一种用于光电探测器中的动态范围读出电路的制作方法

1.本发明涉及积分电流读出技术领域，具体而言，涉及一种用于光电探测器中的动态范围 读出电路。


背景技术：

2.光电探测器常用于成像探测领域，如安防监控、医疗成像、汽车等应用场合。随着信息 技术的发展，对探测器的成像质量也提出了更高的要求。
3.光电探测器产生的电信号通常需要后续的读出电路进行放大处理，传统的读出电路采用 4t结构电路，为了进一步消除噪声，在4t结构的基础上加入相关双采样电路，构成8t像素 电路。8t像素电路虽然消除了噪声带来的影响，但8t结构的像素电路存在两级源极跟随器， 使信号输出电压衰减，输出电压vout会比积分后的电压vp低v
gs3
v
gs7
，因此输出范围减 少了v
gs3
v
gs7
，严重的限制了电路的输出范围，进一步降低电路的动态范围。
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是现有技术中，光电检测器读出电路的电信号被限制，且输 出信号小，目的在于提供一种用于光电探测器中的动态范围读出电路，能够增加光电检测器 读出电路的输出信号。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种用于光电探测器中的动态范围读出电路，包括相关双采样电路，所述相关双采样电 路包括复位噪声消除单元以及升压单元；
8.所述复位噪声消除单元用于对积分光电流信号进行噪声消除；
9.所述升压单元用于在第二次采样电流信号完成时，增加相关双采样电路输出的电流信号。
10.传统的光电检测器读出电信号，采用的是8t像素电路，但是在采用8t像素电路对光电 检测器的信号进行读出时，8t结构的像素电路的两级源极跟随器，会导致输出的电压衰减， 严重的时候会限制电路输出范围。本发明提供了一种用于光电探测器中的动态范围读出电路， 通过在相关双采样电路上，在双采样完成后给输出电路增加电信号，来增加光电检测器的输 出信号，扩大了光电检测器输出信号范围。
11.优选地，所述复位噪声消除单元包括第一采样晶体管、第二采样晶体管、第三采样晶体 管；
12.所述第一采样晶体管的漏极用于接收积分光电流信号，所述第一采样晶体管的源极通过 第一电容与所述第三采样晶体管的漏极连接，所述第三采样晶体管的源极接地；所述第一采 样晶体管的源极通过第二电容与所述第二采样晶体管的源极连接，所述第二采样晶体管的漏 极与信号源连接，所述第二采样晶体管的源极输出电流信号。
13.优选地，所述升压单元包括控制开关、电流源以及升压晶体管，所述升压晶体管的
源极 接地，所述升压晶体管的漏极与电源连接，所述升压晶体管的栅极以及所述电源均通过控制 开关与所述第一电容连接。
14.优选地，当获取传输过来的积分电流信号后，通过所述第二电容对积分电流信号进行相 关双采样，在将所述第三采样晶体管关闭，升压单元通过所述第一电容增加所述第二电容的 电压信号。
15.优选地，所述读出电路还包括积分电路与信号输出电路，所述积分电路用于对光电探测 器产生的光电流信号进行积分，并将积分后的光电流信号输入到所述复位噪声消除单元中；
16.所述信号输出电路用于接收所述复位噪声消除单元输入的电流信号，并将获得的电流信 号进行输出。
17.优选地，所述积分电路包括传输开关管、复位晶体管、第一源随晶体管以及偏置晶体管， 所述传输开关管的漏极与光电探测器连接，所述传输开关管的源极通过积分电容接地；所述 传输开光管的源极与所述第一源随晶体管的栅极连接，所述复位晶体管的漏接与电源连接， 所述复位晶体管的源极与所述第一源随晶体管的栅极连接，所述第一源随晶体管的漏极与电 源连接，所述第一源随晶体管的源极与所述偏置晶体管的漏极连接，所述偏置晶体管的源极 接地，且所述第一源随晶体管的源极与所述相关双采样电路输入端连接。
18.优选地，所述信号输出电路包括第二源随晶体管以及选择晶体管，所述第二源随晶体管 的栅极与所述相关双采样电路的输出端连接，所述第二源随晶体管的漏极与电源连接，所述 第二源随晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接，所述选择晶体管的源极作为读出电路 的输出端对信号进行输出。
19.优选地，读出电路输出电压信号vout具体表达式为：
[0020]vout
＝v
b-v
gs
＝v
ref-v
p
[0021]vref
为第二采样晶体管漏极所连接的电压信号，v
p
为复位晶体管源极积分的电压信号， vb为第二电容输出的电压信号，v
gs
为第一源随晶体管的阈值电压。
[0022]
优选地，所述第一源随晶体管、所述第二源随晶体管以及所述升压晶体管的宽长比相同。
[0023]
优选地，所述第一电容与所述第二电容均为金属薄膜电容。
[0024]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0025]
本发明实施例提供的一种用于光电探测器中的动态范围读出电路，通过提升采样电容下 极板电压进而提升第二源随晶体管的栅极电压的方式，极大地提升了电路的输出范围，增加 了输出的电压信号。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是 对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他相关的附图。
[0027]
图1为实施例中具体的电路结构
[0028]
图2为电路工作时序图
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。
[0030]
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域 普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为 了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0031]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合 该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此， 在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都 指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特 性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示 图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个 或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0032]
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、
ꢀ“
低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于 描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定 的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0033]
实施例
[0034]
本实施例公开了一种用于光电探测器中的动态范围读出电路，如图1所示，包括相关双 采样电路，所述相关双采样电路包括复位噪声消除单元以及升压单元；在本实施例中，通过 设置复位噪声消除单元以及声压单元，能够在对采集到的积分电信号的噪声进行消除，相当 于一个滤波的过程，同时增加噪声消除后的信号的输出电压，能够扩大光电探测器输出电流 的范围。
[0035]
所述复位噪声消除单元用于对积分光电流信号进行噪声消除；
[0036]
所述升压单元用于在第二次采样电流信号完成时，增加相关双采样电路输出的电流信号。
[0037]
本实施例中，复位噪声消除单元包括第一采样晶体管、第二采样晶体管、第三采样晶体 管；
[0038]
所述第一采样晶体管的漏极用于接收积分光电流信号，所述第一采样晶体管的源极通过 第一电容与所述第三采样晶体管的漏极连接，所述第三采样晶体管的源极接地；所述第一采 样晶体管的源极通过第二电容与所述第二采样晶体管的源极连接，所述第二采样晶体管的漏 极与信号源连接，所述第二采样晶体管的源极输出电流信号；升压单元包括控制开关、电流 源以及升压晶体管，所述升压晶体管的源极接地，所述升压晶体管的漏极与电源连接，所述 升压晶体管的栅极以及所述电源均通过控制开关与所述第一电容连接。
[0039]
在本实施例中，当获取传输过来的积分电流信号后，通过所述第二电容对积分电流信号 进行相关双采样，在将所述第三采样晶体管关闭，升压单元通过所述第一电容增加所述第二 电容的电压信号。
[0040]
本实施例中，读出电路还包括积分电路与信号输出电路，所述积分电路用于对光
电探测 器产生的光电流信号进行积分，并将积分后的光电流信号输入到所述复位噪声消除单元中；
[0041]
所述信号输出电路用于接收所述复位噪声消除单元输入的电流信号，并将获得的电流信 号进行输出。
[0042]
所述积分电路包括传输开关管、复位晶体管、第一源随晶体管以及偏置晶体管，所述传 输开关管的漏极与光电探测器连接，所述传输开关管的源极通过积分电容接地；所述传输开 光管的源极与所述第一源随晶体管的栅极连接，所述复位晶体管的漏接与电源连接，所述复 位晶体管的源极与所述第一源随晶体管的栅极连接，所述第一源随晶体管的漏极与电源连接， 所述第一源随晶体管的源极与所述偏置晶体管的漏极连接，所述偏置晶体管的源极接地，且 所述第一源随晶体管的源极与所述相关双采样电路输入端连接。
[0043]
所述信号输出电路包括第二源随晶体管以及选择晶体管，所述第二源随晶体管的栅极与 所述相关双采样电路的输出端连接，所述第二源随晶体管的漏极与电源连接，所述第二源随 晶体管的源极与所述选择晶体管的漏极连接，所述选择晶体管的源极作为读出电路的输出端 对信号进行输出。
[0044]
工作原理：
[0045]
像素在积分前，开启复位晶体管进行复位，此时p节点的电压等于复位电压；复位完成 后，关闭复位晶体管，打开传输开关管，像素开始积分，p节点的电压开始下降。
[0046]
相关双采样期间，复位晶体管复位的同时，第一采样晶体管、第二采样晶体管和第三采 样晶体管导通，在第一电容上级板采样得到第一次包含噪声的复位电压；
[0047]
积分完成后，在第一电容上级板采样得到第二次信号电压和复位电压，通过第二电容完 成相关双采样，消除了复位噪声和阈值电压的影响，在第二电容上级板得到双采样后的信号 电压。采样结束后，第三采样晶体管关闭，控制开关导通，第一电容下极板电压从0v上升 为升压管栅源电压，此时第二电容上级板电压将上升，上升的电压为升压管栅源电压。
[0048]
信号的读出阶段，选择晶体管开启，信号电压通过第二源随管从第二采样电容上级板转 移至输出。
[0049]
读出电路输出电压信号vout具体表达式为：
[0050]vout
＝v
b-v
gs
＝v
ref-v
p
[0051]
vref为第二采样晶体管漏极所连接的电压信号，vp为复位晶体管源极积分的电压信号， vb为第二电容输出的电压信号，vgs为第一源随晶体管的阈值电压。
[0052]
如图2所示，为电路工作时序图。像素在积分前，复位晶体管打开，对积分电容进行复 位，此时p点的电压为：
[0053]vp
＝v
rst
[0054]
复位完成后，关闭复位晶体管，打开传输开关管，像素开始积分，p点的电压开始下降。
[0055]
本实施例中，设置的所述第一源随晶体管、所述第二源随晶体管以及所述升压晶体管的 宽长比相同，因此流过的电流相同，忽略体效应的影响，则它们的vgs相等。
[0056]
在电路复位后，第一采样晶体管、第二采样晶体管以及第三采样晶体管，第一电容充电 至va＝v
rst-v
gs1
,其中vgs1为第一源随晶体管的阈值电压，同时，第二电容两端电压变
为：
[0057]
δv
c2
＝v
ref-va＝v
ref-v
rst
v
gs
[0058]
积分结束后，信号通过第一源随晶体管传递到第一电容，此时第一电容电压为：
[0059]va
＝v
rst-v
p-v
gs
[0060]
由于两次采样间隔时间很短，电容c2两端电压可以视作不变，所以b点电压为：
[0061]vb
＝va δv
c2
＝v
rst-v
p-v
gs
v
ref-v
rst
v
gs
＝v
ref-v
p
[0062]
此时输出电压为：
[0063]vout
＝v
ref-v
p-v
gs
[0064]
采样结束时刻，第三采样晶体管关闭，控制开关导通，第一电容下极板电压从0上升到 vgs，a点电压和b点电压将增加vgs：
[0065]va
＝v
rst-v
p
[0066]vb
＝v
ref-v
p
v
gs
[0067]
信号读出时刻，选择晶体管导通，输出电压为:
[0068]vout
＝v
b-v
gs
＝v
ref-v
p
[0069]
传统的8t结构电路，输出电压为v
out
＝v
rst-v
p-v
gs3-v
gs7
,从上述公式可知，通过提升采 样电容下极板电压的方法，提升了输出电压范围,输出电压范围扩大了两个栅源电压 (v
gs3
v
gs7
)。
[0070]
本实施例中，设置的第一电容与所述第二电容均为金属薄膜电容。
[0071]
通过本实施例公开的一种用于光电探测器中的动态范围读出电路，能够实现
[0072]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。