專利名稱：用于紅外探測器的讀取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低偏移、低噪聲、自動歸零的CMOS集成電路放大器，特別是用于紅外探測器的讀取電路。
背景技術(shù)：
焦平面陣列包括多個單獨的探測器元件(像素)。一個線性陣列或焦平面陣列上的像素數(shù)不斷增長。信號復(fù)用器是一種高度復(fù)雜的探測器專用集成電路，它并行讀取所有信道。最常用的探測器電路是直接注入級和電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)。
讀取電路中的常規(guī)探測器緩沖級包括一個電容反饋互導(dǎo)放大器。此CTIA的目標是累加所有探測器電流，且最好是在零偏移或是動態(tài)電阻很大的一些負向偏移條件下。此放大器使該探測器保持虛接地，同時該探測器電流在電容器上流動，從而在輸出端上產(chǎn)生一個與積分時間和信號電流成比例的電壓信號。在探測器和CTIA之間的DC(直流)耦合使探測器電流和輸出電壓變換之間具有良好的線性關(guān)系。在理想的零偏移條件下，沒有暗電流的影響，所以也沒有暗電流噪聲。在這種情況下，由于探測器上沒有電壓差，所以探測器分流電阻沒有起作用。然而在實際運用中，這種電路有一個主要問題，即運放輸入電壓不一致(存在偏移)，從而在讀取電路上產(chǎn)生混合后的模式噪聲，并限制了積分時間。此電路必須適于測量具有相對較低的并聯(lián)電阻的紅外線二極管所產(chǎn)生的極微弱的電流，因此需要偏置誤差電壓非常小的放大器。
為了校正所述運放輸入電壓不一致，通常使用自動歸零(AZ)電路。這一方案例如在“Circuit Techniques for Reducing the Effects of運放ImperfectionsAutozeroing，Correlated Double Sampling andChopper Stabilisation”，C.Enz和G.Themes，IEEE學(xué)報，第84卷，第11期，1996年11月，第1584-1614頁中有所闡述。本專利申請公開了一種包括線性偏移運算電路的差分放大器，所述線性偏移運算電路包含用于提供參考電壓和偏移校正電壓的電壓源，以及一對為校正放大器的偏移誤差提供電流的輔助晶體管。
有關(guān)殘余偏置電壓的一些數(shù)字結(jié)論可以參見“A micropowerCMOS instrumentation amplifier”，IEEE J.Solid-State Circ.，SC-20卷，805-807頁，1985年6月。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題的低噪聲、高一致性、自動歸零的集成電路放大器，更確切的說是提供一種用于紅外探測器的讀取電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種包括一個電容負饋互導(dǎo)運算放大器的裝置，該放大器包括一個主運算放大器(具有一個第一輸入端、一個第二輸入端和一個輸出端)、一個跨接在第二輸入端和輸出端之間的積分電容，和一個與積分電容并聯(lián)的第一開關(guān)。該裝置還包括一個自動歸零運算放大器，其具有一個第三輸入端和一個第四輸入端，其中虛地電勢上的信號被加載到第三輸入端和第一輸入端上。第四輸入端通過一個電路連接到輸出端，該電路包括兩個偏移誤差電容器、第二開關(guān)和第三開關(guān)。
偏移誤差電容器最好具有一個連接到虛地電勢的端子。
在一個有利的實施例中，此歸零運算放大器包括連接MOS晶體管的電阻器。
在一個優(yōu)選實施例中，第二和第三開關(guān)分別包括四個晶體管。
具有優(yōu)點的是，積分電容由多個并聯(lián)的電容組成，其中在每個并聯(lián)分支中，所述分支中的電容的每一側(cè)都提供有一個隔離開關(guān)。
典型地，所述輸出端還連接到一個采樣及保持電路上。
在另一個優(yōu)選實施例中，用于紅外探測的讀取電路包括多個上述的裝置。


圖1描述了一種沒有自動歸零校正的現(xiàn)有技術(shù)中的探測器緩沖級。
圖2描述了一種具備自動歸零校正的現(xiàn)有技術(shù)中的探測器緩沖級。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的新穎的自動歸零校正方案。
圖4描述了主CTIA運放和AZ放大器的晶體管級細節(jié)。
圖5描述了主CTIA運放和AZ放大器的晶體管級細節(jié)的替代方案。
圖6描述了四晶體管自動歸零開關(guān)方案的晶體管級細節(jié)。
圖7描述了用于多次自動歸零方案的雙側(cè)開關(guān)積分電容的細節(jié)。
具體實施例方式
圖1示出了一個現(xiàn)有技術(shù)中的探測器緩沖級，包括一個電荷敏感互導(dǎo)放大器(CTIA)(11)。這個CTIA將所有探測器電流102進行累加，且最好是在零偏移或是動態(tài)電阻很大的一些負向偏移103的條件下。然而人們總是不得不處理變化的偏置電壓。因此使用CMOS放大器時，通常要使用一個自動歸零(AZ)電路。該系統(tǒng)的探測器電流和輸出電壓變換之間具有良好的線性關(guān)系，這是由于紅外探測器二極管101和出現(xiàn)在組成CTIA(11)的主放大器107及其積分電容106的差分輸入端-(122)和+(121)上的低等效輸入阻抗之間的DC耦合。然而一個焦平面陣列中的各個運放的輸入偏置電壓的不一致性引起了這種讀取陣列上的所謂的固定模式噪聲，并限制了積分時間，因為較差的信道將更先飽和。
圖2示出了上述圖例的改進版本，它基于能夠校正上述異常的輔助自動歸零(AZ)運放。此方案顯示了一種雙運放設(shè)計，其中AZ運放110用于減少主CTIA級11的偏移效應(yīng)。與主運放107相比，這個校正AZ運放110已知通過引入源惡化電阻408和409(也可以參見圖4)來提供一定的互導(dǎo)衰減。在每個積分周期開始之前，每個CTIA通過同時關(guān)閉AZ開關(guān)111和開關(guān)115并打開運算開關(guān)116來再次自動歸零。在這一周期結(jié)束時，校正系數(shù)通過首先打開開關(guān)111存儲在輔助放大器110的電容112上。然后通過在較短時間內(nèi)關(guān)閉開關(guān)105，CTIA主運放107及其積分電容106被重置到虛零開始點。接著，真正的積分周期開始，并以(通過關(guān)閉開關(guān)108)采樣和(通過打開開關(guān)108)保持由采樣及保持電容109上的集成探測器電流信號產(chǎn)生的放大器輸出電壓而結(jié)束。最后，通過在選擇移位寄存器上施加一個啟動脈沖來讀取存儲在同一電路的陣列上的保持電容109上的所有已獲取的信息。接著由該寄存器選擇由一個后接的放大器117所緩存的每個信道的輸出118，并把其輸出信號傳送到一個公共輸出緩沖放大器，以產(chǎn)生一個所謂的視頻信號。該信號可以在視頻顯示屏上顯示，從而給出由此紅外線二極管陣列檢測到的信號圖像。
圖2所示的自動歸零方案在電子領(lǐng)域是眾所周知的。然而圖3的方案卻包括現(xiàn)有技術(shù)方案中所沒有的新穎的特征。該放大器的共模抑制用于削弱噪聲。這個AZ放大器最好不要構(gòu)造為獨立的電路模塊，而是嵌入到主CTIA運放的第一級中(如圖4和圖5所示)。按照這種方式設(shè)計的原因在于它能校正在主運放107內(nèi)流動的電流，使之更接近虛地電勢104。US 4884039也使用了嵌入式方案，但是其外部電容不是差分耦合的。差分放大器對其輸入端的差分電壓比對所謂的共模電壓(例如加在這些輸入端上的相同電壓)更加靈敏。因此，存儲在自動歸零校正電容中的差錯校正電壓直接跨接該放大器最敏感的差分輸入端。校正電容的一個端子連接到虛地端，它可能具有噪聲或是緩慢變化的，特別是在這種情況下由于常常使用外部提供的電壓作為共模電壓施加在放大器的輸入端，利用電容器的原理可以使其端子上的電壓保持恒定。
圖3示出了一種新穎的裝置，其實現(xiàn)了較長的積分時間，又能保持非常良好的線性關(guān)系，同時還能保持相對小的足跡(footprint)需求。常規(guī)的自動歸零只通過一個開關(guān)111和一個誤差存儲電容112來執(zhí)行(參見圖2)。這存在兩個重要缺陷。這些放大器和MOS開關(guān)漏極源雜散電容一起輸出dV/dt，以及削弱倒相電流或使其處于閾值以下，從而使一個較小但又不可忽略的電流流入到存儲電容112中。這使得存儲的誤差電壓輕微地變化，從而增大了輸出的非線性，特別是在長積分時間，或者是積分電容值較小時，或是這兩種情況兼有，于是當(dāng)該系統(tǒng)對輸入電流非常敏感時，會產(chǎn)生偏移差錯。通過提供另一個電容114和開關(guān)113，可以保證與放大器輸出dV/dt更好地絕緣，因為第二個開關(guān)113兩端的電壓差非常小。
采用雙電容(114，112)和雙開關(guān)(113，111)的方案大大降低了校正電容上的剩余的電壓誤差，特別是附帶使用四個專用的、完全補償?shù)腗OS開關(guān)601，602，603，604(圖6)能得到近乎完美的匹配。這些開關(guān)被設(shè)計為使開關(guān)兩側(cè)的電荷注入最小，從而也使得系統(tǒng)偏移誤差最小。在包含三個晶體管的解決方案中(例如在Enz的文獻中所建議的)，補償是不可能實現(xiàn)的，因為需要不同規(guī)格的晶體管，于是這樣的過程變化將導(dǎo)致有效晶體管大小之間的比率不可預(yù)測。為了使偏置校正電壓誤差和噪聲最小，這些電容如上所述直接跨接在校正放大器110的差分輸入端。通過這種方式，可能出現(xiàn)的噪聲或虛地電壓源104的緩慢變化都由于差分輸入級110的共模抑制而削弱了。通過這種方式，在5V電源電壓下可以獲得只有10μV的殘余偏置電壓，而在現(xiàn)有技術(shù)中在3V電源電壓下卻有200μV的偏置電壓．圖4更詳細地示出了相結(jié)合的主運放和AZ運放，其包括所謂的源惡化電阻408和409。圖4描述了一個具有PMOS差分輸入晶體管的解決方案，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這顯然只是一個可能的實施例，包含所有晶體管類型和相反電源極性的方案也可以具有完全相同的基本功能。圖4中的校正差分輸入對的源惡化電阻408-409可以由連接有電阻的MOS晶體管508-509來代替，如圖5中另一種示意圖所示。它顯示了AZ校正差分輸入對的重要細節(jié)，即所謂源惡化電阻或連接有電阻的MOS晶體管在偏置補償MOS晶體管對的源極中的應(yīng)用。MOS晶體管通過獲得低得多的互導(dǎo)參數(shù)的方式來改變傳輸特性。此外，所述互導(dǎo)參數(shù)在一個比常規(guī)MOS輸入對寬得多的電壓范圍內(nèi)是近似于線性的。通過這種方式，偏置補償電壓的所有缺陷也可以按照與初級和次級校正輸入對之間的互導(dǎo)比率相同的比率減少。還仍然能捕獲和校正較大的偏置電壓誤差，從而得到整體上更佳最終產(chǎn)品收益，并能保證長期工作。所述連接有電阻的MOS晶體管的使用還提供了適用于所有CMOS工藝的重要優(yōu)點。
本發(fā)明的另一個目標涉及CTIA反饋或積分電容。如圖7所示，圖7是圖3中的積分電容106的一種可能的實現(xiàn)細節(jié)，其中不同的電容710至713具有不同的值，從而允許改變跨接在放大器反饋兩端的整個電容值，以改變所得到的積分器的靈敏度。顯然，在設(shè)計中可以根據(jù)所需的互導(dǎo)參數(shù)值(或增益)的范圍和取值改變電容的數(shù)量及其電容值。這些電容器不是單側(cè)開關(guān)的，而是雙側(cè)開關(guān)的(參見開關(guān)701-708)。這種措施使電容器可以從其環(huán)境中完全獨立出來，以執(zhí)行其他電荷域操作，而不會影響(已切斷的)反饋電容上的信息電荷。最后這一特性對引入多次AZ概念來說是必要的。通過這一信號獲取方法，反饋電容可以在整個積分時間框架內(nèi)以規(guī)定的次數(shù)從CTIA放大器斷開。此時將執(zhí)行一個新的AZ操作，接著反饋電容再次與CTIA接通，以繼續(xù)執(zhí)行積分周期。這種多次AZ方案的效果在于其有效地對各次AZ的噪聲電壓進行平均。這是因為盡管有各種使噪聲最小的方法，但總是還會有少量的噪聲殘留在所存儲的自動歸零校正電壓中，這樣連續(xù)讀取同一微弱的紅外線二極管電流可能會導(dǎo)致連續(xù)積分的輸出電壓值出現(xiàn)相對大的誤差。
權(quán)利要求
1.一種包括一個電容反饋互導(dǎo)運算放大器(11)的裝置，該運算放大器包括一個主運算放大器(107)，其具有一個第一輸入端(121)、一個第二輸入端(122)和一個輸出端(125)，還包括一個跨接在所述第二輸入端和所述輸出端的積分電容(106)，以及一個與所述積分電容(106)并聯(lián)的第一開關(guān)(105)，所述裝置還包括一個自動歸零運算放大器(110)，其具有一個第三輸入端(123)和一個第四輸入端(124)，其中虛地電勢上的信號被加載到所述第三輸入端(123)和所述第一輸入端(121)上，其特征在于，所述第四輸入端(124)通過一個電路(15)連接到所述輸出端(125)，該電路包括兩個偏移誤差電容器(112，114)，一個第二開關(guān)(111)和一個第三開關(guān)(113)。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述偏移誤差電容器(112，114)具有一個連接到所述虛地電勢的端子。
3.權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述自動歸零運算放大器(11)包含連接有電阻的MOS晶體管(508，509)。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第二開關(guān)(111)和所述第三開關(guān)(113)分別包含四個晶體管。
5.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述積分電容(106)包括多個并聯(lián)的電容，其中在每個并聯(lián)支路中，在該支路中的電容的每一側(cè)提供了一個隔離開關(guān)。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述輸出端(125)還連接到一個采樣及保持電路。
7.一種用于紅外探測的讀取電路，其包括多個如以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含一個電容反饋互導(dǎo)運算放大器(11)的裝置，該運算放大器包括一個主運算放大器(107)(其具有一個第一輸入端(121)、一個第二輸入端(122)和一個輸出端(125))，一個跨接在所述第二輸入端和輸出端的積分電容(106)，以及一個與所述積分電容(106)并聯(lián)的第一開關(guān)(105)；所述裝置還包括一個自動歸零運算放大器(110)，其具有一個第三輸入端(123)和一個第四輸入端(124)，其中虛地電勢上的信號被加載到所述第三輸入端(123)和所述第一輸入端(121)上。所述第四輸入端(124)通過一個電路(15)連接到所述輸出端(125)，該電路包括兩個偏移誤差電容器(112，114)，一個第二開關(guān)(111)和一個第三開關(guān)(113)。
文檔編號H03D13/00GK1708983SQ200380102364
公開日2005年12月14日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者烏爾巴因·萬博格特 申請人:克塞尼克斯股份有限公司