KR100324568B1 - Readout circuit in infrared imaging detector - Google Patents
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Abstract
외부로부터 적외선 신호를 제공받아 파장에 대한 에너지를 전기신호로 변환한 후 발생한 전기신호의 저주파 대역에 노이즈를 제거하는 센싱 및 필터부와, 상기 센싱 및 필터부에서 출력되는 동작 바이어스 전압 및 적외선 전기신호에 응답하여 감지한 적외선 신호를 일정레벨로 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부에서 출력되는 신호에 응답하여 고주파 대역의 노이즈를 제거한 후 상기 증폭부로 피드백하고 출력하는 로우패스 필터부와, 상기 증폭부의 동작에 따라 출력단을 소정의 전원전압 레벨로 클램프하는 클램프 회로부, 및 상기 클램프 회로부와 센싱 및 필터부와 외부의 로우 선택신호에 각각 응답하여 감지한 적외선 신호를 증폭하여 출력하는 출력부를 구비하여, 적외선 신호 처리회로 셀 내에 여러 가지 필터회로를 추가하여 신호의 S/N비를 높임으로써, 고품질과 고해상도의 화질을 구현할 수 있는 열영상 검출소자용 신호 처리회로에 관한 것이다.A sensing and filter unit for removing noise in the low frequency band of the electrical signal generated after receiving the infrared signal from the outside to convert the energy for the wavelength into an electrical signal, and the operating bias voltage and the infrared electrical signal output from the sensing and filter unit An amplifying unit for amplifying the infrared signal sensed in response to the predetermined level, a low pass filter unit for removing high frequency band noise in response to the signal output from the amplifying unit, and feeding back and outputting the amplifying unit; A clamp circuit unit for clamping an output terminal to a predetermined power supply voltage level according to an operation, and an output unit for amplifying and outputting an infrared signal sensed in response to the clamp circuit unit, the sensing and filter unit, and an external row selection signal, respectively, Various filter circuits are added in the signal processing cell to increase the S / N ratio of the signal. As relates to a thermal image detecting element for the signal processing circuit capable of implementing the high-quality and high resolution image quality of.
Description
본 발명은 비냉각 적외선 검출기(Uncooled IR Detector)에 관한 것으로서, 특히 적외선을 흡수하여 검출하고 검출한 적외선을 전기신호로 변환하여 영상으로표시하는 열영상 검출소자용 신호 처리회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an uncooled IR detector, and more particularly, to a signal processing circuit for a thermal image detection device, which absorbs and detects infrared rays, converts the detected infrared rays into electrical signals, and displays them as images.
비냉각 적외선 시스템은 외부로부터 입사되는 적외선 신호를 검출하여 신호 처리한 후 열 영상을 얻는 것이며, 나이트 비전(night vision)이나 보안 시스템(security system) 또는 표적 인식(target recognition) 등의 군사용, 의료용, 우주 산업용 등의 용도로 쓰이고, 그 시스템은 크게 적외선 센서와, 신호 처리회로와, 영상처리회로 및 수상관 등의 블록으로 이루어진다.The uncooled infrared system detects an infrared signal incident from the outside and processes the signal to obtain a thermal image, and is used for military, medical, and other purposes such as night vision, security systems, or target recognition. It is used for aerospace applications and the like, and the system is largely composed of an infrared sensor, a signal processing circuit, an image processing circuit and a water pipe.
상기 적외선 센서는, 커패시터형의 초전소자 예를 들면, BST(Barium Strontium Titanate; Ba1-xSrxTiO3) 물질로 구성되어 8∼14㎛ 범위의 적외선 파장대를 검출하며, 센서의 결정이 전기적 분극을 갖고 있을 때 온도의 변화에 따라 전기적 분극의 양이 변화되어 표면 전하(charge)의 양이 변화하여 열 신호를 발생하게 된다. 즉, 적외선의 파장을 알면 각 파장에 대한 에너지의 양을 알 수 있고, 온도로 환산하는 것이 가능하다.The infrared sensor is composed of a capacitor-type pyroelectric element, for example, BST (Barium Strontium Titanate; Ba 1-x Sr x TiO 3 ) material and detects an infrared wavelength band in the range of 8 to 14 μm. When it has polarization, the amount of electrical polarization changes with the change of temperature, and the amount of surface charge changes to generate a heat signal. In other words, knowing the wavelength of the infrared rays can know the amount of energy for each wavelength, it is possible to convert to the temperature.
비냉각 적외선 시스템은 일반적으로 온도 변화에 대한 전하의 변화량이 커야 하고, 초전체 양단에 생성되는 미소한 양의 전하를 감지하기 위해서는 션트(Shunt) 저항이 커야 만이 높은 전압 강하를 유도할 수 있고, 초전소자의 자발분극과 유전율이 높고, 초전소자의 바륨(Br)과 스트론튬(Sr)의 조성비를 조절하여 초전계수를 -235∼130℃ 까지 쉽게 변화시킬 수 있는 등의 특성이 있어야 한다.Uncooled infrared systems generally require a large amount of charge change with temperature change, and a large shunt resistance can be induced to detect a small amount of charge generated across the pyroelectric body, and a high voltage drop can be induced. The spontaneous polarization and dielectric constant of the pyroelectric element should be high, and the pyroelectric coefficient could be easily changed from -235 to 130 ℃ by adjusting the composition ratio of barium (Br) and strontium (Sr) of the pyroelectric element.
도 1은 종래의 적외선 신호 처리 IC의 단위 셀을 나타낸 회로도로서, 범프단(Bump)과 접지전압 사이에 연결되어 외부 대상물에서 복사되는 적외선을 열로 흡수한 후 파장에 따른 내부 온도 변화에 상응하는 전기신호를 발생하는 초전소자(Cd)와, 범프단(Bump)과 접지전압 사이에 연결되고 소정의 제어신호(CTL)에 따라 범프단(Bump)의 전압을 접지전압으로 풀-다운시키는 풀다운 트랜지스터(M1)와, 전원전압(Vdd)과 출력단(Vout) 사이에 연결되고 상기 범프단(Bump)의 신호에 응답하는 P모스 트랜지스터(M2)와, 상기 출력단(Vout)과 접지전압 사이에 연결되고 상기 출력단(Vout)의 신호에 응답하고 N모스 트랜지스터(M3)로 구성되어 있다.1 is a circuit diagram showing a unit cell of a conventional infrared signal processing IC, which is connected between a bump and a ground voltage to absorb infrared radiation radiated from an external object with heat, and then corresponds to an internal temperature change according to a wavelength. A pull-down transistor connected between the pyroelectric element Cd generating the signal and the bump terminal and the ground voltage and pulling down the voltage of the bump terminal to the ground voltage according to a predetermined control signal CTL ( M1), a P-MOS transistor M2 connected between a power supply voltage Vdd and an output terminal Vout and responding to a signal of the bump terminal, and connected between the output terminal Vout and a ground voltage. The NMOS transistor M3 is configured in response to the signal at the output terminal Vout.
상기와 같이 구성된 종래의 비냉각 적외선 센서의 경우 상온에서 동작하기 때문에 열 잡음의 영향이 크고 출력신호가 매우 작으며, 특히 세라믹 계열의 초전형 검출기는 매우 높은 절연특성을 가지므로 신호 처리회로의 설계를 위해서는 임피던스 매칭, 잡음제거 및 높은 전압이득을 가져야 한다.In the case of the conventional uncooled infrared sensor configured as described above, since it operates at room temperature, the effect of thermal noise is large and the output signal is very small. In particular, the ceramic-type pyroelectric detector has a very high insulation characteristic, so the design of the signal processing circuit It must have impedance matching, noise cancellation and high voltage gain.
종래의 기술은 세라믹 계열의 검출기의 임피던스 매칭에 주로 초점을 맞추어 설계되어 있어 열잡음 및 유전 손실 잡음을 효율적으로 제거하기 어렵고, 이러한 회로를 이용하여 제작된 신호처리 아이시(IC)는 매우 복잡한 신호처리 시스템이 필요할뿐 아니라 고화질의 열영상의 구현이 어렵게 되는 문제점이 있었다.The conventional technology is mainly focused on impedance matching of ceramic detectors, so that it is difficult to efficiently remove thermal noise and dielectric loss noise, and signal processing ICs manufactured using such a circuit are very complicated signal processing. In addition to the need for a system, there was a problem in that it was difficult to implement high quality thermal images.
본 발명의 목적은, 적외선 신호 처리회로 셀 내에 여러 가지 필터회로와 클램프 회로를 추가하고 각 필터와 클램프 회로로 공급되는 바이어스 전압을 조절함으로써, 차단주파수의 조절 및 신호의 S/N비를 높일 수 있는 열영상 검출소자용 신호 처리회로를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to add various filter circuits and clamp circuits in an infrared signal processing circuit cell and to adjust the bias voltage supplied to each filter and clamp circuit, thereby adjusting the cutoff frequency and increasing the signal S / N ratio. There is provided a signal processing circuit for a thermal image detecting device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 BST검출기와의 임피던스 매칭을 위해 요구되는 1TeraΩ정도의 저항을 효율적으로 구현하기 위해 MOS다이오드 구조의 회로를 고안하여 적용하였으며, 이를 통해 특수공정의 개발 없이 기존의 CMOS공정으로 ROIC의 설계가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 외부로부터 적외선 신호를 제공받아 파장에 대한 에너지를 전기신호로 변환한 후 발생한 전기신호의 저주파 대역에 노이즈를 제거하는 센싱 및 필터부; 상기 센싱 및 필터부에서 출력되는 동작 바이어스 전압 및 적외선 전기신호에 응답하여 감지한 적외선 신호를 일정레벨로 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부에서 출력되는 신호에 응답하여 고주파 대역의 노이즈를 제거한 후 상기 증폭부로 피드백하고 출력하는 로우패스 필터부; 상기 증폭부의 동작에 따라 출력단을 소정의 전원전압 레벨로 클램프하는 클램프 회로부; 및 상기 클램프 회로부와 센싱 및 필터부에서 출력되는 신호에 각각 응답하여 감지한 적외선 신호를 증폭한 후 소정의 로우 선택신호에 따라 순차적으로 셀 외부로 출력하는 출력부를 구비한다.In order to achieve the above object, the present invention devised and applied a circuit having a MOS diode structure to efficiently implement a resistance of about 1TeraΩ required for impedance matching with a BST detector. In order to achieve the above object, the apparatus of the present invention provides a low frequency band of an electrical signal generated after receiving an infrared signal from the outside and converting energy for a wavelength into an electrical signal. Sensing and filtering unit to remove the noise; An amplifier for amplifying the infrared signal detected in response to the operation bias voltage and the infrared electric signal output from the sensing and filter unit to a predetermined level; A low pass filter unit which removes noise of a high frequency band in response to a signal output from the amplifier, feeds back to the amplifier, and outputs the noise; A clamp circuit part for clamping an output terminal to a predetermined power supply voltage level according to an operation of the amplifier part; And an output unit configured to amplify the infrared signal sensed in response to the signals output from the clamp circuit unit and the sensing and filter units, and then sequentially output the cells to the outside of the cell according to a predetermined row selection signal.
도 1은 종래의 적외선 신호 처리회로 IC의 단위 셀을 나타낸 회로도이고,1 is a circuit diagram showing a unit cell of a conventional infrared signal processing circuit IC,
도 2는 본 발명에 의한 적외선 신호 처리회로를 나타낸 블록도이며,2 is a block diagram showing an infrared signal processing circuit according to the present invention,
도 3은 도 2의 적외선 신호 처리회로의 실시 예를 보인 상세 회로도이며,3 is a detailed circuit diagram illustrating an embodiment of the infrared signal processing circuit of FIG. 2.
도 4는 도 3의 클램프 회로부의 유무에 따른 제 3 노드의 출력 파형을 보인 도면이다.4 is a diagram illustrating an output waveform of a third node according to the presence of the clamp circuit of FIG. 3.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
110: 센싱 및 필터부 130: 증폭부(C모스 증폭기)110: sensing and filter unit 130: amplifying unit (CMOS amplifier)
150: 로우패스 필터부 170: 클램프 회로부150: low pass filter unit 170: clamp circuit unit
190: 출력부 191: 출력버퍼부190: output unit 191: output buffer unit
195: 출력스위치부195: output switch unit
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 적외선 신호 처리회로를 나타낸 블록도로서, 도 2의 셀 어레이의 단위 셀을 나타낸 회로 블록이다.FIG. 2 is a block diagram showing an infrared signal processing circuit according to the present invention, and is a circuit block showing a unit cell of the cell array of FIG.
도면부호 110은 외부로부터 적외선 신호를 제공받아 파장에 대한 에너지를 전기신호로 변환하여 발생한 후 발생한 전기신호의 저주파 대역에 노이즈를 제거하는 센싱 및 필터부이고, 부호 130은 센싱 및 필터부(110)에서 출력되는 동작 바이어스 전압 및 적외선 전기신호에 응답하여 감지한 적외선 신호를 일정레벨로 증폭하는 증폭부이다.Reference numeral 110 is a sensing and filtering unit for removing noise in the low frequency band of the electrical signal generated after receiving the infrared signal from the outside to convert the energy for the wavelength into an electrical signal, and reference numeral 130 is the sensing and filter unit 110 The amplifier amplifies the detected infrared signal to a predetermined level in response to the operating bias voltage and the infrared electric signal output from the.
부호 150은 상기 증폭부(130)에서 출력되는 신호에 응답하여 고주파 대역의 노이즈를 제거한 후 상기 증폭부(130)로 피드백하고 출력하는 로우패스 필터부이고, 부호 170은 다음 회로의 입력단을 소정의 전원전압 레벨로 클램프(Clamp)하여 안정된 DC 동작점을 제공하기 위한 클램프 회로부이고, 부호 190은 상기 클램프 회로부(170)와 센싱 및 필터부(110)의 출력신호 및 외부의 로우 선택신호(Row SS)에 각각 응답하여 감지한 적외선 신호를 증폭한 후 순차적으로 출력하는 출력부로 구성되어 있다.Reference numeral 150 is a low pass filter that removes noise of a high frequency band in response to a signal output from the amplifier 130 and feeds back to the amplifier 130 and outputs the signal. Clamp circuit portion for providing a stable DC operating point by clamping at the power supply voltage level, reference numeral 190 denotes an output signal of the clamp circuit portion 170 and the sensing and filter unit 110 and an external row select signal (Row SS) ) Is configured to output amplified and sequentially output infrared signals detected in response to each).
또한, 상기 출력부(190)는, 클램프 회로부(170)와 센싱 및 필터부(110)에서 출력되는 신호에 응답하여 클램프 회로부(170)에서 발생된 신호가 출력될 때까지 칼럼 라인에 발생하는 기생 커패시터를 구동하기 위한 출력버퍼부(191)와, 외부 로우 시프트 저항(200)로부터 출력되는 로우 선택신호(Row SS)에 응답하여 상기 출력버퍼부(191)를 통한 신호를 로우패스 필터단(300; LPF)으로 출력하는 출력스위치부(195)를 구비한다.In addition, the output unit 190 is parasitic generated in the column line until the signal generated from the clamp circuit unit 170 in response to the signal output from the clamp circuit unit 170 and the sensing and filter unit 110 is output. The low pass filter stage 300 outputs a signal through the output buffer unit 191 and the output buffer unit 191 in response to a row select signal Row SS output from an external low shift resistor 200 for driving a capacitor. An output switch unit 195 for outputting to LPF.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 도 2의 상세 회로도로서, 초전소자(Cd)를 포함한 센싱 및 필터부(110), 증폭부(130), 로우패스 필터부(150), 클램프 회로부(170) 및 출력부(190)를 구비한다.3 is a detailed circuit diagram of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention. The sensing and filter unit 110 including the pyroelectric element Cd, the amplifier 130, the low pass filter unit 150, and the clamp circuit unit ( 170 and an output unit 190.
상기 센싱 및 필터부(110)는, 외부 대상물에서 복사되는 적외선을 열로 흡수한 후 복사 파장에 따른 내부 온도 변화에 상응하는 전기신호를 발생하는 초전소자(Cd)와, 초전소자(Cd)의 일측단과 제 1 노드(Nd1) 사이에 전류통로가 연결되고 소오스단의 신호에 응답하는 다이오드형 P모스 트랜지스터(MP1)와, 초전소자(Cd)의 일측단과 제 1 노드(Nd1) 사이에 전류통로가 연결되고 소오스단의 신호에 응답하는 다이오드형 N모스 트랜지스터(MN1)로 구성되고, 상기 다이오드형P모스 트랜지스터(MP1)와 N모스 트랜지스터(MN1)는 저항으로 작용한다.The sensing and filter unit 110 includes a pyroelectric element Cd for generating an electrical signal corresponding to an internal temperature change according to the radiation wavelength after absorbing infrared radiation radiated from an external object, and one side of the pyroelectric element Cd. A current path is connected between the terminal and the first node Nd1, and a current path is connected between the diode-type P-MOS transistor MP1 responding to the signal of the source terminal, and one end of the pyroelectric element Cd and the first node Nd1. The diode-type NMOS transistor MN1 is connected and responds to a signal of a source terminal. The diode-type PMOS transistor MP1 and the NMOS transistor MN1 act as a resistor.
그리고, 커패시터로 기능하는 초전소자(Cd)와 P모스 및 N모스 트랜지스터(MP1, MN1)의 결합은 하이패스 필터로 작용하게 된다.The combination of the pyroelectric element Cd, which functions as a capacitor, and the P-MOS and N-MOS transistors MP1 and MN1 serves as a high pass filter.
또한, 증폭부(130)는, 제 1 전원전압(VDD)과 제 1 노드(Nd1) 사이에 연결되고 상기 초전소자(Cd)의 일측단의 전위에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP2)와, 제 1 노드(Nd1)와 접지 사이에 연결되고 초전소자(Cd)의 일측단의 전위에 응답하는 N모스 트랜지스터(MN2)로 구성되어, 상기 초전소자(Cd)의 출력신호를 반전 증폭시킨다.In addition, the amplifier 130 includes a P-MOS transistor MP2 connected between the first power supply voltage VDD and the first node Nd1 and responding to a potential at one end of the pyroelectric element Cd, An NMOS transistor MN2 connected between one node Nd1 and ground and responding to a potential at one end of the pyroelectric element Cd inverts and amplifies the output signal of the pyroelectric element Cd.
또한, 로우패스 필터부(150)는, 제 2 전원전압(VLPF)과 타 트랜지스터의 소오스단 사이에 전류통로가 연결되고 소오스단의 신호에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP3)와, P모스 트랜지스터(MP3)의 드레인단과 제 2 노드(Nd2) 사이에 전류통로가 연결되고 제 1 전원전압(VDD)에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP4)와, 제 1 노드(Nd1)와 제 2 노드(Nd2) 사이에 전류통로가 연결되고 제 1 노드(Nd1)의 신호에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP5)와, 제 2 노드(Nd2)와 제 1 노드(Nd1) 사이에 전류통로가 연결되고 제 2 노드(Nd2)의 신호에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP6)와, 제 2 전원전압(VLPF)과 제 2 노드(Nd2) 사이에 연결된 커패시터(C1)로 구성되고, 상기 P모스 트랜지스터(MP5, MP6)의 저항 값을 조절하여 로우패스 필터의 차단 주파수를 조절할 수 있다.In addition, the low pass filter unit 150 may include a P-MOS transistor MP3 and a P-MOS transistor, in which a current path is connected between the second power supply voltage VLPF and the source terminal of another transistor, and responds to a signal of the source terminal. A current path is connected between the drain terminal of the MP3 and the second node Nd2 and is connected between the P-MOS transistor MP4 and the first node Nd1 and the second node Nd2 in response to the first power supply voltage VDD. A current path is connected to the PMOS transistor MP5, which responds to a signal from the first node Nd1, and a current path is connected between the second node Nd2 and the first node Nd1, and the second node Nd2. A PMOS transistor MP6 in response to a signal of the PMOS transistor and a capacitor C1 connected between the second power supply voltage VLPF and the second node Nd2, and the resistance of the PMOS transistors MP5 and MP6. By adjusting the value, you can adjust the cutoff frequency of the lowpass filter.
또한, 클램프 회로부(170)는, 제 3 전원전압(VCC)과 제 3 노드(Nd3) 사이에 전류통로가 연결되고 제 4 전원전압(Vclp)에 응답하는 P모스 트랜지스터(MP7)와,상기 제 2 노드(Nd2)와 제 3 노드(Nd3) 사이에 연결된 커패시터(C2)로 구성되어, 상기 제 3 노드(Nd3)의 전압레벨을 제 3 전원전압(VCC)의 레벨로 클램핑(clamping)한다.In addition, the clamp circuit unit 170 may include a P-MOS transistor MP7 connected with a current path between the third power supply voltage VCC and the third node Nd3 and responding to the fourth power supply voltage Vclp, and the second The capacitor C2 is connected between the second node Nd2 and the third node Nd3 to clamp the voltage level of the third node Nd3 to the level of the third power supply voltage VCC.
그리고 출력부(190)는, 제 3 전원전압(VCC)과 제 4 노드(Nd4) 사이에 전류통로가 연결되고 제 3 노드(Nd3)의 신호에 응답하는 N모스 트랜지스터(MN3)와, 제 4 노드(Nd4)와 접지 사이에 전류통로가 연결되고 상기 센싱 및 필터부(110)의 초전소자(Cd)의 출력신호에 응답하는 N모스 트랜지스터(MN4)와, 상기 제 4 노드(Nd4)와 출력단(Vout) 사이에 전류통로가 연결되어 외부의 로우 선택신호(Row SS)에 응답하여 제 4 노드(Nd4)의 신호를 셀 어레이의 외부에 설치된 로우패스 필터단(미도시)으로 출력하는 N모스 트랜지스터(MN5)로 구성되어 있다.The output unit 190 includes an N-MOS transistor MN3 and a fourth connected to a current path between the third power supply voltage VCC and the fourth node Nd4 and responding to a signal from the third node Nd3. A current path is connected between the node Nd4 and ground and the NMOS transistor MN4 responds to the output signal of the pyroelectric element Cd of the sensing and filter unit 110, the fourth node Nd4, and the output terminal. The N-MOS is connected between the current paths and outputs a signal of the fourth node Nd4 to a low pass filter stage (not shown) installed outside the cell array in response to an external row select signal Row SS. It consists of the transistor MN5.
상기와 같이 구성된 각 블록의 기능 및 동작을 살펴보자.Let's look at the function and operation of each block configured as described above.
커패시터형 초전센서(Cd)는 임의의 적외선 신호를 흡수하여 동일 에너지의 전기적 신호(전압)를 발생시킨다.The capacitor-type pyroelectric sensor Cd absorbs an arbitrary infrared signal to generate an electrical signal (voltage) of the same energy.
특히, 초전형 센서(Cd)는 입사되는 연속적 적외선 신호에 대해서는 전기적 신호를 연속적으로 발생시킬 수 없기 때문에 일정 간격으로 적외선 신호를 단속시켜 주어야 한다. 이때, 사용되는 것이 초퍼(chopper)이며, 초퍼의 단속 주기는 센서(Cd)의 열 용량과 밀접한 관계가 있다.In particular, since the pyroelectric sensor Cd cannot continuously generate an electrical signal with respect to the incident continuous infrared signal, the pyroelectric sensor Cd should be interrupted at a predetermined interval. In this case, a chopper is used, and the chopper's intermittent cycle is closely related to the heat capacity of the sensor Cd.
특히, BST 등과 같은 강유전성 초전센서(Cd)의 열 응답속도는 약 15ms 정도이기 때문에, 일반적인 초전센서(Cd)에 사용되는 초퍼의 주파수(단속주기)는 30㎐이다.In particular, since the thermal response speed of the ferroelectric pyroelectric sensor Cd such as BST is about 15 ms, the frequency (interruption period) of the chopper used for the general pyroelectric sensor Cd is 30 Hz.
초전센서(Cd)에서 출력되는 전압 신호는 초퍼의 주파수에 반비례하기 때문에 주파수를 되도록 낮게 가져가는 것이 좋으나, 비냉각 초전센서(Cd)의 경우 낮은 초퍼 주파수에서 열잡음 및 유전 손실 잡음이 매우 크기 때문에 신호에 매우 심각한 악 영향을 미치게 된다.Since the voltage signal output from the pyroelectric sensor (Cd) is inversely proportional to the frequency of the chopper, it is recommended to keep the frequency as low as possible, but in the case of the uncooled pyroelectric sensor (Cd), the thermal noise and the dielectric loss noise are very high at low chopper frequency. It will have a very serious adverse effect on.
초전센서(Cd)에서 발생되는 노이즈의 대부분은 10㎐ 이하의 저주파 노이즈이며, 증폭부(130)의 C모스 증폭기(MP2, MN2)를 사용할 경우에도 저주파 노이즈가 크게 발생하여 센서(Cd)의 감지 신호에 많은 영향을 주게 된다.Most of the noise generated by the pyroelectric sensor Cd is low frequency noise of 10 Hz or less, and even when the CMOS amplifiers MP2 and MN2 of the amplification unit 130 are used, low frequency noise is generated to detect the sensor Cd. It will have a lot of influence on the signal.
또한, 초전센서(Cd)는 일종의 커패시터로서 절연저항 값(5E12[Ω] 이상)이 매우 크기 때문에 초전센서(Cd)의 감지 신호를 증폭하기 위해서는 센서(Cd) 입력단에서의 임피던스 매칭회로를 갖추는 것이 필수적인 조건이다. 본 발명에서는 위의 여러 가지 상황을 고려하여 가변 가능한 C모스 저항(MP1, MN1)을 이용하여 회로를 설계하였다.In addition, since the pyroelectric sensor Cd is a kind of capacitor, the insulation resistance value (5E12 [Ω] or more) is very large. Therefore, in order to amplify the detection signal of the pyroelectric sensor Cd, an impedance matching circuit at the input of the sensor Cd is required. It is an essential condition. In the present invention, the circuit is designed using the variable CMOS resistors MP1 and MN1 in consideration of the above various situations.
C모스 저항(MP1, MN1)은 C모스 인버터 증폭기(MP2, MN2)의 DC 바이어스 레벨을 잡아주는 역할을 하고 있으며, 이때 등가 저항값은 5E11[Ω] 이상의 값을 갖게 된다. 1E11[Ω] 이상의 등가저항은 폴리(poly) 실리콘을 이용하여 구현할 수도 있으며, 단순 다이오드의 역방향 저항을 이용하여 구현할 수도 있으나, MOS형 다이오드 또는 PN 다이오드를 이용할 경우에 출력 파형에 약간의 왜곡이 발생할 수 있다.The CMOS resistors MP1 and MN1 serve to hold the DC bias levels of the CMOS inverter amplifiers MP2 and MN2, and the equivalent resistance value is 5E11 [Ω] or more. Equivalent resistance of 1E11 [Ω] or more can be realized by using poly silicon and can be realized by using the reverse resistance of a simple diode. However, when MOS type diode or PN diode is used, slight distortion can occur in the output waveform. Can be.
가변 C모스 저항(MP1, MN1)은 인버터 증폭기(MP2, MN2)의 DC 바이어스 조정과 함께 커패시터의 초전센서(Cd)와 결합하여 하이패스 필터를 구성하게 된다. 하이패스 필터의 차단 주파수는 P모스 트랜지스터(MP1)의 벌크 바이어스(VBIAS; 외부조절 단자)를 조절하면서 초퍼 주파수 이하(약 10㎐ 이하)로 조절하게 된다.The variable CMOS resistors MP1 and MN1 are coupled to the pyroelectric sensor Cd of the capacitor together with the DC bias adjustment of the inverter amplifiers MP2 and MN2 to form a high pass filter. The cutoff frequency of the high pass filter is adjusted below the chopper frequency (about 10 Hz or less) while adjusting the bulk bias (VBIAS) of the PMOS transistor MP1.
초전센서(Cd)의 전압응답 특성을 보면 초전센서(Cd)에 폴링 바이어스를 인가함으로서, 매우 높은 센서전압(Cd) 신호를 얻을 수 있기 때문에, 일반적으로 강한 전계를 인가한 상태에서 초전센서(Cd)를 동작시키게 된다. 하지만, 이 경우 센서(Cd)에서 출력되는 전압값은 증가하는 이점이 있는 반면, BST 커패시터(Cd)의 유전상수 값이 급격하게 감소하는 현상이 발생하게 된다.In the voltage response characteristic of the pyroelectric sensor Cd, by applying a polling bias to the pyroelectric sensor Cd, a very high sensor voltage Cd signal can be obtained. Therefore, the pyroelectric sensor Cd is generally applied with a strong electric field. ) Will be activated. However, in this case, while the voltage value output from the sensor Cd has an advantage of increasing, a phenomenon in which the dielectric constant value of the BST capacitor Cd decreases sharply occurs.
이러한 현상은 초전센서(Cd)의 커패시터를 감소시켜 하이패스 필터의 차단 주파수를 상승시키는 결과를 가져오며, 이는 센서신호를 완전히 사라질 수도 있는 위험 부담을 가지고 있다.This phenomenon reduces the capacitor of the pyroelectric sensor (Cd), resulting in an increase in the cutoff frequency of the high pass filter, which carries a risk of completely disappearing the sensor signal.
이러한 측면에서 볼 때 본 발명에서 사용된 가변 가능 C모스 저항(MP1, MN1)은 폴리 실리콘 혹은 단순 다이오드를 이용한 회로 설계보다 매우 안정된 주파수 특성을 가질 수 있으며, 회로 설계뿐만 아니라 초전센서(Cd)의 제작에 있어서도 엄청난 자유도를 부여할 수 있다.In view of this aspect, the variable CMOS resistors MP1 and MN1 used in the present invention may have more stable frequency characteristics than circuit designs using polysilicon or simple diodes. It can also give you tremendous freedom in production.
그리고, 가변 C모스 저항들(MP1, MN1) 중 어느 하나만을 형성하여 이용해도 무방하다.In addition, only one of the variable CMOS resistors MP1 and MN1 may be formed and used.
초전센서(Cd)에서 발생되는 신호의 크기는 수㎶에서 수십㎷ 크기의 전압을 갖는다. 실제 상온에서 동작할 경우, 초퍼를 거쳐 초전센서(Cd)에 도달되는 적외선 신호는 매우 작은 전압(수㎶∼수십㎶)을 발생시키기 때문에 열영상을 구현하기에 적합한 신호로 증폭하는 과정이 반드시 필요하다. 인버터 증폭기(MP2, MN2)의 설계에서 고려해야할 사항은 열영상 구현을 위해 제작될 초전센서(Cd)의 크기는60×60[㎛2] 이하의 값을 갖게 되므로 회로 설계에 있어서 면적의 제한을 받게 된다.The magnitude of the signal generated by the pyroelectric sensor Cd has a voltage of several kilowatts to several tens of kilowatts. When operating at room temperature, the infrared signal reaching the pyroelectric sensor (Cd) through the chopper generates a very small voltage (several to several tens of GHz), so it is necessary to amplify it to a signal suitable for realizing thermal images. Do. In designing the inverter amplifiers MP2 and MN2, the size of the pyroelectric sensor Cd to be manufactured to realize the thermal image has a value of 60 × 60 [μm 2 ] or less, thus limiting the area limitation in the circuit design. Will receive.
따라서, 면적을 최대한 적게 가져가면서 충분한 증폭도를 낼 수 있도록 회로 설계가 이루어져야 하고 본 발명에서는 도면과 같이 단순 C모스 인버터 증폭기(130; MP2, MN2)를 이용하여 설계하였으며, 필요에 따라 N모스 트랜지스터(MN2)에 액티브 로드를 사용할 수도 있고, 제 1 전원전압(VDD)을 조절하여 전력 소모량을 조절할 수 있게 하여 열영상 시스템 제작을 쉽게 할 수 있다.Therefore, the circuit design should be made to take enough area while taking the smallest possible area. In the present invention, a simple CMOS inverter amplifier 130 (MP2, MN2) is designed as shown in the drawing. An active load may be used for the MN2), and the power consumption may be adjusted by adjusting the first power supply voltage VDD, thereby making it easier to manufacture a thermal imaging system.
다음으로, 로우패스 필터부(150)는 하이패스 필터부(110)의 저항 부분(MP1, MN1)과 같이 저항으로 역할하는 C모스 저항부분(MP5, MP6)이 C모스 저항에 흐르는 전류량을 조절하여 저항값을 외부에서 가변(VLPF: 외부단자에서 조절)시킬 수 있도록 하는 전류 소오스 부분(MP3, MP4)과 C모스 저항(MP6, MP7)과 연결되어 로우패스 필터를 구성하는 커패시터(C1)로 구성되어 있고, 로우패스 필터부(150)의 전류 소오스단은 수㎁ 이하의 전류를 C모스 저항(MP5, MP6)에 공급하여, 로우패스 필터의 차단주파수가 200㎐ 이하가 되도록 저항값(MP5, MP6의 등가저항 값; 1E9[Ω] 이상)을 조절하게 된다.Next, the low pass filter unit 150 adjusts the amount of current flowing through the CMOS resistors MP5 and MP6 acting as resistors, such as the resistor portions MP1 and MN1 of the high pass filter unit 110. To the capacitor (C1), which is connected to the current source part (MP3, MP4) and the CMOS resistor (MP6, MP7) to make the resistance value variable (VLPF: external terminal). And the current source stage of the low pass filter unit 150 supplies several currents or less to the CMOS resistors MP5 and MP6 so that the cutoff frequency of the low pass filter becomes 200 Hz or less. , The equivalent resistance value of MP6; 1E9 [Ω] or more).
그리고, 로우패스 필터(150)를 구성하는 커패시터(C1)는 폴리-폴리 커패시터로 구성하였으며, 모스 커패시터 혹은 메탈-메탈 커패시터를 이용하여도 무방하다.In addition, the capacitor C1 constituting the low pass filter 150 may be formed of a poly-poly capacitor, and a MOS capacitor or a metal-metal capacitor may be used.
로우패스 필터에 사용된 C모스 저항(MP5, MP6)은 두 개의 모스 트랜지스터 중 한 개를 사용하여도 가능하며, PN접합 다이오드의 역방향 저항을 이용할 수도있다.The CMOS resistors (MP5, MP6) used in the lowpass filter can be used with one of two MOS transistors, or the reverse resistance of the PN junction diode.
또한, 전류 소오스 바이어스 단자인 'VLPF'없이 C모스 저항(MP5, MP6)의 벌크 바이어스를 조절하여서도 C모스 저항(MP5, MP6) 값을 조절할 수 있다. 만약, C모스 저항(MP5, MP6)의 벌크 바이어스를 조절할 경우 신호 파형의 미소한 왜곡이 발생할 수 있으나, 클램프 회로(170)를 사용하여 신호의 다이나믹 레인지(range)를 증가시키게 된다.In addition, the CMOS resistors MP5 and MP6 can be adjusted by adjusting the bulk bias of the CMOS resistors MP5 and MP6 without the current source bias terminal VLPF. If the bulk bias of the C-MOS resistors MP5 and MP6 is adjusted, slight distortion of the signal waveform may occur, but the dynamic range of the signal is increased by using the clamp circuit 170.
그리고, 인버터 증폭기(130)의 DC 바이어스는 센서(Cd)에서 발생되는 신호의 크기와 밀접한 관계를 갖게 된다. 즉, C모스 인버터 증폭기(130)의 입력신호에 따라 DC 바이어스점이 달라질 경우 입력전압의 크기에 따른 증폭율도 차이를 보이기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위해 클램프 회로(170; MP7, C2)를 사용한다.In addition, the DC bias of the inverter amplifier 130 has a close relationship with the magnitude of the signal generated by the sensor Cd. In other words, when the DC bias point is changed according to the input signal of the CMOS inverter amplifier 130, the amplification ratio also varies according to the magnitude of the input voltage. Thus, clamp circuits 170 (MP7 and C2) are used to solve this problem.
클램프 회로(170)의 또다른 목적은 출력부(190)의 출력버퍼(191) 혹은 차동증폭기의 DC 동작점을 잡아주는 역할을 하여, 단전원(0∼5V)을 갖고도 출력부(190)의 설계에 자유도를 증가시킬 수 있다. 도 4는 클램프 회로부(170)의 P모스 트랜지스터(MP7)가 온될 때 제 2 노드(Nd2)와 제 3 노드(Nd3) 사이의 파형의 차이를 나타내고 있으며, 그 상세 설명은 후술하고자 한다.Another purpose of the clamp circuit 170 is to hold the DC operating point of the output buffer 191 or the differential amplifier of the output unit 190, so that the output unit 190 has a single power supply (0 to 5V). This can increase the degree of freedom in the design. FIG. 4 illustrates a difference in waveforms between the second node Nd2 and the third node Nd3 when the P-MOS transistor MP7 of the clamp circuit unit 170 is turned on. Details thereof will be described later.
그리고, 본 발명의 신호처리 단위 셀은 2차원 초전센서 어레이와 동일한 개수의 회로를 갖고, 2차원 신호처리 셀 어레이는 칩 내의 제어신호(Row SS)에 따라 선택적으로 외부로 신호(Vout)를 출력하게 되며, 이때 개개의 신호처리 셀에서 통과된 센서신호(Vout)는 미 도시된 각 칼럼 혹은 로우 별로 동일한 출력 버스라인을 구동하게 된다. 이때 출력 버스 라인의 기생 커패시터를 충분히 구동할 수 있으며,파형의 왜곡이 생기지 않게 충분한 전류 구동 능력을 갖는 버퍼(191)가 필요하게 된다.In addition, the signal processing unit cell of the present invention has the same number of circuits as the 2D pyroelectric sensor array, and the 2D signal processing cell array selectively outputs a signal Vout to the outside according to the control signal Row SS in the chip. In this case, the sensor signal Vout passed in each signal processing cell drives the same output bus line for each column or row not shown. In this case, the parasitic capacitor of the output bus line may be sufficiently driven, and a buffer 191 having sufficient current driving capability is required to prevent waveform distortion.
본 발명에서 사용된 출력버퍼(191)는 설계면적 제한을 고려하여 소오스 팔로워 방식을 이용하였으며, 로드의 바이어스는 외부에서 공급하지 않고 센싱 및 필터부(110)의 DC 바이어스를 이용하였다.The output buffer 191 used in the present invention used a source follower method in consideration of the design area limitation, and the bias of the rod was used from the DC bias of the sensing and filter unit 110 without supplying it from the outside.
출력버퍼(191)를 통과한 센서신호는 신호처리 아이시 내의 디지털 파트로부터 발생되는 디지털 신호(Row SS)에 의해 로우(또는 칼럼) 스위치(MN5)가 온되었을 때 출력단(Vout)을 통해 칩 외부 또는 출력 버퍼단으로 최종 신호를 출력하게 된다.The sensor signal passing through the output buffer 191 is external to the chip through the output terminal Vout when the low (or column) switch MN5 is turned on by the digital signal Row SS generated from the digital part in the signal processing IC. Alternatively, the final signal is output to the output buffer stage.
도 4는 본 발명에 의한 클램프 회로부(170)의 유무에 따라 발생되는 제 3 노드(Nd3)의 신호 형태를 나타낸 파형도로서, 도 4a는 센서신호 발생에 따른 증폭부(130)의 출력 신호 증폭을 나타낸 파형도이고, 도 4b는 클램프 회로부(170)가 없을 경우 제 3 노드(Nd3)의 신호 형태를 나타냈고, 도 4c는 클램프 회로부(170)가 있을 경우 제 3 노드(Nd3)의 신호 형태를 나타낸 파형도이다.FIG. 4 is a waveform diagram illustrating a signal form of the third node Nd3 generated according to the presence or absence of the clamp circuit unit 170 according to the present invention. FIG. 4A illustrates an output signal amplification of the amplification unit 130 according to sensor signal generation. 4B shows the signal form of the third node Nd3 when the clamp circuit unit 170 is not present, and FIG. 4C shows the signal form of the third node Nd3 when the clamp circuit unit 170 is present. Is a waveform diagram showing.
도 4a에서 보는 바와 같이 초전센서(Cd)의 발생신호(점선표시)는 미약하지만 증폭부(130)를 통과하면서 일정 레벨의 신호(실선표시)로 증폭되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4A, the generation signal (dotted line display) of the pyroelectric sensor Cd is weak, but it can be seen that the signal is amplified to a certain level signal (solid line display) while passing through the amplifier 130.
이렇게 증폭된 신호가 로우패스 필터부(150)를 경유하여 제 3 노드(Nd3)에 도달하면, 도 4b와 같이 DC 레벨의 다운과 함께 출력신호가 감소되는 것을 볼 수 있다.When the amplified signal reaches the third node Nd3 via the low pass filter unit 150, it can be seen that the output signal decreases with the DC level down as shown in FIG. 4B.
그러나, 본 발명의 클램프 회로부(170)에 의해 제 3 노드(Nd3)의 DC 바이어스가 고정되고, 제 3 노드(Nd3)를 경유하여 출력되는 신호(실선표시)는 제 2 노드(Nd2)의 신호(점선표시)보다 S/N비가 증가되고 다이나믹 레인지도 증가되어 제 2 노드(Nd2)의 신호보다 큰 진폭의 적분 파형을 얻을 수 있는 것을 도 4c를 통해 볼 수 있다.However, the DC bias of the third node Nd3 is fixed by the clamp circuit unit 170 of the present invention, and the signal (solid line display) output through the third node Nd3 is the signal of the second node Nd2. It can be seen through FIG. 4C that the S / N ratio is increased and the dynamic range is also increased from (dotted line display) to obtain an integrated waveform having a larger amplitude than the signal of the second node Nd2.
따라서, 본 발명에서는 적외선 신호 처리회로 셀 내에 여러 가지 필터회로를 추가하여 각 필터에 공급되는 바이어스 전압을 조절함으로써 센싱신호의 차단주파수를 조절할 수 있어 신호의 S/N비를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 클램프 회로의 추가로 인해 출력 DC 바이어스 레벨을 조절함으로써 신호의 S/N비를 증가시키고 신호처리 셀 이후의 신호처리 블록의 구성을 손쉽게 할 수 있어 고화질의 열영상을 구현할 수 있는 효과가 있다.Therefore, in the present invention, by adding various filter circuits in the infrared signal processing circuit cell to adjust the bias voltage supplied to each filter, the cutoff frequency of the sensing signal can be adjusted, thereby increasing the S / N ratio of the signal, The addition of the clamp circuit increases the S / N ratio of the signal by adjusting the output DC bias level and makes it easy to configure the signal processing block after the signal processing cell, thereby realizing high quality thermal images.
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| KR950012414A (en) * | 1993-10-26 | 1995-05-16 | 배순훈 | Automatic Gain Control Detector Stabilization Circuit for Video Tape Recorders |
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1999
- 1999-04-30 KR KR1019990015610A patent/KR100324568B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100426529B1 (en) * | 2002-03-12 | 2004-04-14 | 주식회사 케이이씨 | Signal Processing Circuit for Detecting heat image |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20000067627A (en) | 2000-11-25 |
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