一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路，包括像元电流偏置积分信号产生电路10、参考电压产生电路20和流水线模数转换器30。像元电流偏置积分信号产生电路10对第一参考微测辐射热计恒流偏置获得第一参考电压并积分获得积分输出信号，参考电压产生电路20基于第二参考微测辐射热计生成第二参考电压。本发明的实施例中的电路中，积分输出信号和第二参考电压与衬底温度关系趋势相同，因此流水线模数转换器将二者求比例后即可消除衬底温度的影响，从而在模数转换的同时实现了衬底温度补偿。
【专利说明】一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及非制冷红外焦平面阵列探测器【技术领域】，尤其是涉及一种带衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路。
[0003]
【背景技术】
[0004]微测辐射热计红外成像系统作为一种热敏型红外探测器，若不采用特别的补偿方式，其探测结果与衬底温度是相关的。在实际使用中，希望红外探测的结果仅与探测目标温度相关，而与其它因素无关。
[0005]传统非制冷微测福射热计红外成像系统中使用热电制冷器(Thermo-E IectricCooler, TEC)实现衬底温度补偿。然而，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。但是，去除TEC后的微测辐射热计红外成像系统，随着衬底温度的变化会导致焦平面阵列极大的非均匀性和非线性等非理想效应，从而影响读出结果。
[0006]解决无TEC的非制冷红外焦平面阵列探测器的非理想效应的关键技术，一方面在于工艺上的改进，另一方面在于具有非均匀性校正功能的读出电路的设计，从电路上对非均匀性进行补偿，使得非制冷红外焦平面阵列探测器在没有TEC作为温度稳定装置的情况下，也能正常工作，输出具有良好质量的图像。同时，将模拟信号在芯片内部转换为数字信号输出也是一种保证图像质量的有效手段。
[0007]现有的具有模数转换功能的无TEC非制冷红外焦平面读出电路中，采用恒压偏置探测微测辐射热计及其参考微测辐射热计的方式获取红外辐射信号，在电路中增加列级集成的参考微测辐射热计以实现衬底温度补偿，即每列读出通道中使用两个参考微测辐射热计。获取的红外辐射信号经积分器放大，再模数转换器转换为数字信号输出。
[0008]现有技术的读出电路中，模数转换与红外探测本身没有关系。此外，由于每列读出通道中使用两个参考微测辐射热计，在电路中增加了噪声源，同时也增加了较大的芯片面积。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明的目的之一是提供一种具有衬底温度补偿功能的红外焦平面阵列探测器读出电路。
[0011]本发明公开的技术方案包括:
提供了一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路，其特征在于，包括:像元电流偏置积分信号产生电路10,所述像兀电流偏置积分信号产生电路10包括第一电流偏置电路101、第二电流偏置电路102和积分电路103，所述第一电流偏置电路101对探测微测辐射热计进行恒流偏置获得探测电压Vsce，所述第二电流偏置电路102对第一参考微测辐射热计进行恒流偏置获得第一参考电压Vref，所述积分电路103根据所述探测电压Vsce和所述第一参考电压Vref进行积分产生积分输出信号Vint ;参考电压产生电路20，所述参考电压产生电路20产生多个第二参考电压；流水线模数转换器30，所述流水线模数转换器30根据所述多个第二参考电压将所述积分输出信号Vint转换成数字信号。
[0012]本发明的一个实施例中，所述第一电流偏置电路101包括第一恒流源1010和第一电压跟随器1011，其中:所述第一恒流源1010连接到所述探测微测辐射热计Rs的一端；所述第一电压跟随器1011的输入端连接到所述探测微测辐射热计Rs的与所述第一恒流源1010连接的所述一端，所述第一电压跟随器1011的输出端连接到所述积分电路103。
[0013]本发明的一个实施例中，所述第二电流偏置电路10包括第二恒流源1020和第二电压跟随器1021，其中:所述第二恒流源1020连接到所述第一参考微测辐射热计Rb的一端；所述第二电压跟随器1021的输入端连接到所述第一参考微测辐射热计Rb的与所述第二恒流源1020连接的所述一端，所述第二电压跟随器1021的输出端连接到所述积分电路103。
[0014]本发明的一个实施例中，所述参考电压产生电路20包括第三恒流源201、多个第二参考微测辐射热计202和多个第三电压跟随器203，其中:所述多个第二参考微测辐射热计202相互串联；所述第三恒流源201与所述多个第二参考微测辐射热计202串联；所述多个第三电压跟随器203中的每个第三电压跟随器的输入端连接到所述多个第二参考微测辐射热计202中的一个第二参考微测辐射热计的一端、输出端连接到所述参考电压产生电路20的一个参考电压输出端并输出一个所述第二参考电压。
[0015]本发明的一个实施例中，所述第一参考微测辐射热计不受入射的红外辐射影响。
[0016]本发明的一个实施例中，所述第一参考微测辐射热计包括遮蔽罩，所述遮蔽罩阻挡入射的红外辐射，使所述入射的红外辐射不能入射到所述第一参考微测辐射热计上。
[0017]本发明的一个实施例中，所述第二参考微测辐射热计不受入射的红外辐射影响。
[0018]本发明的一个实施例中，所述第二参考微测辐射热计包括遮蔽罩，所述遮蔽罩阻挡入射的红外辐射，使所述入射的红外辐射不能入射到所述第二参考微测辐射热计上。
[0019]本发明的实施例中的电路中，积分输出信号和第二参考电压与衬底温度关系趋势相同，因此流水线模数转换器将二者求比例后即可消除衬底温度的影响，从而在模数转换的同时实现了衬底温度补偿。
[0020]
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明一个实施例的衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路的结构框图示意图。
[0022]图2是本发明一个实施例的像元电流偏置积分信号产生电路的结构示意图。
[0023]图3是本发明一个实施例的参考电压产生电路的结构示意图。
[0024]图4是本发明一个实施例的流水线模数转换器的输入输出转移曲线的示意图。
[0025]
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图详细说明本发明的实施例的衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路的具体结构。
[0027]如图1所示，本发明的一个实施例中，一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路包括像元电流偏置积分信号产生电路10、参考电压产生电路20和流水线模数转换器30。
[0028]如图2所示，本发明的一个实施例中，像元电流偏置积分信号产生电路10包括第一电流偏置电路101、第二电流偏置电路102和积分电路103。
[0029]本发明的实施例中，第一电流偏置电路101对探测微测辐射热计(其等效电阻值表示为Rs，本文中也用Rs表示该探测微测辐射热计)进行恒流偏置获得探测电压Vsce。
[0030]如图2所不，本发明的一个实施例中，第一电流偏置电路101包括第一恒流源1010和第一电压跟随器1011。第一恒流源1010连接到探测微测辐射热计Rs的一端。第一电压跟随器1011的输入端连接到该探测微测辐射热计Rs的与第一恒流源1010连接的一端，第一电压跟随器1011的输出端连接到积分电路103。该第一电压跟随器1011的输出端输出前述的探测电压Vsce。
[0031]第二电流偏置电路102对第一参考微测辐射热计(其等效电阻值表示为Rb，本文中也用Rb表示该第一参考微测辐射热计)进行恒流偏置获得第一参考电压Vref。
[0032]如图2所示，第二电流偏置电路10包括第二恒流源1020和第二电压跟随器1021。第二恒流源1020连接到第一参考微测辐射热计Rb的一端。第二电压跟随器1021的输入端连接到该第一参考微测辐射热计Rb的与第二恒流源1020连接的一端，第二电压跟随器1021的输出端连接到积分电路103。该第二电压跟随器1021的输出端输出前述的第一参考电压Vref。
[0033]积分电路103根据探测电压Vsce和第一参考电压Vref进行积分产生积分输出信号 Vint0
[0034]本发明的实施例中，第一恒流源提供的偏置电流Iref对探测微测辐射热计单元恒流偏置，工作时，红外辐射被探测微测辐射热计单元所获取，使探测微测辐射热计单元的温度发生变化，引起探测微测福射热计单元的等效电阻值Rs变化，由于电压Vs=IrefXRs,因此改变电压Vsce。此外，当红外焦平面阵列的衬底温度发生变化时，探测微测辐射热计单元的等效电阻值Rs也会发生变化,从而导致Vsce变化。
[0035]同时，第一参考微测辐射热计单元也是由恒流源提供的偏置电流Iref进行偏置，但该第一参考微测辐射热计单元不受入射的红外辐射影响。例如，一个实施例中，第一参考微测辐射热计单元可以包括遮蔽罩，工作时，该遮蔽罩遮挡入射的红外辐射使得入射的红外辐射不能入射到该第一参考微测辐射热计单元上。
[0036]本发明一个实施例中，除了该遮蔽罩之外，参考微测辐射热计单元的其它结构可以与前述的探测微测辐射热计单元相同。
[0037]工作时，第一参考微测辐射热计不对入射的红外辐射产生响应，但是其等效电阻Rb会受到红外焦平面阵列的衬底温度的影响，由于电压Vref=IrefXRb,因此会改变电压Vref0
[0038]积分电路103以第一参考电压Vref为初值，按照第一参考电压Vref和探测电压Vsce的差值进行积分,产生积分输出信号Vint。
[0039]本发明的实施例中，参考电压产生电路20产生多个第二参考电压。
[0040]如图3所示，本发明的一个实施例中，参考电压产生电路20可以包括第三恒流源201、多个第二参考微测辐射热计202和多个第三电压跟随器203。该多个第二参考微测辐射热计202相互串联，并且第三恒流源201与该多个第二参考微测辐射热计202串联。
[0041]该多个第三电压跟随器203中的每个第三电压跟随器的输入端连接到多个第二参考微测辐射热计202中的一个第二参考微测辐射热计的一端、输出端连接到参考电压产生电路20的一个参考电压输出端,从而输出一个第二参考电压。
[0042]例如，图3的实施例中，以1.5比特子级结构为例进行说明，第三恒流源201提供的偏置电流0.2Iref对10个串联的第二参考微测辐射热计Rbl、Rb2、…、RblO进行偏置。该10个第二参考微测辐射热计的等效电阻与衬底温度有关。此外，它们可以处在同一衬底下，因此此时，该10个第二参考微测辐射热计的等效电阻值可以相等，且均等于第一参考微测福射热计的等效电阻Rb,即Rbl=Rb2=…=RblO= Rb。
[0043]由于Vref=Iref X Rb，于是A点电压为0.2 Vref，B点电压为0.8Vref，C点电压为1.2Vref，D点电压为1.SVref。这四个电压通过运算放大器输出。输出的四个参考电压和像元电流偏置的积分信号产生电路输出的积分信号随衬底温度变化的趋势是一致的。
[0044]本发明的实施例中，前述的第二参考微测辐射热计单元也不受入射的红外辐射影响。例如，一个实施例中，第二参考微测辐射热计单元可以包括遮蔽罩，工作时，该遮蔽罩遮挡入射的红外辐射使得入射的红外辐射不能入射到该第二参考微测辐射热计单元上。
[0045]本发明的实施例中，前述的第一恒流源、第二恒流源和/或第三恒流源可以分别是单独的、分离的恒流源，也可以是至少部分直接或者间接来源于相同的恒流源。
[0046]本发明的实施例中，流水线模数转换器30可以根据前述的多个第二参考电压而将积分输出信号Vint转换成数字信号并输出。
[0047]例如,一个实施例中，由像兀电流偏置积分信号产生电路10产生的积分信号Vint和参考电压产生电路20产生的四个第二参考电压0.2Vref、0.8Vref、l.2Vref、l.8Vref输入到流水线ADC30中进行处理。本发明的实施例中，利用积分信号Vint和第二参考电压
0.2 Vref,0.8 Vref、l.2 Vref,1.8 Vref与衬底温度的关系趋势相同的特点，在模数转换的过程中即完成衬底温度补偿。因为本发明实施例中的流水线ADC的实质是求Vint和第二参考电压的比例，二者求比例后即可消除与衬底温度相关的项，故其比例与衬底温度无关。
[0048]图4是本发明一个实施例的流水线模数转换器的输入输出转移曲线。该曲线显示了流水线ADC的子级单元将输入信号和实施例的参考电压产生电路产生的四个参考电压进行处理的关系。
[0049]本发明的实施例中的电路中，积分输出信号和第二参考电压与衬底温度关系趋势相同，因此流水线模数转换器将二者求比例后即可消除衬底温度的影响，从而在模数转换的同时实现了衬底温度补偿。
[0050]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。
【权利要求】
1.一种衬底温度补偿的红外焦平面阵列探测器读出电路，其特征在于，包括: 像元电流偏置积分信号产生电路(10)，所述像元电流偏置积分信号产生电路(10)包括第一电流偏置电路(101)、第二电流偏置电路(102)和积分电路(103),所述第一电流偏置电路(101)对探测微测辐射热计进行恒流偏置获得探测电压(Vsce )，所述第二电流偏置电路(102)对第一参考微测辐射热计进行恒流偏置获得第一参考电压(Vref)，所述积分电路(103)根据所述探测电压(Vsce)和所述第一参考电压(Vref)进行积分产生积分输出信号(Vint)； 参考电压产生电路(20)，所述参考电压产生电路(20)产生多个第二参考电压； 流水线模数转换器(30)，所述流水线模数转换器(30)根据所述多个第二参考电压将所述积分输出信号(Vint)转换成数字信号。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于:所述第一电流偏置电路(101)包括第一恒流源(1010)和第一电压跟随器(1011)，其中: 所述第一恒流源(1010)连接到所述探测微测辐射热计(Rs)的一端； 所述第一电压跟随器(1011)的输入端连接到所述探测微测辐射热计(Rs)的与所述第一恒流源(1010)连接的所述一端，所述第一电压跟随器(1011)的输出端连接到所述积分电路(103)。
3.如权利要求1或者2所述的电路，其特征在于:所述第二电流偏置电路(10)包括第二恒流源(1020)和第二电压跟随器(1021)，其中: 所述第二恒流源(1020)连接到所述第一参考微测辐射热计(Rb)的一端； 所述第二电压跟随器(1021)的输入端连接到所述第一参考微测辐射热计(Rb)的与所述第二恒流源(1020)连接的所述一端，所述第二电压跟随器(1021)的输出端连接到所述积分电路(103)。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的电路，其特征在于:所述参考电压产生电路(20)包括第三恒流源(201)、多个第二参考微测辐射热计(202)和多个第三电压跟随器(203)，其中: 所述多个第二参考微测辐射热计(202)相互串联； 所述第三恒流源(201)与所述多个第二参考微测辐射热计(202)串联； 所述多个第三电压跟随器(203)中的每个第三电压跟随器的输入端连接到所述多个第二参考微测辐射热计(202)中的一个第二参考微测辐射热计的一端、输出端连接到所述参考电压产生电路(20 )的一个参考电压输出端并输出一个所述第二参考电压。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的电路，其特征在于:所述第一参考微测辐射热计不受入射的红外辐射影响。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于:所述第一参考微测辐射热计包括遮蔽罩，所述遮蔽罩阻挡入射的红外辐射，使所述入射的红外辐射不能入射到所述第一参考微测辐射热计上。
7.如权利要求4中所述的电路，其特征在于:所述第二参考微测辐射热计不受入射的红外辐射影响。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于:所述第二参考微测辐射热计包括遮蔽罩，所述遮蔽罩阻挡入射的红外辐射，使所述入射的红外辐射不能入射到所述第二参考微测辐射 热计上。
【文档编号】G01J5/24GK104266767SQ201410485201
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】吕坚, 阙隆成, 张壤匀, 牛润梅, 周云 申请人:电子科技大学