基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路的制作方法
【專利摘要】本專利公開一種基于像素級模數轉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，用于對紫外探測器的微弱光生電流進行積分，實現電流到電壓的轉換；像素級模數轉換模塊，實現在像素內量化模擬電壓，并鎖存量化結果；行/列選擇控制電路實現對焦平面上每一個單元的選擇；感應放大器感應像素內量化結果，進行放大并送到輸出總線；輸出級緩沖器用于增大電路的輸出驅動能力，把輸出信號依次串行輸出。本專利的讀出電路，將紫外探測器信號直接轉換成數字信號，通過減小模擬信號傳輸路徑來降低噪聲對信號的干擾，實現片上模數轉換，有效提高了紫外焦平面芯片的信噪比，可以應用于微弱紫外信號的檢測與成像。
【專利說明】基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路
【技術領域】
[0001]本專利涉及紫外焦平面讀出電路信號處理技術，特別是一種基于像素級模數轉換結構的紫外焦平面讀出電路。
【背景技術】
[0002]紫外探測技術由于其特有的“日盲”和“可見盲”特性，在民事和軍事方面具有廣泛的應用前景。紫外焦平面陣列是紫外探測技術的核心部分，主要由紫外探測器陣列和讀出電路組成。讀出電路對紫外探測器輸出的微弱信號進行積分、放大后，通過多路選擇器輸出給模數轉換器進行模擬信號數字化轉換。讀出電路的性能將直接影響紫外焦平面的質量。隨著紫外焦平面成像質量要求的不斷提高，陣列規模不斷增加、單元尺寸的不斷減小、系統集成度不斷提高，對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:驅動信號控制焦平面陣列進行復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串行輸出給后端噪聲抑制電路和模數轉換器。這種方法的讀出電路僅實現了光電流到電壓的轉換，模擬信號電壓需要在焦平面外部進行模數轉換，模擬信號傳輸路徑長，不可避免的受到外部噪聲的影響，降低信號信噪比；其次，隨著焦平面陣列規模的不斷增大，探測器單元數量不斷增多，在保證幀頻的情況下，對后端模數轉換器的速度要求越來越高，功耗和面積越來越大，難以實現。
[0004]將模數轉換器集成到一列或者數列中，即探測器陣列中每列或者是數列像素單元共享一個模數轉換器。由于模數轉換器并行工作，同時對一行像素單元進行模數轉換，模數轉換器的速度、功耗和面積要求降低。這種讀出方法的問題有:模擬信號的傳輸路徑較長，噪聲影響較大；高幀頻大面陣的成像對模數轉換器的速率要求依然很高。
【發明內容】
[0005]本專利的目的是提供一種將紫外探測器陣列輸出的光電信號讀出、積分轉換成模擬電壓信號，在像素單元內采用數字編碼技術將模擬信號轉換成數字信號輸出的紫外焦平面讀出電路。
[0006]本專利的技術方案如下:
[0007]基于像素級模數轉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、驅動信號模塊、感應放大器和輸出級緩沖器。
[0008]所述的M行XN列像素單元電路模塊中，每個單元電路由前端電荷積分模塊和模數轉換模塊構成。同一列像素單元數字信號輸出由行選擇控制電路模塊控制，連接在同一條列總線上，并與列共享感應放大器相連，感應放大器的輸出經過控制晶體管連接到輸出總線，然后通過輸出級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，控制各列感應放大器的輸出。
[0009]所述的前端電荷積分模塊包括復位晶體管、積分電容、運算放大器Al、傳輸門和采樣電容，復位晶體管與積分電容并聯，并跨接在運放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽極與運放Al的輸入端相連，陰極與運放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過傳輸門與運放Al的輸出相連，同時也與比較器A2的“ + ”輸入端相連。
[0010]所述的模數轉換模塊包括比較器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，輸入端與驅動信號模塊中的比較信號端相連，輸出端與鎖存器觸發端相連，鎖存器輸出控制端連接行選擇控制電路中的行選通信號端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫信號端連接驅動信號模塊的寫輸入輸出端。
[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成，其中輸入控制電路由4個晶體管串聯堆疊而成，4個晶體管的柵極相連，作為鎖存器輸入控制端，串聯堆疊晶體管的漏級作為鎖存器寫信號端；鎖存電路由I個電容和I個晶體管構成，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，電容的負極與晶體管源極連接，并與地相連；輸出控制電路由I個晶體管構成，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相連，晶體管的漏級作為鎖存器輸出端。
[0012]所述的基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路的讀出方法，以一幀作為重復的工作周期，一幀包括:單元陣列中各個像素單元并行積分和模數轉換、各個像素單元信號的串行輸出，具體包括以下步驟:
[0013]I)對單元陣 列中各個像素單元同時進行復位和積分；
[0014]2)積分結束后，同時采樣各像素單元的模擬信號并進行數字化；
[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有效期間，該行對應的各個像素單元內的信號輸出到對應的感應放大器；
[0016]4)列選擇控制電路依次選通第一列至最后一列，感應放大器的輸出信號串行送到輸出總線并通過輸出級緩沖器進行輸出。
[0017]所述的以一幀做為重復的工作周期，即焦平面讀出電路完成紫外光電信號的轉換、積分、數字化和信號輸出的周期Tf包括:讀出電路的復位時間TMsrt，電荷信號的積分時間Tint，模擬信號到數字信號的轉換時間Tad。，M行行選通信號有效時間TratXM四部分，即Tf=Treset+Tint+Tadc+TrowXM ;行選通信號有效時間Trat需要滿足Tmw ^ TcolXN7Tcol為列選通信號有效時間。
[0018]本專利有如下優點:
[0019]1、將模數轉換器集成到像素單元內，系統結構緊湊、集成度高，最大程度減少噪聲對模擬信號的影響，提高系統的信噪比；
[0020]2、像素內集成的模數轉換器并行工作，信號處理速度快，提高焦平面成像的幀頻，可以實現高速圖像攝取和實時成像；
[0021]3、當模數轉換動作完成，進行數據讀出時，可以同時進行下一幀信號的復位和積分，從而實現單兀電路的復用，進一步提聞幀頻；
[0022]4、系統對模數轉換器的速率要求降低，在相同電路設計條件下，可以獲得精度更高、功耗更小的模數轉換器；
[0023]5、可以根據光照強度和探測器響應率靈活調節前端電荷積分模塊的積分時間和參考電壓，獲得較大的輸出動態范圍；
[0024]6、輸出數據為數字信號，允許快速直接的后端信號處理。【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本專利的整體框圖。
[0026]圖2是本專利的單元電路及體系結構。
[0027]圖3是本專利的電荷積分模塊所采用的運算放大器的晶體管級結構圖。
[0028]圖4是本專利所采用的高增益比較器的晶體管級結構圖。
[0029]圖5是本專利所采用的鎖存器的晶體管級結構圖。
[0030]圖6是本專利的某一行的模數轉換模塊的時序圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施例和附圖對本專利的基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路及其讀出方法做出詳細說明。
[0032]本專利的基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路，其整體框圖如圖1所示。采用DP4M標準CMOS工藝設計 ，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構示意圖。每個單元電路由前端電荷積分模塊和模數轉換模塊構成。前端電荷積分模塊包括復位晶體管、積分電容、運算放大器Al、傳輸門和采樣電容，復位晶體管與積分電容并聯，并跨接在運放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽極與運放Al的輸入端相連，陰極與運放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過傳輸門與運放Al的輸出相連，同時也與比較器A2的“ + ”輸入端相連。模數轉換模塊包括比較器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，輸入端與驅動信號模塊中的比較信號端相連，輸出端與鎖存器觸發端相連，鎖存器輸出控制端連接行選擇控制電路中的行選通信號端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫信號端連接驅動信號模塊的寫輸入輸出端。同一列像素單元數字信號輸出連接在同一條列總線上，并與列共享感應放大器相連。感應放大器的輸出經控制晶體管連接到輸出總線，然后通過輸出級緩沖器進行連接輸出端口。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、積分時間t和參考電壓VMf的關系為:= Kef -^7-。根據光照強度和探測器響應率靈活調節積分
Iint
時間和參考電壓，可以獲得需要的輸出動態范圍。積分結束后，采樣vjt)并保持至模數轉換結束。圖3是運算放大器Al的晶體管級結構圖,增大輸入MOS管Ml，M2可以有效減小運放的Ι/f噪聲，增大密勒電容Ce、減小器件電容可以減小運放的熱噪聲，在面積有限的情況下，需要折衷考慮。
[0035]模數轉換模塊由比較器A2和鎖存器組成。圖5是鎖存器的晶體管級結構圖，M20由4個晶體管堆疊而成，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，源級與列總線相連；電容Ct的正極與晶體管M21的柵極相連，負極與地相連。鎖存器的動作特點是:M20的柵極受比較器輸出端控制，當比較器輸出高電平時，M21的柵極等于寫信號；當比較器輸出由高電平跳變為低電平時，M21的柵極鎖存此時的寫信號。讀出階段，讀控制信號有效，若M21的柵極為高電平，則M21晶體管導通，輸出低電平；SM21的柵極為低電平，則M21晶體管關閉，輸出高電平。圖4是比較器A2的晶體管級結構圖，采用二級開環模式，前兩級作為增益放大級，第三級用于提高動態范圍。比較器的增益和輸出延遲時間分別決定了模數轉換器的有效位數和轉換速率。在本專利中，由于采用了并行模式，對模數轉換器的速率要求低，可以在有效面積內實現更高分辨率的模數轉換器。
[0036]所述基于像素級模數轉換的紫外焦平面讀出電路，其工作時序如下:
[0037]在一幀周期內，先對單元陣列中各個像素單元同時進行復位和積分；積分結束后，同時采樣各像素單元的模擬信號并進行數字化；信號數字化完成后，依次選通各行各列，串行輸出數字信號。
[0038]在信號數字化完成后，所述各行各列像素單元內的信號按照以下順序轉移到輸出級緩沖器輸出: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有效期間，該行對應的各個像素單元內的信號輸出到對應的感應放大器，列選擇控制電路依次選通第一列至最后一列，感應放大器的輸出信號串行送到輸出總線并通過輸出級緩沖器進行輸出。
[0039]圖6是某一行的模數轉換模塊的時序圖。比較信號是不斷上升的階梯信號，階梯的高低電勢差對應模數轉換器的輸入動態范圍，每一級臺階的高度對應一個最低有效位(LSB),臺階之間的O電位用于每次比較前復位鎖存器。寫信號在臺階的后1/4時段處于高電平，其它均保持低電平狀態。讀控制信號在寫信號處于高電平一段時間后有效。對于模擬輸入電壓VI，前兩個臺階的比較器輸出均為高電平，讀控制信號有效時，輸出信號等于寫信號，即高電平；從第三個臺階開始，比較器輸出為低電平，鎖存器鎖存信號跳變時寫信號的低電平，然后輸出；vi共輸出2個高電平脈沖。模擬輸入電壓V2用相同方法分析,共輸出4個高電平脈沖。通過對電路輸出的高電平脈沖進行計數，實現模擬信號向數字信號的轉換。
【權利要求】
1.一種基于像素級模數轉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、驅動信號模塊、感應放大器和輸出級緩沖器模塊，其特征在于: 所述的M行XN列像素單元電路模塊中，每個單元電路由前端電荷積分模塊和模數轉換模塊構成；同一列像素單兀數字信號輸出由行選擇控制電路模塊控制，連接在同一條列總線上，并與列共享感應放大器相連，感應放大器的輸出經過控制晶體管連接到輸出總線，然后通過輸出級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，控制各列感應放大器的輸出； 所述的前端電荷積分模塊包括復位晶體管、積分電容、運算放大器Al、傳輸門和采樣電容，復位晶體管與積分電容并聯，并跨接在運放Al的輸出端和輸入端，紫外焦平面器件光敏元的陽極與運放Al的輸入端相連，陰極與運放Al的“ + ”輸入端相連，采樣電容正極通過傳輸門與運放Al的輸出相連，同時也與比較器A2的“ + ”輸入端相連； 所述的模數轉換模塊包括比較器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，輸入端與驅動信號模塊中的比較信號端相連，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端，輸出端連接讀出電路的列總線，鎖存器的寫信號端連接驅動信號模塊的寫輸入輸出端； 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成，其中輸入控制電路由4個晶體管串聯堆疊而成，4個晶體管的柵極相連，作為鎖存器輸入控制端，串聯堆疊晶體管的漏級作為鎖存器寫信號端；鎖存電路由I個電容和I個晶體管構成，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，電容的負極與晶體管源極連接，并與地相連；輸出控制電路由I個晶體管構成，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相連，晶體管的漏級作為鎖存器輸出端。
【文檔編號】H04N5/374GK203775318SQ201420028329
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】徐斌, 袁永剛, 李向陽, 馬丁, 葉柏松 申請人:中國科學院上海技術物理研究所