具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路，該電路通過采用具有記憶功能的背景抑制電路模塊，首先將2×2排列的四個(gè)像元背景電流的平均電流進(jìn)行復(fù)制記憶，然后將這個(gè)電流作為四個(gè)像元的背景電流從光電流中減去，最后通過使用高增益共享式負(fù)反饋運(yùn)放的SBDI前置輸入級(jí)電路模塊積分得到一個(gè)電壓信號(hào)，并通過采樣保持電路模塊將該信號(hào)采樣到采樣電容上，最后通過單位增益輸出級(jí)模塊將模擬信號(hào)輸出。該電路實(shí)現(xiàn)了對不同像元背景電流的記憶，并在信號(hào)處理之前減去了背景電流，有效延長了積分時(shí)間，增加了對比度，提高了輸出信號(hào)的信噪比。
【專利說明】具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外焦平面讀出集成電路，具體指一種具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路(Readout Integrated Circuit-ROIC),它用于甚長波紅外焦平面陣列(Infrared Focus Plane Array-1RFPA)中，可以將探測器各像元背景電流進(jìn)行精確復(fù)制記憶，并從光電流中減除，只對有效光信號(hào)電流進(jìn)行積分放大、采樣保持和信號(hào)輸出。
【背景技術(shù)】
[0002]甚長波紅外焦平面是先進(jìn)紅外系統(tǒng)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后，在紅外福射的入射位置上產(chǎn)生一個(gè)與入射紅外福射性能有關(guān)的局部電荷，傳輸給對應(yīng)的讀出電路單元。讀出電路將對這些電信號(hào)進(jìn)行積分放大、采樣保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。
[0003]由于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(shí)驗(yàn)室環(huán)境等多種因素影響。受現(xiàn)有工藝條件限制，現(xiàn)階段甚長波探測器其自身等效電阻比較小，一般小于10ΚΩ ;因此，讀出電路輸入級(jí)的輸入電阻必須非常小。同時(shí)，為了防止產(chǎn)生過大的漏電流，探測器必須工作在精確的“零偏”狀態(tài)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(shè)計(jì)提出了很高的要求。
[0004]由于使用了負(fù)反饋運(yùn)放，一般采用BD1、CTIA、BGMI等結(jié)構(gòu)作為甚長波紅外焦平面讀出電路的前置輸入級(jí)。常規(guī)情況下采用單級(jí)放大器或五管差動(dòng)放大器，雖然其低溫工作性能良好，但由于增益較低，光電流注入效率非常低，探測器工作不穩(wěn)定，噪聲較大，難以滿足實(shí)際需求。另外，現(xiàn)有的背景抑制電路一種是使用簡單的電壓一電流轉(zhuǎn)換法，其精度低，并且其均至于BDI前置輸入級(jí)的注入管之后，受MOS管溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，生成的背景電流不穩(wěn)定；另一種具有記憶功能的背景抑制電路由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用面積大，很難在單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，讀出電路單元面積有限，且必須使用較大的積分電容和采樣電容，二者很難進(jìn)行折衷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路。該電路適用于甚長波紅外焦平面陣列，其將探測器各個(gè)像元對應(yīng)的背景電流自動(dòng)平均、復(fù)制、記憶，采用2X2共享SBDI前置輸入級(jí)模塊作為輸入級(jí)，解決現(xiàn)有背景抑制精度低，無法對各像元單獨(dú)完成復(fù)制記憶，信號(hào)采集難度大，采集信號(hào)信噪比較低的問題。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明公開了一種具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路，采用HHNEC0.35umlP4M 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝，在 EDA (Electronic Design Automatic 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)設(shè)計(jì)平臺(tái)中搭建電路，主要實(shí)現(xiàn)對探測器信號(hào)的背景抑制、放大積分、采樣保持和輸出。該電路包括以下功能模塊:背景抑制電路模塊、SBDI前置輸入級(jí)模塊、采樣保持電路模塊、電流鏡像電路模塊、單位增益輸出級(jí)電路模塊和時(shí)序控制電路模塊，其中:
[0008](I)SBDI前置輸入級(jí)模塊采用共享緩沖直接注入電路結(jié)構(gòu)(Shared BufferedDirect Injection-SBDI),如圖2所示,其中負(fù)反饋運(yùn)算采用共享套筒式結(jié)構(gòu),如圖3所示，它由MgO~Mg7八個(gè)共享MOS管和Mg8~Mgl9十二個(gè)各像元單獨(dú)使用的MOS管構(gòu)成SBDI輸入級(jí)模塊的負(fù)反饋運(yùn)放；該運(yùn)放開環(huán)增益A大于80dB，此時(shí)光電流的注入效率達(dá)到99% ；所述的共享緩沖直接注入電路中的積分電容采用NW電容；同時(shí)，設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器使其公共端輸入符合探測器偏壓的設(shè)定。該電路模塊負(fù)責(zé)將探測器光電流信號(hào)讀出，用以完成后續(xù)對背景電流的復(fù)制記憶和有效光信號(hào)的積分采樣；并使探測器維持在精確的小反偏狀態(tài)。
[0009]( 2 )采樣保持電路模塊直接由傳輸門進(jìn)行控制，如圖4所示，將積分信號(hào)由積分電容轉(zhuǎn)移至采樣電容。其工作原理如下:將積分電容C1、C2復(fù)位至高電平后開始積分；同時(shí)，在SEL閉合之前將采樣電容C3復(fù)位至低電平0V。積分完成后，閉合SEL開關(guān)，將C1、C2上的積分電荷轉(zhuǎn)移到采樣電容C3上去，其采樣電壓值為:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種具有記憶功能背景抑制結(jié)構(gòu)的讀出集成電路，它由背景抑制電路模塊、SBDI前置輸入級(jí)模塊、采樣保持電路模塊、電流鏡像電路模塊、單位增益輸出級(jí)模塊和時(shí)序控制電路模塊構(gòu)成；其模塊特征在于: 所述的背景抑制電路模塊其結(jié)構(gòu)包括簡單鏡像電路、3個(gè)記憶電容、記憶管和4個(gè)MOS管控制開關(guān)，其中所述的簡單鏡像電路有一對寬長比為2:1和1:1的NMOS管與一對寬長比為5:1和1:1的PMOS管構(gòu)成；所述的3個(gè)記憶電容是500fF、50fF和500fF三個(gè)NW電容，它們首尾相連形成環(huán)狀，二個(gè)500fF記憶電容相連端接電源VDD ;所述的記憶管采用寬長比為4:3的PMOS管，它的源極S端與簡單鏡像電路的輸出端相連，漏極D端與控制開光相連，柵極G端與一個(gè)500fF與50fF的相連端相接；所述的4個(gè)MOS管控制開關(guān)是兩對由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS虛擬管構(gòu)成的開關(guān)，其中NMOS管牝和PMOS虛擬管&構(gòu)成的控制開關(guān)一端連接記憶管的柵極G端，另一端連接記憶管的漏極D端，NMOS管Φ2和PMOS虛擬管名構(gòu)成的控制開關(guān)一端連接第二個(gè)500fF與50fF記憶電容的相接端,另一端連接記憶管的漏極D端； 所述的SBDI前置輸入級(jí)模塊采用共享緩沖直接注入電路結(jié)構(gòu)，由MgO?Mg7八個(gè)共享MOS管和Mg8?Mgl9十二個(gè)各像元單獨(dú)使用的MOS管構(gòu)成SBDI輸入級(jí)模塊的負(fù)反饋運(yùn)放，所述的共享緩沖直接注入電路中的積分電容采用NW電容； 讀出集成電路的連接關(guān)系為:由SBDI前置輸入級(jí)模塊采集探測器電流信號(hào)，經(jīng)連接通道I的電流鏡像電路模塊與背景抑制電路模塊相連，并經(jīng)通道II反饋至SBDI前置輸入級(jí)模塊的輸入端；后續(xù)連接采樣保持電路模塊、單位增益輸出級(jí)模塊兩個(gè)模塊，對信號(hào)進(jìn)行采樣、保持、放大處理。時(shí)序控制電路模塊直接與SBDI前置輸入級(jí)模塊、采樣保持電路模塊、單位增益輸出級(jí)模塊相連，通過控制總線直接控制這三個(gè)模塊，并通過這三個(gè)模塊間接控制背景抑制電路模塊。
【文檔編號(hào)】G01J5/24GK103852174SQ201410020965
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月26日
【發(fā)明者】郝立超, 丁瑞軍, 黃愛波, 陳洪雷, 張君玲 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所