CN104819779B - 一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路 - Google Patents

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本发明公开了一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，包括盲像元支路、敏感像元支路和积分器，盲像元支路包括盲像元电阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元电阻，NMOS管的源极连接PMOS管的源极，NMOS管的漏极经敏感像元电阻接地，PMOS管的源极接入积分器的输入端，盲像元支路还包括盲像元阵列，盲像元阵列包括数个依次串联的电阻，每个电阻分别并联一个开关，各开关的启闭由数字信号控制，PMOS管的漏极经盲像元阵列与盲像元电阻连接，盲像元阵列中的各个电阻均与盲像元电阻具有相同的电阻温度系数。本发明解决了传统读出电路输出因偏置热产生偏差以及因该偏差降低读出电路动态范围的问题。

Description

一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及了一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路。
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。
微测辐射热计是一种热敏型的红外探测器，其探测机理是红外辐射引起敏感像元的温度变化，从而改变敏感像元的等效电阻。其读出电路是将等效电阻变化检测、转化为电压或电流信号并最终输出的电路。一个传统的红外读出电路如图1所示，在电路设计时，敏感像元和盲像元在各自的偏置电压下，流过它们的电流Is和Ib，在无外界红外辐射时它们是相等的。在实际使用过程中，偏置引起像元发热，由于像元对热敏感，故像元的等效电阻也随之发生变化。然而，由于敏感像元和盲像元的偏置时间存在明显差异，故在读出电路中它们实际的等效电阻值存在较大的差异，如图2所示。读出电路的输出由于偏置热而产生了偏差，该偏差同时会降低读出电路的动态范围，因此，需要消除偏置热效应。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，解决了传统读出电路的输出由于偏置热产生偏差以及该偏差降低读出电路的动态范围的问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，包括盲像元支路、敏感像元支路和积分器，所述盲像元支路包括盲像元电阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元电阻，所述NMOS管的源极连接PMOS管的源极，NMOS管的漏极经敏感像元电阻接地，所述PMOS管的源极接入积分器的输入端，所述盲像元支路还包括盲像元阵列，所述盲像元阵列包括数个依次串联的电阻，每个电阻分别并联一个开关，所述PMOS管的漏极经盲像元阵列与盲像元电阻连接；所述盲像元阵列中的各个电阻均与盲像元电阻具有相同的电阻温度系数。
其中，上述积分器包括运算放大器和积分电容，所述运算放大器的输出端经积分电容与运算放大器的负输入端相连，运算放大器的负输入端连接PMOS管的源极。
其中，上述运算放大器的型号为OP07。
其中，上述NMOS管的型号为2N7000。
其中，上述PMOS管的型号为S14405。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明在传统红外电路的基础上，在盲像元支路增加盲像元阵列RDAC来对偏置热产生的偏差进行补偿，从而获得更大的输出动态范围，避免了偏置热对动态范围的压缩。本发明增加的盲像元阵列RDAC由多个电阻串联而成，这些电阻与盲像元电阻Rb和敏感像元电阻Rs有同样的电阻温度系数（TCR），因此，即使衬底温度发生了变化，也无需对其阻值重新进行调节。若采用普通的半导体电阻构成RDAC，则衬底温度变化时会使得RDAC与Rb、Rs的变化率不一致，从而极大降低读出电路的动态范围。
附图说明
图1是传统红外读出电路的结构示意图。
图2是传统红外读出电路的盲像元与敏感像元的阻值变化示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明中盲像元阵列的结构示意图。
图5是本发明的盲像元与敏感像元的阻值变化示意图。
标号说明：Vsk：输入电压；Rb：盲像元电阻；Rs：敏感像元电阻；PM2：PMOS管；NM2：NMOS管；Ib：流过盲像元支路的电流；Is：流过敏感相元支路的电流；Veb：PMOS管的偏置电压；Vfid：NMOS管的偏置电压；Cint：积分电容；Vref：积分器的基准电压；Vout：输出信号；RDAC：盲像元阵列。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图3所示本发明的结构示意图，一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，包括盲像元支路、敏感像元支路和积分器，所述盲像元支路包括盲像元电阻Rb和PMOS管PM2，敏感像元支路包括NMOS管NM2和敏感像元电阻Rs，所述NMOS管NM2的源极连接PMOS管PM2的源极，NMOS管NM2的漏极经敏感像元电阻Rs接地，所述PMOS管PM2的源极接入积分器的输入端，所述盲像元支路还包括盲像元阵列RDAC，如图4所示，所述盲像元阵列RDAC包括数个依次串联的电阻（Rb1、Rb2、Rb3…Rbn），每个电阻分别并联一个开关（S1、S2、S3…Sn），各开关的启闭由数字信号控制，所述PMOS管PM2的漏极经盲像元阵列与盲像元电阻Rb连接，所述盲像元阵列RDAC中的各个电阻分别与盲像元电阻Rb具有相同的电阻温度系数。PMOS管的基极输入其偏置电压Veb，NMOS管的基极输入其偏置电压Vfid。
在本实施例中，积分器包括运算放大器和积分电容Cint，所述运算放大器的输出端经积分电容Cint与运算放大器的负输入端相连，运算放大器的负输入端连接PMOS管PM2的源极，运算放大器的正输入端接入基准电压Vref，运算放大器的输出端输出输出信号Vout。
在本实施例中，NMOS管NM2的型号为2N7000。
在本实施例中，PMOS管PM2的型号为S14405。
本发明在传统读出电路的盲像元支路中增加由数字信号控制的盲像元阵列RDAC。通过数字信号控制盲像元阵列RDAC中的各个开关的启闭，从而调整盲像元支路上的电阻值，使得在无外界红外辐射信号时，在一个积分周期中敏感像元电阻Rs与盲像元支路的等效电阻(Rb+RDAC)的时间平均值相等。即，流过敏感像元支路的电流Is和流过盲像元支路的电流Ib在一个记分周期中的平均值相等。图5显示了上述调节过程，图5的横坐标为时间t，纵坐标为阻值R，其中，T表示一个读出周期，tint为积分周期。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，包括盲像元支路、敏感像元支路和积分器，所述盲像元支路包括盲像元电阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元电阻，所述NMOS管的源极连接PMOS管的源极，NMOS管的漏极经敏感像元电阻接地，所述PMOS管的源极接入积分器的输入端，其特征在于：所述盲像元支路还包括盲像元阵列，所述盲像元阵列包括数个依次串联的电阻，每个电阻分别并联一个开关，各开关的启闭由数字信号控制，所述PMOS管的漏极经盲像元阵列与盲像元电阻连接，所述盲像元阵列中的各个电阻均与盲像元电阻具有相同的电阻温度系数；所述NMOS管的型号为2N7000，PMOS管的型号为S14405。
2.根据权利要求1所述一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，其特征在于：所述积分器包括运算放大器和积分电容，所述运算放大器的输出端经积分电容与运算放大器的负输入端相连，运算放大器的负输入端连接PMOS管的源极。
3.根据权利要求2所述一种具有偏置热补偿功能的微测辐射热计型红外读出电路，其特征在于：所述运算放大器的型号为OP07。
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