本發(fā)明涉及紅外探測(cè)器讀出電路領(lǐng)域，尤其是涉及一種相位自補(bǔ)償CMOS紅外探測(cè)器讀出電路。
背景技術(shù)：
：目前紅外探測(cè)成像在軍事、航空航天、生物醫(yī)學(xué)以及國民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。根據(jù)普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體，其內(nèi)部都會(huì)發(fā)生分子熱運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生波長不等的紅外輻射。紅外輻射具有強(qiáng)度和波長直接與物體表面溫度有關(guān)的重要特征，提供了物體的豐富的信息。但是紅外輻射是一種不可見的電磁波，利用紅外輻射來獲取物體的信息的時(shí)候，需要將這種紅外輻射轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)。紅外探測(cè)器讀出電路就是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)。紅外探測(cè)器讀出電路通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段將目標(biāo)物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成視頻圖像，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。為提高抗外界干擾能力，提高系統(tǒng)信噪比，要求紅外探測(cè)器讀出電路與探測(cè)器近距離連接，即讀出電路也在低溫下工作。目前在CMOS電路設(shè)計(jì)方面由于標(biāo)準(zhǔn)低溫模型的限制無法保證電路的低溫工作狀態(tài)，大部份CMOS放大電路在低溫下由于相位裕度的變化從而導(dǎo)致低溫下容易振蕩，需要另外增加較復(fù)雜的相位裕度補(bǔ)償?shù)碾娐?，既增加了電路芯片的面積又增加了電路的噪聲。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外在低溫CMOS讀出電路方面已經(jīng)開展了一些相關(guān)研究，但在實(shí)際應(yīng)用中在低溫穩(wěn)定性和低噪聲方面還有待進(jìn)一步完善。例如：專利CN103913700A公開了一種紅外焦平面讀出電路的檢測(cè)電路，但該電路結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜，包括測(cè)試電路、檢測(cè)電路、積分電路、采樣保持電路等部分，同時(shí)低溫穩(wěn)定性無法得到保證，電路輸出噪聲性能有待提高。本發(fā)明采用的相位自補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過在標(biāo)準(zhǔn)CTIA輸出端與雙關(guān)雙采樣CDS之間增加大于1pF的相位自補(bǔ)償電容，克服了低溫環(huán)境下的復(fù)雜相位補(bǔ)償電路需求，有效解決低溫工作狀態(tài)下電路相位裕度的穩(wěn)定性，并且不明顯增加電路的噪聲，同時(shí)大大降低了紅外探測(cè)器讀出電路的復(fù)雜性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種相位自補(bǔ)償紅外探測(cè)器CMOS讀出電路，有效解決低溫工作狀態(tài)下電路相位裕度的穩(wěn)定性，并且不明顯增加電路的噪聲，同時(shí)大大降低了紅外探測(cè)器讀出電路的復(fù)雜性。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種應(yīng)用于HgCdTe短波紅外探測(cè)器的長線列讀出電路，輸入積分電路采用CTIA相位自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，相位自補(bǔ)償電容C4位于相關(guān)雙采樣電路之前，自補(bǔ)償電容大小設(shè)計(jì)為大于1pF，放大器在低溫下的相位裕度大于45度；電路具有放大倍數(shù)多級(jí)可調(diào)功能，適合不同響應(yīng)率探測(cè)器的信號(hào)讀出。圖1為相位自補(bǔ)償CTIA積分電路，積分電容由三個(gè)電容C1、C2、C3并聯(lián)組成的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)，其中C1為基準(zhǔn)電容，C2、C3分別由選擇開關(guān)S1和選擇開關(guān)S2控制。C4為相位自補(bǔ)償電容。放大器采用差分放大器，in和out端接積分電容，差分輸入的另一輸入端接ref。其電路的單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括輸入積分電路、自補(bǔ)償電容C4、CDS(相關(guān)雙采樣)N跟隨、P跟隨輸出，輸入積分電路采用CTIA結(jié)構(gòu)；放大器采用一級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)，自補(bǔ)償電容設(shè)計(jì)為大于1pF；圖3為CDS(相關(guān)雙采樣)輸出結(jié)構(gòu)，采用由開關(guān)控制的低功耗N管跟隨結(jié)構(gòu)。C6、C7為采樣電容，sha、shb與shaf、shbf為互補(bǔ)脈沖，控制信號(hào)的采樣。列選擇col接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號(hào)按順序讀出。該電路只在CTIA輸出端與雙關(guān)雙采樣CDS之間增加相位自補(bǔ)償電容，無需傳統(tǒng)的復(fù)雜相位補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，可有降低電路的復(fù)雜性，減小了芯片的面積；三個(gè)積分電容的設(shè)計(jì)可以使電路具有較大的適應(yīng)性，滿足不同探測(cè)器靈敏度要求；該電路從常溫到液氮低溫都能正常工作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：1.該電路在CTIA輸出端與雙關(guān)雙采樣CDS之間增加自補(bǔ)償電容，無需傳統(tǒng)的復(fù)雜相位補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，能使電路在液氮低溫下也具有穩(wěn)定的工作狀態(tài)。大大降低了低溫讀出讀出電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。2.積分電容由10pF、20pF、20pF三個(gè)電容組成，可組合成多級(jí)放大倍數(shù)，使電路能適應(yīng)不同非制冷探測(cè)器響應(yīng)率的要求。3.利用低功耗的跟隨管設(shè)計(jì)，采用先N跟隨，后P跟隨，既降低了電路的功耗，又增加了電路的擺幅。附圖說明圖1相位自補(bǔ)償CTIA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2相位自補(bǔ)償讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖。圖3讀出電路低功耗的CDSN跟隨結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：實(shí)施方式1圖1為相位自補(bǔ)償CTIA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，差分放大電路采用的是差分輸入的一級(jí)折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，C4為相位自補(bǔ)償電容，其大小設(shè)置為大于1pF，使電路在低溫下具有較大的相位裕度，保證電路在低溫下能正常工作，積分電容由C1、C2、C3三個(gè)電容組成，大小分別為1pF、2pF、2pF，其中C1為基準(zhǔn)電容，C2、C3分別由選擇開關(guān)S1和選擇開關(guān)S2控制，不同的組合形成了不同放大倍數(shù)，電路能適應(yīng)紅外探測(cè)器不同響應(yīng)率的要求。當(dāng)S1、S2都為高時(shí)，總的積分電容為5pF，適合于高響應(yīng)率信號(hào)的讀出，當(dāng)S1、S2都為低時(shí)，總的積分電容為1pF，適合于低響應(yīng)率信號(hào)的讀出。放大器采用差分放大器，in和out端接積分電容，差分輸入的另一輸入端為參考電壓端ref。其每個(gè)管子參考尺寸如下表所示(單位為微米)。管子M0M5、M6M7、M14M13、M17M16、M18M1、M11resetW/L25/550/215/310/1010/102/12/1實(shí)施方式2圖2為相位自補(bǔ)償讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖，包括輸入積分電路、自補(bǔ)償電容、CDS(相關(guān)雙采樣)N跟隨、P跟隨輸出。差分放大器的正端接Vref，負(fù)端為積分電流輸入端，積分電容Ci跨接在差分放大器的負(fù)輸入端與輸出端之間，自補(bǔ)償電容接在CTIA的輸出端和相關(guān)雙采樣CDS之間，該自補(bǔ)償電容能使電路在低溫下具有充分大的相位裕度而使電路不振蕩。為使長線列的探測(cè)器信號(hào)能順序讀出，需在電路的輸出部分增加N跟隨，后面再接P跟隨。CTIA的輸出信號(hào)通過CDS相關(guān)雙采樣電路保存在采樣電容上，CDS為N跟隨管，信號(hào)最后通過P跟隨輸出。Vref為差分放大器輸入?yún)⒖茧妷?，此電壓為CTIA積分時(shí)的起始電壓，一般設(shè)定為1V，最低不能低于N管的閾值電壓，否則會(huì)在信號(hào)的低端出現(xiàn)失真。實(shí)施方式3電路的輸出端采用CDS的N跟隨加P跟隨的結(jié)構(gòu)，該輸出結(jié)構(gòu)能使電路的輸出擺幅大于2V，其CDS的N跟隨電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，N跟隨部分只有在列選擇端col為低電平時(shí)開啟，有功耗，當(dāng)列選擇端col為高電平時(shí)N跟隨關(guān)閉，幾乎無功耗，所以讀出電路為低功耗結(jié)構(gòu)，功耗很小，長線列電路的單元功耗小于1毫瓦。col端的電壓由移位寄存器提供，控制長線列信號(hào)按順序讀出。sha和shb為兩個(gè)采樣脈沖,shaf、shbf為sha、shb的互補(bǔ)脈沖，控制CTIA的輸出端信號(hào)傳輸?shù)讲捎秒娙?，采樣時(shí)間分別設(shè)定為CTIA積分的起始值和完成值，C6和C7為對(duì)應(yīng)兩個(gè)采樣脈沖的采樣電容，其大小為1pF，其它每個(gè)管子參考尺寸如下表所示(單位為微米)。管子NM6、NMPM6、PM7NM8、NM9PM8、PM9W/L3/0.66/0.632.5/1.265/1.2以上通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對(duì)本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3