CN108132101A - 抗辐照高动态焦平面读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗辐照高动态焦平面读出电路，包括可调补偿电流源、运算放大器和积分电容，可调补偿电流源的第一端接地，第二端连接积分电容的第一端，积分电容的第一端还与未遮蔽焦平面探测器的输出端以及运算放大器的反相输入端连接，第二端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的同相输入端连接参考电压，可调补偿电流源提供补偿电流和高动态调整电流，补偿电流用于抵消所述焦平面探测器辐照之后增加的暗电流，从而实现焦平面探测器抗辐射加固；高动态调整电流用于压缩焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，从而实现高动态范围。
Description
技术领域
本发明属于焦平面信号读出领域，具体涉及一种抗辐照高动态焦平面读出电路。
背景技术
以短波红外为代表的焦平面成像系统在航天、军事领域有着广泛的应用。在这些高端应用的场景中，抗辐照能力的强弱均作为了衡量焦平面成像系统性能的重要指标。焦平面成像系统通常包括焦平面探测器以及焦平面读出电路两部分。读出电路本身，通过现有的环形栅结构、保护环设计等技术手段可以达到比较好的抗辐照效果。但是辐照将对焦平面探测器产生非常大的影响，致使焦平面探测器暗电流成指数增长，远远大于探测器本身的暗电流，甚至淹没光生电流，使得整个焦平面成像系统失效。因此，焦平面探测器的抗辐照加固是整个焦平面成像系统的关键。现有技术中，对焦平面探测器的抗辐照加固通常需要复杂的结构与工艺设计实现，这些复杂的设计将使得焦平面探测器成本升高，且这些技术门槛较高，并一直对外保密。
另外，对于焦平面成像系统而言，通常需要较大的动态范围，才能够在高低不同的背景条件下成像。通常通过设置大小不同的两个积分电容来实现，小积分电容应用于低背景条件下，表现出高的电荷电压转换增益，能将弱光转换为电压信号；大积分电容应用于高背景条件下，表现出低的电荷电压转换增益，能将强光转换为电压信号。由此，目前焦平面成像系统中焦平面探测器的抗辐照成本较高且结构复杂，焦平面成像系统需要采用两个电容来保证读出电路高动态范围，使得读出电路的面积较大。
发明内容
本发明提供一种抗辐照高动态焦平面读出电路，以解决目前焦平面探测器抗辐照成本较高、结构复杂且读出电路面积较大的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种抗辐照高动态焦平面读出电路，包括可调补偿电流源、运算放大器和积分电容，所述可调补偿电流源的第一端接地，第二端连接所述积分电容的第一端，所述积分电容的第一端还与未遮蔽焦平面探测器的输出端以及所述运算放大器的反相输入端连接，第二端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端连接参考电压，所述可调补偿电流源提供补偿电流和高动态调整电流，所述补偿电流用于抵消所述焦平面探测器辐照之后增加的暗电流，从而实现所述焦平面探测器抗辐照加固；所述高动态调整电流用于压缩所述焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，从而实现高动态范围。
在一种可选的实现方式中，还包括与所述积分电容并联的复位开关。
在另一种可选的实现方式中，所述可调补偿电流源包括用于提供补偿电流的镜像电流源，所述镜像电流源的输入端与遮蔽焦平面探测器的输出端连接，用于将遮蔽焦平面探测器输出的电流作为暗电流镜像提供给所述积分电容的第一端，所述遮蔽焦平面探测器不可探测目标光源。
在另一种可选的实现方式中，所述镜像电流源包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的漏极连接所述遮蔽焦平面探测器的输出端，栅极连接所述第二MOS管的栅极，源极接地并连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极接地，漏极连接所述积分电容的第一端。
在另一种可选的实现方式中，所述积分电容为在低背景条件下将弱光转换为电压信号的小积分电容。
在另一种可选的实现方式中，当焦平面探测器处于低背景条件下时，将所述高动态调整电流设置为0。
在另一种可选的实现方式中，当焦平面探测器处于高背景条件下时，将所述焦平面探测器输出的光生电流减去所述高动态调整电流作为实际光生电流，并将所述实际光生电流提供给所述积分电容的第一端，由此来压缩所述焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够将高动态范围内的光生电流转换为电压信号。
在另一种可选的实现方式中，当焦平面探测器处于高背景条件下时，所述抗辐照高动态焦平面读出电路读出的实际电压与所述积分电容的第二端输出的电压和高动态调整电流有关。
在另一种可选的实现方式中，所述高动态调整电流为从预设时间开始呈阶梯状逐级增大或减小。
本发明的有益效果是：
本发明通过对焦平面读出电路的改进，可以在不降低读出电路动态范围的条件下，减小读出电路采样单元面积，并降低实现焦平面成像系统抗辐照加固的成本，简化结构。
附图说明
图1是本发明抗辐照高动态焦平面读出电路的一个实施例电路图；
图2是本发明可调补偿电流源中镜像电流源的一个实施例电路图；
图3是本发明高动态范围调整波形比较示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明抗辐照高动态焦平面读出电路的一个实施例电路图。该抗辐照高动态焦平面读出电路可以包括可调补偿电流源5、运算放大器1和积分电容2，所述可调补偿电流源5的第一端接地，第二端连接所述积分电容2的第一端，所述积分电容2的第一端还与未遮蔽焦平面探测器区域的输出端以及所述运算放大器1的反相输入端连接，第二端与所述运算放大器1的输出端连接，所述运算放大器1的同相输入端连接参考电压Vref，所述可调补偿电流源5提供补偿电流icomp和高动态调整电流ihdr，所述补偿电流icomp用于抵消所述焦平面探测器辐照之后增加的暗电流irad，从而实现所述焦平面探测器的抗辐照加固；所述高动态调整电流ihdr用于压缩所述焦平面探测器输出的光生电流idet，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，从而实现高动态范围。
本实施例中，当焦平面成像系统被辐照时，未遮蔽焦平面探测器区域可以对目标光源进行探测并产生光生电流idet，同时未遮蔽焦平面探测器区域还会由于辐照损伤而产生较大的暗电流irad，其大小与辐照量成正比，甚至可能完全淹没光生电流idet。当暗电流irad流入焦平面读出电路时，读出电路中高动态调整电流源5会产生与暗电流irad大小相同，方向相反的补偿电流icomp。补偿电流icomp起到分流暗电流irad的作用，将焦平面探测器辐照产生的暗电流irad全部倒入读出电路衬底之中。根据电荷守恒定律，最终流入积分电容2第一端的电流为idet+irad-icomp，而irad＝icomp，因此辐照之后流入读出电路的电流与辐照之前相同，仍为idet，达到了抗辐照加固的目的。本发明通过对读出电路进行加固设计，可以加强探测器抗辐照能力，避免采用复杂的结构对探测器进行抗辐照加固，从而可以提高整个焦平面成像系统的抗辐照水平，并且结构比较简单、成本较低。
在获取补偿电流icomp时，本发明可以采用镜像电流源，所述镜像电流源的输入端与遮蔽焦平面探测器区域的输出端连接，用于将遮蔽焦平面探测器区域输出的电流作为暗电流，镜像提供给所述积分电容2的第一端，所述遮蔽焦平面探测器区域不可探测目标光源。结合图2所示，所述镜像电流源可以包括第一MOS(Metal-Oxide-SemiconductorTransistor，金属氧化物半导体晶体管)管M1和第二MOS管M2，所述第一MOS管M1的漏极连接所述遮蔽焦平面探测器区域的输出端，栅极连接所述第二MOS管M2的栅极，源极接地并连接所述第二MOS管M2的栅极，所述第二MOS管M2的源极接地，漏极连接所述积分电容2的第一端。其中，在设置遮蔽焦平面探测器区域时，可以将同一焦平面探测器划分为遮蔽焦平面探测器区域和未遮蔽焦平面探测器区域，该遮蔽焦平面探测器区域即是在原焦平面探测器的上方用遮蔽物遮盖，使得探测器的目标波长范围光子不能射入，而辐照射线(X射线、β射线、γ射线、高能带电粒子等)可以穿透，例如可以采用铝板、锗等来遮蔽原焦平面探测器。由于目标波长范围的光子不能射入，因此该遮蔽探测器区域不会产生有效光生信号idet，而辐照射线可以穿透，因此该遮蔽探测器区域会产生辐照暗电流irad。由于遮蔽探测器区域与未遮蔽探测器区域处于相同的辐照环境，同属于一个探测器，其本身结构、工作状态均相同，而遮蔽物不会对射入的辐照射线产生任何影响，因此遮蔽探测器区域产生的辐照暗电流与有效阵列未遮蔽探测器区域产生的辐照暗电流相同。采用电流镜等电流镜像处理技术，将此辐照电流镜像至图1中的高动态调整电流源5之中，形成补偿电流icomp，即可补偿焦平面探测器中有效阵列产生的辐照暗电流，达到抗辐照加固的目的。
另外，积分电容2可以为在低背景条件下将弱光转换为电压信号的小积分电容，这样当焦平面探测器处于低背景条件下时，可以将高动态调整电流设置为0，当焦平面探测器处于高背景条件下时，将所述焦平面探测器输出的光生电流减去所述高动态调整电流作为实际光生电流，并将所述实际光生电流提供给所述积分电容的第一端，由此来压缩所述焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够将高动态范围内的光生电流转换为电压信号。当焦平面探测器处于高背景条件下时，所述抗辐照高动态焦平面读出电路读出的实际电压与所述积分电容的第二端输出的电压和高动态调整电流有关。其中，所述高动态调整电流ihdr可以为从预设时间开始呈阶梯状逐级增大或减小。其中，用户可以根据实际情况判定焦平面探测器是处于低背景条件下还是高背景条件下，之后根据判定结果来对高动态调整电流ihdr进行相应设置。本发明通过只保留现有技术中在低背景条件下将弱光转换为电压信号的小积分电容，将读出电路中的积分电容个数减少至一个，可以减小读出电路的面积；通过保留现有技术中的小积分电容，而非换成其他容值的积分电容，并将高动态调整电流的调整分为探测器处于低背景条件和高背景条件两种情况，在低背景条件下将高动态调整电流设置为0，可以使高动态调整电流的调整更加简单；通过在利用小积分电容对高背景条件下的光生电流进行压缩时，采用高动态调整电流对光生电流进行分流，可以保证积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，从而实现高动态范围。
结合图3所示，图3中A曲线表示现有技术中随着积分电容2上电荷的逐步累积，其两端电压的增长趋势。从A曲线可以看出，当焦平面探测器产生较大的光生电流时，光生电流电荷会在t5时刻即积满积分电容2，使读出电路中积分电容2的输出达到最大允许电压值Vhigh，时刻t5至t4期间，再流入积分电容2的光生电流将不能被积累，读出电路的输出Vout始终被锁定为Vhigh，此段时间内的光生电流不能够被反应在读出电路的输出上。由此可见，基于现有技术利用小积分电容对高背景条件下的强光进行转换时会减小读出电路的高动态读出范围。为此，本发明提出了对光生电流进行压缩来保证读出电路的高动态读出范围。
结合图3中曲线B和C所示，其中曲线B表示提供高动态调整电流后，读出电路输出电压的波形，曲线C表示高动态调整电流的波形。曲线B中在读出电路输出为Vlow1的t1时刻，增大高动态调整电流ihdr为ia，如曲线C所示，此时，流入积分电容的实际光生电流由idet变为idet-ihdr＝idet-ia，单位时间之内流入积分电容的电荷降低，读出电路输出电压增长的幅度降低，曲线B增长的斜率降低；在读出电路输出为Vlow2的t2时刻，再次将高动态调整电流ihdr由ia增大为ib，如曲线C所示，此时，流入积分电容的实际光生电流由idet-ia变为idet-ihdr＝idet-ib，单位时间之内流入积分电容的电荷再次降低，读出电路输出电压增长的幅度再次降低，曲线B增长的斜率再次降低；在读出电路输出为Vlow3的t3时刻，再次将高动态调整电流ihdr由ib增大为ic，如曲线C所示，此时，流入积分电容的实际光生电流由idet-ib变为idet-ihdr＝idet-ic，单位时间之内流入积分电容的电荷再次降低，读出电路输出电压增长的幅度再次降低，曲线B增长的斜率再次降低。最终，在积分结束的时刻t4，读出电路的输出仍未达到可以达到的最大值Vhigh，因此，采用这种方法，焦平面成像系统记录了从t5时刻至t4时刻之间所有的光照信息，积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，动态范围得到扩展。上述按照三次调整为例进行说明，实际应用时，调整次数需要依据具体使用条件而定。本发明采用设置ihdr为分段电流的方式，使得实际流入采样单元的光生电流在需要时被分流，从而将探测器产生光生信号进行压缩，扩展焦平面成像系统的动态范围。
其中，光生电流流入读出电路中的积分电容2后，运算放大器1的反相输入端的电压保持为Vi，即积分电容2第一端的电压保持为Vi。由于积分电容2第一端的电压保持为Vi，而光生电流流入积分电容2第一端后，积分电容2上的电荷会持续累计，因此传递给积分电容2的电荷会从积分电容2的第二端以电压的形式输出，对应地，积分电容2第二端输出的电压与运算放大器1的反相输入端的电压相同。为了实现读出电路复位，本发明还包括与所述积分电容2并联的复位开关3。
由上述实施例可见，基于现有CMOS焦平面读出电路采样单元，在读出电路与焦平面探测器的连接处设置接地的可调补偿电流源；可调补偿电流源上叠加有两种电流，其一为与探测器辐照产生的暗电流大小相同，相对于图1中节点B方向相反的辐照补偿电流，用以补偿探测器辐照之后增加的暗电流，使得流入积分电容的第一端的光生电流与辐照前相同，从而增强整体焦平面成像系统的抗辐照能力；其二是依据高低不同的背景而产生与光生电流方向相反的高动态范围调整电流。本发明在不必在运算放大器的两端跨接大小不同的两个积分电容，仅仅保留了现有技术中的小积分电容。当焦平面成像系统处于低背景条件下时，设置高动态调整电流为0，此时小积分电容表现出高的电荷电压转换增益，能将弱光转换为电压信号；当焦平面成像系统处于高背景条件下时，增加高动态调整电流，使得光生电流通过高动态调整电流而分流，从而降低流入积分电容第一端输入的实际光生电流，降低此时积分电容的电荷电压转换增益，将强光转换为电压信号，从而增大读出电路的动态范围，实现与现有技术中通过设置大小两个积分积分电容相同，甚至更高的动态范围。由此，本发明通过对焦平面读出电路的改进，可以在不降低读出电路动态范围的条件下，减小读出电路采样单元面积，并降低实现焦平面成像系统抗辐照加固成本，简化结构。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，包括可调补偿电流源、运算放大器和积分电容，所述可调补偿电流源的第一端接地，第二端连接所述积分电容的第一端，所述积分电容的第一端还与未遮蔽焦平面探测器的输出端以及所述运算放大器的反相输入端连接，第二端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端连接参考电压，所述可调补偿电流源提供补偿电流和高动态调整电流，所述补偿电流用于抵消所述焦平面探测器辐照之后增加的暗电流，从而实现所述焦平面探测器抗辐照加固；所述高动态调整电流用于压缩所述焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够表征更大的光生电流值，从而实现高动态范围。
2.根据权利要求1所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，还包括与所述积分电容并联的复位开关。
3.根据权利要求1所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，所述可调补偿电流源包括用于提供补偿电流的镜像电流源，所述镜像电流源的输入端与遮蔽焦平面探测器的输出端连接，用于将遮蔽焦平面探测器输出的电流作为暗电流镜像提供给所述积分电容的第一端，所述遮蔽焦平面探测器不可探测目标光源。
4.根据权利要求3所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，所述镜像电流源包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的漏极连接所述遮蔽焦平面探测器的输出端，栅极连接所述第二MOS管的栅极，源极接地并连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极接地，漏极连接所述积分电容的第一端。
5.根据权利要求1所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，所述积分电容为在低背景条件下将弱光转换为电压信号的小积分电容。
6.根据权利要求5所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，当焦平面探测器处于低背景条件下时，将所述高动态调整电流设置为0。
7.根据权利要求5所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，当焦平面探测器处于高背景条件下时，将所述焦平面探测器输出的光生电流减去所述高动态调整电流作为实际光生电流，并将所述实际光生电流提供给所述积分电容的第一端，由此来压缩所述焦平面探测器输出的光生电流，以使所述积分电容在相同输出摆幅条件下能够将高动态范围内的光生电流转换为电压信号。
8.根据权利要求7所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，当焦平面探测器处于高背景条件下时，所述抗辐照高动态焦平面读出电路读出的实际电压与所述积分电容的第二端输出的电压和高动态调整电流有关。
9.根据权利要求7或8所述的抗辐照高动态焦平面读出电路，其特征在于，所述高动态调整电流为从预设时间开始呈阶梯状逐级增大或减小。
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