专利名称：一种红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法
技术领域：
本发明属于微电子和光电子技术领域，尤其涉及一种带窗口读出模式的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法。
背景技术：
红外热成像系统在太空，工农业，医药，交通，军事等领域有着广泛的应用。红外热成像系统的核心组件是红外焦平面阵列(IRFPA dnfrared Focal Plane Array)，该组件包括红外探测器阵列和读出电路(R0IC =Readout Integrated Circuit)两部分探测器阵列的作用是实现光电转换，读出电路的作用是完成像素信号的处理和读出。读出电路对红外成像系统的性能有着重要影响。随着技术的发展，对于高分辨率，便携式成像系统的需求越来越大，为满足这一要求，低功耗设计显得尤为重要。目前正在研制的第三代灵巧型红外焦平面阵列读出电路，其中的一个重要功能即为窗口读出功能。窗口读出使得红外焦平面阵列读出电路既可以实现宽视场，合适帧频读出；也可以实现窄视场，高帧频读出。一般来说，红外焦平面阵列读出电路由像素阵列、列读出电路，输出缓冲器组成。其中，每个像素包含与红外探测器阵列的接口，以及光电流积分电路和像素选择电路。开窗的大小，可以由外部输入信号决定。开窗功能图示见
图1。图1 中是一个MxN的像素阵列，即阵列为N行，M列，包含MxN个像素。由外部输入给出窗口读出的起始位置UA，yA)和窗口读出的终止位置( ，yB)。其中xA和知分别表示起始列和终止列分别表示起始行和终止行。利用这两个坐标可以确定窗口，该窗口部分是需要读出的部分。焦平面阵列读出电路的每一列的像素连接在同一条列线上，因此MxN的像素阵列有M条列线。每条列线连接一个列运放，当阵列中某一行被选通时，该行的各列像素中光电流积分的结果，会作为输入信号通过列线在列运放上建立。列运放上建立的信号，通过列选信号控制的开关，连接到输出总线上，通过输出运放输出。对于运放，信号的建立时间表达式为
权利要求
1.一种红外焦平面阵列读出电路，所述红外焦平面阵列读出电路包括MxN个像素的像素阵列、连接每一列像素的列线以及连接在列线上的列运放，其特征在于，所述列运放包括尾电流源、输入管、运放负载管以及功耗控制开关管，所述功耗控制开关管包括NMOS晶体管Ml和PMOS晶体管M2，其中，当所述输入管是PMOS管时，M2设置在电源和所述尾电流源的栅极之间，以及Ml设置在所述运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当所述输入管是 NMOS管时，Ml设置在所述尾电流源的栅极和地之间，以及M2设置在所述运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，其中，M和N为自然数。
2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，所述尾电流源包括由 k个晶体管组成的电流源阵列，分别经由k个开关与列运放的输入管的源极相连，其中，以最小宽长比的晶体管的宽长比为相对值，则所述k个晶体管的宽长比的比值分别为1，2， 4……2H，从而所述k个晶体管上流过的电流的比值为1，2，4……2k_i，其中，k为自然数。
3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，进一步包括判断行读出时间和主时钟周期的电路，由积分器、比较器及计数器组成。
4.一种自适应功耗调整方法，用于红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，在列运放中增设功耗控制开关管，所述功耗控制开关管包括NMOS晶体管Ml和PMOS晶体管M2，其中，当输入管是PMOS管时，M2设置在电源和尾电流源的栅极之间，以及Ml设置在运放负载管中的共源管的栅极和地之间；当输入管是NMOS管时，Ml设置在尾电流源的栅极和地之间，以及 M2设置在运放负载管中的共源管的栅极和电源之间，并且，由控制信号PoWer_Ctrl来控制 M1，而由Power_ctrl的反相控制信号Bpower_ctrl来控制M2，从而实现Ml和M2的同时导通或截止，当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为零电压，Bpower_ctrl为电源电压，Ml和 M2截止，列运放正常工作；当此列在窗口范围内时，Power_ctrl为电源电压，Bpower_ctrl 为零电压，Ml和M2导通，列运放将停止工作，列运放的电流关闭，从而去掉了这部分列运放带来的功耗。
5.如权利要求4所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，进一步，将尾电流源设计成由k个晶体管Mcl-Mck组成的电流源阵列，该电流源阵列中的k个晶体管Mcl-Mck分别通过k个开关与列运放的输入管的源极相连，通过判断行读出时间和主时钟周期来控制k个开关是闭合还是断开，从而调节列运放的尾电流的大小，其中，k为自然数。
6.如权利要求5所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，以最小宽长比的晶体管Mcl 的宽长比为相对值，则k个晶体管的宽长比与Mcl的宽长比相比，值为1，2，4……2k_i，以晶体管Mcl上流过的电流值为相对值，k个晶体管上流过的电流为1，2,4……2k—1，通过k个开关的闭合或断开的组合，可以得到2k-l种尾电流值，其中最小值为行读出时间最长，主时钟周期也最长时所需要的尾电流；而最大值为行读出时间最短，主时钟周期也最短时所需要的尾电流，其中，k为自然数。
7.如权利要求6所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，包括根据行读出时间和主时钟频率来调节列运放的尾电流的大小的方法，包括以下步骤1)积分器在复位后，积分器的输出电压从参考电压开始上升；2)比较器将积分器的输出电压与固定电压进行比较，并输出比较信号，与每一行读出结束的标识信号经过“或”逻辑操作，产生计数器时钟信号；3)每经过一个行周期，计数器计数加一；4)当积分器的输出电压上升至固定电压时，比较信号为正值，计数器停止工作，得到计数的终值；5)与2k-l种尾电流值从小到大相对应，将计数的终值从小到大划分区间；6)将计数的终值传输至多路复选器，多路复选器根据其所对应的区间产生相对应的k 个作为控制信号的电源电压或零电压，并将这k个电压分别输送到列运放的尾电流源阵列的Sl-Sk处，通过控制k个开关的闭合或断开调整尾电流的大小，从而实现列运放功耗的自适应控制，其中，k为自然数。
8.如权利要求7所述的自适应功耗调整方法，其特征在于，同样能够判断主时钟周期的大小。
全文摘要
本发明公开了一种带窗口读出模式的自适应功耗调整的红外焦平面阵列读出电路及其自适应功耗调整方法。本发明实现了带窗口功能的焦平面阵列读出电路的自适应功耗调整，列运放和输出运放的尾电流源分别设计成由k个晶体管组成的电流源阵列，并在列运放上增加了功耗控制开关管。本发明的方法使得无论在大窗口，低帧频工作模式下，还是在小窗口，高帧频工作模式下，都能够在满足速度要求的情况下，以适当的功耗正常工作，并有效地避免了单一功耗设计时，在不同工作模式下出现的功耗浪费。本发明可以满足高分辨率，便携式成像系统的要求，将会获得广泛的应用。
文档编号H04N5/33GK102447845SQ20111029962
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者吉利久, 张雅聪, 方然, 王冠男, 陈中建, 鲁文高 申请人:北京大学