【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及紅外焦平面陣列，尤其涉及一種小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路及紅外焦平面陣列。
技術介紹
1、紅外焦平面陣列(fpa)在安全監控、醫療診斷以及工業檢測等多個領域應用廣泛。紅外焦平面陣列由紅外傳感器陣列和讀出電路組成。探測器主要用于光信號到電信號的轉換；讀出電路則進一步處理轉換后的電信號，包括積分、采樣、保持、放大及選擇讀出，對整個紅外焦平面陣列的工作性能起著至關重要的作用。
2、隨著圖像傳感器技術的不斷發展，像元尺寸的縮小提升了焦平面陣列的空間分辨率，提高了圖像成像質量和系統識別能力，且有利于降低組件的體積和重量。然而像元尺寸的減小要求讀出電路的像素單元也隨之減小，要求具有低噪聲、高動態范圍讀出電路。
3、相關技術中，一方面，在小像元中采用簡單的直接注入(di)結構來控制像元面積時，雖然能夠較好地適應尺寸上的限制，但對于微弱電流的處理效果并不理想，導致信噪比下降。另一方面，電容轉導積分放大器(ctia)讀出電路雖然可以提供較好的噪聲抑制和高增益特性，但由于其自身放大器所需的較大占用面積，難以被應用于小像元設計之中，或者即使使用也會因為噪聲大、動態范圍不足等問題影響整體性能。此外，相關雙采樣(cds)電路是一種廣泛應用于讀出電路中的噪聲抑制方法，通過對復位電壓和積分最終電壓分別采樣并做減法可以有效消除電路的復位噪聲。不過，由于需要進行多次采樣和保持操作，cds電路的設計面積通常較大；為了減小設計面積，通常采用列級cds方案，但列級cds設計時序復雜，難以實現多種數據讀出模式。而像元內的cds
4、在焦平面電路的設計過程中，現有的結構總是無法兼顧小像元、低噪聲和高動態范圍，這限制了某些關鍵應用場景下的圖像質量。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路及紅外焦平面陣列，解決了相關技術中紅外圖像傳感器在小像元條件下，如何兼顧低噪聲和高動態范圍的問題。
2、為達到上述目的，本申請采用如下技術方案：
3、第一方面，提供一種小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，針對所述讀出電路陣列中像元及列級傳輸電路，包括：ctia電路、cds電路、列級傳輸電路以及時序控制電路；
4、所述ctia電路包括：光電探測器d1、單端共源共柵放大器amp、復位開關rst、版圖提取寄生電容c0、一檔電容c1及選擇開關gs0、二檔電容c2及選擇開關gs1、三檔大電容c3及選擇開關gs2/gs2_、amp帶寬限制電容c4；
5、所述光電探測器d1，p極連接襯底電壓subpv，n極連接所述單端共源共柵放大器amp的輸入級；所述單端共源共柵放大器amp的輸入級還與所述復位開關rst的一端、版圖提取寄生電容c0的上極板、選擇開關gs0的一端、選擇開關gs1的一端以及選擇開關gs2的一端相連接；所述選擇開關gs0的另一端與所述一檔電容c1的上極板連接；所述選擇開關gs1的另一端與所述二檔電容c2的上極板連接；所述選擇開關gs2的另一端與所述三檔電容c3的上極板連接；所述單端共源共柵放大器amp的輸出級與所述復位開關rst的另一端、版圖提取寄生電容c0的下極板、一檔電容c1的下極板、二檔電容c2的下極板、三檔電容c3的下極板、帶寬限制電容c4下極板相連，并作為所述ctia電路輸出端口與所述cds電路相連；
6、所述ctia電路配置為根據光電流的大小選擇對應輸出通道的積分電容組合；
7、所述時序控制電路用于產生電路工作所需的時序控制信號，包括輸出通道選擇開關。
8、在第一方面的第一種可能的實現方式中，所述cds電路包括：pmos鉗位電容q4、鉗位開關clamp、源極跟隨器、采樣開關sh以及nmos采樣電容q7；
9、所述pmos鉗位電容q4的柵極與所述ctia電路的輸出級相連，其源極、漏極以及襯底與所述鉗位開關clamp的一端相連，并輸入到所述源極跟隨器的輸入級；所述源極跟隨器由mos晶體管q5和mos晶體管q6構成，所述源極跟隨器的輸出級與所述采樣開關sh的一端相連，所述采樣開關的另一端與所述nmos采樣電容q7的柵極相連并作為所述cds電路的輸出端口與所述列級傳輸電路相連。
10、在第一方面的第二種可能的實現方式中，所述列級傳輸電路包括：nmos輸入管q8和列級選擇開關管q9；
11、所述列級選擇開關管q9作為行選擇控制開關使用，由數字產生的rs信號控制。
12、在第一方面的第三種可能的實現方式中，所述復位開關rst由外部輸入信號rst進行控制；所述選擇開關gs0、gs1、gs2\gs2_由數字部分產生的列級增益控制信號gs0、gs1以及一對相反信號gs2\進行控制。
13、在第一方面的第四種可能的實現方式中，所述的根據光電流的大小選擇對應輸出通道的積分電容組合，具體包括：
14、所述光電流預估在0～1pa，則選擇積分電容c0的輸出通道，此時gs0、gs1、gs2為低電平；
15、所述光電流預估1～60pa，選擇積分電容c0+c1的輸出通道，對應信號gs0為高電平，gs1、gs2為低電平；
16、所述光電流預估60～200pa，選擇積分電容c0+c1+c2的輸出通道，對應信號gs0、gs1為高電平，gs2為低電平；
17、所述光電流預估超過200pa，選擇積分電容c0+c1+c2+c3的輸出通道，對應信號gs0、gs1、gs2均為高電平。
18、基于第一方面的第四種可能的實現方式，在第一方面的第五種可能的實現方式中，選擇開關gs0、gs1控制低檔位積分電容，選擇開關gs2控制高檔位積分電容；
19、選擇低檔位積分電容時所述三檔大電容c3與amp帶寬限制電容c4并聯作為單端共源共柵放大器amp的負載電容限制帶寬進而抑制單端運放噪聲；選擇高檔位積分電容時所述三檔大電容c3作為積分電容使用，僅僅所述amp帶寬限制電容c4作為負載電容抑制噪聲。
20、基于第一方面的第一種可能的實現方式，在第一方面的第六種可能的實現方式中，在所述ctia電路復位階段，通過clamp信號控制pmos電容進行電荷存儲，實現了電壓鉗位，鉗位后，所述源極跟隨器將所述鉗位電壓提升一個pmos管閾值電壓，并傳輸至nmos采樣電容。
21、基于第一方面的第二種可能的實現方式，在第一方面的第六種可能的實現方式中，所述列級傳輸電路支持先積分后讀出和邊積分邊讀出兩種工作模式。
22、基于第一方面的任一種可能的實現方式，在第一方面的第七種可能的實現方式中，所述讀出電路還包括輸出級，所述輸出級由兩級運放實現，第一級為折疊共源共柵放大器，第二級為霍格沃斯特輸出級，構成ab類輸出運放結構。
23、第二方面，提供一種小像元紅外焦平面陣列，包括如第一方面所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路。
24、本申請電路結構通過改本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，針對所述讀出電路陣列中像元及列級傳輸電路，包括：CTIA電路、CDS電路、列級傳輸電路以及時序控制電路；
2.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
3.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
4.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
5.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
6.根據權利要求5所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
7.根據權利要求2所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
8.根據權利要求3所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
9.根據權利要求1-7任一項所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
10.一種小像元紅外焦平面陣列，其特征在于，
【技術特征摘要】
1.一種小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，針對所述讀出電路陣列中像元及列級傳輸電路，包括：ctia電路、cds電路、列級傳輸電路以及時序控制電路；
2.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
3.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
4.根據權利要求1所述的小像元內低噪聲和高動態范圍讀出電路，其特征在于，
5.根據權利要求1所述的小...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳潤，薛艷茹，王靜，魏婷婷，樓劍秋，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第十一研究所，
類型：發明
國別省市：
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