基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本專(zhuān)利公開(kāi)一種基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路。紫外焦平面讀出電路包括：前端電荷積分模塊，用于對(duì)紫外探測(cè)器的微弱光生電流進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換；像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)在像素內(nèi)量化模擬電壓，并鎖存量化結(jié)果；行/列選擇控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)焦平面上每一個(gè)單元的選擇；感應(yīng)放大器感應(yīng)像素內(nèi)量化結(jié)果，進(jìn)行放大并送到輸出總線；輸出級(jí)緩沖器用于增大電路的輸出驅(qū)動(dòng)能力，把輸出信號(hào)依次串行輸出。本專(zhuān)利的讀出電路，將紫外探測(cè)器信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)減小模擬信號(hào)傳輸路徑來(lái)降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效提高了紫外焦平面芯片的信噪比，可以應(yīng)用于微弱紫外信號(hào)的檢測(cè)與成像。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專(zhuān)利涉及紫外焦平面讀出電路信號(hào)處理技術(shù)，特別是一種基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的紫外焦平面讀出電路。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)技術(shù)由于其特有的“日盲”和“可見(jiàn)盲”特性，在民事和軍事方面具有廣泛的應(yīng)用前景。紫外焦平面陣列是紫外探測(cè)技術(shù)的核心部分，主要由紫外探測(cè)器陣列和讀出電路組成。讀出電路對(duì)紫外探測(cè)器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行積分、放大后，通過(guò)多路選擇器輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號(hào)數(shù)字化轉(zhuǎn)換。讀出電路的性能將直接影響紫外焦平面的質(zhì)量。隨著紫外焦平面成像質(zhì)量要求的不斷提高，陣列規(guī)模不斷增加、單元尺寸的不斷減小、系統(tǒng)集成度不斷提高，對(duì)讀出電路的性能和面積也有了更高的要求。
[0003]常用的焦平面陣列讀出方法為:驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制焦平面陣列進(jìn)行復(fù)位和光電流在電容上的積分，行/列選擇控制電路和多路選擇器將模擬電壓信號(hào)串行輸出給后端噪聲抑制電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種方法的讀出電路僅實(shí)現(xiàn)了光電流到電壓的轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)電壓需要在焦平面外部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)傳輸路徑長(zhǎng)，不可避免的受到外部噪聲的影響，降低信號(hào)信噪比；其次，隨著焦平面陣列規(guī)模的不斷增大，探測(cè)器單元數(shù)量不斷增多，在保證幀頻的情況下，對(duì)后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度要求越來(lái)越高，功耗和面積越來(lái)越大，難以實(shí)現(xiàn)。
[0004]將模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成到一列或者數(shù)列中，即探測(cè)器陣列中每列或者是數(shù)列像素單元共享一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行工作，同時(shí)對(duì)一行像素單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、功耗和面積要求降低。這種讀出方法的問(wèn)題有:模擬信號(hào)的傳輸路徑較長(zhǎng)，噪聲影響較大；高幀頻大面陣的成像對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要求依然很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專(zhuān)利的目的是提供一種將紫外探測(cè)器陣列輸出的光電信號(hào)讀出、積分轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，在像素單元內(nèi)采用數(shù)字編碼技術(shù)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出的紫外焦平面讀出電路。
[0006]本專(zhuān)利的技術(shù)方案如下:
[0007]基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路，包括:集成在M行XN列像素陣列中的M行XN列像素單元電路、行選擇控制電路、列選擇控制電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊、感應(yīng)放大器和輸出級(jí)緩沖器。
[0008]所述的M行XN列像素單元電路模塊中，每個(gè)單元電路由前端電荷積分模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。同一列像素單元數(shù)字信號(hào)輸出由行選擇控制電路模塊控制，連接在同一條列總線上，并與列共享感應(yīng)放大器相連，感應(yīng)放大器的輸出經(jīng)過(guò)控制晶體管連接到輸出總線，然后通過(guò)輸出級(jí)緩沖器連接輸出端口，列選擇控制電路模塊的輸出與控制晶體管相連，控制各列感應(yīng)放大器的輸出。
[0009]所述的前端電荷積分模塊包括復(fù)位晶體管、積分電容、運(yùn)算放大器Al、傳輸門(mén)和采樣電容，復(fù)位晶體管與積分電容并聯(lián)，并跨接在運(yùn)放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽(yáng)極與運(yùn)放Al的輸入端相連，陰極與運(yùn)放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過(guò)傳輸門(mén)與運(yùn)放Al的輸出相連，同時(shí)也與比較器A2的“ + ”輸入端相連。
[0010]所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括比較器A2和鎖存器，比較器A2的“ + ”輸入端與前端電荷積分模塊中的采樣電容正極相連，輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊中的比較信號(hào)端相連，輸出端與鎖存器觸發(fā)端相連，鎖存器輸出控制端連接行選擇控制電路中的行選通信號(hào)端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫(xiě)信號(hào)端連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的寫(xiě)輸入輸出端。
[0011]所述的鎖存器由輸入控制電路、輸出控制電路和鎖存電路構(gòu)成，其中輸入控制電路由4個(gè)晶體管串聯(lián)堆疊而成，4個(gè)晶體管的柵極相連，作為鎖存器輸入控制端，串聯(lián)堆疊晶體管的漏級(jí)作為鎖存器寫(xiě)信號(hào)端；鎖存電路由I個(gè)電容和I個(gè)晶體管構(gòu)成，電容的正極與晶體管柵極連接，并與堆疊晶體管的源極相連，電容的負(fù)極與晶體管源極連接，并與地相連；輸出控制電路由I個(gè)晶體管構(gòu)成，晶體管的柵極作為鎖存器輸出控制端，晶體管的源極與鎖存電路中晶體管的漏級(jí)相連，晶體管的漏級(jí)作為鎖存器輸出端。
[0012]所述的基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路的讀出方法，以一幀作為重復(fù)的工作周期，一幀包括:單元陣列中各個(gè)像素單元并行積分和模數(shù)轉(zhuǎn)換、各個(gè)像素單元信號(hào)的串行輸出，具體包括以下步驟:
[0013]I)對(duì)單元陣 列中各個(gè)像素單元同時(shí)進(jìn)行復(fù)位和積分；
[0014]2)積分結(jié)束后，同時(shí)采樣各像素單元的模擬信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字化；
[0015]3)行選擇控制電路依次選通第一行至最后一行，在某一行行選通信號(hào)有效期間，該行對(duì)應(yīng)的各個(gè)像素單元內(nèi)的信號(hào)輸出到對(duì)應(yīng)的感應(yīng)放大器；
[0016]4)列選擇控制電路依次選通第一列至最后一列，感應(yīng)放大器的輸出信號(hào)串行送到輸出總線并通過(guò)輸出級(jí)緩沖器進(jìn)行輸出。
[0017]所述的以一幀做為重復(fù)的工作周期，即焦平面讀出電路完成紫外光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、積分、數(shù)字化和信號(hào)輸出的周期Tf包括:讀出電路的復(fù)位時(shí)間TMsrt，電荷信號(hào)的積分時(shí)間Tint，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間Tad。，M行行選通信號(hào)有效時(shí)間TratXM四部分，即Tf=Treset+Tint+Tadc+TrowXM ;行選通信號(hào)有效時(shí)間Trat需要滿足Tmw ^ TcolXN7Tcol為列選通信號(hào)有效時(shí)間。
[0018]本專(zhuān)利有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019]1、將模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成到像素單元內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，最大程度減少噪聲對(duì)模擬信號(hào)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比；
[0020]2、像素內(nèi)集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行工作，信號(hào)處理速度快，提高焦平面成像的幀頻，可以實(shí)現(xiàn)高速圖像攝取和實(shí)時(shí)成像；
[0021]3、當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換動(dòng)作完成，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行下一幀信號(hào)的復(fù)位和積分，從而實(shí)現(xiàn)單兀電路的復(fù)用，進(jìn)一步提聞幀頻；
[0022]4、系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要求降低，在相同電路設(shè)計(jì)條件下，可以獲得精度更高、功耗更小的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0023]5、可以根據(jù)光照強(qiáng)度和探測(cè)器響應(yīng)率靈活調(diào)節(jié)前端電荷積分模塊的積分時(shí)間和參考電壓，獲得較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍；
[0024]6、輸出數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，允許快速直接的后端信號(hào)處理?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本專(zhuān)利的整體框圖。
[0026]圖2是本專(zhuān)利的單元電路及體系結(jié)構(gòu)。
[0027]圖3是本專(zhuān)利的電荷積分模塊所采用的運(yùn)算放大器的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖4是本專(zhuān)利所采用的高增益比較器的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖5是本專(zhuān)利所采用的鎖存器的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖6是本專(zhuān)利的某一行的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本專(zhuān)利的基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路及其讀出方法做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]本專(zhuān)利的基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路，其整體框圖如圖1所示。采用DP4M標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì) ，像素單元大小為50微米X 50微米。
[0033]圖2是單元電路及體系結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)單元電路由前端電荷積分模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。前端電荷積分模塊包括復(fù)位晶體管、積分電容、運(yùn)算放大器Al、傳輸門(mén)和采樣電容，復(fù)位晶體管與積分電容并聯(lián)，并跨接在運(yùn)放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽(yáng)極與運(yùn)放Al的輸入端相連，陰極與運(yùn)放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過(guò)傳輸門(mén)與運(yùn)放Al的輸出相連，同時(shí)也與比較器A2的“ + ”輸入端相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括比較器A2和鎖存器，比較器A2的“ + ”輸入端與前端電荷積分模塊中的采樣電容正極相連，輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊中的比較信號(hào)端相連，輸出端與鎖存器觸發(fā)端相連，鎖存器輸出控制端連接行選擇控制電路中的行選通信號(hào)端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫(xiě)信號(hào)端連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的寫(xiě)輸入輸出端。同一列像素單元數(shù)字信號(hào)輸出連接在同一條列總線上，并與列共享感應(yīng)放大器相連。感應(yīng)放大器的輸出經(jīng)控制晶體管連接到輸出總線，然后通過(guò)輸出級(jí)緩沖器進(jìn)行連接輸出端口。列選擇控制電路的輸出與控制晶體管相連，控制各列感應(yīng)放大器的輸出。
[0034]前端電荷積分模塊的模擬輸出電壓Vjt)與光電流Id、積分電容Cint、積分時(shí)間t和參考電壓VMf的關(guān)系為:= Kef -^7-。根據(jù)光照強(qiáng)度和探測(cè)器響應(yīng)率靈活調(diào)節(jié)積分



Iint
時(shí)間和參考電壓，可以獲得需要的輸出動(dòng)態(tài)范圍。積分結(jié)束后，采樣vjt)并保持至模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。圖3是運(yùn)算放大器Al的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖,增大輸入MOS管Ml，M2可以有效減小運(yùn)放的Ι/f噪聲，增大密勒電容Ce、減小器件電容可以減小運(yùn)放的熱噪聲，在面積有限的情況下，需要折衷考慮。
[0035]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由比較器A2和鎖存器組成。圖5是鎖存器的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖，M20由4個(gè)晶體管堆疊而成，晶體管的柵極相連，并與比較器A2的輸出連接；晶體管M21的柵極與晶體管M20的漏極連接，晶體管M21的漏極與地相連，源級(jí)與晶體管M22的漏極相連；晶體管M22的柵極接行選通輸入信號(hào)，源級(jí)與列總線相連；電容Ct的正極與晶體管M21的柵極相連，負(fù)極與地相連。鎖存器的動(dòng)作特點(diǎn)是:M20的柵極受比較器輸出端控制，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，M21的柵極等于寫(xiě)信號(hào)；當(dāng)比較器輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，M21的柵極鎖存此時(shí)的寫(xiě)信號(hào)。讀出階段，讀控制信號(hào)有效，若M21的柵極為高電平，則M21晶體管導(dǎo)通，輸出低電平；SM21的柵極為低電平，則M21晶體管關(guān)閉，輸出高電平。圖4是比較器A2的晶體管級(jí)結(jié)構(gòu)圖，采用二級(jí)開(kāi)環(huán)模式，前兩級(jí)作為增益放大級(jí)，第三級(jí)用于提高動(dòng)態(tài)范圍。比較器的增益和輸出延遲時(shí)間分別決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)和轉(zhuǎn)換速率。在本專(zhuān)利中，由于采用了并行模式，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要求低，可以在有效面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0036]所述基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路，其工作時(shí)序如下:
[0037]在一幀周期內(nèi)，先對(duì)單元陣列中各個(gè)像素單元同時(shí)進(jìn)行復(fù)位和積分；積分結(jié)束后，同時(shí)采樣各像素單元的模擬信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字化；信號(hào)數(shù)字化完成后，依次選通各行各列，串行輸出數(shù)字信號(hào)。
[0038]在信號(hào)數(shù)字化完成后，所述各行各列像素單元內(nèi)的信號(hào)按照以下順序轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)緩沖器輸出:行選擇控制電路依次選通第一行至最后一行，在某一行行選通信號(hào)有效期間，該行對(duì)應(yīng)的各個(gè)像素單元內(nèi)的信號(hào)輸出到對(duì)應(yīng)的感應(yīng)放大器，列選擇控制電路依次選通第一列至最后一列，感應(yīng)放大器的輸出信號(hào)串行送到輸出總線并通過(guò)輸出級(jí)緩沖器進(jìn)行輸出。
[0039]圖6是某一行的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)序圖。比較信號(hào)是不斷上升的階梯信號(hào)，階梯的高低電勢(shì)差對(duì)應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，每一級(jí)臺(tái)階的高度對(duì)應(yīng)一個(gè)最低有效位(LSB),臺(tái)階之間的O電位用于每次比較前復(fù)位鎖存器。寫(xiě)信號(hào)在臺(tái)階的后1/4時(shí)段處于高電平，其它均保持低電平狀態(tài)。讀控制信號(hào)在寫(xiě)信號(hào)處于高電平一段時(shí)間后有效。對(duì)于模擬輸入電壓VI，前兩個(gè)臺(tái)階的比較器輸出均為高電平，讀控制信號(hào)有效時(shí)，輸出信號(hào)等于寫(xiě)信號(hào)，即高電平；從第三個(gè)臺(tái)階開(kāi)始，比較器輸出為低電平，鎖存器鎖存信號(hào)跳變時(shí)寫(xiě)信號(hào)的低電平，然后輸出；vi共輸出2個(gè)高電平脈沖。模擬輸入電壓V2用相同方法分析,共輸出4個(gè)高電平脈沖。通過(guò)對(duì)電路輸出的高電平脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
【權(quán)利要求】
1.一種基于像素級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的紫外焦平面讀出電路，包括:集成在M行XN列像素陣列中的M行XN列像素單元電路模塊、行選擇控制電路模塊、列選擇控制電路模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊、感應(yīng)放大器和輸出級(jí)緩沖器模塊，其特征在于: 所述的M行XN列像素單元電路模塊中，每個(gè)單元電路由前端電荷積分模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；同一列像素單兀數(shù)字信號(hào)輸出由行選擇控制電路模塊控制，連接在同一條列總線上，并與列共享感應(yīng)放大器相連，感應(yīng)放大器的輸出經(jīng)過(guò)控制晶體管連接到輸出總線，然后通過(guò)輸出級(jí)緩沖器連接輸出端口，列選擇控制電路模塊的輸出與控制晶體管相連，控制各列感應(yīng)放大器的輸出； 所述的前端電荷積分模塊包括復(fù)位晶體管、積分電容、運(yùn)算放大器Al、傳輸門(mén)和采樣電容，復(fù)位晶體管與積分電容并聯(lián)，并跨接在運(yùn)放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽(yáng)極與運(yùn)放Al的輸入端相連，陰極與運(yùn)放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過(guò)傳輸門(mén)與運(yùn)放Al的輸出相連，同時(shí)也與比較器A2的“ + ”輸入端相連； 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括比較器A2和鎖存器，比較器A2的“ + ”輸入端與前端電荷積分模塊中的采樣電容正極相連，輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊中的比較信號(hào)端相連，輸出端與鎖存器輸入控制端相連，鎖存器輸出控制端連接行選擇控制電路中的行選通信號(hào)端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫(xiě)信號(hào)端連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊的寫(xiě)輸入輸出端； 所述的鎖存器由輸入控制電路、輸出控制電路和鎖存電路構(gòu)成，其中輸入控制電路由4個(gè)晶體管串聯(lián)堆疊而成，4個(gè)晶體管的柵極相連，作為鎖存器輸入控制端，串聯(lián)堆疊晶體管的漏級(jí)作為鎖存器寫(xiě)信號(hào)端；鎖存電路由I個(gè)電容和I個(gè)晶體管構(gòu)成，電容的正極與晶體管柵極連接，并與堆疊晶體管的源極相連，電容的負(fù)極與晶體管源極連接，并與地相連；輸出控制電路由I個(gè)晶體管構(gòu)成，晶體管的柵極作為鎖存器輸出控制端，晶體管的源極與鎖存電路中晶體管的漏級(jí)相連，晶體管的漏級(jí)作為鎖存器輸出端。
【文檔編號(hào)】H04N5/374GK203775318SQ201420028329
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】徐斌, 袁永剛, 李向陽(yáng), 馬丁, 葉柏松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所