CN103900722A

CN103900722A - 非制冷红外焦平面阵列读出电路

Info

Publication number: CN103900722A
Application number: CN201410156701.4A
Authority: CN
Inventors: 吕坚; 阙隆成; 刘慧芳; 魏林海; 周云
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: CN103900722B

Abstract

本发明实施例公开了一种非制冷红外焦平面阵列的读出电路，包括：探测电路，探测参考微测辐射热计单元和微测辐射热计单元上产生的信号，获得参比信号和探测信号；减法电路，用于将参比信号和探测信号作差，获得差信号；积分电路，用于对差信号积分，获得输出信号。本发明实施例的读出电路中，获得两个信号，并且对两个信号作差之后再积分，消除了衬底温度的影响，降低了读出电路噪声，从而提高输出图像的均匀性。而且，探测电路中增加了缓存电路，可以对电流进行隔离。

Description

非制冷红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列技术领域，尤其是涉及一种非制冷红外焦平面阵列的读出电路。

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。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种恒流偏置的非制冷红外焦平面阵列的读出电路，其能够消除衬底温度的影响以降低读出电路噪声，从而提高输出图像的均匀性。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：探测电路10，所述探测电路10探测参考微测辐射热计单元R_b1上产生的信号，获得参比信号，并且探测微测辐射热计单元R_s上产生的信号，获得探测信号；减法电路20，所述减法电路20连接到所述探测电路10上，从所述探测电路10接收所述参比信号和所述探测信号，并将所述参比信号和所述探测信号作差，获得差信号；积分电路30，所述积分电路30连接到所述减法电路20上，从所述减法电路20接收所述差信号，并对所述差信号积分，获得输出信号。

本发明的一个实施例中，所述探测电路10包括：参比支路，所述参比支路连接到所述参考微测辐射热计单元R_b1上，用于探测所述参考微测辐射热计单元R_b1上产生的信号以获得所述参比信号；探测支路，所述探测支路连接到所述微测辐射热计单元R_s上，用于探测所述微测辐射热计单元R_s上产生的信号以获得所述探测信号；恒流偏置支路，所述恒流偏置支路连接到所述参比支路和所述探测支路上，用于为所述参比支路提供第一偏置电流和为所述探测支路提供第二偏置电流。

本发明的一个实施例中，所述恒流偏置支路包括第一MOS管PM1和恒流源I₁，所述第一MOS管PM1的源极连接到系统电源VDD，所述第一MOS管PM1的漏极连接到所述恒流源I₁和所述第一MOS管PM1的栅极；所述参比支路包括第二MOS管PM2，所述第二MOS管PM2的源极连接到系统电源VDD，所述第二MOS管PM2的漏极连接到所述参考微测辐射热计单元并且连接到所述探测电路的第一输出端A；所述探测支路包括第三MOS管PM3，所述第三MOS管PM3的源极连接到系统电源VDD，所述第三MOS管PM3的漏极连接到所述微测辐射热计单元并且连接到所述探测电路的第二输出端B；所述第一MOS管PM1的栅极连接到所述第二MOS管PM2的栅极和所述第三MOS管PM3的栅极。

本发明的一个实施例中，所述第二MOS管PM2的漏极与所述探测电路的第一输出端A之间还设有第一缓冲电路和/或所述第三MOS管PM3的漏极与所述探测电路的第二输出端B之间还设有第二缓冲电路。

本发明的一个实施例中，所述第一缓冲电路包括第一运算放大器101，所述第一运算放大器101的同相输入端连接到所述第二MOS管PM2的漏极，所述第一运算放大器101的反相输入端连接到所述第一运算放大器101的输出端并且连接到所述探测电路的第一输出端A。

本发明的一个实施例中，所述第二缓冲电路包括第二运算放大器102，所述第二运算放大器102的同相输入端连接到所述第三MOS管PM3的漏极，所述第二运算放大器102的反相输入端连接到所述第二运算放大器102的输出端并且连接到所述探测电路的第二输出端B。

本发明的一个实施例中，所述减法电路包括第三运算放大器201、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R_f，其中：所述第三运算放大器201的反相输入端通过所述第一电阻R₁连接到所述探测电路用于接收所述参比信号，并且通过所述第四电阻R_f连接到所述第三运算放大器201的输出端C；所述第三运算放大器201的同相输入端通过所述第二电阻R₂连接到所述探测电路10用于接收所述探测信号，并且通过所述第三电阻R₃连接到第一参考电压输入端V_ref1。

本发明的一个实施例中，所述第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R_f的阻值相等。

本发明的一个实施例中，所述积分电路包括第四运算放大器301、积分电阻R_b2和积分电容C_int，其中：所述第四运算放大器301的反相输入端通过所述积分电阻R_b2连接到所述减法电路20以从所述减法电路20接收所述差信号并且通过所述积分电容C_int连接到所述第四运算放大器301的输出端；所述第四运算放大器301的同相输入端连接到第二参考电压输入端V_ref2。

本发明的一个实施例中，所述参考微测辐射热计单元R_b1和所述积分电阻R_b2的阻值相等。

本发明实施例的读出电路中，包括恒流偏置支路，用恒流源进行偏置，该电流直接流入参考微测辐射热计单元和探测电阻得到两个电压（信号），并且对两个电压作差之后再积分，消除了衬底温度的影响，降低了读出电路噪声，从而提高输出图像的均匀性。而且，探测电路中增加了缓存电路，可以对电流进行隔离。

附图说明

图1是现有的非制冷红外焦平面阵列的读出电路的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的非制冷红外焦平面阵列的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非制冷红外焦平面阵列的读出电路的结构。

图1是基于微测辐射热计的现有的列集成模拟通道读出电路，其中R_s为微测辐射热计，R_b1为参考微测辐射热计单元。电路工作原理如下：

在每一列中，将R_s部分产生的电流I_s减去R_b1部分产生的电流I_b，所得到的电流I_d即可降低环境温度的影响，将I_d经过C_int进行积分后输出，输出电压V_out的表达式如下：

（1）。

V_out对衬底温度的导数推导如下式：

Figure 2014101567014100002DEST_PATH_IMAGE002

（2）。

图2为本发明一个实施例中的非制冷红外焦平面阵列的读出电路的结构示意图。应当理解，本文中，相同或者类似的元件和参数使用了相同的标号表示。

如图2所示，本发明的一个实施例中，一种非制冷红外焦平面阵列的读出电路包括探测电路10、减法电路20和积分电路30。

探测电路10探测参考微测辐射热计单元R_b1上产生的信号，从而获得参比信号，该参比信号只受衬底温度变化的影响。并且，探测电路10也探测微测辐射热计单元R_s上产生的信号，从而获得探测信号，该探测信号受红外辐射和衬底温度变化的影响。

减法电路20连接到探测电路10上，从探测电路10接收参比信号和探测信号，并将参比信号和探测信号作差，从而获得差信号。

积分电路30连接到减法电路20上，从减法电路20接收差信号，并对差信号积分，从而获得输出信号。

本发明的一个实施例中，探测电路10可以包括参比支路、探测支路和恒流偏置支路。参比支路连接到参考微测辐射热计单元R_b1上，用于探测参考微测辐射热计单元R_b1上产生的信号以获得参比信号，探测支路连接到微测辐射热计单元R_s上，用于探测微测辐射热计单元R_s上产生的信号以获得探测信号，恒流偏置支路连接到参比支路和探测支路上，用于为参比支路提供第一偏置电流和为探测支路提供第二偏置电流。

本发明的一个实施例中，该第一偏置电流和第二偏置电流可以是相等的。

如图2所示，本发明的一个实施例中，恒流偏置支路可以包括第一MOS管PM1和恒流源I₁。第一MOS管PM1的源极连接到系统电源VDD；第一MOS管PM1的漏极连接到恒流源I₁和第一MOS管PM1的栅极。

参比支路可以包括第二MOS管PM2，第二MOS管PM2的源极连接到系统电源VDD，第二MOS管PM2的漏极连接到参考微测辐射热计单元并且连接到探测电路的第一输出端A。

探测支路可以包括第三MOS管PM3，第三MOS管PM3的源极连接到系统电源VDD，第三MOS管PM3的漏极连接到微测辐射热计单元并且连接到探测电路的第二输出端B。

第一MOS管PM1的栅极可以连接到第二MOS管PM2的栅极和第三MOS管PM3的栅极，即，第一MOS管PM1二极管连接，并与第二MOS管PM2和第三MOS管PM3分别构成电流镜，从而分别为参比支路和探测支路提供第一偏置电流I₂和第二偏置电流I₃。

本发明的一个实施例中，第二MOS管PM2的漏极与探测电路的第一输出端A之间还可以设有第一缓冲电路和/或第三MOS管PM3的漏极与探测电路的第二输出端B之间还设有第二缓冲电路。

本发明的一个实施例中，第一缓冲电路可以包括第一运算放大器101，第一运算放大器101的同相输入端连接到第二MOS管PM2的漏极，第一运算放大器101的反相输入端连接到第一运算放大器101的输出端并且连接到探测电路的第一输出端A。

本发明的一个实施例中，第二缓冲电路可以包括第二运算放大器102，第二运算放大器102的同相输入端连接到第三MOS管PM3的漏极，第二运算放大器102的反相输入端连接到第二运算放大器102的输出端并且连接到探测电路的第二输出端B。

如图2所示，本发明的一个实施例中，减法电路20可以包括第三运算放大器201、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R_f。

第三运算放大器201的反相输入端通过第一电阻R₁连接到探测电路用于接收参比信号，并且通过第四电阻R_f连接到第三运算放大器201的输出端C；第三运算放大器201的同相输入端通过第二电阻R₂连接到探测电路10用于接收探测信号，并且通过第三电阻R₃连接到第一参考电压输入端V_ref1。

本发明的一个实施例中，第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R_f的阻值可以相等。

本发明的实施例中，减法电路20对输入的参比信号和探测信号在第一参考电压V_ref1的基础上作差，获得差信号，即，减法电路20输出的差信号（即图2中C点处的信号（例如，C点处的电压））是在第一参考电压V_ref1的基础上对输入的参比信号和探测信号作差的结果。

本发明的一个实施例中，积分电路30可以包括第四运算放大器301、积分电阻R_b2和积分电容C_int。

第四运算放大器301的反相输入端通过积分电阻R_b2连接到减法电路20以从减法电路20接收差信号并且通过积分电容C_int连接到第四运算放大器301的输出端；第四运算放大器301的同相输入端连接到第二参考电压输入端V_ref2。

本发明的一个实施例中，参考微测辐射热计单元R_b1和积分电阻R_b2的阻值可以相等。

图2所示的实施例中，读出电路的输出电压的表达式如下：

（3）。

V_out对衬底温度的导数推导如下式：

（4）。

比较上面两个式（2）和式（4）可以看出，输出电压对衬底温度求导在（2）式中V_out与ΔTsub有一定的关系，而（4）式中V_out与ΔTsub没有关系。如前文所述，本发明的实施例中，参考微测辐射热计单元R_b1和积分电阻R_b2的阻值可以相等，因此积分电路中的积分电阻R_b2正好抵消了分母中的参考微测辐射热计单元R_b1，消除了衬底温度对输出电压的影响，输出电流I_int不受衬底温度影响，只与入射的红外辐射有关。

利用这种方式可知，即使参考微测辐射热计单元仍然受到衬底温度的影响，但本发明实施例的电路消除了衬底温度的影响。当衬底温度变化时，输出电压几乎不会受到影响，从而大大提高了输出图像的均匀性。

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

1.一种非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：

探测电路（10），所述探测电路（10）探测参考微测辐射热计单元（R_b1）上产生的信号，获得参比信号，并且探测微测辐射热计单元（R_s）上产生的信号，获得探测信号；

减法电路（20），所述减法电路（20）连接到所述探测电路（10）上，从所述探测电路（10）接收所述参比信号和所述探测信号，并将所述参比信号和所述探测信号作差，获得差信号；

积分电路（30），所述积分电路（30）连接到所述减法电路（20）上，从所述减法电路（20）接收所述差信号，并对所述差信号积分，获得输出信号。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述探测电路（10）包括：

参比支路，所述参比支路连接到所述参考微测辐射热计单元（R_b1）上，用于探测所述参考微测辐射热计单元（R_b1）上产生的信号以获得所述参比信号；

探测支路，所述探测支路连接到所述微测辐射热计单元（R_s）上，用于探测所述微测辐射热计单元（R_s）上产生的信号以获得所述探测信号；

恒流偏置支路，所述恒流偏置支路连接到所述参比支路和所述探测支路上，用于为所述参比支路提供第一偏置电流和为所述探测支路提供第二偏置电流。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于：

所述恒流偏置支路包括第一MOS管（PM1）和恒流源（I₁），所述第一MOS管（PM1）的源极连接到系统电源（VDD），所述第一MOS管（PM1）的漏极连接到所述恒流源（I₁）和所述第一MOS管（PM1）的栅极；

所述参比支路包括第二MOS管（PM2），所述第二MOS管（PM2）的源极连接到系统电源（VDD），所述第二MOS管（PM2）的漏极连接到所述参考微测辐射热计单元并且连接到所述探测电路的第一输出端（A）；

所述探测支路包括第三MOS管（PM3），所述第三MOS管（PM3）的源极连接到系统电源（VDD），所述第三MOS管（PM3）的漏极连接到所述微测辐射热计单元并且连接到所述探测电路的第二输出端（B）。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于：所述第二MOS管（PM2）的漏极与所述探测电路的第一输出端（A）之间还设有第一缓冲电路和/或所述第三MOS管（PM3）的漏极与所述探测电路的第二输出端（B）之间还设有第二缓冲电路。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第一缓冲电路包括第一运算放大器（101），所述第一运算放大器（101）的同相输入端连接到所述第二MOS管（PM2）的漏极，所述第一运算放大器（101）的反相输入端连接到所述第一运算放大器（101）的输出端并且连接到所述探测电路的第一输出端（A）。

6.如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第二缓冲电路包括第二运算放大器（102），所述第二运算放大器（102）的同相输入端连接到所述第三MOS管（PM3）的漏极，所述第二运算放大器（102）的反相输入端连接到所述第二运算放大器（102）的输出端并且连接到所述探测电路的第二输出端（B）。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的电路，其特征在于：所述减法电路包括第三运算放大器（201）、第一电阻（R₁）、第二电阻（R₂）、第三电阻（R₃）和第四电阻（R_f），其中：

所述第三运算放大器（201）的反相输入端通过所述第一电阻（R₁）连接到所述探测电路用于接收所述参比信号，并且通过所述第四电阻（R_f）连接到所述第三运算放大器（201）的输出端（C）；

所述第三运算放大器（201）的同相输入端通过所述第二电阻（R₂）连接到所述探测电路（10）用于接收所述探测信号，并且通过所述第三电阻（R₃）连接到第一参考电压输入端（V_ref1）。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于：所述第一电阻（R₁）、第二电阻（R₂）、第三电阻（R₃）和第四电阻（R_f）的阻值相等。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的电路，其特征在于：所述积分电路包括第四运算放大器（301）、积分电阻（R_b2）和积分电容（C_int），其中：

所述第四运算放大器（301）的反相输入端通过所述积分电阻（R_b2）连接到所述减法电路（20）以从所述减法电路（20）接收所述差信号并且通过所述积分电容（C_int）连接到所述第四运算放大器（301）的输出端；

所述第四运算放大器（301）的同相输入端连接到第二参考电压输入端（V_ref2）。

10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述参考微测辐射热计单元（R_b1）和所述积分电阻（R_b2）的阻值相等。