RU2688953C1 - Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) - Google Patents
Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688953C1 RU2688953C1 RU2018138684A RU2018138684A RU2688953C1 RU 2688953 C1 RU2688953 C1 RU 2688953C1 RU 2018138684 A RU2018138684 A RU 2018138684A RU 2018138684 A RU2018138684 A RU 2018138684A RU 2688953 C1 RU2688953 C1 RU 2688953C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- amplifier
- input
- capacitor
- column
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title abstract description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 233
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 115
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 14
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 6
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 6
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Amplifiers (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение (варианты) относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.The technical solution (variants) relates to the field of integrated microelectronics and can be used in optical information processing systems.
Известно устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения (Very wide dynamic range SWIR sensors for very low background applications / Roberts F. Cannata, Randal J. Hansen, Adrienne N. Costello, William J. Parrish // Proc. SPIE 3698, Infrared Technology and Application XXV, July 1999), содержащее входную ячейку, столбцовую шину, источник тока, столбцовый буферный усилитель. Входная ячейка выполнена в составе емкостного трансимпедансного усилителя (ТИУ), который образован инвертирующим усилителем с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором и ключом сброса, а также в составе ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора, ключа выборки/хранения, конденсатора выборки/хранения результата интегрирования, истокового повторителя для перезарядки паразитной емкости столбцовой шины, адресного ключа. Вход ТИУ выполнен с возможностью соединения с анодом фотодиода посредством индиевого столба. К выходу ТИУ подсоединены один конец ключа выборки/хранения и одна обкладка ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора, вторая обкладка которого закорочена на «землю». Второй конец ключа выборки/хранения соединен с входом (затвором) истокового повторителя и одной обкладкой конденсатора выборки/хранения результата интегрирования, вторая обкладка которого закорочена на «землю». Выход истокового повторителя выполнен с возможностью коммутации на столбцовую шину через адресный ключ. Со столбцовой шиной соединены источник тока, обеспечивающий работу истокового повторителя, столбцовый буферный усилитель.A device for reading signals from a photodetector array of infrared radiation is known (Very wide dynamic range of SWIR sensors, Canal, Randal J. Hansen, Adrienne N. Costello, William J. Parrish // Proc. SPIE 3698, Infrared Technology and Application XXV, July 1999), containing an input cell, a column bus, a current source, a column buffer amplifier. The input cell is made up of a capacitive transimpedance amplifier (TIU), which is formed by an inverting amplifier with a storage capacitor and a reset key connected in parallel in the negative feedback circuit, as well as a result capacitor limiting the TIU bandwidth, and a sampling / storage key integration, source follower for reloading parasitic capacitance of the column bus, address key. Input TIU made with the possibility of connection with the anode of the photodiode through an indium column. One end of the access / storage key and one plate of the capacitor limiting the bandwidth of the capacitor, the second plate of which is shorted to ground, are connected to the TIU output. The second end of the sample / storage key is connected to the input (gate) of the source follower and one plate of the integration / storage result capacitor capacitor, the second plate of which is shorted to ground. The output of the source follower is configured to switch to a column bus via an address key. A current source is connected to the column bus, which ensures the operation of the source follower, a column buffer amplifier.
Устройство разработано для фотоприемников на основе HgCdTe и InGaAs коротковолнового инфракрасного (ИК) диапазона формата 320×256 с шагом 30 мкм. Устройство выполнено на полупроводниковой подложке по КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологии с проектной нормой 0,6 мкм.The device is designed for HgCdTe and InGaAs photodetectors of the shortwave infrared (IR) range of 320 × 256 format with a step of 30 μm. The device is made on a semiconductor substrate in CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor structure) technology with a design standard of 0.6 μm.
Входная ячейка обеспечивает работу в режиме «Моментального снимка» в двух вариантах - «интегрирование, затем считывание» (Integrate Then Read - ITR) и «интегрирование во время считывания» (Integrate While Read - IWR).The input cell provides operation in the “Snapshot” mode in two options - “Integrate Then Read” (Integrate Then Read - ITR) and “Integrate While Read” (Integrate While Read - IWR).
Стабилизация напряжения смещения (рабочей точки) на фотодиоде достигается за счет возникающего в емкостном ТИУ эффекта Миллера, в результате которого эффективная входная емкость увеличивается пропорционально величине емкости накопительного конденсатора, установленного в цепи обратной связи инвертирующего усилителя, образующего ТИУ, и его коэффициента усиления по напряжению.Stabilization of the bias voltage (operating point) on the photodiode is achieved due to the Miller effect occurring in the capacitive TII, resulting in which the effective input capacitance increases in proportion to the capacitance of the storage capacitor installed in the feedback circuit of the inverting amplifier and the voltage gain.
Принцип работы устройства состоит в следующем. В начале кадра осуществляется сброс емкостей входной ячейки. В результате сброса происходит установка постоянного напряжения на входе и выходе ТИУ. После сброса начинается процесс интегрирования фототока. ТИУ преобразует накопленный во время интегрирования фотозаряд в напряжение. Величина выходного напряжения ТИУ пропорциональна интенсивности падающего на фотодиод потока излучения, что, таким образом, позволяет судить об интенсивности излучения. В режиме IWR по окончанию акта интегрирования ключ выборки/хранения открывается, ТИУ перезаряжает конденсатор выборки/хранения результата интегрирования, с которого происходит дальнейшее считывание информации при вновь закрытом ключе выборке/хранения. Одновременно со считыванием информации со всего массива входных ячеек в режиме IWR начинается новый акт интегрирования. При считывании информации с входной ячейки адресный ключ коммутирует выход истокового повторителя на столбцовую шину. В результате на входе столбцового буферного усилителя обеспечивается установка напряжения величиной, приблизительно равной величине напряжения на конденсаторе выборки/хранения результата интегрирования с учетом смещения на величину порогового напряжения истокового повторителя. Столбцовый буферный усилитель усиливает устанавливаемый на входе сигнал по мощности (повторяет напряжение) для осуществления дальнейшего мультиплексирования.The principle of operation of the device is as follows. At the beginning of the frame resets the capacitances of the input cell. As a result of the reset, a constant voltage is set at the input and output of the TII. After the reset, the process of integrating the photocurrent begins. TIU converts the accumulated during the integration of the photocell into voltage. The magnitude of the TIU output voltage is proportional to the intensity of the radiation flux incident on the photodiode, which, therefore, makes it possible to judge the radiation intensity. In the IWR mode, at the end of the integration act, the sample / storage key is opened, the TIU recharges the sampling / storage capacitor of the integration result, from which further information is read with the newly closed sampling / storage key. Simultaneously with reading information from the entire array of input cells in IWR mode, a new act of integration begins. When reading information from the input cell, the address key commutes the output of the source follower to the column bus. As a result, a voltage is set at the input of the column buffer amplifier approximately equal to the voltage across the sampling / storage capacitor of the integration result, taking into account the bias, by the threshold voltage of the source follower. The column buffer amplifier amplifies the input signal at the power (repeats the voltage) for further multiplexing.
Разработкой данного устройства не решается техническая проблема получения устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, обеспечивающего снижение энергопотребления и повышение качества фотоэлектрических характеристик, поскольку не устраняет ряд недостатков.The development of this device does not solve the technical problem of obtaining a device for reading signals from the photodetector array of infrared radiation, which reduces energy consumption and improves the quality of the photoelectric characteristics, since it does not eliminate a number of drawbacks.
К недостаткам рассмотренного технического решения относится высокое энергопотребление, неудовлетворительная линейность передаточной характеристики устройства считывания, низкая зарядовая емкость входной ячейки, неоднородность выходного сигнала.The disadvantages of the considered technical solution are high power consumption, poor linearity of the transfer characteristic of the reader, low charge capacity of the input cell, non-uniformity of the output signal.
Причины приведенных недостатков заключаются в следующем.The reasons for these shortcomings are as follows.
Для столбцовой шины присуща большая паразитная емкость. Необходимость ее перезарядки обеспечивает значительное энергопотребление во время считывания. Следует также отметить, что в момент полноформатного сброса происходит перезарядка накопительного конденсатора, ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора и емкости обратно смещенного p-n-перехода фотодиода во всем массиве входных ячеек устройства считывания, каждая из которых соединена с индивидуальным фоточувствительным элементом фотоприемной матрицы. Указанная перезарядка приводит к броску тока в цепи питания.For the column bus has a large parasitic capacitance. The need to recharge it provides significant power consumption during reading. It should also be noted that at the moment of a full-scale reset, a storage capacitor is recharged, limiting the bandwidth of the capacitor capacitor and capacitor and the reverse-biased pn-junction of the photodiode in the entire array of input cells of the reader, each of which is connected to an individual photosensitive element of the photodetector matrix. This recharge leads to a surge current in the power circuit.
Неудовлетворительная линейность передаточной характеристики может быть связана с использованием в составе ТИУ схемотехнических решений, для которых характерен малый коэффициент усиления по напряжению. Кроме того, использование истокового повторителя из-за наличия эффекта влияния подложки ослабляет амплитуду выходного сигнала и вносит нелинейные искажения.Poor linearity of the transfer characteristic may be associated with the use of circuit design solutions in TIU, which are characterized by low voltage gain. In addition, the use of a source follower due to the effect of the influence of the substrate weakens the amplitude of the output signal and introduces nonlinear distortion.
В целях минимизации вклада технологического разброса характеристик истокового повторителя в общий геометрический шум устройства считывания существует необходимость избегать использования минимальных топологических размеров. Это обстоятельство приводит к увеличению части площади входной ячейки, занимаемой повторителем, и, как следствие, не позволяет использовать максимум площади для размещения электрической схемы емкостного ТИУ с высоким коэффициентом усиления по напряжению, также не позволяет увеличивать величину зарядовой емкости.In order to minimize the contribution of the technological variation of the characteristics of the source follower to the total geometric noise of the reader, there is a need to avoid using the minimum topological dimensions. This circumstance leads to an increase in the part of the input cell area occupied by the repeater, and, as a result, does not allow the use of the maximum area to accommodate the capacitive TIU electrical circuit with high voltage gain, also does not allow to increase the charge capacity.
Неоднородность выходных напряжений со всех ячеек устройства считывания обеспечивается технологическим разбросом электрической емкости накопительного конденсатора и разбросом напряжений смещения инвертирующих усилителей в составе ТИУ. При реализации емкостного ТИУ на базе инвертирующего усилителя без дифференциального входа отсутствует возможность точной подстройки напряжения смещения на фотодиоде. В результате технологического разброса однородность смещения снижается. Напряжение смещения может изменяться в зависимости от температуры и рабочего тока ТИУ. Кроме того, технологический разброс порогового напряжения истоковых повторителей, паразитного сопротивления столбцовых шин, опорного тока истоковых повторителей приводит к увеличению геометрического шума устройства считывания - увеличению неоднородности выходных напряжений.The non-uniformity of the output voltages from all cells of the reader is provided by the technological spread of the electrical capacitance of the storage capacitor and the spread of the bias voltage of the inverting amplifiers as part of the TII. When implementing a capacitive TIU on the basis of an inverting amplifier without a differential input, there is no possibility of fine tuning the bias voltage on the photodiode. As a result of technological variation, the uniformity of displacement decreases. The bias voltage may vary depending on the temperature and operating current of the TII. In addition, the technological variation of the threshold voltage of the source followers, the parasitic resistance of column tires, the reference current of the source followers leads to an increase in the geometric noise of the reading device — an increase in the non-uniformity of the output voltages.
Известно устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения (An uncooled 1280×1024 InGaAs focal plane array for small platform, shortwave infrared imaging / J. Battaglia, M. Blessenger, M. Enriquez, M. Ettenberg, M. Evans, K. Flynn, M. Lin, J. Passe, M. Stern, T. Sudol // Proc. SPIE 7298, Infrared Technology and Application XXXV, 729883C, 7 May 2009), содержащее входную ячейку, столбцовую шину, попарно переключаемые столбцовые усилители и конденсаторы выборки/хранения. Входная ячейка выполнена в составе емкостного трансимпедансного усилителя (ТИУ), который образован операционным усилителем (ОУ) с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором, а также параллельно подключенными в цепь обратной связи ключом сброса, транзистором для реализации функции «антиблюминга», дополнительным накопительным конденсатором с активирующими его ключами. Кроме того, в составе входной ячейки выполнены ограничивающий полосу пропускания ТИУ конденсатор, адресный ключ, ключ компенсации смещения при сбросе. ТИУ выполнен с возможностью соединения с анодом фотодиода посредством индиевого столба инвертирующим входом и с возможностью подачи опорного напряжения на неинвертирующий вход. Выход ТИУ соединен с одним концом адресного ключа и одной обкладкой ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора, вторая обкладка которого закорочена на «землю». Адресный ключ выполнен с возможностью коммутации при считывании выхода ТИУ на столбцовую шину. К столбцовой шине подключены попарно переключаемые столбцовые усилители и конденсаторы выборки/хранения. ТИУ реализован с возможностью регулирования тока потребления (нагрузочной способности) посредством управления напряжения смещения программно-аппаратным комплексом.A device for reading signals from an infrared photodetector array of infrared radiation (An uncooled 1280 × 1024 InGaAs focal plane for small platform, shortwave infrared imaging) is known. , M. Lin, J. Passe, M. Stern, T. Sudol (Proc. SPIE 7298, Infrared Technology and Application XXXV, 729883C, 7 May 2009), containing an input cell, a column bus, pair-wise column amplifiers and sample capacitors / storage. The input cell is made up of a capacitive transimpedance amplifier (TIU), which is formed by an operational amplifier (OA) with a storage capacitor connected in parallel to the negative feedback circuit, as well as a transistor connected to the feedback circuit in parallel with the anti-blooming function, storage capacitor with keys activating it. In addition, as part of the input cell, a capacitor, an address switch, an offset compensation key during resetting, which restricts the bandwidth of the TII, is made. TIU is made with the possibility of connection with the anode of the photodiode by means of an indium column with an inverting input and with the possibility of applying a reference voltage to a non-inverting input. The TIU output is connected to one end of the address key and one lining of the capacitor limiting the bandwidth of the TII, the second lining of which is shorted to ground. The address key is configured to switch when reading the output TIU on the column bus. A pair of switchable column amplifiers and sampling / storage capacitors are connected to the column bus. TIU is implemented with the ability to control the current consumption (load capacity) by controlling the bias voltage of the software-hardware complex.
Устройство разработано для фотоприемников на основе InGaAs для коротковолнового ИК-диапазона формата 1280×1024 с шагом 15 мкм. Устройство выполнено на полупроводниковой подложке по КМОП технологии с проектной нормой 0,35 мкм.The device is designed for InGaAs based photodetectors for the shortwave infrared range of 1280 × 1024 format with a step of 15 μm. The device is made on a semiconductor substrate by CMOS technology with a design standard of 0.35 microns.
Принцип работы устройства состоит в следующем. В начале кадра осуществляется сброс емкостей входной ячейки. В результате сброса происходит установка постоянного напряжения на входе и выходе ТИУ, поданного на неинвертирующий вход. Напряжение смещения на фотодиоде при этом определяется разностью между опорным напряжением ТИУ и напряжением на общем катоде фотодиодов фотоприемной матрицы. После сброса начинается процесс интегрирования фототока. ТИУ преобразует накопленный во время интегрирования фотозаряд в напряжение. После акта интегрирования адресный ключ коммутирует выход ТИУ на столбцовую шину. ТИУ перезаряжает паразитную емкость столбцовой шины и конденсатор выборки/хранения. В то время как на первом наборе конденсаторов выборки/хранения происходит формирование сигнальной информации с входных ячеек определенной строки, дублирующие столбцовые усилители осуществляют дальнейший вывод сигнальной информации для мультиплексирования со второго набора конденсаторов выборки/хранения, на которых сформирована сигнальная информация с предыдущей строки.The principle of operation of the device is as follows. At the beginning of the frame resets the capacitances of the input cell. As a result of the reset, a constant voltage is set at the input and output of the TII, applied to the non-inverting input. The bias voltage on the photodiode in this case is determined by the difference between the reference voltage TII and the voltage on the common cathode of the photodiodes of the photodetector matrix. After the reset, the process of integrating the photocurrent begins. TIU converts the accumulated during the integration of the photocell into voltage. After the act of integration, the address key commutes the output of the TLI to the column bus. TIU recharges the parasitic capacitance of the column bus and the capacitor sampling / storage. While the first set of sample / hold capacitors produces signal information from input cells of a specific row, duplicate column amplifiers further output signal information for multiplexing from the second set of sample / storage capacitors, on which the signal information from the previous row is generated.
Данный подход позволяет снизить ток потребления ТИУ во время считывания и уменьшить время вывода сигнальной информации. Также для минимизации энергопотребления напряжение смещения ТИУ в строках матрицы входных ячеек варьируется в зависимости от стадии процесса считывания, в которой находится строка - сброс, или интегрирование, или считывание. Минимальный ток в ячейках строки протекает во время интегрирования, во время считывания и сброса рабочий ток подбрасывается.This approach allows to reduce the current consumption TIU during the reading and reduce the time of the output signal information. Also, to minimize power consumption, the TIU bias voltage in the rows of the matrix of input cells varies depending on the stage of the reading process, in which the line is located - reset, or integration, or reading. The minimum current in the cells of the row flows during integration, during reading and dumping the operating current is thrown.
Приведенный аналог не решает технической проблемы разработки устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, обеспечивающего снижение энергопотребления и повышение качества фотоэлектрических характеристик, поскольку у него имеются недостатки.The above analog does not solve the technical problem of developing a device for reading signals from the photodetector array of infrared radiation, which reduces energy consumption and improves the quality of photovoltaic characteristics, since it has drawbacks.
К недостаткам приведенного второго аналога относится высокое энергопотребление, неудовлетворительная линейность передаточной характеристики устройства считывания, неоднородность выходного сигнала.The disadvantages of the second analogue include high power consumption, unsatisfactory linearity of the transfer characteristics of the reader, the heterogeneity of the output signal.
Причины приведенных недостатков заключаются в следующем.The reasons for these shortcomings are as follows.
Минимизация энергопотребления достигнута не в полной мере. Во время считывания и сброса происходит подброс рабочего тока ТИУ. Кроме того, режим «конвейерного считывания», реализуемый устройством, обуславливает размытие изображения при экспонировании в условиях быстро меняющейся сцены, причем в течение всего времени кадра во всем массиве входных ячеек ТИУ остаются активными и рассеивают дополнительную мощность.Energy minimization is not fully achieved. During reading and resetting, the operating current TIU is thrown up. In addition, the conveyor read mode implemented by the device causes the image to be blurred when exposed to a rapidly changing scene, and throughout the frame in the entire array of input cells of the TII, they remain active and dissipate additional power.
Использование в составе ТИУ схемотехнических решений с малым коэффициентом усиления по напряжению обеспечивает ухудшение линейности передаточной характеристики. Неоднородность выходного сигнала вызывает технологический разброс электрической емкости накопительного конденсатора и напряжений смещений ОУ в составе ТИУ.The use of circuit solutions with a low voltage gain in the TIU composition ensures a deterioration of the linearity of the transfer characteristic. The non-uniformity of the output signal causes a technological variation of the electrical capacitance of the storage capacitor and the voltages of the OU displacements as part of the TII.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения (Design of readout circuit for microcantilever infrared focal plane array with snapshot integration // Ke Lei, Zhongjian Chen, Junmin Cao, Yaciong Zhang, Wengao Lu, Lijiu Till Proc. SPIE 7383, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Advances in Infrared Imaging and Application, 73833L, 5 August 2009). Устройство реализовано для считывания информации с матриц ИК-микрокантилеверов с входной схемой на основе емкостного ТИУ. Устройство содержит входную ячейку, столбцовую шину, зарядочувствительный усилитель (ЗЧУ).As the closest analogue, a device for reading signals from an infrared infrared photodetector array was selected , International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Advances in Infrared Imaging and Application, 73833L, 5 August 2009). The device is implemented for reading information from matrices of IR microcantilevers with an input circuit based on capacitive TII. The device contains an input cell, a column bus, a charge-sensitive amplifier (ICF).
Входная ячейка выполнена в составе емкостного трансимпедансного усилителя (ТИУ), который образован операционным усилителем (ОУ) с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором и ключом сброса, ключа выборки/хранения, конденсатора выборки/хранения результата интегрирования, адресного ключа. Емкостной ТИУ выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами. Инвертирующий вход предназначен для соединения с кантилевером, а неинвертирующий вход - для подачи опорного напряжения. Выход ТИУ связан с одним концом ключа выборки/хранения, второй конец которого соединен с одним концом адресного ключа и одной обкладкой конденсатора выборки/хранения результата интегрирования, вторая обкладка которого закорочена на «землю». Второй конец адресного ключа соединен со столбцовой шиной. ЗЧУ образован вторым ОУ с конденсатором и столбцовым ключом сброса, параллельно включенным в цепь отрицательной обратной связи второго ОУ. ЗЧУ выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами. Столбцовая шина соединена с инвертирующим ЗЧУ, а неинвертирующий вход предназначен для подачи опорного напряжения.The input cell is made up of a capacitive transimpedance amplifier (TIU), which is formed by an operational amplifier (OA) with a storage capacitor and reset key, sampling / storage key, sampling / storage integration result capacitor, address key connected in parallel to the negative feedback circuit. Capacitive TII is made with inverting and non-inverting inputs. The inverting input is designed to connect to the cantilever, and the non-inverting input to supply the reference voltage. The output of the TIU is connected to one end of the sample / storage key, the other end of which is connected to one end of the address key and one plate of the integration / storage capacitor of the integration result, the second plate of which is shorted to ground. The second end of the address key is connected to the column bus. The PCU is formed by a second op-amp with a capacitor and a reset key, connected in parallel in the negative feedback circuit of the second op-amp. FCA is made with inverting and non-inverting inputs. The column bus is connected to an inverting PSU, and the non-inverting input is designed to supply a reference voltage.
Входная ячейка обеспечивает работу в режиме «Моментального снимка» в варианте «интегрирование, затем считывание» - ITR.The input cell provides operation in the “Snapshot” mode in the “integration, then reading” mode - ITR.
Устройство разработано для фотоприемников на основе ИК-микрокантилеверов формата 160×120 с шагом 50 мкм, выполнено на полупроводниковой подложке по технологии КМОП с проектной нормой 0,35 мкм.The device was developed for photo-receivers based on IR microcantilevers of the format 160 × 120 in 50 μm increments, made on a semiconductor substrate using CMOS technology with a design standard of 0.35 μm.
Принцип работы устройства состоит в следующем. В начале кадра осуществляется сброс емкостей входной ячейки. В результате сброса происходит установка опорного напряжения на входе и выходе ТИУ, поданного на неинвертирующий вход. После сброса начинается процесс интегрирования фототока. ТИУ преобразует накопленный в течение времени интегрирования фотозаряд в напряжение. Во время интегрирования ключ выборки/хранения открыт, и конденсатор выборки/хранения результата интегрирования выполняет также функцию ограничения полосы пропускания ТИУ. После окончания акта интегрирования ключ выборки/хранения закрывается, запирая информационный сигнальный заряд на конденсаторе выборки/хранения результата интегрирования. Выходной сигнал входной ячейки обусловлен зарядом. При считывании информации с входной ячейки адресный ключ (транзистор) коммутирует выходной сигнал, обусловленный зарядом, хранящимся на конденсаторе выборки/хранения результата интегрирования, на столбцовую шину. Установленный на столбцовой шине ЗЧУ осуществляет преобразование его в напряжение. В крупноформатных устройствах считывания использование ЗЧУ на столбце позволяет избежать необходимости установки истокового повторителя на выходе ячейки, использующегося в целях перезарядки паразитной емкости столбцовой шины. При высоком коэффициенте усиления ОУ, образующего ЗЧУ, влияние паразитной емкости столбцовой шины пренебрежительно мало. ЗЧУ «удерживает» постоянное напряжение на шине в процессе считывания, препятствуя тем самым процессам перераспределения и передачи заряда. Для минимизации энергопотребления во время стадии считывания сигнальной информации ТИУ во всем массиве входных ячеек находятся в выключенном состоянии.The principle of operation of the device is as follows. At the beginning of the frame resets the capacitances of the input cell. As a result of the reset, the reference voltage is set at the input and output of the TIU applied to the non-inverting input. After the reset, the process of integrating the photocurrent begins. TIU converts a photocharge accumulated during the integration time into voltage. During integration, the sampling / storage key is open, and the sampling / storage capacitor of the integration result also performs the function of limiting the bandwidth of the TII. After the end of the act of integration, the sample / storage key is closed, locking the information signal charge on the sample / storage capacitor of the integration result. The output signal of the input cell is charged. When reading information from the input cell, the address key (transistor) switches the output signal, due to the charge stored on the capacitor sampling / storage of the integration result, to the column bus. Installed on the column bus, the SCF performs conversion to voltage. In large-format readers, the use of an SFC on a column avoids the need to install a source follower at the output of the cell, which is used to recharge the parasitic capacitance of the column bus. With a high gain of the OS, which forms the ASD, the influence of the parasitic capacitance of the column bus is negligible. SCF “keeps” the constant voltage on the bus in the process of reading, thereby preventing the processes of redistribution and transfer of charge. To minimize power consumption during the readout stage of the signal information of the TII, the entire array of input cells is in the off state.
Ближайший аналог не решает технической проблемы разработки устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, обеспечивающего снижение энергопотребления и повышение качества фотоэлектрических характеристик, поскольку он обладает недостатками.The closest analogue does not solve the technical problem of developing a device for reading signals from the photodetector array of infrared radiation, which reduces power consumption and improves the quality of photovoltaic characteristics, since it has drawbacks.
К недостаткам ближайшего аналога относится высокое энергопотребление, неудовлетворительная линейность передаточной характеристики устройства считывания, низкая зарядовая емкость входной ячейки, неоднородность выходного сигнала.The disadvantages of the closest analogue are high power consumption, unsatisfactory linearity of the transfer characteristic of the reader, low charge capacity of the input cell, non-uniformity of the output signal.
Причины приведенных недостатков заключаются в следующем.The reasons for these shortcomings are as follows.
Минимизация энергопотребления достигнута не в полной мере. В момент полноформатного сброса происходит перезарядка накопительного конденсатора и емкости сенсора во всем массиве ячеек фотоприемного устройства, что вызывает бросок тока в цепи питания.Energy minimization is not fully achieved. At the moment of a full-length reset, the storage capacitor and the sensor capacitance are recharged in the entire array of cells of the photoreceiver, which causes a current inrush to the power circuit.
Использование схемотехнических решений с малым коэффициентом усиления по напряжению в составе ТИУ обуславливает ухудшение линейности передаточной характеристики.The use of circuit solutions with low voltage gain in the composition of the TIU causes the deterioration of the linearity of the transfer characteristic.
Конденсатор выборки/хранения результата интегрирования занимает значительную часть площади входной ячейки, не позволяя использовать по возможности максимум площади под расположение электрической схемы емкостного ТИУ с высоким коэффициентом усиления по напряжению, а также увеличивать величину зарядовой емкости.The sampling / storage capacitor of the integration result occupies a significant part of the input cell area, preventing the use of the maximum possible area for the arrangement of the capacitive TIU electrical circuit with high voltage gain, as well as increasing the charge capacity.
Высокая неоднородность выходного сигнала (выходных напряжений со всех ячеек) связана с технологическим разбросом величин электрической емкости накопительного конденсатора и напряжений смещения ОУ в составе ТИУ.The high non-uniformity of the output signal (output voltages from all cells) is associated with the technological variation of the values of the electrical capacitance of the storage capacitor and the bias voltages of the shelter in the TLI.
Разработка предлагаемого устройства направлена на решение технической проблемы получения устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, обеспечивающего снижение энергопотребления и повышение качества фотоэлектрических характеристик.The development of the proposed device is aimed at solving the technical problem of obtaining a device for reading signals from the photodetector array of infrared radiation, which ensures a reduction in energy consumption and an increase in the quality of photoelectric characteristics.
Техническим результатом решения является:The technical result of the solution is:
- снижение энергопотребления;- reduction of energy consumption;
- улучшение линейности передаточной характеристики устройства считывания;- improving the linearity of the transfer characteristics of the reader;
- увеличение зарядовой емкости входной ячейки;- increase the charge capacity of the input cell;
- улучшение однородности выходного сигнала.- improving the homogeneity of the output signal.
Технический результат достигается в устройстве считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, содержащем входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, выполненным на основе операционного усилителя с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель со вторым операционным усилителем и включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатором, причем устройство содержит вторую столбцовую шину, при этом одна столбцовая шина реализована в виде сигнальной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде опорной столбцовой шины, емкостной трансимпедансный усилитель выполнен также с входом включения, в составе входной ячейки также выполнены транзистор начала интегрирования, транзистор сброса, первый и второй адресные транзисторы, транзистор начала интегрирования соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, и первой обкладкой накопительного конденсатора, своим стоком транзистор начала интегрирования соединен с катодом фотодиода, затвор транзистора начала интегрирования соединен с входом включения емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя, при этом указанные затвор и вход выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования, транзистор сброса своим стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования и первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистор сброса соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, и второй обкладкой накопительного конденсатора, затвор транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки, первый адресный транзистор своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистора начала интегрирования, стоком транзистора сброса, исток первого адресного транзистора соединен с сигнальной столбцовой шиной, затвор первого адресного транзистора соединен с затвором второго адресного транзистора, причем затворы первого и второго адресного транзисторов выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания, второй адресный транзистор своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, со второй обкладкой накопительного конденсатора, с истоком транзистора сброса, а исток второго адресного транзистора соединен с опорной столбцовой шиной, неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, в составе столбцового зарядочувствительного усилителя выполнен второй транзистор сброса, при этом столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, являющимися, соответственно, инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя, неинвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с опорной столбцовой шиной, выполненной с возможностью подачи на нее опорного напряжения, инвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с первой обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с сигнальной столбцовой шиной, со стоком второго транзистора сброса, исток второго транзистора сброса соединен со второй обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, являющегося выходом второго операционного усилителя, а затвор второго транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса столбцового зарядочувствительного усилителя.The technical result is achieved in a device for reading signals from a photodetector array of infrared radiation, containing an input cell with a capacitive transimpedance amplifier with inverting and non-inverting inputs, made on the basis of an operational amplifier with a storage capacitor connected in parallel in the negative feedback circuit, a column-type charge-sensitive amplifier with a second an operational amplifier and a capacitor connected in parallel to the negative feedback circuit, The device contains a second column bus, while one column bus is implemented as a signal column bus, and the second column bus is implemented as a reference column bus, a capacitive transimpedance amplifier is also provided with an enable input, the integration start transistor and the transistor are also included in the input cell. reset, the first and second address transistors, the integration start transistor is connected by its source to the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is an inverti The first input of the operational amplifier and the first plate of the storage capacitor, with its drain, start the integration transistor connected to the cathode of the photodiode, the gate of the integration start transistor is connected to the enable input of the capacitive transimpedance amplifier, which turns on the operating amplifier; of the control signal of the start of integration, the reset transistor with its drain is connected to the source of the transistor of the start of integration and the first the storage capacitor plate, the source of the reset transistor is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is the output of the operational amplifier, and the second plate of the storage capacitor, the gate of the reset transistor is configured to supply the reset cell input signal to it, the first address transistor is connected to the inverting input of the capacitive transistor by means of a drain amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier, the first plate of the storage capacitor, ohm of the start of integration transistor, the drain of the reset transistor, the source of the first address transistor is connected to the signal column bus, the gate of the first address transistor is connected to the gate of the second address transistor, and the gates of the first and second address transistors are configured to supply a read signal to them, the second address transistor is its the drain is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is the output of an operational amplifier, with a second capacitor capacitor plate a, with the source of the reset transistor, and the source of the second address transistor is connected to the supporting column bus, the non-inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is a non-inverting input of the operational amplifier, with the possibility of applying a reference voltage to it, as part of a column-sensitive amplifier, a second reset transistor is made, This column charge-sensitive amplifier is made with inverting and non-inverting inputs, which are respectively inverting and non-inverting The secondary inputs of the second operational amplifier, the non-inverting input of the column-type charge-sensitive amplifier, are connected to the reference column bus, which can be supplied with a reference voltage, and the inverting input of the column-type sensitive amplifier, is connected to the first plate connected in parallel to the negative feedback circuit of the capacitor, made in the form of a linear capacitor discrete set of capacitance values, with a signal column bus, with a drain of the second reset transistor, The second reset transistor is connected to the second plate connected in parallel to the negative feedback circuit of a capacitor, made as a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, with an output of a column-type sensitive amplifier, which is the output of the second operational amplifier, and the gate of the second reset transistor is configured to feed to it the reset signal of the charge-sensitive column amplifier.
Устройство считывания дополнительно содержит во входной ячейке конденсатор для ограничения полосы пропускания емкостного трансимпедансного усилителя, который соединен одной обкладкой с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя, а вторая обкладка закорочена на «землю».The reader additionally contains a capacitor in the input cell to limit the bandwidth of a capacitive transimpedance amplifier that is connected by one plate to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is an output of the operational amplifier, and the second plate is shorted to ground.
В устройстве считывания в емкостном трансимпедансном усилителе выполнены также вход подачи напряжения питания и общий вход, закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», операционного усилителя, в столбцовом зарядочувствительном усилителе выполнен также вход подачи напряжения питания и общий вход, закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», второго операционного усилителя.In the reader in the capacitive transimpedance amplifier, the power supply input and the common input shorted to ground are also made, respectively, the power supply input and the common input shorted to ground, of the operational amplifier, are also made in the charge-sensitive amplifier column input supply voltage and common input, shorted to ground, which are, respectively, the input power supply voltage and common input, shorted to ground, the second operational amplifier .
Технический результат достигается в устройстве считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения, содержащем входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, выполненным на основе операционного усилителя с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель, причем устройство содержит вторую столбцовую шину, при этом одна столбцовая шина реализована в виде инверсной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде прямой столбцовой шины, емкостной трансимпедансный усилитель выполнен также с входом включения, в составе входной ячейки также выполнены транзистор начала интегрирования, транзистор сброса, первый и второй адресные транзисторы, транзистор начала интегрирования соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, и первой обкладкой накопительного конденсатора, своим стоком транзистор начала интегрирования соединен с катодом фотодиода, затвор транзистора начала интегрирования соединен с входом включения емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя, при этом указанные затвор и вход выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования, транзистор сброса своим стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования и первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистор сброса соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, и второй обкладкой накопительного конденсатора, затвор транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки, первый адресный транзистор своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистора начала интегрирования, стоком транзистора сброса, исток первого адресного транзистора соединен с инверсной столбцовой шиной, затвор первого адресного транзистора соединен с затвором второго адресного транзистора, причем затворы первого и второго адресного транзисторов выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания, второй адресный транзистор своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, со второй обкладкой накопительного конденсатора, с истоком транзистора сброса, а исток второго адресного транзистора соединен с прямой столбцовой шиной, неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен полностью дифференциальным в составе конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, второго конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, второго и третьего транзисторов сброса и полностью дифференциального операционного усилителя с инвертирующим входом, являющимся инвертирующим входом столбцового зарядочувствительного усилителя, соединенным с инверсной столбцовой шиной, с неинвертирующим входом, являющимся неинвертирующим входом столбцового зарядочувствительного усилителя, соединенным с прямой столбцовой шиной, с инверсным и прямым выходами, являющимися, соответственно, инверсным и прямым выходами столбцового зарядочувствительного усилителя, при этом с инвертирующим входом полностью дифференциального операционного усилителя соединена первая обкладка конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и сток второго транзистора сброса, вторая обкладка конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и исток второго транзистора сброса соединены с прямым выходом полностью дифференциального операционного усилителя, являющегося прямым выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, с неинвертирующим входом полностью дифференциального операционного усилителя соединена первая обкладка второго конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и сток третьего транзистора сброса, вторая обкладка второго конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и исток третьего транзистора сброса соединены с инверсным выходом полностью дифференциального операционного усилителя, являющегося инверсным выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, затворы второго и третьего транзисторов сброса выполнены соединенными друг с другом и с возможностью подачи на них управляющего сигнала сброса столбцового зарядочувствительного усилителя.The technical result is achieved in a device for reading signals from a photodetector array of infrared radiation containing an input cell with a capacitive transimpedance amplifier with inverting and non-inverting inputs, made on the basis of an operational amplifier with a storage capacitor connected in parallel in the negative feedback circuit, a column-type charge-sensitive amplifier, the device contains a second column bus, with one column bus implemented in the form of inverse st the front bus, and the second column bus is implemented as a straight column bus, the capacitive transimpedance amplifier is also made with the enable input, the input cell also has an integration start transistor, a reset transistor, the first and second address transistors, the integration start transistor is connected to an inverting source by its source the input capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier, and the first plate of the storage capacitor, its drain transistor The integration start is connected to the cathode of the photodiode, the gate of the start of integration transistor is connected to the turn on input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the turn on input of the operational amplifier, the gate and the input are supplied with the possibility of supplying a control signal of the start of integration to them, the drain transistor is connected to the source of the transistor on them the beginning of the integration and the first plate of the storage capacitor, the source of the reset transistor is connected to the output capacitive transimpedno amplifier, which is the output of the operational amplifier, and the second plate of the storage capacitor, the gate of the reset transistor is configured to supply the input cell reset signal to it, the first address transistor is connected to the inverting input of the capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier, with the first storage switch the capacitor, the source of the transistor start integration, the drain of the reset transistor, the source of the first address transistor is connected to inverse column bus, the gate of the first address transistor is connected to the gate of the second address transistor, and the gates of the first and second address transistors are configured to supply a read signal to them, the second address transistor is connected to the output of the second capacitive transimpedance amplifier, which is an output of the operational amplifier, from the second the lining of the storage capacitor, with the source of the reset transistor, and the source of the second address transistor is connected to the straight column bus, noninver A capacitive transimpedance amplifier input, which is a non-inverting input of an operational amplifier, is designed to supply a reference voltage to it, a column-type charge-sensitive amplifier is completely differential in a capacitor made as a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and a second capacitor made as a linear capacitor with discrete set of capacitance values, second and third reset transistors and fully differential op istration amplifier inverting input being the inverting input of the column charge sensitive amplifier connected to the inverse of column bus, the non-inverting input being the non-inverting input of the column charge sensitive amplifier coupled to direct the column bus, with an inverted and direct outputs, which are respectively inverted and direct outputs column charge-sensitive amplifier, with an inverting input of a fully differential operational amplifier connecting The first capacitor plate, made as a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the drain of the second reset transistor, the second plate of a capacitor, made as a linear capacitor with a discrete set of capacitance value, and the source of the second reset transistor are connected to the direct output of a fully differential operational amplifier which is a direct output of a column-type charge-sensitive amplifier, with a non-inverting input of a fully differential op amp connecting The first plate of the second capacitor, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the drain of the third reset transistor, the second plate of the second capacitor, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the source of the third reset transistor are connected to the inverse output of the fully differential an operational amplifier, which is the inverse output of a column-type charge-sensitive amplifier, the gates of the second and third reset transistors are made with united with each other and with the possibility of supplying them with a control signal for resetting the column-type charge-sensitive amplifier.
В устройстве считывания в емкостном трансимпедансном усилителе выполнены также вход подачи напряжения питания и общий вход, закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», операционного усилителя, в полностью дифференциальном столбцовом зарядочувствительном усилителе выполнен также вход подачи напряжения питания и общий вход, закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», полностью дифференциального операционного усилителя.In the reader in the capacitive transimpedance amplifier, there is also a power supply input and a common input shorted to ground, which are, respectively, a power supply input and common input shorted to ground, of an operational amplifier, in a fully differential column-sensitive amplifier A power supply input and a common input, shorted to ground, which are, respectively, a power supply input and common input, shorted to ground, is also made spine differential op amp.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the technical solution is explained in the following description and the attached figures.
На Фиг. 1 показана электрическая принципиальная схема устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного (ИК) излучения в первом варианте выполнения с входной ячейкой, сигнальной столбцовой шиной, опорной шиной и зарядочувствительным усилителем, где: DA1 - операционный усилитель (ОУ); DA2 -операционный усилитель (ОУ); С1 - накопительный конденсатор; С2 - ограничивающий полосу пропускания трансимпедансного усилителя (ТИУ) конденсатор; С3 - линейный конденсатор с дискретным набором значений емкости; VD1 - фотодиод; VT1 - транзистор начала интегрирования; VT2 - транзистор сброса; VT3 - первый адресный транзистор; VT4 - второй адресный транзистор; VT5 - второй транзистор сброса; VDD - напряжение питания; GND - общая линия («земля»); RSTM - сигнал сброса входной ячейки; PHDC - напряжение на катоде фотодиода; RSTC - сигнал сброса столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); VREF - опорное напряжение; READ - сигнал считывания; INT_EN - сигнал начала интегрирования; V_OMX - напряжение на выходе столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ).FIG. 1 shows an electrical circuit diagram of a device for reading signals from an infrared (IR) photoreceiver array in the first embodiment with an input cell, a signal column bus, a reference bus and a charge-sensitive amplifier, where: DA1 is an operational amplifier (OA); DA2 -operational amplifier (OU); C1 - storage capacitor; C2 - limiting the bandwidth of the transimpedance amplifier (TIU) capacitor; C3 - linear capacitor with a discrete set of capacitance values; VD1 - photodiode; VT1 - the start of the integration transistor; VT2 - reset transistor; VT3 - the first address transistor; VT4 - the second address transistor; VT5 - the second transistor reset; VDD - supply voltage; GND - the general line ("land"); RSTM - input cell reset signal; PHDC is the voltage at the cathode of the photodiode; RSTC is a reset signal of a charge-sensitive column amplifier (PSU); VREF - reference voltage; READ - read signal; INT_EN is the start signal of integration; V_OMX is the voltage at the output of a charge-sensitive amplifier (PSU).
На Фиг. 2 показана электрическая принципиальная схема устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного (ИК) излучения во втором варианте выполнения с входной ячейкой, дифференциальными сигнальными столбцовыми шинами и полностью дифференциальным зарядочувствительным усилителем, где: DA1 - операционный усилитель (ОУ); DA3 - полностью дифференциальный операционный усилитель (ОУ); С1 - накопительный конденсатор; С3 - линейный конденсатор с дискретным набором значений емкости; С4 - линейный конденсатор с дискретным набором значений емкости; VD1 - фотодиод; VT1 - транзистор начала интегрирования; VT2 - транзистор сброса; VT3 - первый адресный транзистор; VT4 - второй адресный транзистор; VT5 - второй транзистор сброса; VT6 - третий транзистор сброса; VDD - напряжение питания; GND - общая линия («земля»); PHDC - напряжение на катоде фотодиода; RSTM - сигнал сброса входной ячейки; RSTC - сигнал сброса столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); VREF - опорное напряжение; READ - сигнал считывания; INT_EN - сигнал интегрирования; V_OMXD - напряжение на прямом выходе полностью дифференциального столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); V_OMXD_B - напряжение на инверсном выходе полностью дифференциального столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ).FIG. 2 shows an electrical circuit diagram of a device for reading signals from a photodetector array of infrared (IR) radiation in the second embodiment with an input cell, differential signal column tires and a fully differential charge-sensitive amplifier, where: DA1 is an operational amplifier (OA); DA3 - fully differential operational amplifier (OU); C1 - storage capacitor; C3 - linear capacitor with a discrete set of capacitance values; C4 - linear capacitor with a discrete set of capacitance values; VD1 - photodiode; VT1 - the start of the integration transistor; VT2 - reset transistor; VT3 - the first address transistor; VT4 - the second address transistor; VT5 - the second transistor reset; VT6 - the third transistor reset; VDD - supply voltage; GND - the general line ("land"); PHDC is the voltage at the cathode of the photodiode; RSTM - input cell reset signal; RSTC is a reset signal of a charge-sensitive column amplifier (PSU); VREF - reference voltage; READ - read signal; INT_EN - integration signal; V_OMXD is the voltage at the direct output of the fully differential column charge-sensitive amplifier (SCF); V_OMXD_B is the voltage at the inverse of the output of a fully differential column charge-sensitive amplifier (PSU).
На Фиг. 3 показана временная диаграмма, отражающая работу устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного (ИК) излучения в первом варианте выполнения с входной ячейкой, сигнальной столбцовой шиной, опорной шиной и зарядочувствительным усилителем, где: TFRAME - время кадра; TINT - время интегрирования; RSTM - сигнал сброса входной ячейки; INT_EN - сигнал интегрирования; READ - сигнал считывания; RSTC - сигнал сброса столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); PHDC - напряжение на катоде фотодиода; V_INT - напряжение на выходе трансимпедансного усилителя (ТИУ); V_TIN - напряжение на входе трансимпедансного усилителя (ТИУ); V_OMX - напряжение на выходе столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); VREF - опорное напряжение; VDD - напряжение питания; QC1 - заряд, накопленный на накопительном конденсаторе С1 в течение времени интегрирования.FIG. 3 shows a timing diagram reflecting the operation of a device for reading signals from an infrared (IR) radiation photoreceiver in the first embodiment with an input cell, a signal column bus, a reference bus and a charge sensitive amplifier, where: T FRAME is the frame time; T INT - integration time; RSTM - input cell reset signal; INT_EN - integration signal; READ - read signal; RSTC is a reset signal of a charge-sensitive column amplifier (PSU); PHDC is the voltage at the cathode of the photodiode; V_INT is the voltage at the output of the transimpedance amplifier (TII); V_TIN is the voltage at the input of the transimpedance amplifier (TII); V_OMX is the voltage at the output of the charge-sensitive amplifier (PSU); VREF - reference voltage; VDD - supply voltage; Q C1 - the charge accumulated on the storage capacitor C1 during the integration time.
На Фиг. 4 показана временная диаграмма, отражающая работу устройства считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного (ИК) излучения во втором варианте выполнения с входной ячейкой, дифференциальными сигнальными столбцовыми шинами и полностью дифференциальным зарядочувствительным усилителем, где: TFRAME - время кадра; TINT - время интегрирования; RSTM - сигнал сброса входной ячейки; INT_EN - сигнал интегрирования; READ - сигнал считывания; RSTC - сигнал сброса столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); PHDC - напряжение на катоде фотодиода; V_INT - напряжение на выходе трансимпедансного усилителя (ТИУ); V_OMXD - напряжение на прямом выходе полностью дифференциального столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); V_OMXD_B - напряжение на инверсном выходе полностью дифференциального столбцового зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ); VREF - опорное напряжение; VDD- напряжение питания; QC1 - заряд, накопленный на накопительном конденсаторе С1 в течение времени интегрирования.FIG. 4 shows a timing diagram reflecting the operation of a device for reading signals from an infrared (IR) photoreception array in the second embodiment with an input cell, differential signal column buses and a fully differential charge-sensitive amplifier, where: T FRAME is the frame time; T INT - integration time; RSTM - input cell reset signal; INT_EN - integration signal; READ - read signal; RSTC is a reset signal of a charge-sensitive column amplifier (PSU); PHDC is the voltage at the cathode of the photodiode; V_INT is the voltage at the output of the transimpedance amplifier (TII); V_OMXD is the voltage at the direct output of the fully differential column charge-sensitive amplifier (SCF); V_OMXD_B is the voltage at the inverse output of a fully differential column charge-sensitive amplifier (PSU); VREF - reference voltage; VDD- supply voltage; Q C1 - the charge accumulated on the storage capacitor C1 during the integration time.
Главная функция устройства считывания - регистрация фотозарядов, являющихся информационными сигналами, возникающих в результате накопления фототоков в течение заданного времени интегрирования, со всех элементов фотоприемной матрицы и осуществление последующего последовательного вывода сформированных информационных сигналов. К основным узлам аналогового устройства считывания, обеспечивающим требуемое качество фотоэлектрических характеристик, относятся входная ячейка, столбцовый усилитель. В функцию входной ячейки входит накопление фототока в течение заданного времени интегрирования и осуществление стабилизации рабочей точки в отношении фоточувствительного элемента фотоприемной матрицы - фотодиода. Сформированный посредством входной ячейки в течение времени интегрирования электрический сигнал передается по шине передачи данных - столбцовой шине столбцовому усилителю, затем мультиплексируется на выходной усилитель.The main function of the reader is to register photocharges, which are information signals resulting from the accumulation of photocurrents for a given integration time, from all elements of the photodetector matrix and the subsequent subsequent output of the generated information signals. The main nodes of the analog readout device that provide the required quality of photovoltaic characteristics include an input cell, a column amplifier. The function of the input cell includes the accumulation of the photocurrent for a given integration time and the implementation of the stabilization of the operating point in relation to the photosensitive element of the photodetector - the photodiode. The electrical signal generated by the input cell during the integration time is transmitted via the data bus - the column bus to the column amplifier, then multiplexed to the output amplifier.
Необходимость регистрации слабых потоков ИК-излучения при работе, в частности, в коротковолновом спектральном диапазоне требует интеграции емкостного ТИУ непосредственно во входную ячейку устройства считывания. Как правило, реализация емкостного ТИУ базируется на основе ОУ с накопительным конденсатором, включенным в цепь отрицательной обратной связи. Традиционно, как например, в вышеприведенных аналогах, характеристики используемого ОУ в емкостном ТИУ определяют энергопотребление, линейность передаточной характеристики устройства считывания и разброс уровня выходного напряжения (однородность).The need to register weak infrared fluxes when operating, in particular, in the short-wavelength spectral range requires the integration of capacitive TII by directly into the input cell of the reader. As a rule, the implementation of capacitive TIU is based on the OS with a storage capacitor included in the negative feedback circuit. Traditionally, as for example, in the above analogues, the characteristics of the used opamp in a capacitive TII determine the power consumption, linearity of the transfer characteristic of the reader and the variation of the output voltage level (uniformity).
Уменьшение шага входных ячеек сужает ряд пригодных схемотехнических решений ОУ в целях интеграции емкостного ТИУ во входную ячейку. Кроме того, уменьшение площади ячейки зачастую препятствует реализации необходимого требования по увеличению величины зарядовой емкости, определяемой электрической емкостью накопительного конденсатора и размахом выходного напряжения емкостного ТИУ. Для сохранения линейности преобразования емкостного ТИУ в цепь отрицательной обратной связи необходимо устанавливать конденсаторы, емкость которых не зависит от приложенного напряжения, что не позволяет использовать конденсаторы на основе МОП-структур, обладающие более высокой удельной емкостью.Reducing the step of the input cells narrows the number of suitable OU circuit solutions in order to integrate the capacitive TIU into the input cell. In addition, the reduction of cell area often prevents the implementation of the necessary requirements for increasing the charge capacity, determined by the electrical capacitance of the storage capacitor and the magnitude of the output voltage of the capacitive TII. To preserve the linearity of converting capacitive TIU into a negative feedback circuit, it is necessary to install capacitors whose capacitance does not depend on the applied voltage, which prevents the use of capacitors based on MOS structures with a higher specific capacitance.
Тенденция к увеличению числа фоточувствительных элементов (формата) матрицы накладывает повышенные требования к уровню энергопотребления входных ячеек на основе емкостного ТИУ. Кроме того, увеличение линейных размеров кристалла приводит к усилению влияния паразитных составляющих шин передачи данных.The tendency to increase the number of photosensitive elements (format) of the matrix imposes increased requirements on the level of energy consumption of input cells based on capacitive TII. In addition, an increase in the linear dimensions of the crystal leads to an increase in the influence of the parasitic components of the data transmission buses.
С учетом вышесказанного в предлагаемых вариантах устройства считывания (см. Фиг. 1 и 2) достижение указанного технического результата обеспечивается конструкцией, которая позволяет осуществлять считывание заряда непосредственно с накопительного конденсатора С1, установленного в цепи обратной связи ТИУ, находящегося при считывании в отключенном состоянии.Taking into account the above, in the proposed options for the reader (see Figs. 1 and 2), the achievement of the above technical result is provided by a design that allows reading the charge directly from the storage capacitor C1 installed in the feedback circuit of the TII that is in the off state.
Конструкция, как и в приведенных аналогах, выполнена на основе емкостного трансимпедансного усилителя и столбцового усилителя, являющегося, как и в ближайшем аналоге, зарядочувствительным. Емкостной ТИУ в составе входной ячейки выполняет функции стабилизации напряжения на фотодиоде, интегрирование фототока и преобразования накопленного фотозаряда в выходное напряжение. В приведенных первым и третьим (ближайшем) аналогах емкостной ТИУ перезаряжает конденсатор выборки/хранения результата интегрирования, с которого в дальнейшем осуществляет вывод сигнальной информации. В приведенном втором аналоге вывод сигнальной информации с входной ячейки (в виде напряжения) осуществляется непосредственно с выхода ТИУ. В предлагаемых вариантах технического решения считывание заряда осуществляется непосредственно с накопительного конденсатора С1 (см. Фиг. 1 и 2), установленного в цепи отрицательной обратной связи ТИУ. В период считывания ТИУ отключен. При таком подходе ТИУ выполняет функции стабилизации напряжения на фотодиоде и интегрирования фототока. Преобразование фотозаряда в напряжение происходит на столбцовом ЗЧУ. За счет нового распределения функций обеспечивается достижение технического результата.The design, as in the above analogues, is made on the basis of a capacitive transimpedance amplifier and a column amplifier, which, as in the nearest analogue, is charge-sensitive. The capacitive TII of the input cell performs the functions of stabilizing the voltage on the photodiode, integrating the photocurrent, and converting the accumulated photo charge to output voltage. In the first and third (closest) analogues, the capacitive TIU recharges the sampling / storage capacitor of the integration result, from which the signal information is subsequently output. In the second analogue, the output of the signal information from the input cell (as voltage) is carried out directly from the output of the TII. In the proposed variants of the technical solution, the charge is read out directly from the storage capacitor C1 (see Figs. 1 and 2) installed in the negative feedback circuit of the TII. During the reading period TIU is disabled. With this approach, the TII is used to stabilize the voltage on the photodiode and integrate the photocurrent. The conversion of a photo charge to voltage occurs on a columnar voltage converter. Due to the new distribution of functions, the achievement of the technical result is ensured.
В отношении линейности передаточной характеристики указанное распределение функций приводит к тому, что линейность передаточной характеристики устройства считывания определяется доминирующим образом не ОУ емкостного ТИУ, как было отмечено выше, а характеристиками столбцового ЗЧУ.Regarding the linearity of the transfer characteristic, the indicated distribution of functions leads to the fact that the linearity of the transfer characteristic of the reader is not dominantly determined by the capacitive TIU DU, as noted above, but by the characteristics of the columnar VCU.
Достижение улучшения в линейности передаточной характеристики вариантов предлагаемого устройства достигается за счет снижения влияния коэффициента усиления ОУ в составе ТИУ на линейность преобразования. В отношении предлагаемых вариантов устройства считывания линейность главным образом определяется коэффициентом усиления ОУ, образующего столбцовый ЗЧУ. Реализация топологического размещения ОУ с высоким коэффициентом усиления, а также с линейным конденсатором в отрицательной обратной связи, в области под столбцом значительно проще, чем во входной ячейке. Как правило, под размещение столбцового ЗЧУ отводится область шириной, равной двум шагам ячеек, при этом длина указанной области не ограничена. Таким образом, ЗЧУ размещают с противоположных сторон матрицы входных ячеек, либо друг над другом.The achievement of improvement in the linearity of the transfer characteristics of the variants of the proposed device is achieved by reducing the influence of the gain of the OS in the TIU composition on the linearity of the conversion. In relation to the proposed variants of the reading device, linearity is mainly determined by the gain of the OS that forms the column-wise PSU. The implementation of topological placement of high gain op amps, as well as with a linear capacitor in negative feedback, is much simpler in the area under the column than in the input cell. As a rule, a region with a width equal to two steps of cells is allocated for the placement of a columnar superimposed voltage exclusion system, and the length of the specified area is not limited. Thus, the PSUs are placed on opposite sides of the matrix of input cells, or one above the other.
Необходимо отметить, что амплитудная характеристика реальных ОУ содержит нелинейные участки, снижающие рабочий размах выходного напряжения ТИУ. Соответственно, вблизи данных областей начинается значительное отклонение от прямолинейной зависимости. В предлагаемых вариантах устройства считывание заряда осуществляется непосредственно с накопительного конденсатора, выполненного в цепи отрицательной обратной связи ТИУ. Поэтому входной диапазон значений может быть увеличен вплоть до перехода фотодиода в вольтаический режим (при условии высокого динамического сопротивления фотодиода).It should be noted that the amplitude characteristic of a real op-amp contains non-linear portions that reduce the working range of the TIU output voltage. Accordingly, a significant deviation from a straight line dependence begins near these areas. In the proposed versions of the device, the charge is read directly from the storage capacitor made in the negative feedback circuit of the TII. Therefore, the input range of values can be increased up to the transition of the photodiode to the voltaic mode (under the condition of high dynamic resistance of the photodiode).
Относительно достижения технического результата в части снижения энергопотребления отметим следующее. В предлагаемых вариантах устройства в отличие от приведенных первого и второго аналогов отсутствует процесс перезарядки паразитной емкости столбцовой шины в момент считывания. Кроме того, в отличие от приведенных первого и третьего аналогов, в которых в момент полноформатного сброса происходит перезарядка накопительного конденсатора и ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора во всем массиве входных ячеек, приводящая к броску тока в цепи питания, в предлагаемых вариантах устройства перезарядка накопительного конденсатора и ограничивающего полосу пропускания ТИУ конденсатора, если последний предусмотрен в схеме, осуществляется в момент считывания входной ячейки, тем самым снижая требования к линии и источнику питания.Regarding the achievement of the technical result in terms of reducing energy consumption, we note the following. In the proposed versions of the device, in contrast to the above first and second analogs, there is no process of reloading the parasitic capacitance of the column bus at the time of reading. In addition, unlike the above first and third analogs, in which at the time of a full-length reset, the storage capacitor is recharged and the capacitor limits the TIU capacitor in the entire array of input cells, leading to a current surge in the power supply circuit, the band-limiting capacitor TIU, if the latter is provided for in the circuit, is carried out at the moment of reading the input cell, thereby reducing the requirements for the line AI and power source.
Достижение технического результата в части увеличения зарядовой емкости входной ячейки обеспечивается за счет возможности использования в цепи отрицательной обратной связи емкостного ТИУ нелинейных конденсаторов, как правило, имеющих большую удельную емкость.The achievement of the technical result in terms of increasing the charge capacity of the input cell is due to the possibility of using in the negative feedback circuit of the capacitive TIU of nonlinear capacitors, as a rule, having a large specific capacity.
Технический результат в части улучшения однородности выходного сигнала достигается за счет нивелирования (сглаживания) влияния технологического разброса размера накопительного конденсатора, установленного в цепи отрицательной обратной связи емкостного ТИУ. Традиционно, как например, в вышеприведенных известных технических решениях, изменение напряжения на выходе ТИУ, являющееся выходным сигналом, обратно пропорционально величине накопительного конденсатора. В предлагаемых вариантах устройства считывания в приближении высокого коэффициента усиления накапливаемый и впоследствии считываемый сигнальный заряд определяется произведением значений фототока и времени интегрирования и не зависит от величины накопительного конденсатора. В связи с этим разброс величины накопительного конденсатора не приведет к разбросу наклона передаточной характеристики, хотя по-прежнему будет вносить вклад в разброс величины зарядовой емкости. Разброс напряжений смещения ОУ в составе емкостного ТИУ также не оказывает влияния в предлагаемых вариантах устройства, так как считывается с входной ячейки заряд, сбрасываемый до нуля вне зависимости от напряжения смещения ОУ.The technical result in terms of improving the homogeneity of the output signal is achieved by leveling (smoothing) the effect of the technological variation of the size of the storage capacitor installed in the negative feedback circuit of a capacitive TII. Traditionally, as for example, in the above known technical solutions, the change in voltage at the output of the TII is an output signal, inversely proportional to the value of the storage capacitor. In the proposed variants of the reader in the approximation of high gain, the accumulated and subsequently readable signal charge is determined by the product of the photocurrent values and the integration time and does not depend on the value of the storage capacitor. In this regard, the variation in the value of the storage capacitor does not lead to a variation in the slope of the transfer characteristic, although it will still contribute to the variation in the value of the charge capacity. The scatter of voltages of an op-amp bias as part of a capacitive TII is also not affected by the proposed device variants, since the charge discharged to zero regardless of the op amp bias voltage is read from the input cell.
Предлагаемое вариантами устройство считывания разработано для n-на-р HgCdTe фотоприемников коротковолнового и средневолнового ИК-диапазонов и выполнено на полупроводниковой подложке по КМОП технологии. В устройстве считывания имеется N×М входных ячеек (N, М≥1) - N строк матрицы, М столбцовых зарядочувствительных усилителей (М≥1) - М столбцов матрицы, М (М≥1) пар столбцовых шин - сигнальная и опорная столбцовые шины в случае устройства в реализации первым вариантом, инверсная и прямая солбцовые шины в случае устройства в реализации вторым вариантом (см. Фиг. 1 и 2). N входных ячеек приходится на один столбец - один столбцовый ЗЧУ. Входные ячейки, принадлежащие к одному и тому же столбцу, по очереди коммутируются на одну и ту же пару столбцовых шин.The proposed reading device is designed for n-on-p HgCdTe photodetectors of the shortwave and mediumwave IR ranges and is made on a semiconductor substrate by CMOS technology. The reader has N × M input cells (N, M≥1) - N rows of the matrix, M column charge-sensitive amplifiers (M≥1) - M columns of the matrix, M (M≥1) pairs of column buses - signal and reference column buses in the case of the device in the implementation of the first option, inverse and straight bus tires in the case of the device in the implementation of the second option (see Fig. 1 and 2). N input cells fall on one column - one column PSU. Input cells belonging to the same column are switched in turn to the same pair of column buses.
На Фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства считывания в соответствии с первым вариантом его выполнения.FIG. 1 is an electrical schematic diagram of the proposed reader in accordance with the first embodiment of its implementation.
Устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения содержит входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, который образован операционным усилителем DA1 с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором С1, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель со вторым операционным усилителем DA2 и включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатором.The device for reading signals from the infrared photodetector array contains an input cell with a capacitive transimpedance amplifier with inverting and non-inverting inputs, which is formed by an operational amplifier DA1 with a storage capacitor C1 connected in parallel in the negative feedback circuit, a column bus, a column-sensitive amplifier with a second operational amplifier DA2 connected in parallel to the negative feedback capacitor circuit.
Предлагаемое устройство считывания в соответствии с первым вариантом его выполнения в отличие от ближайшего аналога имеет следующие особенности.The proposed reader in accordance with the first embodiment of its implementation, in contrast to the closest analogue, has the following features.
Кроме упомянутой столбцовой шины устройство содержит вторую столбцовую шину. При этом одна столбцовая шина реализована в виде сигнальной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде опорной столбцовой шины (см. Фиг. 1).In addition to the above column bus, the device comprises a second column bus. In this case, one column bus is implemented as a signal column bus, and the second column bus is implemented as a support column bus (see Fig. 1).
Входная ячейка с емкостным трансимпедансным усилителем, образованным операционным усилителем DA1 с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором С1, содержит также транзистор начала интегрирования VT1, транзистор сброса VT2, первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 (см. Фиг. 1). Транзистор начала интегрирования VT1 обеспечивает запуск процесса интегрирования фототока и накапливание на накопительном конденсатора С1 заряда. Транзистор сброса VT2 обеспечивает сброс входной ячейки перед интегрированием. Первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 необходимы для организации считывания накопленного заряда с накопительного конденсатора С1 столбцовым зарядочувствительным усилителем, через первый адресный транзистор VT3 происходит считывание, посредством второго адресного транзистора VT4 происходит закорачивание второй обкладки накопительного конденсатора С1 на столбцовую опорную шину.The input cell with a capacitive transimpedance amplifier formed by an operational amplifier DA1 with a storage capacitor C1 connected in parallel to the negative feedback circuit also contains the integration start transistor VT1, the reset transistor VT2, the first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 (see. FIG. one). The transistor of the beginning of integration VT1 ensures the start of the process of integrating the photocurrent and the accumulation of charge on the storage capacitor C1. VT2 reset transistor provides input cell reset before integration. The first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 are necessary for organizing the reading of the accumulated charge from the storage capacitor C1 with a column-type sensing amplifier; through the first address transistor VT3, the reading is performed;
Емкостной трансимпедансный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, с входом включения «EN», являющимися, соответственно, инвертирующим и неинвертирующим входами, входом включения операционного усилителя DA1. Неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя DA1, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения «VREF». Кроме того, в емкостном трансимпедансном усилителе так же, как и в приведенных известных аналогах, выполнены вход подачи напряжения питания «VDD» и общий вход «VSS», закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», операционного усилителя DA1.Capacitive transimpedance amplifier is made with inverting and non-inverting inputs, with the enable input "EN", which are, respectively, inverting and non-inverting inputs, the enable input of the operational amplifier DA1. The non-inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is a non-inverting input of an operational amplifier DA1, is configured to provide a reference voltage “VREF” to it. In addition, in the capacitive transimpedance amplifier, as in the well-known analogs, the power supply input “VDD” and the common input “VSS”, shorted to ground, are made, respectively, the power supply input and the common input, shorted to ground, DA1 op amp.
Транзистор начала интегрирования VT1 соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя DA1, первой обкладкой накопительного конденсатора С1, стоком транзистора сброса VT2, стоком первого адресного транзистора VT3. Стоком транзистор начала интегрирования VT1 соединен с катодом фотодиода VD1. Затвор транзистора начала интегрирования VT1 соединен с входом включения «EN» емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя DA1. При этом затвор транзистора начала интегрирования VT1 и вход включения «EN» выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования - «INT_EN». Транзистор сброса VT2 стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования VT1 и первой обкладкой накопительного конденсатора С1. Исток транзистор сброса VT2 соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя DA1, и второй обкладкой накопительного конденсатора С1. Затвор транзистора сброса VT2 выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки - «RSTM». Первый адресный транзистор VT3 своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя DA1, первой обкладкой накопительного конденсатора С1, истоком транзистора начала интегрирования VT1, стоком транзистора сброса VT2. Исток первого адресного транзистора VT3 соединен с сигнальной столбцовой шиной. Затвор первого адресного транзистора VT3 соединен с затвором второго адресного транзистора VT4. Причем затворы первого и второго адресного транзисторов, соответственно, VT3 и VT4 выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания «READ». Второй адресный транзистор VT4 своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя DA1, со второй обкладкой накопительного конденсатора С1, с истоком транзистора сброса VT2. Исток второго адресного транзистора VT4 соединен с опорной столбцовой шиной.The integration start transistor VT1 is connected by its source to the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier DA1, the first plate of the storage capacitor C1, the drain of the transistor VT2, the drain of the first address transistor VT3. The drain transistor of the beginning of integration VT1 is connected to the cathode of the photodiode VD1. The gate of the transistor of the beginning of integration VT1 is connected to the “EN” switch-on input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the switch-on input of the operational amplifier DA1. In this case, the gate of the transistor of the beginning of integration VT1 and the enable input of "EN" are made with the possibility of supplying them with a control signal of the beginning of integration - "INT_EN". The reset transistor VT2 drain is connected to the source of the transistor start integrating VT1 and the first plate of the storage capacitor C1. The source of the reset transistor VT2 is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is the output of the operational amplifier DA1, and the second plate of the storage capacitor C1. The gate of the reset transistor VT2 is configured to supply it with a reset signal of the input cell - “RSTM”. The first address transistor VT3 is connected to the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier DA1, the first plate of the storage capacitor C1, the source of the transistor of the beginning of integration VT1, the drain of the transistor VT2. The source of the first address transistor VT3 is connected to the signal column bus. The gate of the first address transistor VT3 is connected to the gate of the second address transistor VT4. Moreover, the gates of the first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 made with the possibility of applying to them the read signal "READ". The second address transistor VT4 is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is an output of the operational amplifier DA1, with the second plate of the storage capacitor C1, with the source of the reset transistor VT2. The source of the second address transistor VT4 is connected to the reference column bus.
Во входной ячейке может быть выполнен конденсатор С2 для ограничения полосы пропускания емкостного трансимпедансного усилителя. Конденсатор С2 соединен одной обкладкой с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя DA1. Вторая обкладка конденсатора С2 закорочена на «землю». Назначение указанного дополнительного конденсатора С2 - снижение уровня шума при работе устройства считывания. Данный конденсатор препятствует заметному увеличению вклада теплового шума емкостного ТИУ в общий шум устройства считывания при повышении рабочих температур, в частности, более 150 К. Это способствует увеличению отношения сигнал/шум фотоприемного устройства.A capacitor C2 can be made in the input cell to limit the bandwidth of a capacitive transimpedance amplifier. The capacitor C2 is connected by one plate to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is the output of an operational amplifier DA1. The second plate of the capacitor C2 is shorted to ground. The purpose of this additional capacitor C2 is to reduce the noise level when the reader is in operation. This capacitor prevents a noticeable increase in the contribution of thermal noise of the capacitive TIU to the total noise of the reader when the operating temperature rises, in particular more than 150 K. This increases the signal-to-noise ratio of the photoreceiver.
Столбцовый зарядочувствительный усилитель со вторым операционным усилителем DA2 и включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатором С3 дополнительно содержит второй транзистор сброса VT5 (см. Фиг. 1).The column charge-sensitive amplifier with the second operational amplifier DA2 and the capacitor C3 connected in parallel in the negative feedback circuit further comprises a second reset transistor VT5 (see. Fig. 1).
Столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, являющимися, соответственно, инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя DA2. Кроме того, в столбцовом зарядочувствительном усилителе так же, как и в приведенных известных аналогах, выполнены вход подачи напряжения питания «VDD» и общий вход «VSS», закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», второго операционного усилителя DA2. Неинвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с опорной столбцовой шиной, выполненной с возможностью подачи на нее опорного напряжения «VREF». Инвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с первой обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора С3, с сигнальной столбцовой шиной, со стоком второго транзистора сброса VT5.The column charge-sensing amplifier is made with inverting and non-inverting inputs, which are respectively inverting and non-inverting inputs of the second operational amplifier DA2. In addition, in the column charge-sensitive amplifier, as in the well-known analogs, the power supply input “VDD” and the common input “VSS”, shorted to ground, are made, respectively, the input power supply voltage and the common input, shorted to ground, the second operational amplifier DA2. The non-inverting input of a charge-sensitive column amplifier is connected to a support column bus, configured to supply the reference voltage “VREF” to it. The inverting input of the column-type charge-sensitive amplifier is connected to the first plate of the capacitor C3 connected in parallel in the negative feedback circuit, to the signal column bus, to the drain of the second transistor VT5.
Второй транзистора сброса VT5 обеспечивает сброс столбцового ЗЧУ перед считыванием заряда с накопительного конденсатора С1. Исток второго транзистора сброса VT5 соединен со второй обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора С3, с выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, являющегося выходом второго операционного усилителя DA2. Затвор второго транзистора сброса VT5 выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса «RSTC» столбцового зарядочувствительного усилителя.The second reset transistor VT5 provides a reset of the column-controlled voltage supply field before reading the charge from the storage capacitor C1. The source of the second transistor VT5 is connected to the second plate connected in parallel in the negative feedback circuit of the capacitor C3, with the output of the column-type charge-sensitive amplifier, which is the output of the second operational amplifier DA2. The gate of the second transistor VT5 reset is configured to supply him with a reset signal "RSTC" column charge-sensitive amplifier.
Конденсатор С3 выполнен в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости. Назначение данного конденсатора С3 обеспечить возможность максимального размаха выходного напряжения столбцового ЗЧУ при любой степени заполнения накопительного конденсатора С1, исходя из его дискретного набора значений емкости.Capacitor C3 is designed as a linear capacitor with a discrete set of capacitance values. The purpose of this capacitor C3 is to provide the possibility of maximizing the output voltage of a columnar SCU at any filling level of the storage capacitor C1, based on its discrete set of capacitance values.
Транзистор начала интегрирования VT1, транзистор сброса VT2, первый адресный транзистор VT3, второй адресный транзистор VT4, второй транзистор сброса VT5 - полевые транзисторы, выполненные n-МОП-транзисторами. Подложки указанных транзисторов закорочены на «землю».The transistor began to integrate VT1, the reset transistor VT2, the first address transistor VT3, the second address transistor VT4, the second reset transistor VT5 - field-effect transistors made n-MOSFET transistors. The substrates of these transistors are shorted to ground.
Функционирование устройства считывания, реализованного первым вариантом его выполнения, с достижением указанного технического результата поясняется с помощью временных диаграмм (см. Фиг. 3), иллюстрирующих качественное изменение управляющих и результирующих потенциалов на элементах устройства считывания (см. Фиг. 1).The operation of the reader, implemented by the first variant of its implementation, with the achievement of the specified technical result is explained using time diagrams (see. Fig. 3), illustrating the qualitative change in the control and the resulting potentials on the elements of the reader (see.
Время кадра «TFRAME» складывается из времени интегрирования «TINT» и времени, затрачиваемого на считывание сигнальной информации с массива входных ячеек. В начале кадра по сигналу «RSTM», подаваемому на затвор транзистора сброса VT2, осуществляют сброс каждой из входных ячеек в массиве, которых как указано выше, в нем N×М (N≥1, М≥1). В течение импульса «RSTM», с запаздыванием относительно момента подачи последнего, начинают подавать импульс «INT_EN», которым осуществляют включение емкостного трансимпедансного усилителя и открывают транзистор начала интегрирования VT1. В результате сброса входной ячейки происходит перезарядка емкости фотодиода и балансировка напряжения на инвертирующем входе и выходе емкостного трансимпедансного усилителя вблизи уровня опорного напряжения «VREF» в результате влияния напряжения смещения DA1. Процесс интегрирования фототока IPD начинается с прекращением подачи импульса «RSTM» и длится до окончания подачи импульса «INT_EN».The frame time “T FRAME ” is made up of the integration time “T INT ” and the time taken to read the signal information from the array of input cells. At the beginning of the frame, the RSTM signal applied to the gate of the reset transistor VT2 resets each of the input cells in the array, which, as indicated above, contains N × M (N≥1, M≥1). During the “RSTM” pulse, with a lag relative to the moment of the last feed, start the “INT_EN” pulse, which is used to turn on the capacitive transimpedance amplifier and open the transistor of the start of integration VT1. As a result of resetting the input cell, the photodiode capacitance is recharged and the voltage is balanced at the inverting input and output of the capacitive transimpedance amplifier near the reference voltage level “VREF” as a result of the influence of the DA1 bias voltage. The process of integrating the photocurrent I PD begins with the cessation of the impulse “RSTM” and lasts until the end of the impulse “INT_EN”.
Изменение напряжения на инвертирующем входе емкостного трансимпедансного усилителя за время интегрирования определяется выражениемThe change in voltage at the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier during integration is determined by the expression
где: IPD - ток фотодиода VD1;where: I PD is the photodiode current VD1;
TINT - время интегрирования;T INT - integration time;
А1 - коэффициент усиления ОУ DA1 по напряжению;And 1 - gain OU DA1 voltage;
С1 - емкость накопительного конденсатора С1;C 1 - the capacity of the storage capacitor C1;
CPD - емкость фотодиода VD1.C PD is the capacitance of the photodiode VD1.
Соответственно изменение напряжения на выходе емкостного трансимпедансного усилителя за время интегрирования равноAccordingly, the change in voltage at the output of a capacitive transimpedance amplifier during the integration time is equal to
где: А1 - коэффициент усиления ОУ DA1 по напряжению;where: A 1 - the voltage gain of the amplifier DA1;
ΔVINT - изменение напряжения на инверсном входе емкостного ТИУ;ΔV INT - voltage change at the inverse of the input capacitive TII;
IPD - ток фотодиода VD1;I PD is the photodiode current VD1;
TINT - время интегрирования;T INT - integration time;
С1 - емкость накопительного конденсатора С1;C 1 - the capacity of the storage capacitor C1;
CPD - емкость фотодиода VD1.C PD is the capacitance of the photodiode VD1.
Заряд, накопленный конденсатором С1 за время интегрирования задается выражениемThe charge accumulated by the capacitor C1 during the integration time is given by
где: A1 - коэффициент усиления ОУ DA1 по напряжению;where: A 1 - the voltage gain of the amplifier DA1;
C1 - емкость накопительного конденсатора С1;C 1 - the capacity of the storage capacitor C1;
ΔVINT - изменение напряжения на инверсном входе емкостного ТИУ;ΔV INT - voltage change at the inverse of the input capacitive TII;
IPD - ток фотодиода VD1;I PD is the photodiode current VD1;
TINT - время интегрирования;T INT - integration time;
CPD - емкость фотодиода VD1.C PD is the capacitance of the photodiode VD1.
Выражения (1)-(3) справедливы в предположении высокого динамического сопротивления фотодиода RPD, при котором можно пренебречь снижением эффективности инжекции фототока в процессе интегрирования (Wei Zhang, SongLei Huang, ZhangCheng Huang, Jiaxpong Fang, Analysis and design of a low-noise ROIC for hybrid InGaAs infrared FPA // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81933Q, 8 September 2011). В этом приближении динамическое сопротивление фотодиода RPD должно удовлетворять условиюExpressions (1) - (3) are valid under the assumption of high dynamic resistance of the photodiode R PD , at which the decrease in the efficiency of injection of the photocurrent during the integration process can be neglected (Wei Zhang, SongLei Huang, ZhangCheng Huang, Jiaxpong Fang, Analysis and design of low-noise) ROIC for hybrid InGaAs infrared FPA // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81933Q, September 8, 2011). In this approximation, the dynamic resistance of the photodiode R PD should satisfy the condition
где: TINT - время интегрирования;where: T INT is the integration time;
A1 - коэффициент усиления ОУ DA1 по напряжению;A 1 - the voltage gain of the amplifier DA1;
С1 - емкость накопительного конденсатора С1;C 1 - the capacity of the storage capacitor C1;
CPD - емкость фотодиода VD1.C PD is the capacitance of the photodiode VD1.
Даже при малом коэффициенте усиления ОУ DA1 по напряжению А1=25 и значениях времени интегрирования TINT=30 мс, емкости конденсатора С1 С1=150 фФ, емкости фотодиода VD1 CPD=30 фФ из выражения (4) следует необходимое условие RPD>>1010 Ом, что легко реализуется в фотодиодах на основе твердого раствора теллурида кадмия и ртути для коротковолнового и средневолнового ИК-диапазонов.Even with a small gain OU DA1 voltage A 1 = 25 and values of integration time T INT = 30 ms, capacitance C1 C1 1 = 150 fF, photodiode capacitance VD1 C PD = 30 fF from the expression (4) the necessary condition R PD >> 10 10 Ohms, which is easily realized in photodiodes based on a solid solution of cadmium telluride and mercury for the shortwave and mediumwave IR ranges.
Стабилизация рабочей точки «PHDC» обеспечивается за счет возникающего в емкостном трансимпедансном усилителе эффекта Миллера, в результате которого происходит увеличение эффективной входной емкости пропорционально величине накопительного конденсатора С1 и коэффициента усиления ОУ DA1 по напряжению.The PHDC operating point is stabilized by the Miller effect arising in a capacitive transimpedance amplifier, which results in an increase in the effective input capacitance proportional to the value of the storage capacitor C1 and the gain of the opamp DA1 in voltage.
Подачей импульса считывания «READ» открывают первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4. Операционный усилитель DA1 к моменту подачи сигнала считывания «READ» находится уже в выключенном состоянии. Вторая обкладка накопительного конденсатора С1 (а также обкладка конденсатора С2 для ограничения полосы пропускания емкостного трансимпедансного усилителя, если устройство считывания снабжено им) закорачивается на опорную столбцовую шину через второй адресный транзистор VT4 (при наличии в устройстве конденсатора С2 для ограничения полосы пропускания емкостного трансимпедансного усилителя происходит перезарядка С2 до опорного напряжения «VREF»). Столбцовый зарядочувствительный усилитель через первый адресный транзистор VT3 считывает накопленный сигнальный заряд с накопительного конденсатора С1. Изменение напряжения на выходе столбцового зарядочувствительного усилителя определяется выражениемThe first and second address transistors, VT3 and VT4, respectively, are opened with the readout pulse READ. Operational amplifier DA1 at the time of the read signal "READ" is already in the off state. The second plate of the storage capacitor C1 (as well as the capacitor plate C2 to limit the bandwidth of a capacitive transimpedance amplifier if the reader is equipped with it) is short-circuited to the reference column bus through the second address transistor VT4 recharge C2 to the reference voltage "VREF"). Column charge-sensitive amplifier through the first address transistor VT3 reads the accumulated signal charge from the storage capacitor C1. The change in voltage at the output of the charge-sensitive column amplifier is determined by the expression
где: А2 - коэффициент усиления ОУ DA2 по напряжению;where: A 2 - the voltage gain of the amplifier DA2;
QC1 - заряд накопительного конденсатора С1 за время интегрирования;Q C1 is the charge of the storage capacitor C1 during the integration time;
С3 - емкость линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости.C 3 is the capacity of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values.
При А2>>1 разностью потенциалов между обкладками накопительного конденсатора С1 после считывания можно пренебречь. Таким образом, во время сброса входной ячейки по сигналу «RSTM» перезарядка накопительного конденсатора С1 (а также конденсатора С2 для ограничения полосы пропускания емкостного трансимпедансного усилителя, если устройство считывания снабжено им) отсутствует. Также при высоких значениях коэффициента усиления ОУ DA2 по напряжению А2 отсутствуют процессы перераспределения и передачи заряда по сигнальной столбцовой шине.When А 2 >> 1, the potential difference between the plates of the storage capacitor C1 after reading can be neglected. Thus, at the time of resetting the input cell by the “RSTM” signal, the recharge of the storage capacitor C1 (as well as the capacitor C2 to limit the bandwidth of the capacitive transimpedance amplifier if the reader is equipped with it) is absent. Also, at high values of the gain of the OU DA2 over the voltage A2, there are no processes of redistribution and charge transfer along the signal column bus.
Поскольку учитывается, что накопительный конденсатор С1, в частности, может быть нелинейным, определим среднюю величину его электрической емкости в рабочем диапазоне Полагая, что выходное напряжение ОУ DA1 достигает напряжения питания «VDD» и напряжение смещение ОУ DA1 равно нулю, средняя величина электрической емкости накопительного конденсатора С1 в рабочем диапазоне определяетсяSince it is taken into account that the storage capacitor C1, in particular, can be non-linear, we determine the average value of its electrical capacitance in the operating range Assuming that the output voltage OU DA1 reaches the supply voltage "VDD" and the voltage offset OU DA1 is zero, the average value of the electrical capacitance of the storage capacitor C1 in the operating range is determined
где: VVDD - величина напряжения питания;where: V VDD - the value of the supply voltage;
А1 - коэффициент усиления ОУ DA1 по напряжению;And 1 - gain OU DA1 voltage;
VVREF - величина опорного напряжения;V VREF - the value of the reference voltage;
C1 - емкость накопительного конденсатора С1.C 1 - the capacity of the storage capacitor C1.
Конденсатор С3 реализован, например, таким образом, что его электрическая емкость а причем в промежутке указанных значений емкость конденсатора С3 принимает значения с дискретностью (шестнадцать значений емкости). Подбирая величину емкости линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости С3 из заданного дискретного набора значений, можно добиться максимального размаха выходного напряжения столбцового зарядочувствительного усилителя ΔVOMX даже при малом коэффициенте заполнения накопительного конденсатора С1, в данном случае величина емкости линейного конденсатора с дискретным набором значений В предлагаемом устройстве считывания линейность передаточной характеристики в значительной степени определяется характеристиками операционного усилителя DA2. При использовании в качестве его операционного усилителя с полнодиапазонным размахом выходного сигнала и высоким коэффициентом усиления (А2>1000) отсутствуют заметные искажения сигнала даже вблизи линий питания. В этом случае величина емкости линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости С3 равна величине емкости накопительного конденсатора С1.The capacitor C3 is implemented, for example, in such a way that its electrical capacity but moreover, in the interval of these values, the capacitance of the capacitor C3 takes values with discreteness (sixteen capacity values). By selecting the capacitance value of a linear capacitor with a discrete set of capacitance C3 values from a given discrete set of values, you can maximize the output voltage of the columnar charge-sensitive amplifier ΔV OMX even with a small fill factor of the storage capacitor C1, in this case, the capacitance value of the linear capacitor with a discrete set of values In the proposed reader, the linearity of the transfer characteristic is largely determined by the characteristics of the operational amplifier DA2. When used as its operational amplifier with a full-range swing of the output signal and a high gain factor (А 2 > 1000), there are no noticeable distortions of the signal even near the power lines. In this case, the capacitance value of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values C3 is equal to storage capacitor capacitance C1.
Сброс столбцового зарядочувствительного усилителя осуществляют подачей сигнала «RSTC» к затвору второго транзистора сброса VT5. Начало подачи импульса «RSTC» может быть во время импульса «READ». Однако данное условие является необязательным.Reset column charge-sensitive amplifier carry out the signal "RSTC" to the gate of the second transistor reset VT5. The start of the “RSTC” pulse can be during the “READ” pulse. However, this condition is optional.
Относительно достижения технического результата в части линейности передаточной характеристики отметим следующее.Regarding the achievement of the technical result in terms of the linearity of the transfer characteristic, we note the following.
В известных устройствах считывания с входной ячейкой на основе емкостного трансимпедансного усилителя - приведенных аналогах - напряжение, описанное уравнением (2), принимается за основу для дальнейшего считывания информации. Так, в устройстве, указанном в качестве первого аналога (Very wide dynamic range SWIR sensors for very low background applications / Roberts F. Cannata, Randal J. Hansen, Adrienne N. Costello, William J. Parrish // Proc. SPIE 3698, Infrared Technology and Application XXV, July 1999), данное напряжение, дополнительно искажаясь, выводится с помощью истокового повторителя. В устройстве, указанном в качестве ближайшего аналога (Design of readout circuit for microcantilever infrared focal plane array with snapshot integration / Ke Lei, Zhongjian Chen, Junmin Cao, Yaciong Zhang, Wengao Lu, Lijiu Ji // Proc. SPIE 7383, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Advances in Infrared Imaging and Application, 73833L, 5 August 2009), данное напряжение сохраняется на конденсаторе выборки/хранения результата интегрирования, затем считывается в виде заряда. В предлагаемом устройстве преобразование накопленного на накопительном конденсаторе С1 фотозаряда в напряжение происходит на столбцовом зарядочувствительном усилителе.In the known readers with an input cell based on a capacitive transimpedance amplifier — given analogs — the voltage described by equation (2) is taken as the basis for further reading of information. So, in the device specified as the first analogue (Roberts F. Cannata, Randal J. Hansen, Adrienne N. Costello, William J. Parrish), Proc. SPIE 3698, Infrared Technology and Application XXV, July 1999), this voltage, being additionally distorted, is derived using a source follower. In the device, indicated as the closest analogue (Design of the readout circuit for microcantilever infrared focal plane array with snapshot integration), Zhongjian Chen, Junmin Cao, Yaciong Zhang, Wengao Lu, Lijiu Ji // Proc. SPIE 7383, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Advances in Infrared Imaging and Application, 73833L, 5 August 2009), this voltage is stored on the sampling / storage capacitor of the integration result, then read as a charge. In the proposed device, the conversion of the photocharge charged to the storage capacitor C1 to the voltage takes place in a column-type charge-sensitive amplifier.
Амплитудная характеристика реального ОУ отклоняется от прямолинейной, вблизи области насыщения наблюдается существенное снижение коэффициента усиления. Нелинейные искажения ОУ в составе емкостного ТИУ приводят к снижению линейного динамического диапазона устройства считывания. Из анализа уравнений (2) и (3) ясно видно, что в предлагаемом устройстве снижение коэффициента усиления вносит значительно меньшие нелинейные искажения в передаточную характеристику устройства считывания.The amplitude characteristic of a real op amp deviates from a straight line, near the saturation region a significant decrease in the gain is observed. Non-linear distortions of an op-amp as part of a capacitive TIU lead to a decrease in the linear dynamic range of the reader. From the analysis of equations (2) and (3) it is clearly seen that in the proposed device the reduction in the gain factor introduces significantly less non-linear distortions in the transfer characteristic of the reading device.
При условии A1>>CPD/C1 уравнения (2) и (3) упрощаются, соответственно, доUnder the condition A 1 >> C PD / C 1, equations (2) and (3) are simplified, respectively, to
где: C1 - емкость накопительного конденсатора С1;where: C 1 is the capacitance of the storage capacitor C1;
TINT - время интегрирования;T INT - integration time;
IPD - ток фотодиода VD1.I PD is the photodiode current VD1.
Таким образом, если электрическая емкость накопительного конденсатора С1 зависит от приложенного напряжения, то напряжение на выходе емкостного трансимпедансного усилителя в процессе интегрирования также будет отклоняться от прямолинейной зависимости. Предполагая отсутствие влияния малых изменений напряжения смещения на фотодиоде VD1 на величину фототока, из выражения (8) можно заключить, что при значениях A1>>CPD/C1 имеет место линейный процесс накопления заряда при интегрировании вне зависимости от линейности емкости накопительного конденсатора С1.Thus, if the electrical capacitance of the storage capacitor C1 depends on the applied voltage, the voltage at the output of the capacitive transimpedance amplifier in the process of integration will also deviate from a straight line dependence. Assuming no effect of small changes in the bias voltage on the photodiode VD1 on the photocurrent value, it is possible to conclude from the expression (8) that for A 1 >> C PD / C1, a linear accumulation of charge takes place during integration regardless of the linearity of the capacitance of the storage capacitor C1.
Относительно достижения превосходства в части однородности выходного сигнала при технологическом разбросе электрической емкости накопительного конденсатора С1 правомерны аналогичные рассуждения.Regarding the achievement of superiority in terms of the homogeneity of the output signal with the technological variation of the electrical capacitance of the storage capacitor C1, similar reasoning is valid.
В известных устройствах считывания, приведенных при описании уровня техники, разброс емкости накопительного конденсатора С1 приведет к разбросу наклона передаточной характеристики согласно уравнению (7). В предлагаемом устройстве считывания разброс емкости накопительного конденсатора С1 в соответствии с уравнением (8) не оказывает никакого влияния относительно наклона передаточной характеристики, хотя и вносит разброс в величину зарядовой емкости входной ячейки и, соответственно, в максимальное время интегрирования. Данный разброс будет проявляться лишь в области насыщения входных ячеек.In the known reading devices given in the description of the prior art, the variation of the capacitance of the storage capacitor C1 will lead to the variation of the slope of the transfer characteristic according to equation (7). In the proposed reader, the variation in the capacitance of the storage capacitor C1 in accordance with equation (8) has no effect on the slope of the transfer characteristic, although it introduces a variation in the charge capacitance of the input cell and, accordingly, in the maximum integration time. This scatter will appear only in the saturation region of the input cells.
Также известно, что к разбросу уровня выходного сигнала приводит разброс напряжений смещения операционного усилителя емкостного ТИУ (Dong Yang, Hang-yu Zhou, Jian Wang, Design of a low noise and high accuracy readout integrated circuit for infrared detectors // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81932H, 8 September 2011; Wei Zhang, SongLei Huang, ZhangCheng Huang, Jiaxpong Fang, Analysis and design of a low-noise ROIC for hybrid InGaAs infrared FPA // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81933Q, 8 September 2011). В предлагаемом техническом решении выходным сигналом входной ячейки является заряд, сбрасываемый до нуля перед актом интегрирования вне зависимости от напряжения смещения операционного усилителя DA1. Напряжение на выходе устройства считывания, соответствующее «нулевой» засветке фотоприемного устройства, будет варьироваться лишь от столбца к столбцу, межстрочная вариация будет отсутствовать. Разброс будет определяться характеристиками операционного усилителя DA2 столбцового зарядочувствительного усилителя.It is also known that the variation of the output signal level is caused by the variation of the bias voltage of an operational amplifier of a capacitive TIU (Dong Yang, Hang-yu Zhou, Jian Wang) // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81932H, September 8, 2011; Wei Zhang, SongLei Huang, ZhangCheng Huang, Jiaxpong Fang, Analysis and InGaAs infrared FPA // Proc. SPIE 8193, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Infrared Imaging and Applications, 81933Q, September 8, 2011). In the proposed technical solution, the output signal of the input cell is the charge, reset to zero before the act of integration, regardless of the bias voltage of the operational amplifier DA1. The voltage at the output of the reader, corresponding to the "zero" illumination of the photodetector, will vary only from column to column, there will be no interline variation. The spread will be determined by the characteristics of the DA2 operational amplifier of a column-type charge-sensitive amplifier.
На Фиг. 2 приведена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства считывания в соответствии со вторым вариантом его выполнения.FIG. 2 shows an electrical schematic diagram of the proposed reader in accordance with the second embodiment of its implementation.
Устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения содержит входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, который образован операционным усилителем DA1 с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором С1, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель.The device for reading signals from the photoreceiver array of infrared radiation contains an input cell with a capacitive transimpedance amplifier with inverting and non-inverting inputs, which is formed by operating amplifier DA1 with a storage capacitor C1 connected in parallel in the negative feedback circuit, a column bus, a column-sensitive amplifier.
Предлагаемое устройство считывания в соответствии со вторым вариантом его выполнения в отличие от ближайшего аналога имеет следующие особенности.The proposed reader in accordance with the second variant of its implementation in contrast to the closest analogue has the following features.
Устройство содержит помимо упомянутой столбцовой шины вторую столбцовую шину. При этом одна столбцовая шина реализована в виде инверсной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде прямой столбцовой шины (см. Фиг. 2).The device contains, in addition to the column bus, a second column bus. In this case, one column bus is implemented as an inverse column bus, and the second column bus is implemented as a straight column bus (see. Fig. 2).
Входная ячейка с емкостным трансимпедансным усилителем, образованным операционным усилителем DA1 с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором С1, содержит также транзистор начала интегрирования VT1, транзистор сброса VT2, первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 (см. Фиг. 2). Аналогично первому варианту предлагаемого устройства указанные элементы выполняют следующие функции.The input cell with a capacitive transimpedance amplifier formed by an operational amplifier DA1 with a storage capacitor C1 connected in parallel to the negative feedback circuit also contains the integration start transistor VT1, the reset transistor VT2, the first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 (see. FIG. 2). Similarly, the first variant of the proposed device, these elements perform the following functions.
Транзистор начала интегрирования VT1 обеспечивает запуск процесса интегрирования фототока и накапливание на накопительном конденсаторе С1 заряда. Транзистор сброса VT2 обеспечивает сброс входной ячейки перед интегрированием. Первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 необходимы для организации считывания накопленного заряда с накопительного конденсатора С1 столбцовым зарядочувствительным усилителем, через первый адресный транзистор VT3 происходит считывание столбцовым зарядочувствительным усилителем за счет соединения первого адресного транзистора VT3 со столбцовой инверсной шиной, соединенной с инвертирующим входом ЗЧУ, посредством второго адресного транзистора VT4 происходит закорачивание второй обкладки накопительного конденсатора С1 на столбцовую прямую шину.The transistor of the beginning of integration VT1 ensures the start of the process of integrating the photocurrent and the accumulation of charge on the storage capacitor C1. VT2 reset transistor provides input cell reset before integration. The first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 are required for organizing the reading of the accumulated charge from the storage capacitor C1 with a column-type sensitive amplifier; the input of SCh, through the second address transistor VT4 is the shorting of the second plate of the storage capacitor C1 on column straight bus.
Емкостной трансимпедансный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, с входом включения «EN», являющимися, соответственно, инвертирующим и неинвертирующим входами, входом включения операционного усилителя DA1. Неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя DA1, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения «VREF». В емкостном трансимпедансном усилителе так же, как и в приведенных известных аналогах, выполнены вход подачи напряжения питания «VDD» и общий вход «VSS», закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», операционного усилителя DA1.Capacitive transimpedance amplifier is made with inverting and non-inverting inputs, with the enable input "EN", which are, respectively, inverting and non-inverting inputs, the enable input of the operational amplifier DA1. The non-inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is a non-inverting input of an operational amplifier DA1, is configured to provide a reference voltage “VREF” to it. In the capacitive transimpedance amplifier, as in the well-known analogs, the input supply voltage "VDD" and the common input "VSS" shorted to ground are made, respectively, the input supply voltage and common input shorted to ground ", operational amplifier DA1.
Транзистор начала интегрирования VT1 соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя DA1, первой обкладкой накопительного конденсатора С1, стоком транзистора сброса VT2, стоком первого адресного транзистора VT3. Стоком транзистор начала интегрирования VT1 соединен с катодом фотодиода VD1. Затвор транзистора начала интегрирования VT1 соединен с входом включения «EN» емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя DA1. При этом затвор транзистора начала интегрирования VT1 и вход включения «EN» выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования - «INT_EN». Транзистор сброса VT2 стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования VT1 и первой обкладкой накопительного конденсатора С1. Исток транзистор сброса VT2 соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя DA1, и второй обкладкой накопительного конденсатора С1. Затвор транзистора сброса VT2 выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки - «RSTM». Первый адресный транзистор VT3 своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя DA1, первой обкладкой накопительного конденсатора С1, истоком транзистора начала интегрирования VT1, стоком транзистора сброса VT2. Исток первого адресного транзистора VT3 соединен с инверсной столбцовой шиной. Затвор первого адресного транзистора VT3 соединен с затвором второго адресного транзистора VT4. Причем затворы первого и второго адресного транзисторов, соответственно, VT3 и VT4 выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания «READ». Второй адресный транзистор VT4 своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя DA1, со второй обкладкой накопительного конденсатора С1, с истоком транзистора сброса VT2. Исток второго адресного транзистора VT4 соединен с прямой столбцовой шиной (см. Фиг. 2).The integration start transistor VT1 is connected by its source to the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier DA1, the first plate of the storage capacitor C1, the drain of the transistor VT2, the drain of the first address transistor VT3. The drain transistor of the beginning of integration VT1 is connected to the cathode of the photodiode VD1. The gate of the transistor of the beginning of integration VT1 is connected to the “EN” switch-on input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the switch-on input of the operational amplifier DA1. In this case, the gate of the transistor of the beginning of integration VT1 and the enable input of "EN" are made with the possibility of supplying them with a control signal of the beginning of integration - "INT_EN". The reset transistor VT2 drain is connected to the source of the transistor start integrating VT1 and the first plate of the storage capacitor C1. The source of the reset transistor VT2 is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is the output of the operational amplifier DA1, and the second plate of the storage capacitor C1. The gate of the reset transistor VT2 is configured to supply it with a reset signal of the input cell - “RSTM”. The first address transistor VT3 is connected to the inverting input of a capacitive transimpedance amplifier, which is the inverting input of the operational amplifier DA1, the first plate of the storage capacitor C1, the source of the transistor of the beginning of integration VT1, the drain of the transistor VT2. The source of the first address transistor VT3 is connected to the inverse column bus. The gate of the first address transistor VT3 is connected to the gate of the second address transistor VT4. Moreover, the gates of the first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 made with the possibility of applying to them the read signal "READ". The second address transistor VT4 is connected to the output of a capacitive transimpedance amplifier, which is an output of the operational amplifier DA1, with the second plate of the storage capacitor C1, with the source of the reset transistor VT2. The source of the second address transistor VT4 is connected to a straight column bus (see Fig. 2).
Столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен полностью дифференциальным (см. Фиг. 2). В его состав входят конденсатор С3 и второй конденсатор С4, которые выполнены в виде линейных конденсаторов с дискретным набором значений емкости.The column charge-sensitive amplifier is completely differential (see Fig. 2). It consists of a capacitor C3 and a second capacitor C4, which are made in the form of linear capacitors with a discrete set of capacitance values.
Также в состав столбцового зарядочувствительного усилителя входят второй и третий транзисторы сброса, соответственно, VT5 и VT6, полностью дифференциальный операционный усилитель DA3.Also, the composition of the column charge-sensitive amplifier includes the second and third reset transistors, respectively, VT5 and VT6, fully differential operational amplifier DA3.
Полностью дифференциальный операционный усилитель DA3 выполнен с инвертирующим входом, являющимся инвертирующим входом столбцового зарядочувствительного усилителя, соединенным с инверсной столбцовой шиной, с неинвертирующим входом, являющимся неинвертирующим входом столбцового зарядочувствительного усилителя, соединенным с прямой столбцовой шиной, с инверсным и прямым выходами, являющимися, соответственно, инверсным и прямым выходами столбцового зарядочувствительного усилителя. В полностью дифференциальном столбцовом зарядочувствительном усилителе выполнен также вход подачи напряжения питания «VDD» и общий вход «VSS», закороченный на «землю», являющиеся, соответственно, входом подачи напряжения питания и общим входом, закороченным на «землю», полностью дифференциального операционного усилителя DA3, наличие которых для ОУ является общеизвестным.Fully differential operational amplifier DA3 is made with an inverting input, which is an inverting input of a columnar charge-sensitive amplifier, connected to an inverse column bus, with a non-inverting input, which is a non-inverting input of a columnar charge-sensitive amplifier, connected to a straight column bus, and an inverse and direct output of the signs, a pull-sensitive amplifier, connected to a straight column bus, inverse and direct outputs, the signs, a Jacosen-sensitive amplifier, connected to a straight column bus, inverse and direct outputs, the Icys, a sensitively-sensing amplifier, connected to a straight column bus, inverse and direct outputs, the signs, a pull-sensitive amplifier, connected to a straight column bus, inverse and direct outputs, the Icys, a sensitively-sensing amplifier, connected to a straight column bus, inverse and direct outputs, the Icys, a sensitive antenna, connected to a direct output column. inverse and direct outputs of a charge-sensitive column amplifier. In the fully differential column charge-sensitive amplifier, the input of the supply voltage “VDD” and the common input “VSS” shorted to ground are also made, respectively, the input of the supply voltage and common input shorted to ground, of a fully differential operational amplifier DA3, whose presence for the OS is well known.
С инвертирующим входом полностью дифференциального операционного усилителя DA3 соединена первая обкладка конденсатора С3, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и сток второго транзистора сброса VT5. Вторая обкладка конденсатора С3, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и исток второго транзистора сброса VT5 соединены с прямым выходом полностью дифференциального операционного усилителя DA3, являющегося прямым выходом столбцового зарядочувствительного усилителя. С неинвертирующим входом полностью дифференциального операционного усилителя DA3 соединена первая обкладка второго конденсатора С4, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и сток третьего транзистора сброса VT6. Вторая обкладка второго конденсатора С4, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, и исток третьего транзистора сброса VT6 соединены с инверсным выходом полностью дифференциального операционного усилителя DA3, являющегося инверсным выходом столбцового зарядочувствительного усилителя. Затворы второго и третьего транзисторов сброса, соответственно, VT5 и VT6 выполнены соединенными друг с другом и с возможностью подачи на них управляющего сигнала сброса столбцового зарядочувствительного усилителя «RSTC».A first plate of a C3 capacitor, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the drain of the second reset transistor VT5 are connected to the inverting input of the fully differential operational amplifier DA3. The second plate of the capacitor C3, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the source of the second reset transistor VT5 are connected to the direct output of the fully differential operational amplifier DA3, which is the direct output of the column-type charge-sensitive amplifier. A first plate of the second capacitor C4, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the drain of the third reset transistor VT6 are connected to the non-inverting input of the fully differential operational amplifier DA3. The second plate of the second capacitor C4, made in the form of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values, and the source of the third reset transistor VT6 are connected to the inverse output of the fully differential operational amplifier DA3, which is the inverse output of the column-sensitive amplifier. The gates of the second and third transistors reset, respectively, VT5 and VT6 are connected to each other and with the ability to supply them with a control signal reset column charge-sensitive amplifier "RSTC".
Назначение конденсаторов С3 и С4 обеспечить возможность максимального размаха выходного напряжения столбцового ЗЧУ при любой степени заполнения накопительного конденсатора С1, исходя их дискретных наборов значений. Назначение второго и третьего транзисторов сброса, соответственно, VT5 и VT6 обеспечить сброс полностью дифференциального столбцового зарядочувствительного усилителя.The purpose of the capacitors C3 and C4 is to provide the possibility of maximizing the output voltage of the column PSU with any filling level of the storage capacitor C1, based on their discrete sets of values. The purpose of the second and third reset transistors, respectively, VT5 and VT6 to ensure the reset of a fully differential column-type charge-sensitive amplifier.
Транзистор начала интегрирования VT1, транзистор сброса VT2, первый адресный транзистор VT3, второй адресный транзистор VT4, второй транзистор сброса VT5, третий транзистор сброса VT6 - полевые транзисторы, выполненные n-МОП-транзисторами. Подложки указанных транзисторов закорочены на «землю».VT1 integration start transistor, VT2 reset transistor, VT3 first address transistor, VT4 second address transistor, VT5 second reset transistor, VT6 third reset transistor - field effect transistors made by n-MOS transistors The substrates of these transistors are shorted to ground.
Функционирование устройства считывания, реализованного вторым вариантом его выполнения, с достижением указанного технического результата поясняется с помощью временных диаграмм (см. Фиг. 4), иллюстрирующих качественное изменение управляющих и результирующих потенциалов на элементах устройства считывания (см. Фиг. 2).The functioning of the reader, implemented by the second variant of its implementation, with the achievement of the specified technical result is explained with the help of timing diagrams (see Fig. 4), illustrating the qualitative change of control and resulting potentials on the elements of the reader (see Fig. 2).
Так же, как и при функционировании устройства по первому варианту реализации, время кадра «TFRAME» складывается из времени интегрирования «TINT» и времени, затрачиваемого на считывание сигнальной информации с массива входных ячеек. В начале кадра по сигналу «RSTM», подаваемому на затвор транзистора сброса VT2, осуществляют сброс массива входных ячеек. После подачи, в течение импульса «RSTM» начинают подавать импульс «INT_EN», чем осуществляют включение емкостного трансимпедансного усилителя и открывают транзистор начала интегрирования VT1. В результате сброса входной ячейки происходит перезарядка емкости фотодиода и балансировка напряжения на инверсном входе и выходе емкостного трансимпедансного усилителя вблизи уровня опорного напряжения «VREF» в результате влияния напряжения смещения DA1. Процесс интегрирования фототока IPD начинается с прекращением подачи импульса «RSTM» и длится до окончания подачи импульса «INT_EN».Just as with the operation of the device in the first embodiment, the frame time “T FRAME ” is made up of the integration time “T INT ” and the time taken to read the signal information from the array of input cells. At the beginning of the frame on the signal "RSTM", applied to the gate of the reset transistor VT2, reset the array of input cells. After the supply, during the “RSTM” pulse, the “INT_EN” pulse starts to be delivered, which enables the capacitive transimpedance amplifier to be switched on and the transistor of integration start VT1 is opened. As a result of resetting the input cell, the capacitance of the photodiode is recharged and the voltage is balanced at the inverted input and output of the capacitive transimpedance amplifier near the reference voltage level “VREF” as a result of the influence of the DA1 bias voltage. The process of integrating the photocurrent I PD begins with the cessation of the impulse “RSTM” and lasts until the end of the impulse “INT_EN”.
Изменение напряжения на инверсном входе емкостного трансимпедансного усилителя за время интегрирования определяется также выражением (1), как и при функционировании устройства по первому варианту реализации.The change in voltage at the inverse of the input of a capacitive transimpedance amplifier during integration is also determined by expression (1), as in the operation of the device in the first embodiment.
Также, соответственно изменение напряжения на выходе емкостного трансимпедансного усилителя за время интегрирования при функционировании устройства при его реализации по второму варианту определяется выражением (2).Also, respectively, the change in voltage at the output of a capacitive transimpedance amplifier during integration time during operation of the device during its implementation according to the second variant is determined by expression (2).
Заряд, накопленный накопительным конденсатором С1 за время интегрирования, задается вышеприведенным выражением (3).The charge accumulated by the storage capacitor C1 during the integration time is given by the above expression (3).
По сигналу считывания «READ» полностью дифференциальный столбцовый зарядочувствительный усилитель через открывшиеся первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 осуществляет считывание сигнального заряда, накопленного накопительным конденсатором С1 за время интегрирования, задаваемого вышеприведенным выражением (3), по дифференциальным столбцовым шинам - инверсной и прямой столбцовым шинам. При считывании операционный усилитель DA1, как и при функционировании устройства по первому варианту реализации, находится в выключенном состоянии. Изменение напряжений на дифференциальных выходах операционного усилителя DA3 - прямом и инверсном выходах, соответственно, «V_OMXD» и «V_OMXD_B» (см. Фиг. 2) определяются выражениямиThe read signal "READ" fully differential column charge-sensitive amplifier through the opening first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 reads the signal charge accumulated by the storage capacitor C1 during the integration time given by the above expression (3), using differential column tires - inverse and straight column tires. When reading the operational amplifier DA1, as in the operation of the device in the first embodiment, is in the off state. The change in voltage at the differential outputs of the operational amplifier DA3 - direct and inverse outputs, respectively, "V_OMXD" and "V_OMXD_B" (see Fig. 2) are determined by the expressions
где: A3 - коэффициент усиления ОУ DA3 по напряжению;where: A 3 is the voltage gain of the power amplifier DA3;
QC1 - заряд накопительного конденсатора С1 за время интегрирования;Q C1 is the charge of the storage capacitor C1 during the integration time;
С3 - емкость линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости;C 3 is the capacity of a linear capacitor with a discrete set of capacitance values;
С4 - емкость второго линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости.C 4 is the capacity of the second linear capacitor with a discrete set of capacitance values.
Выходным сигналом устройства считывания, реализованного вторым вариантом, является дифференциальное напряжение ΔVOMXD+ΔVOMXDB, пропорциональное интенсивности излучения, падающего на фотодиод в течение времени интегрирования TINT.The output signal of the reader, implemented by the second variant, is the differential voltage ΔV OMXD + ΔV OMXDB , proportional to the intensity of the radiation incident on the photodiode during the integration time T INT .
Напряжение на дифференциальных столбцовых шинах - инверсной и прямой столбцовых шинах - удерживается вблизи значения, равного половине значения напряжения питания «VDD». Во время импульса сброса входных ячеек «RSTM» первый и второй адресные транзисторы, соответственно, VT3 и VT4 будут закрыты. Следовательно, до момента включения операционного усилителя DA1 состояние на обкладках накопительного конденсатора С1 соответствует высокоимпедансному состоянию. При включении операционного усилителя DA1 по сигналу «INT_EN» на обкладках накопительного конденсатора С1 установится напряжение по значению близкое к опорному напряжению «VREF». При А3>>1 после считывания заряда разность потенциалов между обкладками накопительного конденсатора С1 можно считать равной нулю. В связи, с чем процесс перезарядки накопительного конденсатора С1 в момент сброса входной ячейки отсутствует.The voltage on the differential column tires - inverse and straight column tires - is kept near the value equal to half the value of the supply voltage "VDD". During the reset pulse of the RSTM input cells, the first and second address transistors, respectively, VT3 and VT4 will be closed. Therefore, until the operational amplifier DA1 is turned on, the state on the plates of the storage capacitor C1 corresponds to a high-impedance state. When the operational amplifier DA1 is turned on, the signal "INT_EN" on the plates of the storage capacitor C1 will set the voltage to a value close to the reference voltage "VREF". When A 3 >> 1 after reading the charge, the potential difference between the plates of the storage capacitor C1 can be considered equal to zero. In connection with which the process of recharging the storage capacitor C1 at the time of resetting the input cell is absent.
Емкости конденсатора С3 и второго конденсатора С4, которые выполнены в виде линейных конденсаторов с дискретным набором значений емкости, должны быть равны. Величина их емкости выбирается из заданного дискретного набора значений емкости.The capacitances of the capacitor C3 and the second capacitor C4, which are made in the form of linear capacitors with a discrete set of capacitance values, must be equal. The value of their capacity is selected from a given discrete set of values of capacity.
В предлагаемом устройстве считывания по второму варианту линейность передаточной характеристики в значительной степени определяется характеристиками операционного усилителя DA3. При использовании в качестве его операционного усилителя с полнодиапазонным размахом выходного сигнала (от 0 до VDD) и высоким коэффициентом усиления (A3>1000) отсутствуют заметные искажения сигнала даже вблизи линий питания. Выходное напряжение DA1 изменяется в диапазоне от «VREF» до «VDD», подбирая величины емкости линейных конденсаторов с дискретным набором значений С3 и С4 из заданного дискретного набора значений емкости, можно добиться максимального размаха выходного напряжения столбцового зарядочувствительного усилителя при величинах емкостей С3 и С4 соответствующих линейных конденсаторов С3 и С4 приблизительно равных При слабых потоках ИК-излучения (малом коэффициенте заполнения накопительного конденсатора С1) величина емкости конденсаторов С3 и С4 с дискретным набором значений емкости Тогда конденсаторы С3 и С4 можно реализовать, например, таким образом, что а В промежутке указанных значений емкости конденсаторов С3 и С4 принимают шестнадцать значений, меняясь с дискретностью In the proposed reader in the second embodiment, the linearity of the transfer characteristic is largely determined by the characteristics of the operational amplifier DA3. When used as its operational amplifier with a full-range output signal sweep (from 0 to VDD) and high gain (A 3 > 1000), there are no noticeable distortions of the signal, even near power lines. The output voltage DA1 varies in the range from "VREF" to "VDD", selecting the capacitance values of linear capacitors with a discrete set of C3 and C4 values from a given discrete set of capacitance values, you can achieve the maximum swing of the output voltage of a column-sensitive amplifier with C 3 and C values 4 corresponding linear capacitors C3 and C4 approximately equal With weak infrared fluxes (low fill factor of the storage capacitor C1), the capacitance value of the capacitors C3 and C4 with a discrete set of capacitance values Then the capacitors C3 and C4 can be implemented, for example, in such a way that but In the interval of the indicated values of the capacitance of capacitors C3 and C4 take sixteen values, varying with discreteness
Вышеприведенные рассуждения относительно линейности передаточной характеристики и однородности выходного сигнала при пояснении сущности предлагаемого устройства считывания в первом варианте реализации правомерны в отношении предлагаемого устройства считывания во втором варианте реализации.The above considerations regarding the linearity of the transfer characteristic and the homogeneity of the output signal when explaining the essence of the proposed reader in the first embodiment are valid with respect to the proposed reader in the second embodiment.
Дифференциальное считывание заряда и дальнейшая передача сигнала в дифференциальном виде, реализованные во втором варианте предлагаемого устройства считывания, обеспечивают следующие преимущества.Differential charge reading and further signal transmission in differential form, implemented in the second version of the proposed reader, provide the following advantages.
Во-первых, полностью дифференциальные столбцовый ЗЧУ обеспечивает большую чувствительность при регистрации сигналов с фотоприемной матрицы по сравнению с однофазным ЗЧУ в первом варианте предлагаемого устройства, обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум (размах выходного напряжения во втором варианте реализации предлагаемого устройства достигает напряжения питания).Firstly, a fully differential column-controlled VChU provides greater sensitivity when registering signals from the photodetector array as compared to single-phase ASD in the first embodiment of the device, provides a higher signal-to-noise ratio (the output voltage reaches the supply voltage in the second embodiment)
Во-вторых, полностью дифференциальный столбцовый ЗЧУ обеспечивает подавление синфазного шума, возможность возникновения которого существует при реализации предлагаемого устройства по первому варианту.Secondly, a fully differential column-based PSU provides common-mode noise suppression, the possibility of which occurs when implementing the proposed device in the first embodiment.
В-третьих, использование дифференциального сигнала, что характерно для предлагаемого устройства по второму варианту реализации, обеспечивает лучшую помехозащищенность и устойчивость к наводкам по цепям питания.Thirdly, the use of a differential signal, which is typical for the proposed device according to the second embodiment, provides the best noise immunity and resistance to pickups in the power supply circuits.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018138684A RU2688953C1 (en) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018138684A RU2688953C1 (en) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2688953C1 true RU2688953C1 (en) | 2019-05-23 |
Family
ID=66637086
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018138684A RU2688953C1 (en) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2688953C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745647C1 (en) * | 2020-07-28 | 2021-03-30 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Федеральное Агентство По Правовой Защите Результатов Интеллектуальной Деятельности Военного, Специального И Двойного Назначения" (Фгбу "Фаприд") | Transimpedance photocurrent amplifier |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2341850C1 (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-20 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Device for reading of signal charge from matrix cid-photodetector |
US20120261553A1 (en) * | 2011-04-13 | 2012-10-18 | Semi Conductor Devices-Elbit Systems-Rafael Partnership | Detector pixel signal readout circuit and an imaging method thereof |
RU2465684C1 (en) * | 2011-06-21 | 2012-10-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Reading device with time delay and accumulation of signals from multi-element infrared photodetectors (versions) |
RU2529768C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Reading device for multielement infrared photodetectors |
RU2645428C1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Reading device for multi-element infrared photodetectors |
-
2018
- 2018-11-01 RU RU2018138684A patent/RU2688953C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2341850C1 (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-20 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Device for reading of signal charge from matrix cid-photodetector |
US20120261553A1 (en) * | 2011-04-13 | 2012-10-18 | Semi Conductor Devices-Elbit Systems-Rafael Partnership | Detector pixel signal readout circuit and an imaging method thereof |
RU2465684C1 (en) * | 2011-06-21 | 2012-10-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Reading device with time delay and accumulation of signals from multi-element infrared photodetectors (versions) |
RU2529768C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Reading device for multielement infrared photodetectors |
RU2645428C1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Reading device for multi-element infrared photodetectors |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745647C1 (en) * | 2020-07-28 | 2021-03-30 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Федеральное Агентство По Правовой Защите Результатов Интеллектуальной Деятельности Военного, Специального И Двойного Назначения" (Фгбу "Фаприд") | Transimpedance photocurrent amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4277339B2 (en) | Active pixel sensor readout channel | |
KR101807439B1 (en) | Pixel circuit with constant voltage biased photodiode and related imaging method | |
US20210105424A1 (en) | Imaging device | |
JP4310428B2 (en) | Compact ultra-low noise wide bandwidth pixel amplifier for single photon readout of photodetectors | |
US8183513B2 (en) | In-cell current subtraction for infrared detectors | |
TW201519420A (en) | Buffered direct injection pixel for infrared detector arrays | |
US8130294B2 (en) | Imaging array with non-linear light response | |
EP1323192A1 (en) | Adaptive amplifier circuit with enhanced dynamic range | |
EP3782360A1 (en) | Readout circuits and methods | |
US7830425B2 (en) | Areal active pixel image sensor with programmable row-specific gain for hyper-spectral imaging | |
US9426390B2 (en) | CMOS imaging array with improved noise characteristics | |
US7492399B1 (en) | High dynamic range dual mode charge transimpedance amplifier/source follower per detector input circuit | |
CN113206963A (en) | High dynamic range imaging pixel with multiple photodiodes | |
US8344307B2 (en) | Image sensor | |
RU2688953C1 (en) | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) | |
CN215072655U (en) | Image sensor with a plurality of pixels | |
EP2673951B1 (en) | Radiation detector and method | |
CN108848327B (en) | Silicon-based hybrid CMOS-APD image sensor system | |
US10652486B2 (en) | Image sensor with electron and hole collection electrodes | |
US9497402B2 (en) | Image lag mitigation for buffered direct injection readout with current mirror | |
TW202241115A (en) | Image sensors having dielectric relaxation correction circuitry | |
US11561132B2 (en) | Per-pixel detector bias control | |
US7199828B2 (en) | Active pixel sensor cell array | |
US20130070134A1 (en) | Low Noise CMOS Pixel Array | |
US10687004B1 (en) | Low noise passive pixel readout circuit |