一種逐元暗電流抑制的cmos紅外探測(cè)器讀出電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及紅外探測(cè)器讀出電路領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種線列中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器 CMOS讀出電路設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器在低溫目標(biāo)探測(cè)、超視距探測(cè)和抗干擾目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有極 其重要的用途，因此一直是紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，中波探測(cè)器（波長(zhǎng) 在3. 5~4ym)仍W化CdTe探測(cè)器為主，其一般工作在高背景下，會(huì)產(chǎn)生很大的背景電流。 同時(shí)，HgCdTe中長(zhǎng)波紅外器件本身的暗電流也比較大，且存在比較大的非均勻性，信號(hào)讀出 時(shí)極易出現(xiàn)各元的信號(hào)高低不平，部分信號(hào)無(wú)法讀出，該種現(xiàn)象大大降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范 圍。
[0003] 通過(guò)探測(cè)器工藝的改進(jìn)是減小暗電流和非均勻性的一條途徑，但許多關(guān)鍵性的技 術(shù)還有待進(jìn)一步的研究，探測(cè)器的暗電流和非均勻性還達(dá)不到理想情況。通過(guò)改進(jìn)探測(cè)器 讀出電路的設(shè)計(jì)，是另外一個(gè)解決暗電流W及背景電流問(wèn)題的途徑。比如，緩沖柵極調(diào)制輸 入炬GMI)電路通過(guò)非平衡電流鏡技術(shù)，獲得高電荷敏感度；通過(guò)電流模式背景抑制結(jié)構(gòu)， 來(lái)增大電路的動(dòng)態(tài)范圍的。輸入失調(diào)電壓補(bǔ)償電路則是通過(guò)開(kāi)關(guān)電容補(bǔ)償，使輸入端電壓 偏置趨于零，通過(guò)結(jié)合相關(guān)雙采樣技術(shù)和自歸零技術(shù)，有效降低失調(diào)電壓引起的固定圖像 噪聲和1/f噪聲。但對(duì)于暗電流較大且非均勻性比較嚴(yán)重的線列中波紅外探測(cè)器而言，該 些方法都存在不同程度的局限性，信號(hào)讀出達(dá)不到理想的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種逐元暗電流抑制的CMOS紅外探測(cè)器讀出電路，解決 由于探測(cè)器非均勻性而帶來(lái)的電路輸出擺幅過(guò)小的問(wèn)題，從而提高中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出 電路的設(shè)計(jì)水平。
[0005] 本發(fā)明的一種逐元暗電流抑制的CMOS紅外探測(cè)器讀出電路包括輸入電路、積分 電路、輸出電路，其中：
[0006] 所述的輸入電路采用電流存儲(chǔ)單元和電流鏡相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，電流存儲(chǔ)單元分布在 線列電路每個(gè)象元中，設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)暗電流定制化調(diào)制的外部電壓調(diào)節(jié)端口；電流鏡布局 在線列電路的左右兩端，電流鏡調(diào)節(jié)端有用于實(shí)現(xiàn)暗電流整體抑制的粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)外部 調(diào)節(jié)端口；
[0007] 所述的電流存儲(chǔ)單元由控制開(kāi)關(guān)、傳輸口對(duì)、虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)、電容禪合回路W及電流 存儲(chǔ)管組成，其中，控制開(kāi)關(guān)為一個(gè)NM0S管，其柵極設(shè)有外部電壓調(diào)節(jié)端口；傳輸口對(duì)由兩 個(gè)CMOS傳輸口組成，每個(gè)CMOS傳輸口由一個(gè)PM0S管和一個(gè)NM0S管并聯(lián)而成；虛擬開(kāi)關(guān)對(duì) 由兩組虛擬開(kāi)關(guān)組成，每組虛擬開(kāi)關(guān)由兩個(gè)NM0S管組成，其中一個(gè)NM0S管源漏短接，并且 寬長(zhǎng)比是另外一個(gè)NM0S管的1/2;電容禪合回路由S個(gè)電容組成；電流存儲(chǔ)管為NM0S管； 控制開(kāi)關(guān)一端連接探測(cè)器輸入端，一端連接傳輸口對(duì)；傳輸口對(duì)另一端連接兩組虛擬開(kāi)關(guān) 對(duì)；虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)另一端連接電容禪合回路；而電容禪合回路另一端連接電流存儲(chǔ)管柵極， 用于存儲(chǔ)電流存儲(chǔ)管柵極電壓；
[000引所述的電流鏡單元由兩組電流鏡組成，分別負(fù)責(zé)粗調(diào)和微調(diào)；兩組電流鏡并聯(lián)連 接，每組電流鏡由一個(gè)NMOS管、兩個(gè)PMOS管組成；粗調(diào)電流鏡NMOS管寬長(zhǎng)比大于細(xì)調(diào)電流 鏡，同時(shí)，細(xì)調(diào)電流鏡的兩個(gè)PMOS管寬長(zhǎng)比比值大于粗調(diào)電流鏡；粗調(diào)和細(xì)調(diào)端口分別加 于兩個(gè)NMOS管柵極上，電流鏡輸出端連接放大器輸入端。
[0009] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種基于電流存儲(chǔ)單元和電流鏡方式結(jié)合的高性能中長(zhǎng)波紅外探 測(cè)器N元線列讀出電路，可滿足在90K溫度下工作的中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器信號(hào)讀出的需要， 適合不同響應(yīng)率探測(cè)器的信號(hào)讀出。其電路的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電流存儲(chǔ)單元前 置結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)，差分放大器的CTIA，CDS+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級(jí)的電流鏡， 由兩組電流鏡組成，分別負(fù)責(zé)粗調(diào)和微調(diào)。兩組電流鏡并聯(lián)連接，每組電流鏡由一個(gè)NMOS 管，兩個(gè)PMOS管組成。粗調(diào)電流鏡NMOS管（NM4)寬長(zhǎng)比大于細(xì)調(diào)電流鏡NMOS管（NM5)， 同時(shí)，細(xì)調(diào)電流鏡的兩個(gè)PMOS管（PM9/PM7)寬長(zhǎng)比比值大于粗調(diào)電流鏡（PM10/PM8)。粗 調(diào)（PB2)和細(xì)調(diào)（PB1)端口分別加于兩個(gè)NMOS管柵極上，電流鏡輸出端連接放大器輸入 端。圖3是輸入級(jí)的電流存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，由控制開(kāi)關(guān)、傳輸口對(duì)、虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)、電容禪合回路 W及電流存儲(chǔ)管組成。其中，控制開(kāi)關(guān)為一個(gè)NMOS管（醒2)，其柵極設(shè)有外部電壓調(diào)節(jié)端 口（Vcontrol);傳輸口對(duì)由兩個(gè)CMOS傳輸口組成（醒3/PM2、NM0/PM3)，每個(gè)CMOS傳輸口由 一個(gè)PMOS管和一個(gè)NMOS管并聯(lián)而成；虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)由兩組虛擬開(kāi)關(guān)（NM4/NM5、NM6/NM7)組 成，每組虛擬開(kāi)關(guān)由兩個(gè)NMOS管組成，其中一個(gè)NMOS管源漏短接，并且寬長(zhǎng)比是另外一個(gè) NMOS管的1/2 ;電容禪合回路由S個(gè)電容組成（Q、Ci、C2);電流存儲(chǔ)管為NMOS管（NM8)?？?制開(kāi)關(guān)一端連接探測(cè)器輸入端，一端連接傳輸口對(duì)；傳輸口對(duì)另一端連接兩組虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)； 虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)另一端連接電容禪合回路；而電容禪合回路另一端連接電流存儲(chǔ)管柵極，用于 存儲(chǔ)電流存儲(chǔ)管柵極電壓。
[0010] 該電路采用電流存儲(chǔ)單元和電流鏡輸入方式相結(jié)合的讀出電路結(jié)構(gòu)，對(duì)探測(cè)器 各單元的非均勻性起到了逐元抑制的作用；輸入端粗調(diào)的設(shè)置，能擴(kuò)大電路對(duì)中長(zhǎng)波紅 外探測(cè)器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設(shè)置能精確設(shè)置系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)；電流 存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)，可W有效降低探測(cè)器帶來(lái)的輸出信號(hào)的不均勻性，非均勻性抑制比可 達(dá)-22. 7地；在畫版圖時(shí)電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線且左右兩端都設(shè)置電 流鏡，能有效地降低系統(tǒng)的非均勻性。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0012] 1.電流存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)，可W有效降低探測(cè)器帶來(lái)的輸出信號(hào)的不均勻性，非均 勻性抑制比可達(dá)-22. 7地；
[0013] 2.電路輸入端采用電流鏡方式，設(shè)有粗調(diào)、微調(diào)兩個(gè)端口，輸入端粗調(diào)的設(shè)置，能 擴(kuò)大電路對(duì)非制冷紅外探測(cè)器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設(shè)置能精確設(shè)置系統(tǒng)的最 佳工作狀態(tài)；
[0014] 3.電流鏡布局在線列電路的左右兩端，在畫版圖時(shí)地線采用寬度大于100微米的 金屬線，電路的非線性能得到有效地改善；
[0015] 4.中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造而成，保證 了巧片制造的可重復(fù)性。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1逐元暗電流抑制的中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖2逐元暗電流抑制的中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出電路電流鏡部分結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖3逐元暗電流抑制的中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出電路電流存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖
[0019] 圖4逐元暗電流抑制的中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器讀出電路工作波形圖
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0021] 實(shí)施方式1
[0022] 此發(fā)明采用輸入端為電流存儲(chǔ)單元和電流鏡方式相結(jié)合的方式來(lái)設(shè)計(jì)中長(zhǎng)波紅 外探測(cè)器線列讀出電路，其單元結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器一端接參考電壓，一 端接到CTIA放大器輸入端；參考電壓為CTIA積分時(shí)的起始電壓，一般設(shè)定為1. 5V，最低不 能低于NMOS管的闊值電壓，否則會(huì)在信號(hào)的低端出現(xiàn)失真。。為積分電容，可W根據(jù)中長(zhǎng) 波紅外探測(cè)器響應(yīng)率的大小進(jìn)行選擇；為使線列的探測(cè)器信號(hào)能順序讀出，需在CTIA的輸 出端加入CDSN跟隨，后面再連接P跟隨。電路的讀出分為兩個(gè)階段；校準(zhǔn)階段和積分讀出 階段。在校準(zhǔn)階段，CTIA放大器輸入端斷開(kāi)，暗電流流入電流存儲(chǔ)單元，完成信號(hào)校準(zhǔn)；之 后，CTIA放大器完成復(fù)位，輸入端打開(kāi)，調(diào)節(jié)電流鏡調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)行信號(hào)積分，隨后進(jìn)行 相關(guān)雙采樣輸出。電路的主要脈沖輸入信號(hào)如圖4所示。
[0023] 實(shí)施方式2
[0024] 該電路在輸入端電流鏡方式的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于PM9的寬長(zhǎng)比是PM10的 2倍，NM4的寬長(zhǎng)比是醒5的8倍，所WPM8和PM10構(gòu)成粗調(diào)控制的輸入級(jí)電流鏡，PM7和 PM9構(gòu)成微調(diào)控制的輸入級(jí)電流鏡，PBUPB2分別為微調(diào)、粗調(diào)外端口。在畫版圖時(shí)，電流鏡 布局在線列電路的左右兩端，地線采用寬度大于100微米的金屬線。采用該方法設(shè)計(jì)的線 列160電路其非線性度小于1%。
[0025] 電流鏡部分的管子參考尺寸如下表所示（單位為微米）。
[0026]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種逐元暗電流抑制的CMOS紅外探測(cè)器讀出電路，它包括輸入電路、積分電路、輸 出電路，其特征在于： 所述的輸入電路采用電流存儲(chǔ)單元和電流鏡相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其中，電流存儲(chǔ)單元分布 在線列電路每個(gè)象元中，設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)暗電流定制化調(diào)制的外部電壓調(diào)節(jié)端口；電流鏡布 局在線列電路的左右兩端，電流鏡調(diào)節(jié)端有用于實(shí)現(xiàn)暗電流整體抑制的粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)外 部調(diào)節(jié)端口； 所述的電流存儲(chǔ)單元由控制開(kāi)關(guān)、傳輸門對(duì)、虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)、電容耦合回路以及電流存儲(chǔ) 管組成，其中，控制開(kāi)關(guān)為一個(gè)NMOS管，其柵極設(shè)有外部電壓調(diào)節(jié)端口；傳輸門對(duì)由兩個(gè) CMOS傳輸門組成，每個(gè)CMOS傳輸門由一個(gè)PMOS管和一個(gè)NMOS管并聯(lián)而成；虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)由 兩組虛擬開(kāi)關(guān)組成，每組虛擬開(kāi)關(guān)由兩個(gè)NMOS管組成，其中一個(gè)NMOS管源漏短接，并且寬 長(zhǎng)比是另外一個(gè)NMOS管的1/2 ;電容耦合回路由三個(gè)電容組成；電流存儲(chǔ)管為NMOS管；控 制開(kāi)關(guān)一端連接探測(cè)器輸入端，一端連接傳輸門對(duì)；傳輸門對(duì)另一端連接兩組虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)； 虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)另一端連接電容耦合回路；而電容耦合回路另一端連接電流存儲(chǔ)管柵極，用于 存儲(chǔ)電流存儲(chǔ)管柵極電壓； 所述的電流鏡單元由兩組電流鏡組成，分別負(fù)責(zé)粗調(diào)和微調(diào)；兩組電流鏡并聯(lián)連接，每 組電流鏡由一個(gè)NMOS管、兩個(gè)PMOS管組成；粗調(diào)電流鏡NMOS管寬長(zhǎng)比大于細(xì)調(diào)電流鏡，同 時(shí)，細(xì)調(diào)電流鏡的兩個(gè)PMOS管寬長(zhǎng)比比值大于粗調(diào)電流鏡；粗調(diào)和細(xì)調(diào)端口分別加于兩個(gè) NMOS管柵極上，電流鏡輸出端連接放大器輸入端。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種逐元暗電流抑制的CMOS紅外探測(cè)器讀出電路，讀出電路包括輸入電路、積分電路、輸出電路三部分。輸入電路采用電流存儲(chǔ)單元和電流鏡相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。其中，電流存儲(chǔ)單元分布在線列電路每個(gè)象元中，由傳輸門、虛擬開(kāi)關(guān)對(duì)以及電容耦合回路組成，可以實(shí)現(xiàn)暗電流定制化調(diào)制；電流鏡布局在線列電路的左右兩端，可以實(shí)現(xiàn)暗電流整體抑制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：輸入端電流存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)可以有效降低探測(cè)器信號(hào)非均勻性；輸入端電流鏡設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口既擴(kuò)大了電路對(duì)中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器工作電流的適用范圍又能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；電路的功耗低，采用亞微米CMOS工藝制造的重復(fù)性好。
【IPC分類】G01J5-10
【公開(kāi)號(hào)】CN104748864
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510145361
【發(fā)明人】宋偉清, 袁紅輝, 周廉, 白濤
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日