CN102735344A

CN102735344A - 一种红外焦平面阵列探测器的读出电路

Info

Publication number: CN102735344A
Application number: CN2012102359306A
Authority: CN
Inventors: 吕坚; 周云; 杜一颖; 于彩灯; 吴张玉
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102735344B

Abstract

本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列探测器的读出电路，包括至少两个列读出电路，每个列读出电路包括第一晶体管、第二晶体管、参比电阻和列输出端；第一晶体管的源极连接到微测辐射热计阵列中的微测辐射热计，漏极连接到第二晶体管的漏极，栅极连接到V_FID；第二晶体管的源极连接到参比电阻的一端，栅极连接到Veb；该至少两个列读出电路的参比电阻相互并联。本发明实施例中，并联的参比电阻与每个列读出电路相连接。即使某一列中的参比电阻的性能与其他列不一样，但由于每一行工作时，流进每一列的电流是一样的，因此当温度变化时，流入每一列的电流的变化是一致的，对每一列的输出结果的校正是一致的，从而提高了输出图像的均匀性。

Description

一种红外焦平面阵列探测器的读出电路

技术领域

本发明涉及一种红外焦平面阵列探测器，尤其是涉及一种红外焦平面阵列探测器的读出电路。

背景技术

根据普朗克辐射定理，任何温度高于绝对零度的物体，其内部都会发生分子热运动，从而产生波长不等的红外辐射。红外辐射具有强度和波长直接与物体表面温度有关的重要特征，提供了物体的丰富的信息。但是红外辐射是一种不可见的电磁波，利用红外辐射来获取物体的信息的时候，需要将这种红外辐射转换为可测量的信号。

红外焦平面阵列探测器就是将红外辐射转换成可测量的信号的装置。红外焦平面阵列探测器通过光电转换、电信号处理等手段将目标物体的温度分布转换成视频图像，其具有抗干扰能力强、隐蔽性能好、跟踪和制导精度高等优点，在军事和民用领域获得了广泛的应用。

但是红外焦平面阵列探测器在工作温度较高时，其本身固有的热激发过程会快速增加，从而使得暗电流和噪声迅速上升，会极大地降低红外焦平面阵列探测器的性能，所以需要制冷设备使其工作在低温环境下。但是由于制冷设备的存在，使得探测系统在体积、重量、功耗和成本方面都大量增加，从而增加了它应用的困难性。

随着技术的不断发展，人们提出了非制冷红外焦平面阵列探测器。非制冷红外焦平面阵列探测器可在常温下工作，无需制冷设备，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要。因而使这项技术得到了快速的发展和广泛的应用。

微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列探测器。其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。

非制冷红外焦平面阵列探测器并非真的完全不需要制冷，而是使用热电制冷器（Thermo-Electric Cooler, TEC）来稳定其工作温度，而TEC本身具有一定的体积和功耗，从而使非制冷红外焦平面阵列探测器的应用受到一定程度的影响，所以人们尝试去除TEC。然而去除TEC后，由于像元接受红外辐射后温度会升高，衬底温度的变化会导致焦平面阵列极大的非均匀性，从而影响读出结果。

通常解决无TEC的非制冷红外焦平面阵列探测器的非均匀性的方法，一方面在于工艺上的改进，另一方面在于涉及具有非均匀性校正功能的读出电路，从而在读出电路上对这种非均匀性进行补偿，使得非制冷红外焦平面阵列探测器在没有TEC作为温度稳定装置的情况下，也能正常工作，输出具有良好质量的图像。

现有的能够对无TEC非制冷红外焦平面阵列探测器的非均匀性进行校正的读出电路的非均匀性校正的效果会受到元件由于加工工艺等的影响而产生的相同类型元件之间的性能差异的影响，从而使得这种现有的读出电路的非均匀性校正效果不是很好。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种非均匀性校正效果不受元件之间性能差异的影响的红外焦平面阵列探测器的读出电路。

本发明实施例公开的技术方案包括：

提供了一种红外焦平面阵列探测器的读出电路，所述红外焦平面阵列探测器包括微测辐射热计阵列，其特征在于：包括至少两个列读出电路，每个所述列读出电路分别连接到所述微测辐射热计阵列中的与所述列读出电路对应的列中的微测辐射热计；其中：每个所述列读出电路包括第一晶体管、第二晶体管、参比电阻和列输出端；所述第一晶体管的源极连接到所述微测辐射热计阵列中的与所述列读出电路对应的列中的微测辐射热计，所述第一晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的漏极，所述第一晶体管的栅极连接到第一偏置电压；所述第二晶体管的源极连接到所述参比电阻的一端；所述第二晶体管的栅极连接到第二偏置电压；所述参比电阻的另一端连接到第三偏置电压；所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极还连接到所述列输出端；其中所述至少两个列读出电路的所述参比电阻相互并联。

进一步地，每个所述列读出电路还包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端连接到所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极；所述运算放大器的同相输入端连接到参考电压；所述运算放大器的输出端连接到列输出端。

进一步地，每个所述列读出电路还包括电容，所述电容连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。

进一步地，每个所述列读出电路还包括复位开关，所述复位开关连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。

进一步地，每个所述列读出电路还包括列选择开关，所述列选择开关一端连接到所述第一晶体管的漏极，另一端连接到所述第二晶体管的漏极。

进一步地，所述第一晶体管为NMOS管。

进一步地，所述第二晶体管为PMOS管。

进一步地，每个列读出电路还包括采样/保持电路或者模数转换器，所述采样/保持电路或者模数转换器连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极与所述列输出端之间。

进一步地，每个列读出电路还包括采样/保持电路或者模数转换器，所述采样/保持电路或者模数转换器连接在所述运算放大器的输出端和所述列输出端之间。

本发明实施例中，并联的参比电阻与每个列读出电路相连接。这样，即使因为制造工艺、制造误差、工作环境等等因素导致某一列或者某几列中的参比电阻的性能与其他列不一样，但由于每一行工作时，流进每一列的电流是一样的，因此当温度变化时，流入每一列的电流的变化是一致的，相同的电流对每一列的输出结果的校正是一致的，从而大大提高了输出图像的均匀性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的红外焦平面阵列探测器的读出电路的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例中，红外焦平面阵列探测器是基于微测辐射热计的红外焦平面探测器，该探测器中的探测单元是微测辐射热计。即本实施例中，红外焦平面探测器包括微测辐射热计阵列，该微测辐射热计阵列即构成了该红外焦平面探测器的探测单元阵列。

通常，每个微测辐射热计具有采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构，微桥的桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面通常由两条具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电连接到微测辐射热计读出电路上。通过桥腿和桥墩，热敏材料被连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。

微测辐射热计的具体结构和工作方式可以使用本领域内常用的结构和方式，在此不再详细描述。

本发明的实施例中，微测辐射热计阵列成“行列”排列，即微测辐射热计阵列可以分为多个“行”和多个“列”。本文中，“行”和“列”意指普通意义上的“行”和“列”，但是对于具体的红外焦平面阵列探测器的微测辐射热计阵列，不具体限制要求一定是某个方向的为“行”而相应的另一个方向的为“列”，而是可以灵活设定哪个方向的为“行”，哪个方向的为“列”。

图1示意性地显示了本发明一个实施例的红外焦平面探测器的读出电路。如图1所示，本发明一个实施例中，红外焦平面探测器的读出电路包括至少两个列读出电路，每个列读出电路对应连接到微测辐射热计阵列的一列。本实施例中，列读出电路的数量可以根据具体的红外焦平面探测器中的微测辐射热计阵列的列数确定，每一列对应一个列读出电路，即列读出电路的个数可以与微测辐射热计阵列的列的个数相等。图1中示意性地显示了多个列读出电路，其中每个大矩形框示意性地表示一个列读出电路的至少一部分。图1中示意性地显示了8个列读出电路。

本发明的实施例中，各个列读出电路的结构和元件可以是都是相同或者类似的，因此，这里以其中一个为例进行说明。

如图1所示，本发明的实施例中，每个列读出电路包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、参比电阻R_b1和列输出端P。

第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可以采用MOS（金属氧化物半导体）管，第一晶体管Q1的源极连接到微测辐射热计阵列中当前列读出电路对应的列中的微测辐射热计Rs；第一晶体管Q1的漏极连接到第二晶体管Q2的漏极；第一晶体管Q1的栅极连接到第一偏置电压V_FID，该第一偏置电压V_FID由外部提供，用于偏置微测辐射热计Rs，控制信号放大倍数，其电压值可以是在1.1V~2.5V之间。

前述的“当前列读出电路对应的列”是指当前的列读出电路（即当前正在描述的列读出电路）与其连接并从其中读出数据的微测辐射热计的列。

前述的该微测辐射热计Rs的另一端连接到电路的电源电压Vss。这样，V_FID和Vss可以共同对该微测辐射热计Rs进行偏置。

如上所述，第二晶体管Q2的漏极连接到第一晶体管Q1的漏极。此外，第二晶体管Q2的源极连接到参比电阻R_b1的一端；第二晶体管Q2的栅极连接到第二偏置电压Veb，该第二偏置电压Veb由基准提供。

参比电阻R_b1的另一端连接到第三偏置电压Vsk，该第三偏置电压Vsk是由外部提供的。

第三偏置电压Vsk和第二偏置电压Veb用于偏置参比电阻R_b1，控制暗电流的大小。第三偏置电压Vsk的电压值可以为4V~4.9V，第二偏置电压Veb的电压值可以为2.5V~3.5V。

本实施例中，第一晶体管Q1的漏极和第二晶体管Q2的漏极还可以连接到列输出端P。从该列输出端P输出的电流或者电压即为这个列读出电路读出的数值。

本发明的实施例中，第一晶体管Q1为NMOS管（N型金属氧化物半导体晶体管），第二晶体管Q2为PMOS管（P型金属氧化物半导体晶体管）。

如前文所述，本发明实施例中，包括多个列读出电路，列读出电路的个数与微测辐射热计阵列的列的个数相同。每个列读出电路都具有上述的结构。相应地，本发明实施例的读出电路中，当微测辐射热计阵列的列的个数为n（n为大于或等于2的整数），也即该读出电路包括n个列读出电路时，该读出电路将包括n个参比电阻（R_b1、R_b2、R_b3、……、R_bn）。

本发明的实施例中，该n个参比电阻（R_b1、R_b2、R_b3、……、R_bn）相互并列，也就是本发明的实施例中，读出电路中的该至少两个列读出电路的参比电阻相互并联。如图1所示。

本发明的实施例中，参比电阻（R_b1、R_b2、R_b3、……、R_bn）也具有较高的电阻温度系数（TCR）。

本发明的实施例中，电压V_FID通过第一晶体管Q1（例如，NMOS管）与V_SS共同对一列微测辐射热计R_S进行偏置。微测辐射热计R_S接收目标的红外辐射，自身温度升高，同时，由于环境温度变化也会使微测辐射热计R_S受到影响。所以微测辐射热计Rs产生电流I_s不仅与目标的红外辐射有关，还与环境温度有关。

电压V_eb通过第二晶体管Q2（例如，PMOS管）与V_sk共同偏置并联的参比电阻R_b1、R_b2、R_b3、R_b4、……R_bn-3、R_bn-2、R_bn-1、R_bn，用于对系统暗电流进行补偿。R_bi(i=1,2,3,……n)不接受目标红外辐射的照射，并联参比电阻产生的电流I_b只与环境温度有关，而与红外辐射无关。

并联的参比电阻与每一列的微测辐射热计单元的列读出电路相连接。由于每一个列读出电路的结构、器件是一样的，因此参比电阻产生的电流I_b将等分成n份（I_b/n）流到每一个列读出电路中。在每一个列读出电路内将R_s部分产生的电流I_s减去I_b/n，得到电流i_d，电流i_d已消去了环境温度的影响，而只与目标的红外辐射有关，可直接作为该列读出电路的输出值输出或者经过其它处理和/或转换后从列输出端P输出。

这样，即使因为制造工艺、制造误差、工作环境等等因素导致某一列或者某几列中的参比电阻的性能与其他列不一样，但由于每一行工作时，流进每一列的电流是一样的，因此当温度变化时，流入每一列的电流的变化是一致的，相同的电流对每一列的输出结果的校正是一致的，从而大大提高了输出图像的均匀性。

此外，本发明的实施例中，每个参比电阻上流过的电流较小，减小了参比电阻的热增加，延长了参比电阻的使用寿命。

本发明另一个实施例中，在前述实施例的基础上，每个列读出电路中，在第一晶体管Q1的漏极和第二晶体管Q2的漏极与列输出端P之间还可以包括积分电路。该积分电路包括运算放大器O1和电容C。第一晶体管Q1的漏极和第二晶体管Q2的漏极连接到运算放大器O1的反相输入端；运算放大器O1的输出端连接到列输出端P；电容C连接在运算放大器O1的反相输入端和该运算放大器O1的输出端之间；运算放大器O1的同相输入端连接到参考电压V_ref。这样，该积分电路可以对电流i_d进行积分，得到电压V_out。该电压V_out与环境温度无关，可以作为列读出电路的输出从列输出端P输出。

本发明另一个实施例中，在前述实施例的基础上，每个列读出电路还包括复位开关K2，复位开关K2连接在运算放大器O1的反相输入端和该运算放大器O1的输出端之间，即与电容C并联。当断开K2时，电路对输出电流i_d进行积分放大后输出，当闭合K2时，则使输出结果复位到参考电压Vref。

本发明另一个实施例中，在前述实施例的基础上，每个列读出电路还包括列选择开关K1，该列选择开关K1一端连接到第一晶体管Q1的漏极，另一端连接到第二晶体管Q2的漏极。这样，通过控制列选择开关K1闭合或者断开，即可控制选择从该列读出数据或者取消从该列读出数据。

本发明另一个实施例中，在前述实施例的基础上，每个列读出电路还包括采样/保持（S/H）电路或者模数转换器，S/H电路或者模数转换器连接在运算放大器O1的输出端和列输出端P之间，或者连接在第一晶体管Q1的漏极和第二晶体管Q2的漏极与列输出端P之间。这样，S/H电路或者模数转换器可以对V_out或者i_d进行相应的处理后输出。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种红外焦平面阵列探测器的读出电路，所述红外焦平面阵列探测器包括微测辐射热计阵列，其特征在于：包括至少两个列读出电路，每个所述列读出电路分别连接到所述微测辐射热计阵列中的与所述列读出电路对应的列中的微测辐射热计；

其中：

每个所述列读出电路包括第一晶体管、第二晶体管、参比电阻和列输出端；

所述第一晶体管的源极连接到所述微测辐射热计阵列中与所述列读出电路对应的列中的微测辐射热计，所述第一晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的漏极，所述第一晶体管的栅极连接到第一偏置电压；

所述第二晶体管的源极连接到所述参比电阻的一端；所述第二晶体管的栅极连接到第二偏置电压；

所述参比电阻的另一端连接到第三偏置电压；

所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极还连接到所述列输出端；

其中所述至少两个列读出电路的所述参比电阻相互并联。

2.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于：每个所述列读出电路还包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端连接到所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极；所述运算放大器的同相输入端连接到参考电压；所述运算放大器的输出端连接到列输出端。

3.如权利要求2所述的读出电路，其特征在于：每个所述列读出电路还包括电容，所述电容连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。

4.如权利要求2所述的读出电路，其特征在于：每个所述列读出电路还包括复位开关，所述复位开关连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。

5.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于：每个所述列读出电路还包括列选择开关，所述列选择开关一端连接到所述第一晶体管的漏极，另一端连接到所述第二晶体管的漏极。

6.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于：所述第一晶体管为NMOS管。

7.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于：所述第二晶体管为PMOS管。

8.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于：每个列读出电路还包括采样/保持电路或者模数转换器，所述采样/保持电路或者模数转换器连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的漏极与所述列输出端之间。

9.如权利要求2所述的读出电路，其特征在于：每个列读出电路还包括采样/保持电路或者模数转换器，所述采样/保持电路或者模数转换器连接在所述运算放大器的输出端和所述列输出端之间。