[实用新型]带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种读出电路，特别涉及一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路。

背景技术

红外成像系统由光学镜头、探测器阵列、读出电路以及数字成像算法组成。读出电路的作用是将红外探测器产生的微弱光电流信号进行放大、去噪和模拟信号数字化转换。随着现代红外技术的发展，读出电路的性能已成为红外成像系统质量的决定性因素。由于半导体工艺技术的不断进步，红外焦平面阵列逐渐增大，对读出电路的尺寸及功耗也有了更高的要求。而单元读出电路中，单元积分器由于直接与探测器相连，起到对光电流预放大及提高驱动能力的作用，因此其性能直接决定了整个读出电路系统的质量。

单元读出电路通常采用电荷积分的形式，收集探测器光生电荷并将其转换为电压信号读出。单元积分器的性能要求主要有：单元积分器电路面积受像素单元面积限制，这就意味着积分器电路结构通常不能太复杂，所使用的器件数量不宜过多；单元积分器噪声要小于探测器噪声；单元积分器工作温度与探测器工作温度相同，并具有很好的阻抗匹配性；单元积分器应具有良好的线性度与响应度；单元积分器功耗应尽量的低，以避免电路过大的散热影响探测器工作温度，导致探测器性能下降。

常用的红外焦平面阵列单元读出电路主要包括：直接探测器积分(DDI)结构、直接注入结构(DI)、缓冲直接注入(BDI)结构、栅调制输入(GMI)结构、电容跨导放大器(CTIA)结构等。其中，CTIA结构由于具有注入效率高、线性度好等优点，成为很多应用环境下理想的单元读出电路结构。但受到读出电路单元面积所限，CTIA结构中放大器通常采用简单的共源放大器或五管差分放大器的结构，其电压增益通常很低，无法满足对线性度要求很高的读出系统的应用需求。同时，由于CTIA结构在积分电容复位的过程中，受半导体工艺偏差的影响，会产生固定模式噪声(FPN)，因此通常需要的在单元读出电路的后级连接一级相关双采样(CDS)电路，以便消除FPN，这样整个电路的面积、功耗以及复杂度都会提高。

因此，提供一种结构简单，性能可靠，操作简便的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，是该领域技术人员需着手解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述的不足之处，提供一种结构简单、设计合理、性能可靠、适用性强的带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路。

为实现上述目的本实用新型所采用的技术方案是：一种带有相关双采样功能的高增益光电探测器单元读出电路，其特征在于该电路由一个高增益共源共栅放大器，一组积分电容，一个采样电容，一个采样开关，一个列选开关，一组带有相关双采样功能的积分开关和一对镜像电流源连接组成；

其中，一组积分电容跨接在共源共栅放大器输入、输出两端，完成将微弱光电流转换为积分电压信号的功能；由电容Cint1、Cint2和模式选通开关Smod构成的积分电容组受模式选通开关Smod控制，实现不同电荷存储能力的调控；

通过一组反相时钟分别控制积分开关Sint与Sintd，实现失调电压消除的相关双采样与增大积分电压输出范围的功能；

一对镜像电流源由晶体管M5和电流源IBIAS构成；

采样开关Ssh与采样电容Csh串接方式结合，配合列选开关Ssel实现电荷转移型的列读出结构。

本实用新型的有益效果是：该电路设有的高增益共源共栅放大器可有效提高光电探测器的注入效率。

独特的积分开关时序具有相关双采样功能，有益于简化电路结构，节省芯片面积与功耗。基于电荷转移的积分电压采样形式可以有效降低列总线寄生电容的影响。

本实用新型结构简单、设计合理、性能可靠、适用性强；应用于红外成像系统，有效保障红外成像系统稳定的工作，应用效果非常显著。

附图说明

图1是传统CTIA单元电路原理图；

图2是本实用新型CTIA单元电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和较佳的实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

首先分析一下传统的CTIA单元电路，如图1所示，传统CTIA结构其包括一个运算放大器OPAMP、一个在反馈环路上的积分电容Cint、一个与积分电容并联的复位晶体管开关M1和单元选通开关M2。在复位阶段，复位开关M1闭合，相当于积分电容两端短接，对积分电容放电，同时由于运算放大器的虚短特性，放大器输出电压复位到Vbias。当积分开始后，恒定的探测器光电流对积分电容积分，放大器输出电压变为：