应用倒置电压跟随器的光伏探测器读出单元电路

摘要

应用倒置电压跟随器的光伏探测器读出单元电路，由级联电流镜电路、电流积分电路和偏置电压产生电路组成，晶体管M

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏型红外焦平面探测器读出单元电路。

背景技术

在红外焦平面探测器中，读出单元电路是与探测器接口的电路，其主 要功能是将探测器产生的微弱光电流提出、放大、积分并转换为电压 信号后输出到后续多路传输电路。作为探测器与多路传输器之间的一 个接口，读出单元电路是一个关键部件，其性能决定了整个读出电路 的性能。

读出单元电路的主要功能之一是将探测器光电流抽取出来注入到积分 电路，因而其关键参数之一是注入效率。读出单元电路的注入效率定 义为注入到读出单元电路的电流与探测器输出的总光电流之比。由于 探测器自身的内电阻的影响，探测器产生的光电流会被探测器内电阻 分流，只有部分光电流注入到读出单元电路，使得注入效率小于100% 。要得到高注入效率，读出单元电路的输入阻抗要尽量小。

读出单元电路还有一个重要的功能是为探测器提供偏置电压。对于光 伏型探测器来说，偏置电压对探测器的性能影响是巨大的。探测器的 暗电流、响应率及噪声性能都受偏置电压的影响。稳定的、均匀的偏 置电压是探测器工作的必要条件。理想的探测器偏置电压为零偏压， 能将探测器的偏置功耗降为零。各个单元电路提供的偏置电压的均匀 性决定了整个红外焦平面探测器的响应率的均匀性。因此，理想状态 下红外焦平面探测器所需的偏置电压为恒定的、均匀的零偏压。

此外，读出单元电路还有噪声、功耗、电荷存储容量及动态范围等其 他一些重要的性能参数。

最初期的读出单元电路结构是直接注入式结构，其主要缺点有两点： 较低的注入效率及探测器偏置电压存在较大离散性。在直接注入式读 出单元电路中，探测器直接接入注入晶体管的源级，其输入电阻为注 入晶体管的跨导的倒数。而晶体管的跨导是与其漏极电流相关的，在 探测器信号很小时，也即输出电流 很小时，注入晶体管的跨导降低，读出单元电路的输入电阻会升高， 导致注入效率下降，影响探测器的性能。在直接注入式读出单元电路 中，探测器的偏置电压与注入晶体管的过驱动电压相关，而注入晶体 管的过驱动电压与其阈值电压及漏极电流相关，使得探测器的偏置电 压在不同的温度条件下及不同的探测器输出电流情况下会改变，不能 保证探测器偏置的稳定性，带来探测器性能的漂移。简而言之，直接 注入式读出单元电路的注入效率及探测器偏压都与探测器的输出光电 流相关，无法保证较高的注入效率及提供恒定的、均匀的零偏压。

随着CMOS电路的发展，出现很多新型的读出单元电路结构：在直接注 入电路的基础上，缓冲直接注入（BDI：Buffered Direct Injecti on）（详见文献N. Bluzer and R. Stehlik, “Buffered dir ect injection of photocurrents into charge coupled de vices,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 25, no.  2, pp. 160–166, 1978）利用增益为A的放大器为注入晶体管提供 负反馈，将输入电阻降低了A倍，提高了注入效率，同时探测器偏置电 压也由放大器稳定，解决了直接注入式读出单元电路的注入效率及探 测器偏压的问题；但电路中需要一个放大器，功耗及芯片面积均增加 ；栅极调制注入（GMI：Gate Modulation Input ）（详见文献A.  M. Fowler, R. G. Probst, J. P. Britt, R. R. Joyc e, and F. C. Gillett, “Evaluation of an indium ant imonide hybrid focal plane array for ground-based inf rared astronomy,” Opt. Eng., vol. 26, pp. 232–240,  1987）采用电流镜电路，利用二极管接法的晶体管与探测器接口，其 优点是电流增益可变，但输入电阻及偏置稳定性与直接注入电路相似 ；电容跨导放大器(CTIA: Capacitance Transimpedance Amplifi er)读出单元电路（详见文献L. Kozlowski, S. Cabelli, R. K ezer, and W. Kleinhans, “10×132 CMOS/CCD readout wi th 25 μm pitch and on-chip signal processing includ ing CDS and TDI,” in Infrared Readout Electronics,  Proc. SPIE, 1992, vol. 1684, pp. 222–230）具有较低的输 入电阻，同时偏置稳定性也由放大器保证，但电路中需要一个放大器 ，增加了功耗及芯片面积；缓冲栅极调制注入（BGMI：Buffered Ga te Modulation Input）读出单元电路（详见文献C.-C. Hsieh e t al, “High-performance CMOS buffered gate modulation  input (BGMI) readout circuits for IR FPA,” IEEE J . Solid-State Circuits, vol. 33, no. 8, pp. 1188--11 98, August 1998）是在GMI的基础 上加入放大器提供负反馈，具有较高的注入效率及偏置稳定性，同时 还可以提供电流增益，但电路也需要放大器；电流镜注入(CMI：Curr ent Mirroring Injection) 读出单元电路（详见文献H. Kulah  and T. Akin, “A current mirroring integration based  readout circuit for high performance infrared FPA app lications,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 50,  no. 4, April 2003）利用互相耦合的两个电流镜来提取探测器光 电流，探测器偏置稳定性较好，可以提供大于1的电流增益，同时电路 中不需要放大器，但其输入电阻与探测器的输出光电流相关，不能保 证恒定的注入效率。

发明内容

针对现有的读出单元电路结构存在的不足，本发明提供一种采用新型 的倒置电压跟随器（FVF：Flipped Voltage Follower）的光伏探测 器读出单元电路，电路中无需放大器，且电路具有较高的注入效率及 偏置稳定性。

本发明所述的应用倒置电压跟随器的光伏探测器读出单元电路，其特 征在于：由级联电流镜电路、电流积分电路和偏置电压产生电路组成 ，其中，级联电流镜电路由晶体管M_p1、M_p3与M_p2、M_p4组成，晶体管M_p1与 M_p3组成串联—并联负反馈的FVF电路，其作用是稳定电压增益并降低输 出电阻，探测器光电流直接注入晶体管M_p1的漏极；晶体管M_p2与晶体管 M_p4是串联的，其漏极电流相同；电流积分电路由晶体管M_p2、M_p4、M_n2及 积分电容C_int组成，其作用是将注入的光电流积分，晶体管M_p1与M_p2的尺 寸比为1：k，构成电流放大倍数为k的电流镜电路，将注入的探测器光 电流放大k倍后再注入到电流积分电路的积分电容进行积分，同时利用 晶体管M_n2将偏置电流扣除，保证进入电流积分电路的是放大后的光电 信号；偏置电压产生电路由晶体管M_Bn1、M_Bn2、M_Bp1、M_Bp2组成，其作用是为 偏置电流源晶体管M_n1及M_n2提供栅极电压V_B1，为晶体管M_p3及M_p4提供栅极 电压V_B2，为探测器提供恒定的不随温度及电源电压变化的偏置电压V_B3；偏置电压V_B3由电压缓冲器缓冲，以保证较大的电流输出能力及较低 的输出阻抗；偏置电压产生电路的晶体管M_Bn1、M_Bn2与M_n1的沟道宽度及长 度皆相同，晶体管M_Bp1、M_Bp2与M_p1、M_p3的沟道宽度及长度皆相同；晶体管 M_n1与M_n2的尺寸比为1：k，漏极电流比为1：k；晶体管M_Bn1与M_Bn2、M_n1、 M_n2构成偏置电流镜电路，输出电流I_B及kI_B给各晶体管；整个焦平面探 测器读出电路共用一个偏置电路。

本发明的有益效果是：具有较低的输入电阻，且输入电阻与探测器电 流无关，能实现较高的、恒定的注入效率；探测器的偏置电压能精确 控制，可提供恒定的探测器偏压；通过设计电流镜晶体管的尺寸比可 以改变电流增益，从而改变读出单元电路的电流增益；可以方便地加 入背景电流扣除电路，实现背景抑制，提高电路的动态范围；动态范 围大，可以处理高于偏置电流的输入光电流；电路中无需放大器，电 路功耗较低，占用芯片面积小。

附图说明

图1为倒置电压跟随器构成的级联电流镜电路原理图；

图2为本发明的读出单元电路原理图；

图3为本发明的偏置电路原理图；

图4为本发明的读出单元电路输入电流与输出电流关系的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的 保护范围并不限于下面的实施例。

本发明的主体电路是由倒置电压跟随器构成的级联电流镜电路，如图 1所示。晶体管M_p1、M_p3与M_p2、M_p4构成级联电流镜电路，晶体管M_p1与晶体 管M_p2具有相同的栅源电压，由晶体管的工作原理可知晶体管M_p2的漏极 电流与晶体管M_p1的漏极电流存在精确的对应关系。在图1的电路中，假 设晶体管M_p1与晶体管M_p2的参数相同，则晶体管M_p2的漏极电流与晶体管 M_p1的漏极电流相同，也即级联电流镜电路的电流增益为1。

$>D_p=D_p={}_{}+{}_{}>$

晶体管M_p1与M_p3构成FVF电路，FVF采用负反馈技术，稳定电压增益并降 低输出电阻。在将晶体管M_p3衬底接入源级的情况下，无衬底偏置效应 ，FVF电路从V_B2到节点A的电压增益为：

$>{}_{}=\frac{m_p}{o_p}\approx \text{1}>$

对于晶体管来说，g_mr_o为晶体管的本征电压增益，远大于1，一般在1 00以上。故上式的值大约为1，即FVF的电压增益为1。本发明利用FVF 的电压增益为1的特点来产生探测器偏置电压，大大提高探测器偏压精 度。

FVF电路在A点的输入电阻为：

$>i_n=\frac{\{>\frac{1}{>r>op\text{1}>>>>+(>g>mp\text{1}>>>)(>1+g_{>mp\text{3}}>\}>}\approx \frac{m_p}{\left(>m_p{o}_p>\right)}>}{}$

直接注入式读出单元电路的输入电阻为注入晶体管的跨导的倒数，即 1/g_m。本发明的读出单元电路其输入电阻比直接注入式读出单元电路 小g_mr_o倍。由上面分析可知，g_mr_o一般在100以上，故FVF读出单元电 路的输入电阻比直接注入式读出单元电路小100倍以上。本发明的读出 单元电路就是利用FVF的这一特性来实现电流传感电路,与探测器接口 ，得到较高的注入效率。

本发明所述的应用倒置电压跟随器的光伏探测器读出单元电路如图2所 示，晶体管M_p1与M_p3构成FVF电流传感电路，探测器的光电流注入到电流 传感电路。与图1的电路不同的是，在此处晶体管M_p1与M_p2的尺寸比为1 ：k，即晶体管M_p1与M_p2构成电流放大倍数为k的电流镜电路。晶体管M_n1与M_n2的尺寸比也为1：k，即晶体管M_n1与M_n2的漏极电流比为1：k。

本发明所述的读出单元电路，其工作原理为：

光伏型探测器直接耦合至A点，如图2所示，光电流直接注入低阻抗点 A。则晶体管M_p1的漏极电流为偏流I_B与输入光电流的和，由下式给出：

$>D_p={}_{}+{}_{}>$

式中I_B为晶体管的偏置电流，i_p为探测器输出的光电流。此漏极电流 经电流镜电路放大后由晶体管M_p2的漏极输出。因电流镜电路的电流放 大倍数为k，则晶体管M_p2的漏极电流是晶体管M_p1的漏极电流的k倍：

$>D_p=k·D_p=k·{}_{}+k·{}_{}>$

晶体管M_p4与晶体管M_p2的是串联的，其漏极电流相同。

$>D_p=D_p=k·{}_{}+k·{}_{}>$

通过偏置电路将晶体管M_n1的漏极电流设定为I_B，则晶体管M_n2的漏极电 流为kI_B。根据基尔霍夫电流定律，注入到积分电容的电流为：

$>{}_{}=D_p?D_{\text{n2}}=k·{}_{}>$

可以看出，来自探测器的光电流由FVF读出单元电路读出后，经电流镜 电路放大k倍再注入到积分电容进行光电流积分。由于FVF电流传感电 路具有极低的输入电阻，可以得到接近100%的注入效率。同时，可以 改变电流镜晶体管的尺寸比来得到不同的电流增益。

图3所示为本发明所述的读出单元电路的偏置电路，提供V_B1为偏置电流 源晶体管M_n1及M_n2的栅极电压，V_B2为Cascode晶体管M_p3及M_p4的栅极电压， V_B3为探测器的阳极偏置电压。晶体管M_Bn1、M_Bn2与M_n1的沟道宽度及长度皆 相同，晶体管M_Bp1、M_Bp2、M_p1与M_p3的沟道宽度及长度皆相同。

偏置晶体管M_Bn1与M_Bn2 、M_n1 、M_n2构成偏置电流镜电路，输出电流I_B及 kI_B给各晶体管。

在图2中，探测器注入点A的直流电压是：

$>{}_{}=B_2?G_S>$

此电压由偏置电压V_B2及晶体管M_p3的栅源电压决定。

在图3中，偏置电压V_B3由电压缓冲器缓冲，其值等于V_SBp2。

$>B_3=S_B=B_2?G_S>$

在电路设计时，我们保证晶体管M_Bp2与M_p3的沟道宽度及长度皆相同，他 们的漏极电流由偏置电流镜电路设定为I_B。则有晶体管M_Bp2与M_p3的V_GS都 相同，即：

$>G_S=G_S\to {}_{}=B_3>$

探测器两端的偏置电压为V_B3-V_A=0，即探测器两端的偏置电压为零。同 时由上面两式可以看出V_B3与V_A的构成机制完全一致，能抵消电源电压 及温度变化而导致的漂移，能完全保证探测器两端的偏置电压为恒定 的零偏压。提供给探测器的阳极的偏置电压V_B3经过由放大器构成的电 压缓冲器缓冲，以保证较大 的电流输出能力及较低的输出阻抗。偏置电路提供的各偏置电压可以 供各像元的读出单元电路共用，整个焦平面探测器读出电路共用一个 偏置电路。

在本发明的读出单元电路中，FVF电流传感电路的偏置电流决定了其输 入阻抗的大小，也就决定了注入效率的高低。在偏置电流为100nA时， 本发明的读出单元电路的输入阻抗为千欧姆量级。假设探测器输出电 阻为100kΩ,则电路的注入效率可以达到99%以上。增加FVF电流传感电 路的偏置电流可以进一步提高注入效率，但系统总功耗将增加。在设 计时可依据探测器的输出电阻及读出电路功耗的要求来选取偏置电流 。

在本发明的读出单元电路中，探测器偏置电压具有较高的稳定性，不 会随温度及其他因素变化。偏置电压的不均匀性主要来自偏置晶体管 M_Bp1及各读出单元晶体管M_P3阈值电压的失配误差，在一般情况下此失配 误差在数毫伏内，处于可接受的范围。增加晶体管的面积可以降低其 阈值电压的失配误差，但占用硅片面积将加大。

为降低功耗，电路中所有晶体管都偏置在亚阈值区，即将各晶体管的 过驱动电压选取为50mV以下。利用0.35微米标准CMOS工艺文件，对本 发明的读出单元电路进行了电路仿真，输出电流与输入光电流的传递 函数如图4所示，从图中看出输出电流与输入光电流的关系在0～1μA 的范围内都是线性的，表明本电路具有较好的线性度。