一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路制造技术

一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路，列读出级电路采用主从结构，主运放是由单级差分放大器构成的电荷灵敏放大器，实现电荷到电压的转换，从运放是单位增益缓冲器，每一列的主运放与从运放一一对应。本发明专利技术在第二列到最后一列的每一列增设与从运放一一对应的电压检测电路并对从运放电路进行改进，电压检测电路用于检测前一列和当前列的主运放的输出电压，并根据前一列和当前列的主运放输出电压差的大小产生与之成正比的控制信号，通过预测列输出总线摆幅来动态的调整从运放工作电流，显著的降低了列读出级的功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外读出电路中的列读出级电路，尤其是一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路，特别适用于大阵列低功耗红外成像技术中的读出电路，属于微电子

技术介绍
红外读出电路(ROIC)是对红外探测器感应的微弱红外辐射进行前置处理(如积分，采样/保持，放大等)以及信号的并串转换等。在红外读出电路的设计中功耗是一个很重要的指标，已成为限制成本和性能的重要因素。一方面，为了提高探测器的性能，读出电路需要配备制冷系统以保证系统在低温下工作。因此，电路功耗的增加，必然增加制冷系统的负担，相应导致成本增加。另一方面，为了保证读出电路的帧速，不断增加的面阵规模要求更高的读出速率，从而导致功耗的急剧增加，影响电路和探测器的性能。因此，对低功耗的红外读出电路的研究具有非常重大的意义。列读出级是红外读出电路中的重要环节，负责将二维阵列信号转化为一维信号并传输给输出缓冲级。在大规模阵列中，不断增加的列运放个数和列输出总线寄生电容使得列读出级的功耗显著增加。如何降低列读出级的功耗得到了广泛的研究。目前，主要有三种低功耗列读出级的设计方法：一是奇偶行交替输出，增大列运放的建立时间来降低功耗；二是输出总线分割技术，通过减小列运放的驱动电容来降低功耗；三是主从列运放结构，其中主放大器完成电荷到电压的转换，从放大器完成对输出总线的驱动并且增加了关断模式，即不工作时处于关断状态，工作时打开。工程上，低功耗的列读出级电路设计一般同时采用输出总线分割技术和主从列运放结构，可以显著的降低功耗。但是，这种设计中从运放仍然消耗着不必要的功耗。每次从运放打开时，由于无法预测当前列输出时列输出总线的摆幅，为了保证电路的性能，只能假设均为最大摆幅，这就限制了从运放每次工作时，电流I必须都大于Imax(Imax是为了使列输出总线在规定时间内可以达到最大摆幅，从运放需要的最小电流)。事实上由于红外图像对比度较低，大部分情况下列输出总线的摆幅很小，这种假设导致了大量的功耗浪费。在大规模红外读出电路阵列中，这种浪费更加严重，因为急剧增加的列输出总线电容以及工作频率，使得Imax显著增加。
技术实现思路
为了有效解决现有技术存在的问题，本专利技术在主从列运放结构的基础上，对从运放进行了改进，并引进电压检测电路，通过检测前一列和当前列主运放输出电压差预测当前列输出总线的摆幅并动态调整从运放的工作电流，以进一步降低列输出级的功耗。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路，红外读出电路包括像素单元阵列、列读出级电路和输出缓冲单元，其中的列读出级电路采用主从结构，设有主运放电路和从运放电路，主运放是由单级差分放大器构成的电荷灵敏放大器，实现电荷到电压的转换，从运放是单位增益缓冲器，每一列的主运放与从运放一一对应，每一列主运放的正极输入端连接参考电压Vb，负极输入端与相应列像素单元阵列中的输出端相连接，主运放输出端产生的电压为V<n>，该电压与像素单元积分时间以及主运放电荷再分配电容C1有关，每一列的电荷再分配电容C1跨接在像素单元阵列输出端与主运放输出端之间，主运放复位开关S0<n>与电荷再分配电容C1并接，从运放的负极输入端与输出端相连，构成单位增益缓冲结构，从运放的正输入端与主运放的输出端连接，接收主运放的输出电压V<n>，以增大列级放大电路的驱动；其特征在于：在第二列到最后一列的每一列增设与从运放一一对应的电压检测电路并对第二列到最后一列的每一列从运放电路进行改进，通过预测列输出总线摆幅来动态的调整从运放工作电流；电压检测电路是由小电容构成的电压相减电路，用于检测前一列和当前列的主运放的输出电压，并根据前一列和当前列的主运放输出电压差的大小产生与之成正比的控制信号，假设当前列为第n列，前一列为第n-1列，n为第二列到最后一列中的任意一列，电压检测电路有两个输入信号，分别为第n-1列和第n列的主运放输出电压，电压检测电路有两个输出控制信号control_n和control_p，作为第n列从运放偏置电路的控制信号，电压检测电路设有6个开关NMOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19以及电容Cn、Cp，开关NMOS管M14的源极连接第n-1列主运放输出电压V<n-1>，开关NMOS管M14的栅极连接第n-1列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M14和NMOS管M15的漏极连接电容Cn的一端，开关NMOS管M15的源极连接第n列主运放输出电压V<n>，开关NMOS管M15的栅极连接第n列选择信号S1<n>，电容Cn的另一端连接开关NMOS管M18的源极以及第n列从运放的输出控制信号Control_n，开关NMOS管M18的栅极连接列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M18的漏极连接Control_n的参考电压Vref_n，开关NMOS管M16的源极连接开关NMOS管M14的源极，开关NMOS管M16的栅极连接列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M16的漏极和NMOS开关M17的漏极连接电容Cp的一端，开关NMOS管M17源极连接开关NMOS管M15的源极，开关NMOS管M17的栅极连接第n列选择信号S1<n>，电容Cp另一端连接开关NMOS管M19的源极以及第n列从运放的输出控制信号Control_p，开关NMOS管M19的栅极连接第n-1列列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M19的漏极连接Control_p的参考电压Vref_p；改进后的从运放电路包括NMOS管M1、M2、M6、M7、M12和M13，PMOS管M3、M4、M9、M10和M11，NMOS管M1的栅极作为从运放的正输入端，连接对应列主运放的输出电压V<n>，NMOS管M1的漏极与PMOS管M3的漏极和栅极以及PMOS管M4的栅极相连接，PMOS管M3的源极和PMOS管M4的源极与电源电压相连接，PMOS管M4的漏极与NMOS管M2的漏极相连接，NMOS管M2的栅极作为从运放的负输入端与从运放的输出端相连，构成单位增益缓冲结构，NMOS管M1的源极与NMOS管M2的源级互连并与NMOS管M6的漏极相连接，NMOS管M6的源极接地，NMOS管M6的栅极与NMOS管M7的栅极和漏极以及PMOS管M9的漏极相连接，NMOS管M7的源极接地，PMOS管M9的源极接电源电压，PMOS管M9的栅极与PMOS管M10的栅极和漏极以及PMOS管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路，红外读出电路包括像素单元阵列、列读出级电路和输出缓冲单元，其中的列读出级电路采用主从结构，设有主运放电路和从运放电路，主运放是由单级差分放大器构成的电荷灵敏放大器，实现电荷到电压的转换，从运放是单位增益缓冲器，每一列的主运放与从运放一一对应，每一列主运放的正极输入端连接参考电压Vb，负极输入端与相应列像素单元阵列中的输出端相连接，主运放输出端产生的电压为V<n>，该电压与像素单元积分时间以及主运放电荷再分配电容C1有关，每一列的电荷再分配电容C1跨接在像素单元阵列输出端与主运放输出端之间，主运放复位开关S0<n>与电荷再分配电容C1并接，从运放的负极输入端与输出端相连，构成单位增益缓冲结构，从运放的正输入端与主运放的输出端连接，接收主运放的输出电压V<n>，以增大列级放大电路的驱动；其特征在于：在第二列到最后一列的每一列增设与从运放一一对应的电压检测电路并对第二列到最后一列的每一列从运放电路进行改进，通过预测列输出总线摆幅来动态的调整从运放工作电流；电压检测电路是由小电容构成的电压相减电路，用于检测前一列和当前列的主运放的输出电压，并根据前一列和当前列的主运放输出电压差的大小产生与之成正比的控制信号，假设当前列为第n列，前一列为第n‑1列，n为第二列到最后一列中的任意一列，电压检测电路有两个输入信号，分别为第n‑1列和第n列的主运放输出电压，电压检测电路有两个输出控制信号control_n和control_p，作为第n列从运放偏置电路的控制信号，电压检测电路设有6个开关NMOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19以及电容Cn、Cp，开关NMOS管M14的源极连接第n‑1列主运放输出电压V<n‑1>，开关NMOS管M14的栅极连接第n‑1列选择信号S1<n‑1>，开关NMOS管M14和NMOS管M15的漏极连接电容Cn的一端，开关NMOS管M15的源极连接第n列主运放输出电压V<n>，开关NMOS管M15的栅极连接第n列选择信号S1<n>，电容Cn的另一端连接开关NMOS管M18的源极以及第n列从运放的输出控制信号Control_n，开关NMOS管M18的栅极连接列选择信号S1<n‑1>，开关NMOS管M18的漏极连接Control_n的参考电压Vref_n，开关NMOS管M16的源极连接开关NMOS管M14的源极，开关NMOS管M16的栅极连接列选择信号S1<n‑1>，开关NMOS管M16的漏极和NMOS开关M17的漏极连接电容Cp的一端，开关NMOS管M17源极连接开关NMOS管M15的源极，开关NMOS管M17的栅极连接第n列选择信号S1<n>，电容Cp另一端连接开关NMOS管M19的源极以及第n列从运放的输出控制信号Control_p，开关NMOS管M19的栅极连接第n‑1列列选择信号S1<n‑1>，开关NMOS管M19的漏极连接Control_p的参考电压Vref_p；改进后的从运放电路包括NMOS管M1、M2、M6、M7、M12和M13，PMOS管M3、M4、M9、M10和M11，NMOS管M1的栅极作为从运放的正输入端，连接对应列主运放的输出电压V<n>，NMOS管M1的漏极与PMOS管M3的漏极和栅极以及PMOS管M4的栅极相连接，PMOS管M3的源极和PMOS管M4的源极与电源电压相连接，PMOS管M4的漏极与NMOS管M2的漏极相连接，NMOS管M2的栅极作为从运放的负输入端与从运放的输出端相连，构成单位增益缓冲结构，NMOS管M1的源极与NMOS管M2的源级互连并与NMOS管M6的漏极相连接，NMOS管M6的源极接地，NMOS管M6的栅极与NMOS管M7的栅极和漏极以及PMOS管M9的漏极相连接，NMOS管M7的源极接地，PMOS管M9的源极接电源电压，PMOS管M9的栅极与PMOS管M10的栅极和漏极以及PMOS管M11的源极与NMOS管M12的漏极相连接，PMOS管M10的源极连接电源电压，PMOS管M11的漏极与NMOS管M12的源极互连并与NMOS管M13的漏极相连接，PMOS管M11的栅极与控制信号Control_p相连接，NMOS管M12的栅极与控制信号Control_n相连接，NMOS管M13的源极接地；NMOS管M13的栅极和第n列的关断模式选择信号Sr<n>相连接，从运放的输出端和相应的列选择开关M<n>的漏极相连接，列选择开关M<n>的源极与输出缓冲单元的输入端相连接，列选择开关M<n>的栅极与第n列的列选择控制信号S1<n>相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种红外读出电路中的低功耗列读出级电路，红外读出电路包括像素单元阵列、
列读出级电路和输出缓冲单元，其中的列读出级电路采用主从结构，设有主运放电路和从
运放电路，主运放是由单级差分放大器构成的电荷灵敏放大器，实现电荷到电压的转换，
从运放是单位增益缓冲器，每一列的主运放与从运放一一对应，每一列主运放的正极输入
端连接参考电压Vb，负极输入端与相应列像素单元阵列中的输出端相连接，主运放输出
端产生的电压为V<n>，该电压与像素单元积分时间以及主运放电荷再分配电容C1有关，
每一列的电荷再分配电容C1跨接在像素单元阵列输出端与主运放输出端之间，主运放复
位开关S0<n>与电荷再分配电容C1并接，从运放的负极输入端与输出端相连，构成单位
增益缓冲结构，从运放的正输入端与主运放的输出端连接，接收主运放的输出电压V<n>，
以增大列级放大电路的驱动；
其特征在于：在第二列到最后一列的每一列增设与从运放一一对应的电压检测电路并对
第二列到最后一列的每一列从运放电路进行改进，通过预测列输出总线摆幅来动态的调整
从运放工作电流；电压检测电路是由小电容构成的电压相减电路，用于检测前一列和当前
列的主运放的输出电压，并根据前一列和当前列的主运放输出电压差的大小产生与之成正
比的控制信号，假设当前列为第n列，前一列为第n-1列，n为第二列到最后一列中的任
意一列，电压检测电路有两个输入信号，分别为第n-1列和第n列的主运放输出电压，电
压检测电路有两个输出控制信号control_n和control_p，作为第n列从运放偏置电路的控
制信号，电压检测电路设有6个开关NMOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19以
及电容Cn、Cp，开关NMOS管M14的源极连接第n-1列主运放输出电压V<n-1>，开关
NMOS管M14的栅极连接第n-1列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M14和NMOS管
M15的漏极连接电容Cn的一端，开关NMOS管M15的源极连接第n列主运放输出电压
V<n>，开关NMOS管M15的栅极连接第n列选择信号S1<n>，电容Cn的另一端连接开
关NMOS管M18的源极以及第n列从运放的输出控制信号Control_n，开关NMOS管
M18的栅极连接列选择信号S1<n-1>，开关NMOS管M18的漏极连接Contr...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晓娟，丁杰，沈玲羽，张杰，庞屹林，郭宇锋，吉新村，刘琦，孙国威，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32