CN101634593B

CN101634593B - 分阶段背景抑制红外焦平面单元电路

Info

Publication number: CN101634593B
Application number: CN2009101847993A
Authority: CN
Inventors: 夏晓娟; 周杨帆; 谢亮; 刘思超; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: JIANGSU JIAYUAN ALUMINUM CO Ltd
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101634593A

Abstract

一种分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，其特征在于：设有包括注入电路、积分电容电路、背景减去电流电路及行选控制电路，红外探测器的输出端接注入电路的输入端；注入电路的输出端接积分电容电路的输入端；积分电容电路的输出端以及背景减去电流电路的输出端与行选控制电路的输入端相互连接，行选控制电路的输出端接后续信号处理电路，背景减去电流电路的第一输入端、第二输入端分别接偏置电压V_B1、偏置V_B2；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，以实现背景抑制。

Description

分阶段背景抑制红外焦平面单元电路

技术领域

本发明涉及红外成像系统中的读出电路，尤其是一种分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外成像技术又称热成像技术，就是利用任何绝对零度以上的物体都发射红外线这一特性，将不可见的红外辐射转换成可见图像的技术。红外成像装置借助于对红外辐射敏感的探测器(即红外探测器)把景物的自身辐射差(热图像)转换为可见光图像，从而把人的视觉范围扩展到红外波段。目前，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现代红外成像技术中的关键器件，它包括红外探测器和红外焦平面读出电路两部分。读出电路的主要功能是对红外探测器输出的信号进行转换、放大以及传输，同时为红外探测器提供所需的各种低噪声偏置电压。单元电路是整个读出电路最重要的组成部分，它的性能好坏直接决定了整个读出电路的性能。

红外探测器中不可避免的都会存在背景信号，其强弱由探测器材料、探测器类型、探测器自身温度、环境温度等因素决定。对于红外探测器阵列来讲，背景信号造成的影响更加严重。与背景信号强度相比，红外信号很弱，通常只有背景信号强度的百分之一到十分之一，在高背景情况下会更小。传统读出电路的单元电路对背景电流和信号电流一起积分，由于受到像素面积的限制，它只能具有较小的积分电容。在高背景条件下，大背景电流会迅速地使积分电容饱和，从而不能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。此外，背景电流还会产生严重的散粒噪声，降低红外焦平面阵列的信噪比、动态范围和线性度。所以，有必要在积分节点之前，对红外探测器的输出信号中的背景成分进行有效地抑制，改善红外焦平面阵列的性能。

目前，连续背景抑制技术被广泛应用于红外焦平面阵列中，其原理是在积分过程中背景减去电流电路不关断，连续导通，背景减去电流等于背景电流，背景电流流入背景减去电流电路，而不通过积分电容，从而实现背景抑制。图1为具有连续背景抑制功能的单元电路，在电路的积分过程中，背景减去电流电路连续导通，调节偏置电压V_B使得背景减去电流I_sub等于背景电流I_back，背景电流I_back流入背景减去电流电路，只剩信号电流I_s对积分电容积分，实现背景抑制。具有连续背景抑制功能的直接注入单元电路的缺点在于其背景减去电流必须等于背景电流，取值非常小，这样晶体管M₁只能工作在亚阈值区，背景减去电流与阈值电压成指数关系，受工艺偏差的影响，各单元电路间减去电流存在较大的变化，背景抑制量不一致，具有较大的背景抑制非均匀性。另外，受沟道长度调制效应的影响，背景减去电流I_sub会随积分电压V_INT的改变而变化，这不仅使得单元电路线性度差，而且进一步增大了单元电路间的背景抑制非均匀性。

发明内容

本发明的目的是为了解决红外读出电路中现有单元电路间的背景抑制非均匀性高的问题，提供一种分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，以有效地降低单元电路间的背景抑制非均匀性；该单元电路利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，以实现背景抑制。该单元电路线性度高，单元电路间背景抑制非均匀性低，并且电路结构简单易于实现，只占用很小的单元电路面积，适合于大规模红外焦平面阵列。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，其特征在于：设有包括注入电路、积分电容电路、背景减去电流电路及行选控制电路，注入电路的输入端与红外探测器的输出端连接，注入电路的输出端接积分电容电路的输入端；积分电容电路的输出端以及背景减去电流电路的输出端与行选控制电路的输入端相互连接，行选控制电路的输出端接后续信号处理电路，背景减去电流电路的第一输入端、第二输入端分别接偏置电压V_B1、偏置V_B2；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，以实现背景抑制。

注入电路设有构成注入管的P型MOS管M_INT，通过改变注入管M_INT的栅极电压来控制积分的开始和结束，注入管M_INT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M_INT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M_INT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M_INT的栅极电位为高电位时，注入管M_INT处于截止状态；当注入管M_INT的栅极电位为较低电位时，注入管M_INT工作于亚阈值区，以稳定探测器偏置电压；

积分电容电路具有积分功能，并可以对积分电容进行复位操作，设有作为复位开关的N型MOS管M_RST和积分电容C_INT，N型MOS管M_RST的漏极与积分电容C_INT的一端相接，N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及参考电压V_R相互连接，当复位开关管M_RST导通时，积分电容C_INT复位，它两端的电压均为V_R；

背景减去电流电路设有N型MOS管M₁，作为开关管的N型MOS管M₂以及N型MOS管M₃，N型MOS管M₁的源极与N型MOS管M₂的漏极相连；N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相连；N型MOS管M₃的源极接地；N型MOS管M₁的栅极接偏置电压V_B1；N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号V_P；N型MOS管M₃的栅极接偏置V_B2；背景减去电流电路在积分时间内受背景减去电流电路开启信号V_P的控制分阶段导通，每次导通都会从积分电容电路减去一个电荷包，分多次消除背景电流累积在积分电容上的电荷，实现背景抑制；背景减去电流电路每次导通时从积分电容电路减去的电荷包的大小由导通时间和背景减去电流决定，可以通过调节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；由于背景减去电流电路在积分时间内是分阶段导通的，所以它导通时产生的背景减去电流可以取得远大于背景电流，而不必等于背景电流，背景减去电流电路每次导通时偏置电压V_B1及偏置V_B2驱动N型MOS管M₁、M₃工作在强反型区，这就使得背景减去电流不易受到工艺(尤其是阈值电压)和电源噪声的影响。此外，当N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成级联结构，背景减去电流基本不受积分电压V_INT的影响，其大小不随积分电压V_INT的变化而改变，保证了单元电路具有良好的线性度，并提高了背景抑制的精确度。

行选控制电路设有构成行选开关管的N型MOS管M_RSEL；行选控制电路的目的是进行行选控制，使积分电容电路的输出端与后续信号处理电路之间形成通路，将积分电压信号传送到后续信号处理电路；当行选开关管M_RSEL导通时，存储在积分电容C_INT上的积分电压信号被传输到后续信号处理电路中；当行选开关管M_RSEL关断时，积分电压信号保持在单元电路中。

红外焦平面单元电路各组成部分的连接关系如下：

注入电路的P型MOS管M_INT的源极与红外探测器的输出端相互连接，栅极接积分控制信号V_DI，漏极与积分电容电路的N型MOS管M_RST的漏极、背景减去电流电路的N型MOS管M₁的漏极、行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的源极以及积分电容C_INT的一端连接在一起；积分电容电路的N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及参考电压V_R连接在一起；背景减去电流电路的N型MOS管M₁的源极与作为开关的N型MOS管M₂的漏极相互连接；作为开关的N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相互连接；N型MOS管M₃的源极接地；行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的漏极与后续信号处理电路中用于接收积分电压信号的电路的输入端连接；积分电容电路的N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号V_RST；背景减去电流电路的N型MOS管M₁的栅极接偏置电压V_B1；作为开关的N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号V_P；N型MOS管M₃的栅极接偏置V_B2；行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号V_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)本发明的背景减去电流电路在积分时间内分阶段导通，每次导通都会从积分电容电路减去一个电荷包，分多次消除背景电流累积在积分电容上的电荷，实现背景抑制。该单元电路的背景减去电流受积分电压、阈值电压及电源噪声的影响小，不仅单元电路具有高线性度，而且极大地降低了单元电路间的背景抑制非均匀性。

(3)本发明中背景减去电流电路每次导通时从积分电容电路减去的电荷包的大小及数量可调，可以通过改变电荷包的大小及数量来抑制不同大小的背景电流，应用范围广泛。

(4)本发明单元电路占用的面积小，适合于大规模红外焦平面阵列。

附图说明

图1是现有连续背景抑制红外焦平面单元电路图；

图2是本发明分阶段背景抑制红外焦平面单元电路图；

图3是本发明分阶段背景抑制红外焦平面单元电路控制时序图。

具体实施方式

参看图2，本发明的单元电路共有四个部分组成，分别是注入电路1、积分电容电路2、背景减去电流电路3、行选控制电路4。其中，注入电路1含有P型MOS管M_INT，构成注入管；积分电容电路2含有作为复位开关的N型MOS管M_RST，积分电容C_INT；背景减去电流电路3含有N型MOS管M₁，作为开关的N型MOS管M₂及N型MOS管M₃；行选控制电路4含有N型MOS管M_RSEL，构成行选开关管。

电路连接关系如下：P型MOS管M_INT的源极与红外控测器的输出端A1相互连接；P型MOS管M_INT的漏极、N型MOS管M_RST的漏极、N型MOS管M₁的漏极、N型MOS管M_RSEL的源极，积分电容C_INT的一端A2相互连接；N型MOS管M_RST的源极、积分电容C_INT的另一端A3与参考电压V_R相互连接；N型MOS管M₁的源极与N型MOS管M₂的漏极相互连接于A4；N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相互连接于A5；N型MOS管M₃的源极与电源地A6相互连接；N型MOS管M_RSEL的漏极与后续信号处理电路中用于接收积分电压信号的电路的输入端A7(V_O)相互连接；P型MOS管M_INT的栅极接积分控制信号V_DI；N型MOS管M₁的栅极接偏置电压V_B1；N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号V_P；N型MOS管M₃的栅极接偏置V_B2；N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号V_RST；N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号V_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)，复位阶段，复位开关管M_RST在复位控制信号V_RST的控制下导通，注入管M_INT在积分控制信号V_DI的作用下处于截止状态，开关管M₂在背景减去电流电路开启信号V_P的作用下关断，行选开关管M_RSEL在行选控制信号V_RSEL的作用下关断，积分电容C_INT处于复位状态。

标号(2)，在充足的复位时间后，复位开关管M_RST在复位控制信号V_RST的控制下关断，注入管M_INT在积分控制信号V_DI的作用下由截止状态转变到亚阈值状态，电路开始积分。开关管M₂在背景减去电流电路开启信号V_P的作用下关断，行选开关管M_RSEL在行选控制信号V_RSEL的作用下关断。从积分开始到背景减去电流电路开启信号V_P的第一个上升沿之间的时间为t₁。

标号(3)，在此阶段背景减去电流电路开启信号V_P为一周期性时钟信号，它的脉宽为t₂，周期T_P＝t₂+t₃。在积分开始后的t₁时刻，背景减去电流电路开启信号V_P第一次跳变为高电平，背景减去电流电路导通，N型MOS管M₁、M₃分别在偏置电压V_B1及偏置V_B2的驱动下工作在强反型区，产生的背景减去电流I_sub远大于背景电流I_back，背景减去电流I_sub不易受到工艺(尤其是阈值电压)和电源噪声的影响，并且在N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成级联结构，背景减去电流I_sub基本不受积分电压V_INT的影响，其大小不随积分电压V_INT的变化而改变，这就使得背景减去电流电路导通期间背景减去电流I_sub大小保持不变，背景减去电流电路导通期间从积分电容电路3减去的电荷包的电荷量Q＝t₂×I_sub；经过t₂时间，背景减去电流电路开启信号V_P第一次跳变为低电平，背景减去电流电路关断；背景减去电流电路开启信号V_P的第二个上升沿既标志着背景减去电流电路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，在背景减去电流电路开启信号V_P的作用下背景减去电流电路重复工作，背景减去电流电路开启信号V_P的每个高电平期间都会从积分电容电路3减去一个电荷量Q＝t₂×I_sub的电荷包，使积分电压V_INT每次都有一个下降，下降的电压值ΔV_INT＝[I_sub-(I_back+I_s)]×t₂/C_INT。在背景减去电流电路的第N个工作周期中，背景减去电流电路开启信号V_P跳变为低电平后的积分时间内背景减去电流电路开启信号V_P保持为低，背景减去电流电路停止工作。背景减去电流电路开启信号V_P的第N次下降沿(也是积分过程中V_P的最后一次下降沿)后的t₄时刻积分控制信号V_DI跳变为高电平，注入管M_INT由亚阈值状态转变到截止状态，积分过程结束，积分电压信号被采样保持在积分电容C_INT上，整个积分时间T_INT＝t₁+(N-1)×(t₂+t₃)+t₂+t₄。在此阶段，通过调节V_B1、V_B2、t₁、t₂、t₃、t₄来控制从积分电容电路3减去的电荷包的数量及大小，使从积分电容电路3减去的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)，积分电压信号读出阶段，在积分结束后，行选开关管M_RSEL在行选信号V_RSEL的作用下导通，存储在积分电容C_INT上的积分电压信号被传送到后续信号处理电路；然后，行选开关管M_RSEL在行选信号Φ_RSFL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)～(4)的过程，这样完成电路周而复始的工作。

本发明的背景减去电流电路结构简单，在N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成级联结构，并工作在强反型区，有效地减弱了积分电压、阈值电压及电源噪声对背景减去电流的影响，不仅单元电路具有良好的线性度，而且极大地降低了单元电路间的背景抑制非均匀性，具有良好的背景抑制效果。

Claims

1.一种分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，其特征在于：设有包括注入电路、积分电容电路、背景减去电流电路及行选控制电路，注入电路的输入端与红外探测器的输出端连接，注入电路的输出端接积分电容电路的输入端，积分电容电路的输出端以及背景减去电流电路的输出端与行选控制电路的输入端相互连接，行选控制电路的输出端接后续信号处理电路，背景减去电流电路的第一输入端、第二输入端分别接偏置电压V_B1、偏置V_B2；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，来减去背景电流在积分电容上累积的电荷，以实现背景抑制；

积分电容电路设有作为复位开关的N型MOS管M_RST和积分电容C_INT，N型MOS管M_RST的漏极与积分电容C_INT的一端相接，N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及参考电压V_R相互连接，当复位开关管M_RST导通时，积分电容C_INT复位，它两端的电压均为V_R；

背景减去电流电路设有N型MOS管M₁，作为开关管的N型MOS管M₂以及N型MOS管M₃，N型MOS管M₁的源极与N型MOS管M₂的漏极相连；N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相连；N型MOS管M₃的源极接地；N型MOS管M₁的栅极接偏置电压V_B1；N型MOS管M₁的漏极与积分电容电路的N型MOS管M_RST的漏极、注入电路的P型MOS管M_INT的漏极、行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的源极以及积分电容C_INT的一端连接在一起；N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号V_P；N型MOS管M₃的栅极接偏置V_B2；背景减去电流电路在积分时间内受背景减去电流电路开启信号V_P的控制分阶段导通，每次导通都会从积分电容电路减去一个电荷包，分多次消除背景电流累积在积分电容上的电荷，实现背景抑制；背景减去电流电路每次导通时从积分电容电路减去的电荷包的大小由导通时间和背景减去电流决定，可以通过调节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；背景减去电流电路每次导通时偏置电压V_B1及偏置V_B2驱动N型MOS管M₁、M₃工作在强反型区；

行选控制电路设有构成行选开关管的N型MOS管M_RSEL；行选控制电路进行行选控制，使积分电容电路的输出端与后续信号处理电路之间形成通路，将积分电压信号传送到后续信号处理电路；当行选开关管M_RSEL导通时，存储在积分电容C_INT上的积分电压信号被传输到后续信号处理电路中；当行选开关管M_RSEL关断时，积分电压信号保持在单元电路中。

2.根据权利要求1所述的分阶段背景抑制红外焦平面单元电路，其特征在于：注入电路的P型MOS管M_INT的源极与红外探测器的输出端相互连接，栅极接积分控制信号V_DI，漏极与积分电容电路的N型MOS管M_RST的漏极、背景减去电流电路的N型MOS管M₁的漏极、行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的源极以及积分电容C_INT的一端连接在一起；积分电容电路的N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及参考电压V_R连接在一起；背景减去电流电路的N型MOS管M₁的源极与作为开关的N型MOS管M₂的漏极相互连接；作为开关的N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相互连接；N型MOS管M₃的源极接地；行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的漏极与后续信号处理电路中用于接收积分电压信号的电路的输入端连接；积分电容电路的N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号V_RST；背景减去电流电路的N型MOS管M₁的栅极接偏置电压V_B1；作为开关的N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号V_P；N型MOS管M₃的栅极接偏置V_B2；行选控制电路的N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号V_RSEL。