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CN108594921A - 一种红外图像传感器读出电路 - Google Patents

一种红外图像传感器读出电路 Download PDF

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CN108594921A
CN108594921A CN201810189410.3A CN201810189410A CN108594921A CN 108594921 A CN108594921 A CN 108594921A CN 201810189410 A CN201810189410 A CN 201810189410A CN 108594921 A CN108594921 A CN 108594921A
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CN
China
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nmos transistor
infrared
photosensitive unit
image sensor
infrared image
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CN201810189410.3A
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Inventor
段杰斌
温建新
李琛
蒋宇
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Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Chengdu Image Design Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Chengdu Image Design Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种红外图像传感器读出电路，包括光生电流产生模块、温度补偿模块和电流积分输出模块，其中，所述光生电流产生模块用于产生红外感光电流；所述温度补偿模块用于产生一路与温度呈线性关系的电流，用于补偿外界温度变化导致的红外感光电流偏移；所述的电流积分输出模块用于将输出信号电流转化为电压信号。本发明提供的一种红外图像传感器读出电路，可根据外界温度变化自动消除温度变化带来的信号偏差，极大的提高了芯片的工作温度范围，保证了芯片输出图像的一致性。

Description

一种红外图像传感器读出电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种红外图像传感器读出电路。
背景技术
由于利用了红外线的特殊属性，红外图像传感器在气象监测，医疗检测，军事探测，火灾监测等多个领域获得了广泛应用。随着半导体工艺的进步，红外图像传感器芯片获得了极大的成功。由于其体积较小，应用方便的优点，逐渐变为业界主流。
由于半导体材料的特性，当所处环境温度发生变化时，其工作特性也会发生变化，这样会导致芯片性能出现偏差，红外图像传感器也不例外。现有技术中，红外图像传感器芯片对所处环境温度变化较敏感，在不同温度环境下会出现不同程度的图像偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种红外图像传感器读出电路，可根据外界温度变化自动消除温度变化带来的信号偏差，极大的提高了芯片的工作温度范围，保证了芯片输出图像的一致性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术手段：一种红外图像传感器读出电路，包括光生电流产生模块、温度补偿模块和电流积分输出模块，其中，所述光生电流产生模块用于产生红外感光电流；所述温度补偿模块用于产生一路与温度呈线性关系的电流，用于补偿外界温度变化导致的红外感光电流偏移；所述的电流积分输出模块用于将输出信号电流转化为电压信号。
进一步地，所述温度补偿模块由第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第一电阻组成；其中，所述第一电阻的一端与所述第三NMOS管的源极相连，所述第一电阻的另外一端与电源负极VSS相连；所述第三NMOS管的漏极与所述第五PMOS管的漏极及其栅极共同相连于节点N1；所述第三NMOS管的栅极与第四NMOS管的栅极及其漏极相互连接；所述第四NMOS管的源极与电源负极VSS相连；所述第六PMOS管的栅极与第五PMOS管的栅极相连，所述第六PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的栅极及其漏极共同连接；所述第五PMOS管和第六PMOS管的源极与电源正极VDD相连。
进一步地，所述第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管中的源极和漏极可以互换。
进一步地，所述第三NMOS管和第四NMOS管在电路正常工作时处在亚阈值区。
进一步地，所述光生电流产生模块由红外感光单元，暗像素感光单元，第一NMOS管和第一PMOS管构成，其中，所述的暗像素感光单元不接收红外线照射，所述的红外感光单元接收红外线照射；所述的暗像素感光单元的一端与所述的第一PMOS管的源极相连，另外一端与电源正极VDD相连；所述第一PMOS管的栅极与第一参考电压V1相连，其漏极与第一NMOS管的漏极共同相连于节点N1；所述第一NMOS管栅极与选择控制信号SEL相连，其源极与所述红外感光单元的一端相连；所述的红外感光单元的另一端与电源负极VSS相连。
进一步地，所述暗像素感光单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
进一步地，所述暗像素感光单元与所述红外感光单元均为一二端口器件，可等效为一个电阻。
进一步地，所述红外感光单元的温度系数其中，k表示玻尔兹曼常数，q为电子电量，为非理性因子，Rc为第一电阻的阻值，S3为第三NMOS管的宽长比，S4为第四NMOS管的宽长比。
进一步地，所述第一NMOS管和第一PMOS管中的源极和漏极可以互换。
进一步地，所述积分器模块由运算放大器、积分电容和开关S1构成；所述运算放大器的负向输入端与所述节点N1及所述积分电容的一端及开关S1的一端相互连接；所述的运算放大器的正向输入端与参考电压V2相连；所述积分电容的另一端与运算放大器的输出端及开关S1的另外一端相互相连。
本发明的有益效果为：在红外图像传感器感光阵列中同时使用暗像素感光单元与红外感光单元，当工艺发生变化时，暗像素感光单元与红外感光单元发生同种变化，其等效电阻会同向变化，通过将二者产生的电流相减，由此可以消除工艺偏差带来的影响。本发明提出的红外图像传感器电路一方面消除了环境温度变化对芯片带来的偏差，另一方面通过使用暗像素感光单元，消除了工艺偏差对性能的影响，使得红外图像传感器可以得到更好地一致性和稳定性。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的一种红外图像传感器读出电路的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图1所示，本发明提供的一种红外图像传感器读出电路，包括光生电流产生模块1、温度补偿模块2和电流积分输出模块3。其中，光生电流产生模块用于产生红外感光电流；温度补偿模块用于产生一路与温度呈线性关系的电流，用于补偿外界温度变化导致的红外感光电流偏移；电流积分输出模块用于将输出信号电流转化为电压信号。
本发明中光生电流产生模块1由红外感光单元，暗像素感光单元，第一NMOS管M2，第一PMOS管M1构成。暗像素感光单元与红外感光单元由同种材料制成。暗像素感光单元与红外感光单元均为一二端口器件，可等效为一个电阻。暗像素感光单元不接收红外线照射，红外感光单元接收红外线照射。暗像素感光单元的一端与第一PMOS管M1的源极相连，另外一端与电源正极VDD相连。第一PMOS管M1的栅极与第一参考电压V1相连，其漏极与第一NMOS管M2的漏极共同相连于节点N1；第一NMOS管M2栅极与选择控制信号SEL相连，其源极与红外感光单元的一端相连；红外感光单元的另一端与电源负极VSS相连。其中，第一NMOS管和第一PMOS管中的源极和漏极可以互换。
本发明中温度补偿模块2由第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M6和第一电阻组成。第一电阻的一端与第三NMOS管M3的源极相连，另外一端与电源负极VSS相连；第三NMOS管M3的漏极与第五PMOS管M5的漏极及其栅极共同相连于节点N1；第三NMOS管M3的栅极与第四NMOS管M4的栅极及其漏极相互连接；第四NMOS管M4的源极与电源负极VSS相连；第六PMOS管M6的栅极与第五PMOS管M5的栅极相连，其漏极与第四NMOS管M4的栅极及其漏极共同连接；第五PMOS管M5、第六PMOS管M6的源极与电源正极VDD相连；第三NMOS管M3及第四NMOS管M4在电路正常工作时处在亚阈值区。其中，第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管中的源极和漏极可以互换。
本发明中积分器模块3由运算放大器、积分电容C1和开关S1构成。运算放大器的负向输入端与节点N1及积分电容C1的一端及开关S1的一端相互连接；运算放大器的正向输入端与参考电压V2相连；积分电容C1的另一端与运算放大器的输出端及开关S1的另外一端相互相连。
本发明提供的一种红外图像传感器电路工作步骤如下：
(1)SEL为低电平，开关S1闭合；
(2)SEL变为高电平，之后S1打开，积分器开始对信号电流积分；
(3)等待时间t后，对输出信号VOUT采样输出；
本发明提供的一种红外图像传感器电路工作原理具体如下：
如附图1所示，红外感光单元的等效电阻为Rdet，暗像素感光单元的等效电阻为Rdark，暗像素感光单元流过的电流为Idark，红外感光单元流过的电流为Is，温度补偿模块的输出电流为Ic。则在节点N1流向积分器模块的电流I1为：
I1＝Idark+Ic-Is (1)
温度补偿模块中，第三NMOS管M3和第四NMOS管M4工作在亚阈值区，当NMOS管工作在亚阈值区时，其漏电流为：
其中，时一个非理性因子，I0表示NMOS管栅源电压等于阈值电压时的漏电流，其大小与MOS管的宽长比呈正比，VT为热电势，其中VT＝kT/q，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，q表示电子电量，VGS表示NMOS管的栅源电压。
其中：NMOS管的栅源电压等于：
温度补偿模块的输出电流Ic为：
其中，VGS3表示第三NMOS管的栅源电源，VGS4表示第四NMOS管的栅源电源，Rc表示第一电阻的电阻值，VT为热电势，S3与S4分别表示第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的宽长比，可以看出当第一电阻的电阻值Rc确定后，Ic只与温度相关，且与温度呈线性关系。
芯片温度发生变化后，红外感光单元流过的电流Is随温度变化表达式为：
Is＝IS0+K1*T (5)
IS0为一个常量，T为温度，K1表示红外感光单元的温度系数，则式(1)变为：
设定K1等于：
通过设定第一电阻的阻值Rc及第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的宽长比的阻值，使得等式(7)成立，消除了公式(6)中的温度一次项，如此即可消除温度变化对感光电流的影响，进而保证在不同温度环境下，输出信号的一致性，保证红外传感器的准确性。
如此，式(6)进一步变为：
I1＝Idark-ISO (8)
在红外图像传感器感光阵列中同时使用红外感光单元和暗像素感光单元，当工艺发生变化时，红外感光单元和暗像素感光单元发生同种变化，其等效电阻会同向变化，通过将二者产生的电流相减，由此可以消除工艺偏差带来的影响。
输出电压VOUT为：
其中，t表示SEL变为高电平之后的等待时间。
从式(8)可以看出，本发明提出的红外图像传感器电路一方面消除了环境温度变化对芯片带来的偏差，另一方面通过使用暗像素感光单元，消除了工艺偏差对性能的影响，使得红外图像传感器可以得到更好地一致性和稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，包括光生电流产生模块、温度补偿模块和电流积分输出模块，其中，所述光生电流产生模块用于产生红外感光电流；所述温度补偿模块用于产生一路与温度呈线性关系的电流，用于补偿外界温度变化导致的红外感光电流偏移；所述的电流积分输出模块用于将输出信号电流转化为电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述温度补偿模块由第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第一电阻组成；其中，所述第一电阻的一端与所述第三NMOS管的源极相连，所述第一电阻的另外一端与电源负极VSS相连；所述第三NMOS管的漏极与所述第五PMOS管的漏极及其栅极共同相连于节点N1；所述第三NMOS管的栅极与第四NMOS管的栅极及其漏极相互连接；所述第四NMOS管的源极与电源负极VSS相连；所述第六PMOS管的栅极与第五PMOS管的栅极相连，所述第六PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的栅极及其漏极共同连接；所述第五PMOS管和第六PMOS管的源极与电源正极VDD相连。
3.根据权利要求2所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第三NMOS管、第四NMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管中的源极和漏极可以互换。
4.根据权利要求2所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第三NMOS管和第四NMOS管在电路正常工作时处在亚阈值区。
5.根据权利要求1或2所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述光生电流产生模块由红外感光单元，暗像素感光单元，第一NMOS管和第一PMOS管构成，其中，所述的暗像素感光单元不接收红外线照射，所述的红外感光单元接收红外线照射；所述的暗像素感光单元的一端与所述的第一PMOS管的源极相连，另外一端与电源正极VDD相连；所述第一PMOS管的栅极与第一参考电压V1相连，其漏极与第一NMOS管的漏极共同相连于节点N1；所述第一NMOS管栅极与选择控制信号SEL相连，其源极与所述红外感光单元的一端相连；所述的红外感光单元的另一端与电源负极VSS相连。
6.根据权利要求5所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述暗像素感光单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
7.根据权利要求5所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述暗像素感光单元与所述红外感光单元均为一二端口器件，可等效为一个电阻。
8.根据权利要求5所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外感光单元的温度系数其中，k表示玻尔兹曼常数，q表示电子电量，为非理性因子，Rc为第一电阻的阻值，S3为第三NMOS管的宽长比，S4为第四NMOS管的宽长比。
9.根据权利要求5所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第一NMOS管和第一PMOS管中的源极和漏极可以互换。
10.根据权利要求5所述的一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述积分器模块由运算放大器、积分电容和开关S1构成；所述运算放大器的负向输入端与所述节点N1及所述积分电容的一端及开关S1的一端相互连接；所述的运算放大器的正向输入端与参考电压V2相连；所述积分电容的另一端与运算放大器的输出端及开关S1的另外一端相互相连。
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