CN107101729B - 一种基于忆阻桥电路的双向热释电信号积分读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于忆阻桥电路的双向热释电信号积分读出电路，包括第一级CTIA(电容反馈互导)输入级电路、忆阻桥电路、采样输出电路；其中第一级CTIA输入级电路将弛豫铁电探测器的输出电流信号转化为电压信号，忆阻桥电路对输出信号进行选择，采样输出电路进行信号采样，将各个通道逐次导通输出。本发明的电路模块集成在一集成电路芯片上，由外部驱动电路提供控制信号，提高输出信号信噪比，为大规模多元小面积灵敏元热释电焦平面，提供了一种高信噪比的具有双向电流积分放大的读出电路。
Description
技术领域
本发明涉及热释电探测器读出电路，尤其涉及一种热释电探测器的双向热释电信号积分读出电路。
背景技术
近年来，红外探测技术发展迅猛，热释电红外焦平面阵列因其非制冷、低功耗、宽光谱等优点而在红外焦平面阵列中倍受关注。然而由于红外器件探测信号大小依赖于灵敏元的面积，随着焦平面探测器件分辨率提高，面元越来越小，热释电电流越来越弱，对其检测技术就成为限制该类器件应用的关键所在。
与光电型探测器不同，热释电电流的产生是因为温度变化导致材料晶体极化的变化，从而引起材料表面电荷的变化，而这种变化是两个过程，即温度的升高和降低，这两个过程产生的电流方向也不同，当温度升高时，极化电荷和自由电荷的变化导致净电荷的变化，产生正向的电流；当温度降低时，过程相反，此时的电流方向相反，为一反向电流。所以在热释电焦平面探测器中，其在一个调制周期内，会产生两个相反的正负半周期信号，传统的热释电焦平面微弱信号读出电路只在电流为正向或反向时与读出电路导通，这与光电探测器的工作方式相似，为单向电流积分读出，降低了电路信噪比以及读出效率。在有限的集成读出电路面积上设计具有双向电流积分输出的读出电路成为提高读取探测器生成电流信号的重要手段。
而忆阻是一种纳米级元件，与当前的CMOS电路制造工艺兼容，且具有其它三种基本电路元件的任意组合都不能复制的特性。忆阻与其他电子器件构成的混合电路，可实现以前难以实现的功能，为电路设计与电路应用提供了全新的发展空间。
本发明要解决的技术问题就是为大规模多元小面积灵敏元热释电焦平面，提供一种基于HP TiO2忆阻桥的新型微弱信号读出电路，实现一种基于忆阻桥电路的、新颖的、可编程的具有双向热释电电流信号积分读出的电路。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有热释电探测器读出电路结构的不足提供一种热释电探测器的读出电路，实现双向热释电电流信号积分读出，同时具有高信噪比、输出线性的特点。
上述目的通过下述的技术方案来实现：
包括将热释电探测器的输出电流信号转化为电压信号的第一级CTIA电容反馈互导输入级模块；忆阻桥电路模块；进行信号采样以及多路选通及输出的采样输出电路模块。
上述模块集成在一集成电路芯片上。
所述第一级CTIA电容反馈互导输入级电路模块由运算放大器OPA1和积分电容Cint1、开关复位管Mrst1组成，积分电容Cint1、开关复位管Mrst1分别与运算放大器OPA1的负输入端和输出端连接，运算放大器OPA1负输入端连接探测器，正输入端连接参考电压Vref，根据放大器的虚地原理，探测器连接运算放大器OPA1负输入端电压近乎等于Vref，则探测器的偏压由Vref与探测器另一端的电压控制，工作过程中几乎不会发生变化。
所述忆阻桥电路由四个相同的带有极性的忆阻元件和差分运放OPA2构成，M1和M4为正向偏置，M2和M3为反向偏置，其中M1和M2相连，M3和M4相连，M1和M3正向端与第一级CTIA输入级电路输出端以及外部编程控制信号相连，负向端作为输出与OPA2相连，构成忆阻桥电路。
所述采样输出电路模块包括采样保持电路和多路传输电路模块，采样电路由采样电容Csh和CMOS开关管组成，多路传输输出电路模块包括选通CMOS开关管、移位寄存器、单位增益跟随器OPA3，移位寄存器依次选通各个通道，信号逐次输出，达到读出信号的目的。
所述移位寄存器由D触发器依次串联构成，实现逐次导通开关的目的。
本发明将弛豫铁电探测器的输出电流信号通过第一级CTIA输入级电路模块转化为电压信号，进入忆阻桥电路。编程脉冲信号Vc控制忆阻元件的状态变化，通过与调制信号匹配，实现双向电流积分放大。忆阻桥电路的输出信号经过采样输出电路采样后逐次输出。本发明的电路模块集成在一集成电路芯片上，和探测器芯片互连，由外部驱动电路提供控制信号，并通过调节编程控制脉冲信号与调制信号匹配，控制忆阻桥电路的状态变化，实现双向电流积分放大，提高输出信号信噪比。
本发明与现有热释电探测器读出电路相比具有以下优点：
1、忆阻是一种纳米级元件，与当前的CMOS电路制造工艺兼容，易与其他电子器件构成的混合电路，在版图设计上占用的面积较小，便于在大规模的集成电路中进行设计。
2、忆阻的开关特性，与传统的晶体管、晶闸管不同，它不需要第三个端口进行控制，而且也不同于二极管，忆阻的状态变化具有可控性。对于忆阻桥电路，编程信号和输入检测信号可以共享输入端。
3、通过外部控制信号可以控制忆阻状态，实现忆阻桥电路的正信号、负信号、零等不同状态输出，与热释电探测器的调制信号匹配，可以实现正负热释电信号双向积分输出的效果，比传统电路信号增加40％，提高输出信号信噪比。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明模块的结构示意图。
图2是第一级CTIA电容反馈互导输入级电路单元的结构示意图。
图3是忆阻桥电路模块的结构示意图。
图4是采样输出电路模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明电路模块如图1所示，主要由第一级CTIA电容反馈互导输入级电路模块、忆阻桥电路模块、采样输出电路模块组成，上述模块集成在一集成电路芯片上。第一级CTIA电容反馈互导输入级电路模块将弛豫铁电探测器的输出电流信号转化为电压信号，并传送至忆阻桥电路模块，实现双向电流积分放大，经采样输出电路模块采样保持后，将各个通道逐次导通输出。
第一级CTIA电容反馈互导输入级电路模块的电路结构如图2所示，由运算放大器OPA1和积分电容Cint1、开关复位管Mrst1组成，积分电容Cint1、开关复位管Mrst1分别与运算放大器的负输入端和输出端连接，开关复位管Mrst1负责积分电容的复位。
本发明中的可编程忆阻桥电路模块如图3所示，由四个相同的带有极性的忆阻元件和OPA2构成，M1和M4为正向偏置，M2和M3为反向偏置，其中M1和M2相连，M3和M4相连，M1和M3正向端与第一级CTIA输入级电路输出端以及外部编程控制信号相连，负向端作为输出与采样输出电路相连，构成忆阻桥电路，输出与OPA2差动运放连接，将电压转换成电流，起到了一个电流源的功能。
假设t时刻在忆阻桥电路上施加一个输入信号电压vc。输入电压由分压公式可分成
其中，M1、M2、M3和M4表示图3中在t时刻相应忆阻元件的忆阻值。
忆阻桥电路的输出电压Vout等于端A和端B之间的电压差，即为
vout＝vA-vB＝ψvin (5)
其中，
当施加一个正编程脉冲Vin(t)到图3忆阻桥电路时，M2和M3的忆阻增大而M1和M4的忆阻减小，一定时间后将下降到0。相反，当施加一个负脉冲Vin(t)时，M2和M3的忆阻减小而M1和M4的忆阻增大。若ψ大于0，忆阻桥电路表示正输出信号。由式(6)可得，正输出信号的条件为
正输出信号，
类似地，负输出信号或零输出信号的条件分别为
负输出信号，
零输出信号，
输出为零时的状态称之为平衡态。
本发明中的采样输出电路模块如图4所示，其中采样电路由采样电容Csh和CMOS开关管组成，多路传输输出电路模块包括选通CMOS开关管、移位寄存器、单位增益跟随器OPA3，移位寄存器依次选通各个通道，信号逐次输出，达到读出信号的目的。
本发明模块的工作过程如下：
复位开关管Mrst1由Vrst信号控制首先导通，积分电容Cint1被复位到参考电平，当复位开关管Mrst1截止时进入积分阶段，第一级CTIA输入级电路积分电容Cint1开始积分。从探测器输出的电荷流入积分电容Cint1，经运算放大器转成电压放大后输出，输出信号进入忆阻桥电路。此时Vc信号控制忆阻桥电路的状态，当热释电电流为正向时，忆阻桥处于正向权值输出状态，输出级电路进行采样，将正向积分电压信号采集到采样电容Csh；当反向热释电电流在CTIA输入级积分时，忆阻桥处于负向权值输出状态，此时反向积分电压信号变成正电压信号，输出级电路采样后在采样电容中完成两次信号的叠加，实现双向电流积分放大。在积分结束后，移位寄存器在开始读出脉冲信号控制下产生选通信号，开始逐次读取每个通道的信号，实现读出电路的信号输出。
弛豫铁电探测器的输出电流信号通过第一级CTIA输入级电路模块转化为电压信号，进入忆阻桥电路。编程脉冲信号Vc控制忆阻元件的状态变化，通过与调制信号匹配，实现双向电流积分放大。忆阻桥电路的输出信号经过采样输出电路采样后逐次输出。本发明的电路模块集成在一集成电路芯片上，和探测器芯片互连，由外部驱动电路提供控制信号，并通过调节编程控制脉冲信号与调制信号匹配，控制忆阻桥电路的状态变化，实现双向电流积分放大，提高输出信号信噪比。
有益效果
本发明将忆阻应用于热释电探测器读出电路，忆阻是一种纳米级元件，与当前的CMOS电路制造工艺兼容，易与其他电子器件构成的混合电路，在版图设计上占用的面积较小，便于在大规模的集成电路中进行设计。它的开关特性，与传统的晶体管、晶闸管不同，它不需要第三个端口进行控制，而且也不同于二极管，忆阻的状态变化具有可控性。对于忆阻桥电路，编程信号和输入检测信号可以共享输入端。通过外部控制信号可以控制忆阻状态，实现忆阻桥电路的正信号、负信号、零等不同状态输出，与热释电探测器的调制信号匹配，可以实现正负热释电信号双向积分输出的效果，比传统电路信号增加40％，提高输出信号信噪比。
Claims (3)
1.一种基于忆阻桥电路的双向热释电信号积分读出电路，其特征在于包括将热释电探测器的电流信号转化为电压信号的第一级CTIA电容反馈互导输入级模块；对第一级CTIA电路输出信号进行编程输出的忆阻桥电路模块；进行信号采样以及多路选通及输出的采样输出电路模块；其中：
所述第一级CTIA电容反馈互导输入级电路由运算放大器OPA1和积分电容Cint1、开关复位管Mrst1和组成，积分电容Cint1、开关复位管Mrst1分别与运算放大器OPA1的负输入端和输出端连接，运算放大器OPA1负输入端连接探测器，正输入端连接参考电压Vref；
所述忆阻桥电路由四个相同的带有极性的忆阻元件构成，M1和M4为正向偏置，M2和M3为反向偏置，其中M1和M2相连，M3和M4相连，M1和M3正向端与第一级CTIA输入级电路输出端以及外部编程控制信号相连，负向端作为输出与采样输出电路相连，构成忆阻桥电路；
所述采样输出电路包括采样保持电路和多路传输电路，采样电路由采样电容Csh和CMOS开关管组成，多路传输电路包括选通CMOS开关管、移位寄存器、单位增益跟随器OPA3，移位寄存器依次选通各个通道，信号逐次输出，达到读出信号的目的；
上述读出电路的具体工作过程如下：
第一级CTIA输入级电路中Vrst信号控制开关管Mrst1导通，积分电容Cint1开始积分复位到参考电平，当复位开关管Mrst1截止时进入积分阶段；从探测器输出的电荷流入积分电容Cint1，经运算放大器转成电压放大后输出，进入忆阻桥电路；编程脉冲信号Vc控制忆阻元件的状态变化，通过与调制信号匹配，实现双向电流积分放大；忆阻桥电路的输出信号经过采样输出电路采样后逐次输出。
2.根据权利要求1所述的基于忆阻桥电路的双向热释电信号积分读出电路，其特征在于：所述忆阻桥电路接在第一级CTIA输入级电路与第采样输出电路之间，由编程脉冲信号控制，调节编程脉冲信号可以改变忆阻桥电路输出信号的状态。
3.根据权利要求1所述的基于忆阻桥电路的双向热释电信号积分读出电路，其特征在于：上述读出电路集成在一个集成电路芯片上。
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Application publication date: 20170829 Assignee: Changzhou Ruixinteng Microelectronics Co.,Ltd. Assignor: CHANGZHOU University Contract record no.: X2023980047854 Denomination of invention: A bidirectional pyroelectric signal integration readout circuit based on memristor bridge circuit Granted publication date: 20190528 License type: Common License Record date: 20231123 |
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