CN105222900B - 红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外焦平面阵列读出电路，包括负电荷泵模块、相互连接的信号输入模块以及积分采样保持模块、以及与所述积分采样保持模块连接的增益放大模块，所述负电荷泵模块分别与信号输入模块以及积分采样保持模块连接。通过预设或者调节负偏压，使得第一运算放大器以及第二运算放大器的共模输入电压为零，从而使得积分电容电压以及采样电容电压从基准电压变化到接地电压，实现光电流信号全摆幅积分以及光电压信号全摆幅采样保持，并将光电压采样信号进行全摆幅缓冲输出，从而延长了积分时间，输出全摆幅信号，达到提高红外焦平面阵列中读出电路的信号输出质量的目的。

Description

红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本发明涉及读出集成电路领域，特别是一种红外焦平面阵列读出电路。

背景技术

红外焦平面阵列是先进红外系统中的核心器件，广泛应用在红外热成像、侦察夜视、精确制导、搜索跟踪及监视预警等领域中。红外焦平面阵列一般由两部分组成：红外探测器和读出电路，红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，传输给对应的读出电路，读出电路将对这些电信号进行积分放大、采样保持，再通过输出缓冲和多路传输系统，最终将信号送达监视系统，形成图像。

读出电路(ROIC)是采用标准CMOS硅工艺制作的集成电路，是红外焦平面阵列的重要组成部分，通过铟柱倒焊方式与红外探测器连接，读出电路一般由单元运算放大器、信号预处理及传输电路、输出放大器以及数字控制电路等部分构成。

现阶段红外焦平面阵列的发展方向是大面阵、高分辨率、双色/多色、甚长波红外探测器、主被动雪崩光电二极管等，而这些都要求读出电路具备较小的面积，以便实现与红外探测器的匹配；并要求读出电路具备较长的积分时间，以便达到所需要的信噪比(SNR)。

专利201310150721.6《一种具有记忆功能背景抑制结构的读出集成电路》和专利CN203629686U《一种具有两步背景抑制功能的读出集成电路》介绍了通过减除背景电流来提高积分时间的方法。专利201310150721.6通过部分模块共享的方式来节省面积，从而在单元内放置较大的积分电容，延长读出电路积分时间，专利CN203629686U通过简化单元电路的结构来获得足够的电容大小，目前也有通过层叠电容的方式来增大积分电容，延长积分时间，提高焦平面输出信号的信噪比。但是随着读出电路工艺尺寸的减小以及电源电压的降低，上述读出集成电路的输出摆幅难以满足需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的输出摆幅难以满足需求的问题，本发明的目的在于提供一种红外焦平面阵列读出电路，使得红外焦平面阵列中读出电路能够输出全摆幅信号，从而提高红外焦平面阵列中读出电路的信号输出质量。

一种红外焦平面阵列读出电路，包括负电荷泵模块、相互连接的信号输入模块以及积分采样保持模块、以及与所述积分采样保持模块连接的增益放大模块，所述负电荷泵模块分别与信号输入模块以及积分采样保持模块连接；

所述信号输入模块包括第一运算放大器以及积分电容，第一运算放大器的电源负极端接收负电荷泵模块输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第一运算放大器将从反相输入端接收的光电流信号放大，通过输出端输出放大后的光电流信号至积分电容；所述积分电容将光电流信号转换为光电压信号；

所述积分采样保持模块包括第二运算放大器以及采样电容，第二运算放大器的电源负极端接收负电荷泵模块输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第二运算放大器将从同相输入端接收的光电压信号放大，通过输出端输出放大后的光电压信号至采样电容；所述采样电容对所述光电压信号进行采样和保持；

所述增益放大模块将光电压采样信号进行缓冲输出。

本发明中的红外焦平面阵列读出电路，通过预设或者调节负偏压，使得第一运算放大器以及第二运算放大器的共模输入电压为零，从而使得积分电容电压以及采样电容电压从基准电压变化到接地电压，实现光电流信号全摆幅积分以及光电压信号全摆幅采样保持，并将光电压采样信号进行全摆幅缓冲输出，从而延长了积分时间，输出全摆幅信号，达到提高红外焦平面阵列中读出电路的信号输出质量的目的。

附图说明

图1为一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的结构示意图；

图2为一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的电路结构图；

图3为另一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

请参阅图1中一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的结构示意图。

一种红外焦平面阵列读出电路，包括负电荷泵模块103、相互连接的信号输入模块100以及积分采样保持模块101、以及与所述积分采样保持模块连接的增益放大模块102，所述负电荷泵模块103分别与信号输入模块100以及积分采样保持模块连接101；

所述信号输入模块100包括第一运算放大器104以及积分电容105，第一运算放大器的电源负极端接收负电荷泵模块103输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第一运算放大器104将从反相输入端接收的光电流信号放大，通过输出端输出放大后的光电流信号至积分电容105；所述积分电容105将光电流信号转换为光电压信号；

所述积分采样保持模块101包括第二运算放大器106以及采样电容107，第二运算放大器106的电源负极端接收负电荷泵103模块输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第二运算放大器106将从同相输入端接收的光电压信号放大，通过输出端输出放大后的光电压信号至采样电容107；所述采样电容107对所述光电压信号进行采样和保持；

所述增益放大模块102将光电压采样信号进行缓冲输出。

本实施例中，通过预设或者调节负偏压，使得第一运算放大器104以及第二运算放大器106的共模输入电压为零，从而使得积分电容105电压以及采样电容107电压从基准电压变化到接地电压，实现光电流信号全摆幅积分以及光电压信号全摆幅采样保持，并将光电压采样信号进行全摆幅缓冲输出，从而延长了积分时间，输出全摆幅信号，达到提高红外焦平面阵列中读出电路的信号输出质量的目的。

在其中一个实施例中，所述第一运算放大器104为折叠式共源共栅运算放大器。所述折叠式共源共栅运算放大器的开环增益高，输出失调电压小，共模抑制比高，低温可靠性强。

在其中一个实施例中，所述第二运算放大器106为五管运算放大器。所述五管运算放大器即节省面积，又能满足驱动的要求。

如图2所示，为一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的电路结构图。

在其中一个实施例中，所述信号输入模块还包括第一开关K1和第二开关K2，所述第一开关K1连接在第一运算放大器A1的输出端和积分电容C1之间，所述第二开关K2连接在基准电压与积分电容C1之间，通过控制第一开关K1和第二开关K2通路或断路，使得积分电容C1处于复位状态或者积分状态。

具体地，通过控制第一开关K1断路、第二开关K2通路，使得积分电容C1电压为基准电压，处于复位状态；通过控制第一开关K1通路、第二开关K2断路，使得光电流信号积分到积分电容C1中，进而控制积分电容C1的积分时间，并防止红外焦平面阵列中红外探测器的过热象元击穿积分电容C1的电容芯片。因此，延长了光电流信号的积分时间，从而提高了红外焦平面阵列输出信号的信噪比。

在其中一个实施例中，所述积分采样保持模块包括第三开关K3，所述第三开关K3连接在基准电压与第二运算放大器A2的电源正极端之间，用于控制采样电容C2的采样时间。

具体地，通过控制第三开关K3通路，第二运算放大器A2开始正常工作，积分电容C1通过第二运算放大器A2输出光电压信号至采样电容C2中；通过控制第三开关K3断路，使得采样电容C2停止采样。因此，所述第三开关K3用于控制采样电容C2的采样时间，从而进一步保证光电压信号全摆幅采样，提高红外焦平面阵列中读出电路的信号采样质量。

在其中一个实施例中，所述增益放大模块包括：

第三运算放大器A3，所述第三运算放大器A3的同相输入端连接采样电容C2、反相输入端连接输出端、电源负极端接地以及电源正极端连接基准电压，第三运算放大器A3将从同相输入端接收的光电压采样信号放大，通过输出端输出放大后的光电压采样信号；

第四开关K4，所述第四开关K4连接在基准电压与第三运算放大器A3的电源正极端之间，用于控制第三运算放大器A3输出光电压采样信号的缓冲时间；

第四运算放大器A4，所述第四运算放大器A4的同相输入端连接第三运算放大器A3的输出端、反相输入端连接输出端、电源负极端接地以及电源正极端连接基准电压，第四运算放大器A4将从同相输入端接收的光电压采样信号放大，通过输出端输出放大后的光电压采样信号；

第五开关K5，所述第五开关K5连接在基准电压与第四运算放大器A4的电源正极端之间，用于控制第四运算放大器A4输出光电压采样信号的缓冲时间。

该实施例中，控制第四开关K4通路、第五开关K5断路，所述第三运算放大器A3的同相输入端开始接收从采样电容C2输出的光电压采样信号；控制第五开关K5通路，所述第四运算放大器A4的同相输入端开始接收从第三运算放大器A3输出端输出的光电压采样信号。因此，通过逐次控制第四开关K4以及第五开关K5通路，从而将采样电容C2中的光电压采样信号依次进行全摆幅输出，提高光电压采样信号的输出质量。

作为该实施例的一个优选实施方式，可以在将光电压采样信号进行输出的同时，信号输入模块进行光电流信号的积分，以及积分采样保持模块进行光电压信号的采样与保持，从而实现同时进行信号积分与输出，提高红外焦平面阵列中读出电路信号输出的效率。

在其中一个实施例中，如图3所示，所述红外焦平面阵列读出电路还包括时序控制电路模块300，所述时序控制电路模块300分别与负电荷泵模块103、信号输入模块100、积分采样保持模块101以及增益放大模块102连接，用于向所述负电荷泵模块103、信号输入模块100、积分采样保持模块101以及增益放大模块102提供时序脉冲。因此，保证红外焦平面阵列读出电路正常有序的运行。

以下是本发明的一个优选实施方式，如图2所示：

通过时序控制电路模块提供时钟信号，控制红外焦平面阵列读出电路中各模块的工作：控制第一开关K1断路、第二开关K2通路，使得积分电容C1电压为基准电压，处于复位状态；控制第二开关K2断路、第一开关K1通路，第一运算放大器A1的电源负极端接收负电荷泵模块预设的负偏压，使得第一运算放大器A1的共模输入电压为零，通过输出端输出放大后的光电流信号至积分电容C1，积分电容C1将光电流信号转换为光电压信号，达到预设积分时间之后，控制第一开关K1断路；控制第三开关K3通路，第二运算放大器A2的电源负极端接收负电荷泵模块预设的负偏压，使得第二运算放大器A2的共模输入电压为零，通过输出端输出光电压信号至采样电容C2，采样电容C2对所述光电压信号进行采样和保持，达到预设采样保持时间之后，控制第三开关K3断路；控制第四开关K4通路、第五开关K5断路，第三运算放大器A3的同相输入端开始接收从采样电容C2输出的光电压采样信号，达到预设输出时间之后，控制第五开关K5通路，第四运算放大器A4的同相输入端开始接收从第三运算放大器A3输出端输出的光电压采样信号，并进行输出。

因此，通过预设的负偏压，使得第一运算放大器A1以及第二运算放大器A2的共模输入电压为零，从而使得积分电容C1电压以及采样电容C2电压从基准电压变化到接地电压，实现光电流信号全摆幅积分以及光电压信号全摆幅采样保持，并将光电压采样信号进行全摆幅缓冲输出，从而延长了积分时间，输出全摆幅信号，达到提高红外焦平面阵列中读出电路的信号输出质量的目的。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：负电荷泵模块、相互连接的信号输入模块以及积分采样保持模块、以及与所述积分采样保持模块连接的增益放大模块，所述负电荷泵模块分别与信号输入模块以及积分采样保持模块连接；

所述信号输入模块包括第一运算放大器以及积分电容，第一运算放大器的电源负极端接收负电荷泵模块输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第一运算放大器将从反相输入端接收的光电流信号放大，通过输出端输出放大后的光电流信号至积分电容；所述积分电容将光电流信号转换为光电压信号；

所述积分采样保持模块包括第二运算放大器以及采样电容，第二运算放大器的电源负极端接收负电荷泵模块输出的负偏压、调节共模输入电压，所述第二运算放大器将从同相输入端接收的光电压信号放大，通过输出端输出放大后的光电压信号至采样电容，所述采样电容对所述光电压信号进行采样和保持；

所述增益放大模块将采样的光电压信号进行缓冲输出。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述信号输入模块还包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在第一运算放大器的输出端和积分电容之间，所述第二开关连接在基准电压与积分电容之间，通过控制第一开关和第二开关通路或断路，使得积分电容处于复位状态或者积分状态。

3.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述第一运算放大器为折叠式共源共栅运算放大器。

4.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述积分采样保持模块包括第三开关，所述第三开关连接在基准电压与第二运算放大器的电源正极端之间，用于控制采样电容的采样时间。

5.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述第二运算放大器为五管运算放大器。

6.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述增益放大模块包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端连接采样电容、反相输入端连接输出端、电源负极端接地以及电源正极端连接基准电压，第三运算放大器将从同相输入端接收的光电压采样信号放大，通过输出端输出放大后的光电压采样信号；

第四开关，所述第四开关连接在基准电压与第三运算放大器的电源正极端之间，用于控制第三运算放大器输出光电压采样信号的缓冲时间；

第四运算放大器，所述第四运算放大器的同相输入端连接第三运算放大器的输出端、反相输入端连接输出端、电源负极端接地以及电源正极端连接基准电压，第四运算放大器将从同相输入端接收的光电压采样信号放大，通过输出端输出放大后的光电压采样信号；

第五开关，所述第五开关连接在基准电压与第四运算放大器的电源正极端之间，用于控制第四运算放大器输出光电压采样信号的缓冲时间。

7.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，还包括时序控制电路模块，所述时序控制电路分别与负电荷泵模块、信号输入模块、积分采样保持模块以及增益放大模块连接，用于向所述负电荷泵模块、信号输入模块、积分采样保持模块以及增益放大模块提供时序脉冲。