CN101639381B

CN101639381B - 红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法

Info

Publication number: CN101639381B
Application number: CN2009101848002A
Authority: CN
Inventors: 夏晓娟; 周杨帆; 文勇; 苏鹏飞; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Jiangsu Jiuri Cnc Machinery Co ltd
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101639381A

Abstract

一种红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法，其特征在于：红外焦平面读出电路中的单元电路，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，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、背景减去电流电路的输出端及行选控制电路的输入端相互连接；背景减去电流电路的输入端接输入电压V_B；行选控制电路的输出端接后续信号处理电路；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，每次导通即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。

Description

红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法

技术领域

本发明涉及用于红外成像系统中的背景抑制方法，尤其是一种红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外成像技术是一种将不可见的红外辐射信号转换成可视图像的技术，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。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。常见的读出电路主要由单元电路、列读出级和输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路、列选择电路组成。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，在一些成像条件下要求红外成像系统能探测出隐藏在高背景条件下的微弱信号。比如在室温(300K)背景中探测温度变化为0.1K的目标，目标与背景辐射的对比度相当低。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。近红外、中红外、远红外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％，随着波长的增大，背景辐射越来越高，对比度越来越小。传统的单元电路对背景电流和信号电流一起积分，但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。另外，即使不考虑像素单元面积，将大积分电容集成在单元电路中，其也会引入非常高的噪声，不能满足读出电路的低噪声要求。为了克服以上问题，在传统单元电路中增加背景抑制电路，在积分过程中对背景电流进行抑制，只对信号电流积分，即可以实现在使用小积分电容积分的同时有效地延长积分时间。随着积分时间的延长，红外成像系统的信噪比、动态范围及灵敏度也会得到提高。

目前国内外基本都采用电流模式背景抑制方法，在现有技术中，美国专利(专利号：US 6,373,050B1)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。但是，该结构中各单元电路的背景电流存储器中的背景电流记忆管栅压会随着时间发生衰减，而且背景电流记忆管工作于亚阈值区，记忆的背景电流与栅压呈指数关系，这就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电路之间背景抑制量的不一致性。另外，为了保证背景电流存储器能比较准确的复制背景电流，还必须每过一段时间对电路重新校准一次，这就降低了红外成像系统的工作速度和可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了解决红外读出电路中现有背景抑制方法存在背景抑制非均匀性高的问题，提供一种红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法。该方法结构简单，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。

本发明利用单元电路中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，具有低背景抑制非均匀性，并且电路结构简单易于实现。其技术方案如下：

一种红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法，红外焦平面读出电路设有单元电路、列读出级、输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路及列选择电路，其特征在于：单元电路包括注入电路、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、背景减去电流电路的输出端及行选控制电路的输入端相互连接；背景减去电流电路的输入端接输入电压V_B；行选控制电路的输出端接后续信号处理电路；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，每次导通即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；其中：

注入电路含有运算放大器及P型MOS管M_INJ，运算放大器的负输入端与P型MOS管M_INJ的源极相连，运算放大器的正输入端接参考电压V_REF，运算放大器的输出端与P型MOS管M_INJ的栅极相连，二者构成缓冲直接注入电路(BDI注入电路)为探测器提供稳定的偏压，具有极高的注入效率。

积分电容电路含有N型MOS管M_INT、N型MOS管M_RST及积分电容C_INT，N型MOS管M_INT的漏极与N型MOS管M_RST的漏极以及积分电容C_INT的一端相互连接，N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及偏置电压V_R相互连接，N型MOS管M_INT作积分控制开关管，在积分控制信号Φ_INT的作用下控制电路是否积分；N型MOS管M_RST构成复位开关管，在复位控制信号Φ_RST的控制下对积分电容C_INT进行复位；电容C_INT既是积分电容又是采样保持电容；

背景减去电流电路含有N型MOS管M₁、N型MOS管M₂、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、M₃的栅极与输入电压V_B相连，当N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成栅相接级联结构，增大了N型MOS管M₁漏极的小信号输出阻抗；N型MOS管M₂作开关管，在背景减去电流电路开启信号Φ_P的控制下决定背景减去电流电路的导通与关断；背景减去电流电路每次导通时输入电压V_B驱动N型MOS管M₁、M₃工作在强反型区；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，允许背景减去电流电路中产生背景减去电流的晶体管工作在强反型区，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，背景减去电流电路产生的背景减去电流基本不受积分电容电路输出端的输出电压的影响，其大小不随积分电容电路输出端的输出电压的变化而改变，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。

行选控制电路含有N型MOS管M_RSEL，构成行选开关管，在行选控制信号Φ_RSEL的控制下将积分电压信号输送给后续信号处理电路。

上述单元电路的连接关系是：探测器的输入端与偏置V_BIAS相互连接；探测器的输出端与运算放大器的负输入端以及P型MOS管M_INJ的源极相互连接在一起；运算放大器的正输入端与参考电压V_REF相互连接；P型MOS管M_INJ的栅极与运算放大器的输出端相互连接；P型MOS管M_INJ的漏极与N型MOS管M_INT的源极相互连接；N型MOS管M_INT的漏极与N型MOS管M_RST的漏极、N型MOS管M_RSEL的源极、N型MOS管M₁的漏极以及积分电容C_INT的一端相互连接在一起；N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及偏置电压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；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；N型MOS管M₁、M₃的栅极与输入电压V_B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相互连接；N型MOS管M_INT的栅极接积分控制信号Φ_INT；N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号Φ_RST；N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号Φ_RSEL；N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号Φ_P。

本发明的优点及显著效果：

(1)本发明方法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)本发明方法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。该方法有效地减弱了积分电容电路输出端的输出电压、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。

(3)本发明方法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。该方法适用于任意大小的背景电流。

(4)本发明方法中的背景电流减去电路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。

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、图2，本发明方法中的红外焦平面读出电路的单元电路由以下几部分组成：注入电路2、积分电容电路3、背景减去电流电路4、行选控制电路5。探测器1(现有技术，可采用如QWIP探测器、HgCdTe探测器、PST探测器等红外探测器)、将红外辐射信号转换成电流信号。注入电路2含有运算放大器，P型MOS管M_INJ，二者构成了缓冲直接注入电路(BDI注入电路)可以为探测器提供稳定的偏压，具有极高的注入效率。积分电容电路3含有N型MOS管M_INT，N型MOS管M_RST，积分电容C_INT。其中，N型MOS管M_INT作积分控制开关管，在积分控制信号Φ_INT的作用下控制电路是否积分；N型MOS管M_RST构成复位开关管，在复位控制信号Φ_RST的控制下对积分电容C_INT进行复位；电容C_INT既是积分电容又是采样保持电容。背景减去电流电路4含有N型MOS管M₁，N型MOS管M₂、N型MOS管M₃。其中，当N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成栅相接级联结构，增大了N型MOS管M₁漏极的小信号输出阻抗；N型MOS管M₂作开关管，在背景减去电流电路开启信号Φ_P的控制下决定背景减去电流电路的导通与关断；输入电压V_B应能驱动N型MOS管M₁、M₃工作在强反型区。行选控制电路含有N型MOS管M_RSEL，构成行选开关管，在行选控制信号Φ_RSEL的控制下将积分电压信号输送给后续信号处理电路。

单元电路的连接关系如下：探测器的输入端与固定偏置V_BIAS相互连接于第一节点A1；探测器的输出端，运算放大器的负输入端，P型MOS管M_INJ的源极，相互连接于第二节点A2；运算放大器的正输入端与参考电压V_REF相互连接于第三节点A3；P型MOS管M_INJ的栅极与运算放大器的输出端相互连接于第四节点A4；P型MOS管M_INJ的漏极与N型MOS管M_INT的源极相互连接于第五节点A5；N型MOS管M_INT的漏极，N型MOS管M_RST的漏极，N型MOS管M_RSEL的源极，N型MOS管M₁的漏极，积分电容C_INT的一端相互连接于第六节点A6；N型MOS管M_RST的源极，积分电容C_INT的另一端，偏置电压V_R相互连接于第七节点A7；N型MOS管M₁的源极与N型MOS管M₂的漏极相互连接于第八节点A8；N型MOS管M₂的源极与N型MOS管M₃的漏极相互连接于第九节点A9；N型MOS管M₃的源极与电源地相互连接于第十节点A10；N型MOS管M₁、M₃的栅极与输入电压V_B相互连接于第十一节点A11；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相互连接于第十二节点A12；N型MOS管M_INT的栅极接积分控制信号Φ_INT；N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号Φ_RST；N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号Φ_RSEL；N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号Φ_P。

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Φ_RST的控制下导通，在该阶段结束前积分控制开关管M_INT在积分控制信号Φ_INT的作用下导通，开关管M₂在背景减去电流电路开启信号Φ_P的作用下关断，行选开关管M_RSEL在行选控制信号Φ_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Φ_RST的控制下关断，电路开始积分。积分控制开关管M_INT在积分控制信号Φ_INT的作用下导通，开关管M₂在背景减去电流电路开启信号Φ_P的作用下关断，行选开关管M_RSEL在行选控制信号Φ_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Φ_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Φ_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Φ_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在输入电压V_B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，当N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成栅相接级联结构，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Φ_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Φ_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Φ_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Φ_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Φ_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Φ_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Φ_P的第N次下降沿(也是积分过程中Φ_P的最后一次下降沿)后的t₄时刻积分控制信号Φ_INT跳变为低电平，积分过程结束，整个积分时间T_INT＝t₁+(N-1)×(t₂+t₃)+t₂+t₄。在此阶段，通过调节V_B、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Φ_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_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。

本发明的背景减去电流电路结构简单，其中N型MOS管M₁、M₂构成自级联结构，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

1.一种红外焦平面读出电路分阶段背景抑制方法，红外焦平面读出电路设有单元电路、列读出级、输出缓冲级、时序产生电路、行选择电路及列选择电路，其特征在于：单元电路包括注入电路、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、背景减去电流电路的输出端及行选控制电路的输入端相互连接；背景减去电流电路的输入端接输入电压V_B；行选控制电路的输出端接后续信号处理电路；利用背景减去电流电路在积分过程中分阶段导通，每次导通即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；其中：

探测器的输入端与偏置V_BIAS相互连接；

注入电路含有运算放大器及P型MOS管M_INJ，运算放大器的负输入端与P型MOS管M_INJ的源极相连并同时与探测器的输出端连接，运算放大器的正输入端接参考电压V_REF，运算放大器的输出端与P型MOS管M_INJ的栅极相连，二者构成缓冲直接注入电路为探测器提供稳定的偏压；

积分电容电路含有N型MOS管M_INT、N型MOS管M_RST及积分电容C_INT，N型MOS管M_INT的漏极与N型MOS管M_RST的漏极以及积分电容C_INT的一端相互连接，N型MOS管M_INT的源极与注入电路P型MOS管M_INJ的漏极连接，N型MOS管M_INT的栅极接积分控制信号Φ_INT，N型MOS管M_RST的源极与积分电容C_INT的另一端以及偏置电压V_R相互连接，N型MOS管M_RST的栅极接复位控制信号Φ_RST；N型MOS管M_INT作积分控制开关管，在积分控制信号Φ_INT的作用下控制电路是否积分；N型MOS管M_RST构成复位开关管，在复位控制信号Φ_RST的控制下对积分电容C_INT进行复位；电容C_INT既是积分电容又是采样保持电容；

背景减去电流电路含有N型MOS管M₁、N型MOS管M₂、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M₁的漏极与积分电容电路中N型MOS管M_INT的漏极、N型MOS管M_RST的漏极以及积分电容C_INT的一端连接在一起，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、M₃的栅极与输入电压V_B相连，N型MOS管M₂的栅极接背景减去电流电路开启信号Φ_P；当N型MOS管M₂导通时，N型MOS管M₁、M₃构成栅相接级联结构，增大了N型MOS管M₁漏极的小信号输出阻抗；N型MOS管M₂作开关管，在背景减去电流电路开启信号Φ_P的控制下决定背景减去电流电路的导通与关断；背景减去电流电路每次导通时输入电压V_B驱动N型MOS管M₁、M₃工作在强反型区；

行选控制电路含有N型MOS管M_RSEL，构成行选开关管，在行选控制信号Φ_RSEL的控制下将积分电压信号输送给后续信号处理电路，N型MOS管M_RSEL的源极与背景减去电流电路中N型MOS管M₁的漏极连接，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相互连接，N型MOS管M_RSEL的栅极接行选控制信号Φ_RSEL。