专利名称：一种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号数字化模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器读出信号的数字化，具体涉及一种弛豫铁电材料红外光传
感器读出信号的数字化模块。
背景技术：
从20世纪70年代至今，世界各国争相发展红外探测技术，西方发达国家一直在积 极进行研究，投入大量的人力、物力，相继研制和开发了非致冷红外焦平面列阵。其规模从 单元探测器发展到多元、线列和面阵，目前已成为红外科学领域的研究前沿。我国科学家最 新发现的以PMNT为代表的弛豫铁电单晶在热扩散系数、物化性能等方面具有优异的热释 电综合性能，用其制成的传感器具有结构简单，功耗低等优点，具有非常诱人的广泛应用前 景。目前，基于弛豫铁电单晶这种新型热释电材料红外光传感器和配套的读出电路芯片正 在积极研究。同时随着数字集成电路技术的迅猛发展，带来了前所未有的高复杂信号的处 理能力，将读出电路信号转化成数字信号，可以完成原来读出电路所不能完成的信号的存 储、变换、去噪声和数字化传输等功能。所以人们希望把红外焦平面模拟信号转换为数字信 号来处理。 我国科学家最新发现的弛豫铁电材料做成的红外光传感器具有很高的动态范围 (约70dB)、功耗低的特点，本发明解决了这种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号数字化 问题，发挥出了这种新型材料的优点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号的数字化输
出模块，将红外光传感器读出电路信号转化成数字信号。 上述目的通过下述的技术方案来实现 包括将读出电路输出信号转化为数字信号的调制器电路模块；将调制器输出信号 进行抽取、滤波的降采样数字抽取滤波器模块；产生两相不交叠时钟信号的时钟电路模块； 为以上各模块提供电压基准和电流基准的基准源电路模块；上述模块集成在一集成电路芯 片上，芯片主要功耗在数字抽取滤波器部分，采用大规模数字集成电路技术，芯片的静态功 耗较小。 所述调制器电路模块调制器模块由PGA (可编程增益调整电路)电路、开关电容积 分器电路、lbit DAC电路、比较器电路、由开关电容耦合实现的前馈通路、调制器输出级电 路组成。 所述PGA(可编程增益调整电路)电路作为调制器模块的输入端。读出电路输出的 模拟信号进入调制器模块后，首先进入PGA(可编程增益调整电路)进行1、2、8、16倍的可 编程增益调整，从而扩大满幅度输入范围，使整个调制器不会因为输入信号过小而导致SNR 的大幅度下降。 所述开关电容积分器电路包括MOS开关、电容和运算放大器。开关的控制时钟为两相不交叠时钟模块输出的两相不交叠时钟提供，用于消除时钟馈通效应。整个运放包括 了三部分偏置部分、OTA、共模反馈电路。 所述lbit DAC电路为调制器提供了反馈回路，将调制输出的数字信号转换为正负 参考电平与输入信号叠加。主要由lbit DAC控制电路和参考电平反馈选择电路两部分组 成。
所述比较器电路由三部分组成差分输入级、锁存器和输出级。
所述前馈通路由开关电容耦合实现，开关电容作用为消除时钟馈通效应。 所述调制器输出级电路为RS触发器，锁存比较器的半周期输出。 所述降采样数字抽取滤波器由两级梳妆由两个梳妆抽取滤波器级联组成，抽取率
M二32，采用二进制补码输出。 所述产生两相不交叠时钟信号的时钟电路模块主要由一个带延迟的组合模块和 RS触发器构成，其中，带延迟的组合模块由两个延迟电路单元通过交叉耦合得到，RS触发 器由两个交叉耦合的与非门组成。将两相不交叠时钟产生模块的时钟输入信号，经反相器 取反后，生成一对带交叠的两相时钟，送入RS触发器中，触发器将交叠部分都拉为低电平， 消除交叠时间。得到的两相不交叠时钟信号，送入带延迟的组合模块，得到的信号反馈给RS 触发器后，能够延长非交叠时间，减小时沟道电荷注入效应对开关电容的影响。
所述基准源电路模块采用普通的带隙基准结构实现，以兼容于目前通用的CMOS 工艺，便于集成和大规模应用。 本发明将红外光传感器读出信号作为数字化单元的输入信号，进入PGA(可编程 增益调整电路)模块调整增益，从而扩大满幅度输入范围，经过调制器输出lbit的数字信 号，经过数字抽取滤波器将它转化成16bit的二进制补码输出。完成读出信号的数字化，便 于完成原来读出电路所不能完成的信号的存储、变换、去噪声和数字化传输等功能。
图1是红外光传感器读出信号数字化模块结构示意图。 图2是调制器电路模块的结构示意图。 图3是时钟电路模块结构示意图。 图4是时钟电路模块的电路结构图。 图5是由时钟电路模块产生的两相非交叠时钟信号。 图6是调制器仿真的输入输出波形。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 本发明电路模块如图1所示，主要由调制器电路模块B ;降采样数字抽取滤波器模 块C ;产生两相不交叠时钟信号的时钟电路模块D ;为以上各模块提供电压基准和电流基准 的基准源电路模块E组成。调制器电路模块B将红外光传感器读出电路A输出的模拟信号 Fl转化为lbit的数字信号。再经降采样数字抽取滤波器模块C将lbit的数字信号转化为 16bit的二进制补码输出F2。以便于信号的存储、变换、去噪声和数字化传输等功能。时钟 电路模块D为调制器模块B提供两相非交叠时钟，如图5所示。基准源电路模块E为调制器模块B提供2. 5V电压基准和1. 5uA的电流基准。 调制器电路模块如图2中的PGA(可编程增益调整电路)模块A作为调制器模块 的输入端接收红外光传感器读出电路输出的模拟信号Fl，经过增益调整，送入积分器模块， 经过比较器后通过lbit的DAC选择正负参考电平于PGA(可编程增益调整电路)输出端叠 加，然后反馈回积分器输入端，实现反馈。 本发明中的时钟电路模块主要由RS触发器单元、延迟单元组成，如图3所示。
请参见图4， RS触发器单元由两个交叉耦合的与非门组成，输入的时钟信号经过 反相器后和输入的时钟信号生成一对带交叠的时钟信号，送入RS触发器后触发器将交叠 部分都拉为低电平，消除交叠时间，而延迟模块能提供足够长时间的延迟。得到两相非交叠 时钟如图5。 图6为整体电路采用5V供电，基准电压2. 5V，输入470mv的3. 5kHz的正弦波，对 图2进行仿真的输入输出波形。
本发明模块的工作过程如下 红外光传感器读出电路A输出的模拟信号Fl经过调制器电路中的PGA (可编程增 益调整电路)电路模块对输入信号的增益控制，从而不会因为输入信号过小而导致SNR的 大幅度下降。调制器电路模块B将红外光传感器读出电路A输出的模拟信号F1转化为lbit 的数字信号。再经降采样数字抽取滤波器模块C将lbit的数字信号转化为16bit的二进 制补码输出F2。以便于信号的存储、变换、去噪声和数字化传输等功能。时钟电路模块D为 调制器模块B提供两相非交叠时钟。基准源电路模块E为调制器模块B提供2. 5V电压基 准和1.5uA的电流基准。
有益效果 本发明通过供一种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号的数字化输出模块，将红 外光传感器读出电路信号转化成数字信号，以完成现有的红外光传感器读出电路所不能完 成的信号存储、变换、去噪以及数字化传输等功能。
权利要求
一种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号的数字化模块，其特征在于上述模块与传感器集成在单一芯片上，包括将读出电路输出信号转化为数字信号的调制器电路模块；将调制器输出信号进行抽取、滤波的降采样数字抽取滤波器模块；产生两相不交叠时钟信号的时钟电路模块，为以上各模块提供电压基准和电流基准的基准源电路模块；其中，所述产生两相不交叠时钟产生模块，由一个带延迟的组合模块和RS触发器构成，其中，带延迟的组合模块由两个延迟电路单元通过交叉耦合得到，将两相不交叠时钟产生模块的时钟输入信号，经反相器取反后，生成一对带交叠的两相时钟，送入RS触发器中，触发器将交叠部分都拉为低电平，消除交叠时间，得到的两相不交叠时钟信号，送入带延迟的组合模块，得到的信号反馈给RS触发器后，延长非交叠时间，减小时沟道电荷注入效应对开关电容的影响。
2. 根据权利要求1所述的数字化模块，其特征在于该电路与系统内其他电路进行协同 化设计，使整个应用系统的性能的达到最优。
3. 根据权利要求2所述的数字化模块，其特征在于在该低频低噪声传感器读出信号 处理系统内数字化技术有卓越的噪声处理性能，并减小数字化电路本身引入新的噪声。
4. 根据权利要求1所述的数字化模块，其特征在于所述调制器电路模块输入由红外 光传感器读出电路输出端提供；所述调制器电路模块、降采样数字抽取滤波器模块所需的 基准电压和基准电源由基准源模块提供；所述两相不交叠时钟产生模块为调制器电路模块 中开关电容积分器提供两相不交叠时钟，以减小时钟馈通与电荷注入效应的影响，做好速 度与精度之间的折中；所述调制器电路模块的输出为降采样数字抽取滤波器模块提供输入 信号，调制器出来的信号经过降采样数字抽取滤波器的抽取、滤波后作为整个红外光传感 器读出信号数字化技术的输出信号。
5. 根据权利要求4所述的数字化模块，其特征在于所述基准电路模块采用普通的带 隙基准结构实现，以兼容于目前通用的CMOS工艺，便于集成和大规模应用。
6. 根据权利要求4所述的数字化模块，其特征在于所述调制器模块由PGA电路、lbit DAC电路、比较器电路、开关电容积分器电路、由开关电容耦合实现的前馈通路、调制器输出 级电路组成。
7. 根据权利要求4所述的数字化模块，其特征在于所述降采样数字抽取滤波器的抽取 由两个梳妆抽取滤波器级联组成，抽取率M = 32，采用二进制补码输出。
全文摘要
一种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号数字化技术，将红外光传感器读出电路信号转化成数字信号，可以完成原来读出电路所不能完成的信号的存储、变换、去噪声和数字化传输等功能。解决了这种弛豫铁电材料红外光传感器读出信号数字化需要的高动态范围和较低功耗问题，发挥出了这种新型材料的优点。其特征是包括将读出电路输出信号转化为数字信号的调制器电路模块；将调制器输出信号进行抽取、滤波的降采样数字抽取滤波器模块；产生两相不交叠时钟信号的时钟电路模块；为以上各模块提供电压基准和电流基准的基准源电路模块；上述模块集成在一集成电路芯片上。芯片主要功耗在数字抽取滤波器部分，采用大规模数字集成电路技术，芯片的静态功耗较小。
文档编号G01J5/02GK101776482SQ201010004939
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者丁俊民, 景为平, 李严谨, 谢峰, 顾勇, 鲁华祥 申请人:南通大学