TW201519420A - 紅外偵測器陣列之緩衝式直接注射像素 - Google Patents

紅外偵測器陣列之緩衝式直接注射像素 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種緩衝式直接注射像素，其包括：用於接收一輸入信號之一光二極體；與該光二極體相關之一直接注射電晶體；及與該直接注射電晶體耦接之一Sackinger電流鏡，與先前技術緩衝式直接注入像素相比較而言，該緩衝式直接注射像素提供減少之尺寸、低雜訊及低功率。

Description

紅外偵測器陣列之緩衝式直接注射像素
本發明涉及圖像感測器電路，且更特定言之，涉及一種用於紅外焦平面陣列之緩衝式直接注射像素電路，其具有減少之尺寸、低雜訊及低功率消耗之特徵。
紅外偵測器系統通常需要精細的追蹤演算法以容納背景資訊中源自輻射之相對高對比度及太陽能含量之大型且通常為動態的變化。然而，紅外(IR)頻帶中之偵測器操作可得到減少之信號處理複雜度之相同或更大之熱靈敏度。結果，常可使用更小、更具成本效益且具有IR焦平面陣列(FPA)之感測器來完成紅外偵測及追蹤。
不幸的是，IR焦平面陣列及多工讀出電路具有可能嚴重限制系統效能之設計限制。舉例而言，在FPA之讀出電路中，將各光偵測器耦接至對應讀出部位之輸入放大器單元電路必須執行難以在通常可用於信號處理晶片上之少量空間或「面積(real estate)」中同時併入若干功能。
FPA之偵測器/放大器單元應理想上包括：偵測器介面級，其在均勻操作偏置下提供低阻抗；大電荷操縱積分電容；積分電容不足時用於均勻抑制背景之級；低功率像素多工及重設級；以及足以驅動匯流排線電容用於在視頻速率下之後續多工之輸出級。
先前技術IR FPA通常缺少阻抗緩衝，該阻抗緩衝迫使偵測器暗電流之變動及固定型樣雜訊(即，施加習知兩點非均勻校正後之空間雜訊)之增加。固定型樣雜訊會在影像中產生模糊低對比度、高頻率資訊之可見遮罩，因此在不利情況下使最小可解析溫度及折衷效能降級。此外，先前技術裝置缺少用於減少像素間距且增加像素密度之能力。若在先前技 術裝置中減少像素間距及偵測器/放大器單元面積，則效能限制會進一步惡化。當像素間距持續降低時，功率及雜訊之議題變得甚至更為嚴峻。
鑑於當前最新且有限制晶片面積可用，具有習知架構之讀出電路之偵測器/放大器單元面積將不足以整合最重要特徵之所有者，諸如低輸入阻抗、均勻偵測器偏置及滿意的電荷儲存容量。然而，因為小單元為高像素數之FPA、具有合理晶粒尺寸之積分讀出電路及緊湊型光學件所必需，所以讀出電路之所有重要功能必需被整合在盡可能小的單元面積中。因此，需要一種具有改良架構之像素讀出電路，該改良架構具有較佳優化用於IR FPA中之特性。
本發明涉及一種用於紅外(IR)焦平面陣列(FPA)感測器之新穎且有用的緩衝式直接注射(BDI)。該BDI像素包括用於接收輸入信號之光二極體、與該光二極體鏈接之直接注射電晶體，及低功率Sackinger電流鏡，其與該直接注射電晶體耦接且僅包括兩個電晶體。預期存在兩種不同的像素構造，各具有不同極性。
在一種構造中，BDI像素之直接注射電晶體為PMOS電晶體，且Sackinger電流鏡包括連接至接地之偏置電晶體。因此，本BDI像素之一實施例且其包括兩個PMOS電晶體及一個NMOS電晶體。
在另一構造中，BDI像素之直接注射電晶體為NMOS電晶體，且Sackinger電流鏡包括連接至電源之偏置電晶體。因此，本BDI之另一實施例包括一個PMOS電晶體及兩個NMOS電晶體。
在兩個實施例中，直接注射電晶體透過積分電容器耦接至像素電路。像素電路具有三個電晶體，包括列選擇電晶體、源極隨耦器電晶體及重設電晶體。
因此，在兩種情形中，本發明之BDI像素電路包括總共六個電晶體，與先前技術直接注射像素電路相比較，此導致在電路架構中有降低之尺寸、低雜訊及低功率消耗。
結合附圖從以下詳細描述中將更容易顯而易見本發明之BDI像素之此等及其他特征。
10‧‧‧BDI像素單元
12‧‧‧光二極體
14‧‧‧PMOS電晶體
16‧‧‧Sackinger電流鏡
18‧‧‧第一電晶體
20‧‧‧第二電晶體
22‧‧‧像素電路
24‧‧‧積分電容器
26‧‧‧重設電晶體
28‧‧‧列選擇電晶體
30‧‧‧源極隨耦器電晶體
100‧‧‧BDI像素單元
112‧‧‧光二極體
114‧‧‧直接注射NMOS電晶體
116‧‧‧Sackinger電流鏡
118‧‧‧第一電晶體
120‧‧‧第二電晶體
122‧‧‧像素電路
124‧‧‧積分電容器
126‧‧‧重設電晶體
128‧‧‧列選擇電晶體
因此，與本發明有關之此項技術者將更容易瞭解如何製作及使用本文所揭示之緩衝式直接注射像素電路，下文將參考圖式詳細描述本發明之態樣，其中：圖1係本發明之緩衝式直接注射像素電路之實施例的示意圖，其中該直接注射電晶體為PMOS電晶體且Sackinger電流鏡之偏置電晶體連接至接地；且圖2係本發明之緩衝式直接注射像素電路之另一實施例的示意表示，其中直接注射電晶體為NMOS電晶體且Sackinger電流鏡之偏置電晶體連接至電源。
現參考圖式，其中類似參考數字識別本發明之類似結構特徵或態樣，圖1及圖2繪示紅外(IR)焦平面陣列(FPA)感測器之緩衝式直接注射(BDI)像素的新穎實施例。
參考圖1，繪示本發明之緩衝式直接注射(BDI)像素單元，其由參考數字10大致指定。BDI像素單元10包括任何類型之光二極體12或用於接收輸入信號之基板，諸如來自IR輻射源之光子。
光二極體12將輸入信號轉換為電信號。直接注射電晶體14鏈接至來自光二極體12之電信號並讀取該電信號。在本實施例中，直接注射電晶體為p型MOSFET或稱為PMOS電晶體。
直接注射PMOS電晶體14與由參考數字16大致指定之二電晶體Sackinger電流鏡耦接。該二電晶體Sackinger電流鏡16代替現有技術單元中使用之五電晶體全像素放大器。因此，與典型像素放大器之約50nA-100nA電流消耗相比較，Sackinger電流鏡16消耗極少量電流，例如小於約1nA之電流。
此項技術者應容易理解，電流鏡經設計以藉由控制一主動裝置中之電流而將電流複製通過另一主動裝置，使輸出電流保持恒定而不管負載如何。概念上言之，理想的電流鏡簡單為使電流方向反相的理想反轉電流放大器。
Sackinger電流鏡16包括第一電晶體18及第二電晶體20。第一電晶體18為PMOS電晶體且其連接至電源。第二電晶體20為NMOS電晶體，其用作電流鏡16之偏置電晶體，並且其連接至接地。因此，BDI像素10包括兩個PMOS電晶體及一個NMOS電晶體。
繼續參考圖1，BDI像素單元10之直接注射電晶體14透過積分電容器24而耦接至習知像素電路22。積分電容器24用於將來自光電檢測器12之輸入信號轉換為電壓。此項技術者將容易明白在此電路架構中，積分電容器24為選用的。
像素電路22具有三個電晶體，包括重設電晶體26、列選擇電晶體28、源極隨耦器電晶體30，其各者在此項技術中均已悉知。此項技術者將容易明白，像素電路22可採用任何其他已知像素讀出電路結構之形式。此外，本發明之範疇不應過度受限於所示像素電路22之架構。
參考圖2，繪示本發明之另一緩衝式直接注射(BDI)像素單元，其以參考數字100大致指定。BDI像素單元100包括任何類型之光二極體112或用於接收輸入信號之基板。光二極體112將輸入信號轉換為電信號。
直接注射電晶體114鏈接至來自光二極體112之電信號並且讀取該電信號。在本實施例中，直接注射電晶體為n型MOSFET或稱為NMOS電晶體。
直接注射NMOS電晶體114與二電晶體Sackinger電流鏡耦接，其以參考數字116大致指定。Sackinger電流鏡116具有與圖1之Sackinger電流鏡16不同之極性。因此，Sackinger電流鏡116之第一電晶體118為NMOS電晶體，其用作偏置電晶體且其連接至電源。第二電晶體120為連接至接地之PMOS電晶體。因此，BDI像素單元100包括一個PMOS電晶體及兩個NMOS電晶體。
繼續參考圖2，BDI像素單元100之直接注射電晶體114透過積分電容器124而耦接至習知像素電路122。像素電路122具有三個電晶體，包括重設電晶體126、列選擇電晶體128及源極隨耦器電晶體30，其各者在此項技術中均已悉知。此項技術者將容易明白，像素電路122可採 用任何其他已知像素讀出電路結構之形式。此外，本發明之範疇不應過度受限於所示像素電路122之架構。
在本發明的兩個實施例中，本發明之BDI像素電路包括總共六個電晶體，與具有五個電晶體像素放大器之先前技術直接注射像素電路相比較，此導致在電路架構中有覆蓋較少「面積(real estate)」之降低之尺寸。
此外，本發明之BDI像素比由以習知五電晶體像素放大器構造之像素單元所消耗之功率消耗小1%。因此，可使用本發明之BDI像素構造更大的像素陣列。與習知BDI像素相比較，本發明之BDI像素亦產生較低之雜訊。
更特定言之，在更小像素間距情況下，每像素信號照度難免降低且信雜比相應地降低。實際上，與先前技術中之讀出設計相比，本實施例中之較少電晶體數及低偏置電流有助於降低雜訊。
另外，Sackinger電流鏡因其固有的負反饋而在光二極體反向偏置中提供小得多的變動。此類似於典型直接注射六電晶體像素放大器，但是具有小得多的面積、功率及雜訊。
儘管已參考較佳實施例描述本發明，但是此項技術者將容易明白，可對本發明做出變動及修改而不脫離如由隨附申請專利範圍所界定之本發明之精神及範疇。
10‧‧‧BDI像素單元
12‧‧‧光二極體
14‧‧‧PMOS電晶體
16‧‧‧Sackinger電流鏡
18‧‧‧第一電晶體
20‧‧‧第二電晶體
22‧‧‧像素電路
24‧‧‧積分電容器
26‧‧‧重設電晶體
28‧‧‧列選擇電晶體
30‧‧‧源極隨耦器電晶體

Claims (20)

  1. 一種緩衝式直接注射像素，其包括：耦接至一直接注射電晶體之一電流鏡。
  2. 如請求項1之緩衝式直接注射像素，其進一步包括一光二極體，該光二極體與該直接注射電晶體相關且用於接收至該像素之一輸入信號。
  3. 如請求項1之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體為一PMOS電晶體。
  4. 如請求項1之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體為一NMOS電晶體。
  5. 如請求項1之緩衝式直接注射像素，其中該電流鏡為消耗小於約1nA電流之一Sackinger電流鏡。
  6. 如請求項3之緩衝式直接注射像素，其中該電流鏡包括連接至接地之一偏置電晶體。
  7. 如請求項4之緩衝式直接注射像素，其中該電流鏡包括連接至一電源之一偏置電晶體。
  8. 如請求項1之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體耦接至一像素電路。
  9. 如請求項8之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體及該像素電路透過一積分電容器耦接。
  10. 如請求項9之緩衝式直接注射像素，其中該像素電路包括一列選擇電晶體。
  11. 如請求項10之緩衝式直接注射像素，其中該像素電路進一步包括一源極隨耦器電晶體。
  12. 如請求項11之緩衝式直接注射像素，其中該像素電路進一步包括一重設電晶體。
  13. 一種緩衝式直接注射像素，其包括：a)用於接收一輸入信號之一光二極體；b)與該光二極體鏈接之一直接注射電晶體；及c)一Sackinger電流鏡，其消耗與該直接注射電晶體耦接之小約1nA之電流。
  14. 如請求項13之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體為一PMOS電晶體。
  15. 如請求項13之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體為一NMOS電晶體。
  16. 如請求項14之緩衝式直接注射像素，其中該Sackinger電流鏡包括連接至接地之一偏置電晶體。
  17. 如請求項15之緩衝式直接注射像素，其中該Sackinger電流鏡包括連接至一電源之一偏置電晶體。
  18. 如請求項13之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體耦接至一像素電路。
  19. 如請求項18之緩衝式直接注射像素，其中該直接注射電晶體透過一積分電容器耦接至該像素電路。
  20. 如請求項19之緩衝式直接注射像素，其中該像素電路包括一列選擇電晶體、一源極隨耦器電晶體及一重設電晶體。
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