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CN107517354B - 一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路 - Google Patents

一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路 Download PDF

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CN107517354B CN201710828566.7A CN201710828566A CN107517354B CN 107517354 B CN107517354 B CN 107517354B CN 201710828566 A CN201710828566 A CN 201710828566A CN 107517354 B CN107517354 B CN 107517354B
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Abstract

本发明公开了一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路，红外焦平面读出电路包括读出电路单元和反馈控制环路，读出电路单元包括积分放大电路；积分放大电路输出积分电压；反馈控制环路包括电压比较器F1、计数控制模块和控制开关，电压比较器F1将积分电压与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块；计数控制模块根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数，输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出脉冲信号给控制开关；控制开关一端连接在积分放大电路的输出端与固定电位Vref之间；且控制开关的闭合和关断通过计数控制模块输出的脉冲信号控制。本发明通过反馈控制环路的特殊控制，分段处理积分，达到拓展高温探测范围的电路结构的目的。

Description

一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路
技术领域
本发明涉及一种红外焦平面读出电路，具体涉及一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路。
背景技术
红外焦平面阵列是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件，集红外光电转换和信号处理于一体，是一种高性能的红外固体图像传感器。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列和读出电路组成，探测器的作用是讲红外辐射转换成电信号，读出电路对探测器感应的微弱红外电信号进行前置处理(如积分、放大、滤波、采样/保持和并/串行转换等)及A/D转换。
传统红外焦平面的读出电路，其功能是对红外焦平面中的像元进行偏置，并将像元信号进行转换、放大以及输出，用于后端的成像。
但是传统红外焦平面读出电路的探测范围受到了温度的限制，使得读出电路所能读出的探测范围较为狭窄，从而限制了读出电路在某些高温场合的使用，即现有技术中读出电路在某些高温场合使用受限的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路，该红外焦平面读出电路具有能够拓展高温探测范围的红外焦平面读出电路结构，使得电路可以采集更宽温度范围内的信号，解决了现有技术中读出电路在某些高温场合使用受限的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种红外焦平面读出电路，包括读出电路单元，所述读出电路单元包括积分放大电路和反馈控制环路；所述积分放大电路接入红外探测信号并对红外探测信号进行积分，并输出积分电压Vout；所述反馈控制环路包括电压比较器F1、计数控制模块CO和控制开关S，其中：
所述电压比较器F1将积分放大电路输出的积分电压Vout与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块CO；
所述计数控制模块CO根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数，输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出一个脉冲信号给控制开关S；
所述控制开关S一端连接积分放大电路的输出端，另一端连接一个固定电位Vref；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制。
本技术方案中，在传统的读出电路增加一个反馈控制环路，反馈控制环路包括一个电压比较器F1、一个计数控制模块CO和一个逻辑控制开关S，控制开关S一端连接积分放大电路的输出端，另一端连接一个固定电位Vref，从而给积分放大电路提供了一个Vref、控制开关S到积分放大电路的通路；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制；控制开关S闭合时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref导通；控制开关S关断时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref断开连接，这样，当计数控制模块在Vout的值大于Vcomp时，计数控制模块CO的计数部分输出翻转次数N，同时输出一个逻辑电平，该逻辑电平连接控制开关S，使得控制开关S短暂闭合，积分放大电路的输出被拉低到Vref，完成一个周期的信号探测；脉冲信号结束以后，积分放大电路再次开始对信号进行采集积分，过程反复进行，多次对信号进行采集积分，并多次累积计数，可得高温拓展探测范围后的采样信号，通过反馈控制环路的特殊控制，分段处理积分，达到拓展高温探测范围的电路结构的目的。
作为本发明的进一步改进，所述电压比较器F1的反向输入端连接积分放大电路的输出端、正向输入端接入参考电压信号Vcomp、输出端连接计数控制模块CO的输入端。
作为本发明的又一改进，所述积分放大电路包括积分放大器F2和电容C；所述积分放大器F2的正向输入端连接固定电位Vref，反向输入端接入红外探测信号，输出端连接电压比较器F1的反向输入端并同时输出积分电压Vout；所述电容C连接在积分放大器F2的反向输入端与输出端之间。
进一步，所述反馈控制环路还包括用于提供参考电压信号的参考电压单元电路，参考电压单元电路的输出端连接电压比较器F1的正向输入端，向积分放大电路输出红外探测信号。
优选的，所述读出电路单元为列级集成的读出电路。
进一步，上述红外焦平面读出电路还包括用于提供固定电位Vref的固定电位支路，固定电位支路的输出端同时连接控制开关S的另一端和积分放大电路。
进一步，所述读出电路单元还包括信号偏置电路，所述信号偏置电路的输出端连接积分放大电路的输入端。
一种红外焦平面读出电路的反馈控制环路，该反馈控制环路与红外焦平面读出电路的读出电路单元的输出端相连，所述反馈控制环路包括电压比较器F1、计数控制模块CO和控制开关S，其中：
所述电压比较器F1将读出电路单元输出的电压与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块CO；
所述计数控制模块CO根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出一个脉冲信号给控制开关S；
所述控制开关S一端连接读出电路单元的输出端，另一端连接一个固定电位Vref；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制。
进一步，所述电压比较器F1的反向输入端连接读出电路单元的输出端、正向输入端接入参考电压Vcomp、输出端连接计数控制模块CO。
优选的，所述反馈控制环路还包括用于提供参考电压信号的参考电压单元电路，参考电压单元电路的输出端连接电压比较器F1的正向输入端。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明的一种红外焦平面读出电路在传统的读出电路增加一个反馈控制环路，反馈控制环路包括一个电压比较器F1、一个计数控制模块CO和一个逻辑控制开关S，控制开关S一端连接积分放大电路的输出端，另一端连接一个固定电位Vref，从而给积分放大电路提供了一个Vref、控制开关S到积分放大电路的通路；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制；控制开关S闭合时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref导通；控制开关S关断时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref断开连接，这样，当计数控制模块在Vout的值大于Vcomp时，计数控制模块CO的计数部分输出翻转次数N，同时输出一个逻辑电平，该逻辑电平连接控制开关S，使得控制开关S短暂闭合，积分放大电路的输出被拉低到Vref，完成一个周期的信号探测；脉冲信号结束以后，积分放大电路再次开始对信号进行采集积分，过程反复进行，多次对信号进行采集积分，并多次累积计数，可得高温拓展探测范围后的采样信号，通过反馈控制环路的特殊控制，分段处理积分，达到拓展高温探测范围的电路结构的目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明一个实施例中的红外焦平面读出电路的电路图；
图2是本发明一个实施例中的红外焦平面读出电路在拓展探测范围前后的读出电路单元输出的电压波形示意图的对比图。
附图标记及对应的零部件名称：10-读出电路单元，20-反馈控制环路。
具体实施方式
在长期的研究中，发明人发现：现有技术中，传统红外焦平面读出电路的探测范围受到了温度的限制，使得读出电路所能读出的探测范围较为狭窄，从而限制了读出电路在某些高温场合的使用，因而存在拓展高温探测范围电路的需要，基于此，发明人提出了本申请中的一种红外焦平面读出电路及其反馈控制环路。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
【实施例1】
如图1所示，本发明一种红外焦平面读出电路，包括读出电路单元10和反馈控制环路20。
所述读出电路单元10包括信号偏置电路和积分放大电路；信号偏置电路向积分放大电路输出红外探测信号；积分放大电路包括积分放大器F2和电容C；积分放大器F2的正向输入端连接一个固定电位Vref，反向输入端连接信号偏置电路从而接入红外探测信号，输出端输出积分电压Vout；所述电容C连接在积分放大器F2的反向输入端与输出端之间，从而积分放大电路接入红外探测信号并对红外探测信号进行积分，并输出积分电压Vout；
所述反馈控制环路20包括电压比较器F1、计数控制模块CO和控制开关S，其中：
电压比较器F1的反向输入端连接积分放大电路的输出端，电压比较器F1的正向输入端接入一个参考电压信号Vcomp，电压比较器F1的输出端连接计数控制模块CO的输入端。从而电压比较器F1将积分放大电路输出的积分电压Vout与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块CO。前述的积分放大电路的输出端即积分放大器F2的输出端，同时也是读出电路单元10的输出端。
所述计数控制模块CO根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数，输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出一个脉冲信号给控制开关S；
所述控制开关S一端连接积分放大电路的输出端，另一端连接一个固定电位Vref；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制；控制开关S闭合时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref导通；控制开关S关断时，积分放大电路的输出端与固定电位Vref断开连接。
本实施例中，通过给传统的读出电路增加一个反馈控制环路20，实现传统红外焦平面读出电路的高温探测范围的拓展，反馈控制环路20包括一个电压比较器F1、一个计数控制模块CO和一个逻辑控制开关S。所述电压比较器F1的反相输入端和积分放大器F2的输出端Vout连接，同时与固定电位Vref所在支路相连接，正相输入端和基准电平Vcomp连接，其输出端和计数控制模块CO的输入端连接。所述计数控制模块CO的输入端与电压比较器F1的输出端连接，计数控制模块CO通过输出高电平的个数输出计数值N，通过一系列逻辑，控制逻辑控制开关S的闭合与关断，从而控制连接固定电位Vref的支路的导通或关断。控制开关S的一端连接固定电位Vref，另一端连接到积分放大器F2的输出端。
所述计数控制模块在当Vout的值大于Vcomp时，计数控制模块CO的计数部分输出翻转次数N，同时输出一个逻辑电平，该逻辑电平连接控制开关S，使得控制开关S短暂闭合。
下面简要说明本实施例的红外焦平面读出电路的工作原理。
如图1所示的实施例中，信号偏置电路给积分放大器F2的反相输入端充电，由于电容C两端的电压不可突变，Vout输出端的电位随充电时间的增加而线性增加。当Vout的电位上升到高于电压比较器F1的正向输入端电位Vcomp时，电压比较器F1输出高电平，输入计数控制模块CO；计数控制模块CO接收到电压比较器F1输出的高电平后计数值N的值自加1，然后计数控制模块CO输出电压比较器输出高电平的次数N，同时输出一个高窄脉冲电平，逻辑控制开关S在高电平时导通，将积分放大器F2的输出端电位瞬间拉到Vref值，该过程的放电时间可忽略不计。窄脉冲电位结束以后，信号偏置电路再次开始对信号进行采集积分，过程反复进行，多次对信号进行采集积分，并多次累积计数，可得高温拓展探测范围后的采样信号。
本实施例中，所述计数控制模块CO包括计数模块和脉冲信号输出模块，所述计数模块于电压比较器F1的输出端相连，在接收到电压比较器F1输出的高电平时进行计数并输出计数值N和向脉冲信号输出模块输出控制信号，所述脉冲信号输出模块接收到控制信号时向控制开关S发送窄脉冲信号(脉宽在后续计算中可忽略)。
在其他实施例中，计数控制模块CO接收到电压比较器F1输出的高电平后计数值N的值自加1，也可以输出一个低窄脉冲电平，对应地逻辑控制开关S在低电平时导通。
本实施例中，控制开关S可以但不限于采用继电器、三极管等。控制开关S的控制端(例如继电器的触点、三极管的基级)连接计数控制模块CO使得开关在计数控制模块CO的脉冲信号控制下闭合或关断，控制开关S的设置属于现有技术，本实施例中不再赘述。
图2为拓展探测范围前后的读出电路单元输出的电压波形示意图对比图，图2中，横坐标为温度Temp，纵坐标为电压值。
如图2所示，现有技术中对拓展探测范围前的读出值，在可读出温度范围内，有Vout＝A*Temp+B的线性关系，A和B为常数，当温度较高，超出其最高可探测温度T1后，Vout达到饱和，不再上升，因此高温范围时无法有效探测。但本实施例中的红外焦平面读出电路通过对积分放大器F2的输出结果进行反复充放电处理，可以拓展其可探测温度，有效获得超过温度T1部分的探测值，其在温度为T2时对应的实际电压值VOUT的计算如下：
VOUT＝N*(Vcomp-Vref)+Vout (1)
其中N表示计数控制模块累加后输出的比较器输出高电平次数，Vcomp表示电压比较器F1的反相输入端参考电压，Vref为积分放大器F2的输出端的参考电位，Vout表示当前积分放大器的输出值。从而通过式(1)的计算，可以计算出在超过温度T1的情况下的VOUT的值，很大程度上拓展了探测范围。现有技术中，由于积分放大电路中电容C两端电压不可突变的特性，对被处理信号(红外探测信号)进行积分。反馈控制环路20中的电压比较器F1的反相输入端连接积分放大器F2的输出端，同时与固定电位Vref所在支路相连接，随着被处理信号对电容C的充电，Vout电压上升，积分放大电路探测范围受电容C存储电荷能力和温度的限制，较为狭窄。本实施例中通过反馈控制环路20的特殊控制，分段处理积分，达到拓展高温探测范围的电路结构的目的。
【实施例2】
在实施例1的基础上，本实施例中还对反馈控制环路进行如下改进：
所述反馈控制环路20还包括用于提供参考电压信号的参考电压单元电路，参考电压单元电路的输出端连接电压比较器F1的正向输入端。本实施例中，参考电压单元电路包括电源和两个串联的电阻，两个电阻串联在电源与地之间，两个电阻的公共端即为参考电压单元电路的输出端，电压比较器F1的正向输入端连接在该两个电阻的公共端上。
【实施例3】
在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中还对红外焦平面读出电路进行如下改进：
红外焦平面读出电路还包括用于提供固定电位Vref的固定电位支路，固定电位支路的输出端同时连接控制开关S的另一端和积分放大电路。
【实施例4】
在实施例1的基础上，本实施例中还对反馈控制环路进行如下改进：
反馈控制环路还包括用于提供固定电位Vref的固定电位支路，固定电位支路的输出端同时连接控制开关S的另一端和积分放大电路。
从实施例3和实施例4可以看出，固定电位支路用于向电压比较器F1的输出端和正向输入端提供固定电位，其可以位于反馈控制环路中或者独立存在于红外焦平面读出电路中。
实际应用中，固定电位支路包括一个电压源，该电压源同时连接电压比较器F1的输出端和控制开关S的另一端。
【实施例5】
在上述任一实施例的基础上，本实施例中还对反馈控制环路进行如下改进：
所述读出电路单元10采用列级集成的读出电路，亦称列级读出电路。
在图1中，所述信号偏置电路包括转换器VDAC1和VDAC2、MOS管M1、MOS管M2、像元电阻Rs和盲像元电阻Rb。转换器VDAC1的输出端连接MOS管M2的栅极，转换器VDAC2的输出端连接MOS管M1的栅极，盲像元电阻Rb、MOS管M2、MOS管M1、像元电阻Rs依次串联；像元电阻Rs一端接地，另一端连接MOS管M1，流过像元电阻Rs的电流为Is；盲像元电阻Rb连接一端接入电压VSK，另一端连接MOS管M2，流过盲像元电阻Rb的电流为Ib。积分放大器F2的反向输入端连接在MOS管M2和MOS管M1的公共端上。
本实施例中的列级读出电路由片上DAC(转换器VDAC1和VDAC2)控制相应偏置MOS管(M2和M1)，从而调节像元(或盲像元)的偏置状态，实现片上非均匀性校正，是传统的读出电路结构。从而本实施例中读出电路单元10通过对各个像元提供不同的偏置电压，对CMOS管的栅端施加电压，通过对与衬底热隔离的像元电阻Rs支路及与衬底热短路的盲像元电阻Rb支路的电流比较，对积分放大器F2的电容C进行充电采样。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外焦平面读出电路，包括读出电路单元（10），所述读出电路单元（10）包括积分放大电路；所述积分放大电路接入红外探测信号并对红外探测信号进行积分，并输出积分电压Vout；其特征在于，所述红外焦平面读出电路还包括反馈控制环路（20）；
所述反馈控制环路（20）包括电压比较器F1、计数控制模块CO和控制开关S，其中：
所述电压比较器F1将积分放大电路输出的积分电压Vout与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块CO；
所述计数控制模块CO根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数，输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出一个脉冲信号给控制开关S；
所述控制开关S一端连接积分放大电路的输出端，另一端连接一个固定电位Vref；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制；所述计数控制模块CO包括计数模块和脉冲信号输出模块，所述计数模块与电压比较器F1的输出端相连，当Vout的电位上升到高于电压比较器F1的正向输入端电位Vcomp时，电压比较器F1输出高电平，输入计数控制模块；计数模块在接收到电压比较器F1输出的高电平时计数值N的值自加1并输出计数值N和向脉冲信号输出模块输出控制信号，所述脉冲信号输出模块接收到控制信号时向控制开关S发送窄脉冲信号使得控制开关S闭合，积分放大电路的输出端与固定电位Vref导通，积分放大电路的输出被拉低到Vref；脉冲信号结束以后，控制开关S断开，积分放大电路的输出端与固定电位Vref断开连接，积分放大电路再次开始对红外探测信号进行采集积分。
2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，所述电压比较器F1的反向输入端连接积分放大电路的输出端、正向输入端接入参考电压信号Vcomp、输出端连接计数控制模块CO的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，所述积分放大电路包括积分放大器F2和电容C；所述积分放大器F2的正向输入端连接固定电位Vref，反向输入端接入红外探测信号，输出端连接电压比较器F1的反向输入端并同时输出积分电压Vout；所述电容C连接在积分放大器F2的反向输入端与输出端之间。
4.根据权利要求3所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，所述反馈控制环路（20）还包括用于提供参考电压信号的参考电压单元电路，参考电压单元电路的输出端连接电压比较器F1的正向输入端。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，所述读出电路单元（10）为列级集成的读出电路。
6.根据权利要求1至4任一所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，还包括用于提供固定电位Vref的固定电位支路，固定电位支路的输出端同时连接控制开关S的另一端和积分放大电路。
7.根据权利要求1至4任一所述的一种红外焦平面读出电路，其特征在于，所述读出电路单元（10）还包括信号偏置电路，所述信号偏置电路的输出端连接积分放大电路的输入端，向积分放大电路输出红外探测信号。
8.一种红外焦平面读出电路的反馈控制环路，其特征在于，所述反馈控制环路与红外焦平面读出电路的读出电路单元（10）的输出端相连，所述反馈控制环路包括电压比较器F1、计数控制模块CO和控制开关S，其中：
所述电压比较器F1将读出电路单元（10）输出的电压与参考电压Vcomp进行比较，并将比较结果输出给计数控制模块CO；
所述计数控制模块CO根据电压比较器F1输出的比较结果进行计数输出计数值N，并在计数值N发生变化时输出一个脉冲信号给控制开关S；
所述控制开关S一端连接读出电路单元（10）的输出端，另一端连接一个固定电位Vref；且控制开关S的闭合和关断通过计数控制模块CO输出的脉冲信号控制；所述计数控制模块CO包括计数模块和脉冲信号输出模块，所述计数模块与电压比较器F1的输出端相连，当Vout的电位上升到高于电压比较器F1的正向输入端电位Vcomp时，电压比较器F1输出高电平，输入计数控制模块；计数模块在接收到电压比较器F1输出的高电平时计数值N的值自加1并输出计数值N和向脉冲信号输出模块输出控制信号，所述脉冲信号输出模块接收到控制信号时向控制开关S发送窄脉冲信号使得控制开关S闭合，积分放大电路的输出端与固定电位Vref导通，积分放大电路的输出被拉低到Vref；脉冲信号结束以后，控制开关S断开，积分放大电路的输出端与固定电位Vref断开连接，积分放大电路再次开始对红外探测信号进行采集积分。
9.根据权利要求8所述的一种红外焦平面读出电路的反馈控制环路，其特征在于，所述电压比较器F1的反向输入端连接读出电路单元（10）的输出端、正向输入端接入参考电压Vcomp、输出端连接计数控制模块CO。
10.根据权利要求9所述的一种红外焦平面读出电路的反馈控制环路，其特征在于，所述反馈控制环路（20）还包括用于提供参考电压信号的参考电压单元电路，参考电压单元电路的输出端连接电压比较器F1的正向输入端。
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"一种新型的高均匀性非制冷红外独处电路研究";周云、张丽、吕坚、蒋亚东;《红外技术》;20140115;第36卷(第1期);正文引言部分，附图1 *

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