基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器制造技术

本发明专利技术涉及量子图像传感器技术领域，为提出一种低失调的差分电荷传输放大器电路结构，将QIS微弱的光电子信号进行高增益精确放大，以提高比较器阈值电压的一致性，降低光子计数的误码率。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器,包括差分电荷传输放大器DCTA、差分对称输入模块和失调存储抵消模块，DCTA输入端增加差分对称输入模块，在DCTA输出端增加失调存储抵消模块。本发明专利技术主要应用于量子图像传感器设计制造场合。计制造场合。计制造场合。

【技术实现步骤摘要】
基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器


[0001]本专利技术涉及量子图像传感器
，具体涉及一种量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器，对微弱的光电子信号进行放大。

技术介绍

[0002]随着IC工艺特征尺寸越来越小，深亚衍射极限尺度的像素就会出现，像素小的曝光面积和满阱容量会使得传统的CMOS图像传感器性能显著降低。为解决这一问题，提出了量子图像传感器(Quanta Image Sensors，QIS)。QIS有数十亿个高转换增益的微小像素单元jot，其间距较小、读出噪声很低，且具有时间和空间过采样的特征，广泛用于航空航天、医疗成像、微光成像等领域。由于QIS的每个像素单元jot面积较小、曝光时间很短，所以单个jot上入射的光子数极少，这使得QIS量化信号很小。微弱的信号使得QIS对后级电路失调十分敏感，因此，在比较器之前需要预放大电路来降低比较器的内在失调。差分电荷传输放大器(Differential Charge
‑
transfer Amplifier，DCTA)具有结构简单、功耗低、噪声低的优点，用在QIS读出电路中，不仅能解决连续时间放大器的高静态功耗问题，而且级联后的高增益放大还能大幅度降低后级比较器电路的内在失调。虽然级联的高增益DCTA能有效地抑制后级电路的失调，但是其自身的失调并未能得到很好地解决。传统的DCTA结构如图1所示，主要由NMOS管(MN1～MN4)和PMOS管(MP1～MP4)、开关(S1、S2)、传输电容(C
T1
、C
>T2
)、输入耦合电容(C
i1
、C
i2
)、负载电容(C
O1
、C
O2
)构成。由于开关电荷注入、MOS管工艺偏差等原因，特别是由于DCTA的正端输入和负端输入不随共模电压对称，因此使DCTA电路存在着明显的内在失调现象。该明显的失调不仅会产生列级固定模式噪声，而且还会导致设定的比较器阈值电压出现偏差，从而大大增加QIS的光子计数误码率。针对DCTA自身失调会影响光子计数精度的问题，本专利技术提出了一种具有差分对称输入和失调存储抵消功能的DCTA电路结构，以降低内在的失调，抑制读出噪声。

技术实现思路

[0003]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种低失调的差分电荷传输放大器电路结构，将QIS微弱的光电子信号进行高增益精确放大，以提高比较器阈值电压的一致性，降低光子计数的误码率。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器,包括差分电荷传输放大器DCTA、差分对称输入模块和失调存储抵消模块，DCTA输入端增加差分对称输入模块，在DCTA输出端增加失调存储抵消模块。
[0004]详细结构如下：
[0005]由NMOS管MN1～MN4和PMOS管MP1～MP4、开关S0～S2、S
c
、S
m
、S
n
、传输电容C
T1
、C
T2
、输入耦合电容C
i1
、C
i2
和负载电容C
O1
、C
O2
组成；像素复位信号V
rst
和像素输出信号V
sig
都通过开关S
c
分别与输入耦合电容C
i1
、C
i2
的左极板相连，同时C
i1
和C
i2
的左极板通过开关S0连在一起；MN1和MP1的栅端相连、MN2和MP2的栅端相连，并分别与C
i1
、C
i2
的右极板相连，同时C
i1
和C
i2
的右极板均通过开关S2与预充电电压V
pre
连在一起；MN1和MP1的源端都通过开关S'1分别连接
在传输电容C
T1
、C
T2
的上极板，MN2和MP2的源端也都通过开关S'1分别连接在传输电容C
T1
、C
T2
的下极板；其中开关S'1与开关S1是一对互补的开关；MP3和MP4的源端均连接电源电压VDD，两管的栅漏均先短接、再通过开关S1分别连接在C
T1
的上极板、C
T2
的下极板；MN3和MN4源端均连接GND，两管的栅漏均先短接再通过开关S1分别连接在C
T2
的上极板、C
T1
的下极板；MN1和MP1的漏端相连、MN2和MP2的漏端相连，均通过开关S2与预充电电压V
pre
连在一起；MN1和MP1的漏端通过开关S
n
连在负载电容C
O1
的上极板，同时通过开关S
m
连在负载电容C
O2
的上极板；MN2和MP2的漏端通过开关S
n
连在负载电容C
O2
的上极板，同时通过开关S
m
连在负载电容C
O1
的上极板；C
O1
和C
O2
的下极板均接GND，其中，开关(S0、S
c
)和输入耦合电容(C
i1
、C
i2
)构成差分对称输入模块，开关(S
m
、S
n
)和负载电容(C
O1
、C
O2
)构成失调存储抵消模块。
[0006]4级DCTA级联电路结构如下，第一级DCTA中的MN1和MP1的栅端、MN2和MP2的栅端分别与差分对称输入模块中的C
i1
、C
i2
右极板相连；第二级DCTA中的MN1和MP1的栅端、MN2和MP2的栅端分别连接第一级DCTA中MN1和MP1的漏端、MN2和MP2的漏端；第三级DCTA中的MN1和MP1的栅端、MN2和MP2的栅端分别连接第二级DCTA中MN1和MP1的漏端、MN2和MP2的漏端；第四级DCTA中的MN1和MP1的栅端、MN2和MP2的栅端分别与第三级DCTA中MN1和MP1的漏端、MN2和MP2的漏端相连接；另外，第一、二、三级DCTA的输出端均连接一对负载电容(C
O1
、C
O2
)，第四级DCTA中MN1和MP1的漏端通过失调存储抵消模块中的开关S
n
连在负载电容C
O1
的上极板，同时通过开关Sm连在负载电容C
O2
的上极板；MN2和MP2的漏端通过失调存储抵消模块中的开关S
n
连在负载电容C
O2
的上极板，同时通过开关S
m
连在负载电容C
O1
的上极板。
[0007]本专利技术的特点及有益效果是：
[0008]本专利技术中的4级级联差分电荷传输放大器电路结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器，其特征是，包括差分电荷传输放大器DCTA、差分对称输入模块和失调存储抵消模块，DCTA输入端增加差分对称输入模块，在DCTA输出端增加失调存储抵消模块。2.如权利要求1所述的基于量子图像传感器应用的低失调差分电荷传输放大器，其特征是，详细结构如下：由NMOS管MN1～MN4和PMOS管MP1～MP4、开关S0～S2、S
c
、S
m
、S
n
、传输电容C
T1
、C
T2
、输入耦合电容C
i1
、C
i2
和负载电容C
O1
、C
O2
组成；像素复位信号V
rst
和像素输出信号V
sig
都通过开关S
c
分别与输入耦合电容C
i1
、C
i2
的左极板相连，同时C
i1
和C
i2
的左极板通过开关S0连在一起；MN1和MP1的栅端相连、MN2和MP2的栅端相连，并分别与C
i1
、C
i2
的右极板相连，同时C
i1
和C
i2
的右极板均通过开关S2与预充电电压V
pre
连在一起；MN1和MP1的源端都通过开关S'1分别连接在传输电容C
T1
、C
T2
的上极板，MN2和MP2的源端也都通过开关S'1分别连接在传输电容C
T1
、C
T2
的下极板；其中开关S'1与开关S1是一对互补的开关；MP3和MP4的源端均连接电源电压VDD，两管的栅漏均先短接、再通过开关S1分别连接在C
T1
的上极板、C
T2
的下极板；MN3和MN4源端均连接GND，两管的栅漏均先短接再通过开关S1分别连接在C
T2
的上极板、C
T1
的下极板；MN1和MP1的漏端相连、MN2和MP2的漏端相连，均通过开关S2与预充电电压V
pre
连在一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀宇，琚探探，聂凯明，徐江涛，高静，高志远，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：