提高了幀頻，消除了文獻2中電路的第一個缺點，但代價是增加了電路的功耗和芯片的面積，而且文獻2中的后兩個缺點仍然存在。

發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本實用新型設計一種新結構的相關雙采樣保持電路，其目的是實現以下功能(1)實現結構簡單、功耗小的相關雙采樣電路，并改善電路的噪聲特性；(2)電路的輸出波形為箱形波，以便于數模轉換；(3)提高幀頻，使讀出過程發生在下一行像元的積分期間內。
本實用新型的目的是這樣實現的新結構相關雙采樣保持電路，其特征在于含有源隨管Msf1、開關管MLp、采樣選通管Msh和直流復位管Mdc，其中源隨管Msf1的源極通過開關管MLp接電源，且通過采樣保持電容Ccds接到緩沖輸出級輸入端，漏極通過采樣選通管Msh接地，柵極接積分電容；而且源隨管Msf1的源極和襯底接在一起，以減小晶體管的體效應；直流復位管Mdc的漏極和源極分別接緩沖輸出級的輸入端和地；開關管MLp采樣選通管Msh和直流復位管Mdc的柵極均接同一控制脈沖Vcdsh。所述源隨管Msf1、開關管MLp為PMOS管，采樣選通管Msh和直流復位管Mdc為NMOS管。
本實用新型采用了一種新結構動態源隨器方案(由源隨管Msf1、開關管MLp、采樣選通管Msh和采樣保持電容Ccds組成)。稱之為動態源隨器是因為該源隨器只工作在動態，即相關雙采樣和保持脈沖Vcdsh的電平從低變為高的時段，如圖4所示的T0到T1時段。穩態時，串聯的開關管MLp和采樣選通管Msh不能同時導通，所以沒有電流流經動態源隨器，動態源隨器不工作，從而大大地降低了芯片的功耗。受采樣保持脈沖的控制，通過串聯的采樣保持電容Ccds經動態源隨器的放電回路(由源隨管Msf1和采樣選通管Msh組成)放電來實現相關雙采樣功能。
新結構的相關雙采樣保持電路具有如下優點1、結構簡單，只由一個電容和四個MOS管組成；
2、驅動脈沖簡單，一個脈沖Vcdsh就能實現相關雙采樣和保持功能；3、受行選(或列選)控制，選中的一行中的所有像元能同時開始積分；4、信號的讀出過程位于下一行像元的積分時間之內，這樣幀時間只由積分時間組成，與讀出時間無關，所以與文獻2的相關雙采樣保持結構相比，對于相同的積分時間，該結構的幀頻率提高了一倍；5、數模轉換很方便，因為輸出波形是箱形波，數模轉換的脈沖寬度可與列選(或行選)信號寬度相同，為文獻2、文獻3中的數模轉換脈沖寬度的一倍；6、由于結構簡單，相關雙采樣和保持功能只需一個脈沖，且穩態時，動態源隨器中沒有直流通路，所以電路的功耗很小，電路的輸出噪聲特性也提高了許多。
本實用新型是一種新結構相關雙采樣保持電路，可用于各種光電，光伏，光導探測器的積分信號的輸出處理。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。


圖1是具有新結構的相關雙采樣保持電路的大面積探測陣列的方框圖。
圖2是圖1的一具體電路結構圖。
圖3是圖2電路的控制脈沖信號的時序圖。
圖4是相關雙采樣保持脈沖Vcdsh的波形示意圖。
電路中所有的高電平均為5V，低電平均為0V。
具體實施方式
如圖1所示，新結構的相關雙采樣保持電路包括A-相關雙采樣保持電路前端的積分電路；B-新結構相關雙采樣保持電路；C-公共的緩沖輸出級。
如圖2所示，新結構相關雙采樣和保持電路由以下兩部分組成1、動態源隨器由源隨管Msf1，開關管MpL，采樣選通管Msh和串聯的采樣保持電容Ccds組成；2、直流復位管Mdc。其中源隨管Msf1的源極通過開關管MLp接電源，且通過采樣保持電容Ccds接到列選緩沖輸出級的輸入端，漏極通過采樣選通管Msh接地，柵極接到積分電容上。而且源隨管Msf1的源極和襯底接在一起，以減小晶體管的體效應。直流復位管Mdc的漏極和源極分別接列選緩沖輸出級的輸入端和地；開關管MLp采樣選通管Msh和直流復位管Mdc的柵極都受同一個相關雙采樣和保持脈沖Vcdsh控制。所述源隨管Msf1、開關管MLp為PMOS管，采樣選通管Msh和直流復位管Mdc為NMOS管。
從圖2可知，開關管MLp的源極接電源，漏極串聯源隨管Msf1并經采樣保持電容Ccds接列選緩沖輸出級的輸入端，柵極接控制脈沖Vcdsh；源隨管Msf1的源極、襯底和開關管MLp的漏極結在一起，漏極與采樣選通管Msh的漏極連接，柵極接在積分電容上；采樣選通管Msh的漏極連接源隨管Msf1的漏極，源極接地，柵極接控制脈沖Vcdsh；直流復位管Mdc的漏極接采樣保持電容Ccds和列選緩沖輸出級的輸入端，源極接地，柵極接控制脈沖Vcdsh。
工作原理本實用新型采用了一種新的源隨器方案，把由三個MOS管(源隨管Msf1、開關管MLp和采樣選通管Msh)和保持電容Ccds所組成的新結構源隨器稱為動態源隨器。因為串聯的兩個MOS管(MLp和Msh)受同一脈沖Vcdsh控制，不能同時導通，所以該結構源隨器在穩態時沒有直流通路，所以不能叫作普通的源隨器。該源隨器只工作在動態，即相關雙采樣和保持脈沖Vcdsh的電平從低變為高的時段，如圖4所示的T0到T1時段。在T0時刻之前，Vcdsh為低電平，開關管MLp導通，節點N1連接到高電平Vdd；在t0時刻之后，Vcdsh從低電平變為高電平，開關管MLp截止，采樣選通管Msh導通；源隨管Msf1受積分電壓控制，于是，節點N1將通過放電回路(由導通的采樣選通管Msh和源隨管Msf1組成)放電。在T1時刻，放電過程結束，節點N1處的電壓(即源隨管Msf1源級的電壓)受源隨管Msf1的柵電壓控制而穩定下來，所以稱它為動態源隨器。
由于動態源隨器電路結構簡單，在穩態時沒有直流通路，而且，用來實現相關雙采樣保持的脈沖信號只有一個，時序簡單，所以電路的功耗很小。動態源隨器管Msf1的源級和襯底接在一起，以減小MOS管的體效應，提高源隨器的精度。Mdc是用來保持節點N2采樣電壓，并在下一次相關雙采樣時，受相關雙采樣和保持脈沖Vcdsh控制，復位到地，開始實現下一次的相關雙采樣和保持功能。MLp用來在采樣結束后把節點N1的電壓保持在Vdd，以配合Mcdsh實現保持功能，并為下一次的相關雙采樣和保持功能作準備。源隨管Msf2是列選(或行選)輸出級的源隨管。
圖3中，Vcseli，(i＝1，2，…，N)，是列選輸出選通信號；Vrst是復位信號；Vcdsh是相關雙采樣和保持信號；Vrseli，(i＝1，2，…，N)是行選信號。
如圖4是相關雙采樣和保持信號Vcdsh的波形示意圖，T0是Vcdsh從低電平開始變為高電平的時刻；T1是電容Ccds通過動態源隨器的放電回路放電結束的時刻；T2是Vcdsh從高電平開始變為低電平的時刻，T3是Vcdsh變為低電平的時刻。
本實用新型相關雙采樣功能的實現具體描述如下在積分結束的的時候，即T0時刻之前，Vcdsh是低電平，MLp是導通的，那么節點N1處的電壓為高電平Vdd，用方程表示為VN1(T0)＝Vdd。(1)
T0時刻之后，Vcdsh從低電平上升為高電平，MLp很快被斷開，Msh和Mdc導通，節點N2被復位到地。節點N1上的電壓VN1(T0)將通過由Msf1和Msh組成的直流回路放電。這時，Msh是導通的，Msf1受積分電壓控制，就可以把這個源隨器結構稱為動態源隨器。
于是在T1時刻，節點N1和N2上的電壓可表示為VN1(T1)＝Vint+VT，Msf1VN2(T1)＝0(2)方程中，VT，Msf1是Msf1的開啟電壓，Vint是積分電壓信號。
在T1和T2時刻之間，Vcdsh保持為高電平，動態源隨器處于截止狀態。所以節點N1和N2上的電壓能被保持住。所以在T2時刻，節點N1和N2上的電壓為VN1(T2)＝VN1(T1)＝Vint+VT，Msf1VN2(T2)＝0(3)接著，在T2時刻之后，Vcdsh變為低電平，MLp很快導通，節點N1的電壓立刻變為Vdd。由于電容兩端的電壓差不能突變，所以節點N1上的采樣電壓信號VN1(T2)傳到節點N2上。因此，在T3時刻，VN1(T3)＝VddVN2(T3)＝Vdd-VN1(T2)＝Vdd-VN1(T1)＝Vdd-Vint-VT，Msf1(4)在信號的讀出過程中(即T3時刻之后)，采樣保持電壓Vcdsh保持為低電平，Mdc是斷開的，因此節點N2上的電壓VN2(T3)能被保持很長一段時間，足夠完成讀出過程。這樣相關雙采樣和保持功能就實現了。在方程(4)中，只有Vint一項是隨著信號電流的大小而改變的，其余的兩項是常量。所以采樣保持電壓電壓VN2(T3)與積分電壓(或者說信號電流)成線性關系。
到此為止，第一行的行選就結束了，緊接著，開始第二行的選通，在第二行的選通期間，列選信號Vcseli，(i＝1，2，…，N)逐個變為低電平，把第一行N個像元的相關雙采樣保持信號VN2(T3)選通輸出到公共的輸出級上去。
權利要求1.新結構相關雙采樣保持電路，其特征在于含有源隨管(Msf1)、開關管(MLp)、采樣選通管(Msh)和直流復位管(Mdc)，各MOS晶體管分別有源極、漏極和柵極；源隨管(Msf1)的源極經開關管(MLp)接電源，且經采樣保持電容(Ccds)接緩沖輸出級的輸入端，漏極經采樣選通管(Msh)接地，柵極接積分電容；源隨管Msf1的源級和襯底接在一起；直流復位管(Mdc)的漏極和源極分接緩沖輸出級的輸入端和地；開關管(MLp)、采樣選通管(Msh)和直流復位管(Mdc)的柵極均接同一控制脈沖Vcdsh。
2.根據權利要求1所述的相關雙采樣保持電路，其特征在于所述源隨管(Msf1)、開關管(MLp)為PMOS管，采樣選通管(Msh)和直流復位管(Mdc)為NMOS管。
專利摘要新結構相關雙采樣保持電路，包含有源隨管M
文檔編號H04N5/33GK2586314SQ0224546
公開日2003年11月12日 申請日期2002年12月31日 優先權日2002年12月31日
發明者袁祥輝, 張智, 黃友恕, 呂果林 申請人:重慶大學