CN115086580B

CN115086580B - 一种像素级模数转换数字读出电路及红外探测器

Info

Publication number: CN115086580B
Application number: CN202210842880.1A
Authority: CN
Inventors: 李建; 骆柏华; 倪慧云
Original assignee: Kunming Thorium Crystal Technology Co ltd
Current assignee: Kunming Thorium Crystal Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2042-07-18
Also published as: CN115086580A

Abstract

本发明提供一种像素级模数转换数字读出电路及红外探测器，所述像素级模数转换数字读出电路包括：依次连接的电荷包积分及复位电路（2），比较器（3），计数器（4）和静态随机存取存储器（5）。本发明可使得高性能制冷红外探测器能够以Snapshot模式和IWR积分模式进行工作，保证了该型高性能制冷红外探测器的有效积分时间可以接近帧周期，从而保证了其大积分电荷量和高帧频特性。采用本发明可以把现有红外探测器的信噪比提高一个数量级，从而将现有红外探测器的温度灵敏度提高一个数量级，满足了第三代高性能制冷红外探测器的灵敏度要求，并且可以使其在高帧频条件下得到广泛应用。

Description

一种像素级模数转换数字读出电路及红外探测器

技术领域

本发明属于红外热成像技术领域，特别涉及一种像素级模数转换数字读出电路及红外探测器。

背景技术

红外成像系统通过探测目标所发出的红外辐射来识别物体。红外成像技术被广泛应用于军事侦察、空间遥感、医学识别等领域。红外焦平面探测器芯片组是红外成像系统的核心部件，主要由红外探测器芯片和读出电路芯片通过倒装互连工艺集成。读出电路芯片将红外探测器芯片产生的电信号有序读出至片外的信号处理系统。

第三代高性能制冷红外焦平面探测器在3um～5um波段的最大可探测信号电子（

）的数目（即电子数）为1G（10⁹）以上，在8um～12um波段的最大可探测信号电子数在5G以上。面对如此高的电荷存储量要求，传统的模拟读出电路已经无法适用，更为现实的途径是在像素内将光电流积分信号转换为数字信号，采用像素级模数转换（ADC）数字读出电路和数字积分技术来满足第三代高性能制冷型红外探测器的电荷存储量要求。

目前，已有基于脉冲频率调制（PFM）型像素ADC获得了更大电荷处理能力的潜力。为了进一步提高信噪比，目前已有使用扩展计数像素ADC电路，在积分结束时对残留电荷进行二次量化，但这会导致两次量化之间的失配，需要在后续进行大量的实时数字校正才能解决适配问题，而且无法实现积分同时读出即边积分边读出（IWR）功能。

红外焦平面探测器满足SNR∝(Tint)^1/2，其中，SNR为信噪比，Tint为有效积分时间。在相同帧周期的条件下，有效积分时间Tint越长，信噪比SNR越高，红外焦平面探测器的探测率越高。上述几种数字像素ADC读出电路需要较长的数字信号传输处理时间，导致在一个帧周期内有效积分时间减少，从而导致使用该类型像素ADC读出电路的高性能制冷红外探测器无法让积分时间接近或达到帧周期，限制了其探测率的进一步提高。

综上，现有技术无法满足第三代高性能制冷红外焦平面探测器的高电荷存储量和高帧频要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种像素级ADC数字读出电路及红外探测器。

本发明提供的一种像素级模数转换数字读出电路，包括：依次连接的电荷包积分及复位电路（2），比较器（3），计数器（4）和静态随机存取存储器（5）。

进一步，

所述电荷包积分及复位电路（2）包括参考电荷包产生模块，第一开关管（M1）和积分电容（C_int），

其中，

所述第一开关管（M1）的第一电极连接红外探测器像元（1）的输出端，所述第一开关管（M1）的第二电极连接所述积分电容（C_int）的第一端，参考电荷包产生模块的第一端和比较器（3）的输入端；

所述积分电容（C_int）的第二端接地。

进一步，

所述参考电荷包产生模块的第二端连接所述比较器（3）的输出端；

所述比较器（3）的输出端还连接所述计数器（4）的输入端；

所述计数器（4）的输出端连接所述静态随机存取存储器（5）的输入端。

进一步，

所述静态随机存取存储器（5）的读出端通过开关连接至列级数字总线（6）。

进一步，

所述参考电荷包产生模块包括开关电容（C_cup），第二开关管（M2），第三开关管（M3），第四开关管（M4）及逻辑电路（LOGIC），

其中，

所述第二开关管（M2）的第一电极连接所述开关电容（C_cup）的第一端并连接芯片复位电压，所述第二开关管（M2）的第二电极连接所述开关电容（C_cup）的第二端和第三开关管（M3）的第一电极；

所述第三开关管（M3）的第二电极连接所述第四开关管（M4）的第一电极，所述第四开关管（M4）的第二电极作为所述参考电荷包产生模块的第一端连接所述积分电容（C_int）；

所述第二开关管（M2）的第三电极连接所述逻辑电路（LOGIC）的第一输出端；

所述第三开关管（M3）的第三电极连接所述逻辑电路（LOGIC）的第二输出端；

所述逻辑电路（LOGIC）的输入端作为参考电荷包产生模块的第二端。

进一步，

所述逻辑电路（LOGIC）的输入端连接所述比较器（3）。

进一步，

所述逻辑电路（LOGIC）为一个不交叠时钟信号产生电路。

进一步，

所述第一开关管（M1）为N型金属氧化物半导体晶体管，第一电极为源极，第二电极为漏极。

进一步，

所述第二开关管（M2）为N型金属氧化物半导体晶体管，第一电极为源极，第二电极为漏极；

所述第三开关管（M3）为N型金属氧化物半导体晶体管，第一电极为源极，第二电极为漏极；

所述第四开关管（M4）为N型金属氧化物半导体晶体管，第一电极为源极，第二电极为漏极。

本发明还提供一种红外探测器，采用了上述的像素级模数转换数字读出电路，作为像素输入级单元阵列中的像素输入单元电路。

本发明提供的像素级ADC数字读出电路，可使得高性能制冷红外探测器能够以快照（Snapshot）模式和IWR积分模式进行工作，保证了该型高性能制冷红外探测器的有效积分时间可以接近帧周期，从而保证了其大积分电荷量和高帧频特性。

采用本发明可以把现有红外探测器的SNR提高一个数量级，从而将现有红外探测器的温度灵敏度（NETD）提高一个数量级，满足了第三代高性能制冷红外探测器的灵敏度要求，并且可以使其在高帧频条件下得到广泛应用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的像素级ADC数字读出电路结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的像素级ADC数字读出电路中参考电荷包产生模块结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的像素级ADC数字读出电路及红外探测器工作波形示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

图1所示为本发明提供的像素级ADC数字读出电路结构示意图。参见图1，本发明提供的像素级ADC数字读出电路包括电荷包积分及复位电路2，比较器3，计数器4和静态随机存取存储器（SRAM）5，电荷包积分及复位电路2向外连接有红外探测器像元1，SRAM5向外连接有列级数字总线6。

红外探测器像元1包括P-on-N型结构的红外焦平面探测器Det_PonN及/或N-on-P型结构的红外焦平面探测器Det_NonP，若红外探测器像元1同时包括Det_PonN及Det_NonP，则Det_PonN及Det_NonP为反并联。红外探测器像元1的输出端连接电荷包积分及复位电路2。红外探测器像元1的输出端为Det_PonN的正极或Det_NonP的负极。

电荷包积分及复位电路2包括参考电荷包产生模块，第一开关管M1，和积分电容C_int。其中，第一开关管M1为N型金属氧化物半导体晶体管（NMOS管），第一开关管M1的源级连接红外探测器像元1的输出端，第一开关管M1的漏级连接积分电容C_int的第一端，第一开关管M1的栅级连接偏置电压Gpol以使得探测器保持在合理的反偏状态。参考电荷包产生模块的输出端连接比较器3的输入端；积分电容C_int的第二端接地；参考电荷包产生模块的输入端连接比较器3的输出端。比较器3的输出端还连接计数器4的输入端。计数器4的输出端连接SRAM 5的输入端，SRAM 5的读出端通过开关连接至列级数字总线6。图1中，Charge Reset是指用电荷包对积分电容C_int进行复位。

图2为所述参考电荷包产生模块的结构示意图。所述参考电荷包产生模块包括开关电容C_cup，第二开关管M2，第三开关管M3，第四开关管M4，及逻辑电路LOGIC，所述逻辑电路LOGIC为一个不交叠时钟信号产生电路。第二开关管M2的第一电极连接开关电容C_cup的第一端并连接芯片复位电压，第二开关管M2的第二电极连接开关电容C_cup的第二端和第三开关管M3的第一电极，第三开关管M3的第二电极连接第四开关管M4的第一电极，第四开关管M4的第二电极作为参考电荷包产生模块的第一端连接积分电容C_int，第二开关管M2的第三电极连接逻辑电路LOGIC的第一输出端，第三开关管M3的第三电极连接逻辑电路LOGIC的第二输出端，逻辑电路LOGIC的输入端作为参考电荷包产生模块的第二端连接比较器3。

上述第二开关管M2，第三开关管M3，第四开关管M4均为NMOS管，第二开关管M2，第三开关管M3，第四开关管M4的第一电极均为源极，第二电极均为漏极。

逻辑电路LOGIC的输入端接收由比较器3产生的复位信号Reset后，产生两项不交叠时钟信号Φ1和Φ2，时钟信号Φ1由逻辑电路LOGIC的第一输出端输出至第二开关管M2的第三电极，时钟信号Φ2由逻辑电路LOGIC的第二输出端输出至第三开关管M3的第三电极，从而可控制开关电容C_cup充电及放电，这样可以避免将积分电容C_int直接复位到电源电压VDD，因此避免了高功耗。

当时钟信号Φ1为低电平时，开关电容C_cup被充电至V_rst，产生参考电荷Q_ref。当需要向积分电容C_int转移参考电荷Q_ref时，时钟信号Φ2也变为低电平，于是开关电容C_cup上的参考电荷Q_ref被转移到积分电容C_int上。从开关电容C_cup转移到积分电容C_int上的电荷数如公式（1）所示：

(1)

每次转移的电荷量为Q_ref。其中，V_int为电荷包复位后积分电容C_int上的电压。Q_ref的最佳取值为扣减后积分电容C_int上的电压值V_int接近于比较器3的参考电压Vmax，这样可以得到最小的最低有效位（LSB），以使数字红外探测器得到最低的NETD。比较器3产生的复位信号Reset需要维持固定脉冲宽度，以解决比较器3延时造成有效LSB差异导致的非线性问题。

本发明提供的像素级ADC数字读出电路是在有限像素面积（≤30µm×30µm，如25µm×25µm）内采用电荷包复位计数及集成SRAM的技术方案，通过采用电荷包积分及复位电路2（即电荷包型积分器）、比较器3和计数器4以实现模拟电流信号到N bit数字信号的转换，其中，采用N位SRAM 5存储单元记录计数器的N bit数字信号；电荷包积分及复位电路2的输入级采用直接注入方式对探测器光敏电流进行积分。

本发明还提供一种红外探测器，所述红外探测器采用了上述本发明提供的像素级ADC数字读出电路，作为像素输入级单元阵列中的像素输入单元电路。所述红外探测器优选为第三代高性能制冷红外焦平面探测器。本发明提供的红外探测器可为P-on-N或N-on-P型结构的红外焦平面探测器。

图3为本发明提供的像素级ADC数字读出电路及红外探测器工作波形示意图。图3中，FS信号的每一帧信号均是所述像素级ADC数字读出电路的积分起始信号，每一帧信号一直到积分结束才变为低电平，每一帧信号的高电平宽度即为有效积分时间，由用户自行定义，宽度是时钟周期（红外探测器工作时采用的基本时钟信号的周期，红外探测器工作时的控制信号通过对基本时钟信号的调制产生）的整数倍；Write信号是所述像素级ADC数字读出电路的SRAM写信号，高电平宽度为一个时钟周期，Read是所述像素级ADC数字读出电路的SRAM读信号，高电平宽度为一个时钟周期。参见图3，本发明提供的像素级ADC数字读出电路及红外探测器的工作原理是：每个红外探测器像元的光-数转换过程分为两个阶段。第一阶段为计数过程，红外探测器通过其数字时序控制模块的安全数字（SD）端口输入帧同步信号FS，当第i（i为正整数）帧同步信号FS开始时，红外探测器像元1（Det_PonN或Det_NonP）产生的光电流通过第一开关管M1注入电荷包积分及复位电路2的积分电容C_int上，当积分电压Vcap达到比较器3设定的最大电压Vmax时，比较器3将输出一个脉冲，使计数器4计数一次；同时该脉冲作为复位信号Reset将触发逻辑电路LOGIC使其产生两个非交叠时钟信号Φ1和Φ2。当时钟信号Φ1为低电平时，第二开关管M2打开，开关电容C_cup两端被复位至V_rst，然后时钟信号Φ1变为高电平，第二开关管M2被关断，产生参考电荷Q_ref。当时钟信号Φ2变为低电平时，第三开关管M3被打开，开关电容C_cup上的参考电荷Q_ref通过第四开关管M4被转移到积分电容C_int上；然后开始下一次新的积分。其中，所述比较器3每次输出的脉冲控制电荷包积分电路的复位和计数器的进位，完成1次模/数转换。

在红外探测器像元中不断重复N次上述过程，计数器4将记录下所有的复位次数（产生N bit计数信号），通过n=2^N个时钟周期，即通过2^N次上述模数转换，将红外探测器像元的光电流转换为数字信号，即把红外探测器的各个像素对应的光电流转换成相应的数字信号，分别存储至像素单元（即红外探测器像元1）内的N bit计数器4。第二阶段为ADC数字信号存储及传输阶段，在第i帧同步信号FS结束时，在外部控制信号Write作用下，把第一阶段产生的N bit计数信号“写”入N位SRAM 5中。然后在第i+1帧同步信号FS到来时，开始对红外探测器像元1的第i+1帧光电流信号进行数字积分和ADC转换，同时在外部控制信号Read作用下，把第i帧转换的N bit数字信号通过列级数字总线6并行传输到红外探测器的数字多路传输器中，然后通过数字多路传输器将第i帧的数字信号DOUT输出至读出电路片外。

综上，所述红外探测器的工作过程分为两步：第一步为Snapshot模式下的光-数转换过程，第二步为IWR模式下的数字信号传输过程。所述红外探测器经过上述像素级模数（A/D）转换及存储，把一帧的红外探测器吸收的光信号转化为N bit数字信号，并实现Snapshot积分和IWR传输功能。

通过实际应用可证明：本发明提供的一种像素级ADC数字读出电路及红外探测器，通过在有限像素面积（如25µm×25µm）内采用电荷包复位计数技术方案，把红外探测器的每个像素的光电流信号转换成N bit的数字输出；结合N bit的SRAM存储器的使用，实现了像素级ADC数字读出电路及红外探测器的Snapshot工作模式和IWR积分模式。所述像素级ADC数字读出电路适应性好，可以适应PonN或NonP型红外探测器，同时具有精度高、结构简单、功耗低、边积分边读出等优点，非常适合大动态范围、高帧频条件下使用。

测试结果表明：本发明提供的红外探测器的积分电荷量达到1G

以上，动态范围（DR）达到96bit，帧频达到480Hz，NETD～1mK量级需求，满足了第三代高性能制冷红外探测器的积分电荷量和高帧频要求。

通过采用本发明提供的电荷包复位计数像素ADC数字读出电路和红外探测器，可使得高性能制冷红外探测器能够以Snapshot模式和IWR积分模式进行工作，保证了该型高性能制冷红外探测器的有效积分时间可以接近探测器积分一帧的周期（即探测器的帧周期），从而保证了其大积分电荷量和高帧频特性。因此，采用本发明可以把现有红外探测器的SNR提高一个数量级，从而将现有红外探测器的NETD提高一个数量级，满足了第三代高性能制冷红外探测器的灵敏度要求，并且可以使其在高帧频条件下得到广泛应用。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种像素级模数转换数字读出电路，其特征在于，包括：依次连接的电荷包积分及复位电路（2），比较器（3），计数器（4）和静态随机存取存储器（5），

其中，

所述积分电容（C_int）的第二端接地；

其中，

所述逻辑电路（LOGIC）的输入端作为参考电荷包产生模块的第二端；

所述逻辑电路（LOGIC）的输入端连接所述比较器（3）；

所述逻辑电路（LOGIC）为一个不交叠时钟信号产生电路，

所述逻辑电路（LOGIC）用于在其输入端接收由所述比较器（3）产生的复位信号（Reset）后，产生两项不交叠时钟信号（Φ1）和（Φ2），所述时钟信号（Φ1）由所述逻辑电路（LOGIC）的第一输出端输出至所述第二开关管（M2）的第三电极，所述时钟信号（Φ2）由所述逻辑电路（LOGIC）的第二输出端输出至所述第三开关管（M3）的第三电极，以控制所述开关电容（C_cup）充电及放电，当所述时钟信号（Φ1）为低电平时，所述开关电容（C_cup）被充电，产生参考电荷Q_ref，当时钟信号Φ2也变为低电平时，所述参考电荷Q_ref被转移到所述积分电容（C_int）上。

2.根据权利要求1所述的一种像素级模数转换数字读出电路，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种像素级模数转换数字读出电路，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种像素级模数转换数字读出电路，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的一种像素级模数转换数字读出电路，其特征在于，

6.一种红外探测器，其特征在于，采用了权利要求1-5任一项所述的像素级模数转换数字读出电路，作为像素输入级单元阵列中的像素输入单元电路。