帶有失調(diào)消除功能的紅外焦平面讀出電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外成像系統(tǒng)中的一種非制冷型紅外焦平面讀出電路，屬于微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外成像技術(shù)有著悠久的歷史，在生活，醫(yī)療，軍事及經(jīng)濟(jì)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，而非制冷型紅外焦平面陣列是新一代紅外成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它的出現(xiàn)為紅外成像技術(shù)帶來(lái)了低成本,長(zhǎng)壽命,低功耗,高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。它由紅外探測(cè)器陣列和讀出電路陣列兩部分組成。紅外探測(cè)器陣列是將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件，是紅外熱成像系統(tǒng)的最前端，也是最重要的核心部分。讀出電路是將探測(cè)器感應(yīng)到的信號(hào)進(jìn)行處理顯示，也是紅外熱成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中CMOS讀出電路是主流方向
讀出電路(ROIC)的基本功能就是對(duì)生成的電荷進(jìn)行積分，放大、采樣保持和串/并轉(zhuǎn)換等。電路結(jié)構(gòu)包括自積分結(jié)構(gòu)S1、源隨器結(jié)構(gòu)SFD、直接注入結(jié)構(gòu)D1、緩沖直接注入結(jié)構(gòu)BD1、電容跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)CTIA、電阻反饋互導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)RTIA、電流鏡柵調(diào)制結(jié)構(gòu)CM、電阻負(fù)載柵極調(diào)制結(jié)構(gòu)RU以及一些背景抑制電路結(jié)構(gòu)等，但目前國(guó)內(nèi)普遍采用CTIA結(jié)構(gòu)。
[0003]電容反饋互導(dǎo)放大器型讀出電路的優(yōu)點(diǎn):探測(cè)器的偏壓因放大器的虛短特性而很穩(wěn)定；由于米勒效應(yīng)，積分電容可以很小，故能降低噪聲；高靈敏度。缺點(diǎn):復(fù)位管的復(fù)位脈沖產(chǎn)生的饋通效應(yīng)會(huì)耦合到探測(cè)器上，從而影響了探測(cè)器的偏壓和放大器的工作點(diǎn)；由于包含放大器，其功耗和面積都增加了，引入了 KTC噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是減少焦平面讀出電路中放大器失調(diào)電壓及失調(diào)電流對(duì)精度的影響，同時(shí)提供一種適合大規(guī)模紅外探測(cè)器陣列的紅外焦平面讀出電路，減少功耗及芯片面積。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述紅外焦平面讀出電路包括依次連接的:跨導(dǎo)放大器單元、跨導(dǎo)輸出失調(diào)電流消除單元、積分放大單元、緩沖隔離單元、采樣保持單元和緩沖輸出級(jí)單元，所述積分放大單元還連接積分電容選擇單元；
所述跨導(dǎo)放大器單元將二極管陣列輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，以供積分放大單元積分放大；
所述跨導(dǎo)輸出失調(diào)電流消除單元包括串聯(lián)的4個(gè)四個(gè)晶體管:PM0S管MUPMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4，通過(guò)控制這四個(gè)晶體管的柵極電壓控制流過(guò)晶體管的灌電流或漏電流而消除跨導(dǎo)放大器單元輸出的失調(diào)電流；
所述積分放大單元包括開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、電容Cs、運(yùn)算放大器AMP1，開關(guān)SI —端接PMOS管M2漏極與NMOS管M3漏極的連接節(jié)點(diǎn)A4，開關(guān)SI另一端接運(yùn)算放大器AMPl同相輸入端以及基準(zhǔn)電壓Vref，節(jié)點(diǎn)A4經(jīng)過(guò)電容Cs接運(yùn)算放大器AMPl反相輸入端，在運(yùn)算放大器AMPl反相輸入端和輸出端之間接入開關(guān)S3，在運(yùn)算放大器AMPl輸出端和節(jié)點(diǎn)A4之間接入串聯(lián)的開關(guān)S2和積分電容選擇單元，運(yùn)算放大器AMPl輸出端連接到緩沖隔離單元的輸入端；通過(guò)控制開關(guān)S1、S2和S3的導(dǎo)通或斷開選擇使積分放大單元處于復(fù)位狀態(tài)或者積分狀態(tài)；
所述采樣保持單元包括開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6、電容Cint、運(yùn)算放大器AMP3，緩沖隔離單元輸出端依次經(jīng)過(guò)開關(guān)S4、電容Cint連接運(yùn)算放大器AMP3反相輸入端，運(yùn)算放大器AMP3同相輸入端接基準(zhǔn)電壓Vref，在運(yùn)算放大器AMP3輸出端和反相輸入端之間接入開關(guān)S5，在開關(guān)S4和電容Cint的連接節(jié)點(diǎn)AlO與運(yùn)算放大器AMP3輸出端之間接入開關(guān)S6，運(yùn)算放大器AMP3輸出端連接到緩沖輸出級(jí)單元的輸入端；采樣保持單元通過(guò)控制開關(guān)S4、S5和S6對(duì)緩沖隔離單元輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣和保持；
所述緩沖隔離單元、緩沖輸出級(jí)單元均為運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器；緩沖隔離單元隔離采樣保持單元的開關(guān)S4對(duì)積分放大單元的噪聲影響；緩沖輸出級(jí)單元提高輸出端帶負(fù)載的能力。所采用的運(yùn)算放大器均為折疊式共源共柵運(yùn)算放大器。
[0006]所述積分放大單元中，開關(guān)SI和開關(guān)S3接第二時(shí)鐘信號(hào)Φ2，開關(guān)S2接第一時(shí)鐘信號(hào)Φ1，Φ1和Φ2為兩相非交疊時(shí)鐘。
[0007]所述采樣保持單元中，開關(guān)S4和開關(guān)S5接第一時(shí)鐘信號(hào)Φ I，開關(guān)S6接第二時(shí)鐘信號(hào)Φ2，Φ1和Φ2為兩相非交疊時(shí)鐘。
[0008]所述積分電容選擇單元包括多個(gè)并聯(lián)的支路，每個(gè)支路為一個(gè)電容選擇開關(guān)和一個(gè)積分電容的串聯(lián)，通過(guò)控制電容選擇開關(guān)而選擇合適的電容。
[0009]當(dāng)開關(guān)SI和S3導(dǎo)通，開關(guān)S2斷開時(shí)，積分放大單元處于復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)算放大器AMPl的失調(diào)電壓對(duì)電容Cs進(jìn)行充電，其左右極板的電壓差為負(fù)的失調(diào)電壓；當(dāng)開關(guān)SI和S3斷開，開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，積分放大單元處于積分狀態(tài)，此時(shí)焦平面陣列的輸出信號(hào)通過(guò)跨導(dǎo)放大器單元產(chǎn)生的電流開始對(duì)選擇電容積分，此時(shí)由于運(yùn)算放大器AMPl輸入端電流的虛斷特性，電容Cs左極板電壓始終為運(yùn)算放大器AMPl的偏置電壓，消除了運(yùn)算放大器AMPl的失調(diào)電壓對(duì)積分信號(hào)精度的影響。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明利用跨導(dǎo)放大器單元將二極管焦平面陣列輸出的電壓小信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流小信號(hào)，以方便積分放大單元對(duì)焦平面讀出信號(hào)的積分放大，避免了使用電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，大大減小了芯片的面積，跨導(dǎo)放大器的輸入端采用大比例尺寸的P型MOS管，減少了 Ι/f噪聲以及如果使用電阻轉(zhuǎn)換帶來(lái)的熱噪聲，提高了系統(tǒng)的信噪比。
[0011](2)本發(fā)明通過(guò)控制四個(gè)晶體管的柵極電壓而產(chǎn)生的灌電流或漏電流來(lái)抵消跨導(dǎo)放大器輸出端的失調(diào)電流，提高了積分電流的精度。
[0012](3)本發(fā)明通過(guò)控制積分放大單元的三個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通或斷開來(lái)消除放大器輸入端失調(diào)電壓對(duì)積分信號(hào)的積分誤差，從而提高了讀出電路的精度，同時(shí)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
[0013](4)本發(fā)明采用了多個(gè)積分電容可供選擇，從而使此電路可用于不同的背景需要，同時(shí)可以根據(jù)選擇的積分電容的大小和跨導(dǎo)放大器單元偏置電流的大小而合適地選擇積分時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為單元讀出電路的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2為單元讀出電路工作過(guò)程中的時(shí)鐘信號(hào)波形圖。
[0016]圖3為應(yīng)用于二極管紅外焦平面陣列的整體電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0018]如圖1所示，一種非制冷型紅外焦平面讀出電路的單元電路包括依次連接的:跨導(dǎo)放大器單元3、跨導(dǎo)輸出失調(diào)電流消除單元4、積分放大單元5、緩沖隔離單元7、采樣保持單元8和緩沖輸出級(jí)單元9，所述積分放大單元5還連接積分電容選擇單元6。
[0019]節(jié)點(diǎn)A 2和節(jié)點(diǎn)A 3為跨導(dǎo)放大器單元3的輸入節(jié)點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)A 4，跨導(dǎo)放大器單元3將二極管陣列輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，以供積分放大單元5積分放大。
[0020]跨導(dǎo)輸出失調(diào)電流消除單元4連接在節(jié)點(diǎn)A 4處，所述的跨導(dǎo)輸出失調(diào)電流消除單元4包括串聯(lián)的4個(gè)四個(gè)晶體管:PM0S管Ml、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4，通過(guò)控制這四個(gè)晶體管的柵極電壓控制流過(guò)晶體管的灌電流或漏電流來(lái)抵消跨導(dǎo)放大器單元3輸出的失調(diào)電流。
[0021]積分放大單元5接在節(jié)點(diǎn)A 4和節(jié)點(diǎn)A 8之間，所述積分放大單元5包括開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、電容Cs、運(yùn)算放大器AMPl，開關(guān)SI —端接PMOS管M2漏極與NMOS管M3漏極的連接節(jié)點(diǎn)A4，開關(guān)SI另一端接運(yùn)算放大器AMPl同相輸入端以及基準(zhǔn)電壓Vref，節(jié)點(diǎn)A4經(jīng)過(guò)電容Cs接運(yùn)算放大器AMPl反相輸入端，在運(yùn)算放大器AMPl反相輸入端和輸出端之間接入開關(guān)S3，在運(yùn)算放大器AMPl輸出端和節(jié)點(diǎn)A4之間接入串聯(lián)的開關(guān)S2和積分電容選擇單元6，運(yùn)算放大器AMPl輸出端連接到緩沖隔離單元7的輸入端。通過(guò)控制開關(guān)S1、S2和S3的導(dǎo)通或斷開選擇使積分放大單元5處于復(fù)位狀態(tài)或者積分狀態(tài)。
[0022]積分電容選擇單元6連接在節(jié)點(diǎn)A7和節(jié)點(diǎn)AS之間。所述積分電容選擇單元6包括多個(gè)并聯(lián)的支路，每個(gè)支路為一個(gè)電容選擇開關(guān)和一個(gè)積分電容的串聯(lián)，通過(guò)控制電容選擇開關(guān)而選擇合適的電容。
[0023]當(dāng)開關(guān)SI和S3導(dǎo)通，開關(guān)S2斷開時(shí)，積分放大單