双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法，包括：第一谱段阵列、第二谱段阵列、数字控制电路模块和偏置电路模块；所述第一谱段阵列和第二谱段阵列上下对称设置且位于同一芯片，数字控制电路模块和偏置电路模块位于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，分别通过若干信号线与第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。本发明实现了同一块红外焦平面探测器同时完成两个谱段信号处理工作，提高了红外焦平面探测器系统的集成度，降低了整体应用成本。
【专利说明】双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外探测领域，特别是涉及一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法。
【背景技术】
[0002]红外焦平面探测器具有获得地面目标信息广、不受可见光限制、昼夜工作等显著优点，广泛应用于预警探测、情报侦察、毁伤效果评估以及农牧业、森林资源的调查、气象预报、地热分布、地震、火山活动和太空天文探测等领域。
[0003]现如今，红外焦平面探测器正处于高速发展的阶段，随着第一、二代红外探测器技术的成熟，第三代红外焦平面探测器的研究也正在如火如荼的进行着。红外焦平面探测器的最新发展趋势主要表现为，阵列规模越来越大、探测器工作速度大幅提高、对信号处理能力要求越来越高等。这些不仅对焦平面阵列的制造工艺提出了更高的要求，对于红外探测器的重要组成部分一读出电路来说更是一种挑战。
[0004]现有的红外焦平面读出电路主流设计方法通常采取单谱段单芯片的设计，也就是说一块红外焦平面读出电路只能用于某一个特定的谱段。这样一来，对于多谱段的应用，则要使用多片读出电路，同时需要多个外围电路和设备来形成红外焦平面探测器系统，大大降低了系统集成度和可靠性。而面对探测器应用设备的便携化和小型化，这样的传统设计很明显是不利的。因此，必须对现有的读出电路设计进行优化和改进，以适应不断进步的红外焦平面探测器技术。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法，用以解决现有技术传统红外焦平面探测器单片单用及多谱段应用下集成度低的问题。
[0006]为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路，包括:
[0007]第一谱段阵列、第二谱段阵列、数字控制电路模块和偏置电路模块；所述第一谱段阵列和第二谱段阵列上下对称设置且位于同一芯片，数字控制电路模块和偏置电路模块位于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，分别通过若干信号线与第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。
[0008]进一步，所述红外焦平面读出电路还包括若干数字缓冲器和若干单位增益缓冲器，每个数字缓冲器输入端通过信号线与数字控制电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列；每个单位增益缓冲器的输入端通过信号线与偏置电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列。
[0009]另一方面，本发明还提供一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路设计方法，包括:
[0010]设计红外焦平面读出电路原理图，将第一谱段阵列和第二谱段阵列设计为共用同一个数字控制电路模块和偏置电路模块
[0011]根据设计的电路原理图，完成红外焦平面读出电路版图设计，在设计中将第一谱段阵列和第二谱段阵列上下对称设置，将数字控制电路模块和偏置电路模块设置于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，并分别第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。
[0012]进一步，设计红外焦平面读出电路原理图还包括:增设若干数字缓冲器和若干单位增益缓冲器，每个数字缓冲器输入端与数字控制电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列；每个单位增益缓冲器的输入端与偏置电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列。
[0013]进一步，完成红外焦平面读出电路版图设计还包括:对红外焦平面读出电路中敏感器件或模块增加电源保护环；所述敏感器件或模块包括信号注入管、像素单元电路、电流镜以及运算放大器电路。
[0014]进一步，完成红外焦平面读出电路版图设计还包括:对器件或模块周围添加dummy器件；所述器件包括积分电容和电流镜器件。
[0015]进一步，将积分电容设置在N阱中，且为N阱单独设置一条的电源线。
[0016]本发明有益效果如下:本发明实现了同一块红外焦平面探测器同时完成两个谱段信号处理工作，提高了红外焦平面探测器系统的集成度，降低了整体应用成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例中一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路版图整体布局示意图；
[0018]图2是本发明实施例中各模块与双谱段阵列信号连接示意图；
[0019]图3是本发明实施例中具有强驱动能力的数字缓冲器与数字控制电路模块连接示意图；
[0020]图4是本发明实施例中单位增益缓冲器与偏置电路模块连接示意图；
[0021]图5是本发明实施例中一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路设计方法流程图；
[0022]图6是本发明实施例中对敏感器件或模块增加保护环示意图；
[0023]图7是本发明实施例中高度匹配的器件周围添加dU_y器件示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了解决现有技术传统红外焦平面探测器单片单用及多谱段应用下集成度低的问题，本发明提供了一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路及设计方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0025]实施例一、
[0026]如图1和图2所示，本发明实施例中一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路，包括:谱段I阵列、谱段2阵列、数字控制电路模块和偏置电路模块；
[0027]红外焦平面探测器读出电路所应用的两个谱段的焦平面阵列分为上下两块排布，谱段I阵列和谱段2阵列分别代表了两个谱段的信号处理电路。两个模块各自工作，互不影响，最终谱段I阵列输出谱段I的探测器信号，谱段2阵列输出谱段2的探测器信号。为了保证两个谱段的均匀性和一致性，这两个谱段焦平面阵列的必须严格对称。谱段间应当留出一定的宽度，一方面为配合探测器的设计工艺，另一方面可以减小两个谱段间的相互干扰。并且，每个谱段的焦平面阵列都应当充分使用隔离环圈起来，以此进一步抑制两个谱段间的相互串扰。数字控制电路模块和偏置电路模块位于谱段I阵列和谱段2阵列两侧，分别通过若干金属线与谱段I阵列和谱段2阵列连接，通过金属线传输数字信号或偏置电压。考虑到两个谱段读出电路的工作时序一样，且需要的偏置电压一样，因此设置共用一套偏置电路和数字控制电路。
[0028]如图3和图4所示，模块共用会带来新的问题，如，信号驱动力，谱段间的串扰等，因此为解决模块共用可能引起驱动力与串扰等问题，对红外焦平面读出电路设置若干具有强驱动力的数字缓冲器和若干单位增益缓冲器，每个强驱动力的数字缓冲器输入端通过一条信号线与数字控制电路模块连接，输出端连接谱段I阵列和谱段2阵列；每个单位增益缓冲器的输入端通过一条信号线与偏置电路模块连接，输出端连接谱段I阵列和谱段2阵列。设置若干强驱动力的数字缓冲器后，数字信号将不会因为负载的增加导致建立时间过长而影响正常时序，设置若干强驱动力的单位增益缓冲器可以使偏置信号保持稳定。这里所说的强驱动力是指电路具有较强的电流能力(能流过较大电流)，能够驱动较大的电容负载在短时间内使信号建立起来。
[0029]本发明实施例中双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路，实现了在同一块芯片上集成两个谱段的红外焦平面读出电路，使用这样读出电路的红外探测器产品在保证成像品质的前提下，可以同时实现两个谱段信号处理工作，而且两个谱段相互没有影响，大大提高了红外焦平面探测器系统的集成度，降低了整体应用成本。
[0030]实施例二、
[0031]本发明实施例中一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路设计方法，包括:
[0032]S101，设计红外焦平面读出电路原理图，将第一谱段阵列和第二谱段阵列设计为共用同一个数字控制电路模块和偏置电路模块；在设计中考虑到数字模块和偏置模块的共用，要加大数字控制信号和偏置信号的驱动力，本设计中通过添加缓冲器实现；
[0033]对于读出电路的设计采用通用的线列型红外焦平面读出电路设计方法实现即可，本发明中实施例选用了电容负反馈放大电路作为信号输入级的读出电路设计方法，并设计积分电容为多档可调。
[0034]在原理图设计阶段，充分考虑到芯片面积和性能之间的折衷。双谱段单片式的设计最大的特点是减小芯片面积，为了节省芯片面积，电路的数字控制模块和偏置模块等一些两个谱段所共有的结构可以考虑共用。在本设计中，实现了偏置模块和数字控制模块的共用，考虑两个谱段读出电路的工作时序一样，且需要的偏置电压一样，因此可以共用一套偏置电路和数字控制电路。
[0035]但是，模块共用也会带来新的问题，如，信号驱动力、谱段间的串扰等。因此为解决模块共用可能引起驱动力与串扰等问题，采用如下设计方法:一是给数字控制信号添加具有强驱动力的数字缓冲器，这样，数字信号将不会因为负载的增加导致建立时间过长而影响正常时序；二是为偏置信号添加有大驱动力的单位增益缓冲器(采用单位增益放大器即可实现)，增加缓冲器后，可以为两个谱段提供稳定的偏置信号。这种设计在不改变原有的数字控制模块和偏置电路模块设计的基础上，仅通过添加有强驱动力的缓冲器就可以实现为两个模块同时提供稳定的数字信号和偏置电压，使设计周期和成本大大降低。
[0036]S102，根据设计的电路原理图，完成红外焦平面读出电路版图设计，在设计中将数字控制电路模块和偏置电路模块设置于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，并分别设置若干信号线与第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。偏置信号与数字控制信号通过低电阻的宽金属线引出，然后通过不同的金属线分别接至两个谱段阵列，实现对各谱段的控制和偏置电压的提供。
[0037]在版图的设计中，遵循通用的版图设计规则，但同时也要考虑到双谱段单片集成电路的特殊性，对版图设计进行相应的优化。重点考虑如何降低或消除谱段间的干扰，在本设计中采用了以下两种方法。一是为敏感器件或模块增加保护环(隔离环)，如信号注入管、像素单元电路、电流镜以及运算放大器电路，这些模块需要较高的精度，因此这些模块中的MOS管应该使用保护环进行隔离保护。如图6所示，电源保护环与硅芯片衬底形成反向偏置的二极管，可以有效地隔离周围杂散信号以及衬底噪声对被保护器件和模块的影响；二是在要求高度匹配的器件周围添加du_y (陪管，为提高CMOS工艺一致性而设计的冗余器件)器件，主要包括积分电容和电流镜器件。如图7所示，积分电容和电流镜中MOS管必须保持高度的匹配，该设计中为了提高读出电路芯片适用范围，设计了多档不同的积分电容，因此不同积分电容间的比例和电流镜中MOS管的比例应当与原理图设计一致，这样才能让电路版图的物理实现与原理图设计结果尽可能一样，同时也能够维持信号的一致性和偏置的稳定性。这一点可以通过设置drnnrny器件来尽量保证，添加这些drnnrny器件可以充分提高CMOS工艺的一致性，从而确保积分电容比例和电流镜中MOS管的比例可以严格遵守设计值。另外，为了减小硅衬底噪声对积分电容的影响，应将积分电容制作在N阱中，且为N阱单独连接一条电源线，该N阱与衬底形成反向偏置二极管能够有效地减少衬底噪声耦合，提高积分信号精度。
[0038]另外，在版图的整体布局中，为了保证两个谱段的均匀性和一致性，这两个谱段焦平面阵列被设计为严格对称。两个谱段间留出一定的宽度，一方面是配合红外探测器的设计工艺，另一方面可以进一步减小两个谱段间的相互干扰。并且，每个谱段的焦平面阵列都充分使用隔离环圈起来，两个谱段电源线分开供电，，防止一个谱段动作时对另一个谱段造成影响，以此解决两个谱段间信号相互串扰的问题。
[0039]S103，完成设计，进行流片。
[0040]本发明实施例中的设计方法，在保证现有的焦平面探测器性能的基础上，克服了传统红外焦平面探测器单片单用、多谱段应用下集成度低的缺点，实现起来非常容易。
[0041]尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路，其特征在于，包括: 第一谱段阵列、第二谱段阵列、数字控制电路模块和偏置电路模块；所述第一谱段阵列和第二谱段阵列上下对称设置且位于同一芯片，数字控制电路模块和偏置电路模块位于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，分别通过若干信号线与第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。
2.如权利要求1所述的红外焦平面读出电路，其特征在于， 所述红外焦平面读出电路还包括若干数字缓冲器和若干单位增益缓冲器，每个数字缓冲器输入端与数字控制电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列；每个单位增益缓冲器的输入端与偏置电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列。
3.一种双谱段单片集成线列型红外焦平面读出电路设计方法，其特征在于，包括: 设计红外焦平面读出电路原理图，将第一谱段阵列和第二谱段阵列设计为共用同一个数字控制电路模块和偏置电路模块； 根据设计的电路原理图，完成红外焦平面读出电路版图设计，在设计中将第一谱段阵列和第二谱段阵列上下对称设置，将数字控制电路模块和偏置电路模块设置于第一谱段阵列和第二谱段阵列两侧，并分别与第一谱段阵列和第二谱段阵列连接。
4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，设计红外焦平面读出电路原理图还包括: 增设若干数字缓冲器和若干单位增益缓冲器，每个数字缓冲器输入端与数字控制电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列；每个单位增益缓冲器的输入端与偏置电路模块连接，输出端连接第一谱段阵列和第二谱段阵列。
5.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，完成红外焦平面读出电路版图设计包括: 对红外焦平面读出电路中敏感器件或模块增加电源保护环；所述敏感器件或模块包括信号注入管、像素单元电路、电流镜以及运算放大器电路。
6.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，完成红外焦平面读出电路版图设计还包括: 对高度匹配的器件周围添加du_y器件；所述高度匹配的器件包括积分电容和电流镜器件。
7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，将积分电容设置在N阱中，且为N阱单独设置一条的电源线。
【文档编号】G01J5/10GK104458004SQ201410685706
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】王静, 刘晓磊, 邓旭光, 岳冬青 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所