CN100587419C

CN100587419C - 一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路

Info

Publication number: CN100587419C
Application number: CN200710049358A
Authority: CN
Inventors: 吕坚; 蒋亚东; 江海; 钟绍华; 曾强
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: CN101246047A

Abstract

一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，不采用屏蔽掉红外辐射的暗电阻，在单列信号处理电路中，设置有粗调电流镜(M3、M4、M5、M6)和细调电流镜(M1、M2、M7、M8)，其中粗调电流镜连接粗调电流源，该电流源提供的电流能进行μA量级的调节，细调电流镜连接细调电流源，该电流源提供的电流能进行nA量级的精确调节，该粗调、细调电流镜代替与衬底热短路、充当暗电阻的微测辐射热计，补偿暗场电流。该补偿电路能在避免使用暗电阻的前提下给微测辐射热计提供精确、稳定的暗场电流补偿，并根据工艺误差的需求对该暗场补偿电流进行适当的调节，消除非均匀性的影响，从而保证在没有红外辐射的情况下输入积分器的电流为零。

Description

一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面热像仪，具体涉及一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路及其补偿方法。

背景技术

红外焦平面热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并能通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。它在军事、空间技术、医学以及国民经济相关领域正得到日益广泛的应用。因其具有较强的抗干扰能力，隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点，在军事领域获得了广泛的应用。

红外焦平面阵列(IRFPA)是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件，是一种集光电转换和信号处理于一体的固体光电摄像器件，它一般由两个基本结构组成：红外探测器阵列和读出电路。在美国、法国和英国等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟，256×256元碲镉汞焦平面探测器已经装备美国AGM-130空对地导弹，320×256元碲镉汞焦平面探测器在欧洲Storm Shadow/Scalp E-G空对地巡航导弹上开始应用，256×256元InSb焦平面装备了以色列箭-2反导系统及美国标准II-IVA导弹，640×512元InSb美国战区高空区域防御系统拦截弹(THAAD)；640×480元InSb热成像仪则装备了F-22、V-22、F18-E/F等战机。在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器件已达到640×480元的规模，中、短波器件达到了2048×2048的规模，长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。

读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，其功能是对探测器感应的微弱红外电信号进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。目前主要有CCD型读出电路CMOS型读出电路。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。国内的工艺水平还处于一个较低的发展水平上，电路的实现能力不能满足设计的需要，这就使得读出电路的发展水平较低，且国内对读出电路的研究较少，缺乏成熟的经验可以借鉴，因此开展这方面的工作是很有意义的。

在读出电路中，敏感电阻的敏感电流是由于其两端加上的偏压而产生的，在无红外辐射的情况下产生的电流，我们称之为暗场电流。红外辐射强度的改变会造成微测辐射热计的温度改变，从而使微测辐射热计等效电阻改变，最终使产生的敏感电流发生变化。暗场电流是一种固有电流，通常情况下，热敏电阻一般在10KΩ～1MΩ，偏置电压一般在几百毫伏到几伏之间，因此其暗场电流一般在μA量级。而敏感电流对应着物体温度的变化，通常情况下，物体温度变化1℃，热敏电阻变化0.01℃，被探测的热敏电阻阻值的变化ΔR＝R_s×α×0.01，其中α为电阻温度系数(TCR)，典型值为-0.02，可以看出ΔR将是一个很小的变化，由此造成的电流的变化在nA量级。因此相对于暗场电流，热敏电流的变化是很小的。同时过高的暗场电流会使积分器电容很快饱和，失去积分器的作用。因此需要采用暗场电流补偿的方式去除暗场电流使得流入积分器的电流为敏感电流。

目前，国内外应用较为普遍的暗场电流的补偿方式是采用通过电压偏置的屏蔽掉红外辐射的微测热辐射计(即通常所说的暗电阻)，产生暗场补偿电流。如图1所示，R_s代表热敏探测电阻，R_b是为屏蔽掉红外辐射的电阻值。设定：V_fid＝V_sk-V_ref，当没有红外辐射时，R_s＝R_b，因此，在屏蔽热敏单元的红外辐射时，积分电流i₃＝(V_sk-V_ref)/R_b-V_fid/R_s＝0；有红外辐射时，热敏电阻温度变化为ΔT，热敏电阻变为R_s＝R_b(1+αΔT)，α为温度电阻系数TCR，则积分电流变为：í₃＝(V_sk-V_ref)/R_b-V_fid/[R_b(1+αΔT)]＝V_fidαΔT/R_b，此时，积分器输出的电压信号就为所需的带有红外辐射信息的信号。这种暗场电流补偿方式特点是结构简单，易于实现。通常情况下暗场电阻的制作采用的是：thermal shorted或shielded的方法。Thermal shorted主要是让微测辐射热计把接收红外辐射产生的热量直接传到衬底，从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流的方法。这种方法的缺点在于很难让100％的热量都传导到衬底，残留的热量会造成补偿电流的误差。Shielded是在微测辐射热计上镀上一层反光层，将红外辐射反射出去，从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流的方法。这种方法的缺陷在于加入的这层反光材料会使微测辐射热计的成分改变性状，从而是电阻发生变化，达不到精确补偿暗场电流的方法。因此，需要一种新的可以根据实际情况进行精确调节的暗场电流的补偿方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路和补偿方法，该补偿电路及补偿方法能在避免使用暗电阻的前提下给微测辐射热计提供精确、稳定的暗场电流补偿，并根据工艺误差的需求对该暗场补偿电流进行适当的调节，消除非均匀性的影响，从而保证在没有红外辐射的情况下输入积分器的电流为零。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：构造一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，不采用屏蔽掉红外辐射的暗电阻，其特征在于：

A、在单列信号处理电路中，设置有粗调电流镜(M3、M4、M5、M6)和细调电流镜(M1、M2、M7、M8)，其中粗调电流镜连接粗调电流源，该电流源提供的电流能进行μA量级的调节，细调电流镜连接细调电流源，该电流源提供的电流能进行nA量级的精确调节，该粗调、细调电流镜代替与衬底热短路、充当暗电阻的微测辐射热计，补偿暗场电流；

B、红外焦平面阵列中单元读出通道电路依次可分为四个部分：偏置电路、积分电路、采样保持电路和输出缓冲电路，其中偏置电路包括运算放大器OP1和电流镜M9构成缓冲注入式电路结构，该电路结构能给所述粗调电流镜和细调电流镜构成的微测辐射热计提供偏置电压，从而产生暗场电流，积分电流等于热电流减去暗场电流，积分电流通过积分电路、采样保持电路和输出缓冲电路，得到有效输出电压信号。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述细调电流源包括NMOS晶体管M11、可调节电阻R_trim2和细调节器DAC2，其中NMOS晶体管M11的漏极连接共源共栅电流镜M7、M8，源极连接所述可调节电阻R_trim2，R_trim2的另一端接地为电流I₂提供电流通路，运算放大器OP4的“+”输入端接可调节DAC2，“-”输入端接M11的源极与可调节电阻R_trim2相接的公共端，运算放大器OP4的输出端接所述NMOS晶体管M11的栅极。这种NMOS管缓冲注入式结构主要用于给可调电阻R_trim提供电压，产生所需补偿电流I₂。通过调节DAC提供的电压大小和可调电阻R_trim的大小就可以改变电流源提供的电流I₂的大小。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述粗调电流源包括NMOS晶体管M10、可调节电阻R_trim1和粗调节器DAC1，其中NMOS晶体管M10的漏极连接共源共栅电流镜M5、M6，源极连接所述可调节电阻R_trim1，R_trim1的另一端接地为电流I₁提供电流通路，运算放大器OP3的“+”输入端接可调节DAC1，“-”输入端接NMOS晶体管M10的源极与可调节电阻R_trim1相接的公共端，运算放大器OP3的输出端接所述NMOS晶体管M10的栅极。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，细调电流源和粗调电流源具有相同的电路结构，粗调电流源和细调电流源的不同之处在于，DAC(1、2)提供给可调电阻R_trim(1、2)电压不同，提供的参考电流I₁和I₂不同，DAC(1、2)采用的参考电压V_ref(1、2)的大小不同，由最低有效位LSB确定的电压不同，从而实现的电压调节精度不同。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，粗调节器DAC1、细调节器DAC2的参考电压V_REF1、V_REF2都通过引脚由片外引入，可以灵活调节DAC的MSB和LSB确定的电流值大小。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述可调节电阻R_trim(1、2)是由8个电阻R1～R8组成，电阻的大小如下关系：R1＝R5＝8R，R2＝R6＝4R，R3＝R7＝2R，R4＝R8＝2R，其中R值的大小在实际应用中设定，R1～R4中分别与控制开关C1～C4相连接，控制该电阻是否被接入到电路中，R1和R5并联，R2和R6并联，R3和R7并联，R4和R8并联，四组相互并联的电阻串联在一起。

一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿方法，其特征在于，每一次黑体辐射的时候，通过单片机，实现粗调电流源和细调电流源中DAC(1、2)的调节遵循如下的流程智能化调节：

①、将粗调(DAC1)的地址码赋值使得粗调(DAC1)的输出值等于1/2(V_REF1)，将细调(DAC2)的地址码赋值使得细调(DAC2)的输出值等于1/2(V_REF2)；

②、选择粗调电流源的(DAC1)，执行步骤③；

③、设定计数器counter＝0.5*2^DACBITS，其中(DACBITS)为(DAC)输入地址码的位数；

④、判断counter是否等于0，如果等于0，则执行步骤⑧，否则执行步骤⑤；

⑤、判断积分器的输出电压(V_o)是否大于(V_REF)，如果大于(V_REF)，执行⑥，否则执行步骤⑦；

⑥、使(DAC)的输出值减小一个(LSB)电压，并使counter＝counter-1，然后执行步骤③；

⑦、使(DAC)的输出值增加一个(LSB)电压，并使counter＝counter-1，然后执行步骤③；

⑧、采用设定好的(DAC)地址码得到所需的电流源电流；

⑨、选择细调电流源的(DAC2)，执行步骤③。

本发明针对红外焦平面读出电路提出了一种不用暗场电阻直接产生暗场补偿电流的方法，还可以根据需要进行大范围的、精细的调节。该电路结构主要包括：利用粗调电流镜和细调电流镜代替盲电阻提供暗场的补偿电流I_b；粗调电流源给粗调电流镜提供电流，细调电流源给细调电流镜提供电流；粗调电流源和细调电流源具有相同的电路结构：运算放大器和尺寸较大的NMOS晶体管构成缓冲注入式结构，将DAC提供的输出电压供给可调节电阻R_trim，产生所需的补偿电流。粗调电流源和细调电流源的DAC的参考电压不同，采用单片机编程控制，能够分别实现μA量级和nA量级的调节。为了解决工艺中电阻的误差，本发明采用新型结构的可调节电阻R_trim。结合DAC的使用，本发明能方便的解决由于工艺的不均匀性造成暗场电流变化而引起的电流补偿的误差，从而保证暗场条件下的积分电流I_INT为零。

本发明的优点有：

(1)采用此种方式的红外焦平面阵列暗场电流的补偿方法，避免了盲像元的使用，降低了工艺难度，容易实现，提高了投片的成功率；

(2)采用此电路结构，暗场补偿电流的大小可以由DAC进行精确的调节，因此可以消除由于制造工艺因素导致的微测辐射热计R_S阻值的不均匀性；

(3)采用粗调和细调两组电流源，可实现扩展，对于实际应用中微测辐射热计R_S的阻值不同程度的波动都能够方便进行调节，调节的时候只需要输入对应DAC的数字输入码，实用性强；

(4)采用此种电路结构，暗场补偿电流I_b是由镜像电路镜像到读出通道，与后端读出通道电路保持相对独立，抗干扰性强；

(5)由DAC调节的补偿电流值可精确到nA数量级，以此可消除由于噪声产生的敏感电流偏差，精确度很高；

(6)粗、细调DAC的参考电压V_REF都由片外引入，可以灵活调节DAC的MSB和LSB确定的电流值大小；

(7)粗、细调DAC采用单片机实现智能调节，每次黑体辐射的时候，按动快门就能够实现调节，方便、快捷、易操作。

附图说明

图1是现有技术中常见补偿暗场电流的方案图；

图2是本发明所提供的红外焦平面阵列单个读出通道结构图；

图3是本发明所用的DAC精细调节的电流源的结构图；

图4是本发明所用的可调节电阻的结构图；

图5是本发明使用的DAC调节遵循流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图2所示，该红外焦平面阵列中单元读出通道电路依次可分为四个部分：偏置，积分，采样保持，输出缓冲电路。运算放大器OP1和M9构成缓冲注入式结构给微测热辐射计Rs提供偏置电压V_FID，从而产生热电流I_s。细调电流镜M1，M2和粗调电流镜M3，M4能镜像产生电流I_b补偿微测热辐射计在没有红外辐射情况下的暗场电流。积分电流I_INT等于热电流I_s减去暗场电流I_b，即I_INT＝I_s-I_b。积分电流通过积分，采样保持，输出缓冲，得到有效输出信号Vo。

图3是单元读出通道偏置电路部分中用于补偿暗场电流的电流镜的结构图，粗调电流镜和细调电流镜分别连接粗调电流源和细调电流源。粗调电流源和细调电流源具有相同的结构。以粗调电流源为例，运算放大器OP3和M10构成缓冲注入式结构，将DAC提供的电压加到可调电阻R_trim上，产生电流I₁供给粗调电流源。适当改变DAC的输入地址码：S1，S2......Sn，可以改变DAC提供的电压的大小，从而起到调节输出电流I₁的作用。

粗调电流源和细调电流源提供电流值的总和等于所需暗场补偿电流I_b。但由于粗调电流源使用的参考电压V_REF1比细调电流源使用的参考电压V_REF2大，所以DAC1的最低有效位控制电压V_LSB1比DAC2的最低有效位控制电压V_LSB2大，从而实现粗调电流源μA量级的调节，细调电流源nA量级的调节。

图4是粗调电流源和细调电流源中可调电阻R_trim的结构图，主要由8个电阻R1～R8组成，其中R5～R8分别与R1～R4有相同的阻值，R1～R4中每一个电阻与一个控制开关相连接，控制该电阻是否被接入到电路中。为了使可调整的范围尽量大，对电阻的阻值进行了选择。取R1、R2、R3、R4分别为8R、4R、2R、2R，通过调节C1～C4，该可调电阻模块就可以实现8R～16R之间任意整数倍R的调节。

图5是粗调电流源和细调电流源中的DAC调整采用的流程图，此流程只需采用一个单片机就能够简单实现。每一次黑体辐射的时候，通过探测积分器的积分输出电压，粗调电流源和细调电流源就按照如下的流程得到精确的暗场补偿电流：

②、选择粗调电流源的(DAC1)，执行步骤③；

⑧、采用设定好的(DAC)地址码得到所需的电流源电流；

⑨、选择细调电流源的(DAC2)，执行步骤③。

在本专利采取的暗场电流方案中，主要的工艺偏差来自两个方面：一是暗场下微测辐射热计电阻R_s的值与目标设计值的偏差；二是工艺实现的R_trim值和目标设计值之间的偏差。下面举一个实例来阐述如何用粗调、细调DAC和可调电阻R_trim实现对暗场电流大小的调节。

如图1所示，设定V_fid＝0.4V，根据设计要求，暗场下微测辐射热计电阻的值为40KΩ，则所需要提供的暗场电流的补偿电流为I_b＝10μA。为了满足设计的需要，粗调电流源和细调电流源的可调电阻R_trim中电阻R的设计值为4KΩ，电阻开关设定为：C1、C3、C4闭合，C2断开。则可调电阻就是R_trim＝8R/2+4R+2R/2+2R/2＝40KΩ。假设V_REF1＝1.9V_fid，V_REF2＝0.1V_fid，粗调DAC是8bits，细调DAC是10bits。如图5所示，初始设定粗调DAC输入码S₇S₆S₅S₄S₃S₂S₁S₀＝10000000，此时粗调DAC的输出电压等于1/2V_REF1即0.38V，细调DAC中S₉S₈S₇S₆S₅S₄S₃S₂S₁S₀＝1000000000，此时细调DAC的输出电压等于1/2V_REF2即0.02V，此时对应提供暗场补偿电流I_b＝10μA，积分器输出电压V_o＝V_REF。

假设工艺实现的R_s＝37.2KΩ(减少了7％)，则暗场下微测辐射热计的偏置电流为V_fid/R_s＝10752.7nA。同时假设工艺实现的电阻R_trim阻值超过目标设计值的10％，即R_trim＝10R＝1.1×40KΩ＝44KΩ。首先调节可调电阻R_trim的开关使得：C1、C2、C3闭合，C4断开，所得可调电阻R_trim＝8R/2+4R/2+2R/2+2R＝9R。则R_trim值为(9R/10R)×44KΩ＝39.6KΩ。此时补偿电流值(128/256×0.76+512/1024×0.04)/R_trim＝10101.0nA。补偿电流值小于偏置电流值，积分器输出V_o＜V_REF。根据图5的流程进行调节，直到偏置电流值和补偿电流值相差小于粗调DAC的LSB能调节的电流值0.76/(256R_S)＝75nA，此时粗调DAC的输入码为S₇S₆S₅S₄S₃S₂S₁S₀＝10001001，对应的十进制码为137。同理，细调DAC按照相同方法调节，最后的输入码为S₉S₈S₇S₆S₅S₄S₃S₂S₁S₀＝0111101001，对应的十进制码为489。此时补偿电流值为[(137/256)×0.76+(489/1024)×0.04]/39.6K＝10753.0nA。补偿电流值和暗场下的偏置电流值相差0.3nA，若读出电路系统的输出噪声等效电流值为1nA，则我们只需要将DAC可控电流源产生的暗场电流值和暗场下微测辐射热计的偏置电流值之差控制在1nA之内，即可满足读出电路要求。因此该补偿电流值能满足读出电路要求。该可控DAC电流源能调节最小电流值为(0.04/1024)/39.6K＝1nA。

Claims

1、一种红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，不采用屏蔽掉红外辐射的暗电阻，其特征在于：

A、在单列信号处理电路中，设置有粗调电流镜M3、M4、M5、M6和细调电流镜M1、M2、M7、M8，其中粗调电流镜连接粗调电流源，该电流源提供的电流能进行μA量级的调节，细调电流镜连接细调电流源，该电流源提供的电流能进行nA量级的精确调节，该粗调、细调电流镜代替与衬底热短路、充当暗电阻的微测辐射热计，补偿暗场电流；

2、根据权利要求1所述的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述细调电流源包括NMOS晶体管M11、可调节电阻R_trim2和细调节器DAC2，其中NMOS晶体管M11的漏极连接共源共栅电流镜M7、M8，源极连接可调节电阻R_trim2，可调节电阻R_trim2的另一端接地为电流I₂提供电流通路，运算放大器OP4的“+”输入端接细调节器DAC2，“-”输入端接NMOS晶体管M11的源极与可调节电阻R_trim2相接的公共端，运算放大器OP4的输出端接所述NMOS晶体管M11的栅极。

3、根据权利要求1所述的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述粗调电流源包括NMOS晶体管M10、可调节电阻R_trim1和粗调节器DAC1，其中NMOS晶体管M10的漏极连接共源共栅电流镜M5、M6，源极连接所述可调节电阻R_trim1，可调节电阻R_trim1的另一端接地为电流I₁提供电流通路，运算放大器OP3的“+”输入端接粗调节器DAC1，“-”输入端接NMOS晶体管M10的源极与可调节电阻R_trim1相接的公共端，运算放大器OP3的输出端接所述NMOS晶体管M10的栅极。

4、根据权利要求1～3任一所述的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，细调电流源和粗调电流源具有相同的电路结构，粗调电流源和细调电流源的不同之处在于，细调节器DAC1提供给可调电阻R_trim1的电压与粗调节器DAC2提供给R_trim2的电压不同，电流I₁和电流I₂不同。

5、根据权利要求1～3任一所述的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，粗调节器DAC1、细调节器DAC2的参考电压V_REF1、V_REF2都由片外引入。

6、根据权利要求2或3所述的红外焦平面阵列暗场电流的补偿电路，其特征在于，所述可调节电阻R_trim1和可调节电阻R_trim2都是由8个电阻R1～R8组成，电阻的大小如下关系：R1＝R5＝8R，R2＝R6＝4R，R3＝R7＝2R，R4＝R8＝2R，R1～R4中分别与控制开关C1～C4相连接，控制该电阻是否被接入到电路中，R1和R5并联，R2和R6并联，R3和R7并联，R4和R8并联，四组相互并联的电阻串联在一起。