CN104251741A - 一种自适应红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种自适应红外焦平面阵列读出电路，包括：自适应衬底温度补偿电路和偏置电路，该自适应衬底温度补偿电路基于通道级微测辐射热计盲电阻产生自适应偏置电压，并用该自适应偏置电压偏置像素级微测辐射热计红外敏感电阻。本发明的实施例的电路中，利用随衬底温度变化的自适应偏置电压，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了芯片封装的体积及制造成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。

Description

一种自适应红外焦平面阵列读出电路

 

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列技术领域，尤其是涉及一种自适应红外焦平面阵列读出电路。

 

背景技术

根据普朗克辐射定理，任何温度高于绝对零度的物体，其内部都会发生分子热运动，从而产生波长不等的红外辐射。红外辐射具有强度和波长直接与物体表面温度有关的重要特征，提供了客观世界的丰富信息，但它是一种不可见的电磁波，如何将这种红外辐射转换为可测量的信号来探测客观世界成为人类不断奋斗的目标。红外焦平面阵列探测器通过光电转换、电信号处理等手段将目标物体的温度分布转换成视频图像，具有抗干扰能力强、隐蔽性能好、跟踪和制导精度高等优点，在军事和民用领域获得了广泛的应用。

非制冷红外焦平面阵列探测器可在常温下工作，无需制冷设备，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，因而使这项技术得到了快速的发展和广泛的应用。

读出电路(ROIC)是非制冷红外焦平面阵列（IRFPA）的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，以在满足帧频的要求下获得最大的信噪比（SNR）。

在大多数的红外技术应用中，目标的红外辐射非常微弱，探测器的光生电流或光生电压都非常小，加之各种噪声的干扰，目标信号几乎完全掩埋在各种噪声之中，故必须对输入信号进行某些必要的处理从而提取出目标信号，这就是读出电路要完成的主要工作。

微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列探测器。其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面由两条具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电学上连接到微测辐射热计FPA下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。

经过多年的发展和技术的进步，非制冷红外焦平面阵列探测器已在噪声上满足使用需要，然而人们在非制冷红外探测器性能、图像质量、稳定性、功耗、体积和成本上都有了更高的要求。其实非制冷红外焦平面阵列探测器并非真的完全不需要制冷，而是使用热电制冷器（Thermo-Electric Cooler, TEC）来稳定其工作温度，而TEC本身具有一定的体积和功耗，从而使非制冷红外焦平面阵列探测器的应用受到一定程度的影响，所以人们尝试去除TEC。然而去除TEC后，由于像元接受红外辐射后温度会升高，衬底温度的变化会导致焦平面阵列极大的非均匀性，影响读出结果。

 

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够自适应地实现非制冷红外焦平面阵列衬底温度补偿的读出电路，消除TEC的同时也能够极大的抑制衬底温度变化对输出电压变化的影响。

本发明的目的之一是提供一种自适应红外焦平面阵列读出电路，该电路去掉了传统的非制冷红外焦平面读出电路中的TEC，大大减小芯片封装体积及制造成本，同时减小功耗及提高整体芯片均匀性与可靠性。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种自适应红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：自适应衬底温度补偿电路，所述自适应衬底温度补偿电路连接到通道级微测辐射热计盲电阻和像素级微测辐射热计红外敏感电阻；偏置电路，所述偏置电路连接到所述自适应衬底温度补偿电路并通过所述自适应衬底温度补偿电路为所述通道级微测辐射热计盲电阻和像素级微测辐射热计红外敏感电阻提供偏置电流；其中所述自适应衬底温度补偿电路基于所述通道级微测辐射热计盲电阻产生自适应偏置电压，并用所述自适应偏置电压偏置所述像素级微测辐射热计红外敏感电阻。

本发明的一个实施例中，还包括：积分电路，所述积分电路连接到所述自适应衬底温度补偿电路的输出端，并积分所述自适应衬底温度补偿电路的输出电流获得输出电压。

本发明的一个实施例中，所述偏置电路包括参考偏置电流源I_BIAS和第五MOS管MP3，其中：所述第五MOS管MP3的源极连接到系统电源V_DD，所述第五MOS管MP3的漏极连接到所述第五MOS管MP3的栅极并且连接到所述参考偏置电流源I_BIAS，所述第五MOS管MP3的栅极连接到所述偏置电路的输出端。

本发明的一个实施例中，所述自适应衬底温度补偿电路包括第一MOS管MN1、第二MOS管MN2、第三MOS管MP1和第四MOS管MP2，其中：所述第三MOS管MP1的栅极连接到所述偏置电路的输出端并且连接到所述第四MOS管MP2的栅极，所述第三MOS管MP1的源极连接到系统电源V_DD，所述第三MOS管MP1的漏极连接到所述第一MOS管MN1的漏极和栅极；所述第一MOS管MN1的源极连接到所述通道级微测辐射热计盲电阻Rb，所述第一MOS管MN1的栅极连接到所述第二MOS管MN2的栅极；所述第二MOS管MN2的源极连接到所述像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs，所述第二MOS管MN2的漏极连接到所述自适应衬底温度补偿电路的输出端并且连接到所述第四MOS管MP2的漏极；所述第四MOS管MP2的源极连接到系统电源V_DD。

本发明的实施例的电路中，利用随衬底温度变化的自适应偏置电压V_fid，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了芯片封装的体积及制造成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。

 

附图说明

图1是本发明一个实施例的自适应红外焦平面阵列读出电路的结构示意图。

图2为传统的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真图。

图3为本发明实施例的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真图。

 

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的自适应红外焦平面阵列读出电路的具体结构。

如图1所示，本发明的一个实施例中，一种自适应红外焦平面阵列读出电路包括偏置电路10、自适应衬底温度补偿电路20和积分电路30。

自适应衬底温度补偿电路20连接到通道级微测辐射热计盲电阻Rb和像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs。偏置电路10连接到自适应衬底温度补偿电路20并通过该自适应衬底温度补偿电路20为该通道级微测辐射热计盲电阻Rb和像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs提供偏置电流。

本发明的实施例中，自适应衬底温度补偿电路20基于该通道级微测辐射热计盲电阻Rb产生随衬底温度自适应变化的自适应偏置电压，并用该自适应偏置电压偏置像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs，从而实现对衬底温度对红外电流Is（即像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs上的电流）的影响的补偿。

积分电路30连接到自适应衬底温度补偿电路20的输出端，并积分该自适应衬底温度补偿电路的输出电流从而获得输出电压。

如图1所示，本发明的一个实施例中，偏置电路10包括参考偏置电流源I_BIAS和第五MOS管MP3。第五MOS管MP3的源极连接到系统电源V_DD，第五MOS管MP3的漏极连接到第五MOS管MP3的栅极并且连接到参考偏置电流源I_BIAS，第五MOS管MP3的栅极连接到该偏置电路10的输出端。

如图2所示，本发明的一个实施例中，自适应衬底温度补偿电路20包括第一MOS管MN1、第二MOS管MN2、第三MOS管MP1和第四MOS管MP2。

第三MOS管MP1的栅极连接到偏置电路的输出端并且连接到第四MOS管MP2的栅极，第三MOS管MP1的源极连接到系统电源V_DD，第三MOS管MP1的漏极连接到第一MOS管MN1的漏极和栅极。

第一MOS管MN1的源极连接到通道级微测辐射热计盲电阻Rb，第一MOS管MN1的栅极连接到第二MOS管MN2的栅极。

第二MOS管MN2的源极连接到像素级微测辐射热计红外敏感电阻Rs，第二MOS管MN2的漏极连接到该自适应衬底温度补偿电路20的输出端并且连接到第四MOS管MP2的漏极。

第四MOS管MP2的源极连接到系统电源V_DD。

本发明的实施例中，积分电路30可以是本领域内常用的积分电路，例如图图1所示，在此不再赘述。

下面简要说明本发明实施例的电路的工作原理。

参考偏置电流源I_BIAS作为偏置电路10的起始电流，通过芯片级二极管连接的PMOS管MP3得到电流镜结构的偏置电压V _eb ，提供给通道级电流镜结构使用。在通道级电流镜中PMOS管MP1、MP2与MP3有着相同的宽长比，不考虑PMOS管沟道调制效应的基础上，在MP1、MP2的漏极得到漏极电流等于I _BIAS 。

在通道级的MP1支路中，I _BIAS 电流流过二极管连接的NMOS管MN1，再流过通道级微测辐射热计盲电阻R_b到地电位，由于R_b只与衬底温度有关以及偏置电流I_BIAS是固定的原因，通过二极管偏置MN1得到随衬底温度变化的自适应的偏置电压V_fid。该随衬底温度变化的自适应偏置电压V_fid用于偏置像素级微测辐射热计红外敏感电阻R_s，从而消除衬底温度对红外电流I_s的影响，进而得到积分电流I _int 为：

式（1）中alpha表示微测辐射热计的温度系数，ΔT _scene 表示红外辐射引起的红外敏感电阻R_s温度变化。在式（1）中可以看出积分电流I _int 与衬底温度没有关系，利用自适应偏置电压V_fid实现了对衬底温度的补偿。

因此，得到最后的积分输出电压V _out 为：

式（2）中，V_ref为参考电压，t_int为积分时间，得到的积分输出电压V_out只与辐射温度、微测辐射热计及电路参数特性相关，与衬底温度没有关系。

本发明实施例的电路中，利用通道级微测辐射热计R_b得到的自适应偏置电压V_fid，实现了对非制冷红外焦平面读出电路衬底温度的补偿，从而在读出电路中不需要TEC结构，即消除了读出电路中的TEC结构。

图2为传统的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真图。图3为本发明实施例的读出电路的输出电压随目标温度在不同衬底温度下的仿真图。

可见，本发明的实施例的电路中，利用随衬底温度变化的自适应偏置电压V_fid，实现了对衬底温度的补偿，去除掉了TEC，大大减小了芯片封装的体积及制造成本，同时大大提高整体电路的均匀性及可靠性。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (4)

1.一种自适应红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：

自适应衬底温度补偿电路，所述自适应衬底温度补偿电路连接到通道级微测辐射热计盲电阻和像素级微测辐射热计红外敏感电阻；

偏置电路，所述偏置电路连接到所述自适应衬底温度补偿电路并通过所述自适应衬底温度补偿电路为所述通道级微测辐射热计盲电阻和像素级微测辐射热计红外敏感电阻提供偏置电流；

其中所述自适应衬底温度补偿电路基于所述通道级微测辐射热计盲电阻产生自适应偏置电压，并用所述自适应偏置电压偏置所述像素级微测辐射热计红外敏感电阻。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

积分电路，所述积分电路连接到所述自适应衬底温度补偿电路的输出端，并积分所述自适应衬底温度补偿电路的输出电流获得输出电压。

3.如权利要求1或者2所述的电路，其特征在于，所述偏置电路包括参考偏置电流源（I_BIAS）和第五MOS管（MP3），其中：

所述第五MOS管（MP3）的源极连接到系统电源（V_DD），所述第五MOS管（MP3）的漏极连接到所述第五MOS管（MP3）的栅极并且连接到所述参考偏置电流源（I_BIAS），所述第五MOS管（MP3）的栅极连接到所述偏置电路的输出端。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的电路，其特征在于，所述自适应衬底温度补偿电路包括第一MOS管（MN1）、第二MOS管（MN2）、第三MOS管（MP1）和第四MOS管（MP2），其中：

所述第三MOS管（MP1）的栅极连接到所述偏置电路的输出端并且连接到所述第四MOS管（MP2）的栅极，所述第三MOS管（MP1）的源极连接到系统电源（V_DD），所述第三MOS管（MP1）的漏极连接到所述第一MOS管（MN1）的漏极和栅极；

所述第一MOS管（MN1）的源极连接到所述通道级微测辐射热计盲电阻（Rb），所述第一MOS管（MN1）的栅极连接到所述第二MOS管（MN2）的栅极；

所述第二MOS管（MN2）的源极连接到所述像素级微测辐射热计红外敏感电阻（Rs），所述第二MOS管（MN2）的漏极连接到所述自适应衬底温度补偿电路的输出端并且连接到所述第四MOS管（MP2）的漏极；

所述第四MOS管（MP2）的源极连接到系统电源（V_DD）。