CN107809604B - 用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路 - Google Patents

用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模拟集成电路领域，为提出利用二阶调制器作为大面阵红外图像传感器的行通道信号读出电路。其结构简单，匹配性要求低，噪声整形效果好。为此，本发明采用的技术方案是，用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路，由一个积分器A、一个积分器B、一个比较器和输出Buffer构成。本发明主要应用于模拟集成电路的设计制造场合。

Description

用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及大面阵红外图像传感器信号处理电路。
背景技术
各类传感器通过将自然界中的光信号，声信号，压力信号等各种信号转化为电信号，经过后级电路处理后变成人们可以处理的电信号，大大提高了人们认识自然、改造自然的能力。而传感器信号读出领域最初获得的电信号常常是模拟信号，需要经过适当的电路处理放大才能够被后续电路识别。在SOI二极管型红外图像传感器中，二极管工作在正偏状态下，光学系统将红外辐射传递到探测器表面，造成探测器温度升高，利用二极管的IV特性随温度变化的特点获得电压变化ΔV，输送给后级读出电路进行信号的处理。外界环境的影响、探测器以及读出电路本身都会引入噪声，这些噪声对微弱的电信号造成了很大的干扰，如果没有得到及时得当的处理，那么得到的图像将会质量很差甚至得不到图像。因此对微弱电信号的降噪和放大方法一直是传感器读出电路研究热点。
在传统读出方法有：
1：电压直接放大式，这种方法利用开关电容结构，可以将第一级的噪声进行消除，但第二级的噪声难以保证其对信号的影响。
2：跨导式，这种方法能够对噪声进行很好的消除，但是需要复杂精确的模拟元件以及专门的采样保持电路，相对来说比较复杂。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出利用二阶调制器作为大面阵红外图像传感器的行通道信号读出电路。其结构简单，匹配性要求低，噪声整形效果好。为此，本发明采用的技术方案是，用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路，由一个积分器A、一个积分器B、一个比较器和输出Buffer构成；
积分器A的输入端连接传感器探测到的信号，其中正相输入端VIP接收像元信号，负相输入端VIN接收盲元信号，其负相输出端VON连接积分器B的负相输入端VIN，正相输出端VOP连接积分器B的正相输入端VIP，同时积分器A带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器A；
积分器B的负相输入端VIN连接积分器A的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器A的正相输出端VOP，同时积分器B带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器B；
比较器的负相输入端VIN连接积分器B的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器B的正相输出端VOP，输出端D和DN反馈回积分器A和积分器B，同时输出端D连接输出Buffer的输入端；
输出Buffer的输入端连接比较器的输出端D，输出端Output为数据输出端。
具体地，输入信号x(kT)与反馈信号q(kT)求和后输入给积分器A，得到积分器A的输出信号u(kT)，u(kT)与反馈信号q(kT)再次求和后输入给积分器B，得到积分器B的输出信号v(kT)，v(kT)进入1-bit ADC进行量化，量化后得到输出信号y(kT)及反馈信号q(kT)，反馈信号q(kT)经1-bit DAC反馈给积分器A和积分器B；积分器A的输出u(kT)可以表示为：
u(kT)＝x(kT-T)-q(kT-T)+u(kT-T) (1)
式中，x(kT-T)-q(kT-T)等于积分器A的上次输入，u(kT-T)为积分器A的上次输出；积分器A的输出u(kT)表示为：
v(kT)＝u(kT-T)-q(kT-T)+v(kT-T) (2)
式中，u(kT-T)-q(kT-T)等于积分器B的上次输入，v(kT-T)为积分器B的上次输出，1位ADC的量化误差可以表示为输出和输入之差：
Qe(kT)＝y(kT)-v(kT) (3)
1位DAC可以认为是理想的，因此有：
y(kT)＝q(kT) (4)
联立得二阶调制器的传输函数为：
y(kT)＝x(kT-T)+Qe(kT)-2Qe(kT-T)+Qe(kT-2T)
即最终输出为延迟的输入加上量化噪声Qe的二阶差值。
本发明的特点及有益效果是：
本发明应用背景SOI二极管型大面阵红外图像传感器，探测器输出信号对噪声极为敏感，结合Σ-Δ调制器对噪声极好的整形能力能够实现较好的成像效果，且仅使用开关电容电路实现，避免使用复杂精确的模拟元件。大面阵红外图像传感器需要多个通道对信号进行读出处理，通道与通道之间的匹配往往是个不容忽视的问题，而且Σ-Δ调制器对版图匹配要求较低，有利于成像。
附图说明：
图1是本发明的一种用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路的结构原理图；
图2是本发明的一种用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路的示意图。
具体实施方式
本发明提出一种用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路，包括一个积分器A、一个积分器B、一个比较器和输出Buffer。构成了传统意义上的二阶调制器。
积分器A的输入端连接传感器探测到的信号，其中正相输入端VIP接收像元信号，负相输入端VIN接收盲元信号，其负相输出端VON连接积分器B的负相输入端VIN，正相输出端VOP连接积分器B的正相输入端VIP，同时积分器A带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器A。
积分器B的负相输入端VIN连接积分器A的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器A的正相输出端VOP，同时积分器B带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器B。
比较器的负相输入端VIN连接积分器B的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器B的正相输出端VOP，输出端D和DN反馈回积分器A和积分器B，同时输出端D连接输出Buffer的输入端。
输出Buffer的输入端连接比较器的输出端D，输出端Output为数据输出端。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明提出的一种用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路，其电路图如图1所示，其结构是包括一个积分器A、一个积分器B、一个比较器和输出Buffer。积分器A的输入端连接传感器探测到的信号，其中正相输入端VIP接收像元信号，负相输入端VIN连接盲元信号，其负相输出端VON连接积分器B的负相输入端VIN，正相输出端VOP连接积分器B的正相输入端VIP，同时积分器A带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器A。积分器B的负相输入端VIN连接积分器A的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器A的正相输出端VOP，同时积分器B带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器B。比较器的负相输入端VIN连接积分器B的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器B的正相输出端VOP，输出端D和DN反馈回积分器A和积分器B，同时输出端D连接输出Buffer的输入端。输出Buffer的输入端连接比较器的输出端D，输出端Output为数据输出端。构成了传统意义上的Σ-Δ二阶调制器。整个电路是一个带反馈的环路系统，正向路径由两个积分器和一个比较器构成，比较器的输出反馈给两个积分器作为反馈路径。我们知道调制器是一种过采样ADC，具有良好的噪声整形功能，能够将噪声推至高频区，从而减小信号带宽内的噪声量，而且阶数越高，噪声整形效果越好，但阶数越高的同时也会带来反馈稳定的问题，这里选择二阶，能够实现两者的折衷，达到一个比较好的效果。红外图像传感器对噪声要求极高，因此将Σ-Δ调制器作为红外图像传感器的读出电路将能实现很好的成像效果。
为了清楚阐述本发明的噪声消除原理，本发明用示意图(图2)来作说明。如图，输入信号x(kT)与反馈信号q(kT)求和后输入给积分器A，得到积分器A的输出信号u(kT)，u(kT)与反馈信号q(kT)再次求和后输入给积分器B，得到积分器B的输出信号v(kT)，v(kT)进入1-bit ADC进行量化，量化后得到输出信号y(kT)及反馈信号q(KT)，反馈信号经1-bitDAC反馈给积分器A和积分器B。此示意图能够很好的表示本发明的结构图。
积分器A的输出u(kT)可以表示为：
u(kT)＝x(kT-T)-q(kT-T)+u(kT-T) (1)
式中，x(kT-T)-q(kT-T)等于积分器A的上次输入，u(kT-T)为积分器A的上次输出。
积分器A的输出u(kT)可以表示为：
v(kT)＝u(kT-T)-q(kT-T)+v(kT-T) (2)
式中，u(kT-T)-q(kT-T)等于积分器B的上次输入，v(kT-T)为积分器B的上次输出。
1位ADC的量化误差可以表示为输出和输入之差：
Qe(kT)＝y(kT)-v(kT) (3)
1位DAC可以认为是理想的，因此有：
y(kT)＝q(kT) (4)
联立得二阶调制器的传输函数为：
y(kT)＝x(kT-T)+Qe(kT)-2Qe(kT-T)+Qe(kT-2T)
即最终输出为延迟的输入加上量化噪声Qe的二阶差值。只要采样足够，偏差可以足够小，也就是噪声能够被消的足够小，实现大面阵红外图像传感器的良好成像。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种用于大面阵红外图像传感器的行通道读出电路，其特征是，由一个积分器A、一个积分器B、一个比较器和输出Buffer构成；
积分器A的输入端连接传感器探测到的信号，其中正相输入端VIP接收像元信号，负相输入端VIN接收盲元信号，其负相输出端VON连接积分器B的负相输入端VIN，正相输出端VOP连接积分器B的正相输入端VIP，同时积分器A带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器A；
积分器B带有复位功能，比较器的输出信号D和DN也会反馈给积分器B；
比较器的负相输入端VIN连接积分器B的负相输出端VON，正相输入端VIP连接积分器B的正相输出端VOP；
输出Buffer的输入端连接比较器的输出端D，输出端Output为数据输出端；
输入信号x(kT)与反馈信号q(kT)求和后输入给积分器A，得到积分器A的输出信号u(kT)，u(kT)与反馈信号q(kT)再次求和后输入给积分器B，得到积分器B的输出信号v(kT)，v(kT)进入1-bit ADC进行量化，量化后得到输出信号y(kT)及反馈信号q(kT)，反馈信号q(kT)经1-bit DAC反馈给积分器A和积分器B；积分器A的输出u(kT)表示为：
u(kT)＝x(kT-T)-q(kT-T)+u(kT-T) (1)
式中，x(kT-T)-q(kT-T)等于积分器A的上次输入，u(kT-T)为积分器A的上次输出；
积分器B的输出v(kT)表示为：
v(kT)＝u(kT-T)-q(kT-T)+v(kT-T) (2)
式中，u(kT-T)-q(kT-T)等于积分器B的上次输入，v(kT-T)为积分器B的上次输出，1-bit ADC的量化误差表示为输出和输入之差：
Qe(kT)＝y(kT)-v(kT) (3)
1-bit DAC认为是理想的，因此有：
y(kT)＝q(kT) (4)
联立得二阶调制器的传输函数为：
y(kT)＝x(kT-T)+Qe(kT)-2Qe(kT-T)+Qe(kT-2T) (5)
即最终输出为延迟的输入加上量化误差Qe的二阶差值。
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