交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路的制作方法

本发明涉及读出集成电路领域，具体涉及一种交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路。

背景技术：

红外焦平面阵列是红外热成像系统的核心部件，它由红外探测器和读出电路两部分组成。现有阵列结构为像元按照横平竖直的方式组成焦平面阵列，每行像元同时偏置，用每列公用的读出电路实现每行像元的积分放大、采样保持、逐列输出。输出则采用多级buffer形式，每级均是单位负反馈的buffer，驱动能力逐级增大。

但是，现有阵列结构在720*540或1024*768等大阵列成像时，传感器所占面积过大，一是增加了芯片Die的面积，甚至超过芯片曝光的最大尺寸限制，二是由于面积和像元个数的增加，传感器的均匀性和成品率很难做到很好。

另外，多级单位负反馈buffer结构增加了芯片面积，不仅增加了噪声，而且功耗也相当大。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路，结合像元错位排列，不仅提高了成像质量，而且改善的buffer结构能够降噪，降耗。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：包括传感器阵列及行选开关单元，所述传感器阵列及行选开关单元包括行选开关和传感器电阻，所述传感器电阻在二维平面上重复错位排列，且在每一列内采用首尾相连结构；

传感器偏置及信号积分放大电路，所述传感器偏置及信号积分放大电路电路包括传感器偏置电压，采样电容，积分器以及2个共源共栅饱和管，所述传感器偏置及信号积分放大电路用于对输出信号的采样和保持；

以及由若干输出buffer组成的多级输出buffer单元，用于将每列采样电容上的电压逐列通过多级输出buffer单元输出到IO上。

优选地，所述传感器阵列由若干像元在二维平面上重复错位排列组成。

优选地，所述像元为菱形或蜂巢形。

一种用于交错像元非制冷红外焦平面阵列的信号读取方法，其特征在于，包括以下步骤:

a. 包括传感器阵列及行选开关单元，包括行选开关和传感器电阻，传感器电阻在每列内采用首尾相连结构，并在二维平面上重复错位排列；

b.传感器偏置及信号积分放大电路，通过行选开关，获取传感器阵列中像元的信号，并与放大电路中的采样电容、积分器和2个共源共栅饱和管连接，用以输出信号的采样、保持；

c.多级输出buffer单元，由若干输出buffer组成，用于将每列采样电容上的电压逐列通过多级输出buffer单元输出到IO上。

本发明的有益效果:

1.采用交错形式的像元阵列及其选通、偏置和放大读出电路，减少像元个数的同时，通过传感器像元的交错排列，独特的电路结构与算法，取得了较好的成像效果；

2.在偏置结构中的共源共栅饱和管M1，M2，大大增加了积分器的输入阻抗；

3.输出电路中，分级的输出buffer结构，将一个折叠式的两级运放拆成三级，第一级为每列一个，第二级为m列共用，最后一级为n列共用，大大提高了输出效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中读出电路原理图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明对图1的改进图；

图4是图3的局部放大图；

图5是图3的局部放大图；

图6是控制时序电路图；

图7是本发明改进后的像元布放示意图；

其中，1是GND，2是传感器电阻，3是开关，4是共源共栅饱和管M1，5是共源共栅饱和管M2，6是传感器偏置电压vfid，7是传感器偏置电压veb，8是传感器偏置电压vsk，9是输出buffer，10是PAD。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，阵列结构为像元按照横平竖直的方式组成焦平面阵列，每行像元同时偏置，用每列公用的读出电路实现每行像元的积分放大、采样保持、逐列输出。输出采用多级buffer形式，每级均是单位负反馈的buffer，驱动能力逐级增大。

在大阵列成像时，如720*540或1024*768等，传感器所占面积过大，一是增加了芯片die的面积，甚至超过芯片曝光的最大尺寸限制，二是由于面积和像元个数的增加，传感器的均匀性和成品率很难做到很好。同时，多级单位负反馈buffer结构增加了芯片面积，增加了噪声，同时功耗也相当大。

基于此，本申请提供了一种交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路，用以解决上述问题。

交错像元非制冷红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：

包括传感器阵列及行选开关单元，所述传感器阵列及行选开关单元包括行选开关和传感器电阻，所述传感器电阻在二维平面上重复错位排列，且在每一列内采用首尾相连结构；

传感器偏置及信号积分放大电路，所述传感器偏置及信号积分放大电路电路包括传感器偏置电压，采样电容，积分器以及2个共源共栅饱和管，所述传感器偏置及信号积分放大电路用于对输出信号的采样和保持 ；

以及由若干输出buffer组成的多级输出buffer单元，用于将每列采样电容上的电压逐列通过多级输出buffer单元输出到IO上；

在上述读出电路中，其基于一种交错像元阵列，交错像元阵列由若干像元二维平面上重复错位排列组成。

其中，进一步地，像元为菱形或蜂巢形。

进一步地，共源共栅饱和管为2个，分别为Ｍ１，Ｍ２。

举例如下：

以3*3像元阵列为例，正常情况下，一个阵列中是9个像元，即等同于一个阵列中有9个传感器电阻，但是通过像元交错排列，即传感器电阻在二维平面内错位排列，只需要5个像元，即5个传感器电阻，通过算法计算，即可取得同样的成像效果。

如图7所示，左边是正常排列的9个像元，为便于理解，一个虚线方框可以想象为一个像元，方框内的电阻为像元的等效电阻，9个像元即9个传感器电阻，右边可理解为左边图旋转后得到，旋转后，其四个边角擦去，即余下5个像元（5个传感器电阻），然后依次如图7那样进行连接。

在本发明中，图1-2给出了现有技术中像元按照横平竖直的方式组成焦平面阵列的读出电路原理图。

图3-5是本发明对现有技术图1的一种改进，其中，为了便于理解，可将传感器阵列向左旋转45°，各列传感器电阻在二维平面上重复错位排列后，每一列传感器电阻采用首尾相连结构。

图6是本发明控制时序逻辑电路图。

本申请还提供了一种用于交错像元非制冷红外焦平面阵列的信号读取方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤一. 包括传感器阵列及行选开关单元，其中包括行选开关和传感器电阻，其中传感器电阻在每列内采用首尾相连结构，并在二维平面上重复错位排列；

步骤二. 传感器偏置及信号积分放大电路，通过行选开关，获取传感器阵列中像元的信号，并与放大电路中的采样电容、积分器和2个共源共栅饱和管连接，用以输出信号的采样、保持；

步骤三. 还包括多级输出buffer单元，由若干输出buffer组成，用于将采样电容上的电压逐列通过多级输出buffer单元输出到IO上。

简单来说，采用现有技术中像元横平竖直的排列方式，在读取信号时，逐行或逐列对像元信息读取，而通过改进，像元错位排列，即传感器电阻错位排列，通过算法计算分析，不仅减少了像元数量，而且取得了同样的技术效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一、在减少像元布放数量的情况下，可以达到同样的成像效果；

第二、偏置结构中的共源共栅饱和管M1、M2大大增加了积分器的输入阻抗；

第三、在输出buffer单元，通过该单元能将每列采样电容上的电压逐列输出到IO上；

第四、相比于现有技术，本发明在芯片die面积保持不变的同时，改善后的输出buffer结构，减小了噪声，降低了功耗，使得最终传感器的均匀性和良品率得到很大提高。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。