专利名称：红外焦平面阵列探测器读出电路的adc余量放大电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外焦平面阵列探测器领域，尤其是涉及一种红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路。
背景技术：
所有物体均发射与其温度和物质特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段，波长为Iym (微米)到24μπι左右。红外辐射提供了客观世界的丰富信息，将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，充分利用这些信息是人们追求的目标。红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件。自1973年美国罗门空军发展中心首先提出用于红外热成像的硅化物肖特基势垒探测器列阵以来，红外焦平面探测器得到了迅速的发展。除应用于传统的军事成像外，还广泛应用于工业自控、医疗诊断、化学过程监测、红外天文学等领域。微测辐射热计探测器是应用最广泛的一种红外焦平面阵列，它是一种热敏电阻性探测器。其工作原理是热敏材料把入射的红外辐射产生的温度变化转变成电阻变化，通过测量电阻变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计焦平面阵列是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作绝热结构，并在其上面形成作为探测器单元的微测辐射热计，实现单片结构。微测辐射热计焦平面阵列作为第二代非制冷焦平面技术的佼佼者，以它为核心制作的非制冷红外成像系统与制冷红外成像系统相比具有体积小、功耗低的优点，并使系统的性能价格比大幅度提高，极大地促进了红外成像系统在许多领域中的应用。读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路(ROIC)出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。诸如光伏型的、非本征硅的、钼硅的和许多光电导型的高阻抗探测器对电磁干扰(EMI)非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方减少EMI的影响。使用分立元件要求大量的面积，并且在一个给定的光学视场中对实现的通道数目提出了苛刻的限制。ROIC帮助减少了 EMI问题。读出集成电路(ROIC)方法还提供探测器热学/机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是MOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。读出电路的功能是提取探测器热敏材料的电阻变化，转换成电信号并进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。目前主要有CCD型读出电路、CMOS型读出电路。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。红外焦平面读出电路相关的集成电路中，余量放大电路被广泛应用，主要用于减法功能、2倍增益功能、采样保持功能等等。但是现有的余量放大电路的性能受运算放大器的失调电压以及电容对电压的非线性的影响较大
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够消除或者减小运算放大器的失调电压的影响的红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路。本发明的目的之一是提供一种能够减小电容对电压的非线性对余量放大电路的影响的红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路。本发明实施例公开的技术方案包括
一种红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路，其特征在于，包括运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端(ip)、第二输入端(in)、第一输出端(outp)和第二输出端(outn);第一米样电容(Cl)、第二米样电容(C2)、第一反馈电容(C5)、第二反馈电容(C6)、第一电容(C3)、第一采样开关(P1)、第二采样开关(Pl_d)、第三采样开关(P1_FD0A)、第一保持开关(P2_d)和第二保持开关(P2_dg)，其中所述第一电容(C3)的一端连接到所述运算放大器的所述第一输入端(ip)，并且通过第一采样开关(Pl)连接到移位电压(Vsh);所述第一电容(C3)的另一端连接到所述第一采样电容(Cl)和所述第一反馈电容(C5)的一端，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到共模电压(共模电压(Vcm));所述第一反馈电容(C5)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到第一输入信号端(Vinp)，并且通过所述第一保持开关(P2_d)连接到所述运算放大器的所述第二输出端(outn);所述第一采样电容(Cl)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到所述第一输入信号端(Vinp)，并且通过所述第二保持开关(P2_dg)连接到正向参考电压(Vrefp);所述第二电容(C4)的一端连接到所述运算放大器的所述第二输入端(in)，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到移位电压(Vsh);所述第二电容(C4)的另一端连接到所述第二采样电容(C2)和所述第二反馈电容(C6)的一端，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到共模电压(共模电压(Vcm));所述第二反馈电容(C6)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到第二输入信号端(Vinn)，并且通过所述第一保持开关(P2_d)连接到所述运算放大器的所述第一输出端(outp);所述第二采样电容(C2)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到所述第二输入信号端(Vinn)，并且通过所述第二保持开关(P2_dg)连接到负向参考电压(Vrefn)。进一步地，所述第一采样开关(PD、所述第二采样开关(Pl_d)和第三采样开关(P1_FD0A)闭合，并且所述第一保持开关(P2_d)和所述第二保持开关(P2_dg)断开。进一步地，所述第一采样开关(P1)、所述第二采样开关(Pl_d)和第三采样开关(P1_FD0A)断开，并且所述第一保持开关(P2_d)和所述第二保持开关(P2_dg)闭合。进一步地，所述运算放大器是套筒式运算放大器。进一步地，所述第一采样电容(Cl)的电容值与所述第一反馈电容(C5)相同，所述第二采样电容(C2)的电容值与所述第二反馈电容(C6)相同。本发明的实施例中，ADC余量放大电路采用套筒式运放，具有噪声小、功耗低、转换速度快等优点。并且通过在等效失调电压源Vos和第一采样电容Cl之间加入第一电容C3，在运算放大器的第二输入端in和第二采样电容C2之间加入第二电容C4，可以消除运算放大器失调电压对电路性能的影响，以及减小电容对电压的非线性对电路性能的影响。
图1是本发明一个实施例的红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路的结构示意图。
图2是本发明一个实施例的采样相状态下电路的等效电路图。图3是本发明一个实施例的减法保持相状态下电路的等效电路图。图4是本发明一个实施例的各个开关的控制时序示意图。图5是本发明一个实施例的运算放大器的结构示意图。
具体实施例方式图1为本发明一个实施例的红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC (模数转换器)余量放大电路的结构示意图。如图1所示，本发明的一个实施例中，一种红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路包括运算放大器、第一采样电容Cl、第二采样电容C2、第一反馈电容C5、第二反馈电容C6、第一电容C3、第一米样开关P1、第二米样开关Pl_d、第三采样开关P1_FD0A、第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg。如图1所示，该运算放大器包括第一输入端ip、第二输入端in、第一输出端outp和第二输出端outn。第一电容C3的一端连接到运算放大器的第一输入端ip,并且通过第一米样开关Pl连接到移位电压Vsh ;第一电容C3的另一端连接到第一采样电容Cl和第一反馈电容C5的一端，并且通过第一采样开关Pl连接到共模电压Vcm。第一反馈电容C5的另一端通过第二采样开关Pl_d连接到第一输入信号端Vinp，并且通过第一保持开关P2_d连接到运算放大器的第二输出端outn。第一米样电容Cl的另一端通过第二米样开关Pl_d连接到第一输入信号端Vinp,并且通过第二保持开关P2_dg连接到正向参考电压Vrefp。第二电容C4的一端连接到运算放大器的第二输入端in，并且通过第一采样开关Pl连接到移位电压Vsh ;第二电容C4的另一端连接到第二采样电容C2和第二反馈电容C6的一端，并且通过第一采样开关Pl连接到共模电压Vcm。第二反馈电容C6的另一端通过第二采样开关Pl_d连接到第二输入信号端Vinn，并且通过第一保持开关P2_d连接到运算放大器的第一输出端outp。第二采样电容C2的另一端通过第二采样开关Pl_d连接到第二输入信号端Vinn，并且通过第二保持开关P2_dg连接到负向参考电压Vrefn。本发明的实施例中，该ADC余量放大电路实际上相当于还包括了一个在运算放大器的第一输入端ip和第一电容C3之间的等效的失调电压源Vos。本发明的实施例中，其中第一米样电容Cl的电容值可以与第一反馈电容C5相同，而第二采样电容C2的电容值可以与第二反馈电容C6相同
本发明的实施例中，该ADC余量放大电路可以工作在两种状态采样相状态和减法保持相状态。在其中一种状态下，第一采样开关P1、第二采样开关Pl_d和第三采样开关Pl_FDOA闭合，而第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg断开，此时，该ADC余量放大电路工作在采样相状态，此时该电路的等效电路图如图2所示。此时，第一米样电容Cl和第一反馈电容C5对第一输入信号Vinp进行米样,而第二米样电容C2和第二反馈电容C6对第二输入信号Vinn进行米样，同时由共模电压Vcm和移位电压Vsh分别对第一电容C3和第二电容C4进行充电。
在其中另一种状态下，第一采样开关P1、第二采样开关Pl_d和第三采样开关Pl_FDOA断开，而第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg闭合，此时，该ADC余量放大电路工作在减法保持相状态，此时该电路的等效电路图如图3所示。此时,第一反馈电容C5连接到运算放大器的第二输出端outn,第二反馈电容C6连接到运算放大器的第一输出端outp，第一采样电容Cl和第二采样电容C2分别连接到子DAC的输出端正向参考电压Vrefp和负向参考电压Vrefn，电路进入减法保持阶段。其中，Vrefp和Vrefn为子DAC的输出信号，是由子DAC接收的数字信号作为开关控制信号对子DAC内部的基准电压和共模电压进行组合叠加而成。本发明的实施例中，通过控制第一采样开关P1、第二采样开关Pl_d、第三采样开关P1_FD0A、第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg的断开和闭合，即可控制该ADC余量放大电路工作在采样相状态或者减法保持相状态。例如，一个实施例中，控制第一采样开关P1、第二采样开关Pl_d、第三采样开关P1_FD0A、第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg的时序图可以如图4所示，各个开关之间的导通、断开时间点存在时间延迟，其目的是为了消除电荷注入的影响。本发明的实施例中，第一采样开关P1、第二采样开关Pl_d、第三采样开关Pl_FD0A、第一保持开关P2_d和第二保持开关P2_dg可以是适于用在此处的任何类型的开关，只要其能够在闭合和断开两个状态之间切换即可。其中，本文中的“闭合”是指开关处于导通可以允许电流通过的状态，“断开”是至开关处于切断不允许电流通过的状态。本发明的实施例中，其中该运算放大器可以是套筒式运算放大器。例如，一个实施例中，套筒式运算放大器的如图5所示。与普遍采用的折叠式运算放大器相比，套筒式运算放大器具有噪声小、功耗低、转换速度快等优点。由于高精度的模数转换器需要高增益的运算放大器，故因此本发明一个实施例中可以进一步采用gainboost结构套筒式运算放大器，即在普通的套筒式运算放大器中加入了两个辅助运算放大器，以提高运算放大器的增益。如图2所示，第一电容C3连接在失调电压源Vos和第一采样电容Cl之间，第二电容C4连接在运算放大器的第二输入端in和第二采样电容C2之间。在采样相状态中，通过共模电压Vcm和移位电压Vsh对第一电容C3和第二电容C4进行充电，其所带的电压可以在电路中抬高第一采样电容Cl、第二采样电容C2、第一反馈电容C5和第二反馈电容C6的右极板(即图2中的右侧的极板)处的电压值，使其达到差动输入电压的共模电压值，当输入差动电压时，可以使得第一米样电容Cl和第一反馈电容C5与第二米样电容C2和第二反馈电容C6所带的电压值大小相等、极性相反，其关系如下式所示
权利要求
1.一种红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路，其特征在于，包括 运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端(ip)、第二输入端(in)、第一输出端(OUtp)和第二输出端(OUtn)；第一米样电容(Cl)、第二米样电容(C2)、第一反馈电容(C5)、第二反馈电容(C6)、第一电容(C3)、第一采样开关(P1)、第二采样开关(Pl_d)、第三采样开关(P1_FD0A)、第一保持开关(P2_d)和第二保持开关(P2_dg)，其中所述第一电容(C3)的一端连接到所述运算放大器的所述第一输入端(ip)，并且通过第一采样开关(Pl)连接到移位电压(Vsh);所述第一电容(C3)的另一端连接到所述第一采样电容(Cl)和所述第一反馈电容(C5)的一端，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到共模电压(共模电压(Vcm));所述第一反馈电容(C5)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到第一输入信号端(Vinp)，并且通过所述第一保持开关(P2_d)连接到所述运算放大器的所述第二输出端 (outn)；所述第一采样电容(Cl)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到所述第一输入信号端(Vinp)，并且通过所述第二保持开关(P2_dg)连接到正向参考电压(Vrefp)；所述第二电容(C4)的一端连接到所述运算放大器的所述第二输入端(in)，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到移位电压(Vsh);所述第二电容(C4)的另一端连接到所述第二采样电容(C2)和所述第二反馈电容(C6)的一端，并且通过所述第一采样开关(Pl)连接到共模电压(共模电压(Vcm))；所述第二反馈电容(C6)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到第二输入信号端(Vinn)，并且通过所述第一保持开关(P2_d)连接到所述运算放大器的所述第一输出端(OUtp);所述第二采样电容(C2)的另一端通过所述第二采样开关(Pl_d)连接到所述第二输入信号端(Vinn)，并且通过所述第二保持开关(P2_dg)连接到负向参考电压(Vrefn)。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一采样开关(P1)、所述第二采样开关 (Pl_d)和第三采样开关(P1_FD0A)闭合，并且所述第一保持开关(P2_d)和所述第二保持开关(P2_dg)断开。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一采样开关(P1)、所述第二采样开关 (Pl_d)和第三采样开关(P1_FD0A)断开，并且所述第一保持开关(P2_d)和所述第二保持开关(P2_dg)闭合。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述运算放大器是套筒式运算放大器。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一采样电容(Cl)的电容值与所述第一反馈电容(C5)相同，所述第二采样电容(C2)的电容值与所述第二反馈电容(C6)相同。
全文摘要
本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列探测器读出电路的ADC余量放大电路，该电路采用套筒式运放，并且在等效失调电压源Vos和第一采样电容C1之间加入第一电容C3，在运算放大器的第二输入端in和第二采样电容C2之间加入第二电容C4，可以消除运算放大器失调电压对电路性能的影响，以及减小电容对电压的非线性对电路性能的影响。
文档编号H03F3/45GK103036511SQ20121054161
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者吕坚, 庹涛, 孟祥笙, 廖宝斌, 杜一颖 申请人:电子科技大学