CN104568169A - 带有失调消除功能的红外焦平面读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，所述的读出电路包括：电平转换单元，两相非交叠时钟产生单元，帯隙基准电流源单元，跨导放大器单元，跨导输出失调电流消除单元，带失调电压消除技术的积分放大单元，积分电容选择单元，缓冲隔离单元，采样保持单元，缓冲输出级单元。利用发明的电路可读出二极管型非制冷红外焦平面阵列所产生的小信号；通过选择不同的积分电容值和改变跨导单元的偏置电流的大小而调整信号的放大倍数及积分时间等，以满足不同背景的需要；发明还包括放大器输入级失调电压消除技术及跨导输出电流失调消除技术，从而提高了读出电路的整体精度。

Description

带有失调消除功能的红外焦平面读出电路

技术领域

本发明涉及一种红外成像系统中的一种非制冷型红外焦平面读出电路，属于微弱信号检测技术领域。

背景技术

红外成像技术有着悠久的历史，在生活，医疗，军事及经济等相关领域发挥着不可替代的作用，而非制冷型红外焦平面阵列是新一代红外成像系统中的关键技术，它的出现为红外成像技术带来了低成本，长寿命，低功耗，高分辨率的优点。它由红外探测器阵列和读出电路阵列两部分组成。红外探测器阵列是将入射的红外辐射信号转换为电信号输出的器件，是红外热成像系统的最前端，也是最重要的核心部分。读出电路是将探测器感应到的信号进行处理显示，也是红外热成像系统的关键技术之一，其中CMOS读出电路是主流方向

读出电路（ROIC）的基本功能就是对生成的电荷进行积分，放大、采样保持和串/并转换等。电路结构包括自积分结构SI、源随器结构SFD、直接注入结构DI、缓冲直接注入结构BDI、电容跨导放大器结构CTIA、电阻反馈互导放大器结构RTIA、电流镜栅调制结构CM、电阻负载栅极调制结构RL、以及一些背景抑制电路结构等，但目前国内普遍采用CTIA结构。

电容反馈互导放大器型读出电路的优点：探测器的偏压因放大器的虚短特性而很稳定；由于米勒效应，积分电容可以很小，故能降低噪声；高灵敏度。缺点：复位管的复位脉冲产生的馈通效应会耦合到探测器上，从而影响了探测器的偏压和放大器的工作点；由于包含放大器，其功耗和面积都增加了，引入了KTC噪声。

发明内容

本发明的目的是减少焦平面读出电路中放大器失调电压及失调电流对精度的影响，同时提供一种适合大规模红外探测器阵列的红外焦平面读出电路，减少功耗及芯片面积。

按照本发明提供的技术方案，所述红外焦平面读出电路包括依次连接的：跨导放大器单元、跨导输出失调电流消除单元、积分放大单元、缓冲隔离单元、采样保持单元和缓冲输出级单元，所述积分放大单元还连接积分电容选择单元；

所述跨导放大器单元将二极管阵列输出的电压信号转换成电流信号，以供积分放大单元积分放大；

所述跨导输出失调电流消除单元包括串联的4个四个晶体管：PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4，通过控制这四个晶体管的栅极电压控制流过晶体管的灌电流或漏电流而消除跨导放大器单元输出的失调电流；

所述积分放大单元包括开关S1、开关S2、开关S3、电容Cs、运算放大器AMP1，开关S1一端接PMOS管M2漏极与NMOS管M3漏极的连接节点A4，开关S1另一端接运算放大器AMP1同相输入端以及基准电压Vref，节点A4经过电容Cs接运算放大器AMP1反相输入端，在运算放大器AMP1反相输入端和输出端之间接入开关S3，在运算放大器AMP1输出端和节点A4之间接入串联的开关S2和积分电容选择单元，运算放大器AMP1输出端连接到缓冲隔离单元的输入端；通过控制开关S1、S2和S3的导通或断开选择使积分放大单元处于复位状态或者积分状态；

所述采样保持单元包括开关S4、开关S5、开关S6、电容Cint、运算放大器AMP3，缓冲隔离单元输出端依次经过开关S4、电容Cint连接运算放大器AMP3反相输入端，运算放大器AMP3同相输入端接基准电压Vref，在运算放大器AMP3输出端和反相输入端之间接入开关S5，在开关S4和电容Cint的连接节点A10与运算放大器AMP3输出端之间接入开关S6，运算放大器AMP3输出端连接到缓冲输出级单元的输入端；采样保持单元通过控制开关S4、S5和S6对缓冲隔离单元输出的信号进行采样和保持；

所述缓冲隔离单元、缓冲输出级单元均为运算放大器构成的电压跟随器；缓冲隔离单元隔离采样保持单元的开关S4对积分放大单元的噪声影响；缓冲输出级单元提高输出端带负载的能力。所采用的运算放大器均为折叠式共源共栅运算放大器。

所述积分放大单元中，开关S1和开关S3接第二时钟信号Ф2，开关S2接第一时钟信号Ф1，Ф1和Ф2为两相非交叠时钟。

所述采样保持单元中，开关S4和开关S5接第一时钟信号Ф1，开关S6接第二时钟信号Ф2，Ф1和Ф2为两相非交叠时钟。

所述积分电容选择单元包括多个并联的支路，每个支路为一个电容选择开关和一个积分电容的串联，通过控制电容选择开关而选择合适的电容。

当开关S1和S3导通，开关S2断开时，积分放大单元处于复位状态，此时运算放大器AMP1的失调电压对电容Cs进行充电，其左右极板的电压差为负的失调电压；当开关S1和S3断开，开关S2导通时，积分放大单元处于积分状态，此时焦平面阵列的输出信号通过跨导放大器单元产生的电流开始对选择电容积分，此时由于运算放大器AMP1输入端电流的虚断特性，电容Cs左极板电压始终为运算放大器AMP1的偏置电压，消除了运算放大器AMP1的失调电压对积分信号精度的影响。

本发明的优点：

（1）本发明利用跨导放大器单元将二极管焦平面阵列输出的电压小信号转换成电流小信号，以方便积分放大单元对焦平面读出信号的积分放大，避免了使用电阻进行转换，大大减小了芯片的面积，跨导放大器的输入端采用大比例尺寸的P型MOS管，减少了1/f噪声以及如果使用电阻转换带来的热噪声，提高了系统的信噪比。

（2）本发明通过控制四个晶体管的栅极电压而产生的灌电流或漏电流来抵消跨导放大器输出端的失调电流，提高了积分电流的精度。

（3）本发明通过控制积分放大单元的三个开关的导通或断开来消除放大器输入端失调电压对积分信号的积分误差，从而提高了读出电路的精度，同时本发明结构简单，操作方便。

（4）本发明采用了多个积分电容可供选择，从而使此电路可用于不同的背景需要，同时可以根据选择的积分电容的大小和跨导放大器单元偏置电流的大小而合适地选择积分时间。

附图说明

图1为单元读出电路的结构图。

图2为单元读出电路工作过程中的时钟信号波形图。

图3为应用于二极管红外焦平面阵列的整体电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，一种非制冷型红外焦平面读出电路的单元电路包括依次连接的：跨导放大器单元3、跨导输出失调电流消除单元4、积分放大单元5、缓冲隔离单元7、采样保持单元8和缓冲输出级单元9，所述积分放大单元5还连接积分电容选择单元6。

节点Ａ２和节点Ａ３为跨导放大器单元3的输入节点，输出节点为节点Ａ４，跨导放大器单元3将二极管阵列输出的电压信号转换成电流信号，以供积分放大单元5积分放大。

跨导输出失调电流消除单元4连接在节点Ａ４处，所述的跨导输出失调电流消除单元4包括串联的4个四个晶体管：PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4，通过控制这四个晶体管的栅极电压控制流过晶体管的灌电流或漏电流来抵消跨导放大器单元3输出的失调电流。

积分放大单元5接在节点Ａ４和节点Ａ８之间，所述积分放大单元5包括开关S1、开关S2、开关S3、电容Cs、运算放大器AMP1，开关S1一端接PMOS管M2漏极与NMOS管M3漏极的连接节点A4，开关S1另一端接运算放大器AMP1同相输入端以及基准电压Vref，节点A4经过电容Cs接运算放大器AMP1反相输入端，在运算放大器AMP1反相输入端和输出端之间接入开关S3，在运算放大器AMP1输出端和节点A4之间接入串联的开关S2和积分电容选择单元6，运算放大器AMP1输出端连接到缓冲隔离单元7的输入端。通过控制开关S1、S2和S3的导通或断开选择使积分放大单元5处于复位状态或者积分状态。

积分电容选择单元6连接在节点A7和节点A8之间。所述积分电容选择单元6包括多个并联的支路，每个支路为一个电容选择开关和一个积分电容的串联，通过控制电容选择开关而选择合适的电容。

当开关S1和S3导通，开关S2断开时，积分放大单元5处于复位状态，此时运算放大器AMP1的失调电压对电容Cs进行充电，其左右极板的电压差为负的失调电压，当开关S1和S3断开，开关S2导通时积分放大单元5处于积分状态，此时焦平面阵列的输出信号通过跨导放大器单元3产生的电流开始对积分电容Cint［0］至Cint[N]积分，此时由于运算放大器AMP1输入端电流的虚断特性，电容Cs左极板电压始终为运算放大器AMP1的偏置电压，消除了运算放大器AMP1的失调电压对积分信号精度的影响。

缓冲隔离单元7、缓冲输出级单元9均为运算放大器构成的电压跟随器；缓冲隔离单元7（AMP2）连接在节点Ａ８和节点Ａ９之间，隔离采样保持单元8的开关Ｓ４对积分放大单元5的噪声影响；缓冲输出级单元9（AMP4）连接在节点Ａ１２和节点Ａ１３之间，提高输出端带负载的能力。

采样保持单元8连接在节点Ａ９和节点Ａ１２之间，所述采样保持单元8包括开关S4、开关S5、开关S6、电容Cint、运算放大器AMP3，缓冲隔离单元7输出端依次经过开关S4、电容Cint连接运算放大器AMP3反相输入端，运算放大器AMP3同相输入端接基准电压Vref，在运算放大器AMP3输出端和反相输入端之间接入开关S5，在开关S4和电容Cint的连接节点A10与运算放大器AMP3输出端之间接入开关S6，运算放大器AMP3输出端连接到缓冲输出级单元9的输入端。采样保持单元8通过控制开关S4、S5和S6对缓冲隔离单元7输出的信号进行采样和保持，当开关S4和S5导通，开关S6断开时采样保持单元处于采样状态，当开关S4和S5断开，开关S6导通时采样保持单元处于保持状态。

单元读出电路中的差分放大器AMP1，AMP2，AMP3，AMP4均采用输出范围较大的折叠式共源共栅放大器，且增益不小于80dB。

图2为本发明中读出电路工作过程的时钟信号波形图。原理如下：

（1） Ф1和Ф2为两相非交叠时钟单元产生的两项非交叠时钟信号，连接到积分放大单元与采样保持单元中的开关，且所有的开关均为互补性CMOS开关。

（2） 积分放大单元的开关S1，开关S3和采样保持单元中的开关S6由时钟信号Ф2及其反相时钟信号控制；积分放大单元的开关S2，采样保持单元中的开关S4和开关S5由时钟信号Ф1及其反相时钟信号控制。

（3） 在时钟信号的（1）段，积分采样单元的开关S1和开关S3断开，开关S2导通，积分采样单元处于积分状态；采样保持单元的开关S6断开，开关S4和开关S5导通，采样保持单元处于采样状态。

（4） 在时钟信号的（2）段，积分采样单元的开关S1和开关S3导通，开关S2断开，积分采样单元处于复位状态；采样保持单元的开关S6导通，开关S4和开关S5断开，采样保持单元处于保持状态。

图3是图1的单元电路应用于具体的红外焦平面阵列读出电路中的连接电路，添加了行控制开关Sh，列控制开关Sv，二极管阵列，电平转换单元1，两相非交叠时钟发生单元10。

电平转换单元1将5V的数字时钟信号转换成9V的数字时钟信号控制列选开关Sv。列选开关一端接9V直流电源，另一端接二极管阵列，当列选开关Sv导通时，9V直流电平给8个二极管供电，带隙基准电流源单元2产生的电流给二级管提供偏置电流，二极管产生压降，左边一列二极管为不受红外光照的二极管作为参照，右边一列二极管接受红外光照。

Claims (6)

1.带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，包括依次连接的：跨导放大器单元（3）、跨导输出失调电流消除单元（4）、积分放大单元（5）、缓冲隔离单元（7）、采样保持单元（8）和缓冲输出级单元（9），所述积分放大单元（5）还连接积分电容选择单元（6）；

所述跨导放大器单元（3）将二极管阵列输出的电压信号转换成电流信号，以供积分放大单元（5）积分放大；

所述跨导输出失调电流消除单元（4）包括串联的4个四个晶体管：PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4，通过控制这四个晶体管的栅极电压控制流过晶体管的灌电流或漏电流而消除跨导放大器单元（3）输出的失调电流；

所述积分放大单元（5）包括开关S1、开关S2、开关S3、电容Cs、运算放大器AMP1，开关S1一端接PMOS管M2漏极与NMOS管M3漏极的连接节点A4，开关S1另一端接运算放大器AMP1同相输入端以及基准电压Vref，节点A4经过电容Cs接运算放大器AMP1反相输入端，在运算放大器AMP1反相输入端和输出端之间接入开关S3，在运算放大器AMP1输出端和节点A4之间接入串联的开关S2和积分电容选择单元（6），运算放大器AMP1输出端连接到缓冲隔离单元（7）的输入端；通过控制开关S1、S2和S3的导通或断开选择使积分放大单元（5）处于复位状态或者积分状态；

所述采样保持单元（8）包括开关S4、开关S5、开关S6、电容Cint、运算放大器AMP3，缓冲隔离单元（7）输出端依次经过开关S4、电容Cint连接运算放大器AMP3反相输入端，运算放大器AMP3同相输入端接基准电压Vref，在运算放大器AMP3输出端和反相输入端之间接入开关S5，在开关S4和电容Cint的连接节点A10与运算放大器AMP3输出端之间接入开关S6，运算放大器AMP3输出端连接到缓冲输出级单元（9）的输入端；采样保持单元（8）通过控制开关S4、S5和S6对缓冲隔离单元（7）输出的信号进行采样和保持；

所述缓冲隔离单元（7）、缓冲输出级单元（9）均为运算放大器构成的电压跟随器；缓冲隔离单元（7）隔离采样保持单元（8）的开关S4对积分放大单元（5）的噪声影响；缓冲输出级单元（9）提高输出端带负载的能力。

2.如权利要求1所述的带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，所述积分放大单元（5）中，开关S1和开关S3接第二时钟信号Ф2，开关S2接第一时钟信号Ф1，Ф1和Ф2为两相非交叠时钟。

3.如权利要求1所述的带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，所述采样保持单元（8）中，开关S4和开关S5接第一时钟信号Ф1，开关S6接第二时钟信号Ф2，Ф1和Ф2为两相非交叠时钟。

4.如权利要求1所述的带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，所述积分电容选择单元（6）包括多个并联的支路，每个支路为一个电容选择开关和一个积分电容的串联，通过控制电容选择开关而选择合适的电容。

5.如权利要求1所述的带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，当开关S1和S3导通，开关S2断开时，积分放大单元（5）处于复位状态，此时运算放大器AMP1的失调电压对电容Cs进行充电，其左右极板的电压差为负的失调电压；当开关S1和S3断开，开关S2导通时，积分放大单元（5）处于积分状态，此时焦平面阵列的输出信号通过跨导放大器单元（3）产生的电流开始对选择电容积分，此时由于运算放大器AMP1输入端电流的虚断特性，电容Cs左极板电压始终为运算放大器AMP1的偏置电压，消除了运算放大器AMP1的失调电压对积分信号精度的影响。

6.如权利要求1所述的带有失调消除功能的红外焦平面读出电路，其特征是，所采用的运算放大器均为折叠式共源共栅运算放大器。