CN208795370U - 红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器。该电路包括：有效象元阵列单元、备选单元、参考盲象元单元、电容跨阻放大器单元及选择输出单元。备选单元包括多个模块选择开关及至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块包括与一个模块选择开关电性连接的选择子单元及与该选择子单元电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元。所有位于同一行的参考遮光象元子单元电性连接，所有参考遮光象元子单元的总行数与有效象元阵列单元中有效象元子单元的行数相同。参考盲象元单元中的一个参考盲象元子单元与备选单元电性连接。该电路具有高良率的特点，同时可以消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差。

Description

红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器。

背景技术

红外热成像技术分为制冷型和非制冷型，该技术的核心技术是探测器。微测辐射热计焦平面阵列具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)探测器，由红外敏感阵列和读出电路(ReadoutIntegrated Circuit，ROIC) 两部分组成。一般读出电路的电流信号是通过参考盲象元Rb来抵消有效象元的直流信号，从而得到目标的有效温度信号。其中，非制冷红外焦平面阵列探测器可在常温下工作，无需制冷设备。

目前读出电路中一般仅设置一个参考象元，利用该参考象元通过参考盲象元抵消对应的有效象元的直流信号。然而参考象元有一定的概率存在加工缺陷，若一个读出电路中设置的唯一一个参考象元刚好存在加工缺陷，将直接导致整个读出电路成为废品。

实用新型内容

为了克服现有技术中的上述不足，本申请实施例的目的在于提供一种红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器，其能够提高整个电路的良率，避免由于当前使用的参考象元子单元存在加工缺陷而直接成为废品；同时增大可从备选单元选出完整一列无加工缺陷的参考遮光象元子单元的概率，使得可消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差，无需设置TEC。

第一方面，本申请实施例提供一种红外焦平面读出电路，包括：有效象元阵列单元、备选单元、参考盲象元单元、电容跨阻放大器单元及选择输出单元，

所述有效象元阵列单元包括多个阵列排布的有效象元子单元；其中，位于同一行的有效象元子单元电性连接；

所述备选单元包括多个模块选择开关及至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块包括与一个模块选择开关电性连接的选择子单元及与所述选择子单元电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元；其中，所述备选单元中位于同一行的参考遮光象元子单元电性连接，所述备选单元中参考遮光象元子单元的总行数与所述有效象元阵列单元中有效象元子单元的行数相同；

所述参考盲象元单元包括一行参考盲象元子单元；每个备选模块经对应的一个模块选择开关与所述一行参考盲象元中的同一个参考盲象元子单元电性连接；剩余的其它每个参考盲象元子单元与对应的一列有效象元子单元中的每个有效象元子单元电性连接；

所述电容跨阻放大器单元包括一行电容跨阻放大器，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端，该正相输入端电性连接于一个所述参考盲象元子单元与模块选择开关之间、反相输入端电性连接于对应的一个所述参考盲象元子单元与一列有效象元子单元之间、输出端与所述选择输出单元电性连接，以经所述选择输出单元依次输出与每个有效象元子单元对应的积分信号。

可选地，在本申请实施例中，所述电路还包括控制单元，所述选择子单元包括多个列选择开关，

每个列选择开关与所述备选模块中对应的一列参考遮光象元子单元中的每个参考遮光象元子单元电性连接；

所述控制单元与每个模块选择开关及每个列选择开关电性连接，用于控制每个模块选择开关及每个列选择开关的状态。

可选地，在本申请实施例中，每个有效象元子单元包括一个有效象元及与该有效象元电性连接的一个第一开关元件；

每个参考遮光象元子单元包括一个参考遮光象元及与该参考遮光象元电性连接的一个第二开关元件；

所述控制单元经第一行选线和与该第一行选线电性连接的第一开关元件电性连接，经第二行选线和与该第二行选线电性连接的第二开关元件电性连接，用于控制每个第一开关元件及每个第二开关元件的状态；其中，所述第一行选线与所述第二行选线均为多条，位于同一行的多个第一开关元件与同一条第一行选线电性连接，位于同一行的多个第二开关元件与同一条第二行选线电性连接。

可选地，在本申请实施例中，所述选择输出单元还与所述控制单元电性连接，用于根据所述控制单元的控制依次输出与每个有效象元对应的积分信号。

可选地，在本申请实施例中，每个所述参考盲象元子单元包括一个参考盲象元，该参考盲象元的一端与对应的一列有效象元子单元或所述模块选择开关电性连接，另一端与参考电压端电性连接。

第二方面，本申请实施例提供一种红外焦平面读出电路，包括：有效象元阵列单元、备选单元、电流镜单元、电流控制单元、电容跨阻放大器单元及选择输出单元，

所述有效象元阵列单元包括多个阵列排布的有效象元子单元；其中，位于同一行的有效象元子单元电性连接；

所述备选单元包括多个模块选择开关及至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块包括与一个模块选择开关电性连接的选择子单元及与所述选择子单元电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元；其中，所述备选单元中位于同一行的参考遮光象元子单元电性连接，所述备选单元中参考遮光象元子单元的总行数与所述有效象元阵列单元中有效象元子单元的行数相同；

所述电流镜单元包括一行PMOS管，所述电流控制单元包括一行NMOS管；所述一行PMOS管中包括一个第一PMOS管及多个第二PMOS管，第一PMOS管经对应的一个NMOS管及模块选择开关与每个备选模块电性连接，每个第二PMOS管分别经一个NMOS管与对应的一列有效象元子单元中的每个有效象元子单元电性连接；其中，第一PMOS管的栅极与漏极电性连接，并经栅极与每个第二 PMOS管的栅极电性连接；每个NMOS管的栅极分别与第一偏置电压输入端电性连接；

所述电容跨阻放大器单元包括一行电容跨阻放大器，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端，所有正相输入端与第二偏置电压输入端电性连接、该反相输入端电性连接于对应的一个第二PMOS管与一个NMOS管之间、输出端与所述选择输出单元电性连接，以经所述选择输出单元依次输出与每个有效象元子单元对应的积分信号。

可选地，在本申请实施例中，所述电路还包括控制单元，所述选择子单元包括多个列选择开关，

每个列选择开关与所述备选模块中对应的一列参考遮光象元子单元中的每个参考遮光象元子单元电性连接；

所述控制单元与每个模块选择开关及每个列选择开关电性连接，用于控制每个模块选择开关及每个列选择开关的状态。

可选地，在本申请实施例中，每个有效象元子单元包括一个有效象元及与该有效象元电性连接的一个第一开关元件；

每个参考遮光象元子单元包括一个参考遮光象元及与该参考遮光象元电性连接的一个第二开关元件；

所述控制单元经第一行选线和与该第一行选线电性连接的第一开关元件电性连接，经第二行选线和与该第二行选线电性连接的第二开关元件电性连接，用于控制每个第一开关元件及每个第二开关元件的状态；其中，所述第一行选线与所述第二行选线均为多条，位于同一行的多个第一开关元件与同一条第一行选线电性连接，位于同一行的多个第二开关元件与同一条第二行选线电性连接。

可选地，在本申请实施例中，所述选择输出单元还与所述控制单元电性连接，用于根据所述控制单元的控制依次输出与每个有效象元对应的积分信号。

第三方面，本申请实施例提供一种红外焦平面探测器，包括所述的红外焦平面读出电路。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供一种红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器。该电路包括备选单元、参考盲象元单元、电容跨阻放大器单元、选择输出单元及由多个阵列排布的有效象元子单元组成的有效象元阵列单元。由于该备选单元中包括了至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块中参考遮光象元子单元的行数小于有效象元阵列单元中有效象元的行数，可从该多个备选模块中组合选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元作为参考象元子单元。上述设置使得从多个参考遮光象元子单元中选出一个无加工缺陷的参考遮光象元子单元的概率极大，因而该电路具有良率高的特点。并且，上述设置同时增加了获得一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元的概率，由此不仅可保证电路不会由于一个参考象元子单元存在加工缺陷而不能正常工作，同时无需设置TEC，即可消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差。

为使申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本申请较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本申请实施例提供的红外焦平面读出电路的示意图之一。

图2是图1中备选单元的示意图。

图3是本申请实施例提供的红外焦平面读出电路的示意图之二。

图4是图3中备选单元的示意图。

图标：100-红外焦平面读出电路；110-有效象元阵列单元；111- 第一行选线；113-有效象元子单元；114-第一开关元件；120-备选单元；121-第二行选线；123-备选模块；125-选择子单元；127-参考遮光象元子单元；128-第二开关元件；130-参考盲象元单元；140-电容跨阻放大器单元；150-选择输出单元；160-控制单元；170-电流镜单元；180-电流控制单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1及图2，图1是本申请实施例提供的红外焦平面读出电路100的示意图之一，图2是图1中备选单元120的示意图。所述红外焦平面读出电路100包括有效象元阵列单元110、备选单元120、参考盲象元单元130、电容跨阻放大器单元140及选择输出单元150。该备选单元120中包括至少一列备选模块123，每列备选模块123中包括至少两个备选模块123，每个备选模块123中包括多个呈阵列排布的参考遮光象元子单元127，每个备选模块123中参考遮光象元子单元127的行数小于有效象元阵列单元110中有效象元子单元113的行数。由此，在只需一个参考遮光象元子单元127作为参考象元子单元时，可从整个备选单元120中选出一个无加工缺陷的参考遮光象元子单元127作为参考象元子单元，该设置极大地提高了整个电路的良率。进一步地，此时为了避免电学自热效应的影响，可设置有TEC(Thermoelectric Cooler，半导体制冷器)，以保证红外焦平面读出电路100处于恒定的温度下。

若可从多个备选模块123中通过组合得到一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元127作为参考象元子单元，无需设置TEC，即可消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差。上述设置在保证红外焦平面读出电路100可正常工作的情况下，选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元127的概率较高。其中，一整列参考遮光象元子单元127中的参考遮光象元子单元127的总数量与一列有效象元子单元113中有效象元子单元113的数量相同。可选地，整个备选单元 120中参考遮光象元子单元127的总列数远小于所述有效象元阵列单元110中有效象元子单元113的总列数。

请再次参照图1及图2，呈阵列排布的多个有效象元子单元113 组成所述有效象元阵列单元110。其中，位于同一行的有效象元子单元113电性连接，可便于对同一行的有效象元子单元113进行控制。所述备选单元120还包括多个模块选择开关QUAD，一个模块选择开关QUAD与一个备选模块123电性连接。如图2所示，模块选择开关QUAD_1与备选模块a电性连接，模块选择开关QUAD_2与备选模块b电性连接。每个备选模块123中还包括一个选择子单元125，该选择子单元125与所述备选模块123对应的模块选择开关QUAD 电性连接。其中，所述备选单元120中位于同一行的参考遮光象元子单元127电性连接。如图1所示，位于不同备选模块123但位于同一行的Rs_{1_1}～Rs_{A_1}所在的多个参考遮光象元子单元127及Rs_{A+1_1}～Rs_{B_1}所在的多个参考遮光象元子单元127电性连接。

可以理解的是，所述备选单元120中的备选模块列可以为一列、两列、三列等。每个备选模块123中包括的参考遮光象元子单元127 的数量可以相同，也可以不同。备选单元120的具体设置方式可根据实际情况进行设置。优选地，每个备选模块123完全相同，便于设置。

在本实施例中，所述参考盲象元单元130包括一行参考盲象元子单元。每个备选模块123经对应的一个模块选择开关QUAD与所述一行参考盲象元中的同一个参考盲象元子单元电性连接，由此可使得一个参考盲象元经模块选择开关QUAD与各个备选模块123中的每个参考遮光象元子单元127电性连接。如图1所示，Rb0所在的参考盲象元子单元与所有的参考遮光象元子单元127电性连接。

所述参考盲象元单元130中剩余的其它每个参考盲象元子单元与所述有效象元阵列单元110中对应的一列有效象元子单元113中的每个有效象元子单元113电性连接。如图1所示，Rb2所在的参考盲象元子单元与有效象元子单元列C1对应，Rb2所在的参考盲象元子单元与有效象元子单元列C1中的每个有效象元子单元113电性连接。可选地，所述参考盲象元单元130中参考盲象元子单元的数量为所述有效象元阵列单元110中有效象元子单元列的数量加1。

在所述备选单元120中，一整行参考遮光象元子单元127与一行有效象元子单元113为一一对应关系，且位于同一行。如图1所示， Rs_{1_1}～Rs_{B_1}所在的多个参考遮光象元子单元127与Ra1_1～RsM_1所在的多个有效象元子单元113位于同一行。

所述电容跨阻放大器单元140包括一行电容跨阻放大器 (Capacitor Trans-Impedance Amplifier，CTIA)，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端。每个反相输入端电性连接于对应的一个参考盲象元子单元与一列有效象元子单元113之间。所有正相输入端电性连接于一个参考盲象元子单元与模块选择开关 QUAD之间。所有输出端与所述选择输出单元150电性连接，以经所述选择输出单元150依次输出与每个有效象元子单元113对应的积分信号。如图1及图2所示，每个电容跨阻放大器的正相输入端均电性于Rb0所在的参考盲象元子单元与模块选择开关QUAD_1、 QUAD_2、QUAD_3、QUAD_4之间；输出V_COL2的电容跨阻放大器的反相输入端电性连接于Rb2所在的参考盲象元子单元与有效象元子单元列C1之间。

电容跨阻放大器，也称积分器。如图1所示，每个电容跨阻放大器包括一个运算放大器(Op Amps，OP)及一个电容C。该电容C 的一端与该运算放大器的反相输入端电性连接，该电容C的另一端与该运算放大器的输出端电性连接。其中，该运算放大器的正相输入端为该电容跨阻放大器的正相输入端，该运算放大器的反相输入端为该电容跨阻放大器的反相输入端，该运算放大器的输出端为该电容跨阻放大器的输出端。

可选地，在本实施例的一种实施方式中，所述选择输出单元150 为多路复用开关选择器(Multiplexer，MUX)。

请再次参照图1及图2，所述红外焦平面读出电路100还可以包括控制单元160，该控制单元160可以是，但不限于，数字逻辑控制电路。每个备选模块123中的选择子单元125包括多个列选择开关 SEL。每个列选择开关SEL与备选模块123中对应的一列参考遮光象元子单元127中的每个参考遮光象元子单元127电性连接。如图2 所示，在备选模块b中，列选择开关SEL1与Rs_{1_1}所在的参考遮光象元子单元127、Rs_{1_2}所在的参考遮光象元子单元127、…、Rs_{1_N/2}所在的参考遮光象元子单元127电性连接，列选择开关SEL2与Rs_{2_1}所在的参考遮光象元子单元127、Rs_{2_2}所在的参考遮光象元子单元 127、…、Rs_{2_N/2}所在的参考遮光象元子单元127电性连接。可选地，在本实施例的实施方式中，每个备选模块123中包括至少两列参考遮光象元子单元127。

所述控制单元160与每个模块选择开关QUAD及每个列选择开关SEL电性连接，用于控制每个模块选择开关QUAD及每个列选择开关SEL的状态，以从所述备选单元120中以组合方式选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元127。

如图2所示，该备选单元120包括四个备选模块a、b、c、d。通过对模块选择开关QUAD_1、QUAD_2、QUAD_3、QUAD_4的控制，可从备选模块a、d或备选模块a、c或备选模块b、c或备选模块b、d中经组合选出一整列参考遮光象元子单元127。

若需要从备选模块a及备选模块d中选出一整列参考遮光象元子单元127，则可以控制模块选择开关QUAD_1、QUAD_4闭合，控制模块选择开关QUAD_2、QUAD_3断开，以选中备选模块a及备选模块d。接下来则通过对备选模块a中选择子单元125的控制(即，控制其中一个列选择开关SEL闭合)，从备选模块a中选出一列参考遮光象元子单元127(Rs_{X_1}～Rs_{X_N/2}所在的参考遮光象元子单元列)；通过对备选模块d中选择子单元125的控制(即，控制其中一个列选择开关SEL闭合)，从备选模块d中选出一列参考遮光象元子单元127 (Rs_{Y_N/2}～Rs_{Y_N}所在的参考遮光象元子单元列)；由此得到一整列参考遮光象元子单元127。

在本实施例中，每个有效象元子单元113中包括一个有效象元 Ra及一个第一开关元件114；该有效象元Ra的一端接地，另一端经第一开关元件114与对应的参考盲象元子单元电性连接。每个参考遮光象元子单元127包括一个参考遮光象元Rs及一个第二开关元件128；该参考遮光象元Rs的一端接地，另一端经该第二开关元件128、对应的列选择开关SEL、对应的模块选择开关QUAD与一个参考盲象元子单元电性连接。如图2所示，参考遮光象元Rs_{2_2}经一个第二开关元件128、列选择开关SEL2、模块选择开关QUAD_2与Rb0所在的参考盲象元子单元电性连接。

所述控制单元160与每个第一开关元件114及每个第二开关元件 128电性连接，以控制每个第一开关元件114及每个第二开关元件128 的状态。

可选地，红外焦平面读出电路100中设置有多条第一行选线111 及多条第二行选线121。如图1所示，分别与有效象元Ra1_1～RaM_1 (Ra1_1、Ra2_1、…、RaM_1)电性连接的第一开关元件114与同一条第一行选线111电性连接。如图2所示，分别与参考遮光象元 Rs_{1_1}～Rs_{B_1}(Rs_{1_1}、Rs_{2_1}、…、Rs_{A_1}、Rs_{A+1_1}、Rs_{A+2_1}、…、Rs_{B_1}) 电性连接的第二开关元件128与同一条第二行选线121电性连接。也就是说，位于同一行的多个第一开关元件114与同一条第一行选线 111电性连接。整个备选单元120中位于同一行的多个第二开关元件 128与同一条第二行选线121电性连接。由此，所述控制单元160可经第一行选线111对第一开关元件114进行控制，经第二行选线121 对第二开关元件128进行控制。

在可从整个备选单元120中选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs的情况下，可通过对第一开关元件114及第二开关元件128 的控制，保证每行有效象元Ra与选择的一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs中对应的一个参考遮光象元Rs同时通电、同时断电，以确保受到的焦耳热影响相同，使得可以在无红外光照射时，可抵消有效象元Ra的直流电流信号，便于在有红外光时获得有效的温度信号。由此，该红外焦平面读出电路100不仅良率高，同时无需设置TEC 即可实现高性能。

进一步地，若经组合也不能从备选单元120中选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs，则可以通过对模块选择开关QUAD的控制从多个备选模块123中选出一个备选模块123。然后通过对被选出的备选模块123中每个列选择开关SEL及每个第二开关元件128的控制，可实现从整个备选单元120中选出一个无加工缺陷的参考遮光象元Rs的目的。由此，可保证即使该电路当前使用的参考遮光象元Rs 存在加工缺陷，且不能选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs，也可以通过重新选出一个无加工缺陷的参考遮光象元Rs方式确保该电路可以正常工作。此时，为了保证该电路的高性能，可设置TEC 以避免受温度影响。

在本实施例中，所述选择输出单元150还与所述控制单元160 电性连接，用于根据所述控制单元160发送的列选信号，依次输出与每个有效象元Rs对应的积分信号。由此所述选择输出单元150在控制单元160的控制下输出视频信号VOUT。

请再次参照图1，每个参考盲象元子单元包括一个参考盲象元 Rb，所述参考盲象元Rb的一端与对应的一列有效象元子单元113或模块选择开关QUAD电性连接；另一端与参考电压端电性连接，以获得参考电压VSK。其中，所有参考盲象元Rb得到的参考电压相同，均为VSK。

上述电路中包括典型的惠斯通电桥。一个典型的惠斯通电桥由一个参考盲象元Rb0、一个参考盲象元Rb1、一个参考遮光象元Rs及一个有效象元Ra组成。在本申请实施例中，参考盲象元，对探测目标的温度不敏感，只会随着环境温度变化而变化电阻值。有效象元，对探测目标的温度敏感，也会随着环境温度变化而变化电阻值，还会由于正常工作时的电学焦耳热变化电阻值(不同的温度下焦耳热不同)。参考遮光象元，对探测目标的温度不敏感，会随着环境温度变化而变化电阻值，还会由于正常工作时的电学焦耳热变化电阻值(不同的温度下焦耳热不同)。其中，参考遮光象元的结构与有效象元的结构相同，只是在有效象元上面增加阻挡层，不让探测目标的红外光照射到参考遮光象元上。

下面结合图1及图2，对红外焦平面读出电路100在不设置TEC 情况下可消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差的原理进行说明。

该红外焦平面读出电路100包括：控制单元160、MxN阵列有效象元Ra、BxN阵列参考遮光象元Rs、M+1列参考盲象元Rb、M 列电容跨阻放大器、多路复用开关选择器。其中，BxN阵列参考遮光象元Rs由四个(B/2)x(N/2)阵列参考遮光象元Rs组成，每个 (B/2)x(N/2)阵列参考遮光象元Rs与一个模块选择开关QUAD 电性连接。

首先通过对模块选择开关QUAD及列选择开关SEL的控制，在 BxN阵列参考遮光象元Rs中，选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs。

接下来以选择第一列(Rs_{1_1}、…、Rs_{1_N})为例进行详细说明。工作时，第一行选信号ROW₁及第二行选信号ROW₁+FIX打开，与有效象元Ra1_1～RaM_1电性连接的第一开关元件114闭合、与参考遮光象元Rs_{1_1}电性连接的第二开关元件128闭合；跨阻电容放大器对目标的红外光信号进行积分，输出列积分电压V_COL1～V_COLM；通过多路复用开关选择器将第1行积分电压分时输出到视频信号VOUT。接着第一行选信号ROW₂及第二行选信号ROW₂&FIXB打开，与有效象元Ra1_2～RaM_2连接的第一开关元件114、与参考遮光象元 Rs_{1_2}连接的第二开关元件128闭合；跨阻电容放大器对目标的红外光信号进行积分，输出列积分电压V_COL1～V_COLM；通过多路复用开关选择器将第2行积分电压分时输出到视频信号VOUT。依次循环将所有行的积分信号输出。

其中，列输出电压V_COL计算公式为：

其中，VREF为电桥参考电压，T_INT为积分时间，C_INT为积分电容。

结合图1及图2可知，假设红外焦平面读出电路仅设置一个与参考盲象元Rb0一直电性连接且有电流流过的象元Rs1。由上述公式可知，若象元Rs1为参考盲象元，当无目标红外光进行照射时，Rb0等于Rs1，VREF等于0.5VSK(VSK为偏置电压)，Ra由于电学焦耳热引起电阻值变小，导致直流电流无法有效抵消，因此列输出信号 V_COL变大。焦耳热引起的电阻变化与通电时间成正比，Ra的通电时间为积分时间T_INT。在不同的环境温度下，焦耳热大为不同，直流电流变化增大，导致V_COL输出电压饱和，无法在系统级进行校准。

若象元Rs1为参考遮光象元，当无目标红外光进行照射时，Rs1 一直通电，通电时间比Ra长非常多，因此Rs1的焦耳热比Ra的焦耳热大很多，导致直流电流无法有效抵消。在不同的环境温度下， Rs1和Ra的焦耳热差异不同，直流电流变化增大，导致V_COL输出电压饱和，无法在系统级进行校准。

而在本实施例的上述实施方式中，当无目标红外光进行照射时， Rb0等于Rb1～RbM；由于参考遮光象元Rs和有效象元Ra对应的开关元件的状态相同，因此其通电时间相同，均为T_INT。由于Rs和Ra 结构完全一致，在通电时间相同时，在不同环境温度下焦耳热也完全相同，因此Rs等于Ra，基于V_COL的计算公式可计算出直流电流完全抵消，V_COL都为VREF，直流电流信号不会引起输出积分电压变化。因此在保证该电路具有高良率的基础上，无需专门设置TEC，该红外焦平面读出电路100也能达到很好的性能。

在本实施例的实施方式中，在可选出一列无加工缺陷的参考遮光象元Rs的情况下，所述控制单元160可依次向有效象元阵列单元110 发送第一行选信号ROW₁、ROW₂、ROW₃、…、ROW_N，对应地，向 BxN阵列参考遮光象元Rs依次发送第二行选信号ROW₁+FIX、ROW₂&FIXB、ROW₃&FIXB、…、ROW_N&FIXB。其中，FIX与FIXB 互反。此时，FIX为0，FIXB为1。有效象元Ra与参考遮光象元Rs 操作方式相同，均使用行选功能。

在不能选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs的情况下，可先选中某个备选模块123，然后通过列选择开关SEL从其中选则一列参考遮光象元Rs，然后可配置FIX为1、FIXB为0，从第一行N列参考遮光象元Rs中选出一个无加工缺陷的参考遮光象元Rs，作为电路获得积分信号时使用的参考遮光象元Rs。通过FIX及FIXB来选择一个固定参考遮光象元Rs，使得该电路的良率得到最大化的提高。其中，FIX和FIXB可以选择第一行，也可以选择N行中的任意一行。此时，Rs无需使用行选功能，工作方式与有效象元Ra不同。上述方式可降低控制单元160的复杂程度。

当然可以理解的是，所述控制单元160也可以通过对模块选择开关QUAD、列选择开关SEL、第二开关元件128的控制，依次从所述备选单元120的每行参考遮光象元Rs中任意地选出一个无加工缺陷的参考遮光象元Rs，从而得到一整列无加工缺陷的参考遮光象元 Rs。

请参照图3及图4，图3是本申请实施例提供的红外焦平面读出电路100的示意图之二，图4是图3中备选单元120的示意图。所述红外焦平面读出电路100包括有效象元阵列单元110、备选单元120、电流镜单元170、电流控制单元180、电容跨阻放大器单元140及选择输出单元150。

所述有效象元阵列单元110包括多个阵列排布的有效象元子单元113。其中，位于同一行的有效象元子单元113电性连接。

所述备选单元120包括多个模块选择开关QUAD及至少一列备选模块123，每列备选模块123中包括至少两个备选模块123。每个备选模块123包括与一个模块选择开关QUAD电性连接的选择子单元125及与所述选择子单元125电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元127。其中，所述备选单元120中位于同一行的参考遮光象元子单元127电性连接，所述备选单元120中参考遮光象元子单元 127的总行数与所述有效象元阵列单元110中有效象元子单元113的行数相同。

所述电流镜单元170包括一行PMOS(Positive channel Metal OxideSemiconductor，P型金属氧化物半导体)管，所述电流控制单元180包括一行NMOS(Negativechannel-Metal-Oxide-Semiconductor, N型金属氧化物半导体)管。所述一行PMOS管中包括一个第一PMOS管及多个第二PMOS管。第一PMOS管经对应的一个NMOS 管及模块选择开关QUAD与每个备选模块123电性连接，每个第二 PMOS管分别经一个NMOS管与对应的一列有效象元子单元113中的每个有效象元子单元113电性连接。如图3所示，第二PMOS管 MP2经NMOS管MN2与有效象元子单元列C2中的每个有效象元子单元113电性连接。

其中，第一PMOS管的栅极与漏极电性连接，并经栅极与每个第二PMOS管的栅极电性连接。每个NMOS管的栅极分别与第一偏置电压输入端电性连接，以得到第一偏置电压VBN。其中，上述PMOS 管为镜像电流管，NMOS管为偏压控制NMOS管。

所述电容跨阻放大器单元140包括一行电容跨阻放大器，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端。所有正相输入端与第二偏置电压输入端电性连接，以得到第二偏置电压VBUS；该反相输入端电性连接于对应的一个第二PMOS管与一个NMOS管之间；输出端与所述选择输出单元150电性连接，以经所述选择输出单元150依次输出与每个有效象元子单元113对应的积分信号。

在本实施例中，所述红外焦平面读出电路100还包括控制单元 160，所述选择子单元125包括多个列选择开关SEL。每个列选择开关SEL与所述备选模块123中对应的一列参考遮光象元子单元127 中的每个参考遮光象元子单元127电性连接。所述控制单元160与每个模块选择开关QUAD及每个列选择开关SEL电性连接，用于控制每个模块选择开关QUAD及每个列选择开关SEL的状态。

在本实施例中，每个有效象元子单元113包括一个有效象元Ra 及与该有效象元Ra电性连接的一个第一开关元件114。每个参考遮光象元子单元127包括一个参考遮光象元Rs及与该参考遮光象元Rs 电性连接的一个第二开关元件128。所述控制单元160经第一行选线111和与该第一行选线111电性连接的第一开关元件114电性连接，经第二行选线121和与该第二行选线121电性连接的第二开关元件 128电性连接，用于控制每个第一开关元件114及每个第二开关元件 128的状态。

其中，所述第一行选线111与所述第二行选线121均为多条。位于同一行的多个第一开关元件114与同一条第一行选线111电性连接，位于同一行的多个第二开关元件128与同一条第二行选线121 电性连接。

在本实施例中，所述选择输出单元150还与所述控制单元160 电性连接，用于根据所述控制单元160的控制，依次输出与每个有效象元Ra对应的积分信号。

在本实施例中，偏压信号VBN通过控制参考遮光象元Rs和有效象元Ra的偏置电压大小，来控制参考遮光象元Rs和有效象元Ra 的偏置电流大小。参考遮光象元Rs的偏置电流通过镜像电流管MP0 (即第一PMOS管)镜像给第二PMOS管MP1～MPM，与偏压管 MN1～MNM的偏置电流抵消。

由于参考遮光象元Rs和有效象元Ra结构完全一致，在通电时间相同的情况下，在不同环境温度下焦耳热也完全相同，V_COL都为偏压信号VBUS，直流电流信号不会引起输出积分电压变化，因此在可选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元Rs的情况下，无需专门设置TEC，该电路也能达到很好的性能。

关于图3及图4中的有效象元阵列单元110、备选单元120、电容跨阻放大器单元140、选择输出单元150及控制单元160的描述可以参见上文对图1～图2的描述，在此不再赘述。

在本实施例的实施方式中，图1、图3所示的红外焦平面读出电路100还可以根据实际需求包括其他单元，比如，偏置产生单元、温度检测单元等。

在本实施例中，可以理解的是，上述参考遮光象元分模块结构不仅可以应用于惠斯通电桥结构，也可以应用于电流镜抵消直流电流信号架构中，还可以应用在其他抵消有效象元直流电流信号的架构中。

本申请实施例还提供一种红外焦平面探测器，包括上述的红外焦平面读出电路100。该红外焦平面读出电路100主要功能是将红外敏感阵列的信号变化转换成电信号(其中包含积分、采样、驱动输出等环节)，在一定的帧频下获得最大的信噪比(SNR)。

综上所述，本申请实施例提供一种红外焦平面读出电路及红外焦平面探测器。该电路包括备选单元、参考盲象元单元、电容跨阻放大器单元、选择输出单元及由多个阵列排布的有效象元子单元组成的有效象元阵列单元。由于该备选单元中包括了至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块中参考遮光象元子单元的行数小于有效象元阵列单元中有效象元的行数，可从该多个备选模块中组合选出一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元作为参考象元子单元。上述设置使得从多个参考遮光象元子单元中选出一个无加工缺陷的参考遮光象元子单元的概率极大，因而该电路具有良率高的特点。并且，上述设置同时增加了获得一整列无加工缺陷的参考遮光象元子单元的概率，由此不仅可保证电路不会由于一个参考象元子单元存在加工缺陷而不能正常工作，同时无需设置TEC，即可消除电学自热效应带来的直流电流信号偏差。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外焦平面读出电路，其特征在于，包括：有效象元阵列单元、备选单元、参考盲象元单元、电容跨阻放大器单元及选择输出单元，

所述有效象元阵列单元包括多个阵列排布的有效象元子单元；其中，位于同一行的有效象元子单元电性连接；

所述备选单元包括多个模块选择开关及至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块包括与一个模块选择开关电性连接的选择子单元及与所述选择子单元电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元；其中，所述备选单元中位于同一行的参考遮光象元子单元电性连接，所述备选单元中参考遮光象元子单元的总行数与所述有效象元阵列单元中有效象元子单元的行数相同；

所述参考盲象元单元包括一行参考盲象元子单元；每个备选模块经对应的一个模块选择开关与所述一行参考盲象元中的同一个参考盲象元子单元电性连接；剩余的其它每个参考盲象元子单元与对应的一列有效象元子单元中的每个有效象元子单元电性连接；

所述电容跨阻放大器单元包括一行电容跨阻放大器，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端，该正相输入端电性连接于一个所述参考盲象元子单元与模块选择开关之间、反相输入端电性连接于对应的一个所述参考盲象元子单元与一列有效象元子单元之间、输出端与所述选择输出单元电性连接，以经所述选择输出单元依次输出与每个有效象元子单元对应的积分信号。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，所述电路还包括控制单元，所述选择子单元包括多个列选择开关，

每个列选择开关与所述备选模块中对应的一列参考遮光象元子单元中的每个参考遮光象元子单元电性连接；

所述控制单元与每个模块选择开关及每个列选择开关电性连接，用于控制每个模块选择开关及每个列选择开关的状态。

3.根据权利要求2所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，

每个有效象元子单元包括一个有效象元及与该有效象元电性连接的一个第一开关元件；

每个参考遮光象元子单元包括一个参考遮光象元及与该参考遮光象元电性连接的一个第二开关元件；

所述控制单元经第一行选线和与该第一行选线电性连接的第一开关元件电性连接，经第二行选线和与该第二行选线电性连接的第二开关元件电性连接，用于控制每个第一开关元件及每个第二开关元件的状态；其中，所述第一行选线与所述第二行选线均为多条，位于同一行的多个第一开关元件与同一条第一行选线电性连接，位于同一行的多个第二开关元件与同一条第二行选线电性连接。

4.根据权利要求2所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，所述选择输出单元还与所述控制单元电性连接，用于根据所述控制单元的控制依次输出与每个有效象元对应的积分信号。

5.根据权利要求1所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，每个所述参考盲象元子单元包括一个参考盲象元，该参考盲象元的一端与对应的一列有效象元子单元或所述模块选择开关电性连接，另一端与参考电压端电性连接。

6.一种红外焦平面读出电路，其特征在于，包括：有效象元阵列单元、备选单元、电流镜单元、电流控制单元、电容跨阻放大器单元及选择输出单元，

所述有效象元阵列单元包括多个阵列排布的有效象元子单元；其中，位于同一行的有效象元子单元电性连接；

所述备选单元包括多个模块选择开关及至少一列备选模块，每列备选模块中包括至少两个备选模块，每个备选模块包括与一个模块选择开关电性连接的选择子单元及与所述选择子单元电性连接的多个阵列排布的参考遮光象元子单元；其中，所述备选单元中位于同一行的参考遮光象元子单元电性连接，所述备选单元中参考遮光象元子单元的总行数与所述有效象元阵列单元中有效象元子单元的行数相同；

所述电流镜单元包括一行PMOS管，所述电流控制单元包括一行NMOS管；所述一行PMOS管中包括一个第一PMOS管及多个第二PMOS管，第一PMOS管经对应的一个NMOS管及模块选择开关与每个备选模块电性连接，每个第二PMOS管分别经一个NMOS管与对应的一列有效象元子单元中的每个有效象元子单元电性连接；其中，第一PMOS管的栅极与漏极电性连接，并经栅极与每个第二PMOS管的栅极电性连接；每个NMOS管的栅极分别与第一偏置电压输入端电性连接；

所述电容跨阻放大器单元包括一行电容跨阻放大器，每个电容跨阻放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端，所有正相输入端与第二偏置电压输入端电性连接、该反相输入端电性连接于对应的一个第二PMOS管与一个NMOS管之间、输出端与所述选择输出单元电性连接，以经所述选择输出单元依次输出与每个有效象元子单元对应的积分信号。

7.根据权利要求6所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，所述电路还包括控制单元，所述选择子单元包括多个列选择开关，

每个列选择开关与所述备选模块中对应的一列参考遮光象元子单元中的每个参考遮光象元子单元电性连接；

所述控制单元与每个模块选择开关及每个列选择开关电性连接，用于控制每个模块选择开关及每个列选择开关的状态。

8.根据权利要求7所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，

每个有效象元子单元包括一个有效象元及与该有效象元电性连接的一个第一开关元件；

每个参考遮光象元子单元包括一个参考遮光象元及与该参考遮光象元电性连接的一个第二开关元件；

所述控制单元经第一行选线和与该第一行选线电性连接的第一开关元件电性连接，经第二行选线和与该第二行选线电性连接的第二开关元件电性连接，用于控制每个第一开关元件及每个第二开关元件的状态；其中，所述第一行选线与所述第二行选线均为多条，位于同一行的多个第一开关元件与同一条第一行选线电性连接，位于同一行的多个第二开关元件与同一条第二行选线电性连接。

9.根据权利要求7所述的红外焦平面读出电路，其特征在于，所述选择输出单元还与所述控制单元电性连接，用于根据所述控制单元的控制依次输出与每个有效象元对应的积分信号。

10.一种红外焦平面探测器，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的红外焦平面读出电路。