CN107192464A - 一种长波光导红外探测器非均匀性校正电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波光导红外探测器非均匀性校正电路，用于红外探测器读出电路中，该校正电路包括电阻结构组件，计数器，比较器和偏置模块，能自适应校正电阻值在200Ω以下的光导型红外探测器的非均匀性。电路通过ADC和DAC的方法，在信号读取前为每个探测元匹配相等参考电压作为差分放大器参考端的输入电压，参考电压由计数器控制的电阻结构组件的分压提供，计数器计数由比较器输出信号控制，比较器比较电阻结构组件和探测器的分压大小。电路可以实现在探测器未接受辐射时差分放大器的两个输入端电压几乎相等。本发明的优点在于：能有效地校正非均匀性降为0.5％内，无需传统的与响应元对应的盲元探测器设计，且能适应校正的范围大。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器读出电路领域，尤其是涉及线列和面阵长波光导红外探测器的非均匀性校正电路。
背景技术
红外探测器在航天探测方面起着不可替代的作用，长波红外探测器(波长在10微米以上)在低温目标探测、超视距探测和抗干扰目标识别等领域具有极其重要的用途，因此一直是红外探测器技术发展的一个重要方向。对于HgCdTe长波红外光导型探测器，怎么解决不同探测元之间的读出信号非均匀性是电路设计的关键难题和研究重点。
在HgCdTe长波光导型探测器制作过程中，由于工艺偏差和材料组分的缺陷，光导红外探测器存在一定的非均匀性。这种工艺带来的非均匀性不但严重影响读出电路的动态范围，而且还会导致输出表现出非均匀性，尤其是采用列级读出通道的探测器芯片会出现明显的列条纹，这种非均匀性产生的空间噪声通常远远大于时间噪声。光导型红外探测器电阻低且非均匀性大，影响光导探测器非均匀性的自身因素主要有电阻、电阻温度系数、热导、红外吸收率、热容等，其中电阻的非均匀性对输出带来的影响最大。目前，波长在10微米以上的红外探测器仍以HgCdTe光导型探测器为主，电阻在40Ω左右，在目前工艺基础上，其电阻一般存在10％左右的非均匀性。虽然一般的非均匀性可以由外部电路校正，但是会减小探测器的动态范围，而且针对性不强，效果一般，具有一定的局限性。目前，国内外几乎没有针对长波光导型探测器非均匀性的片上校正电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长波光导型红外探测器非均匀性片上校正电路，解决长波光导红外探测器电阻不均匀带来的电路输出摆幅超出动态范围的问题，从而提高长波光导红外探测器系统的性能水平。
本发明设计的一种数模混合自适应校正的片上电路,适合校正电阻值小于200Ω的光导型探测器的非均匀性。其电路的单元结构如图1所示，包括比较器，计数器，电阻结构组件和两个偏置模块。所述的两个偏置模块，1号偏置模块由电压源V1与电阻Ra串联构成，2号偏置模块由电压源V2与电阻Rb串联构成，Ra和Rb取值在0.5～5KΩ，V1和V2在1V～5V之间，电路可根据不同的探测器电阻和电阻结构组件芯片工艺误差对V2进行调节，以调节电阻结构组件的分压范围，扩大电路的适用范围。该电路通过ADC和DAC的方法，在信号读取之前为每个探测元匹配相等参考电压作为差分放大器参考端的输入电压，参考电压由计数器控制的电阻结构组件的分压提供，计数器计数与否由比较器输出信号控制，比较器的一端接电阻结构组件的分压，一端接探测器的分压。
电阻结构组件由一个20～100Ω的电阻R0与n个权电阻R1…Rn并联构成，n≥5，每个权电阻都串联有一个MOS开关，Rn取0.2～1KΩ，Rn-1＝2Rn。电阻R0阻值最好设置为探测器最大电阻值，权电阻个数如果小于五个则范围太小或者精度太低，达不到校正效果，权电阻个数越多，阻值越大，校正精度越高。相对传统DAC的串联型和R-2R型等结构，这种并联的方式，节省了电阻数量，误差小，有更高的精度和更大的适用范围。权电阻个数和阻值大小决定了电路非均匀性校正的效果。
计数器为n位二进制计数器，n等于权电阻个数，计数器设置有一个输入端T、一个复位端R、n位输出端Q0…Qn-1，输入端T控制计数器在时钟下是否计数。二进制计数器可以是加法或者减法计数器，复位端R控制计数器复位。最好采用T触发器构成的同步计数器且单向计数的方式。
比较器为常规比较器，越接近理想比较器越好，可采用CMOS比较器，输出端接计数器的输入端T，当采用加法计数器时，同相端接电阻结构组件分压，反相端接探测器分压，输出信号开始为1，校正完成后变为0，减法计数器时接法则相反。
电路的连接关系为：所述的1号偏置模块与探测器串联再接地，所述的2号偏置模块与所述的电阻结构组件串联再接地，所述的计数器的输出端Q0…Qn-1分别接所述电阻结构组件R1…Rn对应的MOS开关栅极，比较器输出端接计数器的输入端T，比较器的一输入端接探测器分压，另一输入端接电阻结构组件分压。
电路的工作原理为：校正电路工作的具体过程分为两步，以计数器为加法计数器时为例，第一步，比较器和计数器通电，输入复位电位和计数脉冲，比较器电路通过比较探测器端电压VRd和电阻结构组件端电压VRref的大小，若VRref>VRd，则T＝1，计数器计数，计数器控制电阻结构组件电阻Rref的大小，Rref减小，导致VRref减小，不断循环直至VRref≦VRd时，T＝0，计数器保持不变，自适应校正过程在2n个时钟周期内完成。第二步，校正完成后断开比较器电源和时钟脉冲，以降低功耗，然后再经差分放大器串行读出，得到均匀的信号。
本发明的优点如下：
1.电阻结构组件，计数器，比较器和偏置模块构成了一个自动校正的系统，能有效地使探测器非均匀性降为0.5％内；
2.无需传统的与响应元一一对应的盲元探测器设计，降低了探测器工艺的复杂性；
3.电路的校正精度高且适用范围广，且能在常温和低温下正常工作；
4.校正电路电源可断电设置，功耗低；
5.采用亚微米CMOS工艺制造的重复性好。
附图说明
图1长波光导红外探测器非均匀性校正电路单元结构图。
图2电阻结构组件结构图。
图3 7位同步二进制加法计数器电路结构图。
图4比较器电路原理图。
图5校正电路工作时序图。
图6电阻结构组件分压VRref的变化过程。
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
校正电路的单元结构如图1所示，包括比较器，计数器，电阻结构组件和两个偏置模块。可根据不同的探测器电阻和电阻结构组件工艺误差对V2进行调节，以调节电阻结构组件的分压范围。偏置模块电压源不能太大也不能太小，太大探测器发热大，太小探测器信号小。探测器电阻为40Ω左右，不考虑电阻结构组件工艺误差时，可以设定，V1＝2.5V，V2＝2.5V，Ra＝Rb＝1KΩ。电路工作的具体过程分为两步，以计数器为加法计数器时为例，第一步，比较器和计数器通电，输入复位电位和计数脉冲，比较器电路通过比较探测器端和电阻结构组件端电压的大小，若VRref>VRd，则T＝1，计数器计数，计数器控制电阻结构组件电阻的大小，Rref减小，导致VRref减小，不断循环直至VRref≦VRd时，T＝0，计数器保持不变，校正过程在2n个时钟周期内完成。第二步，校正完成后比较器电源断电以减少功耗，计数器不断电，使电阻结构组件分压保持不变，在未接受红外辐射之前使读出信号基本相等，再经差分放大器串行读出，得到均匀的信号。
电阻结构组件如图2所示，当探测器最大电阻为50Ω时，电阻R0可设为50Ω。NMOS管开关W/L比尽可能大，以减小开关电阻，可设为200/1。
电阻结构组件的电阻参考尺寸如下表所示(单位为欧姆)。
| 电阻 | R0 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 |
| 阻值 | 50 | 16K | 8K | 4K | 2K | 1K | 0.5K | 0.25K |
在此条件下，当R1～R7所有电阻都未选通情况下，电阻结构组件电阻值取最大值为50Ω，都选通情况下，取最小值为35.79Ω，变化步长在0.15Ω左右，适合电阻非均匀性在35.79～50Ω范围内的探测器，但还可以调节V2的大小，能够使电阻结构组件分压上下浮动。一般来说，探测器电阻非均匀性在15Ω内，若其非均匀性过大，则应改变权电阻R1～R7的大小和位数。
可采用的7位同步二进制加法计数器电路结构如图3所示，由7位上升沿T触发器构成，在开始计数时加入一个电位复位，然后再对时钟脉冲计数，脉冲的周期应大于比较器的传输延迟时间，否则计数器过多计数，导致VRref<VRd。计数器由7个上升沿T触发器、12个与门和一个与非门组成，输入端T＝1时，计数器在一个脉冲周期内的一个上升沿计一位，当T＝0时，计数器保持不变。计数器采用单向计数，当输出全为1时，会自动停止计数，为使计数器不循环，在第七个计数器后通过一个与非门和一个与门反馈到T上，使当探测器分压小于电阻结构组件分压的最小值时，可以取电阻结构组件分压的最小值。
图4为可采用的比较器的放大电路原理图，该CMOS比较器采用两级差分放大电路，常温下开环增益超过了90dB，第一级为预放大电路，第二级为折叠式共源共栅电路，采用P管作输入管，P为同相输入端，N为反相输入端，输出端OUT接计数器的输入端T，当采用加法计数器时，P接电阻结构组件分压，N接探测器分压，输出信号开始为1，校正完成后变为0，减法计数器接法则相反，其每个管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
| 管子 | M1 | M2、M3 | M4、M5 | M6、M7 | M8、M9、M10、M11 |
| W/L | 8/2 | 8/2 | 10/2 | 10/2 | 3/8 |
| 管子 | M12 | M13、M14 | M15、M16 | M17、M18 | M19、M20 |
| W/L | 4/5 | 20/2 | 3/4 | 6/3 | 15/2 |
实施方式2
设某一位探测元的电阻Rd为40Ω，设置V1＝V2＝2.5V，Ra＝Rb＝1KΩ，采用7位同步二进制加法计数器，在低温66K下，在Cadence软件环境下，采用Spectre仿真器仿真，对应的校正仿真时序图如图5所示，其中电阻结构组件分压VRref的变化过程如图6所示，校正后二进制计数器值为1010001，电阻结构组件分压VRref为95.89mV，与探测器像元分压96.15mV相差0.26mV，在误差范围内，探测器电阻在200Ω以下变化时，校正结果电阻结构组件和探测器阻值差相对探测器都在0.5％内，即校正后非均匀性控制在了0.5％内，提高权电阻位数，能够使校正后非均匀性更小。
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)
1.一种长波光导红外探测器非均匀性校正电路，包括电阻结构组件，计数器，比较器和两个偏置模块，其特征在于：
所述的两个偏置模块，1号偏置模块由电压源V1与电阻Ra串联构成，2号偏置模块由电压源V2与电阻Rb串联构成，Ra和Rb取值在0.5～5KΩ，V1和V2在1V至5V之间；
所述的电阻结构组件由一个20～100Ω的电阻R0与n个权电阻R1…Rn并联构成，n≥5，每个权电阻都串联有一个MOS开关，Rn取0.2～1KΩ，Rn-1＝2Rn；
所述的计数器为n位二进制计数器，设置有一个输入端T、一个复位端R、n位输出端Q0…Qn-1，输入端T控制计数器在时钟下是否计数；
所述的1号偏置模块与探测器串联再接地，所述的2号偏置模块与所述的电阻结构组件串联再接地，所述的计数器的输出端Q0…Qn-1分别接所述电阻结构组件R1…Rn对应的MOS开关栅极，比较器输出端接计数器的输入端T，比较器的一输入端接探测器分压，另一输入端接电阻结构组件分压。
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| GR01 | Patent grant | ||
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