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非制冷紅外焦平面陣列讀出電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路，包括：探測電路，探測參考微測輻射熱計單元和微測輻射熱計單元上產(chǎn)生的信號，獲得參比信號和探測信號；減法電路，用于將參比信號和探測信號作差，獲得差信號；積分電路，用于對差信號積分，獲得輸出信號。本發(fā)明實施例的讀出電路中，獲得兩個信號，并且對兩個信號作差之后再積分，消除了襯底溫度的影響，降低了讀出電路噪聲，從而提高輸出圖像的均勻性。而且，探測電路中增加了緩存電路，可以對電流進行隔離。
【專利說明】非制冷紅外焦平面陣列讀出電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外焦平面陣列【技術領域】，尤其是涉及一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路。
[0002]
【背景技術】
[0003]根據(jù)普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對零度的物體，其內部都會發(fā)生分子熱運動，從而產(chǎn)生波長不等的紅外輻射。如何將這種紅外輻射轉換為可測量的信號來探測客觀世界成為人類不斷奮斗的目標。紅外焦平面陣列探測器就是人們在不斷探索中的一個產(chǎn)物。
[0004]傳統(tǒng)的焦平面陣列擁有極高的靈敏度，幾乎已經(jīng)接近了背景限，但這種光電子探測器在工作溫度較高時，本身固有的熱激發(fā)過程快速增加，使得暗電流和噪聲迅速上升，極大地降低了焦平面探測陣列的性能，所以需要制冷設備使其工作在低溫環(huán)境下。但是由于制冷設備的存在，使得探測系統(tǒng)在體積、重量、功耗和成本方面都大量增加，從而增加了它應用的困難性。
[0005]隨著技術的不斷發(fā)展，人們提出了非制冷紅外焦平面陣列的概念。非制冷紅外焦平面陣列探測器可在常溫下工作，無需制冷設備，并具有質量輕、體積小、壽命長、成本低、功耗小、啟動快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
[0006]微測輻射熱計焦平面陣列(FPA)具有較高的靈敏度，是應用最廣泛的一種非制冷紅外焦平面陣列探測器。其工作原理是熱敏材料吸收入射的紅外輻射后溫度改變，從而引起自身電阻值的變化，通過測量其電阻值的變化探測紅外輻射信號的大小。微測輻射熱計普遍采用微機械加工技術制作的懸臂梁微橋結構，橋面沉積有一層具有高電阻溫度系數(shù)(TCR)的熱敏材料，橋面由兩條具有良好力學性能并鍍有導電材料的橋腿支撐，橋腿與襯底的接觸點為橋墩，橋墩電學上連接到微測輻射熱計FPA下的硅讀出電路(ROIC)上。通過橋腿和橋墩，熱敏材料連接到讀出電路的電學通道中，形成一個對溫度敏感并連接到讀出電路上的像素單元。
[0007]其實非制冷紅外焦平面陣列探測器并非真的完全不需要制冷，而是使用熱電制冷器(Thermo-Electric Cooler, TEC)來穩(wěn)定其工作溫度，而TEC本身具有一定的體積和功耗，從而使非制冷紅外焦平面陣列探測器的應用受到一定程度的影響，所以人們嘗試去除TEC。然而去除TEC后，由于像元接受紅外輻射后溫度會升高，襯底溫度的變化會導致焦平面陣列極大的非均勻性，影響讀出結果。通過不斷研究得出，解決無TEC的非制冷紅外焦平面陣列探測器的非均勻性的關鍵技術，一方面在于工藝上的改進，另一方面在于具有非均勻性校正功能的讀出電路的設計，從電路上對非均勻性進行補償，使得非制冷紅
外焦平面陣列探測器在沒有TEC作為溫度穩(wěn)定裝置的情況下，也能正常工作，輸出具有良好質量的圖像。
[0008]
【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的之一是提供一種恒流偏置的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路，其能夠消除襯底溫度的影響以降低讀出電路噪聲，從而提高輸出圖像的均勻性。
[0010]本發(fā)明公開的技術方案包括:
提供了一種非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，包括:探測電路10，所述探測電路10探測參考微測輻射熱計單元Rbl上產(chǎn)生的信號，獲得參比信號，并且探測微測輻射熱計單元Rs上產(chǎn)生的信號，獲得探測信號；減法電路20，所述減法電路20連接到所述探測電路10上，從所述探測電路10接收所述參比信號和所述探測信號，并將所述參比信號和所述探測信號作差，獲得差信號；積分電路30，所述積分電路30連接到所述減法電路20上，從所述減法電路20接收所述差信號，并對所述差信號積分，獲得輸出信號。
[0011]本發(fā)明的一個實施例中，所述探測電路10包括:參比支路,所述參比支路連接到所述參考微測輻射熱計單元Rbl上，用于探測所述參考微測輻射熱計單元Rbl上產(chǎn)生的信號以獲得所述參比信號；探測支路，所述探測支路連接到所述微測輻射熱計單元&上，用于探測所述微測輻射熱計單元Rs上產(chǎn)生的信號以獲得所述探測信號；恒流偏置支路，所述恒流偏置支路連接到所述參比支路和所述探測支路上，用于為所述參比支路提供第一偏置電流和為所述探測支路提供第二偏置電流。
[0012]本發(fā)明的一個實施例中，所述恒流偏置支路包括第一 MOS管PMl和恒流源I1，所述第一 MOS管PMl的源極連接到系統(tǒng)電源VDD，所述第一 MOS管PMl的漏極連接到所述恒流源I1和所述第一 MOS管PMl的柵極；所述參比支路包括第二 MOS管PM2，所述第二 MOS管PM2的源極連接到系統(tǒng)電源VDD，所述第二 MOS管PM2的漏極連接到所述參考微測輻射熱計單元并且連接到所述探測電路的第一輸出端A ;所述探測支路包括第三MOS管PM3，所述第三MOS管PM3的源極連接到系統(tǒng)電源VDD，所述第三MOS管PM3的漏極連接到所述微測輻射熱計單元并且連接到所述探測電路的第二輸出端B ;所述第一 MOS管PMl的柵極連接到所述第二 MOS管PM2的柵極和所述第三MOS管PM3的柵極。
[0013]本發(fā)明的一個實施例中，所述第二 MOS管PM2的漏極與所述探測電路的第一輸出端A之間還設有第一緩沖電路和/或所述第三MOS管PM3的漏極與所述探測電路的第二輸出端B之間還設有第二緩沖電路。
[0014]本發(fā)明的一個實施例中，所述第一緩沖電路包括第一運算放大器101，所述第一運算放大器101的同相輸入端連接到所述第二 MOS管PM2的漏極，所述第一運算放大器101的反相輸入端連接到所述第一運算放大器101的輸出端并且連接到所述探測電路的第一輸出端A。
[0015]本發(fā)明的一個實施例中，所述第二緩沖電路包括第二運算放大器102，所述第二運算放大器102的同相輸入端連接到所述第三MOS管PM3的漏極，所述第二運算放大器102的反相輸入端連接到所述第二運算放大器102的輸出端并且連接到所述探測電路的第二輸出端B。
[0016]本發(fā)明的一個實施例中，所述減法電路包括第三運算放大器201、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電阻Rf，其中:所述第三運算放大器201的反相輸入端通過所述第一電阻R1連接到所述探測電路用于接收所述參比信號，并且通過所述第四電阻Rf連接到所述第三運算放大器201的輸出端C ;所述第三運算放大器201的同相輸入端通過所述第二電阻R2連接到所述探測電路10用于接收所述探測信號，并且通過所述第三電阻R3連接到第一參考電壓輸入端VMfl。
[0017]本發(fā)明的一個實施例中，所述第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電阻Rf的阻值相等。
[0018]本發(fā)明的一個實施例中，所述積分電路包括第四運算放大器301、積分電阻Rb2和積分電容Cint，其中:所述第四運算放大器301的反相輸入端通過所述積分電阻Rb2連接到所述減法電路20以從所述減法電路20接收所述差信號并且通過所述積分電容Cint連接到所述第四運算放大器301的輸出端；所述第四運算放大器301的同相輸入端連接到第二參考電壓輸入端Vmf2。
[0019]本發(fā)明的一個實施例中，所述參考微測輻射熱計單元Rbl和所述積分電阻Rb2的阻
值相等。
[0020]本發(fā)明實施例的讀出電路中，包括恒流偏置支路，用恒流源進行偏置，該電流直接流入?yún)⒖嘉y輻射熱計單元和探測電阻得到兩個電壓(信號)，并且對兩個電壓作差之后再積分，消除了襯底溫度的影響，降低了讀出電路噪聲，從而提高輸出圖像的均勻性。而且，探測電路中增加了緩存電路，可以對電流進行隔離。
[0021]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路的結構示意圖。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路的結構示意圖。
[0024]【具體實施方式】
[0025]下面將結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路的結構。
[0026]圖1是基于微測輻射熱計的現(xiàn)有的列集成模擬通道讀出電路，其中Rs為微測輻射熱計，Rbl為參考微測輻射熱計單元。電路工作原理如下:
在每一列中，將Rs部分產(chǎn)生的電流Is減去Rbl部分產(chǎn)生的電流Ib，所得到的電流Id即可降低環(huán)境溫度的影響，將Id經(jīng)過Cint進行積分后輸出，輸出電壓Vrat的表達式如下:rir, (I + α?7￥) (Flk - ) - (Fjm - Fm)
——SSL_ = [%r —-——(I)。
diiTsub ^R^LTsubXl+c^Ts)
[0027]Vout對襯底溫度的導數(shù)推導如下式:
dV ,
dixTsub
[0028]圖2為本發(fā)明一個實施例中的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路的結構示意圖。應當理解，本文中，相同或者類似的元件和參數(shù)使用了相同的標號表示。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明的一個實施例中，一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路包括探測電路10、減法電路20和積分電路30。
[0030]探測電路10探測參考微測輻射熱計單元Rbl上產(chǎn)生的信號，從而獲得參比信號，該參比信號只受襯底溫度變化的影響。并且，探測電路10也探測微測輻射熱計單元Rs上產(chǎn)生的信號，從而獲得探測信號，該探測信號受紅外輻射和襯底溫度變化的影響。
[0031]減法電路20連接到探測電路10上，從探測電路10接收參比信號和探測信號，并將參比信號和探測信號作差，從而獲得差信號。
[0032]積分電路30連接到減法電路20上，從減法電路20接收差信號，并對差信號積分，從而獲得輸出信號。
[0033]本發(fā)明的一個實施例中，探測電路10可以包括參比支路、探測支路和恒流偏置支路。參比支路連接到參考微測輻射熱計單元Rbl上，用于探測參考微測輻射熱計單元Rbl上產(chǎn)生的信號以獲得參比信號，探測支路連接到微測輻射熱計單元Rs上，用于探測微測輻射熱計單元Rs上產(chǎn)生的信號以獲得探測信號，恒流偏置支路連接到參比支路和探測支路上，用于為參比支路提供第一偏置電流和為探測支路提供第二偏置電流。
[0034]本發(fā)明的一個實施例中，該第一偏置電流和第二偏置電流可以是相等的。
[0035]如圖2所示，本發(fā)明的一個實施例中，恒流偏置支路可以包括第一 MOS管PMl和恒流源1:。第一 MOS管PMl的源極連接到系統(tǒng)電源VDD ;第一 MOS管PMl的漏極連接到恒流源I1和第一 MOS管PMl的柵極。
[0036]參比支路可以包括第二 MOS管PM2，第二 MOS管PM2的源極連接到系統(tǒng)電源VDD，第二MOS管PM2的漏極連接到參考微測輻射熱計單元并且連接到探測電路的第一輸出端A。
[0037]探測支路可以包括第三MOS管PM3，第三MOS管PM3的源極連接到系統(tǒng)電源VDD，第三MOS管PM3的漏極連接到微測輻射熱計單元并且連接到探測電路的第二輸出端B。
[0038]第一 MOS管PMl的柵極可以連接到第二 MOS管PM2的柵極和第三MOS管PM3的柵極，即，第一 MOS管PMl 二極管連接，并與第二 MOS管PM2和第三MOS管PM3分別構成電流鏡，從而分別為參比支路和探測支路提供第一偏置電流I2和第二偏置電流13。
[0039]本發(fā)明的一個實施例中，第二 MOS管PM2的漏極與探測電路的第一輸出端A之間還可以設有第一緩沖電路和/或第三MOS管PM3的漏極與探測電路的第二輸出端B之間還設有第二緩沖電路。
[0040]本發(fā)明的一個實施例中，第一緩沖電路可以包括第一運算放大器101，第一運算放大器101的同相輸入端連接到第二 MOS管PM2的漏極，第一運算放大器101的反相輸入端連接到第一運算放大器101的輸出端并且連接到探測電路的第一輸出端A。
[0041]本發(fā)明的一個實施例中，第二緩沖電路可以包括第二運算放大器102，第二運算放大器102的同相輸入端連接到第三MOS管PM3的漏極，第二運算放大器102的反相輸入端連接到第二運算放大器102的輸出端并且連接到探測電路的第二輸出端B。
[0042]如圖2所示，本發(fā)明的一個實施例中，減法電路20可以包括第三運算放大器201、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電阻Rf。
[0043]第三運算放大器201的反相輸入端通過第一電阻R1連接到探測電路用于接收參比信號，并且通過第四電阻Rf連接到第三運算放大器201的輸出端C ;第三運算放大器201的同相輸入端通過第二電阻R2連接到探測電路10用于接收探測信號，并且通過第三電阻R3連接到第一參考電壓輸入端VMfl。[0044]本發(fā)明的一個實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和第四電阻Rf的阻
值可以相等。
[0045]本發(fā)明的實施例中，減法電路20對輸入的參比信號和探測信號在第一參考電壓Vrefl的基礎上作差，獲得差信號，即，減法電路20輸出的差信號(即圖2中C點處的信號(例如，C點處的電壓))是在第一參考電壓VMfl的基礎上對輸入的參比信號和探測信號作差的結果。
[0046]本發(fā)明的一個實施例中，積分電路30可以包括第四運算放大器301、積分電阻Rb2和積分電容Cint。
[0047]第四運算放大器301的反相輸入端通過積分電阻Rb2連接到減法電路20以從減法電路20接收差信號并且通過積分電容Cint連接到第四運算放大器301的輸出端；第四運算放大器301的同相輸入端連接到第二參考電壓輸入端VMf2。
[0048]本發(fā)明的一個實施例中，參考微測輻射熱計單元Rbl和積分電阻Rb2的阻值可以相等。
[0049]圖2所示的實施例中，讀出電路的輸出電壓的表達式如下:
【權利要求】
1. 一種非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，包括: 探測電路(10)，所述探測電路(10)探測參考微測輻射熱計單元(Rbl)上產(chǎn)生的信號，獲得參比信號，并且探測微測輻射熱計單元(Rs)上產(chǎn)生的信號，獲得探測信號； 減法電路(20 )，所述減法電路(20 )連接到所述探測電路(10 )上，從所述探測電路(10 )接收所述參比信號和所述探測信號，并將所述參比信號和所述探測信號作差，獲得差信號; 積分電路(30 )，所述積分電路(30 )連接到所述減法電路(20 )上，從所述減法電路(20 )接收所述差信號，并對所述差信號積分，獲得輸出信號。
2.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述探測電路(10)包括: 參比支路，所述參比支路連接到所述參考微測輻射熱計單元(Rbl)上，用于探測所述參考微測輻射熱計單元(Rbl)上產(chǎn)生的信號以獲得所述參比信號； 探測支路，所述探測支路連接到所述微測輻射熱計單元(Rs)上，用于探測所述微測輻射熱計單元(Rs)上產(chǎn)生的信號以獲得所述探測信號； 恒流偏置支路，所述恒流偏置支路連接到所述參比支路和所述探測支路上，用于為所述參比支路提供第一偏置電流和為所述探測支路提供第二偏置電流。
3.如權利要求2所述的電路，其特征在于: 所述恒流偏置支路包括第一 MOS管(PMl)和恒流源(I1),所述第一 MOS管(PMl)的源極連接到系統(tǒng)電源(VDD)，所述第一 MOS管(PMl)的漏極連接到所述恒流源(I1)和所述第一MOS管(PMl)的柵極； 所述參比支路包括第二 MOS管(PM2)，所述第二 MOS管(PM2)的源極連接到系統(tǒng)電源(VDD)，所述第二 MOS管(PM2)的漏極連接到所述參考微測輻射熱計單元并且連接到所述探測電路的第一輸出端(A)； 所述探測支路包括第三MOS管(PM3)，所述第三MOS管(PM3)的源極連接到系統(tǒng)電源(VDD)，所述第三MOS管(PM3)的漏極連接到所述微測輻射熱計單元并且連接到所述探測電路的第二輸出端(B)。
4.如權利要求3所述的電路，其特征在于:所述第二MOS管(PM2)的漏極與所述探測電路的第一輸出端(A)之間還設有第一緩沖電路和/或所述第三MOS管(PM3)的漏極與所述探測電路的第二輸出端(B)之間還設有第二緩沖電路。
5.如權利要求4所述的電路，其特征在于:所述第一緩沖電路包括第一運算放大器(101 )，所述第一運算放大器(101)的同相輸入端連接到所述第二 MOS管(PM2)的漏極，所述第一運算放大器(101)的反相輸入端連接到所述第一運算放大器(101)的輸出端并且連接到所述探測電路的第一輸出端(A)。
6.如權利要求4所述的電路，其特征在于:所述第二緩沖電路包括第二運算放大器(102)，所述第二運算放大器(102)的同相輸入端連接到所述第三MOS管(PM3)的漏極，所述第二運算放大器(102)的反相輸入端連接到所述第二運算放大器(102)的輸出端并且連接到所述探測電路的第二輸出端(B)。
7.如權利要求1至6中任意一項所述的電路，其特征在于:所述減法電路包括第三運算放大器(201)、第一電阻(凡)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)和第四電阻(Rf)，其中: 所述第三運算放大器(201)的反相輸入端通過所述第一電阻(R1)連接到所述探測電路用于接收所述參比信號，并且通過所述第四電阻(Rf)連接到所述第三運算放大器(201)的輸出端(C)； 所述第三運算放大器(201)的同相輸入端通過所述第二電阻(R2)連接到所述探測電路(10)用于接收所述探測信號，并且通過所述第三電阻(R3)連接到第一參考電壓輸入端(Vrefl ) ?
8.如權利要求7所述的電路，其特征在于:所述第一電阻(R1X第二電阻(R2)、第三電阻(R3)和第四電阻(Rf)的阻值相等。
9.如權利要求1至8中任意一項所述的電路，其特征在于:所述積分電路包括第四運算放大器(301)、積分電阻(Rb2)和積分電容(Cint)，其中: 所述第四運算放大器(301)的反相輸入端通過所述積分電阻(Rb2)連接到所述減法電路(20)以從所述減法電路(20)接收所述差信號并且通過所述積分電容(Cint)連接到所述第四運算放大器(301)的輸出端； 所述第四運算放大器(301)的同相輸入端連接到第二參考電壓輸入端(Vref2)。
10.如權利要求9所述的電路，其特征在于，所述參考微測輻射熱計單元(Rbl)和所述積分電阻(Rb2)的阻值相等。
【文檔編號】G01J5/24GK103900722SQ201410156701
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】呂堅, 闕隆成, 劉慧芳, 魏林海, 周云 申請人:電子科技大學