CN103795414B - 一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，属于红外焦平面阵列探测器的技术领域。红外焦平面阵列读出电路，包括：数据采集单元、信号处理单元、转换结果分行输出单元、寄存器，信号处理单元包括：积分信号分行单元，两个单斜率模数转换器。本发明降低了AD转换时钟频率，红外焦平面阵列读出电路规模不变时降低一半AD转换时钟频率或红外焦平面阵列读出电路规模扩大一倍时保持其AD转换时钟频率与原规模一致。

Description

一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本发明公开了一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，属于红外焦平面阵列探测器的技术领域。

背景技术

随着CMOS超大规模集成电路技术、红外焦平面技术以及数字集成电路技术的不断发展，人们逐渐意识到将红外焦平面的模拟输出信号转变为数字信号输出，可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力，提高信号的信噪比，同时这也是第三代红外焦平面技术不断小型化、不断提高集成度的发展趋势。

红外焦平面片上模数转换器（ADC）技术是实现将红外焦平面模拟信号输出转变为数字信号输出的一项非常关键的技术，读出电路的片上ADC是红外焦平面读出电路数字化中非常关键的器件，对于红外焦平面数字化后的最终性能起着决定性的影响。ADC的种类和架构比较多，使得读出电路的设计过程中往往遇到多种选择。

非制冷红外焦平面探测器在室温下工作，具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等优点，被广泛应用于军事和民用领域。随着非制冷红外焦平面阵列的增大，对AD转换时钟的频率要求越来越高。

非制冷红外焦平面探测器读出电路和探测单元希望可以单片集成，考虑到二者兼容性问题，非制冷红外焦平面探测器读出电路受限于探测单元的制作工艺所以研究一种红外焦平面阵列读出电路的分行复用的模数转换结构具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，包括：

将红外焦平面阵列探测器的探测信号转换为积分信号的数据采集单元，

将积分信号按照红外焦平面阵列奇偶性分别进行模数转换得到奇数行数字

信号、偶数行数字信号的信号处理单元，

将奇数行数字信号、偶数行数字信号分行输出的转换结果分行输出单元，

存储转换结果分行输出单元输出数据的寄存器，

所述信号处理单元的输入端接信号采集单元，所述转换结果分行输出单元的第一输入端接信号处理单元第一输出端，转换结果分行输出单元的第二输入端接信号处理单元的第二输出端，所述寄存器接所述转换结果分行输出单元的输出端，

其中，所述信号处理单元包括：将积分信号按照红外焦平面阵列的奇偶性分离输出奇数行积分信号、偶数行积分信号的积分信号分行单元，两个单斜率模数转换器，一个单斜率模数转换器输入端接奇数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第一输入端；另一个单斜率模数转换器输入端接偶数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第二输入端。

作为所述红外焦平面阵列读出电路的进一步优化方案，所述积分信号分行单元包括第一、第二传输门器件，第一、第二积分电容，其中，

第一传输门器件：输入端接积分信号，两个控制端接一对反相控制信号，输出端接第一积分电容下极板；

第二传输门器件：输入端接积分信号，第一控制端接所述第一传输门器件的第二控制端，第二控制端接所述第一传输门器件的第一控制端，输出端接第二积分电容下极板；

第一积分电容上级板接地，第二积分电容上级板接地；

所述第一积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号，所述第一积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号。

作为所红外焦平面阵列读出电路的进一步优化方案，所述单斜率模数转换器包括：斜波信号发生器、比较器、与非门运算器件、输出计数器，其中：

斜波信号发生器，输入端接复位信号，

比较器：一个输入端接奇数行积分信号或者偶数行积分信号，另一个输入端接斜波信号发生器输出的单斜率模拟信号，

与非门器件：一个输入端接比较器输出端，另一个输入端接时钟信号，

计数器：一个输入端接与非门器件输出端，另一个输入端接复位信号，输出奇数行数字信号或者偶数行数字信号。

作为所述红外焦平面阵列读出电路的进一步优化方案，所述转换结果分行输出单元包括：第三、第四传输门器件，

第三传输门器件：输入端接奇数行数字信号或者偶数行数字信号，两个控制端接一对反相控制信号，输出端接寄存器，

第四传输门器件：输入端接偶数行数字信号或者奇数行数字信号，第一控制端接所述第三传输门器件的第二控制端，第二控制端接所述第三传输门器件的第一控制端，输出端接寄存器。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：降低了AD转换时钟频率，红外焦平面阵列读出电路规模不变时降低一半AD转换时钟频率或红外焦平面阵列读出电路规模扩大一倍时保持其AD转换时钟频率与原规模一致。

附图说明

图1是本发明一个实施例的电路结构示意图。

图2是本发明一个实施例的整体时序示意图。

图3是本发明一个实施例的积分输入分行选择结构示意图。

图4是本发明一个实施例的单斜率模数转换器的电路示意图。

图5是本发明一个实施例中两个单斜率模数转换器的转换时序示意图。

图6是本发明一个实施例的转换结果分行输出单元的电路示意图。

图中标号说明：TG1、TG2、TG3、TG4为第一至第四传输门器件，C1、C2为第一、第二积分电容。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的分行复用的红外焦平面阵列读出电路，包括：将红外焦平面阵列探测器的探测信号转换为积分信号的数据采集单元，将积分信号按照红外焦平面阵列奇偶性分别进行模数转换得到奇数行数字信号、偶数行数字信号的信号处理单元，将奇数行数字信号、偶数行数字信号分行输出的转换结果分行输出单元，存储转换结果分行输出单元输出数据的寄存器。

信号处理单元的输入端接信号采集单元，转换结果分行输出单元的第一输入端接信号处理单元第一输出端，转换结果分行输出单元的第二输入端接信号处理单元的第二输出端，寄存器接所述转换结果分行输出单元的输出端，

信号处理单元包括：将积分信号按照红外焦平面阵列的奇偶性分离输出奇数行积分信号、偶数行积分信号的积分信号分行单元，两个单斜率模数转换器（AD1、AD2），一个单斜率模数转换器输入端接奇数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第一输入端；另一个单斜率模数转换器输入端接偶数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第二输入端。

对于将n个转换结果分行输出的红外焦平面阵列读出电路，包括n个寄存器，n为单斜率模数转换器的比特数。每个寄存器分别于相应转换结果分行输出单元连接，n个寄存器存储单斜率ADC的n bits转换结果等待输出。

图1所示的红外焦平面阵列读出电路的整体时序图如图2所示，假设红外焦平面阵列读出电路按由上至下的模式工作，不妨设第2k行在第2kT时刻完成积分（T为一行的时间），由积分结果分行输入将积分结果送到ADC2，开始由ADC2进行AD转换，那么在第2kT~(2k+2)T时刻第2k行由ADC2使用两行的时间，即2T，完成AD转换，并在(2k+2)T时刻由转换结果分行输出将转换结果送到寄存器组存储，在第(2k+2)T~(2k+3)T时刻第2k行的转换结果使用一行的时间，即m，完成各列的数字输出。

在上述假设下，第2k-1行在第2k*m时刻完成由ADC1进行的低半段AD转换，在第2k*m~(2k+1)T时刻第2-1k行又使用一行的时间，即m，完成高半段AD转换，在第(2k+1)T ~(2k+2)T时刻第2k-1行的转换结果使用一行的时间，即m，完成各列的数字输出。

同样在在上述假设下，第2k+1行在第2k*m时刻开始积分，并在第(2k+1)T时刻完成积分，由积分结果分行输入将积分结果送到ADC1，开始由ADC1进行AD转换，那么在第(2k+1)T ~(2k+3)T时刻第2k+1行由ADC1使用两行的时间，即2m，完成AD转换，并在(2k+3)T时刻由转换结果分行输出将转换结果送到寄存器组存储，在第(2k+3)T ~(2k+4)T时刻第2k+1行的转换结果使用一行的时间，即m，完成各列的数字输出。

积分信号分行单元如图3所示，包括：第一、第二传输门器件TG1、TG2，第一、第二积分电容C1、C2。第一传输门器件TG1：输入端接积分信号Vin，两个控制端接一对反相控制信号SW₁、SW₁B，输出端接第一积分电容C1下极板。第二传输门器件TG2：输入端接积分信号Vin，第一控制端接所述第一传输门器件TG1的第二控制端，第二控制端接所述第一传输门器件TG1的第一控制端，输出端接第二积分电容C2下极板。第一积分电容C1上级板接地，第二积分电容C2上级板接地，反相控制信号使得积分输出结果传输到第一积分电容C1上或者第二积分电容C2上。

第一积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号，第一积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号。

单斜率模数转换器如图4所示，包括：斜波信号发生器、比较器、与非门运算器件、输出计数器。斜波信号发生器，输入端接复位信号；比较器：一个输入端接奇数行积分信号或者偶数行积分信号，另一个输入端接斜波信号发生器输出的单斜率模拟信号；与非门器件：一个输入端接比较器输出端，另一个输入端接时钟信号；计数器：一个输入端接与非门器件输出端，另一个输入端接复位信号，输出奇数行数字信号或者偶数行数字信号。

斜波信号发生器，在复位信号到来后复位，待本行AD转换时钟到来时开始发生斜波，AD结束后停止发生并保持当前输出，待下一行AD转换时钟到来时继续发生斜波，下一行AD结束后停止发生并保持该时刻输出，直到复位信号到来。

输出计数器，在斜波发生器复位后，待本行AD转换时钟到来时开始计数，若在本行内斜波发生器的输出高于所接积分输入分行选择结构的输出，则输出计数器停止计数，下一行也不再计数，待下一行AD结束后由转换结果分行输出将所计数作为AD转换结果输出；若在本行内斜波发生器的输出未高于所接积分输入分行选择结构的输出，则在下一行AD结束后输出计数器停止计数，待下一行AD转换时钟到来时继续计数，直到斜波发生器的输出高于所接积分输入分行选择结构的输出才停止计数，同样待下一行AD结束后由转换结果分行输出将所计数作为AD转换结果输出。

斜波信号发生器和输出计数器的复位信号每两行时间才发生一次。

单斜率ADC使用两行时间将输入的模拟积分结果转换为数字量，具体时序如图5所示。

假设红外焦平面阵列读出电路按由上至下的模式工作，不妨设第2k行在第2kT时刻完成积分（m为一行的时间），由积分结果分行输入将积分结果送到ADC2，即第2kT~(2k+2)T时刻的Vin2，开始由ADC2进行AD转换，第2kT时刻斜波发生器2（图中Vramp2）及输出计数器2（图中Dout2）在其复位信号Reset2控制下完成复位，随后斜波发生器2开始同时输出计数器2开始计数，Vramp2高于Vin2后输出计数器2停止计数并保持至第(2k+2)T时刻。

在上述假设下，第2k-1行的积分结果在第（2k-1)T时刻由积分结果分行输入将积分结果送到ADC1，即第（2k-1)T ~(2k+1)T时刻的Vin1，第(2k-1)T时刻斜波发生器1（图中Vramp1）及输出计数器1（图中Dout1）在其复位信号Reset1控制下完成复位，随后斜波发生器1开始同时输出计数器1开始计数，Vramp1高于Vin1后输出计数器1停止计数并保持至第(2k+1)T时刻。

同样在上述假设下，第2k+1行的积分结果在第(2k+1)T时刻由积分结果分行输入将积分结果送到ADC1，即第(2k+1)T ~(2k+3)T时刻的Vin1，第(2k+1)T时刻斜波发生器1（图中Vramp1）及输出计数器1（图中Dout1）在其复位信号Reset1控制下完成复位，随后斜波发生器1开始同时输出计数器1开始计数，但是在第(2k+1)T ~(2k+2)T时刻Vramp1未高于Vin1后输出计数器1到(2k+2)T时刻才停止计数并保持，至第(2k+2)T ~(2k+3)T时刻中AD转换开始时输出计数器1又开始计数，直到Vramp1高于Vin1后输出计数器1才停止计数并保持至第(2k+3)T时刻。

ADC1和ADC2的斜波发生器以及输出计数器的复位信号Reset1和Reset2都是每两行时间才发生一次，且交替出现。

转换结果分行输出单元如图6所示，包括：第三、第四传输门器件TG3、TG4。第三传输门器件TG3：输入端接奇数行数字信号或者偶数行数字信号Din1、Din2，两个控制端接一对反相控制信号SW₁、SW₁B，输出端Dout接寄存器。第四传输门器件TG4：输入端接偶数行数字信号或者奇数行数字信号Din1、Din2，第一控制端接第三传输门器件TG3的第二控制端，第二控制端接第三传输门器件TG3的第一控制端，输出端Vout接寄存器。

第三传输门器件TG3的一端分别连接单斜率ADC1的输出计数器的某一bit输出，作为转换结果分行输出单元的输入端D_in1，第四传输门TG4器件的一端分别连接单斜率ADC2的输出计数器的某一bit输出，作为转换结果分行输出单元的输入端D_in2；第三、第四传输门器件TG3和TG4的另一端作为转换结果分行输出单元的输出端D_out，共同连接到一个寄存器组相应bit的寄存器。

本发明提供的分行复用的红外焦平面阵列读出电路，降低了AD转换时钟频率，红外焦平面阵列读出电路规模不变时降低一半AD转换时钟频率或红外焦平面阵列读出电路规模扩大一倍时保持其AD转换时钟频率与原规模一致。

Claims (3)

1.一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，包括：

将红外焦平面阵列探测器的探测信号转换为积分信号的数据采集单元，

其特征在于：还包括：

将积分信号按照红外焦平面阵列奇偶性分别进行模数转换得到奇数行数字信号、偶数行数字信号的信号处理单元，

将奇数行数字信号、偶数行数字信号分行输出的转换结果分行输出单元，

存储转换结果分行输出单元输出数据的寄存器，

所述信号处理单元的输入端接信号采集单元，所述转换结果分行输出单元的第一输入端接信号处理单元第一输出端，转换结果分行输出单元的第二输入端接信号处理单元的第二输出端，所述寄存器接所述转换结果分行输出单元的输出端，

其中，所述信号处理单元包括：将积分信号按照红外焦平面阵列的奇偶性分离输出奇数行积分信号、偶数行积分信号的积分信号分行单元，两个单斜率模数转换器，一个单斜率模数转换器输入端接奇数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第一输入端；另一个单斜率模数转换器输入端接偶数行积分信号，输出端接转换结果分行输出单元的第二输入端，积分信号分行单元包括第一、第二传输门器件，第一、第二积分电容，第一传输门器件的输入端接积分信号，第一传输门器件的两个控制端接一对反相控制信号，第一传输门器件的输出端接第一积分电容下极板，第二传输门器件的输入端接积分信号，第二传输门器件的第一控制端接所述第一传输门器件的第二控制端，第二传输门器件的第二控制端接所述第一传输门器件的第一控制端，第二传输门器件的输出端接第二积分电容下极板，第一积分电容上级板接地，第二积分电容上级板接地，第一积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号，所述第一积分电容下极板相对于上级板的电压为偶数行积分信号时，第二积分电容下极板相对于上级板的电压为奇数行积分信号。

2.根据权利要求1所述的一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：所述单斜率模数转换器包括：斜波信号发生器、比较器、与非门运算器件、输出计数器，其中：

斜波信号发生器，输入端接复位信号，

比较器：一个输入端接奇数行积分信号或者偶数行积分信号，另一个输入端接斜波信号发生器输出的单斜率模拟信号，

与非门器件：一个输入端接比较器输出端，另一个输入端接时钟信号，

计数器：一个输入端接与非门器件输出端，另一个输入端接复位信号，输出奇数行数字信号或者偶数行数字信号。

3.根据权利要求2所述的一种分行复用的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：所述转换结果分行输出单元包括：第三、第四传输门器件，

第三传输门器件：输入端接奇数行数字信号或者偶数行数字信号，两个控制端接一对反相控制信号，输出端接寄存器，

第四传输门器件：输入端接偶数行数字信号或者奇数行数字信号，第一控制端接所述第三传输门器件的第二控制端，第二控制端接所述第三传输门器件的第一控制端，输出端接寄存器。