CN102252759A - 一种具有数字输出的红外焦平面读出集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有数字输出的红外焦平面读出集成电路，它属于集成电路设计技术领域。集成电路技术特征在于：该读出集成电路配置了模数转换电路，探测器光电流通过DI输入级电路积分得到一个电压信号，并通过列放大器将该信号送到采样保持电路，模数转换器将采样信号进行模数转换，并将转换结果按一定次序输出，实现了红外焦平面读出电路和模数转换器的单片集成，提高了红外成像系统的集成度，降低了系统批量生产成本，同时优化的模数转换器结构和读出方式具有更低的功耗和更小的面积，优化的读出结构具有更高的读出速度。

Description

一种具有数字输出的红外焦平面读出集成电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面读出集成电路，具体指一种具有数字型输出接口的读出集成电路(Readout Integrated Circuit-ROIC)，它用于红外焦平面阵列(Infrared Focus Plane Array-IRFPA)中，可以将红外探测器的光响应转换成电信号并以数字形式输出。

背景技术

红外焦平面是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。红外探测器在接收到入射的红外辐射后，产生一个与入射红外辐射性能相关的光电流，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读出，由后端电子学系统形成图像。

现有的用于可见光波段具有数字输出的读出电路多采用传统的读出形式和一个片共享的模数转换器结构，依然需要很多模拟放大器和一个高速的模数转换器，因此具有较高的功耗并不适合红外焦平面读出电路的应用。

现有的用于红外焦平面读出电路的行共享的结构模数转换器多采用传统的低速的多斜率型结构，这种结构具有相对较低的功耗和较高的分辨率，但依然不能有效地利用其中的单元模块，难以在不影响性能的条件下进一步降低其功耗。受制于低功耗要求简单的依次读出的模式需要较多的输出引脚，并且各模块依次工作的调度方式具有较长的读出周期，在功耗受限的条件下很难提高读出速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字输出的红外焦平面读出集成电路，具有改进结构的双斜率型模数转换器，采用单片共享与行共享结合的结构以及与之对应的读出方式，解决现有行共享模数转换器结构的焦平面功耗难以降低和读出速度难以提高的问题，进一步扩展了其温度应用范围和读出速度。

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数字型输出接口的红外焦平面读出集成电路，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，主要实现对探测器信号的积分，采样，量化和输出其中：

1)模数转换器是基于双斜率模数转换器的改进结构，其结构如图2所示，主要由基准源、比较器、计数器、锁存器和控制逻辑构成。其中基准源用来提供模数转换所需的基准电流源，比较器用于比较输入电压和基准电压，计数器用以对时间的计量，锁存器锁存计数器的计数结果。其中比较器和锁存器是每个模数转换器的独有模块，而基准源和计数器等模块是整个芯片共享的。

2)模数转换电路的工作原理如下：

在单元读出电路积分完成后，列选开关依次打开，将积分电压通过行总线采样到由开关S₁，电容C₁组成采样保持电路。采样过程完成后，控制逻辑控制开始启动高位转换，将计数器清零，闭合开关S₂、S₄，断开开关S₃、S₅，电流源I_ref1开始对电容C₁放电，同时开启高位计数器计时，利用基准电流源和电容产生斜坡电压，电容两端电压可表示成如下所示：

$V\left(t\right)=\frac{Q}{C}=\frac{(Q_0-I*t)}{C}---\left(1\right)$

在高位转换时C₁上输出电压以斜率

下降，当C₁上电压下降到REF1时比较器翻转，控制单元锁存当前计数器计数结果，即为AD转换结果的高位，在高位转换完成后控制单元断开开关S₂、S₄闭合开关S₃、S₅，清零并启动计数器，电流源Iref2对电容放电，电容上的电压以斜率

下降，当到达第二个参考电压REF2的时候比较器翻转，控制单元锁存当前计数结果，即低位的转换结果。

3)采用D锁存器作为比较后输出的数字信号的存储电路。

4)采用总线形式作为电路的读出形式，如图4所示所有ADC的高位和低位输出复用读出总线，以减少引脚数目，配合时序控制电路实现在高位转换进行的同时输出上次低位转换的结果，在低位转换的同时输出高位转换的结果。

本发明的优点在于：

1)采用CMOS集成技术，单芯片实现了红外焦平面的信号数字化读出功能，针对红外焦平面读出电路的特点，设计了十分简化的模数转换电路，有效地提高的内部模块的利用率，在不影响芯片性能的前提下大大减小了芯片的面积，降低了芯片的功耗。

2)对数字输出红外焦平面的读出方式结合模数转换器的特点进行了优化设计，采用转换与读出同时进行的输出级结构，有效减少了输出引脚，提高了读出速度。

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，在每次读出过程中，开关管对积分电容进行复位，DI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，该电压值由模拟总线传输到每行末尾的模数转换电路，模数转换电路对信号进行采样并量化，首先进行的粗量化得到该信号模数转换值结果的高位并锁存，进行粗量化的同时上次模数转换结果的低位依次读出，然后进行信号的精量化，在精量化的同时对粗量化的结果进行读出，精量化的结果在下一次粗量化时读出。

图2为模数转换电路结构，S₁～S₅为模拟开关，REF1和REF2为电压基准源，I_ref1和I_ref2为电流基准源，比较器用于比较输入电压和基准电压。其中计数器、部分基准源电路和部分控制逻辑为整片共享，其余部分为行共享结构。

图3公共基准电流镜电路，将基准电压转换成的基准电流按比例缩小，以减小在基准波动时对电流基准精度的影响，采用Cascode电流镜结构实现，以减小保持电容两端电压变化时对基准电流源精度的影响。

图4为输出级电路，其中T₁和T₂为三态门，受D触发器输出的控制，用作序列输出控制，T₃为缓冲器，提高对负载的驱动能力。

具体实施方式

红外焦平面阵列规模为320×256，读出速度为100帧/秒，探测器公共极偏压为4.5V，模数转换的精度为1850e^-，积分电容大小为100fF～2pF，采样电容为1pF。

1)读出电路前置放大电路采用DI结构，调节注入管的栅极偏压使注入管处于亚阈值状态。

2)搭建模数转换电路，设定比较器，使之共模输入范围与探测器单元的输出相匹配，在本例中为1.5V～4V，由模数转换器的精度要求和单元缓冲放大器的增益以及探测器的单元输出范围可以求得模数转换器为12bit，进而可以算出比较器的最小分辨电压要小于610μV，由红外焦平面阵列规模和读出速度要求结合本设计中模数转换器的特点可以算出比较器的最大延时要小于130ns。

3)根据采样电容的大小和转换时间的要求可以计算得两个基准电流的大小分别为616nA和6.5nA，设计如图3所示有源电流镜各管M₁～M₉的宽长比分别为2/10，27/3，27/3，9/3，9/3，9/3，9/3，3/3和3/3，由两个基准电流源的大小和电流镜的比例可以求得输入基准的预置电压的值为1.804V和885mV，即有源电流镜的公共输入端电压V_ref。

4)采用D锁存器作为存储电路，锁存比较后模数转换输出的数字信号，以降低功耗，和减小芯片面积。

5)采用多路复用器和总线结构作为读出电路的输出级，将所有模数转换器的转换结果的高位输出和低位输出复用，减少输出引线的数目。

Claims (1)

1.一种具有数字输出的红外焦平面读出集成电路，包括以下功能模块：DI输入级电路(1)、列放大器(2)、采样保持电路(3)、模数转换器(4)、读出时序控制器(5)；探测器光电流通过DI输入级电路(1)积分得到一个电压信号，并通过列放大器(2)将该信号送到采样保持电路(3)，模数转换器(4)将采样信号进行模数转换，并由读出时序控制器(5)将转换结果按一定次序输出；所述的集成电路的技术特征在于：在所述的模数转换器(4)中采用了优化的行共享与片共享相结合的模数转换器结构；所述的读出时序控制器(5)采用了高低位转换结果复用读出结构。

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