CN103698019A - 一种红外焦平面阵列探测器的读出电路 - Google Patents
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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：探测电桥电路连接到微测辐射热计单元并探测微测辐射热计单元响应于入射的红外辐射产生的信号，从而输出探测信号；衬底温度补偿电路，连接到探测电桥电路，并对探测电桥电路输出的所述探测信号进行温度补偿。本发明的实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路中，在探测电桥电路后增加了一个衬底温度补偿电路，这个电路可以对衬底温度影响进行补偿，从而大大降低了衬底温度对积分输出电压的影响。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面阵列探测器技术领域，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。如何将这种红外辐射转换为可测量的信号来探测客观世界成为人类不断奋斗的目标。红外焦平面阵列探测器就是人们在不断探索中的一个产物。
传统的红外焦平面阵列拥有极高的灵敏度，几乎已经接近了背景限，但这种光电子探测器在工作温度较高时，本身固有的热激发过程快速增加，使得暗电流和噪声迅速上升，极大地降低了红外焦平面探测阵列的性能，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的概念。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。
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。微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面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，桥墩电学上连接到微测辐射热计FPA下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料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。
其实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，影响读出结果。通过不断研究得出，解决无TEC的非制冷红外焦平面阵列探测器的非均匀性的关键技术，一方面在于工艺上的改进，另一方面在于具有非均匀性校正功能的读出电路的设计，从电路上对非均匀性进行补偿，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。
针对无TEC非制冷红外焦平面阵列探测器非均匀性，目前校正技术的研究是采用电桥结构积分放大电路。每一列的微测辐射热计电桥结构对应一个三个结构相同的参比电阻。以640×512阵列为例，虽然电桥结构达到了一定的温度补偿作用，但是输出积分电压仍然会受到衬底温度的影响。
在非制冷红外焦平面读出电路中，红外辐射信号是逐行读出的，每行的信号被同时存储在抽样保持电容电路上，再经过ADC的转换，最后被转移到串行的输出端输出。采用传统电桥结构积分放大电路起到了一定的衬底温度补偿的作用，使衬底温度的改变不会破化电桥平衡。但由于参考电阻仍然受衬底温度影响，积分输出电压也会受到衬底温度影响，最终降低了读出电路的均匀性，影响了成像效果。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够对衬底温度的影响进行补偿、从而提高输出图像的均匀性的红外焦平面阵列探测器的读出电路。
本发明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，其特征在于，包括：探测电桥电路，所述探测电桥电路连接到微测辐射热计单元并探测所述微测辐射热计单元响应于入射的红外辐射产生的信号，从而输出探测信号，所述探测电桥电路中包括参比电阻；衬底温度补偿电路，所述衬底温度补偿电路连接到所述探测电桥电路，并对所述探测电桥电路输出的所述探测信号进行温度补偿。
本发明一个实施例中，所述衬底温度补偿电路包括：第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端连接到参考电压，所述第一运算放大器的反相输入端连接到所述探测电桥电路的输出端；第一电阻，所述第一电阻的一端连接到所述第一运算放大器的所述反相输入端，另一端连接到所述第一运算放大器的输出端。
本发明一个实施例中，还包括积分电路，所述积分电路连接到所述第一运算放大器的输出端，用于对所述第一运算放大器的输出端输出的信号进行积分。
本发明一个实施例中，还包括采样保持电路，所述采样保持电路连接到所述积分电路的输出端。
本发明一个实施例中，所述采样保持电路包括：第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，其中：所述第一电容的一端通过所述第一开关连接到所述积分电路的输出端，并且通过所述第二开关连接到地；所述第一电容的另一端通过所述第三开关连接到所述采样保持电路的输出端，并且通过所述第四开关连接到系统电源；所述第二电容的一端通过所述第五开关连接到所述积分电路的输出端，并且通过所述第六开关连接到地；所述第二电容的另一端通过所述第七开关连接到所述采样保持电路的输出端，并且通过所述第八开关连接到系统电源。
本发明一个实施例中，所述第一开关和所述第四开关同时接通或者断开；所述第二开关和所述第三开关同时接通或者断开；所述第五开关和所述第八开关同时接通或者断开；所述第六开关和所述第七开关同时接通或者断开。
本发明一个实施例中，所述第二电阻与所述探测电桥电路中的所述参比电路的阻值相等。
本发明的实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路中，在探测电桥电路和积分电路之间插入了一个衬底温度补偿电路，这个电路可以对衬底温度影响进行补偿，从而大大降低了衬底温度对积分输出电压的影响。
本发明的实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路中，将积分放大电路的输出电压经过采样保持电路采样，该采样保持电路除了采样保持功能外，还可以实现减法作用使输出的最终电压与入射的红外辐射呈正比，并可实现积分和输出的时分复用，大大提高了采样速率。
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结构示意图。
图2是本发明一个实施例的采样保持电路的工作时序示意图。
图3是传统电桥结构读出电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的红外焦平面阵列探测器的读出电路的具体结构。
如图1所示，本发明的一个实施例中，一种红外焦平面阵列探测器的读出电路包括探测电桥电路10和衬底温度补偿电路20。
探测电桥电路10连接到红外焦平面阵列探测器中的微测辐射热计阵列中的微测辐射热计单元（图中用Rs表示），并且探测该微测辐射热计单元相应于入射的红外辐射而产生的信号，从而输出探测信号（图中用Id表示）。
探测电桥电路10的结构可以是常用的探测微测辐射热计的信号的结构。例如，如图1中所示的一样，包括晶体管PM1、PM2、NM1和NM2以及参比电阻Rb1、Rb3和Rb4。这里不再详细描述探测电桥电路10的具体结构。
本发明的实施例中，衬底温度补偿电路20连接到探测电桥电路10，并对探测电桥电路输出的探测信号进行温度补偿。
如图1所示，本发明的一个实施例中，衬底温度补偿电路20包括第一运算放大器201和第一电阻Rb2。第一运算放大器201的同相输入端连接到参考电压Vref1，该第一运算放大器201的反相输入端连接到探测电桥电路10的输出端A；第一电阻Rb2的一端连接到第一运算放大器201的反相输入端，另一端连接到第一运算放大器201的输出端B。
本发明的实施例中，衬底温度补偿电路20中的第一电阻Rb2可以与探测电桥电路10中的参比电阻Rb1、Rb3和Rb4的热学和电学结构相同，其阻值大小也可以相等。
如图1所示，本发明的一个实施例中，该读出电路还可以包括积分电路30。该积分电路30连接到衬底温度补偿电路20的第一运算放大器201的输出端B，用于对第一运算放大器201的输出端B输出的信号进行积分。
本发明的实施例中，该积分电路的结构可以为常用的积分电路的结构，例如，如图1中的积分电路30的结构一样。这里，不再详细描述积分电路30的结构。
本发明的实施例中，该读出电路还包括采样保持电路50，该采样保持电路50连接到积分电路30的输出端，可以用于对积分电路30输出的信号进行采样。
如图1所示，本发明一个实施例中，采样保持电路50包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关。其中，
第一电容C1的一端通过第一开关连接到积分电路30的输出端，并且通过第二开关连接到地gnd；
第一电容C1的另一端通过第三开关连接到采样保持电路50的输出端Vout，并且通过第四开关连接到系统电源Vdd；
第二电容C2的一端通过第五开关连接到积分电路30的输出端，并且通过第六开关连接到地gnd；
第二电容C2的另一端通过第七开关连接到采样保持电路50的输出端Vout，并且通过第八开关连接到系统电源Vdd。
本发明的实施例中，在工作中，前述的第一开关和第四开关同时接通或者断开，也就是说，第一开关和第四开关的接通动作或者断开动作保持一致。类似地，第二开关和第三开关同时接通或者断开；第五开关和第八开关同时接通或者断开；第六开关和第七开关同时接通或者断开。
在图中，对于同时接通或者断开的开关，用了同一个标号表示。例如，图1中，第一开关和第四开关用Ssh1表示，第二开关和第三开关用Srd1表示，第五开关和第八开关用Ssh2表示，第六开关和第七开关用Srd2表示。
下面结合附图说明本发明实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路的工作原理。
图3是基于微测辐射热计的传统电桥结构积分放大电路，其中Rs为微测辐射热计，Rb1、Rb3和Rb4为参比电阻。
图3的传统电桥结构读出电路中，在每一列中，将Rb4部分产生的电流I1减去RS部分产生的电流Is，所得到的电流Id即可降低环境温度的影响，将Id经过积分电容Cint进行积分后输出，可以得到Vout所的表达式如下：
其中Vref为积分参考电压，tint、Cint分别为积分时间和积分电容，ΔTscene、ΔTsub分别为红外辐射引起的探测电阻温度变化和衬底温度变化，TCR为电阻的热温度系数，Vsk、Veb分别为探测器电源电压和偏置电压，Vthp为PMOS管的阈值电压。
电压
对温度的导数如下式：
而图1所示的本发明一个实施例的读出电路中，在电桥探测电路10后加入了一个衬底温度补偿电路20，输出电压的表达式如下：
其中Vref2为积分参考电压，tint、Cint为分别为积分分时间和积分电容， Rsemc为积分电阻，ΔTscene、ΔTsub分别为红外辐射引起的探测电阻温度变化和衬底温度变化，TCR为电阻的热温度系数，Vsk、Veb分别为电源电压和偏置电压，Vthp为PMOS管的阈值电压。
本发明的实施例中，对采样保持电路50的结构也进行了改进，使得输出电压和红外辐射成正比并实现时分复用。一个实施例中，采样保持电路50的时序如图2所示：
当Ssh1导通时，电路进行积分，电容两端电压ΔV=Vdd-Vint；当Srd2导通时，ΔV=Vout-gnd。因此，可得Vout = Vdd-Vint。由此可知：
比较上面两个式（2）和式（5）可以看出输出电压对衬底温度求导在（2）式中Vout 与ΔTsub有一定的关系，而（3）式中Vout 与ΔTsub没有关系。这是因为加入了衬底温度补偿电路，其中的Rb3正好被分子中的电阻Rb2补偿，消除了衬底温度对输出电压的影响。
本发明的实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路中，在探测电桥电路和积分电路之间插入了一个衬底温度补偿电路，这个电路可以对衬底温度影响进行补偿，从而大大降低了衬底温度对积分输出电压的影响。
本发明的实施例中的红外焦平面阵列探测器的读出电路中，将积分放大电路的输出电压经过采样保持电路采样，该采样保持电路除了采样保持功能外，还可以实现减法作用使输出的最终电压与入射的红外辐射呈正比，并可实现积分和输出的时分复用，大大提高了采样速率。
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 (7)
1.一种红外焦平面阵列探测器的读出电路，其特征在于，包括：
探测电桥电路，所述探测电桥电路连接到微测辐射热计单元并探测所述微测辐射热计单元响应于入射的红外辐射产生的信号，从而输出探测信号，所述探测电桥电路中包括参比电阻；
衬底温度补偿电路，所述衬底温度补偿电路连接到所述探测电桥电路，并对所述探测电桥电路输出的所述探测信号进行温度补偿。
2.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述衬底温度补偿电路包括：
第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端连接到参考电压，所述第一运算放大器的反相输入端连接到所述探测电桥电路的输出端；
第一电阻，所述第一电阻的一端连接到所述第一运算放大器的所述反相输入端，另一端连接到所述第一运算放大器的输出端。
3.如权利要求2所述的读出电路，其特征在于：还包括积分电路，所述积分电路连接到所述第一运算放大器的输出端，用于对所述第一运算放大器的输出端输出的信号进行积分。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的读出电路，其特征在于：还包括采样保持电路，所述采样保持电路连接到所述积分电路的输出端。
5.如权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述采样保持电路包括：第一电容、第二电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，其中
所述第一电容的一端通过所述第一开关连接到所述积分电路的输出端，并且通过所述第二开关连接到地；
所述第一电容的另一端通过所述第三开关连接到所述采样保持电路的输出端，并且通过所述第四开关连接到系统电源；
所述第二电容的一端通过所述第五开关连接到所述积分电路的输出端，并且通过所述第六开关连接到地；
所述第二电容的另一端通过所述第七开关连接到所述采样保持电路的输出端，并且通过所述第八开关连接到系统电源。
6.如权利要求5所述的读出电路，其特征在于：所述第一开关和所述第四开关同时接通或者断开；所述第二开关和所述第三开关同时接通或者断开；所述第五开关和所述第八开关同时接通或者断开；所述第六开关和所述第七开关同时接通或者断开。
7.如权利要求2至6中任意一项所述的读出电路，其特征在于：所述第二电阻与所述探测电桥电路中的所述参比电路的阻值相等。
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| CN103698019B (zh) | 2016-06-29 |
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Granted publication date: 20160629 |
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