CN104266764B - 一种用于红外面阵型探测器的读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种与标准CMOS工艺兼容的红外面阵型探测器读出电路，其特征是：红外面阵型探测器读出电路包括高性能电容反馈跨阻放大器，并带有相关双采样功能，可以通过调整信号来转换工作模式，实现在不同工作环境下对电路性能的最优化应用；其优越性在于：该红外面阵型探测器读出电路具有光生电流的注入效率高，能够提供稳定的偏置电压以及输出信号的线性度好等优点，而且明显降低红外面阵型探测器读出电路输出功耗，能够有效的消除直流失调和抑制低频噪声成分。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体集成电路与标准CMOS工艺兼容的高性能红外面阵型探测器读出电路。
背景技术
近年来，红外探测系统被广泛地应用于工业控制、医疗诊断、环境监测、资源探测、军事侦察和航空航天等领域，集成化、微型化红外探测系统正成为发展趋势。由于红外探测器输出信号十分微弱，读出电路的性能优劣直接影响系统的灵敏度和动态范围，因此，宽探测范围下微弱信号的高精度读出是红外探测系统读出电路设计的关键。
目前，比较常用的读出电路结构分别为直接注入型(DI)、电流镜积分型(CMI)以及电容反馈跨阻放大器(CTIA)等。然而，在微弱信号的探测领域内，DI电路的积分线性度显著降低且注入效率低；CMI电路工作于亚阈值区，会导致模拟信号丢失等。而CTIA电路可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，其输出信号的线性度和均匀性也很好，且注入效率很高，适合微弱信号的读出。虽说CTIA电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来KTC噪声，但是考虑到其相对较宽的探测范围、很高的注入效率以及良好的积分线性度，在各种场合仍然得到了广泛应用。设计中采用CTIA结构，并在该结构后引入相关双采样(CDS)电路，有效地消除了其引入的噪声，提高了电路性能。该电路结构可应用于长线列和面阵红外探测器系统。
发明内容
为了克服现有实用简单结构CTIA红外读出电路性能的不足，本发明提供一种与标准CMOS工艺兼容的红外面阵型探测器读出电路，该读出电路性能高，电路结构简单，制造成本低，版图面积小。
为了实现上述目的，本发明所涉及的用于红外面阵型探测器的读出电路，包括一个增益可调差分放大器，一个可调电容模块，一个采样电路模块，四个开关，其中输入信号Iint连接开关EN一端，EN另一端共同连接至放大器的差分输入端负极、电容模块输入端及开关RST一端，开关RST的另一端连接到采样电路模块的输入端，电容模块的输出同时连接开关的INT与开关RS的一端，开关INT的另一端也连接到采样电路模块的输入端，开关RS的另一端连接到放大器的差分输入端正极及输入信号VBUS，输入信号ADJ连接到放大器的内部，采样电路模块的输出连接到输出信号VOUT。
上述所说的增益可调的差分放大器，其结构包括两个PMOS管与五个NMOS管，其中两个PMOS管M1和M2的源极分别连接到VCC，其栅极互相连接，M1的漏极连接到NMOS管M3的漏极，M3的栅极连接输入信号VBUS，源极连接到NMOS管M5的漏极和栅极，M5的源极连接到GND，M2的漏极连接到NMOS管M4的漏极，并连接到输出端VOUT1，M4的栅极连接输入信号VIN_amp，源极连接到NMOS管M6的漏极，M6的栅极连接到M5的漏极和栅极以及M3的源极，M6的源极连接到NMOS管M7的漏极，M7的栅极连接输入信号ADJ，M7的源极连接到GND。
上述所说的可调电容模块作为放大器反馈电路，其结构包括四个积分电容，八个电容选择开关，其中四个开关S1_N，S2_N，S3_N，S4_N的一端共同连接到输入信号Iint，其另一端分别对应连接到电容C1，C2，C3，C4的输入端，电容C1，C2，C3，C4的输出端分别对应连接到开关S1，S2，S3，S4开关的一端，开关S1，S2，S3，S4的另一端共同连接到输出端VOUT2。
上述所说的采样电路模块，其结构包括一个采样电容，一个采样开关，其中开关SH的一端连接输入信号VIN_sh，另一端同时连接电容C的输入端及输出信号VOUT3，电容C的另一端接GND。
上述所说的用于红外面阵型探测器的读出电路，其特征是具有四个开关，其结构包括一个积分使能开关EN，一个积分复位开关RST，一个积分开关INT，一个基准电压开关RS。
附图说明
图1是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器的读出电路结构框图；
图2是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的增益可调差分放大器电路图；
图3是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的可调电容模块电路图；
图4是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的采样电路模块电路图；
图5是本发明所涉一种用于红外面阵型探测器读出电路的信号时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
一种用于红外面阵型探测器的读出电路(见图1)，包括一个增益可调差分放大器，一个可调电容模块，一个采样电路模块，四个开关，其中输入信号Iint连接开关EN一端，EN另一端共同连接至放大器的差分输入端负极、电容模块输入端及开关RST一端，开关RST的另一端连接到采样电路模块的输入端，电容模块的输出同时连接开关的INT与开关RS的一端，开关INT的另一端也连接到采样电路模块的输入端，开关RS的另一端连接到放大器的差分输入端正极及输入信号VBUS，输入信号ADJ连接到放大器的内部，采样电路模块的输出连接到输出信号VOUT。本发明所涉及的用于红外面阵型探测器的读出电路，其具体信号说明如表1所示。
表1信号说明
| 信号名称 | 信号类型 | 功能说明 |
| VCC | 模拟电源 | 为整体电路提供电源 |
| GND | 模拟接地 | 为整体电路接地 |
| Iint | 模拟电流输入 | 积分电流输入 |
| ADJ | 模拟电压开关 | 模式切换 |
| VBUS | 模拟偏置电压 | 提供模拟偏置电压 |
| VOUT | 模拟电压输出 | 输出信号 |
| EN | 数字信号 | 积分使能 |
| RST | 数字信号 | 积分复位 |
| RS | 数字信号 | 基准电压 |
| INT | 数字信号 | 积分控制 |
| SH | 数字信号 | 采样控制 |
| S1，S2，S3，S4 | 数字信号 | 积分电容选择 |
上述所说的增益可调差分放大器(见图2)，其结构包括两个PMOS管与五个NMOS管，其中两个PMOS管M1和M2的源极分别连接到VCC，其栅极互相连接，M1的漏极连接到NMOS管M3的漏极，M3的栅极连接输入信号VBUS，源极连接到NMOS管M5的漏极和栅极，M5的源极连接到GND，M2的漏极连接到NMOS管M4的漏极，并连接到输出端VOUT1，M4的栅极连接输入信号VIN_amp，源极连接到NMOS管M6的漏极，M6的栅极连接到M5的漏极和栅极以及M3的源极，M6的源极连接到NMOS管M7的漏极，M7的栅极连接输入信号ADJ，M7的源极连接到GND。
上述所说的可调电容模块(见图3)，其结构包括四个积分电容，八个电容选择开关，其中四个开关S1_N，S2_N，S3_N，S4_N的一端共同连接到输入信号Iint，其另一端分别对应连接到电容C1，C2，C3，C4的输入端，电容C1，C2，C3，C4的输出端分别对应连接到开关S1，S2，S3，S4开关的一端，开关S1，S2，S3，S4的另一端共同连接到输出端VOUT2。
上述所说的采样电路模块(见图4)，其结构包括一个采样电容，一个采样开关，其中开关SH的一端连接输入信号VIN_sh，另一端同时连接电容C的输入端及输出信号VOUT3，电容C的另一端接GND。
上述所说的用于红外面阵型探测器的读出电路，其特征是具有四个开关，其结构包括一个积分使能开关EN，一个积分复位开关RST，一个积分开关INT，一个基准电压开关RS。
所涉及的用于红外面阵型探测器的读出电路的具体工作过程如下：1)电路接入电源(VCC)和地(GND)；2)如图1接入输入积分电流信号(Iint)和偏置电压(VBUS)作为增益可调差分放大器(如图2)的输入信号，按图2连接模块内部信号，其中两个PMOS管M1和M2的源极分别连接到VCC，其栅极互相连接，M1的漏极连接到NMOS管M3的漏极，M3的栅极连接输入信号VBUS，源极连接到NMOS管M5的漏极和栅极，M5的源极连接到GND，M2的漏极连接到NMOS管M4的漏极，并连接到输出端VOUT1，M4的栅极连接输入信号VIN_amp，源极连接到NMOS管M6的漏极，M6的栅极连接到M5的漏极和栅极以及M3的源极，M6的源极连接到NMOS管M7的漏极，M7的栅极连接输入信号ADJ，M7的源极连接到GND，此放大器可以通过调整ADJ输入信号来调整其性能参数；3)调整模拟电压开关ADJ和积分电容选择开关S1，S2，S3，S4，不仅可以通过可调电容模块(如图3)选择开关来调整电路的整体增益，而且可以调整其灵敏度，电容模块如图3接入信号，四个开关S1_N，S2_N，S3_N，S4_N的一端共同连接到输入信号Iint，其另一端分别对应连接到电容C1，C2，C3，C4输入端，电容C1，C2，C3，C4的输出端分别对应连接到开关S1，S2，S3，S4开关的一端，开关S1，S2，S3，S4的另一端共同连接到输出端VOUT2；4)差分放大器的输出作为采样电路的输入信号，采样电路(如图4)可以将输出信号精确保持并输出，采样电路如图4连接，开关SH的一端连接输入信号VIN_sh，另一端同时连接电容C的输入端及输出信号VOUT3，电容C的另一端接GND；5)按信号时序图5所示设置信号RS，RST，INT，EN和SH的时序关系，开始工作前全部信号分别为低电平，5us时间间隔后，积分使能信号EN，积分复位信号RST，基准电压开关信号RS同时为高电平，积分电路开始工作，再间隔时间5us后，基准电压开关RS为低电平，电容充电完毕，时间间隔125ns，积分复位开关RST为低电平，再间隔125ns后，积分控制开关INT为高电平，电容电位保持。采样阶段，采样控制开关SH为高电平，时间间隔5us后，采样完成，采样控制开关SH为低电平，积分控制开关INT，积分使能开关EN同时为低电平，电容放电，时间间隔5us后，进入下一充电采样周期；6)根据具体应用环境调整模拟电压开关ADJ和积分电容选择开关S1，S2，S3，S4以过得最优的信号输出。
Claims (4)
1.一种用于红外面阵型探测器的读出电路，包括一个增益可调差分放大器，一个可调电容模块，一个采样电路模块，四个开关，其中输入信号Iint连接开关EN一端，EN另一端共同连接至放大器的差分输入端负极、电容模块输入端及开关RST一端，开关RST的另一端连接到采样电路模块的输入端，电容模块的输出同时连接开关的INT与开关RS的一端，开关INT的另一端也连接到采样电路模块的输入端，开关RS的另一端连接到放大器的差分输入端正极及输入信号VBUS，输入信号ADJ连接到放大器的内部，采样电路模块的输出连接到输出信号VOUT，差分放大器的输出作为采样电路的输入信号，增益可调的差分放大器，其结构包括两个PMOS管与五个NMOS管，其中两个PMOS管M1和M2的源极分别连接到VCC，其栅极互相连接，M1的漏极连接到NMOS管M3的漏极，M3的栅极连接输入信号VBUS，源极连接到NMOS管M5的漏极和栅极，M5的源极连接到GND，M2的漏极连接NMOS管M4的漏极，并连接到输出端VOUT1，M4的栅极连接输入信号VIN_amp，源极连接NMOS管M6的漏极，M6的栅极连接到M5的漏极和栅极以及M3的源极，M6的源极连接到NMOS管M7的漏极，M7的栅极连接输入信号ADJ，M7的源极连接到GND。
2.根据权利要求1所述的用于红外面阵型探测器的读出电路，其特征是具有一个可调电容模块作为放大器反馈电路，其结构包括四个积分电容，八个电容选择开关，其中四个开关S1_N，S2_N，S3_N，S4_N的一端共同连接到输入信号Iint，其另一端分别对应连接到电容C1，C2，C3，C4的输入端，电容C1，C2，C3，C4的输出端分别对应连接到开关S1，S2，S3，S4的一端，开关S1，S2，S3，S4的另一端共同连接到输出端VOUT2。
3.根据权利要求1所述的用于红外面阵型探测器的读出电路，其特征是具有一个采样电路模块，其结构包括一个采样电容，一个采样开关，其中开关SH的一端连接输入信号VIN_sh，另一端同时连接电容C的输入端及输出信号VOUT3，电容C的另一端接GND。
4.根据权利要求1所述的用于红外面阵型探测器的读出电路，其特征是具有四个开关，其结构包括一个积分使能开关EN，一个积分复位开关RST，一个积分开关INT，一个基准电压开关RS。
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