CN101514922A

CN101514922A - 一种线性高动态范围红外读出电路

Info

Publication number: CN101514922A
Application number: CNA2009100303215A
Authority: CN
Inventors: 谢亮; 夏晓娟; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Nantong Jinshi industry and Trade Co., Ltd.; Southeast University
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: CN101514922B

Abstract

一种线性高动态范围红外读出电路，设有包括单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路，其特征是：单元电路包括用于控制单元电路积分时间的积分控制单元、用于控制单元电路中积分电容复位的复位控制单元、用于选择单元电路积分电容大小的积分电容自选单元、自选积分电容控制信号产生单元及传输单元。本发明可在积分过程中对积分电容进行自动选择，在小的光电流情况下采用小的积分电容，在大的光电流情况下采用大的积分电容。一方面减小光电流为零情况下的噪声等效电荷，另一方面增加了读出电路的最大电荷存储容量，从而总体上提高了动态范围。

Description

一种线性高动态范围红外读出电路

技术领域

本发明涉及红外成像系统中的读出电路，尤其是一种线性高动态范围红外读出电路，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外成像技术在军事、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。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。该组件由红外探测器和红外焦平面读出电路(ROIC：readout integrated circuits)组成。ROIC电路的基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大以及传输。常见的ROIC电路包括单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路。单元电路是整个读出电路与读出电路外部红外探测器的接口电路，它的性能好坏直接影响整个读出电路的性能。

随着应用范围的不断扩大，对红外焦平面读出电路性能的要求也越来越高。动态范围(DR：dynamic range)是读出电路的重要性能参数之一，它可定义为最大非饱和输入信号与最小可测输入信号的比值。现有的图像传感器大多是将入射光转换成光电流。所以读出电路的动态范围也可以定义为最大非饱和光电流与最小可测光电流比值，即DR＝i_max/i_min。其中最大非饱和光电流取决于最大电荷存储容量和积分时间，即i_max＝qQ_max/T_int最小可测光电流取决于光电流为零时的噪声等效电荷与积分时间，即i_min＝qQ_noise/T_int。由此看来，动态范围可等效为最大电荷存储容量与光电流为零时的噪声等效电荷的比值，即DR＝Q_max/Q_noise。所以，提高最大电荷存储容量和减小噪声都能提高读出电路的动态范围。增大积分电容能提高最大电荷存储能力，但一方面单元尺寸的限制使积分电容不能无限制增加；另一方面，在小的光电流情况下，读出电路的噪声等效电荷会随着积分电容的增加而增多。在小的光电流情况下，积分电容越小读出电路的噪声等效电荷越少，但小的积分电容严重限制了最大电荷存储容量。

常规的读出电路单元结构中的积分电容一般是固定不变的，这样就不能同时满足大的荷存储容量和小的噪声等效电荷的要求。在现有技术中，中国专利CN101009762提出了积分电容可选的方法，它能根据背景条件的不同选择不同的积分电容来扩大读出电路的应用范围，但这种方法不能在一次积分过程中采用两种不同的积分电容，所以它并不能在一帧的读出过程中同时满足大电荷存储容量和小的噪声等效电荷的要求。

在可视光成像中，入射光取决于视场中物体的反射光；在红外成像中，入射光取决于视场中物体的温度。所以，红外成像的动态范围不是指视场内的光强范围，而是指视场内的温度范围。为了更好的分辨出温度的变化，好的线性也是高性能读出电路追求的性能指标之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有红外读出电路中单元电路存在的动态范围不足的问题，提供一种线性高动态范围红外读出电路，它是一种适合于大规模探测器阵列、具有积分电容自动选择控制功能、动态范围大且能保持线性的ROIC单元结构。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种线性高动态范围红外读出电路，包括单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路，其特征是：单元电路设有积分控制单元、复位控制单元、积分电容自选单元、自选积分电容控制信号产生单元以及传输单元，其中，积分控制单元含有P型MOS管M1，构成注入管；复位控制单元含有P型MOS管M2，构成复位开关；积分电容自选单元含有两个积分电容C1、C2和作为选择开关管的N型MOS管M3；自选积分电容控制信号产生单元含有一个动态比较器和一个两输入与非门；传输单元含有两个N型MOS管M4和M6，以及一个P型MOS管M5，它们均作为开关管，M5和M6构成一个传输门；其中：

积分控制单元通过改变注入管M1的栅极电压来控制积分的开始和结束；

复位控制单元通过复位开关管M2的导通将积分电容C1和C2上的电压复位到地电平；

积分电容自选单元通过开关管M3的导通、关断来选择单元电路的积分电容的大小，当开关管M3导通时，单元电路的积分电容由积分电容C1和积分电容C2并联构成；当开关管M3关断时，单元电路的积分电容只由积分电容C1构成；

积分电容自选控制信号产生单元将积分电压与参考电压Vcom相比较产生控制开关管M3的信号来最终选择的积分电容大小，与此同时，与非门的输出信号作为标志信号，供单元结构以外的电路利用来保持输出积分电压信号与光电流的线性关系；

传输单元用于进行行选择的控制，当一对反时钟信号控制传输单元中的三个开关管都导通时，存储在积分电容上的积分电压信号通过开关管M4被传输到后一级信号处理电路中，标志信号通过开关管M5和开关管M6组成的传输门被传输到后一级信号处理电路中；当一对反时钟信号控制传输单元中的三个开关管都关断时，积分电压信号和标志信号都保持在单元电路中。

单元电路中的连接关系是：M1的源极与红外探测器的输出端相连接；M1、M2、M3、M4的漏极(M4也可是源极)与积分电容C1的一端以及动态比较器的负输入端相互连接；动态比较器的正输入端接参考电平Vcom M2源极与积分电容C1的另一端以及积分电容C2的一端接地连接；积分电容C2的另一端连接在M3的漏极上；动态比较器的输出端与两输入与非门的一个输入端连接；M3的栅极与两输入与非门的输出端以及M5、M6的漏极(或源极)相互连接；M4的源极与后续列读出级中用于接收单元积分信号的电路的输入端连接；M5、M6的源极(或漏极)以及后续列读出级中用于接收标志信号的电路的输入端连接；M1的栅极接积分控制信号Vint M2的栅极接复位控制信号Vrst；动态比较器的控制端接控制信号Vlatch；两输入与非门的另一个输入端接控制信号Vsel；M4和M6的栅极都接时钟信号Vrs1；M5的栅极接时钟信号Vrs2；时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2是一对反时钟信号。

上述单元电路结构中：

积分控制单元通过改变注入管M1的栅极电压来控制积分的开始和结束。注入管M1的栅极电位在一个高电位和一个较低电位之间转变，当注入管M1的栅极电位从高电位变化到较低电位时代表读出电路积分的开始；当注入管M1的栅极电位从较低电位变化到高电位时代表读出电路积分的结束。当注入管M1的栅极电位为高电位时，注入管M1处于截止状态；当注入管M1的栅极电位为较低电位时，注入管M1工作于亚阈值区，能够稳定探测器偏置电压。

复位控制单元的作用是将积分电容复位，当复位开关管M2导通时，积分电容C1和C2上的电压被复位到地电平。

积分电容自选单元通过开关管M3导通或关断来选择单元电路的积分电容的大小。当开关管M3导通时，单元电路的积分电容由积分电容C1和积分电容C2并联构成；当开关管M3关断时，单元电路的积分电容只由积分电容C1构成。积分电容C1和积分电容C2的大小被设定为1:N，N为正数。

积分电容自选控制信号产生单元通过在整个积分时间的1/(N+1)处将积分电压与参考电压Vcom相比较产生控制开关管M3的信号来最终选择的积分电容大小。与此同时，与非门的输出信号作为标志信号，供单元结构以外的电路利用来保持输出积分电压信号与光电流的线性关系。

传输单元的作用是进行行选择的控制，当一对反时钟信号控制传输单元中的三个开关管都导通时，存储在积分电容上的积分电压信号通过开关管M4被传输到后一级信号处理电路中，标志信号通过开关管M5和开关管M6组成的传输门被传输到后一级信号处理电路中；当一对反时钟信号控制传输单元中的三个开关管都关断时，积分电压信号和标志信号都保持在单元电路中。

本发明的优点及显著效果：

(1)本发明单元电路结构通过在积分过程中对积分电容进行自动选择，在小的光电流情况下采用小的积分电容，在大的光电流情况下采用大的积分电容。一方面减小了光电流为零的情况下的噪声等效电荷，另一方面增加了读出电路的最大电荷存储容量，从而总体上提高了动态范围。

(2)本发明单元电路结构中产生的标志信号可作为给单元结构外电路的一个判定信号，用来消除自动选择积分电容方式所带来的非线性影响，在提高动态范围的同时改善了读出电路在整个输出摆幅范围内的非线性。

(3)本发明单元电路结构通过在小的光电流下利用小积分电容进行积分，降低了读出电路噪声，进而提高了小的光电流下的信噪比。

附图说明

图1为本发明的单元电路原理图；

图2为本发明单元电路结构工作过程的控制信号和时钟信号。

具体实施方式

参看图1，本发明的单元电路结构包括五个部分组成，分别是积分控制单元1、复位控制单元2、积分电容自选单元3、自选积分电容控制信号产生单元4以及传输单元5。其中，积分控制单元1含有P型MOS管M1，构成注入管；复位控制单元2含有P型MOS管M2，构成复位开关；积分电容自选单元3含有积分电容C1、积分电容C2和作为选择开关管的N型MOS管M3；自选积分电容控制信号4产生单元含有一个动态比较器和一个两输入与非门；传输单元5含有两个N型MOS管M4和M6，以及一个P型MOS管M5，它们均作为开关管，M5和M6构成一个传输门。

电路连接关系如下：P型MOS管M1的源极与红外探测器的输出端相连于第一节点A1；P型MOS管M1的漏极，M2、M3两个N型MOS管的漏极，N型MOS管M4的漏极(或源极)，积分电容C1的一端以及动态比较器的负输入端相互连接于第二节点A2；动态比较器的正输入端接参考电平Vcom；N型MOS管的源极、积分电容C1的另一端以及积分电容C2的一端相互连接于第三节点A3，第三节点A3与地相连；N型MOS管的漏极与积分电容C2的另一端相连于第四节点A4；动态比较器的输出端与两输入与非门的一个输入端相连于第五节点A5；N型MOS管M3的栅极、两输入与非门的输出端、P型MOS管M5的漏极(或源极)以及N型MOS管M6的漏极(或源极)相互连接于第六节点A6；N型MOS管M4的源极(或漏极)与后续列读出级中用于接收单元积分信号的电路的输入端相互连接于第七节点A7；P型MOS管M5的源极(或漏极)、N型MOS管M6的源极(或漏极)以及后续列读出级中用于接收标志信号的电路的输入端相互连接于第八节点A8；P型MOS管M1的栅极接积分控制信号Vint；N型MOS管M2的栅极接复位控制信号Vrst；动态比较器的控制端接控制信号Vlatch；两输入与非门的另一个输入端接控制信号Vsel；M4和M6两个N型MOS管的栅极都接时钟信号Vrs1；P型MOS管M5的栅极接时钟信号Vrs2；时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2是一对反时钟信号。

图1中的所有控制信号和时钟信号如图2所示。本发明的读出电路单元结构的工作过程如下：

(1)复位开关管M2在时钟信号Vrst的作用下导通，比较器在Vlatch的作用下输出为高，开关管M3在Vsel控制信号的作用下导通，积分电容C1和积分电容C2同时复位。

(2)在充足的复位时间后，比较器输出仍为高，开关管M3在Vsel控制信号的作用下断开，积分电容C2不再进行复位而是保持开关管M3断开时刻的复位电平，积分电容C1则继续复位一段时间。优点是小电容能降低复位噪声所带来的等效噪声电荷。

(3)复位开关管M2在时钟信号Vrst的作用下断开，注入管M1在控制信号Vint的作用下由截止状态转变到亚阈值状态，开始对探测器产生的光电流信号进行积分。

(4)在总积分时间的1/(N+1)处，比较器在Vlatch的作用下对积分电压和参考电平Vcom进行一次比较，如果积分电压小于参考电平Vcom，比较器输出为高，与非门输出端为低，开关管M3仍断开，最终的积分电容大小为积分电容C1的值。如果积分电压大于参考电平Vcom，比较器输出为低，使得与非门输出为高，开关管M3导通，最终的积分电容大小为积分电容C2和积分电容C1的值之和。在此之前的积分电荷重新分配在积分电容C1和积分电容C2上，之后的光电流同时在积分电容C1和积分电容C2上进行积分。

(5)注入管M1在控制信号Vint的作用下由亚阈值状态转变到截止状态，积分过程结束等待。

(6)在时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2的作用下，开关管M4，开关管M5和开关管M6导通，存储在积分电容上的积分电压信号通过开关管M4被传输到后一级信号处理电路中，与非门输出端的标志信号通过开关管M5和开关管M6组成的传输门被传输到后一级信号处理电路中。

(7)在时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2的作用下，开关管M4，开关管M5和开关管M6断开，此单元电路信号传输完毕。

复位开关管M2在时钟信号Vrst的作用下再一次导通，重复(1)～(7)的过程，这样完成电路周而复始的工作。

当单元结构应用于大规模红外探测器阵列时，由于在同一积分时间内各个单元所选择的积分电容会不同，当两个单元选择不同的积分电容，但产生相同的积分电压时，两个积分电压所代表的光电流大小实际上是不同的，这样就会造成积分电压信号与光电流大小不是线性关系。作为标志信号的与非门输出端信号可以用来在单元结构外的电路中将积分电压信号还原成与光电流呈线性关系的有效信号。其具体方法如下：当标志信号为低时，代表所用的积分电容为积分电容C1，所对应的积分电压信号保持不变；当标志信号为高时，代表所用的积分电容为积分电容C1和积分电容C2，所对应的积分电压信号在后续处理中放大(N+1)倍。这样就能保持积分电压信号与光电流的线性关系。

Claims

1、一种线性高动态范围红外读出电路，包括单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路，其特征是：单元电路设有积分控制单元、复位控制单元、积分电容自选单元、自选积分电容控制信号产生单元以及传输单元，其中，积分控制单元含有P型MOS管M1，构成注入管；复位控制单元含有P型MOS管M2，构成复位开关；积分电容自选单元含有两个积分电容C1、C2和作为选择开关管的N型MOS管M3；自选积分电容控制信号产生单元含有一个动态比较器和一个两输入与非门；传输单元含有两个N型MOS管M4和M6，以及一个P型MOS管M5，它们均作为开关管，M5和M6构成一个传输门；其中：

2、根据权利要求1所述的线性高动态范围红外读出电路，其特征是：单元电路中的连接关系如下：M1的源极与红外探测器的输出端相连接；M1、M2、M3、M4的漏极与积分电容C1的一端以及动态比较器的负输入端相互连接；动态比较器的正输入端接参考电平Vcom M2源极与积分电容C1的另一端以及积分电容C2的一端接地连接；积分电容C2的另一端连接在M3的漏极上；动态比较器的输出端与两输入与非门的一个输入端连接；M3的栅极与两输入与非门的输出端以及M5、M6的漏极相互连接；M4的源极与后续列读出级中用于接收单元积分信号的电路的输入端连接；M5、M6的源极以及后续列读出级中用于接收标志信号的电路的输入端连接；M1的栅极接积分控制信号Vint；M2的栅极接复位控制信号Vrst；动态比较器的控制端接控制信号Vlatch；两输入与非门的另一个输入端接控制信号Vsel；M4和M6的栅极都接时钟信号Vrs1；M5的栅极接时钟信号Vrs2；时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2是一对反时钟信号。

3、根据权利要求1所述的线性高动态范围红外读出电路，其特征是：单元电路中的连接关系还可是：M1的源极与红外探测器的输出端相连接；M1、M2、M3的漏极、M4的源极与积分电容C1的一端以及动态比较器的负输入端相互连接；动态比较器的正输入端接参考电平Vcom；M2源极与积分电容C1的另一端以及积分电容C2的一端接地连接；积分电容C2的另一端连接在M3的漏极上；动态比较器的输出端与两输入与非门的一个输入端连接；M3的栅极与两输入与非门的输出端以及M5、M6的源极相互连接；M4的漏极与后续列读出级中用于接收单元积分信号的电路的输入端连接；M5、M6的漏极以及后续列读出级中用于接收标志信号的电路的输入端连接；M1的栅极接积分控制信号Vint；M2的栅极接复位控制信号Vrst；动态比较器的控制端接控制信号Vlatch；两输入与非门的另一个输入端接控制信号Vsel；M4和M6的栅极都接时钟信号Vrs1；M5的栅极接时钟信号Vrs2；时钟信号Vrs1和时钟信号Vrs2是一对反时钟信号。