一種紅外讀出電路中的低功耗列讀出級電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及紅外讀出電路中的列讀出級電路，尤其是一種紅外讀出電路中的低功 耗列讀出級電路，特別適用于大陣列低功耗紅外成像技術中的讀出電路，屬于微電子技術 領域。
【背景技術】
[0002] 紅外讀出電路（ROIC)是對紅外探測器感應的微弱紅外福射進行前置處理（如積 分，采樣/保持，放大等）W及信號的并串轉換等。在紅外讀出電路的設計中功耗是一個很 重要的指標，已成為限制成本和性能的重要因素。一方面，為了提高探測器的性能，讀出電 路需要配備制冷系統(tǒng)W保證系統(tǒng)在低溫下工作。因此，電路功耗的增加，必然增加制冷系統(tǒng) 的負擔，相應導致成本增加。另一方面，為了保證讀出電路的帖速，不斷增加的面陣規(guī)模要 求更高的讀出速率，從而導致功耗的急劇增加，影響電路和探測器的性能。因此，對低功耗 的紅外讀出電路的研究具有非常重大的意義。
[0003] 列讀出級是紅外讀出電路中的重要環(huán)節(jié)，負責將二維陣列信號轉化為一維信號并 傳輸給輸出緩沖級。在大規(guī)模陣列中，不斷增加的列運放個數(shù)和列輸出總線寄生電容使得 列讀出級的功耗顯著增加。如何降低列讀出級的功耗得到了廣泛的研究。目前，主要有S 種低功耗列讀出級的設計方法：一是奇偶行交替輸出，增大列運放的建立時間來降低功耗； 二是輸出總線分割技術，通過減小列運放的驅動電容來降低功耗；=是主從列運放結構， 其中主放大器完成電荷到電壓的轉換，從放大器完成對輸出總線的驅動并且增加了關斷模 式，即不工作時處于關斷狀態(tài)，工作時打開。工程上，低功耗的列讀出級電路設計一般同時 采用輸出總線分割技術和主從列運放結構，可W顯著的降低功耗。但是，運種設計中從運放 仍然消耗著不必要的功耗。每次從運放打開時，由于無法預測當前列輸出時列輸出總線的 擺幅，為了保證電路的性能，只能假設均為最大擺幅，運就限制了從運放每次工作時，電流I 必須都大于Im。、Qm。、是為了使列輸出總線在規(guī)定時間內可W達到最大擺幅，從運放需要的 最小電流）。事實上由于紅外圖像對比度較低，大部分情況下列輸出總線的擺幅很小，運種 假設導致了大量的功耗浪費。在大規(guī)模紅外讀出電路陣列中，運種浪費更加嚴重，因為急劇 增加的列輸出總線電容W及工作頻率，使得Im。、顯著增加。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了有效解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明在主從列運放結構的基礎上，對從運 放進行了改進，并引進電壓檢測電路，通過檢測前一列和當前列主運放輸出電壓差預測當 前列輸出總線的擺幅并動態(tài)調整從運放的工作電流，W進一步降低列輸出級的功耗。
[0005] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：一種紅外讀出電路中的低功 耗列讀出級電路，紅外讀出電路包括像素單元陣列、列讀出級電路和輸出緩沖單元，其中的 列讀出級電路采用主從結構，設有主運放電路和從運放電路，主運放是由單級差分放大器 構成的電荷靈敏放大器，實現(xiàn)電荷到電壓的轉換，從運放是單位增益緩沖器，每一列的主運 放與從運放一一對應，每一列主運放的正極輸入端連接參考電壓Vb,負極輸入端與相應列 像素單元陣列中的輸出端相連接，主運放輸出端產生的電壓為￥<11〉，該電壓與像素單元積 分時間W及主運放電荷再分配電容Cl有關，每一列的電荷再分配電容Cl跨接在像素單元 陣列輸出端與主運放輸出端之間，主運放復位開關SO<n>與電荷再分配電容Cl并接，從運 放的負極輸入端與輸出端相連，構成單位增益緩沖結構，從運放的正輸入端與主運放的輸 出端連接，接收主運放的輸出電壓V<n〉，W增大列級放大電路的驅動；
[0006] 其特征在于：在第二列到最后一列的每一列增設與從運放一一對應的電壓檢測電 路并對第二列到最后一列的每一列從運放電路進行改進，通過預測列輸出總線擺幅來動態(tài) 的調整從運放工作電流；電壓檢測電路是由小電容構成的電壓相減電路，用于檢測前一列 和當前列的主運放的輸出電壓，并根據(jù)前一列和當前列的主運放輸出電壓差的大小產生與 之成正比的控制信號，假設當前列為第n列，前一列為第n-1列，n為第二列到最后一列中 的任意一列，電壓檢測電路有兩個輸入信號，分別為第n-1列和第n列的主運放輸出電壓， 電壓檢測電路有兩個輸出控制信號control_n和control_p，作為第n列從運放偏置電路 的控制信號，電壓檢測電路設有6個開關NMOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19 W及電容 化、Cp,開關NMOS管M14的源極連接第n-1列主運放輸出電壓V<n-1〉，開關NMOS管M14的 柵極連接第n-1列選擇信號SKn-l〉，開關NMOS管M14和NMOS管M15的漏極連接電容化 的一端，開關NMOS管M15的源極連接第n列主運放輸出電壓V<n〉，開關NMOS管M15的柵極 連接第n列選擇信號SKn〉，電容化的另一端連接開關NMOS管M18的源極W及第n列從運 放的輸出控制信號Control_n，開關NMOS管M18的柵極連接列選擇信號SKn-l〉，開關NMOS 管M18的漏極連接Control_n的參考電壓化ef_n，開關NMOS管M16的源極連接開關NMOS 管M14的源極，開關NMOS管M16的柵極連接列選擇信號SKn-l〉，開關NMOS管M16的漏極 和NMOS開關M17的漏極連接電容Cp的一端，開關NMOS管M17源極連接開關NMOS管M15 的源極，開關NMOS管M17的柵極連接第n列選擇信號SKn〉，電容Cp另一端連接開關NMOS 管M19的源極W及第n列從運放的輸出控制信號Control_p，開關NMOS管M19的柵極連接 第n-1列列選擇信號SKn-l〉，開關NMOS管M19的漏極連接Control_p的參考電壓化ef_ P;
[0007] 改進后的從運放電路包括NMOS管Ml、M2、M6、M7、M12和M13, PMOS管M3、M4、M9、 MlO和Mll，NMOS管Ml的柵極作為從運放的正輸入端，連接對應列主運放的輸出電壓V<n〉， NMOS管Ml的漏極與PMOS管M3的漏極和柵極W及PMOS管M4的柵極相連接，PMOS管M3的 源極和PMOS管M4的源極與電源電壓相連接，PMOS管M4的漏極與NMOS管M2的漏極相連接， NMOS管M2的柵極作為從運放的負輸入端與從運放的輸出端相連，構成單位增益緩沖結構， NMOS管Ml的源極與NMOS管M2的源級互連并與NMOS管M6的漏極相連接，NMOS管M6的源 極接地，NMOS管M6的柵極與NMOS管M7的柵極和漏極W及PMOS管M9的漏極相連接，NMOS 管M7的源極接地，PMOS管M9的源極接電源電壓，PMOS管M9的柵極與PMOS管MlO的柵極 和漏極W及PMOS管Mll的源極與NMOS管M12的漏極相連接，PMOS管MlO的源極連接電源 電壓，PMOS管Mll的漏極與NMOS管M12的源極互連并與NMOS管M13的漏極相連接，PMOS 管Mll的柵極與控制信號Control_p相連接，NMOS管M12的柵極與控制信號ControLn相 連接，NMOS管M13的源極接地；NMOS管M13的柵極和第n列的關斷模式選擇信號Sr<n>相 連接，從運放的輸出端和相應的列選擇開關M<n>的漏極相連接，列選擇開關M<n>的源極與 輸出緩沖單元的輸入端相連接，列選擇開關M<n>的柵極與第n列的列選擇控制信號SKn〉 相連接。
[000引本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果：
[0009] 1、本發(fā)明利用紅外圖像對比度較低的特點，除第一列外，在像素讀出時檢測前一 列和當前列主運放的輸出電壓差，并根據(jù)電壓差的大小來控制當前列從運放的工作電流， 顯著的降低了列讀出級的功耗。
[0010] 2、本發(fā)明列讀出級電路，可W根據(jù)具體圖像特點動態(tài)的調整從運放的工作電流， 使從運放不需要始終工作在大電流下，顯著的降低了從運放的工作電流。
[0011] 3、本發(fā)明提出的電壓檢測電路，僅利用小電容和列控制信號便可實現(xiàn)所需的功 能。該結構實現(xiàn)方式簡單，功耗低，面積小，更適用于大規(guī)模的紅外讀出電路陣列中。
[0012] 4、本發(fā)明提出的從運放電路，其在傳統(tǒng)的從運放基礎上僅僅引入了一對MOS管， 通過控制MOS管的柵壓，來控制從運放的工作電流。該新型結構控制簡單，面積小，功耗低。
【附圖說明】
[0013] 圖1是采用本發(fā)明列讀出級的紅外讀出電路；
[0014] 圖2(a)是電壓相減工作原理；圖2(b)是電壓相減電路時序；圖2(c)是列讀出級 電壓檢測電路；
[0015] 圖3是本發(fā)明與傳統(tǒng)結構的從運放電路對比。
【具體實施方式】
[0016] 參看圖1，本發(fā)明紅外讀出電路由像素單元陣列，列讀出級，輸出緩沖單元組成。列 讀出級包括主運放，從運放W及電壓檢測電路（電壓檢測電路在第二列到最后一列的每一 列設置，與第二列到最后一列的從運放一一對應）。主運放是由單級差分放大器構成的電 荷靈敏放大器，實現(xiàn)電荷到電壓的轉換。從運放是單位增益緩沖器，用于驅動列輸出總線。 S^n〉為從運放的關斷模式選擇信號，當Sr<n>為高電平時，從運放處于工作狀態(tài)。當Sr<n〉 為低電平時，從運放不工作。每一列的主運放與從運放一一對應。其中n為第n列讀出級， n可取第二列至最后列。電壓檢測電路是由小電容構成的電壓相減電路。當其輸入電壓為 第n-1列和第n列主運放輸出電壓V<n-1>和V<n>時，輸出電壓為第n列的從運放控制電 壓信號cont;rol_n<n〉和cont;rol_p<n〉。位于列總線上的開關M<n〉，其柵極為列選擇控制 信號SKn〉，該信號與從運放關斷模式選擇信號Sr<n>保持一致。本發(fā)明中所有開關由單個 普通NMOS管構成，實現(xiàn)方式簡單，面積小，功耗低。當列選開關依次導