CN107026990A - 基于积分量化的红外读出电路及积分器动态输出范围的扩大方法 - Google Patents

Abstract

为了使ROIC读出电路总的信号积分电压远大于积分器运放本身的有限输出范围，使得ROIC读出电路的动态范围大大提高，本发明提供了一种基于积分量化的红外读出电路及积分器动态输出范围的扩大方法。其中电路包括红外感应单元、积分器和量化器；所述积分器包括运算放大器和积分电容C_int1；所述红外感应单元的输出端接积分器的输入端，所述积分器的输出端接量化器的输入端；其特殊之处在于：所述运算放大器的同向输入端接电压V_ref。

Description

基于积分量化的红外读出电路及积分器动态输出范围的扩大 方法

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种基于积分量化的红外读出电路及积分器动态输出范围的扩大方法。

背景技术

目前红外成像技术在军事、空间技术、医学以及国民经济相关领域得到日益广泛的应用。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件，该组件是由红外探测器和红外焦平面读出电路组成。

ROIC读出电路(红外读出电路)是采用标准CMOS硅工艺制作的集成电路，它是把红外焦平面的各种功能集成在单一的半导体芯片中的高集成度电路，其基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大以及传输。现有技术中信号传输通道一般是由一个带有加减法功能的积分器和量化器构成，而ROIC读出电路总的信号积分电压往往远大于积分器运放本身的有限输出范围，因此，如何增大积分器的动态输出范围是至关重要的。

发明内容

为了使ROIC读出电路总的信号积分电压远大于积分器运放本身的有限输出范围，使得ROIC读出电路的动态范围大大提高，本发明提供了一种基于积分量化的红外读出电路及积分器动态输出范围的扩大方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于积分量化的红外读出电路,包括红外感应单元、积分器和量化器；所述积分器包括运算放大器和积分电容C_int1；所述红外感应单元的输出端接积分器的输入端，所述积分器的输出端接量化器的输入端；

其特殊之处在于：

所述运算放大器的同向输入端接电压V_ref。

进一步地，上述电压V_ref为可调电压或者固定电压。

进一步地，上述红外读出电路还包括加减法器；所述加减法器包括驱动电容C_int2；驱动电容C_int2的负极接数模转换电压V_dac，驱动电容C_int2的正极分别与开关P1和P2的一端连接，开关P1的另一端接所述电压V_ref，开关P2的另一端接所述积分电容C_int1的正极以及所述运算放大器的反向输入端；所述量化器的输出信号D_M和D_L控制所述数模转换电压V_dac的变化值。

进一步地，上述开关P1和P2的状态根据时序控制：积分时，P2开；量化时，P1关、P2开；作加减法运算时，P1开、P2关；P1、P2不能同时关。

进一步地，上述量化器为1.5bit量化器。

进一步地，上述红外感应单元包括依次连接的虚拟电阻Rd、N-MOS场效应管、P-MOS场效应管和感应电阻Rs；所述N-MOS场效应管和P-MOS场效应管的漏极相连且与所述运算放大器的反向输入端。

本发明同时提供了一种上述红外读出电路中积分器动态输出范围的扩大方法，包括以下步骤：

1)设定运算放大器同向输入端的电压V_ref的值，根据电压V_ref将积分器总的有效积分时间T分割为m个相等的子积分时间段t，t＝T/m；m为大于1的自然数；

2)积分：在一个子积分时间段t内将红外读出电路采集的像元产生的电荷保存在积分电容C_int1中；

3)量化及加减法运算：

3.1)对运算放大器的输出进行量化，产生量化码D_M和D_L；

3.2)根据所述量化码D_M和D_L的输出组合，确定是否在所述积分电容C_int1中加/减驱动电容C_int2的电荷；所述驱动电容C_int2的电荷由运算放大器的同向输入端的电压V_ref和驱动电容C_int2负极端的数模转换电压V_dac确定；

4)重复步骤2)～3)，直至积分总时间达到所述有效积分时间T，此时积分器的输出电压V_residue，m作为红外读出电路的输出电压V_out，m。

进一步地，上述m的取值根据公式V_ref>＝(T/m)*I_max/C_Cint1确定；所述I_max为积分最大电流；C_Cint1为所述积分电容C_int1的电容值。

进一步地，上述步骤3.2)中加减法运算的具体方法为：

当D_M和D_L为00时，在积分电容C_int1中加入驱动电容C_int2的电荷；

当D_M和D_L为01时，积分电容C_int1中的电荷不变；

当D_M和D_L为10时，在积分电容C_int1中减去驱动电容C_int2的电荷。

进一步地，上述步骤4)中红外读出电路的输出具体为：

D_M，i、D_L，i为将积分器输出进行第i次量化后的数字输出；V_residue，m为第m次扩大处理后积分器的输出电压。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明根据量化器输出的不同量化值，合理设置运算放大器同向输入端的电压V_ref，并将积分器的有效积分时间T划分为m个子积分时段t，通过对积分器的输出电压进行m次扩大处理，可以使积分器输出端的输出电压V_residue，m始终保持在红外读出电路的输出范围之内，实现了红外读出电路中总的信号积分电压远大于积分器运放本身的有限输出范围，大大提高了红外读出电路的动态输出范围，并放松了对传感器及dummy电阻的一致性要求。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式的电路结构原理图；

图2为本发明的1.5bit量化器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明所提供的基于积分量化的红外输出电路，包括红外感应单元、积分器、量化器和加减法器。

红外感应单元主要由虚拟电阻Rd、N-MOS场效应管和P-MOS场效应管、感应电阻Rs构成，其中N-MOS场效应管的漏极与P-MOS场效应管的漏极相接后与运算放大器的反向输入端相接，N-MOS场效应管的源极接虚拟电阻Rd的一端，虚拟电阻Rd的另一端接电压V_sk，P-MOS场效应管的源极通过开关Row接感应电阻Rs的一端，感应电阻Rs的另一端接电压V_det。

积分器主要由运算放大器和积分电容C_int1构成，积分电容C_int1的正极接运算放大器的反向输入端，积分电容C_int1的负极接运算放大器的输出端。积分电容C_int1上还并联有复位开关RST。

量化器的输入端同时接运算放大器的输出端和积分电容C_int1的负极。

加减法器包括驱动电容C_int2；驱动电容C_int2的负极接数模转换电压V_dac，驱动电容C_int2的正极通过开关P1和开关P2分别接固定电压V_ref和运算放大器的反向输入端。开关P1和P2的状态根据时序控制：积分时，P2开；量化时，P1关、P2开。作加减法运算时，P1开、P2关；P1、P2不能同时关。

本发明的工作原理是：

首先根据红外读出电路的输出范围选择合适的V_ref值，并且在总的积分时间段T内电压V_ref保持不变。然后在有效的积分时间内将积分器的输出电压进行m次扩大处理。为了充分利用摆幅，本发明对积分器的输入电压作加减法的变量和积分器正端的电压相同，则V_ref>＝t*I_max/C_int1,即V_ref>＝(T/m)*I_max/C_int1，其中I_max为积分最大电流，t为单次积分时间段；C_Cint1为所述积分电容C_int1的电容值。因此扩大处理的次数m可根据公式V_ref>＝(T/m)*I_max/C_Cint1确定。

每一次扩大处理分为两步，第一步是积分，第二步是量化并进行加减法运算。积分过程中，红外读出电路采集的像元产生的电荷保存在积分器的积分电容C_int1中，如图1可知，积分电容C_int1的上极板电压近似为电压V_ref，运算放大器输出电压不断变化，当积分结束后，量化器对此时运算放大器的输出进行量化，产生量化码D_M、D_L，此时，将开关P2闭合，将数模转换电压V_dac通过驱动电容C_int2连接到运算放大器的反向输入端，根据输出的量化码D_M、D_L的组合情况，调整数模转换电压V_dac值，由于运算放大器的反向输入端始终近似于电压V_ref，所以与数模转换电压V_dac相连的驱动电容C_int2电荷减小，保存到积分器的积分电容C_int1上，起到加减法的功能，使积分器的输出电压发生变化，此次扩大处理后的余量电压即为积分器实际输出电压V_residue。

下面以1.5bit量化器为例，结合图1和表1进一步说明本发明的具体工作原理和过程。

表1中V_int,i-1表示第i-1次扩大处理后到第i次扩大处理前这段时间内的信号积分电压，V_out,i-1表示第i-1次扩大处理后的总的信号积分电压，V_out,i表示第i次扩大处理后的总的信号积分电压，V_out,i＝∑(V_int,i),,

表1 1.5bit量化器扩大处理的具体操作方式

具体工作原理如下：在没有经过扩大处理前，有以下关系：

V_out,0＝V_residue,0

经过第1次扩大处理后，有以下关系：

经过第2次扩大处理后，有以下关系：

所述有效积分时间T内共进行了m次扩大处理，则会有以下关系：

其中m表示第m次扩大处理，V_residue，m是第m次扩大处理后积分器的实际输出，D_M，i、D_L，i是将积分器输出进行第i次量化后的数字输出，V_out,m表示m次扩大处理后总的信号积分电压。当总的积分时间达到积分器的有效积分时间T时，V_out,m＝V_residue，m。

可以看出通过量化和加/减法运算，将总的信号积分电压部分转换成了数字值D_M、D_L，只将加/减法运算后的余量电压留在积分器的输出端，通过合理设置电压V_ref，就可以使得积分器的输出电压V_residue都保持在红外读出电路的动态输出范围之内。总的信号积分电压V_out,m数字值由D_M,1～D_M,m、D_L,1～D_L,m和V_residue的AD转换值综合得到。

综上，上述原理实现了红外读出电路的总的信号积分电压远大于积分器运放本身的有限输出范围，从而提高了红外读出电路的动态范围，并且放松了对传感器sensor及dummy电阻的一致性要求。

图2所示为1.5bit量化器的电路原理图，其中包含两个并行连接的比较器，比较器输入信号正极端分别连接V_int，比较器输入信号负极端分别连接固定电压+V_ref和-V_ref，比较器的输出端分别连接锁存器Latch，比较器产生的两个数字输出信号被锁存，并输出两路数字量信号D_M、D_L。其中V_int连接图1中的积分器输出电压V_residue。

Claims (10)

1.基于积分量化的红外读出电路,包括红外感应单元、积分器和量化器；所述积分器包括运算放大器和积分电容C_int1；所述红外感应单元的输出端接积分器的输入端，所述积分器的输出端接量化器的输入端；

其特征在于：

所述运算放大器的同向输入端接电压V_ref。

2.根据权利要求1所述的基于积分量化的红外读出电路,其特征在于：所述电压V_ref为可调电压或固定电压。

3.根据权利要求1或2所述的基于积分量化的红外读出电路,其特征在于：还包括加减法器；所述加减法器包括驱动电容C_int2；驱动电容C_int2的负极接数模转换电压V_dac，驱动电容C_int2的正极分别与开关P1和P2的一端连接，开关P1的另一端接所述电压V_ref，开关P2的另一端接所述积分电容C_int1的正极以及所述运算放大器的反向输入端；所述量化器的输出信号D_M和D_L控制所述数模转换电压V_dac的变化值。

4.根据权利要求3所述的基于积分量化的红外读出电路,其特征在于：

所述开关P1和P2的状态根据时序控制：

积分时，P2开；

量化时，P1关、P2开；

作加减法运算时，P1开、P2关；

P1、P2不能同时关。

5.根据权利要求1或2所述的基于积分量化的红外读出电路,其特征在于：所述量化器为1.5bit量化器。

6.根据权利要求1或2所述的基于积分量化的红外读出电路,其特征在于：所述红外感应单元包括依次连接的虚拟电阻Rd、N-MOS场效应管、P-MOS场效应管和感应电阻Rs；所述N-MOS场效应管和P-MOS场效应管的漏极相连且与所述运算放大器的反向输入端。

7.权利要求1至6任一所述红外读出电路中积分器动态输出范围的扩大方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定运算放大器同向输入端的电压V_ref的值，根据电压V_ref将积分器总的有效积分时间T分割为m个相等的子积分时间段t，t＝T/m；m为大于1的自然数；

2)积分：在一个子积分时间段t内将红外读出电路采集的像元产生的电荷保存在积分电容C_int1中；

3)量化及加减法运算：

3.1)对运算放大器的输出进行量化，产生量化码D_M和D_L；

3.2)根据所述量化码D_M和D_L的输出组合，确定是否在所述积分电容C_int1中加/减驱动电容C_int2的电荷；所述驱动电容C_int2的电荷由运算放大器的同向输入端的电压V_ref和驱动电容C_int2负极端的数模转换电压V_dac确定；

4)重复步骤2)～3)，直至积分总时间达到所述有效积分时间T，此时积分器的输出电压V_residue，m作为红外读出电路的输出电压V_out，m。

8.根据权利要求7所述的红外读出电路中积分器动态输出范围的扩大方法，其特征在于，所述m的取值根据公式V_ref>＝(T/m)*I_max/C_Cint1确定；所述I_max为积分最大电流；C_Cint1为所述积分电容C_int1的电容值。

9.根据权利要求8所述的红外读出电路中积分器动态输出范围的扩大方法，其特征在于，所述步骤3.2)中加减法运算的具体方法为：

当D_M和D_L为00时，在积分电容C_int1中加入驱动电容C_int2的电荷；

当D_M和D_L为01时，积分电容C_int1中的电荷不变；

当D_M和D_L为10时，在积分电容C_int1中减去驱动电容C_int2的电荷。

10.根据权利要求8所述的红外读出电路中积分器动态输出范围的扩大方法，其特征在于：

所述步骤4)中红外读出电路的输出具体为：

D_M，i、D_L，i为将积分器输出进行第i次量化后的数字输出；

V_residue，m为第m次扩大处理后积分器的输出电压。