CN102589718A

CN102589718A - 一种硅基焦平面器件的读取方法

Info

Publication number: CN102589718A
Application number: CN2012100458608A
Authority: CN
Inventors: 张康
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种硅基焦平面器件的读取方法，采用了如下读出电路，该读出电路包含焦平面阵列电路、垂直移位寄存器、组选移位寄存器和多路选择开关等主要部分。本发明所设计的读出电路结构由于采用了新颖的读出方式，使得电路后端需要的放大器和积分器的数目大大减少，从而减少了读出电路的复杂性，也使得读出电路芯片的引脚数得以大大减少。该读出电路结构还避免了由于器件制造过程中产生的不一致性给读出的电压信号带来的误差。本发明的电路结构可以应用到以硅为衬底材料的焦平面下面做电路的读出电路结构中去，其可移植性很强，适合于任何规模阵列的读出电路的设计。

Description

一种硅基焦平面器件的读取方法

技术领域

一种硅基焦平面器件的读取方法，属于电子技术领域，具体涉及硅基焦平面器件的读出电路结构的设计。

背景技术

红外技术是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外焦平面阵列是红外成像系统的核心部件，它由红外探测器和读出电路两部分组成。读出电路为数模混合大规模MOS集成电路，其功能是对探测器感应的微弱红外电信号进行前置处理（如积分、放大、滤波和采样／保持等）及信号的并／串行转换。读出电路主要有CCD和CMOS两种类型，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。

集成电路经历了PMOS、NMOS工艺技术后，CMOS工艺技术已成为当今集成电路的主流工艺技术。除了同样的高密度、低功耗性能外，CMOS集成电路还在低工作电压、抗辐射能力、像元数据随机访问（即可在焦平面上任意开窗）等方面较CCD有优势。更重要的是，它是一种通用的硅工艺技术，其设计规范是高度标准化的，可在同一硅片上集成各种信号处理的拟和数字功能部件，如A／D、控制时序逻辑等，为实现单片系统（System on Chip）提供了可能。另外，因同一硅片上的N管和P管极性互补，使电路结构不但变得更简单，也使设计变得更灵活。鉴于如此诸多的优点，红外焦平面阵列CMOS读出电路时代的到来就是顺理成章的事了。

1993年美国霍尼威尔公司报导T16×64、64×128、240×336元非制冷微测辐射热计红外焦平面阵列，该阵列是将微测辐射热计红外探测器和CMOS读出电路制备在同一硅基底上，即CMOS读出电路集成在硅基底上，这使得来自每个单～微测辐射热计红外探测器的信号都能单独得到测量，在每一个帧时里，所有信号都能被取样。读出电路由每个像元下的一个高速晶体管开关和周围的多路传输器构成，多路传输器使每个微测辐射热计能够经由金属薄膜的行和列顺序读出。目前，圣巴巴拉研究中心、洛克希德公司、波音北美公司、雷瑟恩公司、AllianTechsystems公司等五家公司己经获得霍尼威尔公司的微测辐射热计技术转让许可证。霍尼威尔公司的320×240微测辐射热计非致冷焦平面阵列已投入批量生产。

但是国内的工艺水平还处于一个较低的发展水平上，电路的实现能力不能满足设计的需要，这就使得读出电路的发展水平较低。且国内对读出电路的研究较少，缺乏成熟的经验可以借鉴，因此开展这方面的工作是很有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供硅基焦平面器件的读出电路的设计方法。本发明采用的电路结构可以应用到以硅为衬底材料的焦平面下面做电路的读出电路结构中去，其可移植性很强，适合于任何规模阵列的读出电路的设计。其特点是：

以硅为衬底材料的焦平面电路的读出电路结构，包括：

（1）焦平面阵列电路：完成光电信号的转换；

（2）垂直移位寄存器：产生行选信号，在行选信号的控制下，选通一行的像素单元；

（3）组选移位寄存器：产生列选信号，通过选通几列的行选后的信号到多路选择开关中；

（4）多路选择开关：把选通的像素单元按照一定的规律输出。

对于一个M×N阵列，N列像素单元电路的输出分为L组，由组选移位寄存器进行控制选通其中的一组，然后把该组的信号读出到多路选择开关电路中进行输出。

阵列内部的结构中采用一种桥式结构。R1、R2是热沉测辐射热计电阻，它们不随着温度的变化而发生变化，R3是光学屏蔽参考测辐射热计电阻，不受所加的红外辐射的影响，它与探测器电阻的温度系数是一致的，R4是探测器测辐射热计电阻，由于探测器测辐射热计电阻受红外辐射的影响，其温度发生变化而产生电阻的变化。

控制信号模块垂直移位寄存器、组选移位寄存器和多路选择开关采用了D触发器来实现，每个D触发器的输入是上一级D触发器的输出，D触发器的输出同时用于控制对应的行的MOS的栅极，每个模块的D触发器使用同步时钟。开始输入一个脉冲信号作为第一个D触发器的初始输入，并以此来控制选通第一行或第一列。

本发明的优点有：

（1）采用此电路结构可减少放大器和积分器的数目，减少了读出电路的复杂性；

（2）采用此电路结构避免了由于器件制造过程中产生的不一致性给读出的电压信号带来的误差；

（3）依此电路设计的版图结构紧凑和电路产生较低的功耗；

（4）采用桥式结构可以尽可能地消除固定图像噪声的影响；

（5）采用此电路实现的读出电路芯片的引脚数得到大大的减少；

（6）采用此电路结构可以较好的实现后续信号处理电路的设计。

附图说明

图1芯片部分的系统框图；

图2读出电路芯片部分图；

图3桥式结构电路图；

图4移位寄存器的电路图；

图5 D触发器的电路图；

图6读出电路的时序图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步描述：

以160×120阵列红外焦平面读出电路为例说明该发明的技术解决方案：

参见图1，以硅为衬底材料的焦平面电路的读出电路结构，包括：

（1）焦平面阵列电路：完成光电信号的转换；

如图2所示：采用的读出方式是行选通逻辑在时钟信号的控制下每次选通一行，同时用组选移位寄存器控制每次读取每一列中的n个信号，这样所有列共需要m个组选移位寄存器才能把第一列的所有像元读出来（m × n＝120），在第一个组选移位寄存器选通时，选通了前面的n列，这样就选通了这n个像元，随后第二，第三，第四个组选移位寄存器选通时选通第二组n个，第三组n个，第四组n个像元，直到把第一行的所有的像元都选通以后，在选通之后还要经过多路开关控制是哪一个像元从芯片中读出来。行选通逻辑在下一个时钟脉冲控制下选通第二行……如此这样进行下去所有的像元都可以选通。各组之间的像元是串行输出的，这样做的好处有：（1）可减少放大器和积分器的数目，减少了读出电路的复杂性；（2）避免了由于器件制造过程中产生的不一致性给读出的电压信号带来的误差（3）版图紧凑和低的功耗。不利有：（1）使读出全部信号的时间变长，图像显示速度变慢；（2）阵列较远的像元由于经过的路径变长可能使这些像元的信号误差变大。（3）读出的带宽很高将增加总的噪声。同时对于每一组中的n个像元又是并行输出的，这样做的好处是给后面的积分器更多的积分时间，这样又可以减少读出带宽，进而减小总的噪声，才能使得后面在图像显示时能够更好的显示出图像。在这样的串并结合中，根据实际电路的需要，取得很好的折衷。

图3是微测辐射热计探测器的桥式读出电路，能提高探测器系统输出信号的低频稳定性。桥的工作是使用敏感相探测在两个桥腿产生的对桥腿电阻变化敏感的输出信号的差分信号。使用这种读出电路可以测量桥上电阻的百万分之一的变化。其原理是左边的一列作为参考列，一直固定接在差分放大器的负输入端。右边是我们的焦平面阵列。R1、R2是热沉测辐射热计电阻，它们不随着温度的变化而发生变化，R3是光学屏蔽参考测辐射热计电阻，不受所加的红外辐射的影响，它与探测器电阻的温度系数是一致的，R4是探测器测辐射热计电阻，由于探测器测辐射热计电阻受红外辐射的影响，其温度发生变化而产生电阻的变化。探测器电阻的下限是由在读出过程中由于加热引起的电阻变化的处理能力决定的，其上限是输入的噪声电流导致的噪声增加决定的，它取决于可允许的噪声水平。它们的输出都被送到差分放大器中进行差分读出。其目的是尽可能地消除固定图像噪声的影响（固定图形噪声由于材料和制造工艺等多种原因，导致阵列中每个像元电路的性能出现了偏差，即使每个像元输入相同的信号，其输出信号的大小也不一样，即产生了阵列电路特有的固定图形噪声。）

图4和图5示出了移位寄存器的具体设计示意图。在CLK同步信号的控制下，输入一个脉冲信号HSY，在时钟的下降沿实现选通第一个D触发器输出Shiftl，之后在下个时钟的下降沿第二个D触发器输出shift2……依此原理实现了移位的功能。

图6示出了电路的时序图。在脉冲信号hsyl到来后，clkl的下降沿到来时hshiftl输出高电平，在下一个下降沿hshift2输出高电平……直到hshiftM输出高电平。脉冲信号hsy2的周期是hshiftl的高电平的持续时间，在clk2的下降沿到来时gshiftl输出高电平……直到gshiftN输出高电平。

Claims

1.一种硅基焦平面器件的读取方法，其特征在于，采用了如下读出电路，包括：

1）焦平面阵列电路：完成光电信号的转换；

2）垂直移位寄存器：产生行选信号，在行选信号的控制下，选通一行的像素单元；

3）组选移位寄存器：产生列选信号，通过选通几列的行选后的信号到多路选择开关中；

4）多路选择开关：把选通的像素单元按照一定的规律输出；

其中，所述电路的工作时序如下：电路以一个帧时作为重复的工作周期，一个帧时是指焦平面阵列中所有的像素单元都要进行一次选通；电路首先进行行选从第一行到最后一行依次进行选通；在每一行的行选信号有效期间，阵列按照一定的规律把这一行的像素分为几组，然后进行依次的选通读出；

所述的控制信号模块垂直移位寄存器、组选移位寄存器和多路选择开关采用了D触发器来实现，每个D触发器的输入是上一级D触发器的输出，D触发器的输出同时用于控制对应的行的MOS管的栅极，每个模块的D触发器使用同步时钟；开始输入一个脉冲信号作为第一个D触发器的初始输入，并且以此来控制选通第一行或第一列；

以及，在焦平面阵列中还采用了桥式电路结构，其中R1、R2是热沉测辐射热计电阻，它们不随着温度的变化而发生变化，R3是光学屏蔽参考测辐射热计电阻，不受所加的红外辐射的影响，它与探测器电阻的温度系数是一致的，R4是探测器测辐射热计电阻，由于探测器测辐射热计电阻受红外辐射的影响，其温度发生变化而产生电阻的变化。