一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路制造技术

本发明专利技术公开了一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路，包括M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路、行列逻辑控制信号产生模块和输出缓冲电路：M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换，并输入至CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路对CTIA型积分电路的输出端电压进行采样保持，产生信号电压，信号电压通过输出缓冲电路串行输出。单电容相关双采样电路包括采样电容、电压跟随器电路，且电压跟随器电路的输入端与输出端分别设置一个NMOS管形成采样电容复位开关，因此只用一个采样电容就可以实现两次采样的减法过程，减少了红外读出电路所占用的版图面积从而降低了电路功耗，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路
本专利技术涉及光电子技术及微电子
，特别是一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路。
技术介绍
红外成像技术在军事、空间技术、医学及国民经济相关领域得到日益广泛的应用。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。该组件由红外探测器和红外读出电路(ROIC)组成。ROIC电路是把焦平面的各种功能集成在单一的半导体芯片中的高集成度电路，其基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大及多路传输，即将数据从许多探测器单元阵列端依次传输到输出端。ROIC的每个像素单元有特定的探测器、放大器和多路开关。现有的ROIC电路包括选择信号产生电路、列选择信号产生电路、像素读出电路、列读出级电路和输出缓冲级。像素单元电路是ROIC与探测器的接口电路，为探测器提供固定偏压，并将探测器采集的电流信号进行光电流积分。近年来，红外焦平面阵列规模不断扩大，如640×480，1024×1024等，大阵列的焦平面阵列需要与之规模匹配的读出电路，大规模的读出电路对ROIC的功耗提出了更高的要求，传统的低功耗解决方案是采用MOS管较少的运算放大器作为积分运算放大器，但是这种运算放大器的增益较低，导致积分误差较大，增大了焦平面的非均匀性误差，并且降低了读出电路的动态范围，因此对于焦平面阵列规模和读出电路规模都不断扩大的非制冷红外探测器，降低整个电路的功耗显得尤为重要。对于读出电路，在积分级之后，需要采样电路及保持电路来对积分电容里的电荷进行采样保持，而读出电路的噪声主要来自于器件的本征噪声和电路结构带来的一些噪声，这些噪声主要有KTC噪声1/f噪声以及FPN(固定噪声)，这些噪声中，1/f噪声可以通过MOS工艺的提升来抑制，在读出电路中,现在要关注的FPN噪声主要有像元失配造成的像元FPN噪声和由列读取电路引起的列FPN噪声。同时，在读出电路中还有许多开关噪声，这些噪声很大程度上会影响到读出电路阵列的效果，进而也会影响到红外焦平面阵列，特别是大型阵列的高分辨率，因而要提高读出电路的动态范围和信噪比，一定要抑制这些噪声。采样电路现在被广泛的用作采样保持电路的结构，它在噪声抑制方面也取得很好的效果。在噪声抑制方面主要是用了差分抵消的思想。传统的采样电路由两个采样电容完成，第一个电容用于采样置位时的偏置电压，第二个电容用于采样积分电压，两个电容上的电压经过差分，得到了有效信号电压，被送到后续的处理电路。在差分的过程中，两个电容中采样电压的噪声影响，将被差分相抵消，因而该电路结构可以达到降噪的效果。虽然上面传统的CDS结构可以达到读出电路采样、保持及消除噪声的作用，但是不难看出，该电路结构中有两个采样电容，这将极大的占用电路面积，也增大了功耗，对于面积要求比较高的读出电路结构来说，使用这种CDS结构版图面积过大的问题需要得到解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种功耗低、信噪比高的单电容相关双采样非制冷红外读出电路，减少了红外读出电路所占用的版图面积从而降低电路功耗。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路，，包括M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路、行列逻辑控制信号产生模块和输出缓冲电路：M×N像素探测单元阵列包括M行N列敏感单元，每列敏感单元分别连接1个CTIA型积分电路，M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换并输入CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路包括N个采样电容和N个电压跟随器电路，其中N个采样电容分别通过采样控制开关与对应各列CTIA型积分电路的输出端连接，用于采样保持CTIA型积分电路的输出端电压；N个电压跟随器电路的输入端与对应各列的采样电容连接，输出端通过列选控制开关接入输出缓冲电路，电压跟随器电路用于匹配该列采样电容和输出缓冲电路的阻抗；电压跟随器电路的输入端与输出端分别设置一个NMOS管形成采样电容复位开关；行列逻辑控制信号产生模块为M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路产生逻辑控制信号；输出缓冲电路用于每行信号的串行输出；M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换，并输入至CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路对CTIA型积分电路的输出端电压进行采样保持，产生信号电压，信号电压通过输出缓冲电路串行输出。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)只用了一个采样电容就可以实现两次采样的减法过程，与一般CDS电路相比省去了一个采样电容，节省了电路面积，降低了电路功耗；(2)通过电荷转移，消除了电路的FPN噪声；(3)积分运算放大器的所有MOS管均工作于亚阈值区，降低了整个电路的功耗。附图说明图1是本专利技术单电容相关双采样非制冷红外读出电路结构框图图2是本专利技术单电容相关双采样非制冷红外读出电路总体电路图。图3是本专利技术实施例中运算放大器的电路图。图4是本专利技术实施例中单电容相关双采样电路的结构图。图5是本专利技术实施例中输出缓冲电路结构图。图6是本专利技术实施例中行列逻辑控制信号工作时序图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。结合附图1，本专利技术单电容相关双采样非制冷红外读出电路，包括M×N像素探测单元阵列、电容反馈跨阻抗放大器（CTIA）型积分电路、单电容相关双采样电路、行列逻辑控制信号产生模块和输出缓冲电路：（1）M×N像素探测单元阵列和CTIA型积分电路M×N像素探测单元阵列包括M行N列相同的敏感单元，每列敏感单元分别连接1个CTIA型积分电路，M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换并输入CTIA型积分电路进行电流积分。结合图2，每个敏感单元均包括1个热敏电阻、1个第一偏置电压MOS管M-1和1个对应的行选控制开关VPOL，且每列敏感单元分别连接1个盲元电阻RB、1个第二偏置电压MOS管M-2和1个CTIA型积分电路，其中每个CTIA型积分电路包括运算放大器AMP、积分电容Cint和复位开关Sint：第一偏置电压MOS管M-1的源极连接热敏电阻的非地端电极、漏极连接对应行选控制开关VPOL、栅极电压由片外偏置电压VFID控制，第一偏置电压MOS管M-1用于产生流向热敏电阻的偏置电流；行选控制开关VPOL由两个NMOS管串联构成，行选控制开关VPOL一端连接第一偏置电压MOS管M-1的漏极，另一端通过积分控制开关SR连接该列运算放大器AMP的负反馈端，用于控制敏感单元进行按行积分；盲元电阻RB一端由片外偏置电压VED控制，另一端连接第二偏置电压MOS管M-2的源极，用于抑制电路的背景噪声，提高积分动态范围；第二偏置电压MOS管M-2的漏极连接该列运算放大器AMP的负反馈端即运算放大器的负反馈端即VIN端口，用于产生流向盲元电阻RB的偏置电流，第二偏置电压MOS管M-2的栅极由片外偏置电压VEB控制；CTIA型积分电路的复位开关Sint由两个互补的NMOS管构成，用于降低复位开关Sint的电荷馈通效应。运算放大器AMP的具体结构如图3，第十三MOS管M13、第十四MOS管M14组成折叠式共源共栅电流源，给整个电路提供稳定的偏置电流，第十四MOS管M14的源极接片外模拟地GND、漏极接MOS管M13的源极、栅极由片外偏置电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路，其特征在于，包括M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路、行列逻辑控制信号产生模块和输出缓冲电路：M×N像素探测单元阵列包括M行N列敏感单元，每列敏感单元分别连接1个CTIA型积分电路，M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换并输入CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路包括N个采样电容和N个电压跟随器电路，其中N个采样电容分别通过采样控制开关与对应各列CTIA型积分电路的输出端连接，用于采样保持CTIA型积分电路的输出端电压；N个电压跟随器电路的输入端与对应各列的采样电容连接，输出端通过列选控制开关接入输出缓冲电路，电压跟随器电路用于匹配该列采样电容和输出缓冲电路的阻抗；电压跟随器电路的输入端与输出端分别设置一个NMOS管形成采样电容复位开关；行列逻辑控制信号产生模块为M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路产生逻辑控制信号；输出缓冲电路用于每行信号的串行输出；M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换，并输入至CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路对CTIA型积分电路的输出端电压进行采样保持，产生信号电压，信号电压通过输出缓冲电路串行输出。...

【技术特征摘要】
1.一种单电容相关双采样非制冷红外读出电路，其特征在于，包括M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路、行列逻辑控制信号产生模块和输出缓冲电路：M×N像素探测单元阵列包括M行N列敏感单元，每列敏感单元分别连接1个CTIA型积分电路，M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换并输入CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路包括N个采样电容和N个电压跟随器电路，其中N个采样电容分别通过采样控制开关与对应各列CTIA型积分电路的输出端连接，用于采样保持CTIA型积分电路的输出端电压；N个电压跟随器电路的输入端与对应各列的采样电容连接，输出端通过列选控制开关接入输出缓冲电路，电压跟随器电路用于匹配采样电容和输出缓冲电路的阻抗；电压跟随器电路的输入端与输出端分别设置一个NMOS管形成采样电容复位开关；行列逻辑控制信号产生模块为M×N像素探测单元阵列、CTIA型积分电路、单电容相关双采样电路产生逻辑控制信号；输出缓冲电路用于每行信号的串行输出；M×N像素探测单元阵列对采集到的信号进行光电转换，并输入至CTIA型积分电路进行电流积分；单电容相关双采样电路对CTIA型积分电路的输出端电压进行采样保持，产生信号电压，信号电压通过输出缓冲电路串行输出。2.根据权利要求1所述的单电容相关双采样非制冷红外读出电路，其特征在于，所述的M×N像素探测单元阵列包括M行N列相同的敏感单元，每个敏感单元均包括1个热敏电阻、1个第一偏置电压MOS管(M-1)和1个对应的行选控制开关，且每列敏感单元分别连接1个盲元电阻、1个第二偏置电压MOS管(M-2)和1个CTIA型积分电路，其中每个CTIA型积分电路包括运算放大器、积分电容和复位开关：第一偏置电压MOS管(M-1)的源极连接热敏电阻的非地端电极、漏极连接对应行选控制开关、栅极电压由片外偏置电压控制，第一偏置电压MOS管(M-1)用于产生流向热敏电阻的偏置电流；行选控制开关由两个NMOS管串联构成，行选控制开关一端连接第一偏置电压MOS管(M-1)的漏极,另一端通过积分控制开关连接运算放大器的负反馈端，用于控制敏感单元进行按行积分；盲元电阻一端由片外偏置电压控制，另一端连接第二偏置电压MOS管(M-2)的源极，用于抑制电路的背景噪声，提高积分动态范围；第二偏置电压MOS管(M-2)的漏极连接运算放大器的负反馈端、栅极电压由片外偏置电压控制，第二偏置电压MOS管(M-2)用于产生流向盲元电阻的偏置电流；CTIA型积分电路的复位开关由两个互补的NMOS管构成，用于降低复位开关的电荷馈通效应。3.根据权利要求1所述的单电容相关双采样非制冷红外读出电路，其特征在于，所述的电压跟随器电路由两个PMOS管、三个NMOS管构成运放反馈端和输出端短接的电压跟随器，由三个NMOS管构成栅极电压偏置电路。4.根据权利要求1所述的单...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏岩，董涛，何勇，周同，杨朝初，王开鹰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32