CN101876570A - 一种具有自动盲元剔除功能的读出集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于红外焦平面阵列系统中的具有自动盲元剔除功能的读出集成电路，属于集成电路设计技术领域，其特征在于：通过对光电流积分电压值的比较判断，可得到一个数字信号，并将其反馈至开关对电路，以控制对应探测器单元与读出电路的连接，实现对探测器盲元的判断和自动剔除。并可通过对电路中阈值电压从0.2V～4.8V之间进行设置，实现对不同盲元标准和精度的要求。该电路实现了前期信号处理中自动将探测器盲元关闭的功能，完全消除了过热像元信号对周围正常像元信号的影响，使后期数据处理更快速、简易和精确。

Description

一种具有自动盲元剔除功能的读出集成电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术，具体指一种具有自动盲元剔除功能的读出集成电路(Readout Integrated Circuit-ROIC)，它用于红外焦平面阵列(InfraredFocus Plane Array-IRFPA)中，可以自动地检测探测器的盲元并将其剔除。

背景技术

长波红外焦平面探测器是先进红外系统中的核心器件。红外焦平面阵列一般由两部分组成：红外探测器阵列和读出电路阵列。焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，传输给对应的读出电路单元。读出电路将对这些电信号进行积分放大、采样保持，再通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

长波红外焦平面探测器比较短波和中波探测器，由于其禁带宽度更小，使其更易受因制造工艺、偏压控制等因素造成随机点缺陷的影响而形成盲元。盲元是指器件中响应过高、过低或响应规律不正常的探测器单元。盲元的数量及分布对器件性能的影响很大，如果盲元过多，在未经任何处理的红外成像系统输出图像中将出现大量的亮点和暗点，且盲元会对其周围的正常像元的输出信号造成影响，严重影响成像质量。盲元的大量存在也将导致焦平面阵列可用像元率的降低。所以，盲元的检测、剔除和替换对长波红外焦平面阵列是十分重要的技术。

文献中已报道的关于长波红外焦平面探测器的盲元问题的一系列信号处理，均为在外围电路系统中进行。现在使用的较为成熟的方案如下：

在分析红外焦平面阵列有效像元响应模型的基础上，指出在均匀输入时红外焦平面阵列有效像元输出值的均值差和标准差特征的分布具有正态性，通过采用自适应投影匹配分解法对特征直方图进行高斯分解，进而估计出有效像元均值差和标准差的分布区间，从而得到了判别无效像元的分布准则。其算法采用硬件描述语言在可编程逻辑器件中实现。

以上方法有以下不足：

1)此方法为后期数据处理，无法将盲元关闭，从而无法直接消除前期盲元信号对周围其他正常信号的影响；

2)如果盲元对周围正常像元的影响为随机噪声，那么将无法分辨和去除该噪声，将导致后期非均匀性校正的不精确；

3)如果盲元对周围正常像元的影响噪声大到将正常像元的信号淹没，那么将无法检测出正常像元的信号，从而会将正常像元判断为盲元，导致盲元过判。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有自动盲元剔除功能的读出集成电路，将探测器阵列中响应率过高的单元自动剔除，解决现有盲元剔除方法中存在的技术不足，并进一步实现焦平面系统中盲元剔除功能的集成化。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的：

本发明公开了一种具有自动盲元剔除功能的读出电路，采用CMOS工艺，在EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化)设计平台中搭建电路，主要实现对探测器盲元信号的检测判断、盲元自动剔除和盲元阈值的可调性设置，其中：

1)读出电路前置放大电路采用缓冲直接注入电路结构(Buffered DirectInjection-BDI)，如图2示，其中运算放大器的开环增益为A，设计运算放大器使其公共端输入符合探测器偏压的设定。该电路模块负责将探测器光电流信号读入、积分放大为电压信号。

2)盲元判断电路分三级设计，由一个有源电流镜M1～M5、PMOS开关管M6和反相器M7～M8组成，如图3所示，可实现盲元信号的判断和盲元阈值的可调性设计。其基本结构和工作原理如下：该有源电流镜采用双端输入单端输出的结构，输入端一端为公共端，由外输入偏压Vbias，Vbias即为盲元电压阈值，可根据盲元不同要求而设定；另一端连接图1中的B点处，输入探测器光电流经由前置放大电路转化为的电压信号。有源电流镜将两输入的电压差值比较，输出为Vb，作为PMOS开关管M6的栅极电压，M6的阈值电压为Vth，当Vdd-Vb≤Vth，M6关闭，电压值Vc输出低电平；当Vdd-Vb≥Vth，M6导通，电压值Vc输出高电平，通过反相器将电压信号整合，最后输出数字信号Q，0或1，保存在锁存器中。探测器对应的开关对将在积分信号的控制下，对Q值进行检测，如为0则探测器被自动关闭，如为1，探测器可正常工作。

3)本发明电路的设计方法如下：

a.盲元判断电路的设计：在EDA设计平台中搭建图3中虚框部分电路，设定四个MOS管均为最小栅长，M7、M9宽长比为1∶1，M6、M7宽长比为2∶1，并初步设Vbias为1V，通过仿真对Vb值进行扫描，得到输出Vout值分别为0和1时Vb的值分别为3.629V和3.711V。再由盲元判别精度的要求ΔI，可得盲元判断的电压精度为ΔV＝ΔICPmin/Cin，其中Cin表示积分电容，CPmin表示电路最小时钟。ΔV即确定了所需的有源电流镜的线性增益A＝(3.711-3.629)/ΔV。采用常规方法，设计有源电流镜各管M1～M5的宽长比和Vbias，使增益A达到上述值。

b.盲元判断阈值电压Vref的设置：根据盲元判断阈值电流Iref的要求，可以求得盲元判断预置电压的值，电压设置范围为0.2V～4.8V，即有源电流镜的公共输入端电压Vref，Vref＝Iref×TD/Cin，其中Cin表示积分电容，TD表示盲元判断积分时间。

c.开关对的设计：如图2中虚框部分所示，建立一对栅极压控开关，两个开关栅极信号互反，P1管栅极连接比较器输出信号Q与积分信号相与的值P；P1’管栅极连接比较器输出信号Q与积分信号的与非值P’。两管漏端共同连接一个探测器单元，P1管源端接入前置放大电路，P1’管源端连接探测器阵列公共端。

4)采用D锁存器作为比较后输出的数字信号的存储电路，如图4所示。

5)采用源随器作为读出电路的输出缓冲，降低前级电路的负载电容，增强电路的驱动能力。

本发明的优点在于：

1)采用CMOS集成技术，单芯片实现了自动盲元剔除功能，可以减小电路的功耗和体积，有利于红外焦平面系统的轻量化，小型化以及批量生产。同时有利于高集成度的红外焦平面探测的实现。

2)在前期就将探测器过热像元检测并剔除，完全消除了过热像元信号对周围正常像元信号的影响，使后期数据处理更快速、简易和精确。

3)本发明针对长波红外焦平面探测器的盲元特点和响应特点，设计了十分简化的盲元判断电路，能够精确地判断盲元。

附图说明

图1为整个电路功能模块工作流程图。由时序控制电路提供时钟信号，自动控制电路中各功能模块的工作，分作盲元判断与正常读出两个阶段，每次电路上电，将先进行一次盲元判断，之后为正常读出，流程分别用虚线和实线表示。在盲元判断阶段，开关对初始设定为连接探测器单元和BDI前置放大电路，BDI前置放大电路对流入的光电流进行积分，从而将电流信号转化为电压信号，该电压值传输到盲元判断电路，与设定好的阈值进行比较，比较输出信号为数字信号，被锁存于对应的锁存器中保存起来，之后电路进入正常读出阶段，锁存器中保存的数字信号反馈给开关对，以此决定是否将该探测器单元短路关闭。若判断为正常像元，则连接读出电路的开关导通，BDI前置放大电路将电流信号转化为电压信号，再由采样电路采样保持对应电压值，最后经缓冲器缓冲输出；若判断为盲元，则连接探测器公共端的开关导通，将该探测器单元短路关闭，不参与焦平面阵列的工作。

图2为采用开关对作为开关管的BDI结构前置放大电路图。P1，P1’表示一对开关管，P表示比较器输出信号Q与积分信号相与得到的信号，P’表示P信号的反，A表示作为负反馈的运算放大器，Vcom表示运算放大器的参考电压，Vdet表示探测器阵列公共端电压，Cin表示积分电容，B点表示盲元判断电路的接入处。

图3为盲元判断电路图。M1～M5组成一个有源电流镜，Vref表示电流镜参考电压，在本电路中即为盲元判断阈值电压，Vin表示需比较的输入电压，与图2中B点处相连接，Vbias表示有源电流镜的偏置电压，可控制电流镜电流的大小，Q表示该电路的输出值，为一个数字信号。

图4为D锁存器电路图，其中M1和M2表示锁存器中的开关管，它们的控制信号互反，从而实现数字信号Q的保存。

具体实施方式

红外焦平面阵列规模为128×128，探测器公共极偏压为1.5V，最小时钟为2MHz，盲元判断阈值为2uA，盲元判断精度要求为10nA，积分电容大小为3.6pF，盲元判断积分时间为6us。

1)读出电路前置放大电路采用BDI结构，设计运算放大器使其公共端输入符合探测器偏压1.5V的设定。

2)搭建盲元判断电路，设定四个MOS管均为最小栅长，M7、M9宽长比为1∶1，M6、M7宽长比为2∶1，并初步设Vbias为1V，通过仿真对Vb值进行扫描，得到输出Vout值分别为0和1时Vb的值分别为3.629V和3.711V。再由盲元判别精度的要求10nA，可得到盲元判断的电压精度为1.5mV，进一步得到有源电流镜的线性增益A≈55。采用常规方法，设计有源电流镜各管M1～M5的宽长比分别为25/1，25/1，4/1，4/1和6/1，Vbias设置为1.1V，使增益A达到55。

3)根据盲元判断阈值电流的要求Iref＝2uA，积分电容Cin＝3.6pF，盲元判断积分时间TD＝6us，可以求得盲元判断预置电压的值为3.3V，即有源电流镜的公共输入端电压Vref。

4)建立一对栅极压控开关，两个开关栅极信号互反，以检测锁存器中的盲元判断值，决定是否将该探测器单元关闭。采用D锁存器作为存储电路，锁存比较后输出的数字信号。

采用源随器作为读出电路的输出缓冲，降低前级电路的负载电容，增强电路的驱动能力。

Claims (2)

1.一种用于长波红外焦平面阵列系统中的具有自动盲元剔除功能的读出集成电路，包括以下功能模块：开关对、BDI前置放大电路、盲元判断电路、锁存器、采样电路、缓冲器和时序控制电路，其特征在于：该读出集成电路配置了盲元判断电路，通过对光电流积分电压值的比较判断，得到一个数字信号，并将其反馈至开关对，以控制对应探测器单元与读出电路的连接，实现对探测器盲元的判断和自动剔除。

2.根据权利要求1所述的一种用于长波红外焦平面阵列系统中的具有自动盲元剔除功能的读出集成电路，其特征在于：所述的盲元判断电路的阈值电压设置可调，电压设置范围为0.2V～4.8V，可实现对不同盲元标准的要求。

Images