CN107256061A - 一种红外图像传感器读出电路 - Google Patents

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Abstract

一种红外图像传感器读出电路，其包括暗电流产生模块、光生电流产生模块、复位电流产生模块、时序控制模块和用于实现光生电流‑输出电压转换的积分器模块；光生电流产生模块和复位电流产生模块并接后的一端在节点N1处与暗电流产生模块的另一端相连，另一端与电源负极VSS相连；积分器模块的输入端连接于光生电流产生模块和光生电流产生模块的并接点N1，积分器模块的输出端为红外图像传感器读出电路的输出端；其中，当红外图像传感器读出电路开始工作时，时序控制模块控制光生电流产生模块和复位电流产生模块交替工作；通过将光生电流和复位电流分别积分后的电压相减后，得到积分器模块最终的输出信号。因此，本发明有效降低输出信号噪声且提高了图像质量。

Description

一种红外图像传感器读出电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及CMOS模拟集成电路设计领域，具体地，涉及一种红外图像传感器读出电路。
背景技术
目前，在军事领域、工业生产、交通监控、汽车工业、防灾抗灾等诸多领域，红外图像传感器均有广泛的应用。红外图像传感器简单可分为致冷型和非致冷型，致冷型红外图像传感器造价昂贵，性能优良，一般应用在军事领域。相比之下，非致冷型造价低廉，在民用红外探测产品中应用广泛。
红外图像传感器利用红外感光阵列接收红外线，将红外线强度变化转换为电压变化，后续通过模拟数字转换器(Analog-to-digital converter，简称ADC)转换为数字信号，片外通过现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array简称FPGA)将数字信号处理成红外图像输出。
传统的红外图像传感器的读出电路由自积分、直接注入和电容反馈跨阻放大器等模块架构。这些读出电路架构普遍存在较大输出噪声的问题，最终将影响红外图像传感器输出的红外图像质量。
发明内容
针对上述现有技术存在的技术缺陷，本专利提供一种红外图像传感器读出电路。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种红外图像传感器读出电路，其包括：
暗电流产生模块，用于产生暗像素电流，其一端与电源正极VDD相连；
光生电流产生模块，用于实现红外感光单元等效电阻-光生电流的转换；
复位电流产生模块，用于产生复位电流，与光生电流产生模块相并接，所述光生电流产生模块和复位电流产生模块并接后的一端在节点N1处与暗电流产生模块的另一端相连，另一端电源负极VSS相连；
积分器模块，用于实现光生电流-输出电压的转换，所述积分器模块的输入端连接于所述光生电流产生模块和所述光生电流产生模块的并接点N1，所述积分器模块的输出端为所述红外图像传感器读出电路的输出端；
时序控制模块，用于控制所述光生电流产生模块和复位电流产生模块交替工作；其中，当红外图像传感器读出电路开始工作时，所述复位电流产生模块工作，所述光生电流产生模块不工作，在经过预定的时间t1后，所述积分器模块输出第一电压；然后所述光生电流产生模块工作，所述复位电流产生模块不工作，在经过预定的时间t2后，所述积分器模块输出第二电压；通过将所述光生电流和复位电流分别积分后的第一电压与第二电压相减后，得到所述积分器模块最终的输出信号。
进一步地，所述预定的时间t1和所述预定的时间t2为微秒级时间。
进一步地，所述预定的时间t1小于等于所述预定的时间t2。
进一步地，所述暗电流产生模块包括红外暗像素单元和第一PMOS晶体管M1；其中，所述红外暗像素单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdark，所述红外暗像素单元的一端与电源正极VDD相连，另一端与所述的第一PMOS晶体管M1的源极相连，所述第一PMOS晶体管M1的栅极由偏置电压V1控制。其中，所述红外暗像素单元不接收红外线照射。
进一步地，所述的积分器模块包括运算放大器OPA1和电容C；所述运算放大器OPA1的负向输入端连接并接点N1，所述运算放大器OPA1的正向输入端连接电压V2，所述电容C的一端相互连接于及节点N1，所述电容C的另一端与运算放大器OPA1的输出端相连。
进一步地，所述光生电流产生模块包括第一开关S1和用于接收红外线照射的红外感光单元；其中，所述第一开关S1的一端与第一PMOS晶体管PM1的漏极相连接于节点N1；所述红外感光单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdet，所述电阻Rdet的一端与所述第一开关S1的另一端相连，其另一端与电源负极VSS相连；所述时序控制模块控制所述第一开关S1的通断。
进一步地，所述复位电流产生模块包括第二开关S2和第一NMOS晶体管NM1；其中，所述第二开关S2的一端相接于节点N1，所述第一NMOS晶体管NM1的漏极与第二开关S2的另一端相连，所述第一NMOS晶体管NM1的源极与电源负极VSS相连，所述第一NMOS晶体管NM1作为电流镜，所述第一NMOS晶体管NM1的栅极由偏置电压VBIAS控制，其漏电流为Ir；所述时序控制模块控制所述第一开关S2的通断。
进一步地，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
进一步地，所述电源负极VSS的电压为零。
从上述技术方案可以看出，本发明的时序控制模块控制光生电流产生模块和复位电流产生模块交替工作，并通过将光生电流和复位电流分别积分后的输出电压(即第一电压和第二电压)相减，可以消除整个传输链路的噪声影响，进而获得低噪声的转换电压，以得到高质量的红外图像。也就是说，采用本发明的技术方案可以有效降低输出信号噪声，大大提高图像质量，同时还弱化了工艺变化对红外输出图像的影响，特别适于推广使用。
附图说明
图1为本发明红外图像传感器读出电路的一较佳实施例的电路示意图
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，图1所示为本发明红外图像传感器读出电路的一较佳实施例的电路示意图。如图所示，在本发明的实施例中，该红外图像传感器读出电路包括暗电流产生模块(如虚线框1所示)、光生电流产生模块(如虚线框2所示)、复位电流产生模块(如虚线框3所示)和积分器模块(如虚线框4所示)；另外，还包括时序控制模块(图未示)，用于控制光生电流产生模块2和复位电流产生模块3交替工作。
其中，暗电流产生模块1用于产生暗像素电流，其一端与电源正极VDD相连；光生电流产生模块2用于实现红外感光单元等效电阻-光生电流的转换；复位电流产生模块3用于产生复位电流，其与光生电流产生模块2相并接后，一端在节点N1处与暗电流产生模块的另一端相连，另一端电源负极VSS相连，在该实施例中，电源负极VSS的电压为零，即为接地电压；积分器模块4用于实现光生电流-输出电压的转换，积分器模块4的输入端连接节点N1，即积分器模块4的输入端连接于光生电流产生模块和光生电流产生模块的并接节点N1，积分器模块4的输出端为红外图像传感器读出电路的输出端Vout。
请再参阅图1，在本发明的实施例中，光生电流产生模块2和复位电流产生模块3交替工作，并将工作结果输入到积分器模块4。也就是说，通过将光生电流2和复位电流3分别积分后的电压与电压相减后，积分器模块4最终的输出信号可以消除整个传输链路的噪声影响，进而获得低噪声的转换电压，以得到高质量的红外图像。
具体地，当红外图像传感器读出电路开始工作时，复位电流产生模块3工作，光生电流产生模块2不工作，在经过预定的时间t1后，积分器模块4输出第一电压；然后光生电流产生模块2工作，复位电流产生模块3不工作，在经过预定的时间t2后，积分器模块4输出第二电压；由于预定的时间t1通常为微秒级时间，最终积分器模块4的输出信号为第一电压与第二电压的差值。
如图1所示，在本发明的实施例中，暗电流产生模块1可以包括红外暗像素单元和第一PMOS晶体管M1；其中，红外暗像素单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdark，红外暗像素单元的一端与电源正极VDD相连，另一端与第一PMOS晶体管M1的源极相连，第一PMOS晶体管M1的栅极由偏置电压V1控制。其中，红外暗像素单元不接收红外线照射。
在本发明的一个较佳实施例中，积分器模块4可以包括运算放大器OPA1和电容C；运算放大器OPA1的负向输入端连接并接点N1，运算放大器OPA1的正向输入端连接电压V2，电容C的一端相互连接于及节点N1，电容C的另一端与运算放大器OPA1的输出端相连；其中，运算放大器OPA1的输出端为红外图像传感器读出电路的输出端。
在本发明的一个较佳实施例中，光生电流产生模块2可以包括第一开关S1和用于接收红外线照射的红外感光单元；其中，第一开关S1的一端与第一PMOS晶体管PM1的漏极相连接于节点N1；红外感光单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdet，电阻Rdet的一端与第一开关S1的另一端相连，其另一端与电源负极VSS相连；时序控制模块(图未示)控制第一开关S1的通断。
在本发明的一个较佳实施例中，复位电流产生模块3包括第二开关S2和第一NMOS晶体管NM1；其中，第二开关S2的一端相接于节点N1，第一NMOS晶体管NM1的漏极与第二开关S2的另一端相连，第一NMOS晶体管NM1的源极与电源负极VSS相连，所述第一NMOS晶体管NM1作为电流镜，第一NMOS晶体管NM1的栅极由偏置电压VBIAS控制，其漏电流为Ir；时序控制模块(图未示)控制第二开关S2的通断。
需要说明的是，红外暗像素单元与红外感光单元由同种材料制成，红外暗像素单元不接收红外线照射，红外感光单元接收红外线照射。
在本发明的上述较佳实施例中，时序控制模块(图未示)控制上述实施例中的第一开关S1和第二开关S2交替打开和关闭，从而实现光生电流产生模块2和复位电流产生模块3交替工作；即
工作状态1：第一开关S1打开和第二开关S2关闭，复位电流产生模块3工作；工作状态1对应的工作时间为预设的时间t1；
工作状态2：第一开关S1关闭和第二开关S2打开，光生电流产生模块2工作；工作状态2对应的工作时间为预设的时间t2。
也就是说，时序控制模块控制上述两种工作状态(工作状态1和工作状态2)在预设的时间t1和预设的时间t2内交替工作，预设时间t1和预设的时间t2通常为微秒级时间，例如，可以为1微秒、2微秒、3微秒…。在本发明的较佳实施例中，预定的时间t1通常小于等于预定的时间t2。
下面我们以预定的时间t1等于预定的时间t2为例进行具体的说明。
具体地，当红外图像传感器读出电路开始工作时，首先开关S2闭合，S1断开，此时电流IS1为：
IS1＝Ir-Ib
其中，Ir为流过作为电流镜的第一NMOS晶体管NM1的漏电流，Ib为流过红外暗像素单元的电流；
在经过预定的时间t1后，积分器模块4输出电压Vout1为：
之后，开关S1闭合，S2断开，此时电流IS2为：
其中，V2为输入积分器模块4正输入端的电压，Ib为流过红外暗像素单元的电流，Rdet为红外感光单元的等效电阻值；
在经过预定的时间t2(在本实施例中，下面的公式中预定的时间t2＝预定的时间t1，即用t1的值代替了t2的值)后，积分器模块4输出电压Vout2为：
积分器模块4最终信号输出为Vout2与Vout1的差值，即Vout；
综上所述，本发明的实施例中的技术方案中，通过将光生电流和复位电流分别积分后的电压相减，可以消除整个传输链路的噪声影响，进而获得低噪声的转换电压，以得到高质量的红外图像。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外图像传感器读出电路，其特征在于，包括：
暗电流产生模块，用于产生暗像素电流，其一端与电源正极VDD相连；
光生电流产生模块，用于实现红外感光单元等效电阻-光生电流的转换；
复位电流产生模块，用于产生复位电流，与光生电流产生模块相并接，所述光生电流产生模块和复位电流产生模块并接后的一端在节点N1处与所述暗电流产生模块的另一端相连，另一端与电源负极VSS相连；
积分器模块，用于实现光生电流-输出电压的转换，所述积分器模块的输入端连接于所述光生电流产生模块和所述光生电流产生模块的并接点N1，所述积分器模块的输出端为所述红外图像传感器读出电路的输出端；
时序控制模块，用于控制所述光生电流产生模块和复位电流产生模块交替工作；其中，当红外图像传感器读出电路开始工作时，所述复位电流产生模块工作，所述光生电流产生模块不工作，在经过预定的时间t1后，所述积分器模块输出第一电压；然后所述光生电流产生模块工作，所述复位电流产生模块不工作，在经过预定的时间t2后，所述积分器模块输出第二电压；通过将所述光生电流和复位电流分别积分后的第一电压与第二电压相减后，得到所述积分器模块最终的输出信号。
2.根据权利要求1所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述预定的时间t1和所述预定的时间t2为微秒级时间。
3.根据权利要求2所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述预定的时间t1小于等于所述预定的时间t2。
4.根据权利要求1所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述暗电流产生模块包括红外暗像素单元和第一PMOS晶体管M1；其中，所述红外暗像素单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdark，所述红外暗像素单元的一端与电源正极VDD相连，另一端与所述的第一PMOS晶体管M1的源极相连，所述第一PMOS晶体管M1的栅极由偏置电压V1控制；其中，所述红外暗像素单元不接收红外线照射。
5.根据权利要求1所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述的积分器模块包括运算放大器OPA1和电容C；所述运算放大器OPA1的负向输入端连接并接点N1，所述运算放大器OPA1的正向输入端连接电压V2，所述电容C的一端相互连接于及节点N1，所述电容C的另一端与运算放大器OPA1的输出端相连。
6.根据权利要求1-3、5任意一个所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述光生电流产生模块包括第一开关S1和用于接收红外线照射的红外感光单元；其中，所述第一开关S1的一端与第一PMOS晶体管PM1的漏极相连接于节点N1；所述红外感光单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdet，所述电阻Rdet的一端与所述第一开关S1的另一端相连，其另一端与电源负极VSS相连；所述时序控制模块控制所述第一开关S1的通断。
7.根据权利要求4所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述光生电流产生模块包括第一开关S1和用于接收红外线照射的红外感光单元；其中，所述第一开关S1的一端与第一PMOS晶体管PM1的漏极相连接于节点N1；所述红外感光单元为一二端口器件，其等效为一个电阻Rdet，所述电阻Rdet的一端与所述第一开关S1的另一端相连，其另一端与电源负极VSS相连；所述时序控制模块控制所述第一开关S1的通断。
8.根据权利要求7所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外暗像素单元与所述红外感光单元由同种材料制成。
9.根据权利要求1-5任意一个所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述复位电流产生模块包括第二开关S2和第一NMOS晶体管NM1；其中，所述第二开关S2的一端相接于节点N1，所述第一NMOS晶体管NM1的漏极与第二开关S2的另一端相连，所述第一NMOS晶体管NM1的源极与电源负极VSS相连，所述第一NMOS晶体管NM1作为电流镜，所述第一NMOS晶体管NM1的栅极由偏置电压VBIAS控制，其漏电流为Ir；所述时序控制模块控制所述第一开关S2的通断。
10.根据权利要求1所述的红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述电源负极VSS的电压为零。
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