CN102494781B - 一种读出电路偏置结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种读出电路偏置结构，包括第一MOS管、第二MOS管、参比电阻、热敏电阻、运算放大器，温度补偿电阻，第三MOS管和第四MOS管，其中温度补偿电阻一端连接于第一MOS管和第二MOS管之间，另一端连接第三MOS管和第四MOS管之间且与第三MOS管的衬底相连，第三运算放大器的同相输入端连接在第一MOS管和第二MOS管之间，反相输入端与输出端相连构成单位增益缓冲器；且通过电阻连接在第四运算放大器的反向输入端，通过积分电容积分，输出电压。

Description

一种读出电路偏置结构

技术领域

本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，具体涉及一种无需TEC（半导体制冷器）的读出电路偏置结构。

背景技术

所有物体均发射与其温度和物质特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段，波长为1μm到24μm左右。红外辐射提供了客观世界的丰富信息，将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，充分利用这些信息是人们追求的目标。红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件。自1973年美国罗门空军发展中心首先提出用于红外热成像的硅化物肖特基势垒探测器列阵以来，红外焦平面探测器得到了迅速的发展。同众多的高技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外成像仪可装备各类战略和战术武器，常用于红外侦察、预警、跟踪和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。它除应用于传统的军事成像外，还广泛应用于工业自控、医疗诊断、化学过程监测、红外天文学等领域。

微测辐射热计探测器是应用最广泛的一种红外焦平面阵列，它是一种热敏电阻性探测器。其工作原理是热敏材料把入射的红外辐射产生的温度变化转变成电阻变化，通过测量电阻变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计焦平面阵列是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作绝热结构，并在其上面形成作为探测器单元的微测辐射热计，实现单片结构。微测辐射热计焦平面阵列作为第二代非制冷焦平面技术的佼佼者，以它为核心制作的非制冷红外成像系统与制冷红外成像系统相比具有体积小、功耗低的优点，并使系统的性能价格比大幅度提高，极大地促进了红外成像系统在许多领域中的应用。

读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路(ROIC)出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。诸如光伏型的、非本征硅的、铂硅的和许多光电导型的高阻抗探测器对电磁干扰(EMI) 非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方减少EMI的影响。使用分立元件要求大量的面积，并且在一个给定的光学视场中对实现的通道数目提出了苛刻的限制。ROIC帮助减少了EMI问题。读出集成电路(ROIC)方法还提供探测器热学/机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是MOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。

读出电路的功能是提取探测器热敏材料的电阻变化，转换成电信号并进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。目前主要有CCD型读出电路CMOS型读出电路。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。

随着热成像市场的发展，小体积、低功耗的探测器越来越受到市场的青睐，传统的探测器在工作时需要固定焦平面的衬底温度。一个带有TEC的非制冷红外探测器系统，仅TEC的功耗在500 到 2000 mW，体积增加3 到10 cm³。所以无TEC的非制冷红外探测器系统是发展的必然趋势。

在有TEC的情况下，由于热容、热导以及单元自发辐射的影响，TCR（电阻温度系数）随着衬底温度发生变化，象元的阻值也会发生变化。最终导致信号输出随衬底温度发生变化，严重影响了成像效果。所以研究一种无需TEC的读出电路偏置结构显得尤为意义重大。

发明内容

针对上述现有技术，本发明所要解决的问题是，提供一种无需TEC的读出电路偏置结构，该电路在衬底温度发生变化时，信号输出不受影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种读出电路偏置结构，包括第一NMOS管、第二PMOS管、参比电阻、热敏电阻，第一集成DAC，第二集成DAC，第一NMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极相连接，还包括一温度补偿电阻，第三PMOS管和第四PMOS管，其中，第三PMOS管的源极和第四PMOS管的漏极相连接，温度补偿电阻的一端连接在第一NMOS管和第二PMOS管的漏极连接线上，另一端连接在第三PMOS管和第四PMOS管的源极和漏极的连接线上且与第三PMOS管的衬底相连，第一集成DAC的输出端连接在第一集成运算放大器同相输入端，第一集成运算放大器的输出端连接在第一NMOS管的栅极上，第二集成DAC的输出连接在第二集成运算放大器同相输入端，第二集成运算放大器的输出端连接在第二PMOS管的栅极上，参比电阻通过第三集成DAC与第二PMOS管的源极连接，同时第三集成DAC的输出端连接在第二集成运算放大器的反相输入端，热敏电阻的一端连接第一NMOS管的源极和第一集成运算放大器的反相输入端，热敏电阻的另一端接地，第三PMOS管和第四PMOS管的栅极分别接第四集成DAC、第五集成DAC的输出端，第三PMOS管的漏极接地，第四PMOS管的源极接电源；

还包括第三集成运算放大器，其同相输入端接在第一NMOS管和第二PMOS管的漏极连接线上，反相输入端与输出相连接构成单位增益缓冲器，其输出端经串联电阻后连接第四集成运算放大器的反相输入端，第四集成运算放大器的同相输入端接参考电压V_REF，在反相输入端与输出间并联积分电容。

进一步地，所述参比电阻和温度补偿电阻均为与相邻MOS管衬底热短路的电阻型测辐射热计，热敏电阻为与其相邻MOS管衬底热隔离的电阻型测辐射热计。

进一步地，所述第三集成运算放大器的输出端和第四集成运算放大器的反相输入端间串联的电阻为一个半导体电阻。

进一步地，积分复用电容两端并联有开关。

与现有的读出电路偏置结构相比，本发明的优点有:

（1）采用此种读出电路偏置结构，不用使用TEC，可以实现低功耗，小体积的非制冷红外探测器系统。

（2）采用此种读出电路偏置结构，设有温度补偿电阻R_ts，无需在片外对输出信号做温度补偿校正，减少系统的复杂性。

（3）采用此种读出电路偏置结构，积分器运放的正端电压V_B 随衬底温度的变化很小，保证了输出动态范围不会受到衬底温度的影响。

（4）采用此种读出电路偏置结构，对各种阵列大小的红外焦平面均适用，通用性强。

附图说明

图1是电阻型测辐射热计的阻值和TCR随温度变化的特性；

图2是传统的读出电路偏置结构示意图；

图3是本发明中的读出电路偏置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，电阻型测辐射热计的阻值和TCR（电阻温度系数）随衬底温度的变化特性，其中，曲线a表示阻值，曲线b表示TCR，由于热容、热导以及单元自发辐射的影响，TCR和阻值都随着衬底温度发生变化。

针对现有的读出电路偏置结构，如图2所示，当衬底温度发生变化时，参比电阻R_b和热敏电阻Rs的阻值都发生了变化，当有红外辐射的时候，产生了信号电流在不同的衬底温度时也发生了变化，如式(1)所示：

其中V_b 为参比电阻R_b的偏压，V_s 为热敏R_s上的偏压。

本发明的一种无需TEC的读出电路偏置结构如图3所示：针对传统的偏置电路结构，本发明中的偏置结构增加了一个温度补偿电阻R_ts，该电阻与参比电阻R_b都为电阻型测辐射热计。同时增加由第三集成运算放大器opamp3构成的单位增益缓冲器，完成对积分电流的转换;如式(2)所示。

其中T_INT 为积分时间，C_INT 为积分电容，C_{INT_SH1} 为积分、采用复用电容，V_B 为积分器运放的正端电压，V_A 为节点A的电压，R_A 为常规半导体电阻。经过采样后，V_B 被消除得到最后的信号电压。式(2)中电压值V_A是固定的，其电压值由参考电压V_REF决定。

经过采样后，V_B 被消除得到最后的信号电压。所以最终输出电压为：

从式（3）中看出V_A 、R_A 、T_INT 、C_INT 以及C_{INT_SH1} 都与衬底温度无关，所以输出电压Vout与温度的关系主要体现在V_B 点的温度特性上。

V_B 点电压可以有下式表示：

其中，V_SK 、V_fid 和V_eb 为偏置电压，该电压可由片外提供，也可由片上集成DAC提供偏置。第一集成DAC（V_DAC1）可调节V_fid 。第二集成DAC（V_DAC2）可调节V_eb 。R_b 为参比电阻，即与衬底热短路的电阻型测辐射热计。R_DAC 为可调电阻。第三集成DAC（R_DAC3）可调节R_DAC 。R_ts 为温度补偿电阻，也是与衬底热短路的电阻型测辐射热计。Rs为热敏电阻，与衬底热隔离的电阻型测辐射热计。

当有外界辐射以及衬底温度发生变化时，V_B 点的电压可由下式表示：

其中α1(Tsub)为参比电阻Rb和第三集成DAC （R_DAC3)组合后有效的TCR，α2(Tsub)为热敏电阻R_s的TCR，α3(Tsub)为温度补偿电阻R_ts的TCR。三者都与衬底温度有关。T1为衬底的初始温度，T2为热敏电阻R_s的初始温度，ΔTsub为衬底的温升。ΔT为外界辐射引起的热敏电阻R_s的温升。

通过调节V_SK 、V_fid 和V_eb 的值，可以使得下式成立：

因此，V_B 点的电压可转化为式 (7)：

由于自热效应的存在，热敏电阻R_s的温度较衬底温度有一个温升，当热敏电阻R_s的阻值为60KΩ，V_fid为1.2V，偏置时间为每帧20μs ，热导G=1×10^-7 W/K, 热容 C=1×10^-8 J/K的时候，热敏电阻R_s上的温升为0.3K。α2(Tsub)较 α3(Tsub)变化了0.2%，即α3(Tsub)≈α2(Tsub)。所以最终V_B 点的电压为：

当衬底温度为300K时，α2(Tsub)的典型值为-0.02，当衬底温度变化20K时，α2(Tsub)变化0.002。所以V_B 点的电压随衬底温度的变化很小。

另外，式(8)中电压值Vr1是固定的，其电压值由P型的第三MOS管M3的特性以及第四MOS管M4的特性决定。一般设置合理的第四集成DAC（ V_DAC4）和第五集成DAC（ V_DAC5）的电压，所以Vr1为固定值。

以上五个集成DAC的输入控制信号都是由外部根据需要给定。

本发明对不同阵列大小的红外焦平面阵列均可以使用，例如：160*120，320*240，384*288等等。

采用本发明的一种无需TEC的读出电路偏置结构，以去除TEC的使用，实现低功耗，小体积的非制冷红外探测器系统，同时保证了输出动态范围不会受到衬底温度的影响，并且无需在片外对输出信号做温度补偿校正，减少系统的复杂性。

Claims (4)

1.一种读出电路偏置结构，包括第一NMOS管（M1）、第二PMOS管（M2）、参比电阻（R_b）、热敏电阻（R_s），第一集成DAC（V_DAC1），第二集成DAC（V_DAC2），第一NMOS管（M1）的漏极与第二PMOS管（M2）的漏极相连接，其特征在于：还包括一温度补偿电阻（R_ts），第三PMOS管（M3）和第四PMOS管（M4），其中，第三PMOS管（M3）的源极和第四PMOS管（M4）的漏极相连接，温度补偿电阻（R_ts）的一端连接在第一NMOS管（M1）和第二PMOS管（M2）的漏极连接线上，另一端连接在第三PMOS管（M3）和第四PMOS管（M4）的源极和漏极的连接线上且与第三PMOS管（M3）的衬底相连，第一集成DAC（V_DAC1）的输出端连接在第一集成运算放大器（opamp1）同相输入端，第一集成运算放大器（opamp1）的输出端连接在第一NMOS管（M1）的栅极上，第二集成DAC（V_DAC2）的输出连接在第二集成运算放大器（opamp2）同相输入端，第二集成运算放大器（opamp2）的输出端连接在第二PMOS管（M2）的栅极上，参比电阻（R_b）通过包括可调节电阻R_DACD的第三集成DAC（R_DAC3）与第二PMOS管（M2）的源极连接，同时第三集成DAC（R_DAC3）的输出端连接在第二集成运算放大器（opamp2）的反相输入端，热敏电阻的一端连接第一NMOS管（M1）的源极和第一集成运算放大器（opamp1）的反相输入端，热敏电阻（R_s）的另一端接地，第三PMOS管（M3）和第四PMOS管（M4）的栅极分别接第四集成DAC（V_DAC4）、第五集成DAC（V_DAC5）的输出端，第三PMOS管（M3）的漏极接地，第四PMOS管（M4）的源极接电源；

还包括第三集成运算放大器（opamp3），其同相输入端接在第一NMOS管（M1）和第二PMOS管（M2）的漏极连接线上，反相输入端与输出相连接构成单位增益缓冲器，其输出端经串联电阻后连接第四集成运算放大器（opamp4）的反相输入端，第四集成运算放大器（opamp4）的同相输入端接参考电压V_REF，在反相输入端与输出间并联积分电容（C_INT）。

2.根据权利要求1所述的读出电路偏置结构，其特征在于：所述参比电阻（R_b）和温度补偿电阻（R_ts）均为与相邻MOS管衬底热短路的电阻型测辐射热计，热敏电阻（R_s）为与其相邻MOS管衬底热隔离的电阻型测辐射热计。

3.根据权利要求1所述的读出电路偏置结构，其特征在于：所述第三集成运算放大器（opamp3）的输出端和第四集成运算放大器（opamp4）的反相输入端间串联的电阻为一个半导体电阻（R_A）。

4.根据权利要求1所述的读出电路偏置结构，其特征在于：积分复用电容（C_INT）两端并联有开关。

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