CN219372415U

CN219372415U - 一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路

Info

Publication number: CN219372415U
Application number: CN202223554226.5U
Authority: CN
Inventors: 付正男; 曹博; 江可佳; 沈寒松
Original assignee: Jiangsu Geim Nano Materials Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Geim Nano Materials Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2032-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，使用两步SS‑ADC结构并采用吉尔伯特小区混频器结构的四输入比较器作列级ADC的比较器。使用四输入比较器对粗斜坡和细斜坡应用不同的输入来执行A/D转换，这个过程相当于传统的两步SS‑ADC。本实用新型提出的两步SS‑ADC的优点为：因为Vref被连续地转移到比较器，偏移误差不会产生，且消除了串行电容。由于这个原因，细斜坡坡度的变化不会产生。在这个体系结构中，保持电容器Cfb仅用于粗斜坡上的保持。因此，细斜坡斜率不受寄生电容器的影响，此外，还可以降低耦合噪声因素。

Description

一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本实用新型涉及红外探测技术领域，具体涉及一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路。

背景技术

红外探测技术是光电探测技术的一种，由于其出色的环境适应能力，优异的目标捕捉及识别能力等优点，被广泛应用于军事、工业、医疗、天文等多种领域。随着红外探测技术的不断发展，对红外焦平面以及红外焦平面读出电路提出了更高的需求，其中，更小像元和更大阵列的读出电路(ROIC，ReadOut Integrated Circuit)是一个重要的研发方向。

经历几十年的发展，第一代红外探测器主要为单元或多元探测器，信号处理电路为分立元件构成，同时使用过程中需要配合极为复杂的光学机械扫描系统来获得红外图像，使用场景受到限制。第二代红外焦平面应用了集成电路的制造和加工工艺及微机电系统，同时像元规模达到了万级甚至百万量级，采用ROIC处理像元产生的光电流信号，可以对所有像元进行同时曝光和积分，并加入多种数字控制，实现多种功能，例如任意开窗、带宽、功耗等可控功能，电路在低温下运行，电路的噪声更低。但是由于技术限制，传统基于TDI(Time Delay Integration时间延迟积分)的扫描阵列ROIC多以纯模拟电路构成。模拟ROIC通常需要非常仔细的信号路径以求在动态范围、信噪比、功率消耗、电荷处理能力之间的妥协。而且，由于信号链路过于冗长，很难实现大规模读出电路阵列。另外，模拟ROIC由于其高动态范围所需要的高摆幅放大器需要占用较大面积而无法实现在像素内被集成，几乎所有模拟ROIC都占据了大像素面积，并且消耗了大量功耗，它们的电荷处理能力也受到限制。

随着技术发展，科学家提出未来第三代红外焦平面的主要特点有双色/多色支持(中长短波)、像元规模将达到1k、2k、4k、高灵敏度、高电荷处理能力、可调帧频、支持数模转换等。数字化读出电路结构是解决高动态范围的一种方法。目前，读出电路数字化有三种方式：芯片级、行列级以及像素级ADC(ADC即模数转换器，整个读出电路的数字化部分可以视为一个ADC)。由于面积限制，在像素大小的面积中难以实现常用的流水线型、逐次逼近型、Sigma-delta型ADC，从而限制了片上ADC的大规模集成。列级ADC中的每个ADC仅对一行的模拟信号进行转换，多个ADC可以同时进行模数转换，因此ADC结构对转换速度的要求比较低。虽然，应用列级ADC的ROIC的帧率没有应用像素级ADC的高，但是应用列级ADC的ROIC可以在阵列规模、功耗、精度上取得更好成绩，更容易应用于复杂场景。

现有技术中，部分读出电路以全模拟阵列搭配少量数字部分。全模拟电路的信号容易受到串扰，并且积分电容过大导致无法在像素内集成，从而也限制了单位像素尺寸。并且，由于输出级为模拟输出接口，在实际应用中，通常需要搭配片外ADC，这无疑增加了系统的复杂度。因此，现有的红外焦平面阵列读出电路具有的功耗大、精度低、阵列规模小、稳定性第、复杂度高的问题亟待解决。

实用新型内容

本实用新型提供了一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，通过对光电流直接作数字化动态采集，极大减小了芯片功耗，提高了动态范围，减小了读出噪声，提高了像素阵列的规模。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

提供一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，包括像素级电路阵列1、像素注入级电路2、列级两步量化电路3、片外斜坡电压生成电路4以及计数器和存储电路5，所述像素级电路阵列外接红外探测器以将所述红外探测器互联到读出电路；所述像素注入级电路连接所述像素级电路阵列，以将所述红外探测器探测到的光电流输入给所述列级两步量化电路以转换为积分电容电压；所述列级两步量化电路连接所述像素注入级电路和所述片外斜坡电压生成电路，用于将所述片外斜坡电压生成电路输入的斜坡电压与所述积分电容电压进行比较以实现对所述积分电容电压的模数转换；所述计数器和存储电路连接所述列级两步量化电路，用于对读出电路的数字输出进行计数并存储计数结果。

作为优选，所述列级两步量化电路包括积分电容Cint、电容C1、电容Cfb以及列级四通道比较器电路31，所述电容C1的一端连接所述列级四通道比较器电路的第一输入端311，另一端作为所述列级两步量化电路的输入端连接所述像素注入级电路的输出端；所述积分电容Cint的一端串接所述电容C1后连接所述第一输入端311，另一端接地；所述电容Cfb的一端连接所述列级四通道比较器电路的第四输入端314，另一端接地；所述列级四通道比较器电路的第二输入端312外接电压Vref，第三输入端313连接所述片外斜坡电压生成电路的细量化斜坡电压Vf的输出端，第四输入端314连接所述片外斜坡电压生成电路的粗量化斜坡电压Vc的输出端。

作为优选，所述列级四通道比较器电路为吉尔伯特四输入比较器。

作为优选，所述像素级电路阵列将所述红外探测器通过铟柱互联到读出电路中。

作为优选，所述细量化斜坡电压Vf的最大值为粗量化阶段一个台阶的总体值。

作为优选，所述细量化斜坡电压Vf的位数为4bit。

作为优选，所述细量化斜坡电压Vf和所述外接电压Vref分别接入在所述吉尔伯特四输入比较器中的吉尔伯特单元的同一侧的两个输入端；所述粗量化斜坡电压Vc和所述积分电容Cint的积分电压Vin分别连接在所述吉尔伯特单元的另一侧的两个输入端。

本实用新型使用两步SS-ADC结构并采用吉尔伯特小区混频器结构的四输入比较器作列级ADC的比较器。使用四输入比较器对粗斜坡和细斜坡应用不同的输入来执行A/D转换，这个过程相当于传统的两步SS-ADC。本实用新型提出的两步SS-ADC的优点为：因为Vref被连续地转移到比较器，偏移误差不会产生，且消除了串行电容。由于这个原因，细斜坡坡度的变化不会产生。在这个体系结构中，保持电容器即寄生电容Cfb仅用于粗斜坡上的保持。因此，细斜坡斜率不受寄生电容器的影响，此外，还可以降低耦合噪声因素。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路的结构原理图；

图2是本发明一实施例提供的小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路的结构示意图；

图3是读出电路单位像素读出时序图；

图4是吉尔伯特四输入比较器的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，如图1和图2所示，包括像素级阵列电路1、像素注入级电路2、列级两步量化电路3、片外斜坡电压生成电路4以及计数器和存储电路5，其中列级两步量化电路3包括积分电容Cint、电容C1、电容Cfb以及列级四通道比较器电路31，电容C1的一端连接列级四通道比较器电路的第一输入端311，另一端作为列级两步量化电路的输入端连接像素注入级电路的输出端；积分电容Cint的一端串接电容C1后连接第一输入端311，另一端接地；电容Cfb的一端连接列级四通道比较器电路的第四输入端314，另一端接地；列级四通道比较器电路的第二输入端312外接电压Vref，第三输入端313连接片外斜坡电压生成电路的粗量化斜坡电压Vf的输出端，第四输入端314连接片外斜坡电压生成电路的细量化斜坡电压Vc的输出端。

其中，像素级电路阵列通过铟柱将红外探测器互联到读出电路中；

像素注入级电路连接像素级电路阵列，以将红外探测器探测到的光电流输入给列级两步量化电路以转换为积分电容电压(积分电容为图1中的Cint)；

列级两步量化电路连接像素注入级电路和片外斜坡电压生成电路，用于将片外斜坡电压生成电路输入的斜坡电压与积分电容电压进行比较以实现对积分电容电压的模数转换；

计数器和存储电路连接列级两步量化电路，用于对读出电路的数字输出进行计数并存储计数结果。

具体而言，图1所示的读出电路读出光电流信号的过程分为三个阶段：积分阶段、粗量化阶段和细量化阶段。在积分阶段中，中波红外直射于探测器从而使探测器产生光电流I_det，I_det通过图1中所示的注入管21并通过Vb偏置注入到后级处理电路中。I_det不断流入图1中的积分电容Cint，Cint电压代表了在固定时间内I_det的大小。

积分阶段结束，开启粗量化阶段。粗量化阶段，图1中所示的粗量化斜坡电压Vf不断降低，当Cint的电压小于粗量化斜坡电压Vc的电压时，四输入比较器31进行比较，比较器的输出Vout切换，并使能粗量化写入信号WL(图1中的Sync&FB control，WL(write line)信号为外部控制信号，由其他数字电路生成)一段时间(微秒级延时)。此处的粗量化斜坡电压Vc有256阶的分辨率，即粗量化可以对图1中的Vin量化8位。

粗量化阶段结束后，开启细量化阶段。此时的FB已在粗量化阶段由高转低，Cint上的电压得到保持。由于四输入比较器的特点，此时细量化斜坡电压Vf与Vin-VH比较(Vin-VH表示积分电容Cint两端的电压)，当Vf小于Vin-VH时，Vout由刚已恢复的高电平切换为低电平，同时，并使能WL一段时间。细量化斜坡电压的最大值设置为粗量化阶段一个台阶的总体值(二阶量化的范围不能超过一阶量化。比如一阶量化台阶电压为50mv,二阶量化则在50mv内进行，不能超过50mv)，并将细量化斜坡电压的位数设置为4bit(细量化斜坡电压的位数可以设置为4-7bit，优选设置为4bit。细量化斜坡电压设置的过大电压精度不够，太小则浪费电路资源)。这种应用粗细量化相结合的方法的ROIC速率是传统单斜率方法的10倍。(例如，一个14位的ADC如果使用单阶量化的方法进行量化，则需要2^14＝4096个周期，若一个设置为5的二阶量化ADC进行量化，所需位2^9+5，为517。此为8倍左右。设置为4、5、6、7分别提高4、8、16、32倍的速度。)

请参照图2，本实用新型提供的小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路的整体架构由行列移位寄存器10、输出驱动电路20、时序生成器30、时序驱动40、斜坡电压生成器50、串行输出电路60、积分阵列70、计数器80和锁存器90组成。其中，时序生成器30生成每次ADC转换所需的时序信号，行列移位寄存器10存储当前转换的像素坐标。由于列ADC的特殊性，一般来说读出时序由行到列，从左上到右下。输出驱动电路20用于缓冲数字信号并传输给串行输出电路60，从而实现片内数字化。斜坡电压生成器50用以给所有ADC部分提供参考斜坡电压。粗量化阶段的并联负载计数器80通过在芯片全局进行计数，并通过列ADC的WL信号，对每次转化的8bit进行存储，用于进一步串行输出。细量化阶段，并联负载计数器通过细量化阶段WL的读取对每次转化的4bit进行储存。

请参照图3，两步单斜率ADC转化发生在量化阶段中，此时INT信号(由芯片外部的FPGA可编程逻辑器件生成)为低电平信号。INT信号为低电平时，图1中的开关FB闭合，此时电容Cfb上的电压随粗量化参考电压不断升高。粗量化斜坡电压主要由8位和4位的DAC(数模转换器)产生，可以节省芯片资源及功耗。粗斜坡电压在256个周期内不断降低。当Vc小于Vin时，Vout输出高电平，从而使能同步计数器存储粗量化ADC数值Count1。此后，FB断开，细斜坡电压在16个周期内不断降低，当Vf小于Vin时，Vout输出高电平，从而使能同步计数器存储粗量化ADC数值Count2。

在片外的控制器或者片内加法器中将Count1和Count2组合，即为ADC量化最终结果。根据用户设定，优选地，最大值范围为16bit的输出范围时，Count1设置为8位，Count2设置为4位，总输出计算方法为Count＝Count1*16+Count2*1。

图4为本实用新型电路的主要实用设计部分。设计中，使用吉尔伯特单元，吉尔伯特单元经常用于高频乘法器中，在低频情况下，由于吉尔伯特单元线性度和精度比较差则无法使用。而若将传统吉尔伯特单元的两个输入电压的两端(图4中的Vf端和Vref端)作为输入端，则如果一侧(如图4中，Vc和Vin为同一侧，Vf和Vref为同一侧)的输入电压十分接近，而使这一侧的双端输入级处于差分平衡状态，从而另一侧的电压可以比较。这种电压结构，还可以将固定电压输入叠加比较，使用图1中的自举电容Cfb使输入电压的等效电压为自举电压Vfb与Vin的叠加，从而无需使斜坡电压生成器生成不同阶段所需要的斜坡电压，从而使读出电路复杂程度大大降低。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。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。但是，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。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims

1.一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括像素级电路阵列(1)、像素注入级电路(2)、列级两步量化电路(3)、片外斜坡电压生成电路(4)以及计数器和存储电路(5)，所述像素级电路阵列外接红外探测器以将所述红外探测器互联到读出电路；所述像素注入级电路连接所述像素级电路阵列，以将所述红外探测器探测到的光电流输入给所述列级两步量化电路以转换为积分电容电压；所述列级两步量化电路连接所述像素注入级电路和所述片外斜坡电压生成电路，用于将所述片外斜坡电压生成电路输入的斜坡电压与所述积分电容电压进行比较以实现对所述积分电容电压的模数转换；所述计数器和存储电路连接所述列级两步量化电路，用于对读出电路的数字输出进行计数并存储计数结果。

2.根据权利要求1所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述列级两步量化电路包括积分电容Cint、电容C1、电容Cfb以及列级四通道比较器电路(31)，所述电容C1的一端连接所述列级四通道比较器电路的第一输入端(311)，另一端作为所述列级两步量化电路的输入端连接所述像素注入级电路的输出端；所述积分电容Cint的一端串接所述电容C1后连接所述第一输入端(311)，另一端接地；所述电容Cfb的一端连接所述列级四通道比较器电路的第四输入端(314)，另一端接地；所述列级四通道比较器电路的第二输入端(312)外接电压Vref，第三输入端(313)连接所述片外斜坡电压生成电路的细量化斜坡电压Vf的输出端，第四输入端(314)连接所述片外斜坡电压生成电路的粗量化斜坡电压Vc的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述列级四通道比较器电路为吉尔伯特四输入比较器。

4.根据权利要求1所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述像素级电路阵列将所述红外探测器通过铟柱互联到读出电路中。

5.根据权利要求2所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述细量化斜坡电压Vf的最大值为粗量化阶段一个台阶的总体值。

6.根据权利要求2或5所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述细量化斜坡电压Vf的位数为4bit。

7.根据权利要求3所述的一种小像元的数字化红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述细量化斜坡电压Vf和所述外接电压Vref分别接入在所述吉尔伯特四输入比较器中的吉尔伯特单元的同一侧的两个输入端；所述粗量化斜坡电压Vc和所述积分电容Cint的积分电压Vin分别连接在所述吉尔伯特单元的另一侧的两个输入端。