專利名稱：一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外成像系統(tǒng)中的讀出電路，尤其是一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路， 屬于微電子及光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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。ROIC電 路的基本功能是進(jìn)行紅外探測器信號的轉(zhuǎn)換、放大以及傳輸。常見的ROIC電路包括單元 電路、列讀出級和輸出緩沖級、時序產(chǎn)生電路、行選擇電路、列選擇電路。單元電路是 整個讀出電路與讀出電路外部紅外探測器的接口電路，它的性能好壞直接影響整個讀出 電路的性能。
隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對紅外焦平面讀出電路性能的要求也越來越高。動態(tài)范 圍(DR: dynamic range)是讀出電路的重要性能參數(shù)之一，它可定義為最大非飽和輸入 信號與最小可測輸入信號的比值?，F(xiàn)有的圖像傳感器大多是將入射光轉(zhuǎn)換成光電流。所 以讀出電路的動態(tài)范圍也可以定義為最大非飽和光電流與最小可測光電流比值，即DF^
imax/imin。其中最大非飽和光電流取決于最大電荷存儲容量和積分時間，即imax = qQmax/Tint; 最小可測光電流取決于光電流為零時的噪聲等效電荷與積分時間，即imir^qQn。ise/Tmt。由 此看來，動態(tài)范圍可等效為最大電荷存儲容量與光電流為零時的噪聲等效電荷的比值， 即DR:QnWQ她e。所以，提高最大電荷存儲容量和減小噪聲都能提高讀出電路的動態(tài)范 圍。增大積分電容能提高最大電荷存儲能力，但一方面單元尺寸的限制使積分電容不能 無限制增加；另一方面，在小的光電流情況下，讀出電路的噪聲等效電荷會隨著積分電 容的增加而增多。在小的光電流情況下，積分電容越小讀出電路的噪聲等效電荷越少， 但小的積分電容嚴(yán)重限制了最大電荷存儲容量。
常規(guī)的讀出電路單元結(jié)構(gòu)中的積分電容一般是固定不變的，這樣就不能同時滿足大
的荷存儲容量和小的噪聲等效電荷的要求。在現(xiàn)有技術(shù)中，中國專利CN101009762提出 了積分電容可選的方法，它能根據(jù)背景條件的不同選擇不同的積分電容來擴(kuò)大讀出電路 的應(yīng)用范圍，但這種方法不能在一次積分過程中采用兩種不同的積分電容，所以它并不 能在一幀的讀出過程中同時滿足大電荷存儲容量和小的噪聲等效電荷的要求。
在可視光成像中，入射光取決于視場中物體的反射光；在紅外成像中，入射光取決 于視場中物體的溫度。所以，紅外成像的動態(tài)范圍不是指視場內(nèi)的光強(qiáng)范圍，而是指視 場內(nèi)的溫度范圍。為了更好的分辨出溫度的變化，好的線性也是高性能讀出電路追求的 性能指標(biāo)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有紅外讀出電路中單元電路存在的動態(tài)范圍不足的問 題，提供一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，它是一種適合于大規(guī)模探測器陣列、具有積分電容自動選擇控制功能、動態(tài)范圍大且能保持線性的ROIC單元結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)-一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，包括單元電路、列讀出級和輸出緩沖級、時序產(chǎn) 生電路、行選擇電路、列選擇電路，其特征是單元電路設(shè)有積分控制單元、復(fù)位控制 單元、積分電容自選單元、自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元以及傳輸單元，其中，積分 控制單元含有P型MOS管Ml ，構(gòu)成注入管；復(fù)位控制單元含有P型MOS管M2，構(gòu)成 復(fù)位開關(guān)；積分電容自選單元含有兩個積分電容C1、 C2和作為選擇開關(guān)管的N型MOS 管M3;自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元含有一個動態(tài)比較器和一個兩輸入與非門；傳輸 單元含有兩個N型MOS管M4和M6，以及一個P型MOS管M5，它們均作為開關(guān)管， M5和M6構(gòu)成一個傳輸門；其中
積分控制單元通過改變注入管Ml的柵極電壓來控制積分的開始和結(jié)束； 復(fù)位控制單元通過復(fù)位開關(guān)管M2的導(dǎo)通將積分電容Cl和C2上的電壓復(fù)位到地電
平；
積分電容自選單元通過開關(guān)管M3的導(dǎo)通、關(guān)斷來選擇單元電路的積分電容的大小， 當(dāng)開關(guān)管M3導(dǎo)通時，單元電路的積分電容由積分電容C1和積分電容C2并聯(lián)構(gòu)成；當(dāng) 開關(guān)管M3關(guān)斷時，單元電路的積分電容只由積分電容C1構(gòu)成；
積分電容自選控制信號產(chǎn)生單元將積分電壓與參考電壓Vcom相比較產(chǎn)生控制開關(guān)管
M3的信號來最終選擇的積分電容大小，與此同時，與非門的輸出信號作為標(biāo)志信號，供
單元結(jié)構(gòu)以外的電路利用來保持輸出積分電壓信號與光電流的線性關(guān)系；
傳輸單元用于進(jìn)行行選擇的控制，當(dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開關(guān)管都
導(dǎo)通時，存儲在積分電容上的積分電壓信號通過開關(guān)管M4被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼?路中，標(biāo)志信號通過開關(guān)管M5和開關(guān)管M6組成的傳輸門被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼?路中；當(dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開關(guān)管都關(guān)斷時，積分電壓信號和標(biāo)志
信號都保持在單元電路中。
單元電路中的連接關(guān)系是Ml的源極與紅外探測器的輸出端相連接；Ml、 M2、 M3、 M4的漏極(M4也可是源極)與積分電容C1的一端以及動態(tài)比較器的負(fù)輸入端相 互連接；動態(tài)比較器的正輸入端接參考電平Vcom; M2源極與積分電容C1的另一端以 及積分電容C2的一端接地連接；積分電容C2的另一端連接在M3的漏極上；動態(tài)比較 器的輸出端與兩輸入與非門的一個輸入端連接；M3的柵極與兩輸入與非門的輸出端以 及M5 、 M6的漏極(或源極)相互連接；M4的源極與后續(xù)列讀出級中用于接收單元 積分信號的電路的輸入端連接；M5、 M6的源極(或漏極)以及后續(xù)列讀出級中用于 接收標(biāo)志信號的電路的輸入端連接；Ml的柵極接積分控制信號Vint; M2的柵極接復(fù) 位控制信號Vrst;動態(tài)比較器的控制端接控制信號Vlatch;兩輸入與非門的另一個輸入 端接控制信號Vsd; M4和M6的柵極都接時鐘信號Vrsl; M5的柵極接時鐘信號Vrs2; 時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2是一對反時鐘信號。 上述單元電路結(jié)構(gòu)中
積分控制單元通過改變注入管Ml的柵極電壓來控制積分的開始和結(jié)束。注入管M1 的柵極電位在一個高電位和一個較低電位之間轉(zhuǎn)變，當(dāng)注入管Ml的柵極電位從高電位變化到較低電位時代表讀出電路積分的開始；當(dāng)注入管Ml的柵極電位從較低電位變化 到高電位時代表讀出電路積分的結(jié)束。當(dāng)注入管M1的柵極電位為高電位時，注入管M1 處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)注入管Ml的柵極電位為較低電位時，注入管Ml工作于亞閾值區(qū)， 能夠穩(wěn)定探測器偏置電壓。
復(fù)位控制單元的作用是將積分電容復(fù)位，當(dāng)復(fù)位開關(guān)管M2導(dǎo)通時，積分電容C1和 C2上的電壓被復(fù)位到地電平。
積分電容自選單元通過開關(guān)管M3導(dǎo)通或關(guān)斷來選擇單元電路的積分電容的大小。 當(dāng)開關(guān)管M3導(dǎo)通時，單元電路的積分電容由積分電容C1和積分電容C2并聯(lián)構(gòu)成；當(dāng) 開關(guān)管M3關(guān)斷時，單元電路的積分電容只由積分電容C1構(gòu)成。積分電容C1和積分電 容C2的大小被設(shè)定為h N， N為正數(shù)。
積分電容自選控制信號產(chǎn)生單元通過在整個積分時間的1/ (N+l)處將積分電壓與 參考電壓Vcom相比較產(chǎn)生控制開關(guān)管M3的信號來最終選擇的積分電容大小。與此同 時，與非門的輸出信號作為標(biāo)志信號，供單元結(jié)構(gòu)以外的電路利用來保持輸出積分電壓 信號與光電流的線性關(guān)系。
傳輸單元的作用是進(jìn)行行選擇的控制，當(dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開
關(guān)管都導(dǎo)通時，存儲在積分電容上的積分電壓信號通過開關(guān)管M4被傳輸?shù)胶笠患壭盘?處理電路中，標(biāo)志信號通過開關(guān)管M5和開關(guān)管M6組成的傳輸門被傳輸?shù)胶笠患壭盘?處理電路中；當(dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開關(guān)管都關(guān)斷時，積分電壓信號 和標(biāo)志信號都保持在單元電路中。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果
(1) 本發(fā)明單元電路結(jié)構(gòu)通過在積分過程中對積分電容進(jìn)行自動選擇，在小的光電
流情況下采用小的積分電容，在大的光電流情況下采用大的積分電容。 一方面減小了光 電流為零的情況下的噪聲等效電荷，另一方面增加了讀出電路的最大電荷存儲容量，從
而總體上提高了動態(tài)范圍。
(2) 本發(fā)明單元電路結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的標(biāo)志信號可作為給單元結(jié)構(gòu)外電路的一個判定信
號，用來消除自動選擇積分電容方式所帶來的非線性影響，在提高動態(tài)范圍的同時改善 了讀出電路在整個輸出擺幅范圍內(nèi)的非線性。
(3) 本發(fā)明單元電路結(jié)構(gòu)通過在小的光電流下利用小積分電容進(jìn)行積分，降低了讀 出電路噪聲，進(jìn)而提高了小的光電流下的信噪比。


圖l為本發(fā)明的單元電路原理圖2為本發(fā)明單元電路結(jié)構(gòu)工作過程的控制信號和時鐘信號。
具體實(shí)施例方式
參看圖l，本發(fā)明的單元電路結(jié)構(gòu)包括五個部分組成，分別是積分控制單元l、復(fù)位 控制單元2、積分電容自選單元3、自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元4以及傳輸單元5。 其中，積分控制單元l含有P型MOS管Ml，構(gòu)成注入管；復(fù)位控制單元2含有P型 MOS管M2，構(gòu)成復(fù)位開關(guān)；積分電容自選單元3含有積分電容C1、積分電容C2和作 為選擇開關(guān)管的N型MOS管M3;自選積分電容控制信號4產(chǎn)生單元含有一個動態(tài)比較器和一個兩輸入與非門；傳輸單元5含有兩個N型MOS管M4和M6，以及一個P型 MOS管M5，它們均作為開關(guān)管，M5和M6構(gòu)成一個傳輸門。
電路連接關(guān)系如下P型M0S管M1的源極與紅外探測器的輸出端相連于第一節(jié)點(diǎn) Al; P型MOS管Ml的漏極，M2、 M3兩個N型MOS管的漏極，N型MOS管M4的 漏極(或源極)，積分電容C1的一端以及動態(tài)比較器的負(fù)輸入端相互連接于第二節(jié)點(diǎn)A2; 動態(tài)比較器的正輸入端接參考電平Vcom; N型MOS管的源極、積分電容C1的另一端 以及積分電容C2的一端相互連接于第三節(jié)點(diǎn)A3，第三節(jié)點(diǎn)A3與地相連；N型MOS管 的漏極與積分電容C2的另一端相連于第四節(jié)點(diǎn)A4;動態(tài)比較器的輸出端與兩輸入與非 門的一個輸入端相連于第五節(jié)點(diǎn)A5; N型MOS管M3的柵極、兩輸入與非門的輸出端、 P型MOS管M5的漏極(或源極)以及N型MOS管M6的漏極(或源極)相互連接于 第六節(jié)點(diǎn)A6; N型MOS管M4的源極(或漏極)與后續(xù)列讀出級中用于接收單元積分 信號的電路的輸入端相互連接于第七節(jié)點(diǎn)A7; P型MOS管M5的源極(或漏極)、N型 MOS管M6的源極(或漏極)以及后續(xù)列讀出級中用于接收標(biāo)志信號的電路的輸入端相 互連接于第八節(jié)點(diǎn)A8; P型MOS管Ml的柵極接積分控制信號Vint; N型MOS管M2 的柵極接復(fù)位控制信號Vrst;動態(tài)比較器的控制端接控制信號Vlatch;兩輸入與非門的 另一個輸入端接控制信號Vsel; M4和M6兩個N型MOS管的柵極都接時鐘信號Vrsl; P型MOS管M5的柵極接時鐘信號Vrs2;時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2是一對反時鐘 信號。
圖1中的所有控制信號和時鐘信號如圖2所示。本發(fā)明的讀出電路單元結(jié)構(gòu)的工作過 程如下
(1) 復(fù)位幵關(guān)管M2在時鐘信號Vrst的作用下導(dǎo)通，比較器在Vlatch的作用下輸出為 高，開關(guān)管M3在Vsel控制信號的作用下導(dǎo)通，積分電容C1和積分電容C2同時復(fù)位。
(2) 在充足的復(fù)位時間后，比較器輸出仍為高，開關(guān)管M3在Vsel控制信號的作用下 斷開，積分電容C2不再進(jìn)行復(fù)位而是保持開關(guān)管M3斷開時刻的復(fù)位電平，積分電容C1 則繼續(xù)復(fù)位一段時間。優(yōu)點(diǎn)是小電容能降低復(fù)位噪聲所帶來的等效噪聲電荷。
(3) 復(fù)位開關(guān)管M2在時鐘信號Vrst的作用下斷開，注入管Ml在控制信號Vint的作用 下由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變到亞閾值狀態(tài)，開始對探測器產(chǎn)生的光電流信號進(jìn)行積分。
(4) 在總積分時間的1/ (N+l)處，比較器在Vlatch的作用下對積分電壓和參考電平 Vcom進(jìn)行一次比較，如果積分電壓小于參考電平Vcom，比較器輸出為高，與非門輸出 端為低，開關(guān)管M3仍斷開，最終的積分電容大小為積分電容C1的值。如果積分電壓大于 參考電平Vcom，比較器輸出為低，使得與非門輸出為高，開關(guān)管M3導(dǎo)通，最終的積分 電容大小為積分電容C2和積分電容C1的值之和。在此之前的積分電荷重新分配在積分電 容C 1和積分電容C2上，之后的光電流同時在積分電容C1和積分電容C2上進(jìn)行積分。
(5) 注入管Ml在控制信號Vint的作用下由亞閾值狀態(tài)轉(zhuǎn)變到截止?fàn)顟B(tài)，積分過程結(jié) 束等待。
(6) 在時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2的作用下，開關(guān)管M4，開關(guān)管M5和開關(guān)管M6 導(dǎo)通，存儲在積分電容上的積分電壓信號通過開關(guān)管M4被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼娐?中，與非門輸出端的標(biāo)志信號通過開關(guān)管M5和開關(guān)管M6組成的傳輸門被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼娐分小?br> (7)在時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2的作用下，開關(guān)管M4，開關(guān)管M5和開關(guān)管M6 斷開，此單元電路信號傳輸完畢。
復(fù)位開關(guān)管M2在時鐘信號Vrst的作用下再一次導(dǎo)通，重復(fù)(1) (7)的過程，這樣
完成電路周而復(fù)始的工作。
當(dāng)單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大規(guī)模紅外探測器陣列時，由于在同一積分時間內(nèi)各個單元所選
擇的積分電容會不同，當(dāng)兩個單元選擇不同的積分電容，但產(chǎn)生相同的積分電壓時，兩 個積分電壓所代表的光電流大小實(shí)際上是不同的，這樣就會造成積分電壓信號與光電流 大小不是線性關(guān)系。作為標(biāo)志信號的與非門輸出端信號可以用來在單元結(jié)構(gòu)外的電路中 將積分電壓信號還原成與光電流呈線性關(guān)系的有效信號。其具體方法如下當(dāng)標(biāo)志信號 為低時，代表所用的積分電容為積分電容C1，所對應(yīng)的積分電壓信號保持不變；當(dāng)標(biāo)志 信號為高時，代表所用的積分電容為積分電容C1和積分電容C2，所對應(yīng)的積分電壓信號 在后續(xù)處理中放大(N+l)倍。這樣就能保持積分電壓信號與光電流的線性關(guān)系。
權(quán)利要求
1、一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，包括單元電路、列讀出級和輸出緩沖級、時序產(chǎn)生電路、行選擇電路、列選擇電路，其特征是單元電路設(shè)有積分控制單元、復(fù)位控制單元、積分電容自選單元、自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元以及傳輸單元，其中，積分控制單元含有P型MOS管M1，構(gòu)成注入管；復(fù)位控制單元含有P型MOS管M2，構(gòu)成復(fù)位開關(guān)；積分電容自選單元含有兩個積分電容C1、C2和作為選擇開關(guān)管的N型MOS管M3；自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元含有一個動態(tài)比較器和一個兩輸入與非門；傳輸單元含有兩個N型MOS管M4和M6，以及一個P型MOS管M5，它們均作為開關(guān)管，M5和M6構(gòu)成一個傳輸門；其中積分控制單元通過改變注入管M1的柵極電壓來控制積分的開始和結(jié)束；復(fù)位控制單元通過復(fù)位開關(guān)管M2的導(dǎo)通將積分電容C1和C2上的電壓復(fù)位到地電平；積分電容自選單元通過開關(guān)管M3的導(dǎo)通、關(guān)斷來選擇單元電路的積分電容的大小，當(dāng)開關(guān)管M3導(dǎo)通時，單元電路的積分電容由積分電容C1和積分電容C2并聯(lián)構(gòu)成；當(dāng)開關(guān)管M3關(guān)斷時，單元電路的積分電容只由積分電容C1構(gòu)成；積分電容自選控制信號產(chǎn)生單元將積分電壓與參考電壓Vcom相比較產(chǎn)生控制開關(guān)管M3的信號來最終選擇的積分電容大小，與此同時，與非門的輸出信號作為標(biāo)志信號，供單元結(jié)構(gòu)以外的電路利用來保持輸出積分電壓信號與光電流的線性關(guān)系；傳輸單元用于進(jìn)行行選擇的控制，當(dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開關(guān)管都導(dǎo)通時，存儲在積分電容上的積分電壓信號通過開關(guān)管M4被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼娐分?，?biāo)志信號通過開關(guān)管M5和開關(guān)管M6組成的傳輸門被傳輸?shù)胶笠患壭盘柼幚黼娐分?；?dāng)一對反時鐘信號控制傳輸單元中的三個開關(guān)管都關(guān)斷時，積分電壓信號和標(biāo)志信號都保持在單元電路中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，其特征是單元電路中的連 接關(guān)系如下Ml的源極與紅外探測器的輸出端相連接；Ml、 M2、 M3、 M4的漏極與積 分電容C1的一端以及動態(tài)比較器的負(fù)輸入端相互連接；動態(tài)比較器的正輸入端接參考電 平Vcom; M2源極與積分電容C1的另一端以及積分電容C2的一端接地連接；積分電容 C2的另一端連接在M3的漏極上；動態(tài)比較器的輸出端與兩輸入與非門的一個輸入端連 接；M3的柵極與兩輸入與非門的輸出端以及M5 、 M6的漏極相互連接；M4的源極 與后續(xù)列讀出級中用于接收單元積分信號的電路的輸入端連接；M5、 M6的源極以及 后續(xù)列讀出級中用于接收標(biāo)志信號的電路的輸入端連接；Ml的柵極接積分控制信號 Vint; M2的柵極接復(fù)位控制信號Vrst;動態(tài)比較器的控制端接控制信號Vlatch;兩輸入 與非門的另一個輸入端接控制信號Vsel; M4和M6的柵極都接時鐘信號Vrsl; M5的 柵極接時鐘信號Vrs2;時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2是一對反時鐘信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，其特征是單元電路中的連 接關(guān)系還可是Ml的源極與紅外探測器的輸出端相連接；Ml、 M2、 M3的漏極、M4 的源極與積分電容C1的一端以及動態(tài)比較器的負(fù)輸入端相互連接；動態(tài)比較器的正輸入 端接參考電平Vcom ; M2源極與積分電容C1的另一端以及積分電容C2的一端接地連接；積分電容C2的另一端連接在M3的漏極上；動態(tài)比較器的輸出端與兩輸入與非門的 一個輸入端連接；M3的柵極與兩輸入與非門的輸出端以及M5 、 M6的源極相互連接； M4的漏極與后續(xù)列讀出級中用于接收單元積分信號的電路的輸入端連接；M5 、M6的 漏極以及后續(xù)列讀出級中用于接收標(biāo)志信號的電路的輸入端連接；Ml的柵極接積分控 制信號Vint; M2的柵極接復(fù)位控制信號Vrst;動態(tài)比較器的控制端接控制信號Vlatch; 兩輸入與非門的另一個輸入端接控制信號Vsel; M4和M6的柵極都接時鐘信號Vrsl; M5的柵極接時鐘信號Vrs2;時鐘信號Vrsl和時鐘信號Vrs2是一對反時鐘信號。
全文摘要
一種線性高動態(tài)范圍紅外讀出電路，設(shè)有包括單元電路、列讀出級和輸出緩沖級、時序產(chǎn)生電路、行選擇電路、列選擇電路，其特征是單元電路包括用于控制單元電路積分時間的積分控制單元、用于控制單元電路中積分電容復(fù)位的復(fù)位控制單元、用于選擇單元電路積分電容大小的積分電容自選單元、自選積分電容控制信號產(chǎn)生單元及傳輸單元。本發(fā)明可在積分過程中對積分電容進(jìn)行自動選擇，在小的光電流情況下采用小的積分電容，在大的光電流情況下采用大的積分電容。一方面減小光電流為零情況下的噪聲等效電荷，另一方面增加了讀出電路的最大電荷存儲容量，從而總體上提高了動態(tài)范圍。
文檔編號G01J5/10GK101514922SQ20091003032
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者夏曉娟, 孫偉鋒, 時龍興, 亮 謝, 陸生禮 申請人:東南大學(xué)