CN117537928A - 红外焦平面读出电路及红外成像探测器 - Google Patents

红外焦平面读出电路及红外成像探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN117537928A
CN117537928A CN202311404967.1A CN202311404967A CN117537928A CN 117537928 A CN117537928 A CN 117537928A CN 202311404967 A CN202311404967 A CN 202311404967A CN 117537928 A CN117537928 A CN 117537928A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
voltage
current
temperature
temperature compensation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311404967.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Huagan Technology Co ltd
Original Assignee
Zhejiang Huagan Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Huagan Technology Co ltd filed Critical Zhejiang Huagan Technology Co ltd
Priority to CN202311404967.1A priority Critical patent/CN117537928A/zh
Publication of CN117537928A publication Critical patent/CN117537928A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J5/22—Electrical features thereof
    • G01J5/24—Use of specially adapted circuits, e.g. bridge circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本申请涉及一种红外焦平面读出电路及红外成像探测器，该电路包括依次连接的偏置电路、温度补偿电路、积分电路，所述偏置电路包括辐射接收电阻；所述偏置电路用于生成第一电流和第二电流，所述第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等；所述温度补偿电路用于在接收红外辐射的情况下，基于所述第一电流与所述第二电流的差值，生成温度补偿电压，所述温度补偿电压基于所述辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定；所述积分电路用于基于所述温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对所述温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压，解决了红外探测读出电路中MOS管参数随温度变化导致的读出结果准确性较低的问题。

Description

红外焦平面读出电路及红外成像探测器
技术领域
本申请涉及红外成像技术领域，特别是涉及一种红外焦平面读出电路及红外成像探测器。
背景技术
非制冷红外成像探测器因其体积小、价格低、功耗低等优势，在红外热成像技术中占据了重要地位。早期的非制冷红外成像探测器通过热电制冷器(thermoelectriccooler，TEC)固定焦平面读出电路温度，来保证成像质量，随着技术的发展，为进一步减小体积和功耗，以及适应陶瓷和晶圆级封装，无TEC的红外焦平面读出电路显得十分需要。
现有的无TEC读出电路多采用浮动积分运放输入电压或忽略MOS管阈值电压温度系数的结构，虽可实现无TEC应用，但由于MOS管参数随温度产生变化，导致读出结果准确性较低，影响了红外成像的图像质量。
发明内容
在本实施例中提供了一种红外焦平面读出电路及红外成像探测器，以解决相关技术中存在的MOS管参数随温度变化导致的读出结果准确性较低的问题。
第一个方面，在本实施例中提供了一种红外焦平面读出电路，包括依次连接的偏置电路、温度补偿电路、积分电路，所述偏置电路包括辐射接收电阻；
所述偏置电路用于生成第一电流和第二电流，所述第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等；
所述温度补偿电路用于在接收红外辐射的情况下，基于所述第一电流与所述第二电流的差值，生成温度补偿电压，所述温度补偿电压基于所述辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定；
所述积分电路用于基于所述温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对所述温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压。
在其中的一些实施例中，所述温度补偿电路包括与所述偏置电路连接的电压转换电路和源跟随电路，所述源跟随电路还与所述积分电路连接；
所述电压转换电路用于将所述第一电流与所述第二电流的差值转换为差值电压；
所述源跟随电路用于基于所述差值电压获取所述温度补偿电压。
在其中的一些实施例中，所述电压转换电路包括温度补偿MOS管，所述源跟随电路包括源跟随MOS管，所述源跟随MOS管的阈值电压与所述温度补偿MOS管的阈值电压随温度变化的电压值相等。
在其中的一些实施例中，所述电压转换电路还包括温度补偿热敏电阻，所述温度补偿热敏电阻的阻值基于衬底温度确定，且所述温度补偿热敏电阻的温度系数与所述辐射接收电阻的温度系数相同；
所述温度补偿热敏电阻的一端连接所述温度补偿MOS管的源极，所述温度补偿MOS管的漏极接地，所述温度补偿MOS管的栅极连接补偿偏置电压；所述温度补偿热敏电阻的另一端连接所述偏置电路和所述源跟随电路。
在其中的一些实施例中，所述源跟随电路还包括电流源偏置MOS管，所述电流源偏置MOS管的源极接地，所述电流源偏置MOS管的漏极连接所述源跟随MOS管的源极和所述积分电路；所述源跟随MOS管的栅极连接所述偏置电路和所述电压转换电路，所述源跟随MOS管的漏极连接电源端。
在其中的一些实施例中，所述积分电路包括比例电阻、积分运算放大器，所述积分运算放大器的同相输入端连接参考电压输入端，所述积分运算放大器的反相输入端连接所述比例电阻的一端，所述比例电阻的另一端连接所述温度补偿电压输出端；
所述温度补偿电流基于所述温度补偿电压、参考电压和所述比例电阻的阻值确定。
在其中的一些实施例中，所述积分电路还包括并联连接的积分电容和积分复位开关，所述积分电容的一端连接所述积分运算放大器的反相输入端，所述积分电容的另一端连接所述积分运算放大器的输出端；
所述积分运算放大器和所述积分电容用于对所述温度补偿电流进行积分；所述积分复位开关用于控制积分时间；
所述温升电压基于所述温度补偿电流、参考电压、积分时间和积分电容的容值确定。
在其中的一些实施例中，所述积分电路还包括采样保持电容和采样保持开关，
所述采样保持开关的一端连接所述积分运算放大器的输出端，所述采样保持开关的另一端连接所述温升电压的输出端和所述采样保持电容的一端，所述采样保持电容的另一端接地。
在其中的一些实施例中，所述偏置电路还包括盲元热敏电阻，所述盲元热敏电阻的阻值基于衬底温度确定，且所述盲元热敏电阻的温度系数与所述辐射接收电阻的温度系数相同；
基于所述盲元热敏电阻的两端电压差，以及所述盲元热敏电阻的阻值，确定所述第一电流；
基于所述辐射接收电阻的两端电压差，以及所述辐射接收电阻的阻值，确定所述第二电流，所述辐射接收电阻的阻值基于衬底温度和所述辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定。
第二个方面，在本实施例中提供了一种红外成像探测器，所述红外成像探测器包括如第一个方面所述的红外焦平面读出电路。
与相关技术相比，在本实施例中提供的红外焦平面读出电路，通过偏置电路生成第一电流和第二电流，该第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等，为红外辐射的温升电流计算提供参考基准；通过温度补偿电路在接收红外辐射的情况下，基于第一电流与第二电流的差值生成温度补偿电压，该温度补偿电压基于辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定，获得与红外辐射温升相关但与衬底温度无关的电压信号；通过积分电路基于该温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压，获得与红外辐射温升对应的读出结果，该读出结果与红外辐射温升相关而与衬底温度以及电路中的器件参数无关，提高了读出结果的准确性和红外成像的图像质量。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请一些实施例的红外焦平面读出电路的结构示意图；
图2是本申请一些实施例的温度补偿电路与偏置电路、积分电路的连接示意图；
图3是本申请一些实施例的电压转换电路的电路连接图；
图4是本申请一些实施例的源跟随电路的电路连接图；
图5是本申请一些实施例的偏置电路的电路连接图；
图6是本申请一些实施例的积分电路的电路连接图；
图7是本申请另一些实施例的积分电路的电路连接图；
图8是本申请一些实施例的具有采样保持功能的积分电路的电路连接图；
图9是本申请一些优选实施例的红外焦平面读出电路的电路连接图。
具体实施方式
为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本申请中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块(单元)。在本申请中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本申请中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本申请中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。
在本实施例中提供了一种红外焦平面读出电路，图1是本申请一些实施例的红外焦平面读出电路的结构示意图，如图1所示，该红外焦平面读出电路包括依次连接的偏置电路12、温度补偿电路14、积分电路16，其中偏置电路12包括辐射接收电阻。
偏置电路12用于生成第一电流和第二电流，第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等；温度补偿电路14用于在接收红外辐射的情况下，基于第一电流与第二电流的差值Iab，生成温度补偿电压VB，温度补偿电压VB基于辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升ΔT确定；积分电路16用于基于温度补偿电压VB生成对应的温度补偿电流，并对温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压Vout。
红外焦平面阵列通常包括红外探测器阵列和读出电路两部分。红外探测器阵列包括微测辐射热计焦平面阵列。微测辐射热计焦平面阵列通过热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，引起自身电阻值的变化，该变化可以是变大或变小，继而引起电路中电压或电流信号的变化，通过测量电压或电流信号的变化即可探测红外辐射量的大小。
微测辐射热计通常采用悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数的热敏材料，本实施例中该热敏材料为敏感元热敏电阻。桥面由具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电连接到微测辐射热计下的读出电路上。通过桥腿和桥墩，该敏感元热敏电阻连接到读出电路的电学通道中，形成一个与衬底热隔离、对红外辐射温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。读出电路则探测该像素单元的阻值变化，并将该阻值变化转换为电信号并进行信号处理和信号读取。
本实施例中的辐射接收电阻是指敏感元热敏电阻。偏置电路12通过预先确定的电压值和电阻值，生成第一电流和第二电流，在辐射接收电阻未接收红外辐射的情况下，该第一电流和第二电流大小相等。此时温度补偿电路14和积分电路16未启动工作。
在辐射接收电阻接收红外辐射的情况下，其阻值发生变化，导致偏置电路12中的第一电流或第二电流发生变化，此时第一电流和第二电流大小不相等；温度补偿电路14根据第一电流与第二电流的差值Iab，生成温度补偿电压VB，需要说明的是，该温度补偿电压VB基于辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升ΔT确定，而与衬底温度以及电路中随衬底温度变化的器件参数无关。积分电路16根据温度补偿电压VB，生成对应的温度补偿电流，并对温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压Vout。温升电压Vout反映了红外辐射量的大小，其值同样由温升ΔT确定，而与衬底温度以及电路中随衬底温度变化的器件参数无关。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过偏置电路生成第一电流和第二电流，该第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等，为红外辐射的温升电流计算提供参考基准；通过温度补偿电路在接收红外辐射的情况下，基于第一电流与第二电流的差值生成温度补偿电压，该温度补偿电压基于辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定，获得与红外辐射温升相关但与衬底温度无关的电压信号；通过积分电路基于该温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压，获得与红外辐射温升对应的读出结果，该读出结果与红外辐射温升相关而与衬底温度以及电路中的器件参数无关，提高了读出结果的准确性和红外成像的图像质量。
在一些实施例中，图2是本申请一些实施例的温度补偿电路与偏置电路、积分电路的连接示意图，如图2所示，温度补偿电路14包括与偏置电路12连接的电压转换电路142和源跟随电路141，源跟随电路141还与积分电路16连接；电压转换电路142用于将第一电流与第二电流的差值Iab转换为差值电压；源跟随电路141用于基于差值电压获取温度补偿电压VB。
在辐射接收电阻接收红外辐射的情况下，其阻值发生变化，导致偏置电路12中的第一电流或第二电流发生变化，此时第一电流和第二电流大小不相等；电压转换电路142获取第一电流和第二电流的差值Iab并转换为差值电压。由于偏置电路12和电压转换电路142中均包含受衬底温度影响导致参数变化的器件，因此差值电压的值也会受到衬底温度影响，在不同的衬底温度下存在差异。源跟随电路141将该差值电压进行处理，将差值电压中受到衬底温度影响的器件参数消除，获得不受衬底温度影响的温度补偿电压VB，使温度补偿电压VB的值与红外辐射时产生的温升ΔT相关，而与衬底温度无关。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过电压转换电路将第一电流与第二电流的差值转换为差值电压，获得受红外辐射影响导致电流变化所对应的电压信号；通过源跟随电路基于差值电压获取温度补偿电压，将电压信号中受到衬底温度影响的器件参数消除，使温度补偿电压的值与红外辐射时产生的温升相关，而与衬底温度无关，避免衬底温度的变化对电路中各元器件的器件参数的影响，进而避免了红外辐射对应的电信号读出结果受衬底温度变化的影响，提高了读出结果的准确性。
在一些实施例中，电压转换电路包括温度补偿MOS管，源跟随电路包括源跟随MOS管，源跟随MOS管的阈值电压与温度补偿MOS管的阈值电压随温度变化的电压值相等。
根据电压转换电路和源跟随电路的拓扑设计，温度补偿电压VB可以与差值电压、温度补偿MOS管的阈值电压、源跟随MOS管的阈值电压相关，且温度补偿电压VB可以基于温度补偿MOS管的阈值电压和源跟随MOS管的阈值电压的差值获取。因此，当源跟随MOS管的阈值电压与温度补偿MOS管的阈值电压随温度变化的电压值相等时，两者可以相互抵消，消除阈值电压随温度变化而变化导致的温度补偿电压VB的误差。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过设置源跟随MOS管的阈值电压与温度补偿MOS管的阈值电压随温度变化的电压值相等，消除阈值电压随温度变化而变化导致的温度补偿电压VB的误差，避免了衬底温度的变化对电路中MOS管的阈值电压的影响，进而避免了红外辐射对应的电信号读出结果受衬底温度变化的影响，提高了读出结果的准确性。
在一些实施例中，图3是本申请一些实施例的电压转换电路的电路连接图，如图3所示，电压转换电路142还包括温度补偿热敏电阻Rb2，温度补偿热敏电阻Rb2的阻值基于衬底温度确定，且温度补偿热敏电阻Rb2的温度系数与辐射接收电阻的温度系数相同。
温度补偿热敏电阻Rb2的一端连接温度补偿MOS管M4的源极，温度补偿MOS管M4的漏极接地，温度补偿MOS管M4的栅极连接补偿偏置电压Vrd；温度补偿热敏电阻Rb2的另一端连接偏置电路12和源跟随电路141。
温度补偿热敏电阻Rb2的温度系数为α，与辐射接收电阻的温度系数相同，常温下典型值为-0.02。其温度与衬底温度相同，阻值基于衬底温度确定。温度补偿MOS管M4为温度补偿热敏电阻Rb2的偏置MOS管，补偿偏置电压Vrd为温度补偿热敏电阻Rb2的偏置电压。根据该电路连接可知，当第一电流与第二电流的差值Iab输入时，电压转换电路142将Iab转换为对应的差值电压。差值电压可以为图3中的C点电压VC。C点电压VC可以用下式表示：
VC＝Vrd+VTHM4(Tsub)+Iab×Rb2(Tsub) 式1
其中，VC为C点与地之间的电压，Vrd为温度补偿MOS管M4的栅极电压，VTHM4(Tsub)为温度补偿MOS管M4在衬底温度为Tsub时的阈值电压，Iab为第一电流与第二电流的差值，Rb2(Tsub)为温度补偿热敏电阻Rb2在衬底温度为Tsub时的阻值。
从上式可以看出，差值电压VC会受到衬底温度Tsub的影响。当衬底温度发生变化时，差值电压VC的值随之变化，带来数据误差。为消除衬底温度Tsub的影响，可通过源跟随电路将差值电压VC转换为温度补偿电压VB。
在一些实施例中，图4是本申请一些实施例的源跟随电路的电路连接图，如图4所示，源跟随电路141还包括电流源偏置MOS管M5，电流源偏置MOS管M5的源极接地，电流源偏置MOS管M5的漏极连接源跟随MOS管M3的源极和积分电路；源跟随MOS管M3的栅极连接偏置电路和电压转换电路，源跟随MOS管M3的漏极连接电源端VDD。
电流源偏置MOS管M5的栅极连接偏置电压Vbias。源跟随电路141的输出电压为温度补偿电压VB，输入电压为差值电压VC，在输入电压大于源跟随MOS管M3的阈值电压的情况下，源跟随MOS管M3导通并进入饱和区，输出电压VB随输入电压VC变化。温度补偿电压VB即电路中B点与地之间的电压，可用下式表示：
VB＝VC-VTHM3(Tsub) 式2
其中，VTHM3(Tsub)为源跟随MOS管M3在衬底温度为Tsub时的阈值电压。
将式1代入式2可得：
VB＝Vrd+VTHM4(Tsub)+Iab×Rb2(Tsub)-VTHM3(Tsub)
在源跟随MOS管的阈值电压VTHM3(Tsub)与温度补偿MOS管的阈值电压VTHM4(Tsub)随温度变化的电压值相等的情况下，两者可以互相抵消，得到：
VB＝Vrd+Iab×Rb2(Tsub) 式3
使温度补偿电压VB消除了MOS管的阈值电压随温度变化导致的误差。
在一些实施例中，图5是本申请一些实施例的偏置电路的电路连接图，如图5所示，偏置电路12还包括盲元热敏电阻Rb1，盲元热敏电阻Rb1的阻值基于衬底温度确定，且盲元热敏电阻Rb1的温度系数与辐射接收电阻Ra的温度系数相同。
基于盲元热敏电阻Rb1的两端电压差，以及盲元热敏电阻Rb1的阻值，确定第一电流Ib；基于辐射接收电阻Ra的两端电压差，以及辐射接收电阻Ra的阻值，确定第二电流Ia，辐射接收电阻Ra的阻值基于衬底温度和辐射接收电阻Ra接收红外辐射时产生的温升ΔT确定。
辐射接收电阻Ra是与衬底热隔离的电阻型测辐射热计，可接受外界的红外辐射，辐射接收电阻Ra的阻值随接收的红外辐射量变化，其温度等于衬底温度Tsub加外界红外辐射产生的温升ΔT，温升ΔT的大小与衬底温度无关，与接收的红外辐射量有关；盲元热敏电阻Rb1的温度与衬底温度Tsub相同，阻值基于衬底温度Tsub确定。盲元热敏电阻Rb1的温度系数与辐射接收电阻Ra的温度系数相同，与温度补偿热敏电阻Rb2的温度系数也相同，均为α，常温下典型值为-0.02。
根据图5所示，偏置电路12还包括偏置MOS管M1、偏置MOS管M2、偏置运算放大器opamp1、偏置运算放大器opamp2。盲元热敏电阻Rb1的一端连接第一偏置电压Vsk，盲元热敏电阻Rb1的另一端连接偏置MOS管M1的源极和偏置运算放大器opamp1的反相输入端；偏置MOS管M1的漏极连接偏置MOS管M2的漏极和温度补偿电路14；偏置MOS管M1的栅极连接偏置运算放大器opamp1的输出端；偏置运算放大器opamp1的同相输入端连接第二偏置电压Veb。
辐射接收电阻Ra的一端接地，辐射接收电阻Ra的另一端连接偏置MOS管M2的源极和偏置运算放大器opamp2的反相输入端；偏置MOS管M2的栅极连接偏置运算放大器opamp2的输出端；偏置运算放大器opamp2的同相输入端连接第三偏置电压Vfid。
由图5可以看出，盲元热敏电阻Rb1、偏置MOS管M1与偏置运算放大器opamp1构成的电路拓扑可看作一个电流源，当盲元热敏电阻Rb1的阻值由于衬底温度的变化而改变时，导致的电压变化反馈到偏置运算放大器opamp1的反相输入端，反相输入端与同相输入端的差值被放大输出，通过控制偏置MOS管M1的栅极电流改变偏置MOS管M1的工作状态，达到保持第一电流Ib恒定的目的。类似地，辐射接收电阻Ra、偏置MOS管M2与偏置运算放大器opamp2构成的电路拓扑也可看作一个电流源，输出第二电流Ia。
通过对各偏置电压和盲元热敏电阻Rb1、辐射接收电阻Ra的阻值设置，可以在未接收红外辐射的情况下，使第一电流与第二电流相等，即
其中，Rb1(Tsub)为盲元热敏电阻Rb1在衬底温度为Tsub时的阻值；Ra(Tsub)为辐射接收电阻Ra在衬底温度为Tsub时的阻值。
当辐射接收电阻Ra接收红外辐射的情况下，阻值变为Ra(Tsub+ΔT)，导致第一电流Ib与第二电流Ia不相等。此时第一电流Ib与第二电流Ia的差值Iab在温度补偿电路中生成温度补偿电压VB。温度补偿电压VB可用下式表示：
其中，VTHM3(Tsub)为源跟随MOS管M3在衬底温度为Tsub时的阈值电压，VTHM4(Tsub)为温度补偿MOS管M4在衬底温度为Tsub时的阈值电压。由于两者随温度变化的电压值相等可以相互抵消，并结合式4，得到：
常温300K温度下，α的典型值为-0.02，ΔT的变化量典型值为目标物温度变化的1％，式6可进一步简化为：
可以看出，温度补偿电压VB的值与衬底温度无关。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过盲元热敏电阻的两端电压差和盲元热敏电阻的阻值，确定第一电流，通过辐射接收电阻的两端电压差和辐射接收电阻的阻值，确定第二电流，使两者在未接收红外辐射的情况下大小相等，无需启动温度补偿；在接收红外辐射的情况下，基于辐射接收电阻的阻值变化导致的第二电流的变化，获得与衬底温度无关的温度补偿电压，避免了衬底温度的变化对辐射接收电阻的阻值的影响和对MOS管阈值电压参数的影响，获得与红外辐射温升对应的电压信号，提高了读出结果的准确性和红外成像的图像质量。
在一些实施例中，图6是本申请一些实施例的积分电路的电路连接图，如图6所示，积分电路16包括比例电阻Rc、积分运算放大器opamp3，积分运算放大器opamp3的同相输入端连接参考电压Vref输入端，积分运算放大器opamp3的反相输入端连接比例电阻Rc的一端，比例电阻Rc的另一端连接温度补偿电压VB输出端；温度补偿电流基于温度补偿电压VB、参考电压Vref和比例电阻Rc的阻值确定。
温度补偿电流是指流经比例电阻Rc的电流。根据运算放大器的特性可知，温度补偿电流可用下式计算：
Ic＝(VB—Vref)/Rc
本实施例的红外焦平面读出电路，通过采用参考电压作为积分运算放大器的输入电压，保证了积分输出范围和积分的稳定性。
在进一步的实施例中，图7是本申请另一些实施例的积分电路的电路连接图，如图7所示，积分电路16还包括并联连接的积分电容Cint和积分复位开关S1，积分电容Cint的一端连接积分运算放大器opamp3的反相输入端，积分电容Cint的另一端连接积分运算放大器opamp3的输出端；积分运算放大器opamp3和积分电容Cint用于对温度补偿电流进行积分；积分复位开关S1用于控制积分时间；温升电压基于温度补偿电流、参考电压Vref、积分时间和积分电容Cint的容值确定。
利用积分运算放大器opamp3的特性，即输出信号的大小与输入电流的积分成正比，将温度补偿电压VB对应的电荷对积分电容Cint充电，充电电荷的大小与红外辐射量带来的温升对应。温升电压Vout可根据下式确定：
其中，Vref为参考电压，VB为温度补偿电压，Rc为比例电阻，tint为积分时间，Cint为积分电容。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过积分电容与积分运算放大器的连接对温度补偿电流进行积分，基于积分电容的容值进一步确定了温升电压的输出范围，并通过积分复位开关对积分时间进行控制，获取了红外辐射温升对应的电压信号输出，将红外辐射信号转换为对应的电压信号。
进一步地，在一些实施例中，图8是本申请一些实施例的具有采样保持功能的积分电路的电路连接图，如图8所示，积分电路16还包括采样保持电容Csh和采样保持开关S2，采样保持开关S2的一端连接积分运算放大器opamp3的输出端，采样保持开关S2的另一端连接温升电压Vout的输出端和采样保持电容Csh的一端，采样保持电容Csh的另一端接地。
采样保持电容Csh从输入信号中提取样本并将它们保持特定时间段，然后输出输入信号的采样部分。输入的电压信号可以是连续变化的模拟信号。当采样保持开关S2闭合时，电压信号被采样，并将采样的电压信号输出；当采样保持开关S2断开时，保持采样信号的最后一个电压输出。采样保持开关S2的闭合和断开状态可以由指令输入控制。
本实施例的红外焦平面读出电路，通过采样保持电容和采样保持开关对温升电压进行采样，以获取在保持时间段内不变的温升电压信号，便于后续的模数转换处理。
下面通过优选实施例对本实施例进行描述和说明。图9是本申请一些优选实施例的红外焦平面读出电路的电路连接图，如图9所示，该红外焦平面读出电路包括依次连接的偏置电路12、温度补偿电路14、积分电路16，各电路中各元器件的类型、用途以及元器件之间的拓扑连接关系在前述实施例中均已说明，此处不再赘述。最终获取的温升电压Vout可根据式8确定。
本优选实施例的红外焦平面读出电路，通过偏置电路生成第一电流和第二电流，使第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等，为红外辐射的温升电流计算提供参考基准；在接收红外辐射的情况下，基于辐射接收电阻的阻值变化导致的第二电流的变化，通过温度补偿电路基于第一电流与第二电流的差值生成温度补偿电压，获得与红外辐射温升对应的电压信号，避免了衬底温度的变化对辐射接收电阻的阻值的影响和对MOS管阈值电压参数的影响；通过积分电路基于该温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压，通过采用参考电压作为积分运算放大器的输入电压，保证了积分输出范围和积分的稳定性；基于积分电容的容值进一步确定了温升电压的输出范围，并通过积分复位开关对积分时间进行控制，获取在保持时间段内不变的温升电压信号，便于后续的模数转换处理；该读出结果与红外辐射温升相关而与衬底温度以及电路中的器件参数无关，提高了读出结果的准确性和红外成像的图像质量。
此外，在本实施例中还可以提供一种红外成像探测器。该红外成像探测器包括如上述实施例的红外焦平面读出电路。
本实施例的红外成像探测器，通过红外焦平面读出电路读取红外探测器阵列上每个像素单元的阻值变化，并将该阻值变化转换为电压信号进行信号处理和信号读取；还可将各像素单元对应的模拟电压值转换为对应的数字信号并显示为红外图像，从而实现红外辐射的直观显示。
需要说明的是，在本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，在本实施例中不再赘述。
应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。
显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。
“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种红外焦平面读出电路，其特征在于，包括依次连接的偏置电路、温度补偿电路、积分电路，所述偏置电路包括辐射接收电阻；
所述偏置电路用于生成第一电流和第二电流，所述第一电流与第二电流在未接收红外辐射的情况下大小相等；
所述温度补偿电路用于在接收红外辐射的情况下，基于所述第一电流与所述第二电流的差值，生成温度补偿电压，所述温度补偿电压基于所述辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定；
所述积分电路用于基于所述温度补偿电压生成对应的温度补偿电流，并对所述温度补偿电流进行积分和采样保持，输出对应的温升电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述温度补偿电路包括与所述偏置电路连接的电压转换电路和源跟随电路，所述源跟随电路还与所述积分电路连接；
所述电压转换电路用于将所述第一电流与所述第二电流的差值转换为差值电压；
所述源跟随电路用于基于所述差值电压获取所述温度补偿电压。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电压转换电路包括温度补偿MOS管，所述源跟随电路包括源跟随MOS管，所述源跟随MOS管的阈值电压与所述温度补偿MOS管的阈值电压随温度变化的电压值相等。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述电压转换电路还包括温度补偿热敏电阻，所述温度补偿热敏电阻的阻值基于衬底温度确定，且所述温度补偿热敏电阻的温度系数与所述辐射接收电阻的温度系数相同；
所述温度补偿热敏电阻的一端连接所述温度补偿MOS管的源极，所述温度补偿MOS管的漏极接地，所述温度补偿MOS管的栅极连接补偿偏置电压；所述温度补偿热敏电阻的另一端连接所述偏置电路和所述源跟随电路。
5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述源跟随电路还包括电流源偏置MOS管，所述电流源偏置MOS管的源极接地，所述电流源偏置MOS管的漏极连接所述源跟随MOS管的源极和所述积分电路；所述源跟随MOS管的栅极连接所述偏置电路和所述电压转换电路，所述源跟随MOS管的漏极连接电源端。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述积分电路包括比例电阻、积分运算放大器，所述积分运算放大器的同相输入端连接参考电压输入端，所述积分运算放大器的反相输入端连接所述比例电阻的一端，所述比例电阻的另一端连接所述温度补偿电压输出端；
所述温度补偿电流基于所述温度补偿电压、参考电压和所述比例电阻的阻值确定。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述积分电路还包括并联连接的积分电容和积分复位开关，所述积分电容的一端连接所述积分运算放大器的反相输入端，所述积分电容的另一端连接所述积分运算放大器的输出端；
所述积分运算放大器和所述积分电容用于对所述温度补偿电流进行积分；所述积分复位开关用于控制积分时间；
所述温升电压基于所述温度补偿电流、参考电压、积分时间和积分电容的容值确定。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述积分电路还包括采样保持电容和采样保持开关，
所述采样保持开关的一端连接所述积分运算放大器的输出端，所述采样保持开关的另一端连接所述温升电压的输出端和所述采样保持电容的一端，所述采样保持电容的另一端接地。
9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述偏置电路还包括盲元热敏电阻，所述盲元热敏电阻的阻值基于衬底温度确定，且所述盲元热敏电阻的温度系数与所述辐射接收电阻的温度系数相同；
基于所述盲元热敏电阻的两端电压差，以及所述盲元热敏电阻的阻值，确定所述第一电流；
基于所述辐射接收电阻的两端电压差，以及所述辐射接收电阻的阻值，确定所述第二电流，所述辐射接收电阻的阻值基于衬底温度和所述辐射接收电阻接收红外辐射时产生的温升确定。
10.一种红外成像探测器，其特征在于，所述红外成像探测器包括如权利要求1至权利要求9中任一所述的红外焦平面读出电路。
CN202311404967.1A 2023-10-26 2023-10-26 红外焦平面读出电路及红外成像探测器 Pending CN117537928A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311404967.1A CN117537928A (zh) 2023-10-26 2023-10-26 红外焦平面读出电路及红外成像探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311404967.1A CN117537928A (zh) 2023-10-26 2023-10-26 红外焦平面读出电路及红外成像探测器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117537928A true CN117537928A (zh) 2024-02-09

Family

ID=89790869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311404967.1A Pending CN117537928A (zh) 2023-10-26 2023-10-26 红外焦平面读出电路及红外成像探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117537928A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6538250B2 (en) Microbolometer focal plane array with controlled bias
US6953932B2 (en) Microbolometer focal plane array with temperature compensated bias
US7700919B2 (en) Device for detecting electromagnetic radiation, especially infrared radiation
US8158942B2 (en) Device and method for detecting infrared radiation through a resistive bolometer matrix
TWI578789B (zh) 經由斜波產生器之影像感測器電源供應抑制比雜訊減少
CN107727243B (zh) 非制冷红外焦平面阵列读出电路
WO2007125873A1 (ja) 赤外線センサ
IL152425A (en) Methods and apparatus for compensating a radiation sensor for temperature variations of the sensor
WO2016085586A2 (en) Low cost and high performance bolometer circuitry and methods
JP2017515354A (ja) 電流を積分するための高ダイナミックレンジデバイス
US20020166968A1 (en) Apparatus and method of measuring bolometric resistance changes in an uncooled and thermally unstabilized focal plane array over a wide temperature range
TW201944080A (zh) 讀出電路及方法
JP2000114467A (ja) 半導体装置
US11867563B2 (en) High dynamic device for integrating an electric current
WO2019150522A1 (ja) Ａｄ変換回路、撮像装置、および内視鏡システム
CN111829670B (zh) 一种非制冷红外焦平面阵列读出电路
Robert et al. Easy to use uncooled ¼ VGA 17 µm FPA development for high performance compact and low-power systems
CN117537928A (zh) 红外焦平面读出电路及红外成像探测器
KR100900770B1 (ko) 볼로미터를 이용한 적외선 신호 검출회로 및 검출방법
Zhou et al. A CMOS readout with high-precision and low-temperature-coefficient background current skimming for infrared focal plane array
Kim et al. A 80x60 Microbolometer CMOS Thermal Imager Integrated With a Low-Noise 12-B DAC
CN114136455B (zh) 焦平面红外传感器及其信号读出方法
CN114353959A (zh) 非制冷红外探测器及其自动增益校正电路
US8785854B2 (en) Measurement system and imager comprising such a system
CN114174788B (zh) 快照红外传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination