一种用于数字像素读出电路中的电流-频率振荡器的制作方法

1.本发明属于图像传感器技术领域，特别涉及一种用于数字像素读出电路中的电流-频率振荡器。


背景技术：

2.在传统的模拟读出集成电路技术中，由探测器产生的电流在电容器(电子阱)中局部地累积和存储；积分时间内存储的最大电荷等于总电容与电容器两端的允许电压最大值的乘积，考虑到技术限制了有限的电压和电容密度，单位阱深从根本上决定了探测器焦平面阵列(fpa)的最大灵敏度。
3.数字像素读出集成电路(droic)通常包括一个前置放大器/缓冲器，一个由光电流到频率转换器(i-to-f转换器)连接到计数器/移位寄存器组成的像素内模数转换器电路，以及控制电路。数字像素读出集成电路通过像素内信号数字化来克服传统模拟焦平面阵列的局限性，可实现更大的动态范围，更快的低噪声全数字读出和片上处理以减少传感器功率。
4.红外焦平面探测器通常分为ponn和nonp两种类型，即探测器电流方向分为流入和流出两种。针对不同的探测器类型往往需要设计不同的数字像素读出电路和电流-频率振荡器，不能采用一种电流-频率振荡器对输入的信号进行处理，造成了资源的浪费以及测量信号困难的问题；因此，设计一种对ponn&nonp两种探测器类型兼容的数字像素读出电路架构具有极为重要的意义。


技术实现要素：

5.为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于数字像素读出电路中的电流-频率振荡器，该器件包括：电流缓冲电路、第一复位电路、第二复位电路以及比较器；电流缓冲电路的输入端连接外围匹配电路，电流缓冲电路的输出端连接比较器的输入端，所述外围匹配电路为探测器；第一复位电路和第二复位电路分别与比较器并联，构成电流-频率振荡器。
6.优选的，探测器为光敏二级管；所述光敏二级管为nonp型或者ponn型；若为nonp型光敏二极管，将光敏二级管的负极接地，正极连接电流缓冲电路的输入端；若为ponn型光敏二级，则光敏二级管的正极接地，负极连接电流缓冲电路的输入端。
7.优选的，电流缓冲电路包括mos管n2、mos管n3、mos管p2以及mos管p3；mos管n2的源极接探测器，漏极接mos管n3的源极，栅极接可调偏置电压；mos管n3的漏极接比较器的输入端口，栅极接电流方向控制信号；mos管p2的源极接探测器，漏极接mos管p3的源极，栅极接可调偏置电压；mos管p3的漏极接比较器输入端口，栅极接电流方向控制信号。
8.优选的，第一复位电路包括电位复位管p1和与非门逻辑阵列；电位复位管p1的源极接电源电压，漏极接比较器的输入端，栅极接与非门逻辑阵列的输出端；与非门逻辑阵列的第一输入端接电流方向控制信号，第二输入端接比较器的输出端。
9.优选的，第二复位电路包括电位复位管n1和或非门逻辑阵列；电位复位管n1的源极接地，漏极接比较器输入端，栅极接或非门逻辑阵列的输出端；或非门逻辑阵列的第一输入端连接电流方向控制信号，第二输入端连接比较器的输出端。
10.优选的，电流-频率振荡器中还包括一个积分电容，积分电容的上极板连接比较器的输入端，下极板接地。
11.本发明的有益效果：
12.本发明通过在电流-频率振荡器电路中加入电流方向控制逻辑电路，实现了兼容流入/流出两种探测器电流方向的数字像素读出电路，以非常小的面积和功耗为代价，大大增加了该电路的应用范围。
附图说明
13.为了使本发明的目的，技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
14.图1为现有技术中数字像素读出电路的原理结构图；
15.图2为本发明中的频率振荡器的电路的结构图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
18.一种数字像素读出电路，如图1所示，该电路包括：探测器、振荡器、计数器和位移寄存器以及数据总线构成；其中探测器用于获取光信号，并根据光电响应产生光电流，将产生的光电流传输到振荡器中；振荡器用于将光电流转换为一个频率与电流强弱相关的振荡信号(频率信号)，再将振荡信号(频率信号)转发到计数器和移位寄存器中；计数器和移位寄存器对此振荡信号(频率信号)计数后，通过数据总线输出。由于不同类型的探测器电流分为流入和流出两个方向，通常是设计不同的电流-频率振荡器电路，基于此，本发明提出一种兼容流入和流出两种探测器电流方向的数字像素读出电路，通过在电流-频率振荡器模块增加针对不同电流方向的控制电路，实现可兼容流入/流出两种探测器电流方向的电流转频率功能，增加了该电路的应用范围。
19.一种用于数字像素读出电路中的电流-频率振荡器的具体实施方式，如图2所示，该振荡器包括：电流缓冲电路、第一复位电路、第二复位电路以及比较器；电流缓冲电路的
输入端连接外围匹配电路，电流缓冲电路的输出端连接比较器的输入端，所述外围匹配电路为探测器；第一复位电路和第二复位电路分别与比较器并联，构成电流-频率振荡器。
20.探测器为光敏二级管；若光敏二级管为nonp型，则光敏二级管的负极接地，正极连接电流缓冲电路的输入端；若光敏二级管为ponn型，则光敏二级管的正极接地，负极连接电流缓冲电路的输入端。
21.可选的，探测器由第一光敏二级管构成，第一光敏二级管的负极接地，正极连接电流缓冲电路的输入端。
22.可选的，探测器由第二光敏二级管构成，第二光敏二级管的正极接地，负极连接电流缓冲电路的输入端。
23.优选的，第一光敏二级管和第二光敏二级管并联，共同构成探测器。将第一光敏二级管和第二光敏二级管并联可以输出不同方向的光电流，增加探测器的输出电压。
24.电流缓冲电路包括mos管n2、mos管n3、mos管p2以及mos管p3；mos管n2的源极接探测器，漏极接mos管n3的源极，栅极接可调偏置电压；mos管n3的漏极接比较器的输入端口，栅极接电流方向控制信号；mos管p2的源极接探测器，漏极接mos管p3的源极，栅极接可调偏置电压；mos管p3的漏极接比较器输入端口，栅极接电流方向控制信号。
25.电流缓冲mos管，串接在探测器电流输入端口与比较器输入端口之间；并联了支持ponn(流入电流)和nonp(流出电流)两种电流方向的缓冲mos管n2、p2和对应的开关控制管n3、p3。
26.比较器，其输入端接电流缓冲模块的输出端口，输出端接本探测单元的频率信号输出端口，用于探测器电流不断充电或放电过程中产生振荡脉冲信号。
27.优选的，电流-频率振荡器中还包括一个积分电容cint，积分电容的上极板vint连接比较器的输入端，下极板接地；通过探测器电流对此电容进行充电或放电。
28.复位电路，包括对ponn类型探测器复位的n1管及其控制逻辑，对nonp类型探测器复位的p1管及其控制逻辑；用于对比较器输入节点vint复位到电源电压或是地电位。
29.优选的，第一复位电路包括电位复位管p1和与非门逻辑阵列；电位复位管p1的源极接电源电压，漏极接比较器的输入端，栅极接与非门逻辑阵列的输出端；与非门逻辑阵列的第一输入端接电流方向控制信号，第二输入端接比较器的输出端。
30.优选的，第二复位电路包括电位复位管n1和或非门逻辑阵列；电位复位管n1的源极接地，漏极接比较器输入端，栅极接或非门逻辑阵列的输出端；或非门逻辑阵列的第一输入端连接电流方向控制信号，第二输入端连接比较器的输出端。
31.具体的，电流-频率振荡器包括：输入缓冲mos管n2和p2及该支路开关控制管n3、p3；n2管源极接探测器，漏极接n3管的源极，栅极接可调偏置电压vcomp，n3管漏极接比较器输入端口vint，n3管栅极接电流方向控制信号i_dir；p2管源极接探测器，漏极接p3管的源极，栅极接可调偏置电压vcomp1，p3管漏极接比较器输入端口vint，p3管栅极接电流方向控制信号i_dir。
32.积分电容cint上极板接在比较器输入端vint，下极板接地；比较器输出端接复位电路输入端口；复位电路中电源电位复位管p1源极接电源电压，漏极接比较器输入端vint，栅极由电流方向控制信号i_dir和比较器输出端共同组成的逻辑电路控制；复位电路中地电位复位管n1源极接地电位，漏极接比较器输入端vint，栅极由电流方向控制信号i_dir和
比较器输出端共同组成的逻辑电路控制。
33.电流-频率振荡器电路的工作原理为：
34.1)当探测器类型为ponn型时，探测器电流为流入方向；此时，配置i_dir信号为低电平，缓冲支路n2、n3断开，探测器电流通过p2、p3支路流入；i_dir为低使得复位管p1一直保持关断，复位管n1在比较器输出为高时关断；探测器电流对积分电容cint充电，当电容电压vint达到比较器翻转电压后，比较器输出由高电平变为低电平；复位管n1导通，电容上极板电压vint被复位管n1复位到地电位，此时比较器输出又翻转为高电平，复位管n1断开，探测器电流又对电容cint充电直到比较器输出翻转后复位到地电位；由此不断循环充放电，比较器输出端产生与探测器电流大小成比例的脉冲频率信号；
35.2)当探测器类型为nonp型时，探测器电流为流出方向；此时，配置i_dir信号为高电平，缓冲支路p2、p3断开，探测器电流通过n2、n3支路流出；i_dir为高使得复位管n1一直保持关断，复位管p1在比较器输出为低时关断；探测器电流对积分电容cint放电，当电容电压vint放电低于比较器翻转电压后，比较器输出由低电平变为高电平；复位管p1导通，电容上极板电压vint被复位管p1复位到电源电压，此时比较器输出又翻转为低电平，复位管p1断开，探测器电流又对电容cint放电直到比较器输出翻转后复位到电源电压；由此不断循环充放电，比较器输出端产生与探测器电流大小成比例的脉冲频率信号。
36.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。