CN204165656U - 电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路 - Google Patents

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袁红辉
陈永平
陈世军
翟厚明
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Abstract

本专利公开了一种电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路，该电路为CTIA读出电路，输入电路采用电流镜方式，电流镜布局在线列电路的左右两端，电流镜地线采用宽度大于100微米的金属线，电流镜调节端设计有粗调和微调两个调节端口；积分电路中，积分电容由三个电容并联组成的多级放大结构；输出电路中，电路CDS输出端采用由开关控制的低功耗N管跟随结构。本专利的优点在于：电路输入端采用电流镜方式降低了探测器工艺制作的复杂性；输入端设计有粗调和微调两个调节端口既扩大了电路对非致冷红外探测器工作电流的适用范围又能精确调节系统的工作状态；电路的功耗低，放大倍数多级可调，采用亚微米CMOS工艺制造的重复性好。

Description

电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路
技术领域
本专利涉及红外探测器读出电路领域，尤其是涉及一种线列非制冷红外探测器CMOS读出电路设计。
背景技术
非制冷红外探测技术是今后红外技术发展的一个重要方向，特别是非制冷技术的发展使红外热摄像技术扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防范、医疗、卫生、海上救援、舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域，其原理是温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，从而表现出电阻变化的信号形式，由此来测量热辐射，一般采用电流偏置方式，通过读出非制冷红外探测器两端的电压信号变化，得出探测器的电阻变化，从而反映出红外辐射量的不同而成像，其中读出电路是非致冷红外探测器组件的重要组成部分。
目前国内外已开展了这方面的工作，但在实际应用中许多方面还有待进一步完善。2014年4月18日吕坚等人公布的CN 103900722A专利介绍了一种非制冷红外焦平面阵列读出电路，包括探测器电路、跟随电路、减法电路、积分电路等部分，电路结构本身复杂，且需要设计与之对应的盲元探测器来设计读出电路，增加了非制冷红外探测器工艺的复杂性，本专利采用的电流镜输入方式，克服了需要设计与之一一对应的盲元探测器，大大降低了非制冷红外探测器工艺制作的复杂性。利用电流镜布局在线列电路的左右两端和采用低功耗的跟随管，有效地提高了电路的线性度、功耗等指标。
发明内容
本专利的目的在于提供一种电流镜方式的线列非制冷红外探测器CMOS读出电路，提高非制冷红外探测器读出电路的设计水平。
本专利设计的一种基于电流镜方式的高性能非致冷红外探测器160线列读出电路，可满足10KΩ～100KΩ阻值非制冷红外探测器信号读出的需要，具有放大倍数多级可调功能，适合不同响应率探测器的信号读出。其电路的单元结构如图1所示，包括电流镜模式的输入级，差分放大器的CTIA，CDS+N跟随、输出P跟随。图2是输入级的电流镜，NM5和NM1构成粗调的输入级电流镜，NM4和NM2构成微调的输入级电流镜。va、vb分别为粗调、微调外端口。res为积分开关，电平高时为积分状态，电平低时为关断状态，bolometer部分为非制冷红外探测器的位置。图3为CTIA结构，C1、C2、C3为三个积分电容，其中C1为基准电容，C2、C3分别由select1、select2控制。放大器采用差分放大器，in和out端接积分电容，差分输入的另一输入端接ref，ref端的电压必需大于N管的阈值电压才能使电路正常工作。图4为低功耗的CDS N跟随，C6、C7为采样电容，sha、shb与shaf、shbf为互补脉冲，控制信号的采样。col接移位寄存器的输出端口，使线列输出信号按顺序读出。
其特征在于：该电路采用电流镜输入方式的读出电路结构，无需传统的与响应元一一对应的盲元探测器设计，可有降低探测器工艺的复杂性；输入端粗调的设置，能扩大电路对非制冷红外探测器偏置电流的适用范围，微调端口的设置能精确设置系统的最佳工作状态；在画版图时电流镜地线采用宽度大于100微米的金属线且左右两端都设置电流镜，能有效地降低系统的非均匀性，其160线列电路的非线性小于1％；三个积分电容的设置可以使电路具有较大的适应性，满足不同探测器灵敏度要求；采用先N跟随，后P跟随的输出结构能有效地增大电路的输出摆幅。
本专利的优点如下：
1.电路输入端采用电流镜方式，无需传统的与响应元一一对应的盲元探测器设计，大大降低了探测器工艺制作的复杂性。
2.输入端设计有粗调和微调两个调节端口；既扩大了电路对非致冷红外探测器工作电流的适用范围，又能精确调节系统的工作状态。
3.电流镜布局在线列电路的左右两端，在画版图时地线采用宽度大于100微米的金属线，电路的非线性能得到有效地改善，其线列160电路的非线性小于1％；
4.积分电容由10pF、20pF、20pF三个电容组成，可组合成多级放大倍数，使电路能适应不同非制冷探测器响应率的要求。
5.利用低功耗的跟随管设计，采用先N跟随，后P跟随，既降低了电路的功耗，又增加了电路的摆幅。
6.非制冷红外探测器读出电路设计采用标准的亚微米CMOS工艺制造而成，保证了芯片制造的可重复性。
附图说明
图1电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路单元结构图。
图2电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路电流镜部分结构图。
图3电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路CTIA部分结构图。
图4电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路低功耗的CDS N跟随结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：
实施例1
此专利采用输入端为电流镜方式来设计非制冷红外探测器线列读出电路，其单元结构图如图1所示，Vbias为加在非制冷探测器(Bolo)上的电压，该电压可以根据非制冷探测器电阻的大小做适当的调整，当非制冷探测器电阻在50KΩ时，Vbias可设定为5V，当非制冷探测器电阻小于20KΩ时，Vbias可根据情况调低，但最低不能小于3V，否则会导致差分放大器输入端的电压太低而无法使电路正常工作；反之，但非制冷探测器电阻大于100KΩ时，Vbias可根据情况调高，但最高不能超过7V，否则将影响电路的可靠性寿命等性能。ref为差分放大器输入参考电压，此电压为CTIA积分时的起始电压，一般设定为1V，最低不能低于N管的阈值电压，否则会在信号的低端出现失真。Ci为积分电容，可以根据非制冷红外探测器响应率的大小进行选择；为使线列的探测器信号能顺序读出，需在CTIA的输出端加入CDS N跟随，后面再连接P跟随。
实施例2
该电路在输入端采用电流镜方式，其电流镜方式的电路结构如图2所示，由于NM4的宽长比是NM5的10倍，所以NM5和NM1构成粗调控制的输入级电流镜，NM4和NM2构成微调控制的输入级电流镜，va、vb分别为粗调、微调外端口。res为积分开关，电平高时处于积分状态，电平低时处于关断状态，NM3的漏极(上端)接非制冷红外探测器。在画版图时，电流镜布局在线列电路的左右两端，地线采用宽度大于100微米的金属线。采用该方法设计的线列160电路其非线性度小于1％。
电流镜部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 PM1 PM2 NM1 NM2 NM3 NM4 NM5
W/L 12/3 12/3 90/3 90/3 6/3 800/1 80/1
实施例3
该电路采用差分输入的CTIA电路结构如图3所示，积分电容由C1、C2、C3三个电容组成，大小分别为10pF、20pF、20pF，其中C1为基准电容，C2、C3分别由select1、select2控制，不同的组合形成了不同放大倍数，电路能适应非制冷探测器不同响应率的要求。当select1、select2都为高时，总的积分电容为50pF，适合于高响应率信号的读出，当select1、select2都为低时，总的积分电容为10pF，适合于低响应率信号的读出。放大器采用差分放大器，in和out端接积分电容，差分输入的另一输入端为参考电压端ref。
该CMOS差分放大电路采用的是差分输入的折叠式共源共栅结构，一级放大的开环增益就超过了80dB，克服了两级差分放大电路容易引起振荡的缺点，其每个管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 M0 M5、M6 M7、M14 M13、M17 M16、M18 M1、M11 reset
W/L 25/5 50/2 15/3 10/10 10/10 2/1 2/1
实施例4
电路的输出端采用先CDS的N跟随、后接P跟随的结构，该结构的输出摆幅很容易就能大于2V，其CDS的N跟随电路结构如图4所示，N跟随部分只有在col端为低电平时开启，有功耗，当col端为高电平时N跟随关闭，几乎无功耗，所以总个电路为低功耗结构，功耗很小，160线列电路的总功耗小于100毫瓦。col端的电压由移位寄存器提供，控制160个线列信号按顺序读出。
sha和shb为两个采样脉冲,shaf、shbf为sha、shb的互补脉冲，控制CTIA的输出端信号传输到采用电容，采样时间分别设定为CTIA积分的起始值和完成值，C6和C7为对应两个采样脉冲的采样电容，其大小为2pF，其它每个管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
管子 NM6、NM PM6、PM7 NM8、NM9 PM8、PM9
W/L 3/0.6 6/0.6 32.5/1.2 65/1.2
以上通过具体的实施例对本专利进行了说明，但本专利并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本专利做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本专利的精神，都应在本专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路，所述的读出电路为CTIA读出电路，包括输入电路、积分电路、输出电路，其特征在于：
所述的输入电路采用电流镜方式，电流镜布局在线列电路的左右两端，电流镜地线采用宽度大于100微米的金属线，电流镜调节端设计有粗调和微调两个调节端口；
所述的积分电路中，积分电容由三个电容并联组成的多级放大结构；
所述的输出电路中，电路CDS输出端采用由开关控制的低功耗N管跟随结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104359562A (zh) * 2014-10-16 2015-02-18 中国科学院上海技术物理研究所 一种电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路
CN112556862A (zh) * 2020-11-05 2021-03-26 天津大学 使用电流镜进行模式切换的大动态范围、小面积读出电路

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CN104359562A (zh) * 2014-10-16 2015-02-18 中国科学院上海技术物理研究所 一种电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路
CN104359562B (zh) * 2014-10-16 2017-06-27 中国科学院上海技术物理研究所 一种电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路
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