CN102447845A - 一种红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带窗口读出模式的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法。本发明实现了带窗口功能的焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整，列运放和输出运放的尾电流源分别设计成由k个晶体管组成的电流源阵列，并在列运放上增加了功耗控制开关管。本发明的方法使得无论在大窗口，低帧频工作模式下，还是在小窗口，高帧频工作模式下，都能够在满足速度要求的情况下，以适当的功耗正常工作，并有效地避免了单一功耗设计时，在不同工作模式下出现的功耗浪费。本发明可以满足高分辨率，便携式成像系统的要求，将会获得广泛的应用。

Description

一种红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法

技术领域

本发明属于微电子和光电子技术领域，尤其涉及一种带窗口读出模式的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法。

背景技术

红外热成像系统在太空，工农业，医药，交通，军事等领域有着广泛的应用。红外热成像系统的核心组件是红外焦平面阵列(IRFPA：Infrared Focal Plane Array)，该组件包括红外探测器阵列和读出电路(ROIC：Readout Integrated Circuit)两部分：探测器阵列的作用是实现光电转换，读出电路的作用是完成像素信号的处理和读出。读出电路对红外成像系统的性能有着重要影响。随着技术的发展，对于高分辨率，便携式成像系统的需求越来越大，为满足这一要求，低功耗设计显得尤为重要。

目前正在研制的第三代灵巧型红外焦平面阵列读出电路，其中的一个重要功能即为窗口读出功能。窗口读出使得红外焦平面阵列读出电路既可以实现宽视场，合适帧频读出；也可以实现窄视场，高帧频读出。一般来说，红外焦平面阵列读出电路由像素阵列、列读出电路，输出缓冲器组成。其中，每个像素包含与红外探测器阵列的接口，以及光电流积分电路和像素选择电路。开窗的大小，可以由外部输入信号决定。开窗功能图示见图1。图1中是一个MxN的像素阵列，即阵列为N行，M列，包含MxN个像素。由外部输入给出窗口读出的起始位置(x_A，y_A)和窗口读出的终止位置(x_B，y_B)。其中x_A和x_B分别表示起始列和终止列；y_A和y_B分别表示起始行和终止行。利用这两个坐标可以确定窗口，该窗口部分是需要读出的部分。焦平面阵列读出电路的每一列的像素连接在同一条列线上，因此MxN的像素阵列有M条列线。每条列线连接一个列运放，当阵列中某一行被选通时，该行的各列像素中光电流积分的结果，会作为输入信号通过列线在列运放上建立。列运放上建立的信号，通过列选信号控制的开关，连接到输出总线上，通过输出运放输出。

对于运放，信号的建立时间表达式为：

$t=\frac{C}{I}(\mathrm{\ΔV}+\frac{\ln (1/\mathrm{\ϵ})\·V_{\mathrm{dsat}}}{\mathrm{\β}})$

其中，C对于单级运放表示负载电容，对于两级运放通常表示密勒补偿电容，I表示尾电流，ΔV是大信号变化量，V_dsat是输入管的过驱动电压，β是反馈系数。由该公式可以看出，建立时间越长，所需的尾电流越小；建立时间越短，所需的尾电流越大。

对于带窗口读出模式的红外焦平面阵列读出电路，由于窗口的大小可以在满足设定的条件下自由改变，因此每一行的列数不是定值，同时又因为电路的主时钟频率可以有几种选择，所以每一行的行读出时间不同。窗口中包含的列数越少，主时钟频率越高，则一行的读出时间将越小。理论上，列运放的建立时间可以很接近一行的读出时间，因此当取最小窗口读出模式时，列运放的建立时间最小，所需要的尾电流最大。传统的焦平面读出电路中，为了满足各个模式下列运放都有足够快的建立速度，所以在设计时列运放的尾电流取能满足最小窗口模式读出时建立时间的值。

通过前面的分析可以知道，最小窗口模式读出时，列运放所需的尾电流最大。所以当运放处于大窗口读出模式及全焦平面读出模式时，要满足建立时间并不需要这么大的尾电流。造成了功耗的浪费。另外当电路处在窗口读出模式时，电路中有些列必然处在窗口之外，这部分列运放正常工作也必然会造成功耗的浪费。

再考虑输出运放，由于在读出电路工作中，可能会通过改变主时钟的频率来改变帧频，而主时钟频率的改变会改变输出运放的建立时间要求。与前面的分析一致，主时钟频率越高，需要的尾电流就越大，而为了满足各主时钟频率下的信号建立速度，输出运放的尾电流会取最大值。则当采用较低的主时钟频率时，尾电流比实际所需要的电流要大，也会引入功耗的浪费。

发明内容

本发明针对以上分析的带窗口读出模式的红外焦平面阵列读出电路中的功耗问题，提出了自适应调整功耗的设计。

本发明的目的是提供一种带窗口读出模式的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路。

本发明的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路包括MxN个像素的像素阵列、连接每一列像素的列线以及连接在列线上的列运放，其中，列运放包括尾电流源、输入管、运放负载管以及功耗控制开关管，功耗控制开关管包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2，其中，当输入管是PMOS管时，M2设置在电源和尾电流源的栅极之间，以及M1设置在运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当输入管是NMOS管时，M1设置在尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，其中，M和N为自然数。

进一步，本发明的红外焦平面阵列读出电路中的尾电流源包括由k个晶体管组成的电流源阵列，分别经由k个开关与列运放的输入管的源极相连，其中，以最小宽长比的晶体管的宽长比为相对值，则k个晶体管的宽长比的比值分别为1，2，4……2^k-1，从而k个晶体管上流过的电流的比值为1，2，4……2^k-1，其中，k为自然数。

进一步，本发明的红外焦平面阵列读出电路还包括判断行读出时间和主时钟周期的电路，由积分器、比较器及计数器组成。

本发明的另一个目的是提供一种带窗口读出模式的红外焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整方法。

本发明的红外焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整方法是在列运放中增设功耗控制开关管，功耗控制开关管包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2，其中，当输入管是PMOS管时，M2设置在电源和尾电流源的栅极之间，以及M1设置在运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当输入管是NMOS管时，M1设置在尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，并且，由控制信号Power_ctrl来控制M1，而由Power_ctrl的反相控制信号Bpower_ctrl来控制M2，从而实现M1和M2的同时导通或截止，当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为零电压，Bpower_ctrl为电源电压，M1和M2截止，列运放正常工作；当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为电源电压，Bpower_ctrl为零电压，M1和M2导通，列运放将停止工作，列运放的电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。

进一步，将尾电流源设计成由k个晶体管Mc1-Mck组成的电流源阵列，该电流源阵列中的k个晶体管Mc1-Mck分别通过k个开关与列运放的输入管的源极相连，通过判断行读出时间和主时钟周期来控制k个开关是闭合还是断开，从而调节列运放的尾电流的大小，其中，k为自然数。

其中，以最小宽长比的晶体管Mc1的宽长比为相对值，则k个晶体管的宽长比与Mc1的宽长比相比，值为1，2，4……2^k-1，以晶体管Mc1上流过的电流值为相对值，k个晶体管上流过的电流为1，2，4……2^k-1，通过k个开关的闭合或断开的组合，可以得到2^k-1种尾电流值，其中最小值为行读出时间最长，主时钟周期也最长时所需要的尾电流；而最大值为行读出时间最短，主时钟周期也最短时所需要的尾电流，其中，k为自然数。

进一步，本发明的红外焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整方法还包括根据行读出时间和主时钟频率来调节列运放的尾电流的大小的方法，包括以下步骤：

1)积分器在复位后，积分器的输出电压从参考电压开始上升；

2)比较器将积分器的输出电压与固定电压进行比较，并输出比较信号，与每一行读出结束的标识信号经过“或”逻辑操作，产生计数器时钟信号；

3)每经过一个行周期，计数器计数加一；

4)当积分器的输出电压上升至固定电压时，比较信号为正值，计数器停止工作，得到计数的终值；

5)与2^k-1种尾电流值从小到大相对应，将计数的终值从小到大划分区间；

6)将计数的终值传输至多路复选器，多路复选器根据其所对应的区间产生相对应的k个作为控制信号的电源电压或零电压，并将这k个电压分别输送到列运放的尾电流源阵列的S1-Sk处，通过控制k个开关的闭合或断开调整尾电流的大小，从而实现列运放功耗的自适应控制，其中，k为自然数。

进一步，以上方法，同样能够判断主时钟周期的大小。

本发明优点和积极效果如下：

本发明实现了带窗口功能的焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整，列运放和输出运放的尾电流源分别变成设计成由k个晶体管组成的电流源阵列，并在列运放上增加了功耗控制开关管，使得焦平面阵列不仅可以灵活地调整帧频，而且可以实现在不同的读出模式下自适应地调整功耗。本发明的方法使得无论在大窗口，低帧频工作模式下，还是在小窗口，高帧频工作模式下，都能够在满足速度要求的情况下，以适当的功耗正常工作，并有效地避免了单一功耗设计时，在不同工作模式下出现的功耗浪费。本发明可以满足高分辨率，便携式成像系统的要求，将会获得广泛的应用。

附图说明

图1(a)是窗口工作模式的图示，图1(b)是焦平面阵列读出电路的示意图；

图2是本发明的窗口工作模式下列运放的工作状态示意图；

图3是根据本发明的一个实施方式的列运放的示意图；

图4(a)是通过积分器和比较器控制计数器的计数时间的电路的示意图，图4(b)是计数器和多路复选器产生控制信号的电路的示意图；

图5是本发明的红外焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整技术的整体的原理图。

具体实施方式

下面通过实施方式详细说明本发明。

红外焦平面阵列读出电路包括像素阵列、连接每一列像素的列线以及连接在列线上的列运放。以图1(b)中的由MxN个像素1组成的阵列为例，每一列的像素连接在同一条列线上，因此MxN的阵列有M条列线L<M:1>，每条列线连接一个列运放2，其中，M和N为自然数。

为了将读出窗口范围之外的列运放关闭，在每个列运放2上增加功耗控制开关管，如图2所示。

功耗控制开关管包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2，其中，当输入管是PMOS管时，M2设置在电源和尾电流源的栅极之间，以及M1设置在运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当输入管是NMOS管时，M1设置在尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，则当功耗控制开关管导通时，列运放的电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。

以PMOS晶体管为输入管的列运放为例，如图3所示，列运放的尾电流源为一个k位的电流源阵列，由PMOS晶体管Mc1-Mck构成。Vb是Mc1-Mck的栅极偏置电压。晶体管M3和M4是输入管。Vp和Vn是分别是列运放的两个输入端电压。M5-M8为共栅管，Vbp和Vbn分别为M5-M6和M7-M8的栅极偏置电压。M9和M10为镜像电流管。晶体管M1和M2是新增加的功耗控制开关管，需要同时导通或同时截止。其中M1是NMOS晶体管，由Power_ctrl来控制，而M2是PMOS晶体管，所以为了实现同时导通或截止，需要由Power_ctrl的反相信号Bpower_ctrl来控制。当Power_ctrl为电源电压时，Bpower_ctrl为零电压，M1和M2导通，从而使得M9-M10和Mc1-Mck的栅源电压V_GS＝0，列运放将停止工作；当Power_ctrl为零电压时，Bpower_ctrl为电源电压，M1和M2截止，列运放正常工作。从而在窗口读出模式中，如果该列在窗口范围内，列运放正常工作，列运放中有电流，如果该列不在窗口范围之内，则将该列列运放的电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。

Power_ctrl的产生方法是：将窗口读出模式时的列起始位置x_A和终止位置x_B的二进制码SC<M:1>和EC<M:1>，通过行列译码的形式，分别转换成对应的热编码SC_thermol<M:1>和EC_thermol<M:1>，对应于读出电路阵列中的每一列。Power_ctrl和Bpower_ctrl的值由下式得出：

$\mathrm{Power}\_\mathrm{ctrl}=\mathrm{SC}\_\mathrm{thermol}<M:1>+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{EC}\_\mathrm{thermol}<M:1>}$

$\mathrm{BPower}\_\mathrm{ctrl}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Power}\_\mathrm{ctrl}}$

以MxN的阵列为例，在窗口范围内的列运放是第x_A列到第x_B列。下表中列出了SC_thermol<1:M>的值和EC_thermol<1:M>的值。最后一行是Power_ctrl值，1表示电源电压，0表示零电压。若此列在窗口内，Power_ctrl＝0，反之若此列不在窗口内，Power_ctrl＝1。由于已知SC_thermol<1:M>的值和EC_thermol<1:M>的值，可以求出Power_ctrl的值。

列数	1	2	……	XA	……	XB	……	M
									SC_thermol<1:M>	1	1	1	0	0	0	0	0
EC_thermol<1:M>	1	1	1	1	1	1	0	0
									Power_ctrl	1	1	1	0	0	0	1	1

如上表所示，对于第L列，1≤L≤M，若第L列在窗口内，则SC_thermol<L>＝0，EC_thermol<L>＝1，Power_ctrl＝0，即为零电压，列运放正常工作；若第L列不在窗口内，a)L＜x_A，SC_thermol<L>＝1，EC_thermol<L>＝1，Power_ctrl＝1，列运放停止工作，b)L＞x_B，SC_thermol<L>＝0，EC_thermol<L>＝0，Power_ctrl＝1，列运放停止工作。从而在窗口读出模式中，如果该列不在窗口范围之内，则将该列列运放的尾电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。如图2所示。MxN阵列通过M条列线与列运放相连，Power_ctrl<M:1>分别控制第M列到第一列的列运放。Shut表示该列列运放不工作，open表示该列列运放工作。

尾电流源阵列Mc1-Mck分别通过k个开关S1-Sk与列运放的输入管M3和M4的源级相连。通过判断行读出时间来控制k个开关是闭合还是断开，从而调节列运放尾电流的大小。以最小宽长比的晶体管Mc1的宽长比为相对值，则k个晶体管的宽长比与Mc1的宽长比相比，值为1，2，4……2^k-1，以晶体管Mc1上流过的电流值为相对值，k个晶体管上流过的电流为1，2，4……2^k-1。通过k个开关的闭合或断开的组合，可以得到2^k-1种尾电流值。其中最小值为行读出时间最长，主时钟周期也最长时所需要的尾电流；而最大值为行读出时间最短，主时钟周期也最短时所需要的尾电流，其中，k为自然数。

判断行读出时间和主时钟周期并控制尾电流的大小的电路如图4(a)和(b)所示。它由积分器5和比较器6以及计数器3和多路复选器4组成。积分器不限于图4(a)中所示的结构，在此仅以图4(a)中结构为例。工作原理是：复位开关Sreset闭合，积分器的输出电压V_out被复位到参考电压V_ref，V_ref的值可以由内部产生，也可以由外部输入。然后复位开关Sreset断开，电流对电容充电，积分器输出电压V_out电压上升。

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{in}})}{R}\&CenterDot;\frac{t}{C}$

上式中V_in是一个固定的电压值，可以由内部产生，也可以由外部输入。由于V_ref，V_in和RC的值均为已知的固定值，因此V_out只是时间t的函数。V_set是一个固定电压，是判断积分器结束积分的一个参考电压。V_set与V_out经过比较器5，输出比较信号compare，当V_out＜V_set时，compare值为负；当V_out≥V_set时，compare值为正。令V_out＝V_set，可以解出

设该值为T₀，则T₀是一个固定值。

图4(b)中，每一行读出结束的标识信号CLK与比较信号compare经过“或(or)”逻辑操作，产生计数器时钟信号，Reset为计数器的复位信号，out1是计数器的输出。将积分器的复位信号作为计数器的复位信号。当积分器复位结束，计数器开始计数，每经过一个行周期，计数加一。当t＝T₀时，compare值为正，则计数器停止计数，得到计数的终值Out1。

由于行读出周期＝T₀/Out1，因此Out1越大，表示行读出周期越短，则列运放的信号建立时间越短，需要更大的尾电流；Out1越小，表示行读出周期越长，列运放的信号建立时间越长，列运放需要的尾电流越小。将Out1的值从小到大划分区间，分别与2^k-1种尾电流值从小到大相对应，而实现尾电流值变化是通过S1-Sk这k个开关。因此通过多路复选器，Out1的值将与S1-Sk的控制码相对应。例如，当Out1为最大值时，对应最大的尾电流值，则S1-Sk需要全部闭合，因此多路复选器输出S1_ctrl-Sk_ctrl均为低电平。而当Out1为最小值时，对应最小的尾电流值，则只有S1需要闭合，S2-Sk均要断开，因此多路复选器输出中只有S1_ctrl是低电平，其他输出均为高电平，其中，k为自然数。

采用上述电路和方法，同样能够判断主时钟周期的大小。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种红外焦平面阵列读出电路，所述红外焦平面阵列读出电路包括MxN个像素的像素阵列、连接每一列像素的列线以及连接在列线上的列运放，其特征在于，所述列运放包括尾电流源、输入管、运放负载管以及功耗控制开关管，所述功耗控制开关管包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2，其中，当所述输入管是PMOS管时，M2设置在电源和所述尾电流源的栅极之间，以及M1设置在所述运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当所述输入管是NMOS管时，M1设置在所述尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在所述运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，其中，M和N为自然数。

2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述尾电流源包括由k个晶体管组成的电流源阵列，分别经由k个开关与列运放的输入管的源极相连，其中，以最小宽长比的晶体管的宽长比为相对值，则所述k个晶体管的宽长比的比值分别为1，2，4……2^k-1，从而所述k个晶体管上流过的电流的比值为1，2，4……2^k-1，其中，k为自然数。

3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，进一步包括判断行读出时间和主时钟周期的电路，由积分器、比较器及计数器组成。

4.一种自适应功耗调整方法，用于红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，在列运放中增设功耗控制开关管，所述功耗控制开关管包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2，其中，当输入管是PMOS管时，M2设置在电源和尾电流源的栅极之间，以及M1设置在运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当输入管是NMOS管时，M1设置在尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，并且，由控制信号Power_ctrl来控制M1，而由Power_ctrl的反相控制信号Bpower_ctrl来控制M2，从而实现M1和M2的同时导通或截止，当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为零电压，Bpower_ctrl为电源电压，M1和M2截止，列运放正常工作；当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为电源电压，Bpower_ctrl为零电压，M1和M2导通，列运放将停止工作，列运放的电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。

5.如权利要求4所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，进一步，将尾电流源设计成由k个晶体管Mc1-Mck组成的电流源阵列，该电流源阵列中的k个晶体管Mc1-Mck分别通过k个开关与列运放的输入管的源极相连，通过判断行读出时间和主时钟周期来控制k个开关是闭合还是断开，从而调节列运放的尾电流的大小，其中，k为自然数。

6.如权利要求5所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，以最小宽长比的晶体管Mc1的宽长比为相对值，则k个晶体管的宽长比与Mc1的宽长比相比，值为1，2，4……2^k-1，以晶体管Mc1上流过的电流值为相对值，k个晶体管上流过的电流为1，2，4……2^k-1，通过k个开关的闭合或断开的组合，可以得到2^k-1种尾电流值，其中最小值为行读出时间最长，主时钟周期也最长时所需要的尾电流；而最大值为行读出时间最短，主时钟周期也最短时所需要的尾电流，其中，k为自然数。

7.如权利要求6所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，包括根据行读出时间和主时钟频率来调节列运放的尾电流的大小的方法，包括以下步骤：

1)积分器在复位后，积分器的输出电压从参考电压开始上升；

2)比较器将积分器的输出电压与固定电压进行比较，并输出比较信号，与每一行读出结束的标识信号经过“或”逻辑操作，产生计数器时钟信号；

3)每经过一个行周期，计数器计数加一；

4)当积分器的输出电压上升至固定电压时，比较信号为正值，计数器停止工作，得到计数的终值；

5)与2^k-1种尾电流值从小到大相对应，将计数的终值从小到大划分区间；

6)将计数的终值传输至多路复选器，多路复选器根据其所对应的区间产生相对应的k个作为控制信号的电源电压或零电压，并将这k个电压分别输送到列运放的尾电流源阵列的S1-Sk处，通过控制k个开关的闭合或断开调整尾电流的大小，从而实现列运放功耗的自适应控制，其中，k为自然数。

8.如权利要求7所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，同样能够判断主时钟周期的大小。

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