CN103237180A - 一种高动态范围红外焦平面读出电路 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围红外焦平面读出电路，包括像素单元电路、比较计数电路、电荷重新分配控制电路及数字模拟转化电路，像素单元电路的输出分别连接比较计数电路和电荷重新分配控制电路，比较计数电路的一个输出连接像素单元电路，比较计数电路的另一个输出分别连接数字模拟转化电路和电荷重新分配控制电路，数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路。

Description

一种高动态范围红外焦平面读出电路

技术领域

本发明涉及双色探测红外成像技术中获取红外图像信号的红外焦平面读出电路，尤其是一种高动态范围红外焦平面读出电路，属于光电子技术及微电子技术领域。

背景技术

红外成像技术在军事、空间技术、医学以及国民经济相关领域正得到日益广泛的应用。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。该组件由红外探测器和红外焦平面读出电路（ROIC：readout integrated circuits）组成。

ROIC电路是把焦平面的各功能集成在单一的半导体芯片中的高集成度电路，其基本功能是进行红外探测信号的转换、放大以及多路传输，即将数据从许多探测器端依次传输到输出端。ROIC的每个像素单元有特定的探测器、放大器和开关。现有的ROIC电路包括行选择信号产生电路、列选择信号产生电路、像素单元电路、列读出级电路和输出缓冲级。像素单元电路是ROIC域探测器的接口电路，为探测器提供固定偏压，并将探测器采集到的电流信号进行光电流积分（如电荷转化成电压）。

动态范围与电荷存储能力、噪声等性能指标密切相关，是读出电路及其重要的参数指标，它在红外成像系统中，直接代表了图像中所能显示的物体温度变化范围，高动态范围能使图像显示视场中更大的温度变化范围，而相同温度变化范围的视场中，高的动态范围能提高成像的精度和探测器的灵敏度，使它能达到高的对比度。据国内不同红外探测系统研究单位所述，目前国内研制的读出电路，特别是应用于高背景红外探测下的读出电路，大都存在动态范围小的缺陷，严重影响了成像质量，成为红外焦平面阵列进一步发展过程中继续解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种高动态范围红外焦平面读出电路，它能够处理变化范围非常大的探测器电流。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种高动态范围红外焦平面读出电路，其特征是：包括像素单元电路、比较计数电路、电荷重新分配控制电路及数字模拟转化电路，像素单元电路的输出分别连接比较计数电路和电荷重新分配控制电路，比较计数电路的一个输出连接像素单元电路，比较计数电路的另一个输出分别连接数字模拟转化电路和电荷重新分配控制电路，数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路；其中：

像素单元电路包括注入管M1、第一复位管M2、第二复位管M3以及积分电容C1，注入管M1的源极接红外探测器的一端，红外探测器的另一端接地，注入管M1的栅极接积分信号CHARGE1，注入管M1的漏极与积分电容C1的一端、第一复位管M2的漏极以及第二复位管M3的漏极连接并作为像素单元电路的输出端，积分电容C1的另一端与第一复位管M2的源极以及第二复位管M3的源极连接在一起并接地，第一复位管M2的栅极接第一复位信号reset1，第二复位管M3的栅极接第二复位信号reset2；

比较计数电路包括一个比较器、两个反相器和一组10位异步计数器，像素单元电路的输出端连接比较器的正向输入端，比较器的反向输入端接参考电平Vref，比较器的输出端连接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出作为第二复位信号reset2分别连接像素单元电路中第二复位管M3的栅极和10位异步计数器的计数输入端，10位异步计数器的计数复位端连接计数复位信号RST，10位异步计数器输出10位由低位到高位的2进制数S〈1〉～S〈10〉；

电荷重新分配控制电路包括电荷重新分配判定电路和开关管，10位异步计数器输出的10位2进制数S〈1〉～S〈10〉连接接电荷重新分配判定电路的一个输入端作为判断条件，电荷重新分配判定电路的另一个输入端由外部时序信号RTR控制，电荷重新分配判定电路包括两个三输入或门、两个二输入或门、一个四输入或门和一个与门，10位异步计数器输出的10位2进制数经过上述五个或门形成一个10位2进制数相或得到的信号，该信号再与外部时序信号RTR经与门相与之后得到电荷重新分配输出信号Vsig，具体连接关系是：10位异步计数器输出的2进制数S<1>、S<2>、S<3>分别连接一个三输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<4>、S<5>、S<6>分别连接另一个三输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,7>、S<8>分别连接一个二输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,9>、S<10>分别连接另一个二输入或门的输入端，两个三输入或门及两个二输入或门的输出分别连接四输入或门的输入端，四输入或门的输出与外部时序信号RTR分别连接二输入与门的输入端，二输入与门的输出信号Vsig作为电荷重新分配判定电路的输出连接开关管的栅极，开关管的源、漏极中任意一极连接像素单元电路的输出端；

数字模拟转化电路包括基准电流源组和列积分电路，基准电流源组含有10个电流指数增加的电流源，各电流源分别接一个选通开关管的源极或漏极的一端，10个电流源的选通开关的源极或漏极的另一端合接到一条支路，该支路作为基准电流源组输出的总电流支路，10个选通开关管的栅极分别由10位异步计数器输出的10位2进制数按低位计数值接小电流源选通开关管，高位计数值接大电流选通开关管的顺序接入，列积分电路包括注入管M81、复位管M82、积分电容C2，注入管M81的源极接基准电流源组输出的总电流支路，列注入管M81的栅极接列积分信号CHARGE2，积分电容C2的一端和复位管M82的漏极连接注入管M81的漏极并作为数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路中开关管源、漏极中剩余的一极，积分电容C2的另一端与复位管M82的源极均接地，复位管M82的栅极连接复位信号RST1。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明电路是一种高动态范围实现技术，在高端极大提高了像素单元的有效电荷存储能力，同时在低端又利用像素单元内小积分电容C1抑制了积分噪声，所以本发明在动态范围上有质的提高。

（2）本发明电路由于减小了像素单元内的积分电容C1，像素单元的面积可以显著减小，所以与现有技术先比，本发明的技术更适用于大阵列读出电路，这符合读出电路的发展趋势。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的实现电路；

图3为像素单元电路；

图4为数字模拟转化电路中的列积分电路；

图5为电荷重新分配控制电路中的或门、与门电路。

具体实施方式

参看图1，本发明高动态范围红外焦平面读出电路，包括像素单元电路、比较计数电路、电荷重新分配控制电路及数字模拟转化电路，像素单元电路的输出分别连接比较计数电路和电荷重新分配控制电路，比较计数电路的一个输出连接像素单元电路，比较计数电路的另一个输出分别连接数字模拟转化电路和电荷重新分配控制电路，数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路。

像素单元电路如图3所示，采用直接注入的方式实现，包括注入管M1、第一复位管M2、第二复位管M3以及积分电容C1，注入管M1的源极接红外探测器的一端，红外探测器的另一端接地，注入管M1的栅极接积分信号CHARGE1，注入管M1的漏极与积分电容C1的一端、第一复位管M2的漏极以及第二复位管M3的漏极连接并作为像素单元电路1的输出端，积分电容C1的另一端与第一复位管M2的源极以及第二复位管M3的源极连接在一起并接地，第一复位管M2的栅极接第一复位信号reset1，第二复位管M3的栅极接第二复位信号reset2。

参看图2，比较计数电路包括一个比较器、两个反相器和一组10位异步计数器，像素单元电路的输出端连接比较器的正向输入端，比较器的反向输入端接参考电平Vref，比较器的输出端连接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端分别连接像素单元电路中第二复位管M3的栅极和10位异步计数器的计数输入端，10位异步计数器的计数复位端连接计数复位信号RST，10位异步计数器输出10位由低位到高位的2进制数S〈1〉～S〈10〉。两个反相器串接且尺寸逐步增大，可以提高输出信号的驱动能力。

参看图5，电荷重新分配控制电路包括电荷重新分配判定电路和开关管，10位异步计数器输出的10位2进制数S〈1〉～S〈10〉接电荷重新分配判定电路的一个输入端作为判断条件，电荷重新分配判定电路的另一个输入端由外部时序信号RTR控制。电荷重新分配判定电路包括两个三输入或门1、2，两个二输入或门3、4，一个四输入或门5和一个与门6，10位异步计数器输出的10位2进制数经过上述五个或门形成一个10位2进制数相或得到的信号，该信号再与外部时序信号RTR经与门相与之后得到电荷重新分配输出信号Vsig。具体连接关系是：10位异步计数器输出的2进制数S<1>、S<2>、S<3>分别连接三输入或门1的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<4>、S<5>、S<6>分别连接三输入或门2的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,7>、S<8>分别连接二输入或门3的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,9>、S<10>分别连接二输入或门4的输入端，两个三输入或门1、2及两个二输入或门3、4的输出分别连接四输入或门5的输入端，四输入或门5的输出与外部时序信号RTR分别连接二输入与门6的输入端，二输入与门6的输出信号Vsig作为电荷重新分配判定电路的输出连接开关管的栅极，开关管的源、漏极中任意一极连接像素单元电路的输出端；

数字模拟转化电路包括基准电流源组和列积分电路，基准电流源组含有10个电流指数增加的电流源，各电流源分别接一个选通开关管的源极或漏极的一端，10个电流源的选通开关管的源极或漏极的另一端合接到一条支路，该支路作为基准电流源组输出的总电流支路，10个选通开关管的栅极分别由10位异步计数器输出的10位2进制数按低位计数值接小电流源选通开关管，高位计数值接大电流选通开关管的顺序接入，列积分电路（图4）包括注入管M81、复位管M82、积分电容C2，注入管M81的源极接基准电流源组输出的总电流支路，列注入管M81的栅极接列积分信号CHARGE2，积分电容C2的一端和复位管M82的漏极连接注入管M81的漏极并作为数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路中开关管源、漏极中剩余的一极，积分电容C2的另一端与复位管M82的源极均接地，复位管M82的栅极连接复位信号RST1。

本发明电路适用工作模式：在了解本发明的工作原理之前我们先来了解一下本发明的适用工作模式。本发明涉及的技术适用于积分和读出同时进行的工作模式，在一个采用该项技术的像素阵列中，一共有两行像素外电路模块组（包括比较器计数电路、电荷重新分配控制电路、数字—模拟转化电路、列积分电路）每一列的像素单元电路共用两个像素外电路模块组，它们交替着完成相邻行的积分和读出工作。

本发明的工作原理如下：

在读出电路开始一帧的数据处理之前需要对以下几个电路模块进行复位：通过整帧同步复位信号reset1对像素单元的复位，通过计数器复位信号RST对10位异步计数器进行复位，通过列电容复位信号对列电容进行复位。在完成复位工作后即可在控制电路的协调下通过探测器对像素阵列进行积分读出交替进行的数据处理，这里我们强调的是其中一个像素单元的工作情况。单个像素单元的积分读出过程分为以下三个阶段：第一阶段为像素单元的积分数字化，像素单元的积分电容C1上的电压接比较器的正向输入端和一个参考电压Vref进行比较，比较器的输出先后经过反相器A和反相器B后得到一个高驱动能力的输出，像素单元的积分电容C1在有积分电流的注入时电压逐渐升高，刚开始积分时比较器输出的是低电平，当积分电容电压达到参考电压Vref时比较器输出一个高电平，反相器B输出的是一个更高驱动能力的高电平，由于反相器B输出接的是10位异步计数器的计数输入端，所以计数器的计数值加一，同时由于大尺寸反相器的输出接像素单元的第二复位端reset2，所以像素单元进行一次复位操作，积分电容C1电压回到地电压，比较器输出回到低电平，一轮新的积分过程开始了，这样进行若干次后我们积分得到的信息体现在两个方面，一是计数器的计数值，它代表了像素单元的积分电容C1被积满过多少次，二是像素单元的积分电容C1上的电压，它代表了未能“凑整”的那部分电荷，综合这两方面的信息即可以将积分过程还原。计数器的计数值是一个数字量，我们将计数器输出的10位2进制数接基准电流源的10个选通开关，具体接法是最低位2进制数接单位电流源的选通开关，次低位接2倍的单位电流源选通开关……最高位接512倍单位电流源选通开关。第二个阶段为列积分电路的积分，基准电流源组的输出接列积分电路的积分输入端，当第一阶段完成后，基准电流源组内部分电流源被合理选通，选通的各电流源是并联关系连接的，选通的电流源经过总开关汇合到列积分电路的积分输入端，所以第二阶段的操作过程即是打开这个总开关，并经过一定积分时间后即完成列积分电路的积分过程。第三阶段又称电荷重新分配阶段，列积分电容C2和像素单元积分电容C1通过重新分配开关连接，闭合重新分配开关第三阶段就完成了，至此整个积分读出过程也完成了，但是第三阶段的操作与否受电荷重新分配判定模块的控制，电荷重新分配判定电路检测10位异步计数器最低位的数值变化情况，只有当10位异步计数器最低位有数值变化时才会使能重新分配机制。

系统的工作过程如下：在读出电路开始一帧的数据处理之前需要对以下几个电路进行复位：整帧同步复位信号reset1通过像素单元第一复位管对像素单元的复位，通过计数器复位信号RST对10位异步计数器进行复位，列积分复位信号通过列积分电路复位管对列电容进行复位。在完成复位工作后即可在控制电路的协调下通过探测器对像素阵列进行积分读出交替进行的数据处理，这里我们强调的是其中一个像素单元的工作情况。单个像素单元的积分读出过程分为以下三个阶段：第一阶段为像素单元的积分数字化，像素单元的积分电容C1上的电压接比较器的正向输入端和一个参考电压Vref进行比较，比较器的输出先后经过小尺寸反相器和大尺寸反相器后得到一个高驱动能力的输出，像素单元的积分电容在有积分电流的注入时电压逐渐升高，刚开始积分时比较器输出的是低电平，当积分电容C1电压达到参考电压Vref时比较器输出一个高电平，大尺寸反相器输出的是一个更高驱动能力的高电平，由于大尺寸反相器输出接的是10位异步计数器的计数输入端，所以计数器的计数值加一，同时由于大尺寸反相器的输出接像素单元的第二复位端reset2，所以像素单元进行一次复位操作，积分电容C1电压回到地电压，比较器输出回到低电平，一轮新的积分过程开始了，这样进行若干次后我们积分得到的信息体现在两个方面，一是计数器的计数值，它代表了像素单元的积分电容C1被积满过多少次，二是像素单元的积分电容C1上的电压，它代表了未能“凑整”的那部分电荷，综合这两方面的信息即可以将积分过程还原。计数器的计数值是一个数字量，我们将计数器输出的10位2进制数接基准电流源的10个选通开关，具体接法是最低位2进制数接单位电流源的选通开关，次低位接2倍的单位电流源选通开关……最高位接512倍单位电流源选通开关。第二个阶段为列积分模块的积分，基准电流源组的输出接列积分模块的积分输入端，当第一阶段完成后，基准电流源组内部分电流源被合理选通，选通的各电流源是并联关系连接的，选通的电流源经过总开关汇合到列积分模块的积分输入端，所以第二阶段的操作过程即是打开这个总开关，并经过一定积分时间后即完成列积分模块的积分过程。第三阶段又称电荷重新分配阶段，列积分电容C2和像素单元积分电容C1通过重新分配开关连接，闭合重新分配开关第三阶段就完成了，至此整个积分读出过程也完成了，但是第三阶段的操作与否受电荷重新分配判定模块的控制，电荷重新分配判定模块检测10位异步计数器最低位的数值变化情况，只有当10位异步计数器最低位有数值变化时才会使能重新分配机制。

Claims (1)

1.一种高动态范围红外焦平面读出电路，其特征是：包括像素单元电路、比较计数电路、电荷重新分配控制电路及数字模拟转化电路，像素单元电路的输出分别连接比较计数电路和电荷重新分配控制电路，比较计数电路的一个输出连接像素单元电路，比较计数电路的另一个输出分别连接数字模拟转化电路和电荷重新分配控制电路，数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路；其中：

像素单元电路包括注入管M1、第一复位管M2、第二复位管M3以及积分电容C1，注入管M1的源极接红外探测器的一端，红外探测器的另一端接地，注入管M1的栅极接积分信号CHARGE1，注入管M1的漏极与积分电容C1的一端、第一复位管M2的漏极以及第二复位管M3的漏极连接并作为像素单元电路的输出端，积分电容C1的另一端与第一复位管M2的源极以及第二复位管M3的源极连接在一起并接地，第一复位管M2的栅极接第一复位信号reset1，第二复位管M3的栅极接第二复位信号reset2；

比较计数电路包括一个比较器、两个反相器和一组10位异步计数器，像素单元电路的输出端连接比较器的正向输入端，比较器的反向输入端接参考电平Vref，比较器的输出端连接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出作为第二复位信号reset2分别连接像素单元电路中第二复位管M3的栅极和10位异步计数器的计数输入端，10位异步计数器的计数复位端连接计数复位信号RST，10位异步计数器输出10位由低位到高位的2进制数S〈1〉～S〈10〉；

电荷重新分配控制电路包括电荷重新分配判定电路和开关管，10位异步计数器输出的10位2进制数S〈1〉～S〈10〉连接接电荷重新分配判定电路的一个输入端作为判断条件，电荷重新分配判定电路的另一个输入端由外部时序信号RTR控制，电荷重新分配判定电路包括两个三输入或门、两个二输入或门、一个四输入或门和一个与门，10位异步计数器输出的10位2进制数经过上述五个或门形成一个10位2进制数相或得到的信号，该信号再与外部时序信号RTR经与门相与之后得到电荷重新分配输出信号Vsig，具体连接关系是：10位异步计数器输出的2进制数S<1>、S<2>、S<3>分别连接一个三输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<4>、S<5>、S<6>分别连接另一个三输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,7>、S<8>分别连接一个二输入或门的输入端，10位异步计数器输出的2进制数S<,9>、S<10>分别连接另一个二输入或门的输入端，两个三输入或门及两个二输入或门的输出分别连接四输入或门的输入端，四输入或门的输出与外部时序信号RTR分别连接二输入与门的输入端，二输入与门的输出信号Vsig作为电荷重新分配判定电路的输出连接开关管的栅极，开关管的源、漏极中任意一极连接像素单元电路的输出端；

数字模拟转化电路包括基准电流源组和列积分电路，基准电流源组含有10个电流指数增加的电流源，各电流源分别接一个选通开关管的源极或漏极的一端，10个电流源的选通开关的源极或漏极的另一端合接到一条支路，该支路作为基准电流源组输出的总电流支路，10个选通开关管的栅极分别由10位异步计数器输出的10位2进制数按低位计数值接小电流源选通开关管，高位计数值接大电流选通开关管的顺序接入，列积分电路包括注入管M81、复位管M82、积分电容C2，注入管M81的源极接基准电流源组输出的总电流支路，列注入管M81的栅极接列积分信号CHARGE2，积分电容C2的一端和复位管M82的漏极连接注入管M81的漏极并作为数字模拟转化电路的输出连接电荷重新分配控制电路中开关管源、漏极中剩余的一极，积分电容C2的另一端与复位管M82的源极均接地，复位管M82的栅极连接复位信号RST1。

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