JP3839486B2 - Uncooled focal plane array sensor - Google Patents
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Description
発明の背景
1.発明の分野
本発明はサーマル・イメージング・システムに関し、更に詳細にはマイクロコンピュータベースのマイクロボロメーター配列非冷却焦点面配列センサに関する。
2.関連する技術の検討
サーマル・イメージング・システムは、ナイトビジョン等の多数の低光レベルアプリケーションや、可視性を低減された状態での撮像、または産業もしくは住宅環境におけるプロセスや条件付きモニタリングのための熱画像観察に有用である。これらの撮像装置は、一般にオペレータが観察するための二次元実時間表示を行う。実時間画像により、ユーザは、人間の目が正常に機能しない状態で、物体および風景またはそのいずれかを観察したり、物体の熱的特徴を見ることができる。
焦点面配列センサとして、画像増倍管または極低温で冷却したセンサを用いて動作するものがある。画像増倍管は、その場所にある0.4ミクロンから1.0ミクロンまでの波長を持つ可視光と近可視光を増幅する。このような画像増倍センサには、いくつか制限がある。画像増倍センサは、その場所にある光を増幅するため、まったくの暗闇では作動できない。また、突然の閃光があったり、周囲に明るい照明がある場合も作動しない。このようなセンサは、カムフラージュまたは煙等の障害物を介して信号を検出することができない。さらに、画像増倍管は、ある撮像アプリケーションにとっては重要な機能であるホットスポット検出を行わない。
従来のイメージング・システムとして、夜間に見える近赤外線放射を増幅して、画像を生成するものもある。この型式の放射線増幅は、一般に光電子増倍管を用いて行われる。光電子増倍管は、マイクロチャネル装置を用いて、例えば0.4ミクロンから1.0ミクロンまでの波長の光を増幅する。利用可能なマイクロチャネル装置はそれ自身、一方側に感光入力面を備え、他方側に出力表示面を備える。冷却は必要ない。
サーマルビジョン装置として、極低温で動作するPtSi、InsおよびHgCdTe等の二次元赤外線焦点面配列を利用するものもある。あいにく、このような焦点面は複雑な冷却システムを必要とする。
ナイトビジョン装置として、焦電配列および強誘電配列等の他の焦点面配列も使用される。これらの装置は、AC結合された焦点面配列を利用し、赤外線画像を生成するためにメカニカルスキャナまたはチョッパーを必要とする。このような焦点面配列は複雑な冷却システムを必要としないため、一般に「非冷却」焦点面配列と呼ばれる。しかし、これらは、他のセンサや本発明の非冷却センサと比較して、重く、感度が低く、望ましくない量の電力を消費する。
従来の装置に関する短所を克服するためには、可視から赤外線範囲のその場所の放射線を集め、ディジタル画像データを出力し、実時間可視表示を生成する独立した低コスト、低電力消費、軽量の携帯用熱センサを備えることが望ましい。また、単一チップ、処理電子回路、電源および表示装置に統合されたディジタル画像データ出力を有するマイクロボロメーター焦点面配列を使用して画像を生成するセンサを備えることが望ましい。
発明の要約
本発明は、放射線を輸送するために光路に沿って設けられた光学系を備えた凝視焦点面配列センサを提供する。輸送された放射線を受けるために光路に沿って設けられている焦点面配列および集積回路は、輸送された放射線から画像信号を敏感に生成する。集積回路は、ディジタル画像データ出力で画像信号をディジタル画像データに変換する手段を含む。
本発明の1側面では、従来の装置よりも小さく、軽く、低消費電力のモジュラー構造のパッケージに納められておりディジタル画像出力を有する一つの半導体回路に集積されたマイクロボロメーター焦点面配列を備える非冷却焦点面配列センサを提供する。非冷却焦点面配列は、自然発生するその場所の放射線の波長領域である8ミクロンから14ミクロンまでの波長領域で動作するように形成してもよい。可視光線を必要としないため、画像増倍装置が動作できないまったくの暗闇での動作が可能となる。また、日中も支障無く動作可能である。本発明の焦点面配列は、連続メカニカルチョッパーの冷却を必要としない。
本発明のその他の目的、特徴、および利点は、類似した参照番号が類似した素子を表している本明細書中の好適な実施態様、請求の範囲、および図面の記述を通して当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図1Aは本発明の非冷却焦点面配列センサの1つの実施態様の概略ブロック図である。
図1Bは本発明の1つの実施態様で利用される焦点面配列装置の概略ブロック図である。
図2は本発明の1つの実施態様の検出器配列の概略図である。
図3Aは4つの例示的な検出器と検出器電子回路を示す、本発明のマイクロボロメーター配列の一部の回路概略図である。
図3Bは複数個の検出器と検出器電子回路を示す、本発明のマイクロボロメーター配列の一部の別の実施態様の回路概略図である。
図4は本発明のマイクロボロメーター焦点面配列処理回路の回路概略図である。
図5および図6は例えばボロメーター・オフセット補償器を利用する本発明の集積回路におけるマイクロボロメーター焦点面配列処理回路の別の実施例を示す。
図7は本発明の変形実施態様によって意図されるボロメーター・オフセット補償器回路の別の実施態様を示す。
図8は本発明の変形実施態様によって意図される非線形補償電圧供給源の一例を概略的に示す。
図9は本発明の変形実施態様で利用される6ビット・データ・ラッチで使用される1ビット・ラッチの例を示す。
図10は水平バイポーラトランジスタを利用したバッファ直接注入(BDI)プリアンプの例を示す。
図11は本発明に従って実施されたマイクロボロメーター焦点面配列用の温度安定装置の1つの実施例のブロック図を概略的に示す。
図12は本発明に従ったアナログ/ディジタル・コンバータの概略ブロック図である。
図13は図12に図解される準安定性分解回路の概略ブロック図である。
図14は図12に図解されるアナログ波形生成器の概略ブロック図である。
図15は本発明に従ったアナログ/ディジタル・コンバータの配列の概略ブロック図である。
図16は図15に図解されるクロック逓倍位相固定ループの概略ブロック図である。
図17は図15に図解される90°位相器の概略ブロック図である。
図18は図15に図解される回路の変形実施態様の概略ブロック図である。
図19は図18の回路に使用される二相電圧制御発振器および二乗回路の概略ブロック図である。
図20は図19に図解される電圧制御発振器の詳細な概略回路図である。
図21は図19に図解される二乗回路の詳細な概略回路図である。
図22はグレー・コード信号の最下位ビットの間の時相関係性を図解するタイミング図である。
詳細な説明
図1Aは本発明の非冷却焦点面配列センサの1つの実施態様の概略ブロック図を示す。焦点面配列FPA100は、赤外線透過窓105を備えた封止真空パッケージ103に収容されている。焦点面配列FPA100は、集積回路上に形成した複数のマイクロボロメーターから構成される二次元焦点面配列を備えるのが有利である。その場所からの放射線13は、光学系101により、窓105を通りFPA100に集まる。FPA100は、焦点面配列に画像を生成する放射線を受け、FPA100を備えるマイクロボロメーター素子が、画像を表す複数の電子画像信号を敏感に生成する。二次元マイクロボロメーター配列FPA100は、集積回路チップ上に統合して構成されたアナログ/ディジタル回路によって読み出され、放射線をディジタル化される電子信号に変換する。集積回路チップも同様に、FPA100を備える。このように、ディジタル画像データが封止真空パッケージ103から処理電子回路30に送られる。集積回路および処理は、以下でさらに詳細に述べる。さらにここで述べるように、FPA100の温度は、動作中安定させることが有利である。
信号処理電子回路30は、封止真空パッケージ103の外部に設けるのが有利であり、FPA100に生成した画像を補償し、ディジタル画像データを再生成するように接続される。ディジタル画像データは、例えばテレビジョンモニタまたは同等のディスプレイに表示してもよい。
ディジタル画像データは、不均一補償のために処理電子回路30に送られる。不均一補償回路143は、レベル調整、利得補正、不良ピクセル除去、輝度、コントラスト調節を備えている。利得補正の1つの実施態様は、同時係属している1995年8月30日出願の「ボロメーター焦点面配列」と題するバトラー氏の米国特許出願第08/521,266号に述べられており、この特許は本発明と同じ譲受人に譲渡されており、この中で本発明は文献の援用をされている。本発明の1つの実施態様では、図4を参照して以下で述べるように、FPAチップ上にオフセット補正回路を集積してもよい。処理の後、データを再生成してディスプレイプロセッサ34に送る。
撮像装置を制御するために、制御パネル90を設けてもよい。制御パネル90は、ユーザが輝度、コントラスト、記号表示、オン/オフおよび本発明のイメージング・システムの動作を制御するのに必要な他の機能を調整する手段を備える。
システムは、電源92から電力を受け取る。一例として、電源92は、センサパッケージを有する好適なハウジング内に取り付けたバッテリ、または好適な外部電源もしくは同等の電源を備えてもよい。制御信号およびビデオ信号のために補助ポート98が設けられている。第1の補助入力ビデオポート98Aを外部電源に接続してもよく、本発明ではこのような外部電源からの他の画像を表示することも可能である。第2の補助ビデオ出力ポート98Bは、本発明によってどの画像が集められて表示されているか見たり、記録したりするための手段を設ける。本発明の診断、初期試験および較正またはそのいずれかにアクセスするために、テストインタフェース94を備えてもよい。
本発明の1つの実施態様では、光学系101は、広い視野のアプリケーションに対しては屈折光学系であるのが有利であり、また狭い視野のアプリケーションに対しては反射光学系であるのが有利である。光学系101は、可視スペクトルから赤外線スペクトルまで動作するために、従来の設計技術に従って選択してよい。FPA100は、熱電安定器326と温度感知素子325とを備える真空パッケージ103内に設けられる。1つの実施態様例では、温度感知素子325は、FPAを有する半導体チップに集積されてもよく、またはFPA自体を備えていてもよい。パッケージ103のカバーは、抗反射コーティングを有する窓105を備える。
制御パネル90のスイッチは、マイクロプロセッサ・マイクロコントローラ318への入力を供給する。マイクロプロセッサ・マイクロコントローラ318は、制御パネル90におけるスイッチの位置を分析し、適当なコマンド信号を送り出す。マイクロプロセッサは、プログラマビリティを提供する。本発明の1つの実施態様では、陰極線管(CRT)またはフラット・パネル・ディスプレイを使用してもよい。
図1Bは本発明の焦点面配列と統合信号プロセッサとを利用したシステムの概略ブロック図を示す。ディジタル・オフセット補正装置は、シャッター330を制御するために結合されたシャッター/チョッパー・コントローラ328を含む。特定のアプリケーションに応じて、ゲルマニウム・チョッパーまたは不透明チョッパーあるいはそれ以外の同等な光学素子がシャッター330の代わりに使用される可能性があることが理解されるだろう。シャッター330はシステムに進入する放射エネルギーを制御する。シャッターが開いているとき、放射エネルギーは焦点面配列(FPA)100に衝突する。チョッパー330をFPAフレーム速度と同期してもよい。FPA100は、連携する制御電子回路を有する統合マイクロボロメーター焦点面配列から構成されていることが有利である。統合マイクロボロメーター焦点面配列は、さらにピクセル素子から構成されてもよく、その場合、各ピクセル素子が、ピクセル素子により吸収される放射エネルギーの量を表す信号を供給する。FPA100は、FPA100が障害物によって妨害されないシャッタレスまたはビジコン・モードで操作される。ビジコン・モードでは画像は連続的に得られる。
タイミング生成器310は2個のタイミング信号348を供給し、焦点面配列100から2個のクロック信号350を受信する。タイミング生成器310は、FPA100クロック、システムクロックおよび必要なタイミング信号を生成する。タイミング生成器310は、ビデオ・タイミング不良ピクセル置換コントローラ312にもタイミング信号を供給する。利得コントローラ304は、利得調整信号333を供給する。グローバル画像補正コントローラ306は、ビデオ・インタフェース308に8ビット信号を供給する。
ビデオ生成器316には、コントローラ318のビデオ・タイミングおよび出力が供給される。ビデオ生成器316は、公知のディジタル/アナログ・コンバータを含んでいることが有利である。コントローラ318は、例えば、市販されているモデル80C186EC型マイクロプロセッサまたは同等なもののようなマイクロプロセッサを含んでいることが有利である。バックグランド・プロセッサ・インタフェース324は、プログラム・メモリ322およびデータ・メモリ320を備えている。本発明の1つの実施態様では、プログラム・メモリ322は256K×16のフラッシュ・メモリから構成され、データ・メモリ320は128K×16のRAMから構成されていてもよい。コントローラ318は、利得メモリ338、およびビデオ・メモリ314を含む各メモリからデータを読書きするために、バックグランド・プロセッサ・インタフェース324を通して接続されることが有利である。シリアル通信回線340は、コントローラ318に外部インタフェースを供給するために結合してもよい。ビデオ出力データはビデオディジタル/アナログコンバータ(DAC)316から得られ、フレーム・データは回線342上の外部フレーム・グラッバに利用できる。英数字情報等の記号情報は、記号生成器125によりビデオストリームにも組み込まれる。ディスプレイ・ドライバ電子回路123は、電子信号を目に見える画像に変換する。有用なディスプレイ・ドライバは、例えばRS170標準ドライバを備えるのが有利である。
コントローラ318は、ホスト・マイクロコンピュータを介してイメージング・システムを外部システムにインタフェースする。コントローラ318もヒストグラムを生成し、輝度曲線および等価曲線を生成し、チョッパーまたはシャッターを制御し、基準画像フレーム・タイミングを生成し、メモリ診断およびシステム診断を実行し、手動制御およびスイッチをモニタし、TE安定器326を制御する。
図2は、本発明の配列センサの概略図である。マイクロボロメーター配列102は、焦点面配列100の放射線感知部分を備えている。1つの実施態様では、配列102は80,000を超える個別マイクロボロメーターを備えていてもよい。各マイクロボロメーターに連携される電子回路は、図3Aにさらに詳細に示されている。検知器グランド126は、配列102上で均一に分散される。配列は、動的ロウ選択レジスタ104およびカラム回路110を使用して個々にアドレス指定されるカラム線114によってマイクロボロメーターの規則的なグリッド内に配置される。配列102および配列の電子回路は、配列生産中に試験してもよい。テスト・クロック122、テスト・データ124、テスト・モード・イネーブル116、グローバル・テスト・イネーブル128および検出器テスト・フォース118の信号は、配列を試験するために使用される制御信号を供給する。カラム処理回路200は、配列中の各カラム線114に供給される。カラム処理回路110は、以下にさらに詳細に示される。
配列102は、動的ロウ選択レジスタ104および動的カラム選択試験レジスタ108を使用してアドレス指定される。操作中、カラム回路200は、任意の特定のカラムをアドレス指定する。制御112はカラム回路の操作を制御する。当業者に理解されるように、マイクロボロメーター素子は、短時間バイアス電流でスイープされ、ロウおよびカラム選択線によって選択される特定のロウおよびカラムアドレスから出力信号を生成してもよい。
図3Aは、4個の検出器および連携する検出器電子回路の例を示す本発明のマイクロボロメーター配列のある部分の回路概略図である。マイクロボロメーター配列は、マルチプレクサ試験トランジスタを含む複数の基本ユニット・セルを備えている。1つの実施態様では、マイクロボロメーター焦点面配列は、328のカラム回路を備えるユニット・セルの328×246のマトリックスを備えていてもよい。特に、検出器共通グランド126は、ボロメーター218A、218B、218Cおよび218D、ならびにユニット・セル212A、212B、212Cおよび212Dのそれぞれの一方の側に接続される。ボロメーターは、試験トランジスタ220A、220B、220Cおよび220Dに並列に接続される。トランジスタ220A、220B、220Cおよび220Dの“オン”抵抗は、ボロメーター218A、218B、218Cおよび218Dのオン抵抗に近似する。このようにして、試験トランジスタは、ボロメーター信号をエミュレートする信号を供給するために使用することができる。エミュレートされた信号は、ボロメーターが作成される前に、マルチプレクサ回路を試験するために使用してもよい。不良チップをこのようにして最終的な製造の前に特定するため、このような試験の結果、製造がさらに安価になる可能性がある。スイッチ222A、222B、222Cおよび222Dは、ロウ選択線216Aおよび216Bに応答してボロメーターまたは試験トランジスタ信号を切り換える。試験モードでは、試験トランジスタは、グローバル試験イネーブル128によって活性化され、それぞれ個々のロウが、ロウ選択線のうちの1つを使用して選択されてもよい。出力114Aおよび114Bは、各カラム回路200Aと200Bで使用できる。試験モードでは、カラム回路200Aおよび200Bはバイパスされ、カラム・マルチプレクサによりアドレス指定される。
ここで図3Bを参照すると、複数の検出器3218と検出器の電子回路とを概念的に示す本発明のマイクロボロメーター配列の一部の変形実施態様の概略回路図が示されている。複数の検出器3218は各々、半導体チップ3223上に製造された集積回路を備えるマイクロボロメーター焦点面配列3221の上部レベル3219上に形成されるのが有利である。一連のスイッチ3214は半導体チップ3223の第2レベル3227上に形成されている。スイッチ3214はCMOSスイッチを備えていることが有利である。スイッチ3214は一対で活性化されるように接続されている。すなわち、スイッチは第1端子で共通バス3210に接続され、第2端子3225で検出器の一端に接続されている。ロウ選択線3233は一対のスイッチを活性化して検出器の一つを選択するように動作する。そして選択された検出器の出力はカラムバス3212上で検出されてもよい。例えば、操作中、ロウ選択2が制御信号に応答してスイッチ3235とスイッチ3237とからなる一対のスイッチを活性化し、それによって検出器3218Aからの信号はカラムバス3212に送られることが可能になる。この構成で有利であることには、検出器のカラムを切換えレベルに接続するために必要な接続線の数を検出器の数よりも1本多いだけの数に減らしてもよいことに留意されたい。
本発明の非冷却焦点面配列センサに特有の構造は、検出器間に高熱分離を提供し、その結果ハイコントラスト画像を生成する。非冷却焦点面配列は、他の熱撮像素子と比較してハイコントラスト画像を生成する。これらのハイコントラスト画像により、ユーザはより詳細な部分を観察でき、より鮮明な画像を生成する。ここで図4を参照すると、本発明により使用されるマイクロボロメーター配列処理回路の一例が示されている。処理回路を、例えばMOS技術を利用して単一の集積回路に焦点面配列と統合してもよいことが有利である。双方向垂直シフトレジスタ104が、配列のロウ選択として機能する。ロウ選択線216は、ボロメーター218または試験トランジスタ220から信号を選択するために、スイッチ222を活性化する。グローバル試験イネーブル128は、係合しているすべての試験トランジスタを活性化する。カラム線114は、電源703によりバイアスをかけられる。カラム線114は、プリアンプ・ステージおよび出力トランジスタ・ステージのあるバッファ直接注入(BDI)回路1704により感知される。積分コンデンサ180は、カラム感知線181上の信号を積分する。本発明の1つの実施態様では、積分コンデンサ180は約29マイクロ秒の積分時間を有するようにしてもよい。コンパレータ20が、アナログ・ランプ信号18をカラム感知線181上の積分信号と比較する。
以下に詳細に説明するランプ生成器33は、コンパレータにアナログ・ランプ信号18を供給する。1つの例では、ランプ信号は、名目上約5ボルトから10ボルトの間の範囲内となる34Asランプでよい。コンパレータ20は、アナログ/ディジタル・ラッチ150にバイナリ信号を供給する。ディジタル・ランプ信号151は13ビットのグレー・コード・カウンタ/エンコーダ146から得られる。13ビット・グレー・コード・カウンタ/エンコーダ146は、13ビット分解能の12x-クロックの4つの位相を使用するピクセル・クロックの12倍に等しい周波数を用いて動作してもよい。ディジタル・ランプ信号およびアナログ・ランプ信号は、それらが同時に開始、終了するように調整される。
カラム選択線113は出力ラッチおよびドライバ140のアドレス指定を供給する。選択されたカラムに応じて、出力ラッチおよびドライバはコンパレータ20によってイネーブルされたアナログ/ディジタル・コンバータ・ラッチ150のカウントを供給する。出力ドライバ148は、ディジタル・データ495をオフ焦点面回路に供給する。ディジタル・データ495は、ピクセル・クロックでクロックしてよい。
その実施態様例では、ボロメーター・オフセット補償器701は検出器素子と並列に接続されている。ボロメーター・オフセット補償器とその制御回路が、配列内の検出器の各カラムごとに複製されることが理解されるだろう。図4に示された実施態様は、負荷抵抗器115に結合された非線形補償電圧源703を任意で含むものである。負荷抵抗器115は、ボロメーター・オフセット補償器701に接続される。ボロメーター・オフセット補償器701の1つの実施態様は、図8を参照して以下にさらに詳細に記述される。ボロメーター・オフセット補償器701は、第1端子で負荷抵抗器115に、また、制御入力でデータ・ラッチ744に結合される。データ・ラッチ744は、図9を参照して以下にさらに詳細に記述される。ディジタル・オフセット・データ745は、データ・ラッチ744に供給される。ディジタル・オフセット・データは、カラム線114上の各ロウおよびカラム・ボロメーター信号に適用されるオフセットを表す。BDIプリアンプ1704は、さらなる処理のためにオフセット・ボロメーター信号を増幅する。
ここでは、負荷抵抗器115と直列に接続されるボロメーター・オフセット補償器701、および検出器素子を利用する、本発明のマイクロボロメーター配列補償回路の別の変形例を示す図5を参照する。低ノイズ・バイアス電源117が、電圧バイアスをボロメーター・オフセット補償器701に供給する。ボロメーター・オフセット補償器およびその制御回路が、配列中の検出器のカラムごとに複製されることが理解されるだろう。図5に図示される変形実施態様では、BDIプリアンプ1704の1つの入力と結合された非線形補償電圧源703が任意で含まれていてもよい。他の素子は、前記に類似した方法で接続される。
ここでは、負荷抵抗器115と結合される非線形補償電圧源703を利用した本発明のマイクロボロメーター配列補償回路の別の変形実施例を示す図6を参照する。他の素子は図4を参照して前述したものと類似した方法で接続される。非線形補償電圧源の動作は以下にさらに詳細に説明する。
ここでは、本発明によって意図されるボロメーター・オフセット・補償回路の変形実施態様を示す図7を参照する。前述したように、焦点面配列の各カラムは、ボロメーター・オフセット補償器701に結合される。従って、ボロメーター・オフセット補償器701および矢印707で示される連携する回路は、各々のMカラムごとにFPA集積回路チップ上で複製される。ここでMは、カラム回路の数を表す。カラム線114上のボロメーター信号は、ロウ選択線216で選択され、BDIプリアンプ1704に接続する。カラム線114上のボロメーターからの信号とは、ボロメーター・オフセット補償器701によって補償されている信号である。説明されている例では、ボロメーター・オフセット補償器701は、そのうちの幾つかが補償抵抗器702、704および708として図解のために示され、それぞれ個別に複数のスイッチ710A、710B、および710Dに結合される、第1補償抵抗器から第6補償抵抗器を備えている。複数のスイッチは、例えば6ビット・データ・ラッチ744の出力により結合され、制御される。6ビット・データ・ラッチ744は、水平シフトレジスタ106によってイネーブルされる。ディジタル・オフセット・データ745は、データ・ラッチ744を介して特定の抵抗器の組み合わせを選択する。本発明の1つの実施態様では、第1補償抵抗器から第6補償抵抗器に、1200オームから8200オームの名目範囲内の値が設定され、例えば約145キロオームの負荷抵抗器115に結合される。本明細書中に示される実施態様は、限定するものとしてではなく図示され、その他の等価の値、および補償抵抗または同等な回路の組み合わせを、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく使用してもよい。1つの実施態様では、非線形補償電圧源703が電圧をボロメーター・オフセット補償器701に供給する。
ここでは、図8を参照し、本発明の変形実施態様により意図される非線形補償電圧源703の一例を概略図で示す。非線形補償電圧源は、抵抗754に並列接続されるコンデンサ752に接続されるスイッチ750を備えている。閉じられると、スイッチ750は、電圧VNCを増幅器756にかける。増幅器756は、出力抵抗760に直列接続される出力コンデンサ758を通る出力762を備える均一利得増幅器を備えていることが好ましい。再び図4を参照すると、出力762は、BDIプリアンプを制御するために、ノードV1に、あるいは変形実施態様においてはノードV3に接続されていてもよい。スイッチ750は、検出器ロウ選択と同期して活性化されることが有利である。この開示の利点を得る当業者には理解されるように、増幅器756は、集積回路技術に応じて、均一性利得反転演算増幅器または均一性利得非反転演算増幅器を含んでいてもよい。
ここでは、6ビット・データ・ラッチ744で使用される1ビット・ラッチ744Aの例を示す図9を参照する。ビット・ラッチ744Aは、入力から出力への電圧レベルを変更するために、レベルシフタ回路725に結合されていてもよい。レベル・シフタ725は、抵抗上のn−チャネルを減少するために構成されていることが有利である。図9の回路は、補償抵抗器ごとに複数回複製されていることが有利である。ボロメーター・オフセット補償器701が6個の補償抵抗器を利用する一例では、同一データ・ラッチ回路は、FPAチップ上のM個のカラムのそれぞれに6回製造されていることが有利である。好ましい実施態様では、データ・ラッチ744は、相補型金属酸化物半導体(CMOS)トランジスタを備えている。
入力では、各ビット・ラッチ744Aは、N番目のオフセット・ビットを動的にラッチし、選択するように構成されたロウ選択トランジスタ714、712を備えている。トランジスタ714は、水平シフトレジスタ106からのロウ選択出力によって制御される。トランジスタ716は、水平シフトレジスタ106からのNOTロウ選択出力によって制御される。トランジスタ716、722は、第2動的ラッチとして動作する。トランジスタ718および720は、活性化された時にnオフセット・ビットの状態をトランジスタ726に転送する制御信号TおよびNOT Tに応答してトランジスタ726を駆動する。NOT HVリセット信号は、転送信号TおよびNOT Tが活性化されていない間、トランジスタ726ないし724の出力をリセットする。リセット後、活性化された転送信号、およびトランジスタ718と720がトランジスタ726を駆動する。トランジスタ728および730は、トランジスタ726の出力に応答してトランジスタ710を駆動するために動作する。出力では、切換えトランジスタ710が、負荷タップNから負荷タップN+1に短絡させることによって、補償抵抗器の選択を制御する。複数個のスイッチ710A〜710Dは、前記の例の切換えトランジスタ710を含む。第1ラッチは、領域内のトランジスタを3×2ミクロンの範囲で操作するための第1電圧Vddでバイアスをかけられていてもよく、一方、Vddよりも実質上高い第2電圧Vdaは、トランジスタ710を操作するように選択されていてもよい。トランジスタ710は、約40×2ミクロンの面積を持つ半導体材料を含んでいてもよい。
ボロメーター・オフセット補償器回路の素子をこれまで記述したので、今度は、ボロメーター・オフセット補償器回路の動作を記述することが本発明に役立つであろう。さらなるバックグランドにより、マイクロボロメータ焦点面配列は、通常、検出器の不均一性と非常に低い信号レベルの双方を同時に処理するために、非常に大きな動的範囲の電子回路を必要とする。100万対1を超える動的範囲が典型的である。電子回路スイッチは、特に、大きな焦点面配列に適用可能な場合に、この難しい要件を満たすことができ、マイクロボロメーター技術の重大な利点および実践的なアプリケーションが得られる。図7に図示される実施態様では、非線形補償電圧源は、これが利用される場合、ボロメーター検出器、負荷抵抗器、プリアンプおよび補償抵抗器を具備する焦点面回路に接続されるオフ焦点面非線形補償電圧源であることが好ましい。電圧V1がかけれらると、複数のスイッチ710A〜710Dのうちの1個、またはそれ以上を開くことによって選択されるように、電流は検出器カラム線114、負荷抵抗器115、および少なくとも1個の補償抵抗器を通って流れる。負荷抵抗器115が必要とされない実施態様もある。電圧V1はBDIプリアンプ1704によって設定され、名目上M検出器回路のそれぞれに対して同じ電圧である。プリアンプに流れ込む電流は、信号電流を表す。検出器抵抗が検出器ごとに大きく変化する可能性のある検出器抵抗の差異を補償するために、補償抵抗器が利用されてもよい。このような補償抵抗器が利用されない場合には、プリアンプ回路は、有効信号電流だけではなく、検出器抵抗変動から生ずる大きな付加電流も処理するためにかなり増大した動的範囲を必要とする。
電流がボロメーター検出器にかけられると、J2 R加熱(すなわち抵抗を通って流れる電流の二乗に比例する加熱)は各検出器の温度を上昇させる。温度が上昇した結果、検出器抵抗が変化し、それによりBDIプリアンプ1704の入力動的範囲要件が増加する。外部の非線形補償電圧源703はノードViで電流の変化を感知しJ2 R加熱が誘発するプリアンプ電流の変化を正確に補償する非線形電圧を供給する。このようにして、非線形電圧は、プリアンプ回路の動的範囲要件も、焦点面上に集積される電子回路内で容易に達成できるレベルまで引き下げる。
ここで図10を参照すると、水平バイポーラトランジスタを利用したBDIプリアンプの例が示されている。BDIプリアンプは、例えばPNP水平バイポーラ入力ステージ802と、電流源負荷806と、P−MOSパス・トランジスタ804と、積分コンデンサ810と、リセット・スイッチ808とを備えている。カラム線114はPNP水平バイポーラ入力ステージとゲート801で接続されてもよい。ゲート801も適当な電圧VPAに結合してもよく、VPAは約10ボルトでよい。入力ステージ802のエミッタを、約8ボルトの第2電圧VBと結合してもよい。電流源負荷806を入力ステージ802のコレクタに結合してもよい。次に、カラム感知線181を積分コンデンサ810と結合してもよく、この積分コンデンサ810はリセット・スイッチ808によってリセットされてもよい。リセット・スイッチ808も水平バイポーラトランジスタとして実施してもよい。水平バイポーラトランジスタは、“1.2μmのディジタルCMOS技術用の小型で低ノイズの演算増幅器”のタイトルのホルマン氏およびコネリー氏の論文(1995年6月刊、IEEE固体回路ジャーナル第30巻第6号)にさらに詳細に記載されている。
ここで図11を参照すると、本発明に従って実現されるマイクロボロメーター焦点面配列用の温度安定器の1つの特定の例のブロック図が示されている。装置は、複数個のマイクロボロメーターのそれぞれから温度データを供給するためのマイクロボロメーター焦点面配列100を備えている。前記のように、FPA100からのデータは、利得/画像補正コントローラ304から利得補正済み信号621を作成するために処理されていてよい。TE安定器ループ調整548は、利得/画像補正コントローラ304からの利得補正済み信号に結合される平均信号912を決定する手段を含んでいてもよい。平均信号決定手段912は、フィードバック信号出力906を備えている。マイクロボロメーターの配列の平均温度を示す平均信号は、フイードバック信号出力906上でフィードバック信号を生成するために、利得補正済み信号から算出される。フィードバック信号は、平均信号に比例していることが有利である。TE安定器制御546は、フイードバック信号出力906を受け入れるための入力を含む、温度制御信号902を生成するための手段を含んでいてもよい。温度制御信号手段902は、フィードバック信号に比例する温度制御信号を搬送するための、温度制御出力904を含んでいる。温度安定器326は、マイクロボロメーター焦点面配列と接触する。温度安定器326には、温度制御出力に結合された入力があり、結合910で示されるように、温度制御信号に応答してマイクロボロメーター焦点面配列100の平均温度を調整する。
本発明の装置の1つの実施態様では、熱電気安定器326は、熱電冷却器を含んでいることが有利である。平均信号を決定するための手段912は、マイクロプロセッサを備えるか、またはコントローラ318内で実行されるコンピュータ・プログラムとして実施されることが有利であろう。温度制御信号生成手段902は従来形の電力増幅器を含んでいてもよい。
本発明の装置の有用な実施態様では、平均信号決定手段は、FPA内の各マイクロボロメーターから、または配列中のマイクロボロメーターの選択された部分からデータを受け取るために連結されていることが好ましい。このようにして、本発明の方法および装置は、初めに、FPAボロメーター素子の温度感度を利用し、配列自体を配列中のボロメーター素子の平均温度で安定化する。
操作中、本発明の方法は、コンピュータ制御された方法でマイクロボロメーター焦点面配列の温度安定化を図り、その場合、各プロセス・ステップは、コンピュータ生成されたコマンドに応えて実現される。コンピュータ制御された方法は、以下のステップを含む:
A.マイクロボロメーター焦点面配列中の複数個のマイクロボロメーターのそれぞれから温度データを読み出すステップ;
B.温度データから平均信号を決定するステップ;
C.フィードバック信号が平均信号に比例するフィードバック信号を生成するステップ;
D.フィードバック信号に比例する温度制御信号を生成するステップ;および
E.マイクロボロメーター焦点面配列の平均温度を温度制御信号に応えて調整することにより、マイクロボロメーター焦点面配列の温度を安定化するステップ。
1つの実施態様では、温度を安定化するステップは、マイクロボロメーター焦点面配列に結合される熱電気安定器の温度を調整するステップを含む。
別個の温度センサを配列基板上で使用する本発明の1つの変形実施態様では、TE安定器は、FPA温度を以下のパラメタに関して100マイクロ度ケルビン内で安定した状態に保ってもよい:
センサ抵抗:5KΩ≦R≦20KΩ
温度係数:−2%/度ケルビン
センサを差動ブリッジの1つの脚部の中に配置することによって、別個の温度センサ回路を実現してもよい。ブリッジまでの2本の電力リード線が、差動測定値を採取できるように自動的に切り換えられ、ブリッジは、dc駆動電源内でのドリフトを相殺するために両方向での電力の供給を受ける。ブリッジ抵抗器には、センサの抵抗に等しい値Rが設定される。1度ケルビン範囲内で正確な絶対温度を得るために、−2%/度Kの温度係数の場合、Rの値は2%以内の精度でなければならない。センサ抵抗の指定される範囲の場合、ブリッジにはN個の合計差異値が存在する場合がある。
1.02N=(20K/5K)
N=log(4)/log(1.02)
N=70
従って、各センサは、組立てに適した抵抗器を選択するために測定されなければならない。12ボルトである駆動電圧用のブリッジにわたる電圧差は、温度における変化が100μ度に対し、約6μVとなる。それから、この電圧は、約100,000で増幅され、バックグランド・プロセッサに対する入力のためにアナログ/ディジタル・コンバータによってサンプリングされる。プロセッサは、TE安定器用の電力駆動回路を制御するために使用してもよい。
本発明は、一般性を限定するためではなく、例示するためにのみ特定の実施態様および操作パラメータを参照して以下で述べる。しかし、当業者は、本発明が記述した特定の操作パラメータに限定されないことを理解するであろう。
ここでは、本発明のアナログ/ディジタル・コンバータの総合的な概略ブロック図である図12を参照する。変換対象のアナログ信号であるアナログ入力信号1015は、クロックされないアナログ・コンパレータ1020の1つの入力に接続される。コンパレータ1020のその他の入力は、アナログ・ランプ信号1018に接続される。アナログ波形生成器1030は、アナログ・ランプ信号1018を生成する。アナログ・ランプ信号1018が実質上、アナログ入力信号1015に等しい場合、コンパレータは出力信号1021を生成する。コンパレータ出力信号1021は、準安定性分解回路1035の制御入力に接続される。アナログ波形生成器1030に同期されるのは、ディジタル・グレー・コードバス1062上でディジタル・グレー・コードを生成するグレー・コード生成器1045である。ディジタル・グレー・コードバス1062は、準安定性分解回路1035のデータ入力に接続される。準安定性分解回路1035は、バス1062上のディジタル・グレー・コードの状態をコンパレータ出力信号1021の活性化状態に応じて記憶する。その結果、準安定性分解回路1035のディジタル出力信号1047は、アナログ・ランプ信号1018の大きさがアナログ入力信号1015の大きさと等しくなる場合のアナログ入力信号1015の大きさのディジタル表記となる。
ここでは、準安定性分解回路1035を更に詳細に示した図13を参照する。コンパレータ出力信号1021は、Nビット・データ・ラッチ1011の制御入力に接続される。Nは、アナログ信号1015がアナログ・ディジタル・コンバータによってディジタル化(変換)される分解能のビット数である。Nは任意の数であり、通常は、大部分のアプリケーションでは8と16の間である。Nビット・データ・ラッチ11のデータ入力は、グレー・コード生成器1045からディジタル・グレー・コードバス1062に接続される。Nビット・データ・ラッチ1011(グレー・コード生成器1045によって生成されるコードである)によってラッチされるデータは、回線1017上でNビット・フリップフロップ1019に供給される。Nビット・フリップフロップ1019は、Nビット・データ・ラッチ1011がグレー・コード生成器1045の状態を記憶した後のあらかじめ定められた期間、回線1017上のデータを記憶することによって、システムの準安定性を分解する。ディジタル出力1047は、前記のように供給される。
ここでは、図12に図解されるアナログ波形生成器1030の概略ブロック図を示す図14を参照する。演算増幅器1032は、出力信号を積分コンデンサ1028に供給することにより、アナログ・ランプ信号1018を供給する。RESET信号1034は、タイミング回路1033によって生成され、新しい変換が開始されなければならない時にコンデンサ1028を放電するために、スイッチ1028Aを活性化する。演算増幅器1032の1つの入力1039は、RAMP_BIAS信号に接続され、第2入力1023は、プログラマブル電流源1031の出力に接続される。プログラマブル電流源1031は、演算トランスコンダクタンス増幅器1027によって制御される。増幅器1027には、アナログ・ランプ信号1018に接続される第1入力がある。増幅器1027の第2入力は、ランプ基準電圧RAMP_REFに接続される。増幅器1027の第3入力は、ランプ調整回路1029の出力に接続される。アナログ・ランプの開始電圧は、RAMP_BIAS電圧を変更することにより調整可能である。アナログ・ランプ信号1018の傾斜は、増幅器1027によって制御される。プログラマブル電流源1031の出力をトランスコンダクタンス増幅器1027からの電流信号1027Aに応答して変更することにより、アナログ・ランプ信号1018の傾斜を変更できる。ランプ信号1018が終了しなければならない直前に送出されるタイミング回路1033からの制御信号1033Aに応答して、ランプ調整回路1029は制御信号1029Aを介して増幅器1027をターンオンしてRAMP_REF電圧とアナログ・ランプ信号1018の電圧の間の差異をサンプリングする。トランスコンダクタンス増幅器1027は、この電圧差を、プログラマブル電流源1031の制御に利用される電流1027Aに変換する。プログラマブル電流源1031が調整された後で、タイミング回路1033は、制御信号1033Aを介して、増幅器1027をオフにして、フィードバック・ループを開き、RESET信号1034を送出し、スイッチ1028Aを使用してコンデンサ1028を放電してから、スイッチ1028Aを開き、別の積分サイクルを開始する。
ここでは、並列アナログ/ディジタル・コンバータ1010Aおよび1010Bの概略ブロック図である図15を参照する。明解にするために、2つのコンバータだけが図示されており、配列中にはm個のコンバータがある場合がある。1つの好ましい実施態様では、配列中に328のコンバータがある。各アナログ/ディジタル・コンバータは、ディジタル・グレー・コードバス1062、および出力バス1057に接続される。ディジタル・グレー・コードバス1062は、m個のデータ・ラッチの各データ入力に接続される。明確を期すために、データ・ラッチ1024Aおよび1024Bへの接続だけが図示されている。各データ・ラッチのデータ入力は、グレー・コード生成器1045により駆動される。Nビット出力バス1057は、各転送ラッチ(図示されているラッチ1026Aおよび1026B)のデータ出力に接続され、マルチプレクサ読出し回路1059によって読み取られる。
変換対象の信号である回線1015A上のアナログ信号は、サンプリング・スイッチ1012Aが閉じられ、それによって電荷がコンデンサ1016Aに転送されるまで、コンデンサ1023Aに蓄積される。コンデンサ1016Aは、スイッチ1012Aが開かれるまでアナログ信号1015Aを積分する。あらかじめ定められた時間間隔が経過すると、スイッチ1012Aは開かれ、スイッチ1025Aは閉じられるので、コンデンサ1023Aを各変換期間の始めにリセットする。当業者は、あらゆる電荷転送素子または回路を、比較対象の信号の転送に使用できることを認識するであろう。読出し位相の間、サンプリングされた信号1014Aはコンパレータ1020Aによってアナログランプ信号1018と比較される。サンプリングされた信号1014Aがアナログ・ランプ信号1018に等しいか、あるいはそれに関してある程度のあらかじめ定められた電位にある場合、コンパレータ1020Aの出力1022Aがラッチ1024Aを活性化する。コンパレータ1020Aの出力は、ラッチ1024Aのイネーブル入力に接続される。ディジタル・グレー・コードバス1062に接続されるラッチ1024Aは、アナログ・ランプ信号1018がコンパレータ出力信号1022Aに応答してサンプリングされた信号1014Aに等しい時に、グレー・コード・カウントの状態を記憶する。ラッチ1024Aの出力は、転送ラッチ1026Aに供給される。転送ラッチ1026Aおよび1026Bに接続される出力制御シフトレジスタ1054は、コンバータの配列からある特定のアナログ/ディジタル・コンバータの出力を選択する。各転送ラッチの出力は、マルチプレクサ読出し回路1059の一部である、Nビット出力バス1057を介して感知増幅器1053に接続される。任意の一時点では、1つの転送ラッチのみがアクティブであり、バス1057に出力を供給している。出力制御レジスタ1054は、入力クロック1068と同期される。
ここでは、マルチプレクサ読出し回路1059を記述する。当業者は、マルチプレクサ読出し回路1059内の回路ブロックのそれぞれが、各転送ラッチからのビットの数を処理するためにNビット幅であることを理解するであろう。感知アンプ1053の出力は、入力クロック1068によりクロックされる入力レジスタ1055の入力に接続される。入力レジスタ1055は、転送ラッチがどちらかのNビットから出力制御シフトレジスタ1054によってイネーブルされた、Nビット出力バス1057上でデータをラッチする。レジスタ1055の出力は、やはり入力クロック1068によりクロックされる準安定性分解レジスタ1036の入力に接続される。準安定性分解レジスタ1036は、Nビット出力バス1057の状態が入力レジスタ1055の中にラッチされた後の1つの完全なクロック・サイクルである入力レジスタ1055からのデータが準安定性分解レジスタ1036の入力に供給されるようにクロックされる。レジスタ1036は、バス1062上のディジタル信号がアナログ・コンパレータ1020Aからの出力信号1022Aによってラッチされたときに発生した可能性がある変換の準安定性を分解する。このラッチ列配列の回路分析の結果、システムの準安定性が、準安定分解レジスタ1036を増設することにより、少なくとも230の係数で改善されることが示された。準安定性分解レジスタ1036の出力は、グレー・コード信号を標準バイナリ信号に変換するグレー・コード・デコーダ1038に接続される。グレー・コード・デコーダ1038は、準安定性分解レジスタ1036内の各ラッチの出力が、もう一つ別のビット等で順に排他的ORされた隣接ビットで排他的OR(XOR)される排他的ORを取る(XORを取る)プロセスを使用してもよい。グレー・コード・デコーダ1038によって出力される標準バイナリNビット・コードは、入力クロック1068に応答して出力値をラッチするNビット出力レジスタ1071のデータ入力に供給される。出力レジスタ1071の出力は、Nビット変換バイナリ出力信号1047を供給するN出力ドライバ1073に供給される。
入力クロック1068は、高速クロック1064を生成するクロック逓倍位相固定ループ回路1050にも供給される。本発明の1つの実施態様では、クロック乗算器は、12xクロック乗算器である。本発明の1つの実施態様では、例えば入力クロック1068は7MHzの名目クロックで、クロック乗算器1050は、これを12倍の84MHzに増加させる。
ここでは、グレー・コード生成器1045を記述する。本発明の1つの実施態様では、Nビット・バイナリ・グレー・コードである、バス1062上のディジタル・グレー・コードは、最下位ビット1060、最下位の次のビット1058、およびN−2ビット・グレー・コード・ワード1056という3つのビット・ストリームの連鎖により生成される。高速クロック1064はN−2ビット同期バイナリ・カウンタ1048をクロックする。N−2ビット同期カウンタ1048は、出力信号をN−2ビット・グレー・コード・エンコーダ1046に供給する。グレー・コード・エンコーダは、バス1062上のディジタル・グレー・コードのN−2最上位ビット1056を供給する。グレー・コード・エンコーダ1046は、カウンタ1048によって出力される各ビットと、隣接する出力ビットをXOR(排他的OR)することによって、グレー・コードを供給する。
高速クロック1064およびN−2ビット同期カウンタの最下位ビット1049は、負エッジ・トリガ・フリップフロップ1044に接続される。負エッジ・トリガ・フリップフロップ1044は、最下位の次のビット信号、LSB+1 1058をバス1062上のディジタル・グレー・コードの一部として供給する。
高速クロック1064は、90°アナログ位相器1042にも接続される。90°位相器1042は、高速クロック1064を90°シフトすることによって、最下位ビット信号LSB1060をバス1062上のディジタル・グレー・コードの一部として生成する。
1つの実施態様では、Nは13ビットと等しく、同期カウンタ1048およびグレー・コード・エンコーダ1046はグレー・コードバス1062上の11の最上位ビットを供給する。12番目のビット(LSB+1)は、(約)75MHzクロックを2で除算してから、それをフリップフロップ1044の75MHzクロックの降下エッジでラッチすることによって、供給される。13番目のビット(LSB)は、閉ループ位相器1042内の1つの完全なクロック・サイクルの1/4である正確な90°で、75MHzクロックを遅延させることによって生成される。この種の位相器は、遅延固定ループとも呼ばれる。
ここでは、図15のクロック逓倍位相固定ループ1050を更に詳細に図解する図16を参照する。クロック乗算器1050は、入力クロック1068と回線102上の高速クロック1064の周波数分割バージョンの間の位相差を検出する位相検出器10100を含むものである。位相検出器10100の出力10104は、周波数逓倍電圧制御発振器(VCO)10106を制御するために使用される。VCO10106は、あらかじめ定められた係数で入力クロック1068の周波数を増加させる。一例では、VCO10106は、係数12で入力クロック1068の周波数を増加させ、高速クロック1064を生成する。VCO10106の出力10108は、“二乗”回路10110に供給される。二乗回路10110の機能は、高速クロック1064が50%の衝撃係数、すなわち“二乗”出力を有するように、出力信号10112を整形することである。また、高速クロック1064は、回線10102上で伝送されるクロック信号の周波数が入力クロック1068の周波数と等しくなるように係数nで周波数を除算するn分割回路10114に供給される。前述のように、1つの実施態様では、VCO10106が係数12でクロック周波数を増加させる場合、その信号を位相検出器10100に供給する前に、n分割回路10114での除算によって高速クロック1064の周波数が係数12で縮減されるようにnは12となろう。1つの実施態様では、VCO10106はリング発振器を含んでいてもよい。
ここでは、図15に図解された90°アナログ位相器1042の概略ブロック図である図17を参照する。高速クロック1064およびクロック乗算器1050からのその補数は、4入力排他的OR(XOR)ゲート1080の第1クロック入力、および第2クロック入力に接続される。XORゲート1080は、高利得積分増幅器1082の反転入力に結合される出力を含んでいる。増幅器1082は、電圧制御遅延回路1078の制御入力に結合される制御信号1083を出力する。また、電圧制御遅延回路1078は、高速クロック1064からクロック駆動信号を受ける。増幅器1082の高利得は、構成要素値、およびクロック周波数に変動がある場合でも、遅延が常に90°となることを確実にする。電圧制御遅延回路1078は、制御信号1083、およびクロック1064に応答して“二乗”回路1077に遅延信号を出力する。二乗回路1077は、遅延信号が対称であり、50%の衝撃係数(すなわち“二乗”出力)を有するように遅延信号を整形し、ライン・ドライバ・インバータ1075の入力に信号を出力する。二乗回路1077は、前述の二乗回路10110と類似している。ライン・ドライバ・インバータ1075は、第1ライン・ドライバ・インバータ信号1075Aおよび第2ライン・ドライバ・インバータ信号1075Bを4入力排他的ORゲート1080の3番目の入力および4番目の入力に出力する。第1ライン・ドライバ・インバータ信号および第2ライン・ドライバ・インバータ信号は、遅延整合回路1081の第1入力および第2入力にも結合される。信号1075Aおよび1075Bは、相補遅延クロックを含んでいる。遅延整合回路1081は、信号が互いに適切な位相関係を保つように、各信号1075Aおよび1075Bが受ける遅延が同じであることを確実にする。遅延整合回路1081は、LSB1060を出力する。
ここでは、図15の回路の変形実施態様の概略ブロック図である図18を参照する。図18の回路では、図15の90°位相器1042が省かれている。更に、クロック乗算器1050は、LSB1060を直接供給するように修正されている。他の全ての点で、図18の動作は図15に関連して前述したものと同一である。
ここでは、図18のクロック乗算器1050の概略ブロック図である図19を参照する。図19では、図16の場合のように、入力クロック1068は、入力クロック1068および信号10102に応答して、電圧制御発振器10120制御信号10104を供給する位相検出器10100に供給される。VCO10120は、回線10112上で高速クロック1064を生成するために、回線10108上で二乗回路10110に供給される出力周波数を乗算する。二乗回路10110の出力は回線10112上で更に、図16に関して記載したのと同様の方法で制御信号10102を送るn分割回路10114に供給される。
VCO10120は、出力10108に対して90°位相を変えられ、その後、別の二乗回路10110に供給される第2出力10122を供給する。二乗回路10110は、図16に関して前述したように動作して、“二乗”出力を回線10124上のLSB1060用に供給する。
ここでは、VCO10120の概略図である図20を参照する。VCO10120は、互いに位相が90°外れている2つの出力10108、10122を供給する。VCO10120は、ループ内で接続される奇数個のインバータ・ステージから形成されるリング発振器である。より詳細には、VCO10120は、インバータ10126、10128、10130、10132および10134を含んでいる。インバータ10134の出力は、リングを形成するために回線10136を介してインバータ10126の入力に接続される。tを1つのインバータ内の時間遅延とし、pを発振器内の段数とすると、発振周波数fは下記のようになる。
(1)f=1/(2pt)
周波数の変更は、インバータ連鎖の電源電圧を変更し、時間tを変更することによって達成される。CMOSインバータの場合、搬送の遅延は電源電圧が低下するにつれて上昇する。
リング発振器内のステージ毎の位相偏位は下記のとおりである。
(2)位相/ステージ=180/p
例えば、図20に図解されている5段発振器では、ステージごとの位相偏位は36°である。従って、主出力から2段離れたタップは、72°の位相偏位となり、一方、主出力から3段離れたタップの位相偏位は108°となる。インバータの全てが同一である場合、90°の位相偏位は可能ではない。
しかし、リング発振器内の様々なインバータが同一に構成されていない場合には、リング発振器内のインバータ間の90°の位相偏位が得られる。CMOSインバータの場合は、インバータを介する遅延は構成要素のトランジスタのサイズと形状、およびその出力上での容量性負荷の量を含む多くの要因によって左右される。これらの要因のいずれかを調整し、インバータのうちの一つの搬送遅延をリング内の残りのインバータと比較して増加させることを利用して必要な90°位相偏位を達成できる。
図20に示したVCO120の場合は、インバータ10130の搬送遅延は常にオン状態になるようにバイアスをかけられる2個のトランジスタ10138と10140とを追加することによって調整される。それによってインバータ10130を介した搬送遅延が増加するので、インバータ10134、10126および10128を介した合計の遅延は修正されたインバータ10130およびインバータ10132を介した遅延とほぼ同じになる。インバータ10134、10136および10128を介した遅延は修正されたインバータ10130およびインバータ10132を介した遅延と同じである場合は、出力10108と10122との間の位相偏位は正確に90°になる。
ここで図16および19に図解した二乗回路10110の概略回路図である図21を参照する。図17の二乗回路1077も二乗回路10110と同様に動作する。
図21に示すように、VCO10120の出力は二乗回路10110に供給される。明らかに、図19に示した回路の場合は、VCO10120の各出力ごとに1個ずつである、2個の二乗回路が備えられている。
一般的には、VCO10120は残りの回路と比較して降下した電圧で動作し、従って、出力10108および10122は残りの回路のより高い電圧レベルに変換される必要がある。加えて、搬送遅延は一般に出力信号の立ち上がりエッジと降下エッジでは同一ではないので、リング発振器内の信号が対称であってもレベル変換回路の出力は対称にはならず、すなわち、“二乗”出力、または50%の衝撃係数を有するものとなる。このようにして回路10110は出力信号の対称性を保持するために必要とされる入力しきい値を調整する閉ループ・フィードバック回路内にレベル変換器を組込んでいる。
レベル・シフタは、トランジスタ10150と10152、およびインバータ10154と10156を含んでいる。2つの電流源トランジスタ10158および10160は、電圧VMINUSおよびVPLUSによって制御される。電圧VMINUSおよびVPLUSは、電流ミラー10162によって供給され、トランジスタ10158および10160によって送られる電流の量を制御する。信号10112または10124のフィードバック・ループは、トランジスタ10158、10160、10164を通ってレベルシフトトランジスタ10150および10152に供給される。出力信号10112または10124の波形が非対称になると、すなわち“二乗”ではなくなると、トランジスタ10158、10160は、出力の対称性を設定し直す方向で、入力ステージ電流源トランジスタ10150上でのゲート電圧を変更することにより応答する。更に、コンデンサとして使用されるトランジスタ10164は、あらゆるリプル電圧を濾波してこれを取り除き、フィードバック・ループの応答時間を設定する。
ここでは、LSB1060およびLSB+1 1058のタイミング図である図22を参照する。図22のタイミング図は図15の回路あるいは図18の回路の動作を示している。高速クロック1064は、時間3で低から高へと遷移する。N−2ビット・バイナリ・カウンタ1048上の最下位ビット1049は、高速クロック1064の低から高への遷移途上で遷移する。高速クロック1064から導出されるLSB1060は時間5で高レベルに、時間9で低レベルに遷移する。カウンタの最下位ビット1049から導出される。LSB+1058は、時間7で高レベルに遷移し、時間2で低レベルに遷移する。グレーコード化済み信号のN−2最上位ビット1056は、時間3においてのみ遷移し、一方、LSB1060およびLSB+1058信号は時間3では変化しない。時間2、5、7および9では、これらの信号のうちの1つだけが一時に変化するので、カウントに変化がある場合には単一ビット変化しかしないというグレー・コード要件を満たす。
当業者は、高速クロックを供給するために乗算される周波数を有する入力クロック信号を用いるのではなく、外部高速クロックを用いて、カウンタ1048、フリップフロップ1044、および90°位相器1042を制御できることを理解しよう。
本発明の1つの利点は、グレー・コード最下位ビット周波数が、回路を制御するために使用されるクロックの周波数と等しくなるという点にある。すなわち、最下位ビットの周波数は、フリップフロップの最大トグル周波数と等しくなるのである。従来、典型的なグレー・コードでは、マスター・クロック周波数は、グレー・コードの最下位ビットの4倍の周波数である。本発明では、対照的に、グレー・コードの最下位ビットの周波数はクロック周波数と等しくなることができる。従って、クロック周波数は、クロック・カウンタ回路自体の固有の周波数制限によってだけ制限される。これによって、従来達成可能であった変換速度より更に高速な変換速度が可能になる。
室温での通常2ミクロンのCMOSプロセスの場合、この周波数制限は約150MHzであり、80°Kで約500MHzである。通常1ミクロンのCMOSプロセスでは、この周波数制限は室温で約500MHzであり、80°Kでは1GHzを超える場合がある。本発明の1つの実施態様では、72MHzマスター・クロックは、30μsで13ビット変換を可能にする3.5ns分解能のグレー・コードを生成する。500MHzマスター・クロックは、500ps分解能のグレー・コードを生成し、33μsで16ビット変換または2μsで12ビット変換を可能にする。1つのチップ上にこれらのコンバータのうちの数100個を使用すると、総変換速度は、約100MHzであってもよい。概算される電力は、チャネル当たり50μwを下回る。その結果、このようなコンバータの配列が1個の単独のチップ上で使用され、比較的高速の変換速度をもたらすが、電力消費量が少ない場合は、本発明によりアナログ/ディジタル変換の比較的低速の単独傾斜方式が可能になる。更に、単独傾斜アナログ/ディジタル・コンバータの単純な設計は、特に、CMOS技術を使用する場合、電力を節約し、1つの単独の集積回路上でのこれらの大多数のコンバータの集積を可能にする。
グレー・コード・カウントは、定義ではコードの各増分ごとに1ビットしか変化しないため、コンパレータ活性化時に記憶されるディジタル信号として使用される。ラッチがイネーブルにされている時には、グレー・コード化されたビットのうちの1つしか変化のプロセスに入ることができないので、サンプリングされるビットのうちの1つしか準安定性を示すことができず、結果として生じるコードは、1つの最下位ビット分だけ不安定になる。これは、標準バイナリ・コードが記憶されるディジタル信号として使用される場合と対照的である。複数のビットがコードの各増分ごとに変化することができるので、サンプリングされた多くのビットが準安定性を示すことができる。
グレー・コード・カウントを用いると、それを完了するためにさらに時間がある場合、回路内のある一点で準安定性分解を有利に決定できるようになるので、回路の電力および速度の必要性が低減される。その結果、本発明では、データ速度が、データが各アナログ/ディジタル・コンバータにより供給される速度よりはるかに低い場合に、準安定性分解をデータの多重化の後まで延期することができる。特に従来の回路では、準安定性分解は通常、カウンタからのバイナリ・コードがNビット・データ・ラッチでクロックされるときに供給される可能性があった。そのためには、準安定性分解を比較的高速のクロック速度で非常に短期間の間隔で実行されることが必要になる場合があった。前述のように、これとは対照的に本発明では、回路の電力および速度の必要要件を低減する極めて低速のクロック速度を用いて、この機能を達成することができる。
例えば、(約)75MHzのクロックを用いてグレー・コードを生成してもよい。この75MHzのクロックは、(約)6MHzの入力クロックから生成される。75MHzのクロックは、アナログ/ディジタル変換だけに使用される。6MHzクロックは、集積回路の他の全ての機能に用いられる。
328個のコンバータからなる配列を用いることにより、変換は13ビットの分解能で約30マイクロ秒の間に完了する。従来の方法では、例えば、従来の2ミクロンのCMOSプロセスの能力よりも高い約300MHzのマスター・クロック周波数が必要になる。グレー・コードを使用することで、328個のコンパレータ上での300MHzではなく、13ビットでの6MHzという速度で準安定性分解を実行できるようになる。
本発明は更に、高速有効クロック速度のアナログ/ディジタル・コンバータの配列からのアナログ信号の変換方法、および分解能の増加をもたらすものである。コンバータごとに1つの多数の入力信号がサンプリングおよび保持される。信号は、アナログ・ソースからの電流を積分することによって形成される。この信号は、変換プロセスの期間中、コンデンサ上で一定に保たれる。次に、アナログ・ランプおよびディジタル・カウンタが同時に始動される。コンパレータ回路は、ランプの電圧をサンプリングおよび保持されている電圧と比較する。双方が等しい場合、コンパレータの出力は状態を変化させ、ディジタル・カウンタの値をNビット・ラッチ内に記憶させる。様々な入力電圧のディジタル表記であるラッチの配列に記憶される値は、並列でラッチの別の配列に転送される。それから、新たな一群の変換が実行され、一方では先の変換の結果が多重化され、ディジタル出力信号が形成される。
コンバータの配列の場合、ディジタル・カウンタおよびランプ生成器は全てのコンバータに共通である。各コンバータ自体には、サンプリングおよび保持、コンパレータおよびディジタル・ラッチの配列だけが必要である。
本発明の回路は、従来のCMOS技術を用いる半導体形式でモノリシック集積されてもよい。
これまで本発明の少なくとも1つの例示的な実施態様を記載したが、当業者には多様な変更、修正および改良が可能であろう。このような変更、修正および改良は、本発明の趣旨および範囲内で企図されるものである。従って、前記の記述は例示するためだけであり、限定を意図するものではない。本発明は以下の請求の範囲、およびそれと同等なもので定義されるように限定されるだけである。Background of the Invention
1. Field of Invention
The present invention relates to thermal imaging systems, and more particularly to microcomputer-based microbolometer array uncooled focal plane array sensors.
2. Examination of related technologies
Thermal imaging systems are useful for many low light level applications such as night vision, imaging with reduced visibility, or thermal imaging for process or conditional monitoring in industrial or residential environments. is there. These imaging devices generally perform two-dimensional real-time display for an operator to observe. The real-time image allows the user to observe the object and / or landscape, and to see the thermal characteristics of the object, with the human eye not functioning properly.
Some focal plane array sensors operate using image intensifier tubes or sensors cooled at cryogenic temperatures. The image intensifier tube amplifies visible light and near visible light having a wavelength of 0.4 to 1.0 micron in its place. Such an image multiplication sensor has some limitations. The image intensifier sensor amplifies the light at that location and cannot operate in total darkness. It also does not work if there is a sudden flash or if there is bright lighting around. Such sensors cannot detect signals through obstacles such as camouflage or smoke. Furthermore, the image intensifier does not perform hot spot detection, which is an important function for certain imaging applications.
Some conventional imaging systems generate images by amplifying near-infrared radiation visible at night. This type of radiation amplification is generally performed using a photomultiplier tube. The photomultiplier tube amplifies light having a wavelength of, for example, 0.4 to 1.0 microns using a microchannel device. The available microchannel device itself has a photosensitive input surface on one side and an output display surface on the other side. No cooling is necessary.
Some thermal vision apparatuses utilize a two-dimensional infrared focal plane array such as PtSi, Ins, and HgCdTe that operates at extremely low temperatures. Unfortunately, such focal planes require complex cooling systems.
Other focal plane arrays such as pyroelectric arrays and ferroelectric arrays are also used as night vision devices. These devices utilize an AC coupled focal plane array and require a mechanical scanner or chopper to generate an infrared image. Such focal plane arrangements are generally referred to as “uncooled” focal plane arrangements because they do not require complex cooling systems. However, they are heavier, less sensitive and consume an undesirable amount of power compared to other sensors and the uncooled sensor of the present invention.
To overcome the shortcomings of conventional devices, an independent low cost, low power consumption, lightweight portable that collects radiation at that location in the visible to infrared range, outputs digital image data, and produces a real-time visual display. It is desirable to provide a thermal sensor for the vehicle. It would also be desirable to have a sensor that produces an image using a microbolometer focal plane array with digital image data output integrated into a single chip, processing electronics, power supply and display.
Summary of invention
The present invention provides a staring focal plane array sensor with an optical system provided along an optical path for transporting radiation. Focal plane arrays and integrated circuits provided along the optical path to receive the transported radiation sensitively generate image signals from the transported radiation. The integrated circuit includes means for converting the image signal into digital image data at the digital image data output.
One aspect of the present invention comprises a microbolometer focal plane array integrated in a single semiconductor circuit having a digital image output in a modular structure package that is smaller, lighter and consumes less power than conventional devices. An uncooled focal plane array sensor is provided. The uncooled focal plane array may be formed to operate in the wavelength region from 8 microns to 14 microns, which is the wavelength region of the naturally occurring radiation at that location. Since no visible light is required, it is possible to operate in the darkness where the image intensifier cannot operate. In addition, it can operate without trouble during the day. The focal plane arrangement of the present invention does not require continuous mechanical chopper cooling.
Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art through the description of the preferred embodiments, claims, and drawings, wherein like reference numerals represent like elements. It will be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic block diagram of one embodiment of an uncooled focal plane array sensor of the present invention.
FIG. 1B is a schematic block diagram of a focal plane alignment apparatus utilized in one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a detector array of one embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a circuit schematic diagram of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing four exemplary detectors and detector electronics.
FIG. 3B is a schematic circuit diagram of another embodiment of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing a plurality of detectors and detector electronics.
FIG. 4 is a circuit schematic diagram of the microbolometer focal plane array processing circuit of the present invention.
5 and 6 show another embodiment of the microbolometer focal plane array processing circuit in the integrated circuit of the present invention utilizing, for example, a bolometer offset compensator.
FIG. 7 shows another embodiment of a bolometer offset compensator circuit contemplated by a modified embodiment of the present invention.
FIG. 8 schematically illustrates an example of a non-linear compensation voltage source contemplated by a modified embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows an example of a 1-bit latch used in a 6-bit data latch utilized in a modified embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows an example of a buffer direct injection (BDI) preamplifier using a horizontal bipolar transistor.
FIG. 11 schematically shows a block diagram of one embodiment of a temperature stabilizer for a microbolometer focal plane arrangement implemented in accordance with the present invention.
FIG. 12 is a schematic block diagram of an analog / digital converter according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic block diagram of the metastable decomposition circuit illustrated in FIG.
FIG. 14 is a schematic block diagram of the analog waveform generator illustrated in FIG.
FIG. 15 is a schematic block diagram of an array of analog / digital converters according to the present invention.
FIG. 16 is a schematic block diagram of the clock multiplication phase locked loop illustrated in FIG.
FIG. 17 is a schematic block diagram of the 90 ° phaser illustrated in FIG.
FIG. 18 is a schematic block diagram of a modified embodiment of the circuit illustrated in FIG.
FIG. 19 is a schematic block diagram of a two-phase voltage controlled oscillator and a square circuit used in the circuit of FIG.
FIG. 20 is a detailed schematic circuit diagram of the voltage controlled oscillator illustrated in FIG.
FIG. 21 is a detailed schematic circuit diagram of the squaring circuit illustrated in FIG.
FIG. 22 is a timing diagram illustrating the temporal relationship between the least significant bits of the gray code signal.
Detailed description
FIG. 1A shows a schematic block diagram of one embodiment of the uncooled focal plane array sensor of the present invention. The focal
The
The digital image data is sent to processing
A
The system receives power from the
In one embodiment of the invention, the
A switch on the
FIG. 1B shows a schematic block diagram of a system utilizing the focal plane arrangement and integrated signal processor of the present invention. The digital offset correction device includes a shutter /
The
The controller 318 interfaces the imaging system to an external system via the host microcomputer. The controller 318 also generates histograms, generates luminance and equivalent curves, controls choppers or shutters, generates reference image frame timing, performs memory diagnostics and system diagnostics, monitors manual controls and switches, Control the
FIG. 2 is a schematic view of the array sensor of the present invention. The
FIG. 3A is a schematic circuit diagram of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention showing an example of four detectors and associated detector electronics. The microbolometer array comprises a plurality of basic unit cells that contain multiplexer test transistors. In one embodiment, the microbolometer focal plane array may comprise a 328 × 246 matrix of unit cells with 328 column circuits. In particular, the detector
Referring now to FIG. 3B, there is shown a schematic circuit diagram of a modified embodiment of a portion of the microbolometer arrangement of the present invention that conceptually illustrates a plurality of
The structure unique to the uncooled focal plane array sensor of the present invention provides high thermal separation between the detectors, thereby producing a high contrast image. The uncooled focal plane array generates a high contrast image compared to other thermal imaging elements. These high-contrast images allow the user to observe more detailed parts and produce a clearer image. Referring now to FIG. 4, an example of a microbolometer array processing circuit used in accordance with the present invention is shown. Advantageously, the processing circuit may be integrated with the focal plane arrangement into a single integrated circuit, for example using MOS technology. The bidirectional
A
Column
In that example embodiment, the bolometer offset
Reference is now made to FIG. 5 showing another variation of the microbolometer array compensation circuit of the present invention that utilizes a bolometer offset
Reference is now made to FIG. 6, which shows another variation of the microbolometer array compensation circuit of the present invention that utilizes a non-linear
Reference is now made to FIG. 7 which shows a modified embodiment of the bolometer-offset-compensation circuit contemplated by the present invention. As described above, each column of the focal plane array is coupled to a bolometer offset
Here, with reference to FIG. 8, an example of a non-linear
Reference is now made to FIG. 9 which shows an example of a 1-
At the input, each bit latch 744A includes a row
Now that the elements of the bolometer offset compensator circuit have been described, it will now be useful to the present invention to describe the operation of the bolometer offset compensator circuit. Due to the additional background, microbolometer focal plane arrays usually require a very large dynamic range of electronics to handle both detector non-uniformities and very low signal levels simultaneously. A dynamic range of over 1 million to 1 is typical. Electronic circuit switches can meet this difficult requirement, especially when applicable to large focal plane arrays, resulting in significant advantages and practical applications of microbolometer technology. In the embodiment illustrated in FIG. 7, the non-linear compensation voltage source, if utilized, is an off-focal plane nonlinearity connected to a focal plane circuit comprising a bolometer detector, a load resistor, a preamplifier and a compensation resistor. A compensation voltage source is preferred. When voltage V1 is applied, current is selected by
When current is applied to the bolometer detectors, J2 R heating (ie, heating proportional to the square of the current flowing through the resistor) raises the temperature of each detector. As a result of the temperature increase, the detector resistance changes, thereby increasing the input dynamic range requirement of the
Referring now to FIG. 10, an example of a BDI preamplifier using a horizontal bipolar transistor is shown. The BDI preamplifier includes, for example, a PNP horizontal bipolar input stage 802, a current source load 806, a P-
Referring now to FIG. 11, there is shown a block diagram of one particular example of a temperature stabilizer for a microbolometer focal plane arrangement implemented in accordance with the present invention. The apparatus comprises a microbolometer
In one embodiment of the apparatus of the present invention,
In a useful embodiment of the apparatus of the present invention, the mean signal determining means is coupled to receive data from each microbolometer in the FPA or from a selected portion of the microbolometer in the array. preferable. In this way, the method and apparatus of the present invention initially utilizes the temperature sensitivity of the FPA bolometer elements to stabilize the array itself at the average temperature of the bolometer elements in the array.
During operation, the method of the present invention provides temperature stabilization of the microbolometer focal plane array in a computer controlled manner, where each process step is implemented in response to a computer generated command. The computer controlled method includes the following steps:
A. Reading temperature data from each of a plurality of microbolometers in the microbolometer focal plane array;
B. Determining an average signal from the temperature data;
C. Generating a feedback signal in which the feedback signal is proportional to the average signal;
D. Generating a temperature control signal proportional to the feedback signal; and
E. Stabilizing the temperature of the microbolometer focal plane array by adjusting the average temperature of the microbolometer focal plane array in response to a temperature control signal.
In one embodiment, stabilizing the temperature includes adjusting the temperature of a thermoelectric ballast coupled to the microbolometer focal plane array.
In one alternative embodiment of the invention using a separate temperature sensor on the array substrate, the TE ballast may keep the FPA temperature stable within 100 microdegree Kelvin for the following parameters:
Sensor resistance: 5KΩ ≦ R ≦ 20KΩ
Temperature coefficient: -2% / degree Kelvin
A separate temperature sensor circuit may be realized by placing the sensor in one leg of the differential bridge. The two power leads to the bridge are automatically switched so that differential measurements can be taken, and the bridge is supplied with power in both directions to offset the drift in the dc drive power supply. The bridge resistor is set to a value R equal to the sensor resistance. In order to obtain an accurate absolute temperature within the 1 degree Kelvin range, for a temperature coefficient of -2% / degree K, the value of R must be accurate to within 2%. In the case of a specified range of sensor resistance, there may be N total difference values in the bridge.
1.02N = (20K / 5K)
N = log (4) / log (1.02)
N = 70
Thus, each sensor must be measured to select a suitable resistor for assembly. The voltage difference across the bridge for the drive voltage, which is 12 volts, is about 6 μV for a change in temperature of 100 μ °. This voltage is then amplified by approximately 100,000 and sampled by an analog / digital converter for input to the background processor. The processor may be used to control a power drive circuit for the TE ballast.
The present invention is described below with reference to specific embodiments and operating parameters only for purposes of illustration and not limitation of generality. However, those skilled in the art will appreciate that the invention is not limited to the specific operating parameters described.
Reference is now made to FIG. 12, which is a general schematic block diagram of the analog / digital converter of the present invention. An
Reference is now made to FIG. 13, which shows the
Reference is now made to FIG. 14 which shows a schematic block diagram of the analog waveform generator 1030 illustrated in FIG. The
Reference is now made to FIG. 15, which is a schematic block diagram of parallel analog /
The analog signal on
Here, the
The
Here, a
The
In one implementation, N is equal to 13 bits, and
Reference is now made to FIG. 16, which illustrates in further detail the clock multiplication phase locked
Reference is now made to FIG. 17, which is a schematic block diagram of the 90 °
Reference is now made to FIG. 18, which is a schematic block diagram of a modified embodiment of the circuit of FIG. In the circuit of FIG. 18, the 90 °
Reference is now made to FIG. 19, which is a schematic block diagram of the
The
Here, reference is made to FIG. 20, which is a schematic diagram of the
(1) f = 1 / (2pt)
The change of frequency is achieved by changing the power supply voltage of the inverter chain and changing the time t. In the case of a CMOS inverter, the transport delay increases as the power supply voltage decreases.
The phase deviation for each stage in the ring oscillator is as follows.
(2) Phase / stage = 180 / p
For example, in the 5-stage oscillator illustrated in FIG. 20, the phase deviation for each stage is 36 °. Therefore, a tap that is two steps away from the main output has a phase deviation of 72 °, while a phase deviation of a tap that is three steps away from the main output is 108 °. If all of the inverters are the same, a 90 ° phase excursion is not possible.
However, if the various inverters in the ring oscillator are not configured identically, a 90 ° phase shift between the inverters in the ring oscillator is obtained. In the case of a CMOS inverter, the delay through the inverter depends on many factors, including the size and shape of the component transistors and the amount of capacitive load on the output. Any of these factors can be adjusted to take advantage of increasing the carrier delay of one of the inverters relative to the remaining inverters in the ring to achieve the required 90 ° phase excursion.
In the case of the
Reference is now made to FIG. 21 which is a schematic circuit diagram of the squaring
As shown in FIG. 21, the output of the
In general, the
The level shifter includes
Here, reference is made to FIG. 22 which is a timing diagram of
One skilled in the art will be able to control
One advantage of the present invention is that the gray code least significant bit frequency is equal to the frequency of the clock used to control the circuit. That is, the frequency of the least significant bit is equal to the maximum toggle frequency of the flip-flop. Traditionally, in a typical gray code, the master clock frequency is four times the least significant bit of the gray code. In the present invention, in contrast, the frequency of the least significant bit of the Gray code can be equal to the clock frequency. Thus, the clock frequency is limited only by the inherent frequency limitation of the clock counter circuit itself. As a result, a higher conversion speed than that which can be achieved in the past can be realized.
For a normal 2 micron CMOS process at room temperature, this frequency limit is about 150 MHz and about 500 MHz at 80 ° K. For a 1 micron CMOS process, this frequency limit is approximately 500 MHz at room temperature and may exceed 1 GHz at 80 ° K. In one embodiment of the present invention, a 72 MHz master clock generates a 3.5 ns resolution gray code that allows 13-bit conversion in 30 μs. The 500 MHz master clock generates 500 ps resolution gray code and allows 16-bit conversion at 33 μs or 12-bit conversion at 2 μs. Using several hundred of these converters on one chip, the total conversion rate may be about 100 MHz. The estimated power is below 50 μw per channel. As a result, such an array of converters can be used on a single chip, resulting in a relatively fast conversion speed, but if the power consumption is low, the present invention provides a relatively slow analog / digital conversion. It is possible to use a single tilt method. Furthermore, the simple design of single slope analog / digital converters saves power and allows integration of the majority of these converters on a single integrated circuit, especially when using CMOS technology. .
The gray code count is used as a digital signal that is stored when the comparator is activated because, by definition, only one bit changes for each code increment. When the latch is enabled, only one of the gray coded bits can enter the process of change, so only one of the sampled bits can exhibit metastability. Instead, the resulting code is unstable by one least significant bit. This is in contrast to the case where standard binary codes are used as stored digital signals. Since multiple bits can change for each increment of code, many sampled bits can exhibit metastability.
Using gray code count allows the metastable decomposition to be advantageously determined at a point in the circuit when there is more time to complete it, thus reducing the need for circuit power and speed. Reduced. As a result, in the present invention, metastable decomposition can be postponed until after data multiplexing when the data rate is much lower than the rate at which the data is supplied by each analog / digital converter. Particularly in conventional circuits, metastability decomposition could usually be provided when the binary code from the counter is clocked by the N-bit data latch. To that end, it may be necessary to perform metastable decomposition at very high clock rates and at very short intervals. As previously noted, in contrast to this, the present invention can achieve this function using a very slow clock speed that reduces the power and speed requirements of the circuit.
For example, a gray code may be generated using a (about) 75 MHz clock. This 75 MHz clock is generated from a (approximately) 6 MHz input clock. The 75 MHz clock is used for analog / digital conversion only. The 6 MHz clock is used for all other functions of the integrated circuit.
By using an array of 328 converters, the conversion is completed in about 30 microseconds with 13-bit resolution. Conventional methods require, for example, a master clock frequency of about 300 MHz, which is higher than the capabilities of a conventional 2 micron CMOS process. The use of gray code allows metastable decomposition to be performed at a rate of 6 MHz with 13 bits instead of 300 MHz on 328 comparators.
The present invention further provides a method for converting an analog signal from an array of analog / digital converters with a high effective clock speed and increased resolution. A number of input signals, one for each converter, are sampled and held. The signal is formed by integrating the current from the analog source. This signal is kept constant on the capacitor during the conversion process. The analog ramp and digital counter are then started simultaneously. The comparator circuit compares the lamp voltage with the sampled and held voltage. If they are equal, the output of the comparator changes state and the value of the digital counter is stored in an N-bit latch. Values stored in an array of latches, which are digital representations of various input voltages, are transferred in parallel to another array of latches. A new group of transformations is then performed, while the results of the previous transformations are multiplexed to form a digital output signal.
In the case of an array of converters, the digital counter and ramp generator are common to all converters. Each converter itself requires only an array of sampling and holding, comparators and digital latches.
The circuit of the present invention may be monolithically integrated in semiconductor form using conventional CMOS technology.
While at least one exemplary embodiment of the present invention has been described above, various changes, modifications and improvements will occur to those skilled in the art. Such alterations, modifications, and improvements are intended to be within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the foregoing description is by way of example only and is not intended as limiting. The present invention is limited only as defined in the following claims and the equivalents thereto.
Claims (3)
前記複数のセンサユニットセルからの前記イメージ信号を処理し、前記イメージ信号に基づく処理済イメージデータを出力する、処理回路と、を有する装置であって、
前記複数のセンサユニットセルおよび前記処理回路が、1つの集積回路チップ内にて半導体基板上にモノリシックに形成され、
前記処理回路は、前記テスト信号を出力させるよう前記各ユニットセルの前記テストトランジスタを作動させるテスト回路を含み、
前記処理回路は、前記テストトランジスタの作動時に、前記各ユニットセルからの前記テスト信号に基づいた前記処理済イメージデータを出力し、
前記センサはボロメータである、装置。In a plurality of sensor unit cells arranged as a two-dimensional grid for detecting radiation, each unit cell emulates an image signal connected in parallel with the sensor that outputs an image signal based on the detected radiation. A plurality of sensor unit cells, including test transistors that output test signals to be
A processing circuit that processes the image signals from the plurality of sensor unit cells and outputs processed image data based on the image signals,
The plurality of sensor unit cells and the processing circuit are formed monolithically on a semiconductor substrate in one integrated circuit chip,
The processing circuit includes a test circuit that operates the test transistor of each unit cell to output the test signal;
The processing circuit outputs the processed image data based on the test signal from each unit cell when the test transistor is activated.
The apparatus, wherein the sensor is a bolometer.
前記センサはセンサ抵抗を有し、
前記作動されたテストトランジスタは、前記センサ抵抗に等しいオン時抵抗を有する、装置。The device according to claim 1,
The sensor has a sensor resistance;
The activated test transistor has an on-time resistance equal to the sensor resistance.
前記二次元グリッドはユニットセルの列を含み、その各列は、前記ユニットセルからの前記イメージ信号および前記テスト信号を供給する列出力部を有し、
各ユニットセルはさらに、前記センサおよび前記テストトランジスタを、共通の供給バスと前記列出力部との間に接続するスイッチを含む、装置。The device according to claim 1,
The two-dimensional grid includes a column of unit cells, each column having a column output for supplying the image signal and the test signal from the unit cell;
Each unit cell further includes a switch connecting the sensor and the test transistor between a common supply bus and the column output.
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