CN101582978B

CN101582978B - 一种红外读出电路的背景抑制方法及其电路

Info

Publication number: CN101582978B
Application number: CN2009100333244A
Authority: CN
Inventors: 孙伟锋; 夏晓娟; 周杨帆; 谢亮; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Haian Su Fu Technology Transfer Center Co ltd; Southeast University
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: CN101582978A

Abstract

一种红外读出电路的背景抑制方法及其电路，设有负电荷包产生器、探测器、注入电路、采样保持电路及缓冲器，负电荷包产生器的输出端与注入电路的一个输入端连接；探测器的输出端与注入电路的另一个输入端连接，注入电路的输出端与采样保持电路的输入端连接，采样保持电路的输出端与缓冲器的输入端连接，缓冲器的输出端接后续信号处理电路。本发明采用负电荷包产生器分阶段提供多个负电荷包来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，不需要现有技术的背景电流存储器产生背景减去电流来实现背景抑制，具有极低的背景抑制非均匀性，并且不引入额外的噪声和功耗。

Description

一种红外读出电路的背景抑制方法及其电路

技术领域

本发明涉及红外成像系统中的读出电路，尤其是一种红外读出电路的背景抑制方法及其电路，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，波长在770nm至1mm之间，在光谱上位于红色光外侧。由于红外辐射在大气中传播时，会受到大气各种成分的吸收和散射，从而引起辐射功率的逐渐衰减，红外光子探测器主要工作于1-3μm、3-5μm、8-13μm三个波段，分别称为近红外波段、中红外波段、远红外波段。在红外成像应用中根据探测目标背景辐射的光子密度，有低背景和高背景之分，通常光子密度高于10¹³/cm²·s的背景称为高背景。在许多红外系统的成像条件下，目标与背景辐射的对比度相当低，比如在室温(300K)背景中探测温度变化为0.1K的目标。上述三个红外波段在室温(300K)背景下光谱辐射光子密度分别约10¹²/cm²·s、10¹⁶/cm²·s、10¹⁷/cm²·s，对比度分别约为10％、3％、1％。对比度定义为背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。由此可以看出，随着红外波长的增大，背景辐射越来越高，对比度越来越小。传统的读出电路都是对背景电流和信号电流一起积分，所以在大背景电流下为保证足够的积分时间来探测出隐藏在高背景下的微弱信号，必须具有极大的积分电容。但是像素单元面积有限，读出电路中只可能包含较小的积分电容，大背景电流会很快使其饱和，积分时间受限。此外，即使不考虑像素单元面积，将大积分电容集成在读出电路中，也会引入非常高的噪声。在电路的积分过程中对背景电流进行抑制，只对信号电流积分，是一个解决以上问题的好方法。它可以在用小积分电容积分的同时延长积分时间，这样可以提高系统的信噪比、动态范围及灵敏度。

目前国内外基本都采用电流模式背景抑制方法，中国专利(CN2754070Y)提出了一种电流存储器背景抑制技术，其背景抑制过程分为两步：第一步校准，把红外焦平面探测器对准等效背景，背景电流存储器复制背景电流；第二步积分读出，探测器正常观测，在减去背景电流存储器所复制的背景电流后只对信号电流进行积分，实现背景抑制。此后利用模数和数模转换器及非易失性存储器自动刷新背景电流存储器，这样就能保证背景电流存储器中电容土的电压不会衰减，持续地保持背景抑制的效果，提高红外成像系统的工作速度和可靠性。但是，在刷新背景电流存储器后，各像素单元背景电流存储器中的电流记忆管栅压与校准阶段记录的栅压会存在偏差，而且电流记忆管工作于亚阈值区，记忆的电流与栅压呈指数关系，这导致了各背景电流存储器产生的背景减去电流与实际需要的背景减去电流不一致，使得红外焦平面阵列具有较大的背景抑制非均匀性。背景抑制非均匀性指的是背景电流相同时单元之间背景抑制量的不一致性。此外，背景电流存储器产生的背景减去电流会引入额外的散粒噪声，模数和数模转换器及非易失性存储器自身的噪声也会被传送给像素单元，降低了红外成像系统的信噪比。同时，背景电流存储器、模数和数模转换器及非易失性存储器还增加了读出电路的功耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决红外读出电路现有背景抑制技术的背景抑制非均匀性高及引入额外噪声、功耗的问题，提供一种红外读出电路的背景抑制方法及其电路，具有低的背景抑制非均匀性、低噪声、低功耗。

为实现以上目的，本发明采用负电荷包产生器分阶段提供多个负电荷包来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，不需要背景减去电流电路(如上述背景电流存储器)产生背景减去电流来实现背景抑制，具有极低的背景抑制非均匀性，并且不引入额外的噪声和功耗。其技术方案如下：

一种红外读出电路的背景抑制方法，其特征在于：设置包括开关管和开关电容构成负电荷包产生器，通过控制信号控制开关管导通与关断，改变开关电容存储的电荷量，向积分电容提供背景抑制所需的负电荷包，其电荷极性与背景电流累积在积分电容上的电荷极性相反，用以减去背景电流在积分电容上累积的电荷。

根据上述方法设计的背景抑制电路，设有负电荷包产生器、探测器、注入电路、采样保持电路及缓冲器，负电荷包产生器的输入端接输入电压V_B；负电荷包产生器的输出端与注入电路的一个输入端连接；探测器的输出端与注入电路的另一个输入端连接，注入电路的输出端与采样保持电路的输入端连接，采样保持电路的输出端与缓冲器的输入端连接，缓冲器的输出端接后续信号处理电路；其中：

负电荷包产生器含有4个P型MOS开关管M1、M2、M3、M4以及开关电容C_S，通过设置两个时钟信号Φ₁、Φ₂分别控制4个P型MOS开关管M1、M2、M3、M4的导通与关断，改变C_S上存储的电荷量，提供背景抑制所需的负电荷包，其电荷极性与背景电流累积在积分电容上的电荷极性相反；设置输入电压V_B及参考电压V_REF，调节输入电压V_B确定负电荷包产生器所提供的负电荷包的大小；参考电压V_REF一经设定，即保持不变；负电荷包产生器每次提供一个负电荷包，分多次消除背景电流积累在积分电容上的电荷，实现背景抑制。负电荷包产生器每次所提供的负电荷包电量精确可控，可以通过调节负电荷包的大小及数量来满足对不同大小背景电流抑制的需求。负电荷包产生器不需要背景减去电流电路，克服了电流模式背景抑制方法背景减去电流易受工艺影响的缺点，消除了由背景减去电流电路所引入的额外噪声及功耗。

探测器含有一个高性能的红外探测器，将红外辐射信号转换成电流信号。可采用不同类型的红外探测器，如QWIP探测器、HgCdTe探测器、PST探测器等。

注入电路具有积分功能，能接收负电荷包产生器产生的负电荷包，可以为探测器提供稳定的偏压，具有极高的注入效率，并能对积分电容进行复位操作。它含有P型MOS管M5及运算放大器和积分电容C_INT，P型MOS M5管作为复位开关管，在复位信号的控制下对积分电容C_INT进行复位；运算放大器与积分电容C_INT构成CTIA注入电路为探测器提供稳定的偏置电压，偏置电压V_bias等于负电荷包产生器的参考电压V_REF

采样保持电路的功能是对注入电路输出端输出的积分电压信号进行采样保持。利用采样保持电路对积分电压的采样保持功能可实现读出电路的边积分边读出和先积分后读出两种读出模式。它含有P型MOS管M6及采样保持电容C_SH，P型MOS管M6构成一个采样保持开关，在采样保持信号Φ_SH控制下将积分电压信号采样保持到采样保持电容C_SH上，对注入电路输出端输出的积分电压信号进行采样保持；

缓冲器不仅可以实现采样保持电路所采样保持的积分电压信号与后续信号处理电路的隔离，提供足够的驱动能力以驱动后续信号处理电路，而且还能进行行选操作，将积分电压信号传送到后续信号处理电路。缓冲器含有N型MOS管M7、N型MOS管M8和电流源I_b，N型MOS管M8构成行选开关，在行选信号Φ_RSEL的控制下读出积分电压信号；N型MOS管M8导通时，N型MOS管M7、N型MOS管M8与电流源I_b构成源跟随器，电流源I_b为同一列的所有像素单元共有。

上述电路的具体连接关系是：

P型MOS管M1的源极与参考电压V_B相互连接；P型MOS管M1的漏极、P型MOS管M3的源极与开关电容C_S的一端相互连接；P型MOS管M2、M4的源极，开关电容C_S的另一端相互连接；P型MOS管M3、M4的漏极与参考电压V_REF相互连接；P型MOS管M2的漏极、P型MOS管M5的源极、运算放大器的负输入端，红外探测器的一端与积分电容C_INT的一端相互连接，注入电路的两个输入端同为运算放大器的负输入端；红外探测器的另一端与固定偏置V_R相互连接；运算放大器的正输入端与偏置电压V_bias相互连接；P型MOS管M5的漏极、P型MOS管M6的源极、运算放大器的输出端与积分电容C_INT的另一端相互连接；P型MOS管M6的漏极、N型MOS管M7的栅极与采样保持电容C_SH的一端相互连接；采样保持电容C_SH的另一端接地；N型MOS管M7的漏极与电源连接；N型MOS管M7的源极与N型MOS管M8的漏极相互连接；N型MOS管M8的源极、电流源I_b的一端与后续信号处理电路中用于接收缓冲器输出信号的电路的输入端相互连接；电流源I_b的另一端接地；P型MOS管M3、M4的栅极都连接时钟信号Φ₁；P型MOS管M1、M2的栅极都连接时钟信号Φ₂；P型MOS管M5的栅极连接复位控制信号Φ_RST；P型MOS管M6的栅极连接采样保持控制信号Φ_SH；N型MOS管M8的栅极连接行选控制信号Φ_RSEL。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及显著效果：

(1)本发明能有效地延长积分时间，提高红外成像系统探测微弱信号的能力，改善动态范围、信噪比及灵敏度。

(2)本发明利用负电荷包产生器每次提供一个电荷极性与背景电流累积在积分电容上的电荷极性相反的负电荷包，分多次消除背景电流积累在积分电容上的电荷，实现背景抑制，不易受工艺影响，具有极低的背景抑制非均匀性。

(3)本发明的负电荷包产生器每次所提供的负电荷包电量精确可控，可以通过调节负电荷包的大小及数量来满足对不同大小背景电流抑制的需求。该方法适用于任意大小的背景电流。

(4)本发明不需要背景减去电流电路，消除了由背景减去电流电路所引入的额外噪声及功耗。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的一个具体实现电路图；

图3为图2电路的控制时序图。

具体实施方式

参看图1、2，本发明设有负电荷包产生器1、探测器2、注入电路3、采样保持电路4、缓冲器5。负电荷包产生器1含有4个P型MOS管M1、M2、M3、M4(它们均作开关管)和开关电容C_S。其中，通过时钟信号Φ₁、Φ₂控制M1、M2、M3、M4的导通与关断，改变C_S上存储的电荷量，以提供背景抑制所需的负电荷包；参考电压V_B可调，通过调节参考电压V_B能确定负电荷包产生器1所提供的负电荷包的大小；参考电压V_REF一经设定，即保持不变。探测器2含有一个高性能的红外探测器，将红外辐射信号转换成电流信号。注入电路3含有P型MOS管M5，运算放大器，积分电容C_INT。其中，P型MOS管M5作为复位开关管，在复位信号Φ_RST的控制下对积分电容C_INT进行复位；运算放大器、积分电容C_INT，构成CTIA注入电路为探测器提供稳定的偏压，具有极高的注入效率；偏置电压V_bias等于负电荷包产生器1的参考电压V_REF。采样保持电路4含有P型MOS管M6，采样保持电容C_SH。其中，P型MOS管M6构成一个采样保持开关，在采样保持信号Φ_SH控制下将积分电压信号采样保持到采样保持电容C_SH上。缓冲器5含有N型MOS管M7，N型MOS管M8，电流源I_b。其中，N型MOS管M8构成行选开关，在信号Φ_RSEL的控制下读出积分电压信号；N型MOS管M8导通时，N型MOS管M7、N型MOS管M8、电流源I_b构成源跟随器，电流源I_b为同一列的所有像素单元共有。

电路的连接关系如下：P型MOS管M1的源极与参考电压V_B相互连接于第一节点A1；P型MOS管M1的漏极，P型MOS管M3的源极，开关电容C_S的一端相互连接于第二节点A2；P型MOS管M2、M4的源极，开关电容C_S的另一端相互连接于第三节点A3；P型MOS管M3、M4的漏极，参考电压V_REF相互连接于第四节点A4；P型MOS管M2的漏极，P型MOS管M5的源极，运算放大器的负输入端，红外探测器的一端，积分电容C_INT的一端相互连接于第五节点A5，这里注入电路3的两个输入端同为运算放大器的负输入端；红外探测器的另一端与固定偏置V_R相互连接于第六节点A6；运算放大器的正输入端与偏置电压V_bias相互连接于第七节点A7；P型MOS管M5的漏极，P型MOS管M6的源极，放大器的输出端，积分电容C_INT的另一端相互连接于第八节点A8；P型MOS管M6的漏极，N型MOS管M7的栅极，采样保持电容C_SH的一端相互连接于第九节点A9；采样保持电容C_SH的另一端与地相互连接于第十节点A10；N型MOS管M7的漏极与电源相互连接于第十一节点A11；N型MOS管M7的源极与N型MOS管M8的漏极相互连接于第十二节点A12；N型MOS管M8的源极，电流源I_b的一端，后续信号处理电路中用于接收缓冲器输出信号的电路的输入端，相互连接于第十三节点A13；电流源I_b的另一端与地相互连接于第十四节点A14；P型MOS管M3、M4的栅极都接时钟信号Φ₁；P型MOS管M1、M2的栅极都接时钟信号Φ₂；P型MOS管M5的栅极接复位控制信号Φ_RST；P型MOS管M6的栅极接采样保持控制信号Φ_SH；N型MOS管M8的栅极接行选控制信号Φ_RSEL。

图2所示电路的所有控制信号和时钟信号工作过程如图3所示，图3中：

标号(1)，该阶段处于复位时期，复位开关管M5在复位控制信号Φ_RST的控制下导通，开关管M3、M4在时钟信号Φ₁的作用下导通，开关管M1、M2在时钟信号Φ₂的作用下关断，采样保持开关管M6在采样保持控制信号Φ_SH的作用下关断，行选开关管M8在行选信号Φ_RSEL的作用下关断，积分电容C_INT处于复位状态，开关电容C_S的两端同时都接参考电压V_REF。在此阶段，可以调节参考电平V_B，以改变负电荷包产生器提供的负电荷包的大小。

标号(2)，在充足的复位时间后，复位开关管M5在复位控制信号Φ_RST的控制下关断，电路开始积分。开关管M3、M4在时钟信号Φ₁的作用下导通，开关管M1、M2在时钟信号Φ₂的作用下关断，采样保持开关管M6在采样保持控制信号Φ_SH的作用下关断，行选开关管M8在行选信号Φ_RSEL的作用下关断。开关电容C_S的两端同时都接参考电压V_REF，开关电容C_S的两端电压差值为V_Cs＝0。

在电路开始积分后，负电荷包产生器1与由运算放大器、积分电容C_INT组成的CTIA注入电路构成了一个反相开关电容积分器，开关电容C_S和积分电容C_INT的大小被设定为1:m，参考电压V_REF、偏置电压V_bias与参考电压V_B满足V_bias＝V_REF＞V_B。

标号(3)，在此阶段时钟信号Φ₁、Φ₂近似为一对两相非交叠时钟信号，它们的周期为T₂。时钟信号Φ₁第一次跳变为高电平，开关管M3、M4关断，负电荷包产生器1与CTIA注入电路构成的反相开关电容积分器开始工作；接着，时钟信号Φ₂第一次跳变为低电平，开关管M1、M2导通，在时钟信号Φ₂的下降沿开关电容C_S两端的电压差从V_Cs＝0跳变为V_Cs＝V_REF-V_B，由于第五节点A5电荷守恒，开关电容C_S右极板与积分电容C_INT左极板的电荷变化量相等极性相反，开关电容C_S上的电荷改变量被传送到积分电容C_INT上，使放大器的输出电压V_O升高，升高的电压值ΔV_O＝[(V_REF-V_B)·C_S]/C_INT＝(V_REF-V_B)/m，从积分开始到时钟信号Φ₁的第一个上升沿之间的时间为T₁；然后，经过一段时间后，时钟信号Φ₂跳变为高电平，开关管M1、M2关断；跟着，时钟信号Φ₁跳变为低电平，开关管M3、M4导通，开关电容C_S的两端同时都接参考电压V_REF，再次使得V_Cs＝0，并保持到时钟信号Φ₁的第二个上升沿；时钟信号Φ₁的第二个上升沿既标志着负电荷包产生器1与CTIA注入电路构成的反相开关电容积分器第一个工作周期的结束，又标志着第二个工作周期的开始。此后，在时钟信号Φ₁、Φ₂的作用下负电荷包产生器1与CTIA注入电路构成的反相开关电容积分器重复工作，时钟信号Φ₂的每个下降沿，负电荷包产生器1都会给积分电容C_INT输送一个负电荷包，使得放大器的输出电压V_O每次都升高(V_REF-V_B)/m。在负电荷包产生器1与CTIA注入电路构成的反相开关电容积分器的第N个工作周期中，时钟信号Φ₁跳变为低电平后的积分时间内时钟信号Φ₁、Φ₂保持不变，开关电容C_S两端都接参考电压V_REF，V_Cs保持为0，反相开关电容积分器停止工作。在此阶段，使负电荷包产生器1提供的负电荷总量等于背景电流在整个积分时间内累积在积分电容C_INT上的电荷量，即能实现背景抑制。

标号(4)，采样保持阶段，采样保持开关管M6在采样保持控制信号Φ_SH的作用下导通，采样保持电路对放大器的输出电压V_O进行采样。在Φ_SH的上升沿采样过程结束，放大器的输出电压V_O被保持在采样保持电容C_SH上，这也意味着积分过程的结束。时钟信号Φ₁的第N次上升沿(也是积分过程中Φ₁的最后一次上升沿)与Φ_SH的上升沿之间的时间为T₃，整个积分时间T_INT＝T₁+(N-1)×T₂+T₃。

标号(5)，在积分过程结束后，复位开关管M5在复位控制信号Φ_RST的控制下导通，对积分电容进行复位。然后，行选开关管M8在行选信号Φ_RSEL的作用下导通，存储在采样保持电容C_SH上的积分电压信号，被传送到后续信号处理电路。接着行选开关管M8在行选信号Φ_RSEL的作用下关断，积分电压信号传输完毕，实现了先积分后读出功能。

重复标号(1)～(5)的过程，这样完成电路周而复始的工作。

Claims

1.一种红外读出电路的背景抑制方法，其特征在于：设置包括开关管和开关电容构成负电荷包产生器，通过控制信号控制开关管导通与关断，改变开关电容存储的电荷量，向积分电容提供背景抑制所需的负电荷包，其电荷极性与背景电流累积在积分电容上的电荷极性相反，用以减去背景电流在积分电容上累积的电荷；

实现上述方法的背景抑制电路设有负电荷包产生器、探测器、注入电路、采样保持电路及缓冲器，负电荷包产生器的输入端接输入电压，负电荷包产生器的输出端与注入电路的一个输入端连接；探测器的输出端与注入电路的另一个输入端连接，注入电路的输出端与采样保持电路的输入端连接，采样保持电路的输出端与缓冲器的输入端连接，缓冲器的输出端接后续信号处理电路；其中：

负电荷包产生器含有4个P型MOS开关管M1、M2、M3、M4以及开关电容C_S，设置两个时钟信号Φ₁、Φ₂分别控制4个P型MOS开关管M1、M2、M3、M4的导通与关断；设置参考电压V_REF，调节负电荷包产生器输入电压V_B，确定负电荷包产生器所提供的负电荷包的大小；

探测器含有一个高性能的红外探测器，将红外辐射信号转换成电流信号；

注入电路含有P型MOS管M5及运算放大器和积分电容C_INT，P型MOS管M5作为复位开关管，在复位信号的控制下对积分电容C_INT进行复位；运算放大器与积分电容C_INT构成CTIA注入电路为探测器提供稳定的偏置电压，偏置电压V_bias等于负电荷包产生器的参考电压V_REF

采样保持电路含有P型MOS管M6及采样保持电容C_SH，P型MOS管M6构成一个采样保持开关，在采样保持信号Φ_SH控制下将积分电压信号采样保持到采样保持电容C_SH上，对注入电路输出端输出的积分电压信号进行采样保持，实现读出电路的边积分边读出和先积分后读出两种读出模式；

缓冲器含有N型MOS管M7、N型MOS管M8和电流源I_b，N型MOS管M8构成行选开关，在行选控制信号Φ_RSEL的控制下读出积分电压信号；N型MOS管M8导通时，N型MOS管M7、N型MOS管M8与电流源I_b构成源跟随器，电流源I_b为同一列的所有像素单元共有；以实现采样保持电路所采样保持的积分电压信号与后续信号处理电路的隔离，提供足够的驱动能力以驱动后续信号处理电路，进行行选操作，将积分电压信号传送到后续信号处理电路；

背景抑制电路按以下连接：

P型MOS管M1的源极与负电荷包产生器输入电压V_B相互连接；P型MOS管M1的漏极、P型MOS管M3的源极与开关电容C_S的一端相互连接；P型MOS管M2、M4的源极，开关电容C_S的另一端相互连接；P型MOS管M3、M4的漏极与参考电压V_REF相互连接；P型MOS管M2的漏极、P型MOS管M5的源极、运算放大器的负输入端，红外探测器的一端与积分电容C_INT的一端相互连接，注入电路的两个输入端同为运算放大器的负输入端；红外探测器的另一端与固定偏置V_R相互连接；运算放大器的正输入端与偏置电压V_bias相互连接；P型MOS管M5的漏极、P型MOS管M6的源极、运算放大器的输出端与积分电容C_INT的另一端相互连接；P型MOS管M6的漏极、N型MOS管M7的栅极与采样保持电容C_SH的一端相互连接；采样保持电容C_SH的另一端接地；N型MOS管M7的漏极与电源连接；N型MOS管M7的源极与N型MOS管M8的漏极相互连接；N型MOS管M8的源极、电流源I_b的一端与后续信号处理电路中用于接收缓冲器输出信号的电路的输入端相互连接；电流源I_b的另一端接地；P型MOS管M3、M4的栅极都连接时钟信号Φ₁；P型MOS管M1、M2的栅极都连接时钟信号Φ₂；P型MOS管M5的栅极连接复位控制信号Φ_RST；P型MOS管M6的栅极连接采样保持控制信号Φ_SH；N型MOS管M8的栅极连接行选控制信号Φ_RSEL。