一种用于快照式读出电路中的采样保持电路

摘要

本发明公开用于快照式读出电路中的采样保持电路，包括：低误差采样开关电路、补偿电路、钳位电路和采样电容Cint；低误差采样开关电路包括结构一致的第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2，待采样电压从第一低误差采样开关gate1注入，第一低误差采样开关gate1与第二低误差采样开关gate2连接，第二低误差采样开关gate2另一端与采样电容Cint连接后接地；gate1和gate2同步开关，钳位电路并联在gate2两端，使得gate2两端电压相等；补偿电路并联在gate2两端向采样电容Cint补偿采样保持过程中的漏电流。采用漏电流补偿结构之后，采样电压对比未采用此结构时的电压降低幅度减少；结合采样开关的钳位结构限制开关在关闭状态下的漏电流，进一步减少采样电压降幅。

权利要求

1.一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，包括：低误差采样开关电路、补偿电路、钳位电路和采样电容Cint；

所述低误差采样开关电路包括结构一致的第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2，待采样电压从第一低误差采样开关gate1注入，第一低误差采样开关gate1与第二低误差采样开关gate2连接，第二低误差采样开关gate2另一端与采样电容Cint连接后接地；

第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2同步开关；

所述钳位电路并联在第二低误差采样开关gate2两端，使得第二低误差采样开关gate2两端电压相等；

所述补偿电路并联在第二低误差采样开关gate2两端，补偿电路向采样电容补偿采样保持过程中的漏电流；

所述钳位电路采用单位增益放大器OP2，所述单位增益放大器OP2的正向端与采样电容Cint连接，单位增益放大器OP2的输出端与反向端相连，同时单位增益放大器OP2的输出端连接至第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2之间；

所述补偿电路包括：与第一低误差采样开关gate1结构一致的第三低误差采样开关gate3、电流镜结构和负反馈电路；

所述第三低误差采样开关gate3具有电位差，第三低误差采样开关gate3一端连接在第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2之间、另一端与电流镜结构相连，电流镜结构与采样电容Cint连接后接地；

负反馈电路保持电流镜结构左右两侧的电压相等。

2.根据权利要求1所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，所述电流镜结构包括场效应管PM19和场效应管PM20，场效应管PM19与场效应管PM20的源极接电源电压VDD，场效应管PM19与场效应管PM20的栅极相连，场效应管PM19漏极与第三低误差采样开关gate3连接，场效应管PM20漏极与采样电容Cint连接后接地；

所述负反馈电路采用运算放大器OP1，运算放大器OP1的正向端与场效应管PM19漏极连接，运算放大器OP1的反向端与场效应管PM20漏极连接，运算放大器OP1的输出端与场效应管PM19的栅极和场效应管PM20的栅极连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，第三低误差采样开关gate3、第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2的基础电路结构包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管；其中第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管为NM型，第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管为PM型。

4.根据权利要求3所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，在基础电路结构中，第一场效应管、第三场效应管、第四场效应管和第六场效应管的漏极与源极短接；

第一场效应管的漏极与第四场效应管的源极连接，第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极连接，第二场效应管的源极与第三场效应管的漏极连接，第三场效应管的源极与第六场效应管的漏极连接，第六场效应管的源极与第五场效应管的漏极连接，第五场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，在第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2中：第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管的栅极接控制信号ckB，第二场效应管、第四场效应管和第六场效应管的栅极接控制信号ck，控制信号ck与控制信号ckB为相反的时钟信号；

在第三低误差采样开关gate3中：第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的栅极接低电位GND，第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管的栅极接高电位VDD。

6.根据权利要求1所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，还包括结构一致的复位开关gate4和复位开关gate5，复位开关gate4连接在单位增益放大器OP2的正向端与反向端之间，复位开关gate5的一端连接单位增益放大器OP2的反相端，复位开关gate5的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的一种用于快照式读出电路中的采样保持电路，其特征在于，所述复位开关gate4和复位开关gate5为互补开关，所述互补开关包括：NM型的第七场效应管和PM型的第八场效应管，第七场效应管的漏极与第八场效应管的源极连接，第七场效应管的源极与第八场效应管的漏极连接；第七场效应管的栅极连接控制信号rst，第七场效应管的栅极连接控制信号rstB，控制信号rs与控制信号rstB为相反的时钟信号。

说明书

一种用于快照式读出电路中的采样保持电路

技术领域

[0001] 本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于快照式读出电路中的采样保持电路。

背景技术

[0002] 传感器阵列读出电路通常包含采样保持电路，例如诸多光电传感器中对产生的光电流进行积分后的电压进行采样保持，便于之后对积分电压输出或进行模数转换，而对于
快照式读出电路而言，其工作模式为:对于一个M×N的光电传感器阵列，其中每一个像元电
路中均含有积分电路、采样保持电路等，阵列中所有像元同时开始工作，对产生的光电流同
时开始积分后，进行采样保持，再由时序信号控制逐行输出。由于阵列规模M×N越来越大，
其整体输出所需要的时间较长，由于像素版图面积的限制，积分电容较小，导致采样点压受
漏电流的影响较大，将会使得最后输出的电压与实际电压产生较大误差，甚至使得电压完
全流失。所以需要一种减少电荷流失提高采样电压精度的电压采样保持电路。

发明内容

[0003] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于快照式读出电路中的采样保持电路。

[0004] 本发明通过下述技术方案实现：

[0005] 本发明提供的用于快照式读出电路中的采样保持电路，包括：低误差采样开关电路、补偿电路、钳位电路和采样电容Cint；

[0006] 所述低误差采样开关电路包括结构一致的第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2，待采样电压从第一低误差采样开关gate1注入，第一低误差采样开关
gate1与第二低误差采样开关gate2连接，第二低误差采样开关gate2另一端与采样电容
Cint连接后接地；

[0007] 第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2同步开关；

[0008] 所述钳位电路并联在第二低误差采样开关gate2两端，使得第二低误差采样开关gate2两端电压相等；

[0009] 所述补偿电路并联在第二低误差采样开关gate2两端，补偿电路向采样电容补偿采样保持过程中的漏电流。

[0010] 进一步优化方案为，所述钳位电路采用单位增益放大器OP2，所述单位增益放大器OP2的正向端与采样电容Cint连接，单位增益放大器OP2的输出端与反向端相连，同时单位
增益放大器OP2的输出端连接至第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2之
间。

[0011] 进一步优化方案为，所述补偿电路包括：与第一低误差采样开关gate1结构一致的第三低误差采样开关gate3、电流镜结构和负反馈电路；

[0012] 所述第三低误差采样开关gate3具有电位差，第三低误差采样开关gate3一端连接在第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2之间、另一端与电流镜结构相
连，电流镜结构与采样电容Cint连接后接地；

[0013] 负反馈电路保持电流镜结构左右两侧的电压相等，从而完全模拟第二低误差采样开关gate2两端的电压大小。

[0014] 进一步优化方案为，所述电流镜结构包括场效应管PM19和场效应管PM20，场效应管PM19与场效应管PM20的源极接电源电压VDD，场效应管PM19与场效应管PM20的栅极相连，
场效应管PM19漏极与第三低误差采样开关gate3连接，场效应管PM20漏极与采样电容Cint
连接后接地；

[0015] 所述负反馈电路采用运算放大器OP1，运算放大器OP1的正向端与场效应管PM19漏极连接，运算放大器OP1的反向端与场效应管PM20漏极连接，运算放大器OP1的输出端与场
效应管PM19的栅极或场效应管PM20的栅极连接。

[0016] 进一步优化方案为，第三低误差采样开关gate3、第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2的基础电路结构包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应
管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管；其中第一场效应管、第二场效应管和第三
场效应管为NM型，第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管为PM型。

[0017] 进一步优化方案为，在基础电路结构中，第一场效应管、第三场效应管、第四场效应管和第六场效应管的漏极与源极短接；

[0018] 第一场效应管的漏极与第四场效应管的源极连接，第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极连接，第二场效应管的源极与第三场效应管的漏极连接，第三场效应管的源
极与第六场效应管的漏极连接，第六场效应管的源极与第五场效应管的漏极连接，第五场
效应管的源极与第四场效应管的漏极连接。

[0019] 进一步优化方案为，在第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2中：第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管的栅极接控制信号ckB，第二场效应管、第
四场效应管和第六场效应管的栅极接控制信号ck，控制信号ck与控制信号ckB为相反的时
钟信号。

[0020] 在第三低误差采样开关gate3中：第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的栅极接低电位GND，第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管的栅极接高电位VDD。

[0021] 进一步优化方案为，还包括结构一致的复位开关gate4和复位开关gate5，复位开关gate4连接在单位增益放大器OP2的正向端与反向端之间，复位开关gate5的一端连接单
位增益放大器OP2的反相端，复位开关gate5的另一端接地。

[0022] 进一步优化方案为，所述复位开关gate4或复位开关gate5为互补开关，所述互补开关包括：NM型的第七场效应管和PM型的第八场效应管，第七场效应管的漏极与第八场效
应管的源极连接，第七场效应管的源极与第八场效应管的漏极连接；第七场效应管的栅极
连接控制信号rst，第七场效应管的栅极连接控制信号rstB，控制信号rs与控制信号rstB为
相反的时钟信号。

[0023] 本发明工作原理：当采样保持电路处在采样状态时，由于开关存在电荷注入效应，第一低误差采样开关gate1与第二低误差采样开关gate2打开，采样电容Cint开始充电，在
采样过程结束之后，第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2闭合，则注入
采样电容Cint的电荷流入漏源极短接的场效应管，从而提高了采样电压的精度；其中补偿
电路用于补偿流入漏源极短接的场效应管中的漏电流，在快照式读出电路中，整体读出时
间较长，而片上电容采样较小，在相当长的时间之后，电荷会从采样电容中流出通过低误差
采样开关电路中的场效应管的极或漏极流入衬底，从而使得采样电压与实际电压出现较大
误差，而补偿电路结构通过将采样开关的结漏电流通过电流镜结构将漏电流补偿回采样电
容，从而减少采样电压的降低。

[0024] 钳位电路的作用为减少通过采样开关的漏电流，当采样保持电路处于保持状态时，由于场效应管在闭合状态下，仍然有少量的电荷通过源极流向漏极或通过漏极流向源
极，从而在采样保持电路处在保持状态下，采样电容中的部分电荷不断通过第一低误差采
样开关gate1和复位开关gate4流失，在较长时间后，采样电压仍然会出现较大误差，此钳位
电路结构使得第一低误差采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2中间处的电压、第一
低误差采样开关gate1与采样电容Cint之间的电压，以及复位开关gate4与复位开关gate5
之间的电压相等，从而使得第二低误差采样开关gate2两端电压相等，复位开关gate4两端
电压相等，即使得闭合状态下，流过第二低误差采样开关gate2与复位开关gate4的漏电流
减少。

[0025] 综合以上技术手段，本发明减少了采样电容中电荷的流失，同时补偿了部分通过结漏电流流失的电荷，使得整体采样点压降低在一个满足要求的范围内。

[0026] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0027] 本发明提供的用于快照式读出电路中的采样保持电路，相比于未采用低误差采样开关的情况，通过使用低误差采样开关减低了电荷注入效应，提高了采样电压的精度；采用
漏电流补偿结构，采样电压的电压降低幅度明显减少；结合采样开关的钳位结构，进一步限
制模拟开关关闭状态下的漏电流，从而使得采样电压降低幅度进一步减少。

附图说明

[0028] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

[0029] 在附图中：

[0030] 图1为本发明采样保持电路示意图；

[0031] 图2为第一低误差采样开关gate1中的部分泄露电流示意图；

[0032] 图3为第二低误差采样开关gate2结构示意图；

[0033] 图4为第三低误差采样开关gate3结构示意图；

[0034] 图5为快照式读出电路中普通采样电路示意图；

[0035] 图6为相同条件下本发明电路与普通采样电路电压随时间变化比较结果示意图。

具体实施方式

[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。

[0037] 实施例1

[0038] 如图5的快照式读出电路中普通采样电路示意图，(Vin为外部待采样电压)该采样电路由于存在的电荷注入效应，使得采样电压存在一定误差；现使用图1所示本发明提供的
用于快照式读出电路中的采样保持电路的具体电路，电路中的第一低误差采样开关gate1、
第二低误差采样开关gate2为相同的低误差采样开关；如图2所示，和图3所示，第一低误差
采样开关gate1和第二低误差采样开关gate2中的场效应管NM2、场效应管PM4、场效应管
PM6、场效应管NM8、场效应管PM10、场效应管PM12的栅极接控制信号ck，场效应管NM1、场效
应管NM3、场效应管PM5、场效应管NM7、场效应管NM9、场效应管PM11的栅极接控制信号ckB，
控制信号ck与控制信号ckB为相反的时钟信号，两者作为读出电路中周期性的采样互补时
钟信号。如图4所示，第三低误差采样开关gate3为与第一低误差采样开关gate1、第二低误
差采样开关gate2相同的采样开关，但是第三低误差采样开关gate3中的场效应管NM13、场
效应管NM14、场效应管NM15栅极接低电位GND，场效应管PM16、场效应管PM17、场效应管PM18
的栅极接高电位VDD；复位开关gate4与复位开关gate5为相同的互补开关，场效应管NM21、
场效应管NM23栅极接信号rst，场效应管NM22、场效应管NM24栅极接复位信号rstB，控制信
号rst与控制信号rstB为相反的时钟信号，两者作为读出电路中周期性的采样电压复位互
补时钟信号。

[0039] 低误差采样开关的基本结构形式为互补型模拟开关，如图2所示，其中gate1、gate2、gate3均为结构尺寸完全相同的采样开关。以gate1为例，其中包含场效应管NM1、场
效应管NM2、场效应管NM3、场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6；其中场效应管NM1、场
效应管NM3、场效应管PM4、场效应管PM6的漏极与源极短接。图中电流a为开关关闭状态下的
场效应管NM1的漏/源—衬底之间的漏电流示意图，电流b为场效应管NM2的漏源之间的漏电
流示意图。同理gate2与gate3的漏电流原理一样。

[0040] 补偿电路包含第三低采样误差开关gate3、运算放大器OP1与电流镜电路。其中运算放大器OP1起到负反馈的作用，使得第三低采样误差开关gate3右端D点电压与第二低误
差采样开关gate2右端B点电压保持相等，从而完全第二低误差采样开关gate2的两端电压
大小，使得补偿的电流Inc与In相等。

[0041] 钳位电路主要包括单位增益放大器OP2，其中单位增益放大器OP2的正向端与采样电容Cint处的B点相连、输出端与反向端相连，同时输出端分别与第一低采样误差开关
gate1、第二低采样误差开关gate2中间处A点以及复位开关gate4、gate5中间处C点相连。

[0042] 实施例2

[0043] 基于上述实施例的原理，下面将结合具体实例对本发明进行详细说明。在本实例中，将在CSMS 0.18μmCOMS工艺下，对图1中的本发明整体电路图参数进行设置，其中场效应
管NM1～NM3，PM4～PM6，NM7～NM9，PM10～PM12，NM13～NM15，PM16～PM18，PM21～PM24均采
用栅宽为1μm，栅长为350nm的场效应管，PM19～PM20采用栅宽为2μm栅长为2μm的场效应管，
采样电容Cint采用36fF的电容，运算放大器OP1和单位增益放大器OP2的直流增益均为
54.3dB，单位增益带宽均为16MHz，VDD与GND分别设置为3.3V与1.8V，采样电压设置为
2.13V。

[0044] 同样对图5中的普通采样保持电路的参数进行设置，其中场效应管NM1，PM2，NM3，PM4的栅宽为1μm，栅长为350nm，采样电容Cint同样为36fF。在27℃下对两个电路进行模拟，
两者进行对比可以得到本发明电路与普通采样保持电路电压在相同条件下随时间变化曲
线。

[0045] 在图6中，当采样电压为2.13V时，在0ms的时刻，普通采样保持电路的采样电压为2.156V，本发明采样保持电路的采样电压为2.132V。

[0046] 在经过5ms时间之后，普通采样保持电路电压降为1.918V，降幅为0.212V，电压减少了9.95％；本发明电路电压降为2.106V，降幅为0.024V，电压减少了1.12％。本发明采样
保持电路相比普通采样保持电路效果提升了8.8倍。此外本发明电路受制于运算放大器的
增益与失配，提高运算放大器的性能可以进一步提高电路性能。

[0047] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。