一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路的製作方法
2023-10-10 17:02:34 1
一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路，該電路通過採用電壓-電流轉化法的兩步背景抑制電路模塊產生一個固定的減電流，首先將探測器光電流的背景電流部分減去，再通過使用高增益負反饋運放的BDI前置輸入級模塊積分得到一個電壓信號，並通過採樣保持電路模塊將該信號採樣到採樣電容上，最後通過具有低通濾波功能的兩級源跟隨輸出級模塊將模擬信號輸出。該電路實現了在前期信號處理中對背景電流的抑制，有效延長了積分時間，增加了對比度，提高了輸出信號的信噪比。
【專利說明】—種具有兩步背景抑制功能的讀出電路
【技術領域】
[0001]本專利涉及紅外焦平面讀出集成電路，具體指一種具有兩步背景抑制功能的讀出集成電路(Readout Integrated Circuit-ROIC),它工作在50K溫度下,用於甚長波紅外焦平面陣列(Infrared Focus Plane Array-1RFPA)中，可以將探測器光電流中的背景電流減除，只對有效光信號電流進行積分、採樣、降噪和輸出。
【背景技術】
[0002]甚長波紅外焦平面陣列是先進紅外系統中的核心器件。紅外焦平面陣列一般由兩部分組成:紅外探測器陣列和讀出電路陣列。焦平面上的紅外探測器在接收到入射的紅外輻射後，在紅外輻射的入射位置上產生一個與入射紅外輻射性能有關的局部電荷，傳輸給對應的讀出電路單元。讀出電路將對這些電信號進行積分放大、採樣保持，再通過輸出緩衝和多路傳輸系統，最終送達監視系統形成圖像。
[0003]由於甚長波紅外探測器禁帶寬度比較窄，在生長過程中非常容易受到材料、生長工藝、實驗室環境等多種因素影響。受現有工藝條件限制，現階段甚長波探測器其自身等效電阻比較小，一般小於10;因此，讀出電路輸入級的輸入電阻必須非常小。同時，為了防止產生過大的漏電流，探測器必須工作在精確的「零偏」狀態下。另外，甚長波探測器暗電流比較大，且工作在高背景條件下，使得讀出電路積分電容非常容易飽和，很難獲得理想的信噪比(SNR)。甚長波探測器自身性能的缺陷，在很大程度上限制了甚長波紅外焦平面的性能，且對讀出電路設計提出了很高的要求。
[0004]由於使用了負反饋運放，一般採用BD1、CTIA、BGMI等結構作為甚長波紅外焦平面讀出電路的前置輸入級。常規情況下採用單級放大器或五管差動放大器，雖然其低溫工作性能良好，但由於增益較低，光電流注入效率非常低，探測器工作不穩定，噪聲較大，難以滿足實際需求。另外，現有的背景抑制電路一種是使用簡單的電壓一電流轉換法，其精度低，並且其均至於BDI前置輸入級的注入管之後，受MOS管溝道長度調製效應的影響，生成的背景電流不穩定；另一種具有記憶功能的背景抑制電路由於其結構複雜，佔用面積大，很難在單元內實現。同時，讀出電路單元面積有限，且必須使用較大的積分電容和採樣電容，二者很難進行折衷。
【發明內容】
[0005]本專利的目的是提供一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路，該電路工作在50K溫度下，主要應用於甚長波紅外焦平面陣列系統。其採用改進結構的兩步背景抑制電路模塊，並使用具有摺疊式共源共柵負反饋運算放大器的BDI前置輸入級模塊，解決現有背景抑制精度低、信號採集難度大、積分時間短、信號信噪比低的問題，並且進一步簡化了採樣保持電路結構，擴展了溫度應用範圍。
[0006]本專利一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路由兩步背景抑制電路模塊、BDI前置輸入級模塊、採樣保持電路模塊、低通濾波電容模塊、兩級源跟隨輸出級模塊和時序控制電路模塊構成；其中:
[0007]所述的兩步背景抑制電路模塊由M3、M4和M5三個大寬長比的PMOS管組成，其中兩個寬長比為1:2的PMOS管M3、M4組成自級聯結構，再與寬長比為4:1的PMOS管M5串聯，通過電流調節控制端VSUP2控制PMOS管M5進行粗調產生大致的電流，並將PMOS管M4和PMOS管M5限制在線性區；再通過調節電流調節控制端VSUP2細調精確確定所需的背景電流；
[0008]所述的BDI前置輸入級模塊採用緩衝直接注入電路結構，所述的緩衝直接注入電路結構中的積分電容採用NW電容；
[0009]所述的採樣保持電路模塊將傳統的單位增益放大器驅動改進為直接由傳輸門進行採樣保持控制，採樣電容採用NW電容；
[0010]所述的低通濾波電容模塊採用NW電容；
[0011]電路由時序控制電路模塊提供時鐘信號，自動控制電路各功能模塊的工作，電路在工作時首先關閉積分時間控制開關INTC，確定零信號情況下的採樣電壓，將此電壓信號反饋給兩步背景抑制電路模塊；然後將探測器置於無有效信號的全背景下，兩步背景抑制電路模塊生成精確的背景電流；最後將探測器至於正常使用環境中，已經減去背景電流的有效信號電流通過BDI前置輸入級模塊積分得到一個電壓信號，並通過採樣保持電路模塊將該信號採樣到採樣電容上，最後通過帶有低通濾電容模塊的兩級源跟隨輸出級模塊將模擬信號輸出。
[0012]本專利的優點在於:
[0013](I)採用CMOS集成技術，在BDI單元內很好的實現了面積和性能的折衷，為本身等效阻抗低，且工作在高背景下的甚長波焦平面陣列提供了一種讀出電路解決途徑。在50K低溫下，在0.1uA-1uA的信號電流範圍內，輸出範圍為2.5V，工作頻率達到2.5MHz。
[0014](2)對摺疊式共源共柵運放進行優化設計，使其在50K低溫下相位預度為60°時，增益達SOdB ;從而通過運放的負反饋作用，使光電流的注入效率大於99%，輸出信號的線性度優於99%，探測器維持在精確「零偏」狀態，且使圖3中M5的漏極電壓固定，消除了溝道長度調製效應的影響。
[0015](3)在前置放大器對光電流處理前，產生精確的背景減電流減除初始光電流中的背景電流，有效延長了積分時間，增加了對比度，提高了輸出信號的信噪比。為甚長波紅外焦平面探測器在高背景環境下應用提供了技術支持。實現IuA的減電流，兩步背景抑制電路模塊的精度可以達到ΙΟηΑ/lOmV，小於探測器的漏電流，達到了甚長波焦平面的誤差限。
[0016](4)通過充分考慮各部分寄生的影響，簡化了保持採樣電路模塊，有效利用了有限的單元面積，優化了積分採用的控制時序，使積分電壓範圍擴展至0.5V — 5V。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是整個讀出集成電路的各電路模塊圖。
[0018]圖2是讀出集成電路的模擬電路部分鏈路圖。採用兩個積分電容Cl和C2，擴展了電路的使用範圍。VCOM表示運算放大器的參考電壓，VDET表示探測器陣列公共端電壓。RST2是採樣電容的復位信號，COL和ROW分別是列選和行選信號。
[0019]圖3是展開後的兩步背景抑制電路模塊和摺疊式共源共柵運放結構圖。VIN+和VIN-分別對應圖2中的VCOM和VDET。MgO?MglO是運算放大器部分。
[0020]圖4是積分採樣過程的控制時序圖。有效積分時間是INTC開啟時間減去Ius。
【具體實施方式】
[0021]紅外焦平面陣列規模為64X64，像元面積eOumXeOum，探測器公共端偏壓為0.5V，最小時鐘為2.5MHz，工作溫度50K，生產背景減電流的精度為10nA/10mV，積分電容大小為IpF?2.8pF的NW電容，採樣電容為0.1pF的NW電容，濾波電容為0.5pF的NW電容。
[0022](I)讀出電路單元部分分為BDI前置輸入級模塊和採樣保持電路模塊，包括運算放大器、注入管、積分電容和採樣電容。注入管的寬長比為3:1.5。
[0023](2)負反饋運放採用摺疊式共源共柵結構，使其公共端的設定符合探測器偏壓
0.5V的設定，並要求其低溫下的良好性能。MgO?MglO的寬長比為6:1、8:1、8:1、6:1.5、6:1.5、6:1.5、6:1.5,5.6:1.5,5.6:1.5,5.6:1.5,5.6:1.5，其增益大於 80dB。
[0024](3)兩步背景抑制電路模塊包括M3、M4和M5三個PMOS管，其中M3、M4構成自級聯結構，其寬長比為1:2、1:2 ；M5推薦的寬長比為4:1。
[0025](4)時序控制電路模塊產生採用保持電路模塊所需的控制時序，積分時間控制信號INCT開啟要比積分電容復位信號RSTl關閉提前Ius，具體如圖4所示。
[0026](5)採用兩級源跟隨輸出級模塊作為讀出電路的輸出緩衝，降低了前級電路的負載電容，增強了電路的驅動能力。其中M2的寬長比為30:1，此時的寄生電容約為21fF。
[0027]綜上所述，該專利所採用的使用摺疊式共源共柵運放的BDI前置輸入級模塊、兩步背景抑制電路模塊、採樣保持電路模塊及兩級源跟隨輸出級模塊在甚長波紅外焦平面陣列中的應用設計方案合理、實用、高效。
【權利要求】
1.一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路，它由兩步背景抑制電路模塊、BDI前置輸入級模塊、採樣保持電路模塊、低通濾波電容模塊、兩級源跟隨輸出級模塊和時序控制電路模塊構成；其特徵在於: 所述的兩步背景抑制電路模塊由M3、M4和M5三個大寬長比的PMOS管組成，其中兩個寬長比為1:2的PMOS管M3、M4組成自級聯結構，再與寬長比為4:1的PMOS管M5串聯，通過電流調節控制端VSUP2控制PMOS管M5進行粗調產生大致的電流，並將PMOS管M4和PMOS管M5限制在線性區；再通過調節電流調節控制端VSUP2細調精確確定所需的背景電流；所述的BDI前置輸入級模塊採用緩衝直接注入電路結構，所述的緩衝直接注入電路結構中的積分電容採用NW電容； 所述的採樣保持電路模塊將傳統的單位增益放大器驅動改進為直接由傳輸門進行採樣保持控制，採樣電容採用NW電容； 所述的低通濾波電容模塊採用NW電容； 電路由時序控制電路模塊提供時鐘信號，自動控制電路各功能模塊的工作，電路在工作時首先關閉積分時間控制開關INTC，確定零信號情況下的採樣電壓，將此電壓信號反饋給兩步背景抑制電路模塊；然後將探測器置於無有效信號的全背景下，兩步背景抑制電路模塊生成精確的背景電流；最後將探測器至於正常使用環境中，已經減去背景電流的有效信號電流通過BDI前置輸入級模塊積分得到一個電壓信號，並通過採樣保持電路模塊將該信號採樣到採樣電容上，最後通過帶有低通濾電容模塊的兩級源跟隨輸出級模塊將模擬信號輸出。
【文檔編號】G01J5/02GK203629686SQ201320217570
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2013年4月26日
【發明者】郝立超, 陳洪雷, 丁瑞軍, 張君玲, 黃愛波 申請人:中國科學院上海技術物理研究所