CN210513428U - 一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，包括微辐射热计单元电路阵列、列级放大电路以及偏压稳定电路；其中：微辐射热计单元电路阵列，将微辐射热计逐行选通，接入读出通道；列级放大电路为微辐射热计提供偏压并将感应电流滤波、放大并转换为输出电压，然后逐行逐列输出到片外；偏压稳定电路在微辐射热计单元换行时引入自适应驱动电压，提供换行所需的驱动电流，保证偏压快速稳定。本实用新型的非制冷红外焦平面读出电路能够在低温工作时快速稳定，保证最大积分时间以便降低探测器的NETD。

Description

一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路

技术领域

本实用新型涉及红外成像技术，特别是涉及红外成像技术中的一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路。

背景技术

目前，非制冷红外成像技术在军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用。作为非制冷红外成像技术核心的红外焦平面阵列，包括红外探测器阵列和读出电路两部分。其中，微测辐射热计焦平面阵列(FPA)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，其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。

微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构。桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面由两条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，桥墩电学上连接到微测辐射热计下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。

读出电路的作用则是完成微测辐射热计(以下简称像元)信号的处理和读出，读出电路对红外成像系统的性能有重要影响。近年来，用户对红外焦平面阵列探测器的要求越来越高，像元尺寸越来越小，从35um逐渐缩减到25um、20um、17um、 12um，甚至10um。为了尽量加大感光面积，保证填充因子，每列相邻的像元需要首尾相连，共用桥墩，减小桥墩的面积。这种连接方式造成的问题就是在像元选通节点由像元电阻和寄生电容形成了一个巨大的时间常数，导致低温工作时，稳定时间特别长，探测器NETD性能下降。为此，需要设计偏压稳定电路来解决共用桥墩连接下，像元偏压在低温稳定时间长的问题。

实用新型内容

在下文中给出了关于本实用新型的技术方案的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本实用新型解决的技术问题是提供多种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，能够在低温工作时快速稳定，保证最大积分时间以便降低探测器的NETD。

一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于包括微辐射热计单元电路阵列、列级放大电路以及偏压稳定电路；其中：

所述微辐射热计单元电路阵列，将微辐射热计逐行选通，接入读出通道；所述列级放大电路为微辐射热计提供偏压并将感应电流滤波、放大并转换为输出电压，然后逐行逐列输出到片外；所述偏压稳定电路在微辐射热计单元换行时引入自适应驱动电压，提供换行所需的驱动电流，保证偏压快速稳定。

进一步地，所述列级放大电路包括热学短路微测辐射热计电阻Rd、饱和管 M1、饱和管M2、运放opint、积分电容C及其复位开关￠rst，其中热学短路微测辐射热计电阻Rd的输入为偏压Vsk、饱和管M2的输入为偏压Veb、饱和管M1 的输入为偏压Vfid、运放opint的输入为偏压Vref；所述微辐射热计单元电路阵列包括测辐射热计电阻Rs[i]、选择开关Sel[i]，其中i∈[0,N-1]；所述微辐射热计单元电路阵列上下相互连接构成了1列微辐射热计阵列，每个微辐射热计都是首尾相连在一起的；所述偏压稳定电路包括钳位电压产生电路、驱动运放和钳位开关swc；所述钳位电压产生电路包括电阻Rdm2、电阻Rsm2、饱和管M1m2、饱和管M2m2以及常通开关；所述钳位电压产生电路的输出电压Vclamp，通过驱动运放和开关swc将节点VsN的电压钳制为Vclamp；所述钳位开关可以用NMOS 开关或者PMOS开关亦或者CMOS传输门来实现；所述电阻Rdm2一端连接电压Vsk，另一端连接饱和管M2m2的源端，所述电阻Rdm2既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻或者阱电阻；所述饱和管M2m2 的源端接偏压Veb；所述饱和管M1m2的源端和漏端均与饱和管M2m2的漏端相连，而饱和管M1m2则通过常通的开关连接到电阻Rsm2；所述常通开关是为了与所述微辐射热计单元电路阵列匹配；所述电阻Rsm2的类型与电阻Rdm2相同，既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻或者阱电阻。

进一步地，所述钳位电压产生电路、驱动运放所有像元共用一个，而钳位开关则是每列一个，共M个。

通过以下结合附图对本实用新型的优选实施例的详细说明，本实用新型的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

为了进一步阐述本实用新型的以上和其它优点和特征，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。具有相同的功能和结构的元件用相同的参考标号表示。应当理解，这些附图仅描述本实用新型的典型示例，而不应看作是对本实用新型的范围的限定。

在附图中：

图1是本实用新型提供的第一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路实例；

图2是本实用新型提供的第二种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路实例；

图3是本实用新型提供的快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路工作时序实例。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

本实用新型的一个方面提供一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，包括：微辐射热计单元电路阵列、读出通道和偏压稳定电路。微辐射热计(简称探测器)单元电路，所述微辐射热计单元电路阵列将微辐射热计逐行选通，接入读出通道；读出通道，所述读出通道为微辐射热计提供偏压并将感应电流滤波、放大并转换为输出电压，然后逐行逐列输出到片外；偏压稳定电路，所述偏压稳定电路在微辐射热计单元换行时引入自适应驱动电压，提供换行所需的驱动电流，保证偏压快速稳定。

如在前面背景技术部分所述，作为非制冷红外成像技术核心的红外焦平面阵列，包括红外探测器阵列和读出电路两部分。本实用新型的读出电路阵列为了保证低温下最大积分时间，巧妙地设计了偏压稳定电路，保证探测器敏感像元偏压快速稳定，从而降低了NETD。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

图1是快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路简介。图1主要包含三部分，第一部分是微辐射热计单元电路阵列20，第二部分是列级放大电路10，第三部分偏压稳定电路30.对于N行M列分辨率的探测器，探测器一共包含了N行M 列像元单元电路，而列级放大电路10的个数的M。每列放大电路10与一列N行微辐射热计单元电路阵列20连接。列级放大电路主要包括热学短路微测辐射热计电阻Rd、饱和管M1和M2、运放opint、积分电容C及其开关和偏压Vsk、Veb、 Vfid和Vref等。微辐射热计单元电路阵列包括测辐射热计电阻Rs[i]、选择开关Sel[i]，其中i∈[0,N-1]。单元电路上下相互连接就构成了1列微辐射热计阵列。为了尽量增大微辐射热计像元的面积，每个微辐射热计都是首尾相连在一起的，这种连接方式简称“共用桥墩”。在共用桥墩的连接方式下，由于像元电阻和寄生电容，列选节点VsN拥有一个很大的稳定时间。本实用新型的核心是通过引入偏压稳定电路30，将列选节点VsN的低温稳定时间大大缩短。偏压稳定电路包括钳位电压产生电路、驱动运放和钳位开关swc。钳位电压产生电路产生了电压Vclamp，通过驱动运放和开关swc将节点VsN的电压钳制为Vclamp。驱动运放的强大电流输出能力保证VsN在换行时能够快速稳定到目标值，降低了低温稳定时间。钳位电压产生电路、驱动运放所有像元共用一个即可，而钳位开关则是每列一个，共M个。钳位开关可以用NMOS开关、PMOS开关或者CMOS传输门或者别的方式来实现。钳位电压产生电路包括电阻Rdm2、Rsm2、饱和管M1m2 和M2m2，Rdm2一端连接电压Vsk，另一端连接M2m2的源端，Rdm2既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻、阱电阻等等。饱和管M2m2的源端与列级放大电路10一样，接偏压Veb，以便二者的工作状态实现匹配。饱和管M1m2是一种二极管接法的，源端和漏端均为M2m2的漏端相连，而M1m2则通过常通的开关连接到电阻Rsm2。常通开关是为了与微辐射热计单元电路阵列20匹配。Rsm2的类型与Rdm2相同，既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻、阱电阻等等。钳位电压产生电路还可以有其他形式，比如直接从片外引入偏压等等。只要是换行时或者积分开始之前，通过驱动运放和开关将像元节点电压钳位到特定值就属于本专利的范畴。

图2是本实用新型提供的第二种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路实例。与图1相比，图2增加了微测辐射热计镜像电路40，镜像电路结构与微辐射热计单元电路阵列20、列级放大电路10基本相同，不过镜像电路的面积是单元电路阵列20、列级放大电路10的K倍(比如36倍)。同时，列级放大电路 10的Vfid电压由镜像电路40提供。在镜像电路40中，电阻Rdm一端接Vsk，另一端接饱和管M2m1的源端。而M2m1的栅端接Veb，漏端与饱和管M1m1的漏端及栅端短接，该电压即为Vfid电压输出。M1m1的源端接微测辐射热计电阻Rsm 阵列，其结构与Rs完全相同。电阻Rdm和Rsm可以是敏感微测辐射热计电阻、盲微测辐射热计电阻，也可以是集成电路中的多晶硅电阻、阱电阻等。M1m1的源端也通过开关swc连接到Vclamp的buffer输出。镜像电路40中M1m1的源端可以与列级放大电路10中M1的源端短接，也可以分别各接一个开关。

图3是工作时序实例，除此之外还可以设计很多不同的工作时序。工作时序的要点是每行像元选通之前，swc开关通道，镜像电路40中M1m1的源端和列级放大电路10中M1的源端被钳位到电压Vclamp。在像元换行时，Vclamp的buffer 给所有列提供强有力的驱动能力，稳定像元偏压，避免像元偏压因为行列切换而发生剧烈的变化。在图3的实例中，sel[i]信号为行选信号，一般为不交叠或者略有交叠的信号。Swc信号控制钳位开关，在行选信号有效之前选通。行选通以后，复位信号rst有效，复位信号结束以后，积分开始。由于换行时像元偏压被钳位，所以偏压可以快速稳定，积分时间可以最大，从而降低NETD。

以下以640×512阵列红外焦平面阵列读出电路为例对本实用新型进行具体说明，但不用来限制本实用新型的范围。

如在图1的实施例中，假如Sel[1]为高，其余行选信号为低，那么读出电路通过Sel[1]将第1行像元Rs[1]的感应信号读取出来，而在此之前swc信号为高，使得VsN信号在换行期间一直为稳定值Vclamp。这就保证了积分可以尽早开始。而Vclamp由偏压产生电路生成，在高低温下可以自适应地产生大小与像元Rs匹配的偏压。因此，电路能够在低温时将积分时间加大，从而降低探测器的NETD。

以上通过具体的实施例对本实用新型进行了说明，但本实用新型并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本实用新型做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本实用新型的精神，都应在本实用新型的保护范围之内。并且，在本实用新型的结构中，各部件是可以分解和/或重新组合的，这些分解和/或重新组合应该视为本实用新型的等效方案。

Claims (7)

1.一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于包括微辐射热计单元电路阵列(20)、列级放大电路(10)以及偏压稳定电路(30)；其中：

所述微辐射热计单元电路阵列(20)，将微辐射热计逐行选通，接入读出通道；

所述列级放大电路(10)为微辐射热计提供偏压并将感应电流滤波、放大并转换为输出电压，然后逐行逐列输出到片外；

所述偏压稳定电路(30)在微辐射热计单元换行时引入自适应驱动电压，提供换行所需的驱动电流，保证偏压快速稳定。

2.如权利要求1所述的快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：

所述列级放大电路(10)包括热学短路微测辐射热计电阻Rd、饱和管M1、饱和管M2、运放opint、积分电容C及其复位开关￠rst，其中热学短路微测辐射热计电阻Rd的输入为偏压Vsk、饱和管M2的输入为偏压Veb、饱和管M1的输入为偏压Vfid、运放opint的输入为偏压Vref；

所述微辐射热计单元电路阵列(20)包括测辐射热计电阻Rs[i]、选择开关Sel[i]，其中i∈[0,N-1]；所述微辐射热计单元电路阵列(20)上下相互连接构成了1列微辐射热计阵列，每个微辐射热计都是首尾相连在一起的；

所述偏压稳定电路(30)包括钳位电压产生电路、驱动运放和钳位开关swc；

所述钳位电压产生电路包括电阻Rdm2、电阻Rsm2、饱和管M1m2、饱和管M2m2以及常通开关；

所述钳位电压产生电路的输出电压Vclamp，通过驱动运放和开关swc将节点VsN的电压钳制为Vclamp；所述钳位开关可以用NMOS开关或者PMOS开关亦或者CMOS传输门来实现；

所述电阻Rdm2一端连接电压Vsk，另一端连接饱和管M2m2的源端，所述电阻Rdm2既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻或者阱电阻；

所述饱和管M2m2的源端接偏压Veb；

所述饱和管M1m2的源端和漏端均与饱和管M2m2的漏端相连，而饱和管M1m2则通过常通的开关连接到电阻Rsm2；

所述常通开关是为了与所述微辐射热计单元电路阵列(20)匹配；

所述电阻Rsm2的类型与电阻Rdm2相同，既可以是热学短路微测辐射热计电阻，也可以是集成电路工艺制作的多晶硅电阻或者阱电阻。

3.如权利要求2所述的一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：所述钳位电压产生电路、驱动运放所有像元共用一个，而钳位开关则是每列一个，共M个。

4.如权利要求2或3所述的一种快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：还包括微测辐射热计镜像电路(40)，其镜像电路结构与微辐射热计单元电路阵列(20)、列级放大电路(10)基本相同，不过镜像电路的面积是微辐射热计单元电路阵列(20)、列级放大电路(10)的K倍；

列级放大电路(10)的Vfid电压由镜像电路(40)提供；

在镜像电路(40)中，电阻Rdm一端接Vsk，另一端接饱和管M2m1的源端；而M2m1的栅端接Veb，漏端与饱和管M1m1的漏端及栅端短接，该电压即为Vfid电压输出；

M1m1的源端接微测辐射热计电阻Rsm阵列，其结构与Rs完全相同；

电阻Rdm和电阻Rsm可以是敏感微测辐射热计电阻或者盲微测辐射热计电阻，也可以是集成电路中的多晶硅电阻或者阱电阻；

M1m1的源端也通过开关swc连接到Vclamp的buffer输出；

所述镜像电路(40)中M1m1的源端可以与列级放大电路(10)中M1的源端短接，也可以分别各接一个开关。

5.如权利要求4所述的快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：

sel[i]信号为行选信号，一般为不交叠或者略有交叠的信号；

Swc信号控制钳位开关，在行选信号有效之前选通；

行选通以后，复位信号rst有效，复位信号结束以后，积分开始。

6.如权利要求4所述的快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：所述K取值范围是1到40。

7.如权利要求6所述的快速稳定的非制冷红外焦平面读出电路，其特征在于：所述K取值36。

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