可增大积分摆幅的红外焦平面接口电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外焦平面阵列接口电路技术领域，尤其是涉及一种可增大积分摆幅 的二极管型非制冷红外焦平面阵列接口电路。
【背景技术】
[0002] 随着红外焦平面阵列规模成倍地增加，像元尺寸显著减小，限制了 R0C输入级的 复杂程度和积分电容的容量。目前，读出电路已成为红外焦平面进一步发展的瓶颈，当然也 是我国的红外焦平面快速发展的关键技术之一。常见的读出电路有电荷禪合器件（CCD)型 电路，电荷注入器件（CID)型电路、电荷成像矩阵（CIM)型电路、CMOS开关型电路，但应用最 多的是CCD型和CMOS开关型电路。
[0003] 与CCD型相比，CMOS型读出电路最明显的优势是具有高度集成的条件，器件结构 简单，功耗小，生产成品率高，采用标准工艺，成本低，应用范围广；噪声较大，但总体的性价 比较高，是成本、性能的优胜者，故CMOS读出电路是未来的发展趋势。
[0004] CMOS读出电路的主要组成部分为：焦平面单元电路（自积分结构SI、源随器结构 S抑、直接注入结构DI、缓冲直接注入结构抓I、电容跨导放大器结构CTIA、电阻反馈互导放 大器结构RTIA、电流镜栅调制结构CM、电阻负载栅极调制结构化、W及一些背景抑制电路 结构)、行和列的移位寄存器、电容积分结构、相关双采样电路、公共输出级等。目前，焦平面 单元电路中电容跨导放大器结构CTIA被普遍采用，因其偏置电压稳定，注入效率高，噪声 低，均匀性和线性度良好。
[0005] 电容积分公式为AV=l/c* / i化，当积分时间较短时，二极管型焦平面探测器输 出的电压小信号可近似为直流电压小信号，通过跨导放大器转换成直流电流小信号，故积 分放大单元的积分公式可写成A V=I*T/C，其中T为积分时间，一般为US数量级，当使用电 阻R实现电压到电流转换时，积分公式可写成A V = A Vin*T/RC，由此可知系统增益A=T/ RC;当使用跨导放大器实现电压到电流转换时，积分公式为AV=I*T/C =AVin*T*Gm/C， 系统增益A=GmT/C。
[0006] 当二极管型焦平面探测器输出的电压小信号较大时，为mv量级时，系统的放大倍 数较小。由电阻实现电压至电流转换的积分公式可得当积分时间和积分电容为某定值时， 所需要的电阻值较大，电阻值较大带来的是芯片热噪声和版图面积较大；而由跨导实现电 压至电流转换的积分公式可得当积分时间和积分电阻为某定值时，所需的跨导值较小，W 至于带来跨导部分的闪烁噪声（1/f噪声)较大的问题。当从电路方面考虑改善噪声和减小 版图面积时，必须使用跨导放大器，并且必须提高跨导放大器的跨导值而减小闪烁噪声，由 此可推出必须提高系统的放大倍数。
[0007]
【发明内容】
： 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种适合大规模二极管型红外焦平面探测 器阵列的接口电路，增加系统的线性积分量程，提高系统的放大倍数。
[0008] 本发明的红外焦平面接口电路包括依次连接的；跨导放大器单元、积分放大单元、 缓冲隔离单元、采样保持单元和缓冲输出单元，还包括电平转换单元、基准电流源单元和积 分电容选择单元； 所述电平转换单元将数字控制电路生成的列选控制信号由5V电平转换成9V电平，从 而控制二极管型焦平面阵列探测器的高压列选开关，每个高压列选开关一端接9V直流电 平，另一端接阵列中一路串联的二极管； 所述基准电流源单元连接二极管型焦平面阵列，为其提供偏置电流，当列选开关导通 时，9V直流电平使二极管型焦平面阵列正向导通，当探测器阵列接收红外福射时，二极管探 测温度发生变化，二极管的结电压发生变化，从而产生反应红外福射温度的电压小信号； 所述跨导放大器单元连接在探测器输出信号端和积分放大单元的输入端之间，将探测 器输出的电压小信号转换成电流小信号； 所述积分放大单元通过控制自身的开关的导通与断开而控制积分放大单元处于积分 或复位状态，积分电容选择单元并联在积分放大单元上； 所述缓冲隔离单元用于隔离采样保持单元内部的开关对前级积分放大单元的噪声影 响； 所述采样保持单元对积分放大单元的积分信号进行采样并保持，通过控制自身的开关 的导通与断开而控制采样保持单元处于采样或保持状态； 所述缓冲输出单元作为接口电路的最后一级，用于提高输出级的带负载能力，并隔离 探测器的行选开关对采样保持单元的噪声影响。
[0009] 其中，所述积分放大单元包括；积分放大单元的输入端分别经过开关S1接基准电 压化ef和经过开关S2接运算放大器AMP1反相输入端，运算放大器AMP1同相输入端接基准 电压化ef，开关S3接在运算放大器AMP1输出端和反相输入端之间；所述积分电容选择单 元包括多个并联的支路，每个支路为一个电容选择开关和一个积分电容的串联，通过控制 电容选择开关而选择合适的电容，并联支路的一端经过开关S4连接初始积分电压Vclamp， 同时经过开关S5连接运算放大器AMP1输出端，并联支路另一端连接运算放大器AMP1反相 输入端，开关S1接时钟信号预，开关S2接时钟信号〇0,开关S3和S4接时钟信号〇 1，开 关S5接时钟信号否I ;积分放大单元的积分过程是一个反向积分过程，通过给积分电容一 个较高或较低的初始积分电压值来增大积分放大单元的积分量程，从而可W提高系统的放 大倍数。
[0010] 当。0=0,。1=1时，积分放大单元处于复位状态，此时积分放大单元的输出值为 化ef，积分电容初始值为Vclamp;当00=0，01=0时，积分放大单元处于积分前的保持状 态，此时积分放大单元的输出值为积分电容的右侧极板电压值；当00=1，01=0时，积分放 大单元处于积分状态，积分放大单元的输出值开始从初始积分电压值Vclamp反向积分，直 至积分时间结束。
[0011] 所述采样保持单元包括；运算放大器AMP3同相输入端经过开关S6连接缓冲隔离 单元的输出，并经过电容Csh接地，运算放大器AMP3反相输入端与输出端相连；开关S6接 时钟信号0 2, 0 2=1时，采样保持单元处于采样状态；0 2=0时，采样保持单元处于保持状 态。
[0012] 所述缓冲隔离单元、缓冲输出单元均为运算放大器构成的电压跟随器。本发明所 用到的运算放大器均为折叠式共源共栅运算放大器，其输出范围大，输入和输出可w短接， 输入共模电平更容易选取，输入电平可接近电源供给的一端电压。
[0013] 本发明的优点是；本发明的积分放大单元通过增加线性积分量程而避免积分饱和 的现象，增大了系统放大倍数，从而利用跨导值较大的跨导放大器来减小系统的噪声和节 省版图面积，改善二极管型红外焦平面接口电路中的积分饱和问题对电路的影响，对于减 少系统噪声和节省芯片面积有重大意义。
[0014]
【附图说明】： 图1为本发明的电路原理图。
[0015] 图2为单元接口电路工作使用的时钟信号波形图。
[0016]
【具体实施方式】： 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的阐述。
[0017] 如图1所示，本发明包括依次连接的；跨导放大器单元、积分放大单元、缓冲隔离 单元、采样保持单元和缓冲输出单元，还包括电平转换单元、基准电流源单元和积分电容选 择单元。
[0018] 所述电平转换单元，将数字控制电路生成的列选控制信号由5V电平转换成9V电 平，从而控制二极管型焦平面阵列探测器的高压列选开关，每个高压列选开关一端接9V直 流电平，另一端接阵列中一路串联的二极管。
[0019] 所述基准电流源单元，连接二极管型焦平面阵列，为其提供偏置电流，当列选开关 导通时，9V直流电平使二极管型焦平面阵列正向导通，当探测器阵列接收红外福射时，二极 管探测温度发生变化，二极管的结电压发生变化，从而产生反应红外福射温度的电压小信 号。
[0020] 所述跨导放大器单元，连接在探测器输出信号端和积分放大单元的输入端之间， 将探测器输出的电压小信