CN106706138B - 一种相位自补偿红外探测器读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位自补偿红外探测器读出电路，该电路为相位自补偿CTIA(电容反馈互导放大器)读出电路，在CTIA输出端采用相位自补偿电容，可在低温下对电路进行快速相位自补偿；输入积分电路采用一级共源共栅结构的电容反馈互导放大器，积分电路中的积分电容由三个电容并联组成的多级放大结构，可满足不同响应率探测器信号的读出；CDS输出端采用由开关控制的低功耗N管跟随结构，电路总功耗明显降低。本发明的优点在于：电路结构简单，低温下能实现相位自补偿，功耗低，放大倍数多级可调，电路从常温到液氮低温都能正常工作。

Description

一种相位自补偿红外探测器读出电路
技术领域
本发明涉及红外探测器读出电路领域，尤其是涉及一种相位自补偿CMOS红外探测器读出电路。
背景技术
目前红外探测成像在军事、航空航天、生物医学以及国民经济等领域得到日益广泛的应用。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，提供了物体的丰富的信息。但是红外辐射是一种不可见的电磁波，利用红外辐射来获取物体的信息的时候，需要将这种红外辐射转换为可测量的信号。红外探测器读出电路就是将红外辐射转换成可测量的电信号。红外探测器读出电路通过光电转换、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，在军事和民用领域获得了广泛的应用。为提高抗外界干扰能力，提高系统信噪比，要求红外探测器读出电路与探测器近距离连接，即读出电路也在低温下工作。目前在CMOS电路设计方面由于标准低温模型的限制无法保证电路的低温工作状态，大部份CMOS放大电路在低温下由于相位裕度的变化从而导致低温下容易振荡，需要另外增加较复杂的相位裕度补偿的电路，既增加了电路芯片的面积又增加了电路的噪声。
针对上述问题，国内外在低温CMOS读出电路方面已经开展了一些相关研究，但在实际应用中在低温稳定性和低噪声方面还有待进一步完善。例如：专利CN103913700A公开了一种红外焦平面读出电路的检测电路，但该电路结构本身复杂，包括测试电路、检测电路、积分电路、采样保持电路等部分，同时低温稳定性无法得到保证，电路输出噪声性能有待提高。本发明采用的相位自补偿设计，通过在标准CTIA输出端与双关双采样CDS之间增加大于1pF的相位自补偿电容，克服了低温环境下的复杂相位补偿电路需求，有效解决低温工作状态下电路相位裕度的稳定性，并且不明显增加电路的噪声，同时大大降低了红外探测器读出电路的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位自补偿红外探测器CMOS读出电路，有效解决低温工作状态下电路相位裕度的稳定性，并且不明显增加电路的噪声，同时大大降低了红外探测器读出电路的复杂性。
本发明设计的一种应用于HgCdTe短波红外探测器的长线列读出电路，输入积分电路采用CTIA相位自补偿结构，相位自补偿电容C4位于相关双采样电路之前，自补偿电容大小设计为大于1pF，放大器在低温下的相位裕度大于45度；电路具有放大倍数多级可调功能，适合不同响应率探测器的信号读出。图1为相位自补偿CTIA积分电路，积分电容由三个电容C1、C2、C3并联组成的多级放大结构，其中C1为基准电容，C2、C3分别由选择开关S1和选择开关S2控制。C4为相位自补偿电容。放大器采用差分放大器，in和out端接积分电容，差分输入的另一输入端接ref。其电路的单元结构如图2所示，包括输入积分电路、自补偿电容C4、CDS(相关双采样)N跟随、P跟随输出，输入积分电路采用CTIA结构；放大器采用一级共源共栅结构，自补偿电容设计为大于1pF；图3为CDS(相关双采样)输出结构，采用由开关控制的低功耗N管跟随结构。C6、C7为采样电容，sha、shb与shaf、shbf为互补脉冲，控制信号的采样。列选择col接移位寄存器的输出端口，使线列输出信号按顺序读出。
该电路只在CTIA输出端与双关双采样CDS之间增加相位自补偿电容，无需传统的复杂相位补偿电路设计，可有降低电路的复杂性，减小了芯片的面积；三个积分电容的设计可以使电路具有较大的适应性，满足不同探测器灵敏度要求；该电路从常温到液氮低温都能正常工作。
本发明的优点如下：
1.该电路在CTIA输出端与双关双采样CDS之间增加自补偿电容，无需传统的复杂相位补偿电路设计，能使电路在液氮低温下也具有稳定的工作状态。大大降低了低温读出读出电路的设计复杂性。
2.积分电容由10pF、20pF、20pF三个电容组成，可组合成多级放大倍数，使电路能适应不同非制冷探测器响应率的要求。
3.利用低功耗的跟随管设计，采用先N跟随，后P跟随，既降低了电路的功耗，又增加了电路的摆幅。
附图说明
图1相位自补偿CTIA拓扑结构图。
图2相位自补偿读出电路单元结构图。
图3读出电路低功耗的CDS N跟随结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实施方式1
图1为相位自补偿CTIA拓扑结构图，差分放大电路采用的是差分输入的一级折叠式共源共栅结构，C4为相位自补偿电容，其大小设置为大于1pF，使电路在低温下具有较大的相位裕度，保证电路在低温下能正常工作，积分电容由C1、C2、C3三个电容组成，大小分别为1pF、2pF、2pF，其中C1为基准电容，C2、C3分别由选择开关S1和选择开关S2控制，不同的组合形成了不同放大倍数，电路能适应红外探测器不同响应率的要求。当S1、S2都为高时，总的积分电容为5pF，适合于高响应率信号的读出，当S1、S2都为低时，总的积分电容为1pF，适合于低响应率信号的读出。放大器采用差分放大器，in和out端接积分电容，差分输入的另一输入端为参考电压端ref。其每个管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 M0 M5、M6 M7、M14 M13、M17 M16、M18 M1、M11 reset
W/L 25/5 50/2 15/3 10/10 10/10 2/1 2/1
实施方式2
图2为相位自补偿读出电路单元结构图，包括输入积分电路、自补偿电容、CDS(相关双采样)N跟随、P跟随输出。差分放大器的正端接Vref，负端为积分电流输入端，积分电容Ci跨接在差分放大器的负输入端与输出端之间，自补偿电容接在CTIA的输出端和相关双采样CDS之间，该自补偿电容能使电路在低温下具有充分大的相位裕度而使电路不振荡。为使长线列的探测器信号能顺序读出，需在电路的输出部分增加N跟随，后面再接P跟随。CTIA的输出信号通过CDS相关双采样电路保存在采样电容上，CDS为N跟随管，信号最后通过P跟随输出。Vref为差分放大器输入参考电压，此电压为CTIA积分时的起始电压，一般设定为1V，最低不能低于N管的阈值电压，否则会在信号的低端出现失真。
实施方式3
电路的输出端采用CDS的N跟随加P跟随的结构，该输出结构能使电路的输出摆幅大于2V，其CDS的N跟随电路结构如图3所示，N跟随部分只有在列选择端col为低电平时开启，有功耗，当列选择端col为高电平时N跟随关闭，几乎无功耗，所以读出电路为低功耗结构，功耗很小，长线列电路的单元功耗小于1毫瓦。col端的电压由移位寄存器提供，控制长线列信号按顺序读出。
sha和shb为两个采样脉冲,shaf、shbf为sha、shb的互补脉冲，控制CTIA的输出端信号传输到采用电容，采样时间分别设定为CTIA积分的起始值和完成值，C6和C7为对应两个采样脉冲的采样电容，其大小为1pF，其它每个管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 NM6、NM PM6、PM7 NM8、NM9 PM8、PM9
W/L 3/0.6 6/0.6 32.5/1.2 65/1.2
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。

Claims (1)

1.一种相位自补偿红外探测器读出电路，包括输入积分电路和相关双采样输出电路，其特征在于：
所述的输入积分电路采用CTIA相位自补偿结构，相位自补偿电容C4位于相关双采样电路之前，自补偿电容大小设计为大于1pF，放大器在低温下的相位裕度大于45度；积分电容由三个电容C1、C2、C3并联组成的多级放大结构，其中C1为基准电容，C2、C3为可选电容，分别由选择开关S1和选择开关S2控制，不同的组合形成了不同放大倍数；
所述的相关双采样输出电路采用由开关控制的N管跟随结构，N管跟随部分只有在列选择col端为低电平时开启，有功耗，当列选择col端为高电平时N管跟随关闭，无功耗，构成低功耗读出电路。
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