CN104251740A - 一种非制冷红外焦平面阵列的读出电路 - Google Patents
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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：电流偏置电路，包括参考偏置电流源结构IBIAS，用相同的电流偏置通道级热短路微测辐射热计Rb和像素级热隔离微测辐射热计Rs；衬底温度补偿电路，包括跨导放大器OTA，该跨导放大器OTA的输入端连接到通道级热短路微测辐射热计Rb和像素级热隔离微测辐射热计Rs上产生的电压；积分电路，输入端连接到跨导放大器OTA的输出端，用于对跨导放大器OTA的输出电流进行积分获得输出电压Vout。本发明的实施例中，在读出电路中增加了通道级跨导放大器，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了封装的体积及成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及非制冷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。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，提供了客观世界的丰富信息，但它是一种不可见的电磁波，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。
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。
读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列（IRFPA）的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，以在满足帧频的要求下获得最大的信噪比（SNR）。
在大多数的红外技术应用中，目标的红外辐射非常微弱，探测器的光生电流或光生电压都非常小，加之各种噪声的干扰，目标信号几乎完全掩埋在各种噪声之中，故必须对输入信号进行某些必要的处理从而提取出目标信号，这就是读出电路要完成的主要工作。
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。
经过多年的发展和技术的进步，非制冷红外焦平面阵列探测器已在噪声上满足使用需要，然而人们在非制冷红外探测器性能、图像质量、稳定性、功耗、体积和成本上都有了更高的要求。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。
发明内容
本发明的目的之一是提供无需TEC即可实现对衬底温度的补偿的非制冷红外焦平面阵列的读出电路。
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的读出电路，其特征在于，包括：电流偏置电路，所述电流偏置电路包括参考偏置电流源结构IBIAS，所述参考偏置电流源结构IBIAS通过电流镜对连接到通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端和像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端，在所述像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端获得第一电压VA，在所述通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端获得第二电压VB；衬底温度补偿电路，所述衬底温度补偿电路包括跨导放大器OTA，所述跨导放大器OTA的正相输入端连接到所述第一电压VA，所述跨导放大器OTA的负相输入端连接到所述第二电压VB；积分电路，所述积分电路的输入端连接到所述跨导放大器OTA的输出端，用于对所述跨导放大器OTA的输出电流进行积分获得输出电压Vout。
本发明的一个实施例中，所述电流偏置电路包括第一MOS管MP1、第二MOS管MP2和第三MOS管MP3，其中：所述第一MOS管MP1、所述第二MOS管MP2和所述第三MOS管MP3的源极连接到系统电源VDD；所述第三MOS管MP3的栅极连接到所述第三MOS管MP3的漏极并且连接到所述第一MOS管MP1和所述第二MOS管MP2的栅极；所述第三MOS管MP3的漏极连接到所述参考偏置电流源结构IBIAS；所述第一MOS管MP1的栅极连接到所述第二MOS管MP2的栅极；所述第一MOS管MP1的漏极连接到所述通道级热短路微测辐射热计Rb的所述第一端；所述第二MOS管MP2的漏极连接到所述像素级热隔离微测辐射热计Rs的所述第一端。
本发明的一个实施例中，所述跨导放大器OTA的所述负相输入端连接到所述通道级热短路微测辐射热计Rb的所述第一端。
本发明的一个实施例中，所述跨导放大器OTA的所述正相输入端连接到所述像素级热隔离微测辐射热计Rs的所述第一端。
本发明的一个实施例中，所述第二MOS管MP2的漏极和所述跨导放大器OTA的所述正相输入端通过列选开关连接到所述像素级热隔离微测辐射热计Rs的所述第一端。
本发明的实施例中，在读出电路中增加了通道级跨导放大器，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了封装的体积及成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。
附图说明
图1是本发明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。
图2是本发明一个实施例的跨导放大器的结构示意图。
图3是传统的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真示意图。
图4是本发明一个实施例的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真示意图。
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具体结构。
如图1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电流偏置电路10、衬底温度补偿电路20和积分电路30。
电流偏置电路10包括参考偏置电流源结构IBIAS。该参考偏置电流源结构IBIAS通过电流镜对连接到通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端和像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端，这样，参考偏置电流源结构IBIAS通过电流镜对产生相同的电流到通道级热短路微测辐射热计Rb和像素级热隔离微测辐射热计Rs，从而在像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的第一端产生第一电压VA，该第一电压VA将是随衬底温度及辐射温度而变化的；在通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端产生第二电压VB，该第二电压VB将是随衬底温度而变化的。
本发明的实施例中，该电流偏置电路实质是利用等值电流IBIAS偏置两个不同的微测辐射热计，将通道级热短路微测辐射热计Rb和像素级热隔离微测辐射热计Rs的电阻变化分别转换成电压VB和VA。
例如，如图1所示，本发明一个实施例中，电流偏置电路10可以包括第一MOS管MP1、第二MOS管MP2和第三MOS管MP3。
第一MOS管MP1、第二MOS管MP2和第三MOS管MP3的源极连接到系统电源VDD；第三MOS管MP3的栅极连接到第三MOS管MP3的漏极并且连接到第一MOS管MP1和第二MOS管MP2的栅极；第三MOS管MP3的漏极连接到参考偏置电流源结构IBIAS；第一MOS管MP1的栅极连接到第二MOS管MP2的栅极；第一MOS管MP1的漏极连接到前述的通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端；第二MOS管MP2的漏极连接到前述的像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端。
本发明的一个实施例中，像素级热隔离微测辐射热计Rs和通道级热短路微测辐射热计Rb的另一端（第二端）可以接地。
本发明的一个实施例中，第二MOS管MP2的漏极可以是通过列选开关（图中未示出）连接到像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端。
本发明的一个实施例中，衬底温度补偿电路20可以包括跨导放大器OTA，跨导放大器OTA的正相输入端连接到前述的第一电压VA，例如，一个实施例中，跨导放大器OTA的正相输入端连接到像素级热隔离微测辐射热计Rs的该第一端；跨导放大器OTA的负相输入端连接到前述的第二电压VB，例如，一个实施例中，跨导放大器OTA的负相输入端连接到通道级热短路微测辐射热计Rb的第一端。
本发明的一个实施例中，跨导放大器OTA的正相输入端可以是通过列选开关（图中未示出）连接到像素级热隔离微测辐射热计Rs的第一端。
本发明的实施例中，该跨导放大器OTA的两个输入端作差，实现VA与VB的相减。如前文所述，第一电压VA是随衬底温度及辐射温度而变化的，而第二电压VB是随衬底温度而变化的，因此VA与VB的相减消抵消了衬底温度的影响，再经过跨导放大器OTA的跨导Gm放大，得到只与辐射温度、跨导放大器OTA的参数有关、同时与衬底温度无关的输出电流Iint。
本发明的实施例中，跨导放大器OTA的具体结构可以是本领域内常用的跨导放大器的结构，例如，如图2所示，在此不再详细描述。
跨导放大器OTA的输出端连接到积分电路30。积分电路30对跨导放大器OTA输出的输出电流进行积分，从而获得输出电压。由前文所述，跨导放大器OTA的输出电流与辐射温度、跨导放大器OTA的参数有关，而与衬底温度无关。因此，此时获得的输出电压也与衬底温度无关。即，输出电压中，已经补偿或者消除了衬底温度的影响。
本发明的实施例中，积分电路30可以是本领域内常用的积分电路，如图1所示。其具体结构在此不再详细说明。
下面简要说明本发明的实施例中的电路的工作原理。
通道级热短路微测辐射热计Rb和像素级热隔离微测辐射热计Rs的模型如式（1）：
式（1）中，R0表示在常温下微测辐射热计的电阻值，α表示微测辐射热计的温度系数，ΔTsub表示衬底温度相对于常温的变化量，ΔTsence表示辐射引起的辐射温升。本发明的电流偏置电路利用IBIAS对Rb和Rs进行相等电流的偏置，得到VB和VA，从式（1）中不难推导出VB和VA的电压差只与偏置电流IBIAS及辐射温度有关，与衬底温度无关。
而且，本发明的实施例中，跨导放大器OTA实现两个输入端相减再乘以整个运算放大器的跨导，得到输出电流。在本发明的一些实施例中，VA接到跨导放大器OTA的正相输入端，VB接到跨导放大器的负相输入端，则OTA的输出电流IOUT、即Iint为：
式（2）中，G m 表示跨导放大器OTA总的跨导，可以看出积分电流I int 已经与衬底温度无关，只与辐射温度、微测辐射热计及OTA的特性相关。本发明实施例的电路利用跨导放大器与电流偏置电路相结合的方法，实现了对非制冷红外焦平面读出电路衬底温度的补偿功能。
最后，与衬底温度无关的积分电流Iint通过积分电路30进行在一定的积分时间内进行积分，最后得到的与衬底温度无关的积分电压Vout为：
式（3）中Vref为参考电压，tint为积分电路的积分时间，Cint为积分电路的积分电容。输出电压Vout与衬底无关，只与辐射温度、微测辐射热计的特性、读出电路参数及特性有关。对输出电压求衬底温度的偏导得到其值为0。
图3为传统的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真示意图。图4为本发明一个实施例的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真示意图。由图3和图4可见，本发明的实施例中的基于跨导放大器的非制冷红外焦平面读出电路的衬底补偿效果非常的明显。
因此，本发明的实施例中，在读出电路中增加了通道级跨导放大器，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了封装的体积及成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。
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 (5)
1.一种非制冷红外焦平面阵列的读出电路，其特征在于，包括：
电流偏置电路，所述电流偏置电路包括参考偏置电流源结构（IBIAS），所述参考偏置电流源结构（IBIAS）通过电流镜对连接到通道级热短路微测辐射热计（Rb）的第一端和像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的第一端，在所述像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的第一端获得第一电压（VA），在所述通道级热短路微测辐射热计（Rb）的第一端获得第二电压（VB）；
衬底温度补偿电路，所述衬底温度补偿电路包括跨导放大器（OTA），所述跨导放大器（OTA）的正相输入端连接到所述第一电压（VA），所述跨导放大器（OTA）的负相输入端连接到所述第二电压（VB）；
积分电路，所述积分电路的输入端连接到所述跨导放大器（OTA）的输出端，用于对所述跨导放大器（OTA）的输出电流进行积分获得输出电压（Vout）。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电流偏置电路包括第一MOS管（MP1）、第二MOS管（MP2）和第三MOS管（MP3），其中：
所述第一MOS管（MP1）、所述第二MOS管（MP2）和所述第三MOS管（MP3）的源极连接到系统电源（VDD）；
所述第三MOS管（MP3）的栅极连接到所述第三MOS管（MP3）的漏极并且连接到所述第一MOS管（MP1）和所述第二MOS管（MP2）的栅极；所述第三MOS管（MP3）的漏极连接到所述参考偏置电流源结构（IBIAS）；
所述第一MOS管（MP1）的栅极连接到所述第二MOS管（MP2）的栅极；所述第一MOS管（MP1）的漏极连接到所述通道级热短路微测辐射热计（Rb）的所述第一端；
所述第二MOS管（MP2）的漏极连接到所述像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的所述第一端。
3.如权利要求1或者2所述的电路，其特征在于：所述跨导放大器（OTA）的所述负相输入端连接到所述通道级热短路微测辐射热计（Rb）的所述第一端。
4.如权利要求1或者2所述的电路，其特征在于：所述跨导放大器（OTA）的所述正相输入端连接到所述像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的所述第一端。
5.如权利要求2至4中任意一项所述的电路，其特征在于：所述第二MOS管（MP2）的漏极和所述跨导放大器（OTA）的所述正相输入端通过列选开关连接到所述像素级热隔离微测辐射热计（Rs）的所述第一端。
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