【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的双采样读出电路，属于模拟集成电路领域。
技术介绍
1、光敏探测器作为光电信号转换器，能够将光信号有效转化为电信号，并进一步显示图像，广泛应用于日常生活、安防和国防等领域。目前，主流光敏探测器分为ccd(charge-coupled device电荷耦合器件)和cmos-aps(complementary metal-oxide-semiconductoractive pixel sensor互补金属氧化物半导体有源像素传感器)两大类，ccd能够将光信号转换为模拟电流信号，经过传输、放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现，具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高等优点；而cmos-aps是集成了图像采集和信号处理功能的图像传感器，与ccd不同的是cmos-aps可以在像素单元内实现信号的放大，且具有功耗低、集成度高、读取速度快以及灵活性强的优点。
2、基于复合介质栅双晶体管光敏探测器结合了ccd和cmos-aps的优点，有望成为新一代主流光敏探测器。公开号为cn102938409a的中国专利中提供了一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器固定电压的读出方式，这种方式通过在栅端和漏端施加恒定电压并量化曝光前后的漏端电流实现读出，但是会产生较大的固定图形噪声；而且这样的读出方式通过施加斜坡电压并使用计数器技术来量化光生电子数，这一过程通常需要数百个时钟周期，从而限制了光敏探测器的帧率和噪声性能。与此不同的是，主流cmos-aps采用源跟随读出方式，具有较快的速度。
技术实现思路
1、基于以上背景，本专利技术提出了一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的双采样读出电路。本专利技术采用的技术方案如下：
2、一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的双采样读出电路，包括：复合介质栅双晶体管光敏探测器的探测单元；一个连接探测单元和双采样模块的传输门s2，要求不能限制电流源流过器件；一个传输漏端的高电压到源端的传输门s1；作为电流源的电流镜i；电压缓冲器；采样电容cc；两个传输门s3、s4；两个传输门s5、s6作为输出信号选通模块。
3、进一步的，该读出电路仅仅利用了电荷守恒的原理，结构简单，第一次读出时源端电压和参考电压对采样电容cc进行充电，保持电容电荷不变，第二次读出下级板浮空，上极板接阈值电压变化后的源端电压，那么下极板电压就是参考电压和源端电压变化量的总和，可通过调制参考电压去适应adc的量化范围。电路的输出端与adc之间也要做隔离措施避免电荷损失。
4、进一步的，本专利技术的双采样读出电路，对于读取复合介质栅双晶体管光敏探测器阵列，不选中某些列时，将该列的位线接至漏线，源端电位与漏端相同，能避免器件流过非必要产生的电流，减小了功耗。
5、进一步的，根据探测单元大小和阵列规模可选择多列可复用同一读出电路，当复用某一读出电路的多个位线均无需进行读出时，其都与漏线相连，后续双采样电路的电压缓冲器的使能信号会切换至关闭状态。
6、进一步的，读出时间主要限制于电压缓冲器的响应速度，通常电压缓冲器是运算放大器结构接成，只需稍微增大运放的转换速率sr和单位增益带宽gbw就能让响应时间在ns级别，考虑adc那么读出时间正常情况下会在1us以内。
7、进一步的，该读出电路在速度上具有明显的优势。采样时，像素切换到读出模式，并开启源跟随器，切换时间受到驱动电路限制。缓冲器再驱动采样电容建立目标电压。一行的片内双采样结果能锁存在读出电路的电容下极板，单采样结果能锁存在电容上极板。仅需在下一行探测器进入读出状态前完成量化，读出时间只受电容充电时间限制。这样高速读出能保证在大规模像素的复合介质栅双晶体管光敏探测器中还有足够高的帧数。最短读出时间的降低能优化曝光时间的限制问题，由于通常采用卷帘模式进行曝光读出复位，存在最短曝光时间，若采用源跟随器读出电路，能缩小最短曝光时间，使得复合介质栅双晶体管光敏探测器适用于微光场景，提升了探测器的动态范围。
8、进一步的，该读出电路的噪声会更低。首先，双采样模式读出的电压差，如实反映了像素中电荷的变化量，不会受到像素阈值非一致性的干扰，而且两次采样间隔很短，免除了低频噪声的影响，具有天然的高通滤波功能。其次，梳理整条读出通路的噪声来源，从前至后分别有：源跟随器引入的误差、缓冲器引入的误差、开关管的电荷注入和时钟馈通。其中，源跟随器结构的增益经测试证明具有良好的线性度，只要电流源足够稳定，便认为源跟随器引入的噪声可以忽略。其余三个噪声源也可以通过对电路、版图的精心设计来降低噪声。由开关引入的噪声被采样电容削减，采样电容越大，电压保持时间越长，工艺失配程度也会越轻。两次采样信号的噪声若存在相关性的部分，通过双采样能减弱这部分噪声。
9、进一步的，该读出电路支持单采样模式，能直接量化源端电压，进一步去分析去除量化噪声之后的读出噪声以及实际工作线性程度和相关参数与源端电压的关系等。
10、本专利技术的读出电路特别适合在高速计算和大规模像素图像处理的应用中使用，可与高精度高速的adc级联，用于实现图像传感器高画质高帧率的需求。
11、本专利技术提供的有益效果是：
12、本专利技术提出的读出电路通过利用采样电容的充放电实现对阈值电压的量化，结构简单，并且可以通过对参考电压的调制去适应adc的量化范围，以实现与高精度高速的adc级联；将未被选择读取的探测单元的源端和漏端连通，避免产生不必要的电流从而减小功耗；因为该读出电路是利用采样电容的充放电实现读出，所以读出时间只受到电容充电时间的限制，并且在高速读出的同时还能保持足够高的帧数；此外采用源跟随读出方式，缩小了最短曝光时间，提升了探测器的动态范围；双采样的读出电路不会受到像素阈值非一致性的干扰且两次采样的时间间隔很短，免除了低频噪声的影响，其他噪声可以通过对电路的设计来降低。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的双采样读出电路，其特征在于，所述电路用于对由单个复合介质栅双晶体管光敏探测器或复合介质栅双晶体管光敏探测器阵列构成的探测单元进行双采样读出，所述电路包括源漏连接开关S1、双采样模块和输出信号选通模块；所述双采样模块通过传输门S2与探测单元相连；
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双采样模块中，电压缓冲器，传输门S3，采样电容Cc以及传输门S4依次相连，所述传输门S4的另一端连接参考电压VREE，所述电流源一端与电压缓冲器的输入端相连，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述输出信号选通模块中的一个传输门S5连接于所述电压缓冲器的输出端，另一个传输门S6连接于所述采样电容Cc与传输门S4相连的一端。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述双采样模块采用源跟随器方式进行读出，所述电流源连接所述复合介质栅双晶体管光敏探测器的源端，固定栅压和漏端电压使探测器读出时处于饱和区，源端电压和阈值电压呈现出线性关系，通过读取源端电压实现对阈值电压的量化，从而得到吸收的光子数。p>
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述源漏连接开关S1控制光敏探测器源端和漏端的连通关系，对于未被读取的探测单元，源漏连接开关闭合使源端和漏端的电位相同，避免产生不必要的电流，并且使得电压缓冲器的使能信号切换至关闭状态。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述参考电压根据读出状态下探测单元的源端电压大小和ADC量化范围确定。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路提供片内双采样的工作模式，利用电容将两次读取的采样信号的差值耦合到电容的一端，进行电压抬升，得到双采样结果；曝光后读取状态下采样，电容上级板为采样信号，下级板接参考电压；探测单元栅极接复位电压后再进行读出，要在读取前使下级板浮空，第二次读取的电压是两次采样信号的差值加上一个参考电压，得到片内双采样结果。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路提供片外双采样和单采样的工作模式，直接输出电压缓冲器的输出端电压，电容上级板始终连接电压缓冲器的输出端，下级板固定为参考电压；片外双采样模式下的探测单元依旧经历复位—曝光—读出—复位—读出的过程，将两次读取的采样结果接将模拟信号转换为数字信号的模数转换电路量化，在片外进行处理；
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述源漏连接开关S1采用传输正高压的PMOS管，所述电路应用于单个复合介质栅双晶体管光敏探测器中进行双采样读取时，复合介质栅双晶体管光敏探测器栅极接控制信号，源漏连接开关S1的源端接复合介质栅双晶体管的漏端，S1的漏端接复合介质栅双晶体管的源端。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述电路应用于复合介质栅双晶体管光敏探测器阵列中进行双采样读取时，阵列中同一行的复合介质栅双晶体管光敏探测器的控制栅极互连，形成字线；同一列的探测单元源极互连形成位线；所有探测单元的漏极全部互连形成总漏线，源漏连接开关S1的源端和漏端分别接光敏探测器阵列的位线和漏线；
...【技术特征摘要】
1.一种基于复合介质栅双晶体管光敏探测器的双采样读出电路，其特征在于，所述电路用于对由单个复合介质栅双晶体管光敏探测器或复合介质栅双晶体管光敏探测器阵列构成的探测单元进行双采样读出，所述电路包括源漏连接开关s1、双采样模块和输出信号选通模块；所述双采样模块通过传输门s2与探测单元相连；
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双采样模块中，电压缓冲器，传输门s3，采样电容cc以及传输门s4依次相连，所述传输门s4的另一端连接参考电压vree，所述电流源一端与电压缓冲器的输入端相连，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述输出信号选通模块中的一个传输门s5连接于所述电压缓冲器的输出端，另一个传输门s6连接于所述采样电容cc与传输门s4相连的一端。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述双采样模块采用源跟随器方式进行读出，所述电流源连接所述复合介质栅双晶体管光敏探测器的源端，固定栅压和漏端电压使探测器读出时处于饱和区，源端电压和阈值电压呈现出线性关系，通过读取源端电压实现对阈值电压的量化，从而得到吸收的光子数。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述源漏连接开关s1控制光敏探测器源端和漏端的连通关系，对于未被读取的探测单元，源漏连接开关闭合使源端和漏端的电位相同，避免产生不必要的电流，并且使得电压缓冲器的使能信号切换至关闭状态。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述参考电压根据读出状态下探测单元的源端电压大小和adc量化...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈凡翔，刘欣亮，李张南，王凯，陈辉，李铸轩，余苏霖，马浩文，卜晓峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。