CN111623890A - 一种读出电路及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种读出电路及其标定方法，涉及非制冷红外焦平面阵列技术领域。读出电路包括行级电路、像素级电路、偏压产生电路及列级电路；所述行级电路的输出端与所述偏压产生电路的输入端连接；所述偏压产生电路至少包括低TCR电阻和盲电阻；根据所述行级电路的输出及输入的恒压输出第一偏置电压和第二偏置电压至所述列级电路；所述列级电路还与所述像素级电路连接，并根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的差分电流进行转换并作为输出电压输出；通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻的调节，实现所述读出电路的校正。

Description

一种读出电路及其标定方法

技术领域

本发明涉及非制冷红外焦平面阵列技术领域，具体涉及一种读出电路及其标定方法。

背景技术

读出电路作为非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)的关键部件之一，其主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持等)和阵列信号的并/串行转换。

镜像偏置架构常见于非制冷红外焦平面探测器读出电路中，使用基于遮光的镜像像元产生偏置电压，实现对衬底温度、共模电压及自加热效应的影响抑制。然而，由于工艺的缺陷，镜像架构的像元、镜像像元、盲元、镜像盲元不能完全匹配，特别是像元接受较热或较冷物体的辐照时，不匹配的程度更加明显。镜像偏置架构失配时，输出可能产生失调；如果电阻衬底温度系数存在失配，失调会可能产生温漂；失配还会造成共模抑制比下降，引入更大的电源及偏压噪声；失调和失调温漂会影响成像的动态范围，故需要进行宏观的校正。现有技术中对输出失调采用的方法有三种：一种是采用电压调节方法，只校正了输出失调，无法弥补镜像失配引起的共模抑制比下降；另一种是传统阻值补偿调节方法，使用串联电阻调节失调，只在单一衬底温度有效，无法补偿宏观失调温漂，且有可能增大宏观失调温漂；第三种传统TCR补偿调节方法，使用串联电阻调节TCR，需要在列内串联低TCR电阻才能实现正负温漂的补偿，增加了列级非均匀性，且TCR补偿电阻可能引入额外固定失调，标定过程较为复杂。由此可见，现有技术中不仅无法同时实现对宏观失调与宏观失调温漂的校正，还会因为校正的方法使用不当，影响读出质量及电路的稳定性；而且在无TEC下，受温度变化影响较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种读出电路及其标定方法。

本公开实施例第一方面提供了一种读出电路，包括行级电路、像素级电路、偏压产生电路及列级电路；

所述行级电路的输出端与所述偏压产生电路的输入端连接；

所述偏压产生电路至少包括低TCR电阻和盲电阻；根据所述行级电路的输出及输入的恒压输出第一偏置电压和第二偏置电压至所述列级电路；

所述列级电路还与所述像素级电路连接，并根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的差分电流进行转换并作为输出电压输出；

通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻的调节，实现所述读出电路的校正。

在一些实施例中，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻和第二滑动低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路和第二偏置电压产生电路；

所述第一滑动低TCR电阻的两端分别连接所述行级电路和所述第一偏置电压产生电路，所述第一偏置电压产生电路连接所述第二偏置电压产生电路，所述第二偏置电压产生电路连接所述盲电阻，所述盲电阻连接所述第二滑动低TCR电阻。

在一些实施例中，所述行级电路受行选开关控制，输出第三偏置电压至所述偏压产生电路；所述第一偏置电压产生电路根据所述第三偏置电压生成并输出第一偏置电压；所述第二偏置电压产生电路根据所述输入的恒压生成并输出第二偏置电压。

在一些实施例中，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻和第一固定低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路、第二偏置电压产生电路；

所述第二偏置电压产生电路分别与所述第一固定低TCR电阻、所述盲电阻的一端连接，所述盲电阻的另一端与所述第一滑动低TCR电阻串联连接。

在一些实施例中，所述第二偏置电压产生电路包括镜像盲元；所述第一固定低TCR电阻与所述镜像盲元串联连接。

在一些实施例中，所述列级电路包括第二固定低TCR电阻；所述第二固定低TCR电阻与所述列级电路中的盲元串联连接。

在一些实施例中，所述低TCR电阻包括第二滑动低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路、第二偏置电压产生电路；

所述第二滑动低TCR电阻与所述第一偏置电压产生电路串联连接；所述第二偏置电压产生电路与所述盲电阻串联连接。

在一些实施例中，所述像素级电路包括第三固定低TCR电阻；所述第三固定低TCR电阻与所述像素级电路中的像元串联连接。

在一些实施例中，所述列级电路根据接收到的所述第一偏置电压和所述像素级电路包括的像元生成第一电流；所述列级电路根据接收到的所述第二偏置电压和所述盲元生成第二电流；根据所述第一电流与所述第二电流得到所述差分电流。

本公开实施例第二方面提供了一种读出电路的标定方法，其特征在于，包括：

S101、在第一衬底温度下遍历低TCR电阻的各个档位；

S102、待所述低TCR电阻配置完成后，调节所述低TCR电阻使得差分电流为零，对盲电阻进行标定；

S103、在第二衬底温度下重新遍历低TCR电阻的各个档位；

S104、使用已标定的盲电阻调节所述低TCR电阻，使得电流之差为零；

S105、选择最接近预设值的低TCR电阻作为从所述第一衬底温度到所述第二衬底温度的校正配置。

本发明的有益效果为：通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻的调节，同时实现对宏观失调与宏观失调温漂的校正，实现了无TEC下，输出失调可调，受温度变化影响小。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种读出电路的方框图；

图2是本发明实施例公开的一种读出电路的电路连接示意图；

图3是本发明实施例公开的一种读出电路的电路连接示意图；

图4是本发明实施例公开的一种读出电路的电路连接示意图；

图5是本发明实施例公开的一种读出电路的标定方法的流程图；

图6是本发明实施例公开的一种读出电路的标定方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

镜像偏置架构常见于非制冷红外焦平面探测器读出电路中，使用基于遮光的镜像像元产生偏置电压，实现对衬底温度、共模电压及自加热效应的影响抑制。然而，由于工艺的缺陷，镜像架构的像元、镜像像元、盲元、镜像盲元不能完全匹配，特别是像元接受较热或较冷物体的辐照时，不匹配的程度更加明显。镜像偏置架构失配时，输出可能产生失调；如果电阻衬底温度系数存在失配，失调会可能产生温漂；失配还会造成共模抑制比下降，引入更大的电源及偏压噪声；失调和失调温漂会影响成像的动态范围，故需要进行宏观的校正。现有技术中对输出失调采用的方法有三种：一种是采用电压调节方法，只校正了输出失调，无法弥补镜像失配引起的共模抑制比下降；另一种是传统阻值补偿调节方法，使用串联电阻调节失调，只在单一衬底温度有效，无法补偿宏观失调温漂，且有可能增大宏观失调温漂；第三种传统TCR补偿调节方法，使用串联电阻调节TCR，需要在列内串联低TCR电阻才能实现正负温漂的补偿，增加了列级非均匀性，且TCR补偿电阻可能引入额外固定失调，标定过程较为复杂。由此可见，现有技术中不仅无法同时实现对宏观失调与宏观失调温漂的校正，还会因为校正的方法使用不当，影响读出质量及电路的稳定性。

本公开实施例公开了一种读出电路的电路方框图，如图1所示；具体地，所述读出电路包括行级电路1、像素级电路2、偏压产生电路3及列级电路4；所述偏压产生电路3分别与所述行级电路1及所述列级电路4连接，所述列级电路4与所述像素级电路2连接；

所述行级电路1受行选开关的控制，其输出端与所述偏压产生电路3连接；

所述偏压产生电路3至少包括低TCR电阻和盲电阻Rdm1，其输入端连接所述行级电路的输出端；根据所述行级电路的输出及输入的恒压Vb输出第一偏置电压和第二偏置电压至所述列级电路；

所述列级电路还与所述像素级电路连接，并根据所述第一偏置电压V_fid和所述第二偏置电压Veb得到两路电流，并对所产生的差分电流I_diff进行转换并作为输出电压输出；

通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻Rdm1的调节，实现所述读出电路的校正。

在一些实施例中，读出电路的结构示意图如图2所示。其中，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻Rtrim1和第二滑动低TCR电阻Rtrim2；所述偏压产生电路3还包括第一偏置电压V_fid产生电路、第二偏置电压Veb产生电路；所述第一滑动低TCR电阻Rtrim1的两端分别连接所述行级电路1和所述第一偏置电压产生电路，所述第一偏置电压产生电路连接所述第二偏置电压产生电路，所述第二偏置电压产生电路连接所述盲电阻Rdm1，所述盲电阻Rdm1连接所述第二滑动低TCR电阻Rtrim2。

在一些实施例中，所述行级电路1受行选开关RSEL<i>控制，输出第三偏置电压Vrsm至所述偏压产生电路3；所述第一偏置电压产生电路根据所述第三偏置电压Vrsm生成并输出第一偏置电压V_fid至所述列级电路4；所述第二偏置电压产生电路根据所述输入的恒压Vb生成并输出第二偏置电压Veb至所述列级电路4。

具体地，所述第二偏置电压产生电路包括第一镜像电路、运算放大器OPA1、镜像盲元R_dm0；所述第一镜像电路包括第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，所述第一NMOS管MN1的栅极与所述第二NMOS管MN2的栅极连接；所述第一NMOS管MN1的源极与电源Vdet连接、漏极分别与所述运算放大器OPA1的负输入端、镜像盲元R_dm0的一端连接；其中，所述运算放大器OPA1的正输入端接入恒压Vb，输出端分别与所述第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的栅极连接。

在一些实施例中，所述行级电路1，包括行级镜像像元Rsm及行选开关RSEL<i>。

在一些实施例中，所述列级电路4包括PMOS管MP0、第三NMOS管MN0、盲元Rd及电流-电压转换器；根据所述第一偏置电压Veb和所述第二偏置电压V_fid得到两路电流，并对所产生的差分电流I_diff进行转换并输出电压。

优选地，所述偏压产生电路3通过电压校正数模转换器与所述列级电路4连接；具体地，所述第一偏置电压产生电路通过第一电压校正数模转换器与PMOS管的栅极连接；所述第二偏置电压产生电路通过第二电压校正数模转换器与第三NMOS管的栅极连接；

进一步地，所述PMOS管的源极、漏极分别与所述像素级电路2、第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极与盲元Rd的一端连接；差分电流通过电流-电压转换器进行转换输出输出电压。

在一些实施例中，所述像素级电路2包括像元Rs及行选开关RSEL。

在一些实施例中，所述列级电路根据接收到的所述第一偏置电压V_fid和所述像素级电路包括的像元Rs生成第一电流；所述列级电路根据接收到的所述第二偏置电压Veb和所述盲元Rd生成第二电流；根据所述第一电流与所述第二电流得到所述差分电流I_diff。

本公开的实施例，通过失调调节电阻(盲电阻)Rdm1和失调温漂调节电阻(低TCR电阻)Rtrim1和Rtirm2的组合使用，同时校正宏观失调与宏观失调温漂，实现了正负失调温漂斜率的补偿，达到了现有技术所达不到的效果。

在一些实施例中，如图3所示，还包括另一种读出电路结构(电路仅展示部分电路，其余部分参见图2)，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻Rtrim1和第一固定低TCR电阻Ros0；所述偏压产生电路3还包括第一偏置电压产生电路、第二偏置电压产生电路；

所述第二偏置电压产生电路分别与所述第一固定低TCR电阻Ros0、所述盲电阻Rdm1的一端连接，所述盲电阻Rdm1的另一端与所述第一滑动低TCR电阻Rtrim1串联连接。

在一些实施例中，所述第二偏置电压产生电路包括镜像盲元R_dm0；所述第一固定低TCR电阻Ros0与所述镜像盲元R_dm0串联连接。

在一些实施例中，所述列级电路包括第二固定低TCR电阻Ros1；所述第二固定低TCR电阻Ros0与所述列级电路中的盲元Rd串联连接。

相应地，每列的盲元Rd串联一路固定低TCR电阻Ros1，盲电阻Rdm1串联一滑动低TCR电阻Rtrm1进行调节，同时镜像盲元R_dm0上也串联一路固定低TCR电阻Ros0，Rdm0+Ros0与Rd+Ros1形成比例，保证盲元Rd上端的偏压等于输入的恒压Vb。

在该结构中，设置(Rtrim1,max+Rdm1)>N(Rd+Ros1)>(Rtrim1,min+Rdm1)，仅调节第一滑动低TCR电阻Rtrim1就可以实现正负斜率失调温漂的补偿。

在一些实施例中，如图4所示，还包括另一种读出电路结构(电路仅展示部分电路，其余部分参见图2)，所述低TCR电阻包括第二滑动低TCR电阻Rtrim2；所述偏压产生电路3还包括第一偏置电压产生电路、第二偏置电压产生电路；

所述Rtrim2与所述第一偏置电压产生电路串联连接；所述第二偏置电压产生电路与所述盲电阻Rdm1串联连接。

在一些实施例中，所述像素级电路包括第三固定低TCR电阻Ros2；所述第三固定低TCR电阻Ros2与所述像素级电路中的像元Rs串联连接，仅调节第二滑动低TCR电阻Rtrim2就可以实现正负斜率失调温漂的补偿。

在上述实施例中，所述第一固定低TCR电阻、第二固定低TCR电阻及第三固定低TCR电阻的型号和阻值大小可以相同也可以不同，可以根据实际的电路需求进行更改和替换。

本公开实施例还公开了一种读出电路的标定方法，如图5所示；

S101、在第一衬底温度下遍历低TCR电阻的各个档位；

S102、待所述低TCR电阻配置完成后，调节所述低TCR电阻使得差分电流为零，对盲电阻进行标定；

S103、在第二衬底温度下重新遍历低TCR电阻的各个档位；

S104、使用已标定的盲电阻调节所述低TCR电阻，使得电流之差为零；

S105、选择最接近预设值的低TCR电阻作为从所述第一衬底温度到所述第二衬底温度的校正配置。

具体地，在第一衬底温度T0下遍历第一滑动低TCR电阻Rtrim1与第二滑动低TCR电阻Rtrim2的各个档位，即第二滑动低TCR电阻Rtrim2＝0时，遍历第一滑动低TCR电阻Rtrim1从0到最大值；第一滑动低TCR电阻Rtrim1＝0时，遍历第二滑动低TCR电阻Rtrim2从0到最大值；每个第一滑动低TCR电阻Rtrim1和第二滑动低TCR电阻Rtrim2的配置完成后，调节盲电阻Rdm1，使阵列平均的电流之差Idiff为0，得到一一对应的Rdm1配置；衬底温度变化到第二衬底温度T1，重新遍历第一滑动低TCR电阻Rtrim1与第二滑动低TCR电阻Rtrim2的各个档位，并使用已标定的盲电阻Rdm1配置，比较各个情形下阵列平均电流之差Idiff，最接近0的配置为温漂最小的配置。

更具体地，如图6所示，给出了更为详细的一种读出电路的标定方法，具体包括：

S201、在第一衬底温度下，探测器焦平面接受均匀辐射；

S202、固定第二滑动低TCR电阻，遍历第一滑动低TCR电阻的各个阻值，得到{第一滑动低TCR电阻，第二滑动低TCR电阻}的N1(N1＞0，且N1为自然数)种组合配置，使电路工作依次按这N1种配置工作；

S203、每种配置下，调节盲电阻，使全阵列的电流之差均值接近0，得到{第一滑动低TCR电阻，第二滑动低TCR电阻，盲电阻}的N1种配置；

S204、固定第一滑动低TCR电阻，遍历第二滑动低TCR电阻的各个阻值，得到{第一滑动低TCR电阻，第二滑动低TCR电阻}的N2(N2＞0，且N2为自然数)种组合配置，使电路工作依次按这N2种配置工作；

S205、每种配置下，调节盲电阻，使全阵列的电流之差均值接近0，得到{第一滑动低TCR电阻，第二滑动低TCR电阻，盲电阻}的N2种配置；

S206、在第二衬底温度下，探测器焦平面接受均匀辐射；

S207、重复S202-S203得到的N1种配置工作，记录N1个阵列电流之差均值；

S208、重复S204-S205得到的N2种配置工作，记录N2个阵列电流之差均值；

S209、得到的N1+N2个阵列Idiff均值中，选择最接近0时对应的{第一滑动低TCR电阻，第二滑动低TCR电阻，盲电阻}的配置，作为第一衬底温度到第二衬底温度范围的校正配置。

下面简要说明本实施例中读出电路的工作原理。

根据读出电路的电路结构不难得知，

差分电流

令Rs＝Rd＝Rbol，α2＝α4＝α，可得

差分电流Idiff不随ΔT变化而始终为0，要求Idiff＝0且ΔIdiff/ΔT＝0，得到

左侧项消掉ΔT，则得到：

低TCR电阻Rtrim为正数，α为负数，因此：

上述公开的标定方法中，通过先遍历温漂补偿码(低TCR电阻)，再标定失调补偿码(盲电阻)的方法，实现了两种校正功能叠加时的快速标定，不需要遍历所有配置，码值搜索标准也更简化，实现了存储代价、标定速度、算法复杂度的优化，方便在小型化嵌入式系统中实时进行。

基于上述实施例中公开的一种读出电路及其标定方法，通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻的调节，同时实现对宏观失调与宏观失调温漂的校正，实现了无TEC下，输出失调可调，受温度变化影响小。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种读出电路，其特征在于，包括行级电路、像素级电路、偏压产生电路及列级电路；

所述行级电路的输出端与所述偏压产生电路的输入端连接；

所述偏压产生电路至少包括低TCR电阻和盲电阻；根据所述行级电路的输出及输入的恒压输出第一偏置电压和第二偏置电压至所述列级电路；

所述列级电路还与所述像素级电路连接，并根据所述第一偏置电压和所述第二偏置电压得到两路电流，并对所产生的差分电流进行转换并作为输出电压输出；

通过对所述低TCR电阻和所述盲电阻的调节，实现所述读出电路的校正。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻和第二滑动低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路、第二偏置电压产生电路；

所述第一滑动低TCR电阻的两端分别连接所述行级电路和所述第一偏置电压产生电路，所述第一偏置电压产生电路连接所述第二偏置电压产生电路，所述第二偏置电压产生电路连接所述盲电阻，所述盲电阻连接所述第二滑动低TCR电阻。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述行级电路受行选开关控制，输出第三偏置电压至所述偏压产生电路；所述第一偏置电压产生电路根据所述第三偏置电压生成并输出第一偏置电压；所述第二偏置电压产生电路根据所述输入的恒压生成并输出第二偏置电压。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述低TCR电阻包括第一滑动低TCR电阻和第一固定低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路和第二偏置电压产生电路；

所述第二偏置电压产生电路分别与所述第一固定低TCR电阻、所述盲电阻的一端连接，所述盲电阻的另一端与所述第一滑动低TCR电阻串联连接。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第二偏置电压产生电路包括镜像盲元；所述第一固定低TCR电阻与所述镜像盲元串联连接。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述列级电路包括第二固定低TCR电阻；所述第二固定低TCR电阻与所述列级电路中的盲元串联连接。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述低TCR电阻包括第二滑动低TCR电阻；所述偏压产生电路还包括第一偏置电压产生电路和第二偏置电压产生电路；

所述第二滑动低TCR电阻与所述第一偏置电压产生电路串联连接；所述第二偏置电压产生电路与所述盲电阻串联连接。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述像素级电路包括第三固定低TCR电阻；所述第三固定低TCR电阻与所述像素级电路中的像元串联连接。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述列级电路根据接收到的所述第一偏置电压和所述像素级电路包括的像元生成第一电流；所述列级电路根据接收到的所述第二偏置电压和所述盲元生成第二电流；根据所述第一电流与所述第二电流得到所述差分电流。

10.一种读出电路的标定方法，其特征在于，包括：

S101、在第一衬底温度下遍历低TCR电阻的各个档位；

S102、待所述低TCR电阻配置完成后，调节所述低TCR电阻使得差分电流为零，对盲电阻进行标定；

S103、在第二衬底温度下重新遍历低TCR电阻的各个档位；

S104、使用已标定的盲电阻调节所述低TCR电阻，使得电流之差为零；

S105、选择最接近预设值的低TCR电阻作为从所述第一衬底温度到所述第二衬底温度的校正配置。

Images