CN112468746B - 一种焦平面数字化像元增益微调电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焦平面数字化像元增益微调电路，包括光电探测器、电容调节电路、比较器、计数器和存储器，所述光电探测器用于探测光信号并输出电流信号，所述电容调节电路用于调节接入所述微调电路的积分电容的大小，所述比较器用于接收所述光电探测器传输的电流信号并根据该电流信号输出振荡信号，所述计数器用于对振荡信号进行计数并储存在所述存储器中，通过电容调节电路实现对积分电容大小的微调，进而实现读出电路的像素在数模转换时增益的调节，以改善成像的非均匀性。

Description

一种焦平面数字化像元增益微调电路
技术领域
本发明涉及像元增益调节技术领域，特别是涉及一种焦平面数字化像元增益微调电路。
背景技术
焦平面读出电路中其像素的增益非均匀性是图像非均匀性的重要来源。像素的增益主要由像素积分电容的大小确定，对于脉冲频率调制(PFM)型数字读出电路(DROIC)，像素的积分电容极其微小，往往只有fF量级(10-15F)，该积分电容一般由布线寄生电容和MOS管栅寄生电容实现。
传统的数控调节增益的方式是通过MOS管开关来控制电路中并联的电容的数量来实现，由于MOS管本身的寄生电容也在fF量级，其与被调电容是并联关系，因此这种方式在读出电路像素微小的积分电容的调节中，会导致电容调节步径过大，调节比例偏差较大，无法对小电容进行微调。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够用于增益非均匀性校正、实现微小积分电容的容值的调节的焦平面数字化像元增益微调电路。
为解决上述问题，本发明提供一种焦平面数字化像元增益微调电路，包括光电探测器、电容调节电路、比较器、计数器和存储器，所述光电探测器用于探测光信号并输出电流信号，所述电容调节电路用于调节接入整个焦平面数字化像元增益微调电路的积分电容值的大小，所述比较器用于接收来自光电探测器的电流信号并根据电流信号输出振荡信号，所述计数器用于对振荡信号进行计数并储存在所述存储器中；所述光电探测器与比较器、计数器和存储器依次连接，所述电容调节电路连接在所述光电探测器与比较器之间，所述光电探测器与所述比较器之间还连接有电源输入端。
进一步的，所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端相连，所述比较器的输出端与其正相输入端和所述计数器的输入端均相连，所述电容调节电路的输出端连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，所述电源电压连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，所述光电探测器的正端和比较器的反相输入端均接地。
进一步的，所述计数器的输出端还连接有数据接口电路，所述数据接口电路用于将计数器传输的数字信号进行转换后输出。
进一步的，所述电容调节电路包括多个NMOS管，多个所述NMOS管的栅极均连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，每一NMOS管的源极与其漏极相连；每一所述NMOS管还连接有一个二选一开关，所述二选一开关具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接入第一电平，所述第二输入端接入第二电平，所述输出端连接在对应的NMOS管的源极和漏极之间。
进一步的，每一所述NMOS管栅极的面积呈2N依次递增。
进一步的，在所述电源电压端连接有电源开关，所述比较器的输出端连接在所述电源开关与其正相输入端之间。
进一步的，所述比较器为施密特触发器。
进一步的，所述存储器为静态随机存取存储器。
本发明的有益效果：
(1)通过设置电容调节电路，对积分电容大小的调节，进而实现读出电路的像素在数模转换时增益的调节，以改善成像的非均匀性；
(2)在电容调节电路中设置多个NMOS管和与NMOS管一一对应连接的二选一开关，通过二选一开关来控制接入整个读出电路的NMOS管的数量，由于NMOS管的寄生电容量级较小，进而减小积分电容的调节步径；
(3)将每一NMOS管的栅极的面积依次设置成2的N次方，使得积分电容可以覆盖更多的电容值的组合，进而使得增益的调节比例更加精确，具有更好的调节线性度。
附图说明
图1为本发明一种焦平面数字化像元增益微调电路的较佳的实施方式的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
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。
如图1所示，为本发明一种焦平面数字化像元增益微调电路的较佳的实施方式的电路图，包括光电探测器1、电容调节电路2、比较器3、计数器4、存储器5和数据接口电路6，所述光电探测器1用于探测光信号并将该光信号转换成电流信号输出。所述电容调节电路2用于对调节接入整个焦平面数字化像元增益微调电路的积分电容值的大小，进而实现对回路中电流信号大小的调节。所述比较器3用于接收来自光电探测器的电流信号并根据该电流信号得到一个频率与该电流信号强弱变化相关的振荡信号，在本实施方式中，所述比较器3为施密特触发器。所述计数器4用于对振荡信号进行计数并储存在所述存储器5中，在本实施方式中，所述存储器5为静态随机存取存储器。所述数据接口电路6用于将计数器4传输的数字信号进行转换后输出。所述光电探测器1与所述比较器3之间还连接有电源输入端VCC，以用于为整个微调电路提供电源电压。在所述电源输入端VCC与比较器3之间还设有电源开关S1，用于启动和关闭所述微调电路。
所述光电探测器1的负端与所述比较器3的正相输入端相连，所述比较器3的输出端与其正相输入端和所述计数器4的输入端均相连，所述计数器4的输出端与所述存储器5的输入端连接，所述计数器4的输出端与所述数据接口电路6的输入端连接，所述存储器5的输出端与所述计数器4的输入端相连，所述电容调节电路2的输出端连接在所述光电探测器1的负端与所述比较器3的正相输入端之间，所述电源输入端VCC连接在所述光电探测器1的负端与所述比较器3的正相输入端之间，所述电源开关S1连接在所述电源输入端VCC与所述比较器3的输出端之间，所述光电探测器1的正端和比较器3的反相输入端均接地。
所述电容调节电路2包括多个NMOS管NM，多个所述NMOS管NM的栅极均连接在所述光电探测器1的负端与所述比较器3的正相输入端之间，每一NMOS管NM的源极与其漏极相连；每一所述NMOS管还连接有一个二选一开关S2，所述二选一开关S具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接入第一电平，所述第二输入端接入第二电平，所述输出端连接在对应的NMOS管NM的源极和漏极之间，在本实施方式中，所述第一电平为低电平VL，第二电平为高电平VH。在所述电容调节电路2中，由于NMOS管NM自身存在一个寄生电容，因此所述微调电路的积分电容由各NMOS管NM的寄生电容组合而成，即当二选一开关S控制NMOS管NM的源极和漏极接入低电平VL时，其对应的积分电容的容值增大，当二选一开关S2控制NMOS管NM的源极和漏极接入高电平VH时，其对应的积分电容的容值减小，即通过控制不同的二选一开关S2的高低电平组合来将NMOS管NM接入回路中，来实现总的积分电容的大小的控制。
每一所述NMOS管NM栅极的面积呈2N依次递增，由于NMOS管的寄生电容与其栅极的面积大小有关，栅极面积越大其对应的寄生电容也就越大，因此将每个NMOS管NM栅极的面积分别设置成各种尺寸规格，即按照2N(N＝1,2,3……n)的比例递增，以便在对积分电容进行调节时可以覆盖更多的容值组合，使得调节更加精准。
本发明的工作原理：
在对积分电路进行调节时，首先，光电探测器1探测光信号，通过光电探测器1的光电效应将探测到的光信号转换成对应的电流信号，电流信号流经图中1中的A点时，电容调节电路2中等效积分电容开始充电；在充电过程中，A点的电压逐渐升高，即接入比较器3正相输入端的电压逐渐升高，由于所述比较器具有正向和负相两个阈值电压，因此当该输入电压小于比较器3的负向阈值电压时，比较器3的输出端输出低电平，积分电容持续充电，若输入电压值在正向阈值电压和负向阈值电压之间时，比较器3持续输出低电平，直到输入电压高于正向阈值电压，比较器3的输出端输出高电平，使其输出状态进行翻转产生一个脉冲；积分电容充电完成后开始放电，输入电压随着减小，直到输入电压小于负向阈值电压时，比较器3的输出状态再次进行翻转，以此来将电流信号转换成一个频率与电流强弱相关的振荡信号；然后计数器对此振荡信号进行计数并储存在存储器中。
由于所述振荡信号的振荡频率直接影响了像元数字化转换增益，而所述振荡信号的振荡频率与所述NMOS管NM的寄生电容也即积分电容的大小有关。因此，通过外部数字来控制二选一开关接入高电平或低电平，进而控制接入微调电路的NMOS管NM来对积分电容的大小进行调节，因NMOS管NM的寄生电容为fF量级，因此积分电容的调节步径可以相对较小，可以实现像元转换增益的微调，从而实现转换增益的非均匀性精细校正。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：包括光电探测器、电容调节电路、比较器、计数器和存储器，所述光电探测器用于探测光信号并输出电流信号，所述电容调节电路用于调节接入整个焦平面数字化像元增益微调电路的积分电容值的大小，所述比较器用于接收来自光电探测器的电流信号并根据电流信号输出振荡信号，所述计数器用于对振荡信号进行计数并储存在所述存储器中；所述光电探测器与比较器、计数器和存储器依次连接，所述电容调节电路连接在所述光电探测器与比较器之间，所述光电探测器与所述比较器之间还连接有电源输入端；
所述比较器具有正向和负向阈值电压，并在电容积分过程中将输入所述比较器的输入电压分别与正向阈值电压和负值阈值电压进行比较，当所述输入电压小于负向阈值电压时，所述比较器的输出端输出低电平，积分电容持续积分，输入电压持续增加至介于负向阈值电压与正向阈值电压之间，所述比较器的输出端持续输出低电平，直至所述输入电压增加至高于正向阈值电压时，比较器的输出端输出高电平，以产生一个脉冲，进而输出所述振荡信号。
2.根据权利要求1所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端相连，所述比较器的输出端与其正相输入端和所述计数器的输入端均相连，所述电容调节电路的输出端连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，所述电源电压连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，所述光电探测器的正端和比较器的反相输入端均接地。
3.根据权利要求2所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：所述计数器的输出端还连接有数据接口电路，所述数据接口电路用于将计数器传输的数字信号进行转换后输出。
4.根据权利要求2所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：所述电容调节电路包括多个NMOS管，多个所述NMOS管的栅极均连接在所述光电探测器的负端与所述比较器的正相输入端之间，每一NMOS管的源极与其漏极相连；每一所述NMOS管还连接有一个二选一开关，所述二选一开关具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接入第一电平，所述第二输入端接入第二电平，所述输出端连接在对应的NMOS管的源极和漏极之间。
5.根据权利要求4所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：每一所述NMOS管栅极的面积呈2N依次递增。
6.根据权利要求2所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：在所述电源电压端连接有电源开关，所述比较器的输出端连接在所述电源开关与其正相输入端之间。
7.根据权利要求1所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：所述比较器为施密特触发器。
8.根据权利要求1所述的一种焦平面数字化像元增益微调电路，其特征在于：所述存储器为静态随机存取存储器。
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