CN211824766U - 一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置 - Google Patents

一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置 Download PDF

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陈黎明
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Abstract

本实用新型涉及一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105，通过各电路模块之间的连接关系，构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。

Description

一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置
技术领域
本实用新型涉及一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，属于非制冷红外焦平面阵列读出电路领域。
背景技术
红外探测是指利用光电等手段检测物体的红外辐射信号并将其转化为电信号的一种技术。微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器利用热敏材料制作微测辐射热计像元，在红外辐射产生温升变化的条件下，从而导致自身的等效电阻改变，进而响应红外探测。微测辐射热计像元采用MEMS工艺制备，然而由于不希望的和不可避免的因素，微测辐射热计像元电阻可能会有很大的差异，产生了像元失配影响，进而出现了电路噪声和非均匀性问题，直接影响到了红外探测器实际工作中所检测信号的准确性，在最坏的情况下，这种非均匀性会使读出电路失效。因此现有技术微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器的检测精度还有待进一步提高。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。
本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，用于实现像元的红外辐射信号读取，包括偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105；
其中，偏置电路模块101包括dummy像元支路电路、以及探测像元与盲像元支路电路，用于对探测像元和盲像元进行偏置；
减法电路模块102分别接入dummy像元支路电路的输出端、探测像元与盲像元支路电路的输出端，用于针对该两条支路电路的输出进行减法操作；
第一电流镜DAC模块103接入减法电路模块102的输出端，针对减法电路模块102的输出电流预设比例进行缩放；
第二电流镜DAC模块104接入第一电流镜DAC模块103的输出端、以及偏置电路模块101中dummy像元支路电路的输出端，针对所接入电流按预设比例进行缩放；
积分放大电路模块105接入第二电流镜DAC模块104的输出端、以及偏置电路模块101中探测像元与盲像元支路电路的输出端，针对所接入电流进行积分放大，并进行输出，实现像元的红外辐射信号读取。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述偏置电路模块101中的探测像元与盲像元支路电路中，包括探测像元Rs和盲像元Rb，其中，探测像元Rs的其中一端、盲像元Rb的其中一端分别连接供电电源，探测像元Rs的另一端对接第一MOS晶体管MP1的源端，第一MOS晶体管MP1的栅端分别对接第二MOS晶体管MP2的栅端、第三MOS晶体管MP3的栅端、第四MOS晶体管MP4的栅端，第一MOS晶体管MP1的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第二输出端，同时第一MOS晶体管MP1的漏端对接第二MOS晶体管MP2的源端，第二MOS晶体管MP2的漏端接地；盲像元Rb的另一端对接第三MOS晶体管MP3的源端，第三MOS晶体管MP3的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第一输出端，同时第三MOS晶体管MP3的漏端对接第四MOS晶体管MP4的源端，第四MOS晶体管MP4的漏端接地。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述偏置电路模块101中的dummy像元支路电路中，包括第一参考像元Rb1和第二参考像元Rb2，其中，第一参考像元Rb1的其中一端、第二参考像元Rb2的其中一端分别连接供电电源，第一参考像元Rb1的另一端对接第五MOS晶体管MP5的源端，第五MOS晶体管MP5的栅端分别对接第六MOS晶体管MP6的栅端、第七MOS晶体管MP7的栅端、第八MOS晶体管MP8的栅端，第五MOS晶体管MP5的漏端构成dummy像元支路电路的第一输出端，同时第五MOS晶体管MP5的漏端对接第六MOS晶体管MP6的源端，第六MOS晶体管MP6的漏端接地；第二参考像元Rb2的另一端对接第七MOS晶体管MP7的源端，第七MOS晶体管MP7的漏端构成dummy像元支路电路的第二输出端，同时第七MOS晶体管MP7的漏端对接第八MOS晶体管MP8的源端，第八MOS晶体管MP8的漏端接地。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述减法电路模块102中包括运算放大器A1，其中，运算放大器A1的正极输入端分别对接第三半导体电阻R3的其中一端、第五半导体电阻R5的其中一端，第五半导体电阻R5的另一端接地，第三半导体电阻R3的另一端分别对接所述探测像元与盲像元支路电路的第一输出端、以及第一半导体电阻R1的其中一端，第一半导体电阻R1的另一端接地；运算放大器A1的负极输入端分别对接第四半导体电阻R4的其中一端、第六半导体电阻R6的其中一端，第四半导体电阻R4的另一端分别对接所述dummy像元支路电路的第一输出端、以及第二半导体电阻R2的其中一端，第二半导体电阻R2的另一端接地；运算放大器A1的输出端构成减法电路模块102的输出端，同时运算放大器A1的输出端分别对接第六半导体电阻R6的另一端、第七半导体电阻R7的其中一端，第七半导体电阻R7的另一端接地。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述第二电流镜DAC模块104包括第十一MOS晶体管MP11和第十二MOS晶体管MP12，其中，第十一MOS晶体管MP11的漏端与其栅端相连接、并构成第二电流镜DAC模块104的输入端，该输入端对接所述dummy像元支路电路的第二输出端、以及第一电流镜DAC模块103的输出端，同时，第十一MOS晶体管MP11的栅端对接第十二MOS晶体管MP12的栅端，第十一MOS晶体管MP11的源端串联第八半导体电阻R8后、并接地；第十二MOS晶体管MP12的源端串联第九半导体电阻R9后、并接地，第十二MOS晶体管MP12的漏端构成第二电流镜DAC模块104的输出端。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述积分放大电路模块105包括运算放大器A2，其中，运算放大器A2的正极输入端接入预设校正电压Vref，运算放大器A2的负极输入端串联第十半导体电阻R10后、构成积分放大电路模块105的输入端，该输入端对接探测像元与盲像元支路电路的第二输出端、以及所述第二电流镜DAC模块104的输出端，同时运算放大器A2的负极输入端分别对接电容Cint的其中一端、控制开关Srst的其中一端，电容Cint的另一端、控制开关Srst的另一端、运算放大器A2的输出端三者相连，并构成积分放大电路模块105的输出端。
作为本实用新型的一种优选技术方案：所述第一电流镜DAC模块103中包括第九MOS晶体管MP9和第十MOS晶体管MP10，其中，第九MOS晶体管MP9的源端、第十MOS晶体管MP10的源端分别连接供电电源，第九MOS晶体管MP9的漏端与其栅端相连、并构成第一电流镜DAC模块103的输入端，同时第九MOS晶体管MP9的栅端对接第十MOS晶体管MP10的栅端，第十MOS晶体管MP10的漏端构成第一电流镜DAC模块103输出端。
本实用新型所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本实用新型所设计弱化像元失配影响的光电传感检测装置，构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105，通过各电路模块之间的连接关系，构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。
附图说明
图1是本实用新型所设计弱化像元失配影响的光电传感检测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
本实用新型所设计一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，用于实现像元的红外辐射信号读取，如图1所示，具体包括偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105。
其中，偏置电路模块101包括dummy像元支路电路、以及探测像元与盲像元支路电路，用于对探测像元和盲像元进行偏置；
减法电路模块102分别接入dummy像元支路电路的输出端、探测像元与盲像元支路电路的输出端，用于针对该两条支路电路的输出进行减法操作；
第一电流镜DAC模块103接入减法电路模块102的输出端，针对减法电路模块102的输出电流预设比例进行缩放；
第二电流镜DAC模块104接入第一电流镜DAC模块103的输出端、以及偏置电路模块101中dummy像元支路电路的输出端，针对所接入电流按预设比例进行缩放；
积分放大电路模块105接入第二电流镜DAC模块104的输出端、以及偏置电路模块101中探测像元与盲像元支路电路的输出端，针对所接入电流进行积分放大，并进行输出，实现像元的红外辐射信号读取。
基于上述所设计偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105之间的连接，进一步具体设计了各电路模块的细节电路结构，其中，偏置电路模块101中的探测像元与盲像元支路电路中，包括探测像元Rs和盲像元Rb，其中，探测像元Rs的其中一端、盲像元Rb的其中一端分别连接供电电源，探测像元Rs的另一端对接第一MOS晶体管MP1的源端，第一MOS晶体管MP1的栅端分别对接第二MOS晶体管MP2的栅端、第三MOS晶体管MP3的栅端、第四MOS晶体管MP4的栅端，第一MOS晶体管MP1的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第二输出端，同时第一MOS晶体管MP1的漏端对接第二MOS晶体管MP2的源端，第二MOS晶体管MP2的漏端接地；盲像元Rb的另一端对接第三MOS晶体管MP3的源端，第三MOS晶体管MP3的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第一输出端，同时第三MOS晶体管MP3的漏端对接第四MOS晶体管MP4的源端，第四MOS晶体管MP4的漏端接地。
偏置电路模块101中的dummy像元支路电路中，包括第一参考像元Rb1和第二参考像元Rb2，其中，第一参考像元Rb1的其中一端、第二参考像元Rb2的其中一端分别连接供电电源，第一参考像元Rb1的另一端对接第五MOS晶体管MP5的源端，第五MOS晶体管MP5的栅端分别对接第六MOS晶体管MP6的栅端、第七MOS晶体管MP7的栅端、第八MOS晶体管MP8的栅端，第五MOS晶体管MP5的漏端构成dummy像元支路电路的第一输出端，同时第五MOS晶体管MP5的漏端对接第六MOS晶体管MP6的源端，第六MOS晶体管MP6的漏端接地；第二参考像元Rb2的另一端对接第七MOS晶体管MP7的源端，第七MOS晶体管MP7的漏端构成dummy像元支路电路的第二输出端，同时第七MOS晶体管MP7的漏端对接第八MOS晶体管MP8的源端，第八MOS晶体管MP8的漏端接地。
减法电路模块102中包括运算放大器A1，其中，运算放大器A1的正极输入端分别对接第三半导体电阻R3的其中一端、第五半导体电阻R5的其中一端，第五半导体电阻R5的另一端接地，第三半导体电阻R3的另一端分别对接所述探测像元与盲像元支路电路的第一输出端、以及第一半导体电阻R1的其中一端，第一半导体电阻R1的另一端接地；运算放大器A1的负极输入端分别对接第四半导体电阻R4的其中一端、第六半导体电阻R6的其中一端，第四半导体电阻R4的另一端分别对接所述dummy像元支路电路的第一输出端、以及第二半导体电阻R2的其中一端，第二半导体电阻R2的另一端接地；运算放大器A1的输出端构成减法电路模块102的输出端，同时运算放大器A1的输出端分别对接第六半导体电阻R6的另一端、第七半导体电阻R7的其中一端，第七半导体电阻R7的另一端接地。
第一电流镜DAC模块103中包括第九MOS晶体管MP9和第十MOS晶体管MP10，其中，第九MOS晶体管MP9的源端、第十MOS晶体管MP10的源端分别连接供电电源，第九MOS晶体管MP9的漏端与其栅端相连、并构成第一电流镜DAC模块103的输入端，同时第九MOS晶体管MP9的栅端对接第十MOS晶体管MP10的栅端，第十MOS晶体管MP10的漏端构成第一电流镜DAC模块103输出端。
第二电流镜DAC模块104包括第十一MOS晶体管MP11和第十二MOS晶体管MP12，其中，第十一MOS晶体管MP11的漏端与其栅端相连接、并构成第二电流镜DAC模块104的输入端，该输入端对接所述dummy像元支路电路的第二输出端、以及第一电流镜DAC模块103的输出端，同时，第十一MOS晶体管MP11的栅端对接第十二MOS晶体管MP12的栅端，第十一MOS晶体管MP11的源端串联第八半导体电阻R8后、并接地；第十二MOS晶体管MP12的源端串联第九半导体电阻R9后、并接地，第十二MOS晶体管MP12的漏端构成第二电流镜DAC模块104的输出端。
积分放大电路模块105包括运算放大器A2，其中，运算放大器A2的正极输入端接入预设校正电压Vref，运算放大器A2的负极输入端串联第十半导体电阻R10后、构成积分放大电路模块105的输入端，该输入端对接探测像元与盲像元支路电路的第二输出端、以及所述第二电流镜DAC模块104的输出端，同时运算放大器A2的负极输入端分别对接电容Cint的其中一端、控制开关Srst的其中一端，电容Cint的另一端、控制开关Srst的另一端、运算放大器A2的输出端三者相连，并构成积分放大电路模块105的输出端。
将本实用新型所设计弱化像元失配影响的光电传感检测装置，应用于实际当中，如图1所示，假设在初始温度下，由于MEMS工艺误差，当探测像元Rs的电阻R's与盲像元Rb的电阻R'b之比为：
Figure BDA0002463044180000061
即获得探测像元Rs的电阻R's与盲像元Rb的电阻R'b之比为(1+k):1。实际应用中，直流偏置电流IDC、由于自热效应导致电流改变ΔISH、由于红外辐射热量导致电流改变ΔIIR：
Figure BDA0002463044180000062
其中，Vbias为像元偏置电压，R0为像元的初始电阻值，α为电阻温度系数，Cth、Rth为像元桥腿的热学常数，PIR为探测像元吸收的红外辐射能量。
即如图1所示，故经过盲像元Rb的电流Ib＝IDC+ΔISH；经过探测像元Rs的电流
Figure BDA0002463044180000063
接着减法电路模块102首先将电流IDC和Ib分别在半导体电阻R2、半导体电阻R1上转换成电压，然后经减法电路得到差值电压，最后将差值电压经半导体电阻R7转换成电流ΔISH，并输向至第一电流镜DAC模块103，由第一电流镜DAC模块103针对电流ΔISH，按1:(1+k)进行比例缩放，得到镜像电流ΔISH/(1+k)，并继续输送至第二电流镜DAC模块104中。
在第二电流镜DAC模块104中，首先实现电流IDC和镜像电流ΔISH/(1+k)的相加，然后将得到的总电流IDC+ΔISH/(1+k)，按1:(1+k)进行比例缩放，得到镜像电流IDC/(1+k)+ΔISH/(1+k)2，并继续输送至积分放大电路模块105中。
在积分放大电路模块105中，针对电流Is和镜像电流IDC/(1+k)+ΔISH/(1+k)2进行作差，并实现微小差值电流的积分放大，最终得到进行了像元失配校正的输出电压Vout。
上述技术方案所设计弱化像元失配影响的光电传感检测装置，构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105，通过各电路模块之间的连接关系，构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，用于实现像元的红外辐射信号读取，其特征在于：包括偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105；
其中，偏置电路模块101包括dummy像元支路电路、以及探测像元与盲像元支路电路，用于对探测像元和盲像元进行偏置；
减法电路模块102分别接入dummy像元支路电路的输出端、探测像元与盲像元支路电路的输出端，用于针对该两条支路电路的输出进行减法操作；
第一电流镜DAC模块103接入减法电路模块102的输出端，针对减法电路模块102的输出电流预设比例进行缩放；
第二电流镜DAC模块104接入第一电流镜DAC模块103的输出端、以及偏置电路模块101中dummy像元支路电路的输出端，针对所接入电流按预设比例进行缩放；
积分放大电路模块105接入第二电流镜DAC模块104的输出端、以及偏置电路模块101中探测像元与盲像元支路电路的输出端，针对所接入电流进行积分放大，并进行输出，实现像元的红外辐射信号读取。
2.根据权利要求1所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述偏置电路模块101中的探测像元与盲像元支路电路中，包括探测像元Rs和盲像元Rb，其中，探测像元Rs的其中一端、盲像元Rb的其中一端分别连接供电电源，探测像元Rs的另一端对接第一MOS晶体管MP1的源端，第一MOS晶体管MP1的栅端分别对接第二MOS晶体管MP2的栅端、第三MOS晶体管MP3的栅端、第四MOS晶体管MP4的栅端，第一MOS晶体管MP1的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第二输出端，同时第一MOS晶体管MP1的漏端对接第二MOS晶体管MP2的源端，第二MOS晶体管MP2的漏端接地；盲像元Rb的另一端对接第三MOS晶体管MP3的源端，第三MOS晶体管MP3的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第一输出端，同时第三MOS晶体管MP3的漏端对接第四MOS晶体管MP4的源端，第四MOS晶体管MP4的漏端接地。
3.根据权利要求2所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述偏置电路模块101中的dummy像元支路电路中，包括第一参考像元Rb1和第二参考像元Rb2，其中，第一参考像元Rb1的其中一端、第二参考像元Rb2的其中一端分别连接供电电源，第一参考像元Rb1的另一端对接第五MOS晶体管MP5的源端，第五MOS晶体管MP5的栅端分别对接第六MOS晶体管MP6的栅端、第七MOS晶体管MP7的栅端、第八MOS晶体管MP8的栅端，第五MOS晶体管MP5的漏端构成dummy像元支路电路的第一输出端，同时第五MOS晶体管MP5的漏端对接第六MOS晶体管MP6的源端，第六MOS晶体管MP6的漏端接地；第二参考像元Rb2的另一端对接第七MOS晶体管MP7的源端，第七MOS晶体管MP7的漏端构成dummy像元支路电路的第二输出端，同时第七MOS晶体管MP7的漏端对接第八MOS晶体管MP8的源端，第八MOS晶体管MP8的漏端接地。
4.根据权利要求3所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述减法电路模块102中包括运算放大器A1，其中，运算放大器A1的正极输入端分别对接第三半导体电阻R3的其中一端、第五半导体电阻R5的其中一端，第五半导体电阻R5的另一端接地，第三半导体电阻R3的另一端分别对接所述探测像元与盲像元支路电路的第一输出端、以及第一半导体电阻R1的其中一端，第一半导体电阻R1的另一端接地；运算放大器A1的负极输入端分别对接第四半导体电阻R4的其中一端、第六半导体电阻R6的其中一端，第四半导体电阻R4的另一端分别对接所述dummy像元支路电路的第一输出端、以及第二半导体电阻R2的其中一端，第二半导体电阻R2的另一端接地；运算放大器A1的输出端构成减法电路模块102的输出端，同时运算放大器A1的输出端分别对接第六半导体电阻R6的另一端、第七半导体电阻R7的其中一端，第七半导体电阻R7的另一端接地。
5.根据权利要求3或4所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述第二电流镜DAC模块104包括第十一MOS晶体管MP11和第十二MOS晶体管MP12，其中，第十一MOS晶体管MP11的漏端与其栅端相连接、并构成第二电流镜DAC模块104的输入端，该输入端对接所述dummy像元支路电路的第二输出端、以及第一电流镜DAC模块103的输出端，同时，第十一MOS晶体管MP11的栅端对接第十二MOS晶体管MP12的栅端，第十一MOS晶体管MP11的源端串联第八半导体电阻R8后、并接地；第十二MOS晶体管MP12的源端串联第九半导体电阻R9后、并接地，第十二MOS晶体管MP12的漏端构成第二电流镜DAC模块104的输出端。
6.根据权利要求5所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述积分放大电路模块105包括运算放大器A2，其中，运算放大器A2的正极输入端接入预设校正电压Vref，运算放大器A2的负极输入端串联第十半导体电阻R10后、构成积分放大电路模块105的输入端，该输入端对接探测像元与盲像元支路电路的第二输出端、以及所述第二电流镜DAC模块104的输出端，同时运算放大器A2的负极输入端分别对接电容Cint的其中一端、控制开关Srst的其中一端，电容Cint的另一端、控制开关Srst的另一端、运算放大器A2的输出端三者相连，并构成积分放大电路模块105的输出端。
7.根据权利要求1所述一种弱化像元失配影响的光电传感检测装置，其特征在于：所述第一电流镜DAC模块103中包括第九MOS晶体管MP9和第十MOS晶体管MP10，其中，第九MOS晶体管MP9的源端、第十MOS晶体管MP10的源端分别连接供电电源，第九MOS晶体管MP9的漏端与其栅端相连、并构成第一电流镜DAC模块103的输入端，同时第九MOS晶体管MP9的栅端对接第十MOS晶体管MP10的栅端，第十MOS晶体管MP10的漏端构成第一电流镜DAC模块103输出端。
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