一种红外焦平面阵列及其读出电路的模数转换器的制造方法
【专利摘要】本发明实施例公开了提供了一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，包括比较器、偏置电路、线性斜波发生器、锁存器和非线性补偿计数器，该非线性补偿计数器对不等周期计数时钟序列进行计数，其中该不等周期计数时钟序列包括至少两个计数时钟子序列，并且各计数时钟子序列中的计数时钟周期不同。本发明的实施例的模数转换器中，用非线性补偿计数器，可有效的对数字输出与目标温度的非线性进行补偿，消除由非线性辐射引起的输出非线性，提高电压响应率的线性度，扩展线性温度响应范围。而且，这种模数转换器的非线性补偿计数器具有起始时间可调的功能，提高了数字码的有效使用率，提高了有效分辨率。
【专利说明】一种红外焦平面阵列及其读出电路的模数转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及非制冷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读出电路的模数转换器及其红外焦平面阵列。
【背景技术】
[0002]随着CMOS超大规模集成电路技术、红外焦平面技术以及数字集成电路技术的不断发展，人们逐渐意识到将红外焦平面的模拟输出信号转变为数字信号输出，可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力，提高信号的信噪比，同时这也是第三代红外焦平面技术不断小型化、不断提高集成度的发展趋势。
[0003]红外焦平面片上模数转换器(ADC)技术是实现将红外焦平面模拟信号输出转变为数字信号输出的一项非常关键的技术，读出电路的片上ADC是红外焦平面读出电路数字化中非常关键的器件，对于红外焦平面数字化后的最终性能起着决定性的影响。ADC的种类和架构比较多，使得读出电路的设计过程中往往遇到多种选择。
[0004]非制冷红外焦平面探测器在室温下工作，具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等优点，被广泛应用于军事和民用领域。其在使用时希望通过读出电路获得较大的温度响应范围以及具有良好线性度的电压响应率，并且大部分后续的非均匀性校正算法都是在假定探测单元对目标温度的响应特性为线性的基础上进行的。而通过改变入射黑体辐射考察响应率与入射辐射的关系，得到红外探测器输出电压与辐射到光敏元上的辐射通量呈现出不可忽视的非线性关系。
[0005]由普朗克定律以及目标温度变化引起探测器敏感单元温度变化的关系可知，敏感单元温度随目标温度是呈非线性变化的，而非线性的辐射使偏置电路产生电压响应也是非线性的，则目标温度使模拟输出呈非线性变化，经过传统读出电路ADC对敏感单元感受到的红外辐射进行模数转换，得到的数字输出与目标温度也呈非线性。所以研究一种具有非线性辐射补偿功能的非制冷红外焦平面读出电路的片上ADC具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一是提供一种具有非线性辐射补偿功能的红外焦平面阵列读出电路的模数转换器及其红外焦平面阵列，以实现读出电路输出信号的线性化。
[0007]本发明实施例公开的技术方案包括:
提供了一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，其特征在于，包括:比较器，所述比较器包括同相输入端、反相输入端和输出端；偏置电路，所述偏置电路的输出端连接到所述比较器的所述反相输入端；线性斜波发生器，所述线性斜波发生器的输出端连接到所述比较器的所说同相输入端；锁存器，所述锁存器包括控制输入端和锁存数据输入端，所述比较器的输出端连接到所述锁存器的所述控制输入端；非线性补偿计数器，所述非线性补偿计数器的计数数据输出端连接到所述锁存器的所述锁存数据输入端；所述非线性补偿计数器对不等周期计数时钟序列进行计数并输出计数数据到所述锁存器；其中所述不等周期计数时钟序列包括至少两个计数时钟子序列，并且其中至少一个计数时钟子序列中的计数时钟周期与其余计数时钟子序列中的计数时钟周期不同。
[0008]本发明一个实施例中，所述非线性补偿计数器包括:基本时钟；不等周期时钟生成器，所述基本时钟的输出端连接到所述不等周期时钟生成器的输入端，并且所述不等周期时钟生成器根据所述基本时钟提供的时钟信号生成所述不等周期计数时钟序列；计数器，所述不等周期时钟生成器的输出端连接到所述计数器的计数时钟输入端，所述计数器的输出端即为所述非线性补偿计数器的计数数据输出端；其中所述计数器对所述不等周期计数时钟序列进行计数。
[0009]本发明一个实施例中，所述不等周期计数时钟序列包括一个初始时钟子序列和至少两个计数时钟子序列。
[0010]本发明一个实施例中，所述初始时钟子序列中的时钟信号保持为低电平。
[0011]本发明一个实施例中，所述不等周期计数时钟序列包括m个计数时钟子序列，其
中m = 2ri°g2mL「]表示向上取整，μ为满足max,*; — y/||)< ε ie [O,M]的最
小值，其中为控制因子，Fi为线性逼近所述锁存器的数字输出与所述比较器的比较时间之间的函数关系曲线的第i个直线段，Ψ为所述锁存器的数字输出与所述比较器的比较时间
之间的函数关系曲线，一#||表示第i个时间段内上述两个函数的范数。
[0012]本发明一个实施例中，每个所述计数时钟子序列中的计数时钟的个数相同。
[0013]本发明的实施例中还提供了一种红外焦平面阵列，包括读出电路，其特征在于:所述读出电路包括前文所述的任意一种模数转换器。
[0014]本发明的实施例的模数转换器中，用非线性补偿计数器，可有效的对数字输出与目标温度的非线性进行补偿，消除由非线性辐射引起的输出非线性，提高电压响应率的线性度，扩展线性温度响应范围。而且，这种模数转换器的非线性补偿计数器具有起始时间可调的功能，提高了数字码的有效使用率，提高了有效分辨率。
[0015]本发明的实施例的模数转换器非常适合在低功耗小体积的红外探测器中应用，具有极大的市场发展潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有的模数转换器的电路结构示意图。
[0017]图2是现有的模数转换器的输出与目标温度的关系示意图。
[0018]图3是本发明一个实施例的模数转换器的电路结构示意图。
[0019]图4是本发明一个实施例的模数转换器的输出与目标温度的关系示意图。
[0020]图5是本发明一个实施例的非线性补偿计数器的时序示意图。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面将参考附图详细说明本发明的实施例。
[0022]现有技术中的红外焦平面阵列读出电路的模数转换器(ADC)通常包括偏置电路
10、线性斜波发生器12、比较器15、锁存器16和计数器18。其电路结构示意图如图1所示，在此不再详细描述。
[0023]图1所示的现有技术的红外焦平面阵列读出电路的模数转换器中，采用了常规的计数器18。这个电路中得到的模拟输出电压Vout为:
(l)c
[0024]式中，Vkef为参考电压，Vs为敏感单元偏置电压，Ib为参比电流；RS(I为敏感单元初始阻值，α为电阻温度系数(TCR);tINT为积分时间，Cint为积分电容。可通过泰勒展开化简为:
α
I
O
SI\
(2)c
mi
[0025]在忽略TCR随温度而变化时，可知因红外焦平面阵列的探测目标的热辐射是非线性的，则红外焦平面阵列的电压响应也是非线性的，随着目标温度的升高，焦平面阵列的输出电压逐渐升高，且低温时变化缓慢，高温时变化迅速，因此表现出低温物体检测细节不清晰,而高温物体过响应的现象。
[0026]目标温度变化引起输出的变化的示意图如图2所示。图2中由(a)到(d)依次为模拟输出电压与目标温度关系曲线、模拟输出电压与比较时间关系曲线、数字输出与比较时间关系曲线以及数字输出与目标温度关系曲线。
[0027]由图2 (a)可以看出，目标温度使模拟输出Vrat呈非线性变化。图2 (b)对应ADC中斜波发生器对输出的影响，图2 (C)对应ADC中计数器对输出的影响。
[0028]同时由图2 (d)可以看出，由于低温响应较低，从OV到IV左右几乎不存在响应输出电压，即较低的数字码在实际使用中几乎不被输出，降低了有效分辨率。
[0029]图3为本发明一个实施例的一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换器的结构示意图。如图3所示，本实施例中，红外焦平面阵列读出电路的模数转换器包括比较器偏置电路10、线性斜波发生器12、比较器15、锁存器16和非线性补偿计数器28。
[0030]比较器15包括同相输入端、反相输入端和输出端，偏置电路10的输出端连接到比较器的反相输入端。这里，偏置电路10的具体结构可以与本领域内常用的红外焦平面阵列读出电路的模数转换器中的偏置电路结构相同，在此不再详细描述。
[0031]线性斜波发生器12的输出端连接到比较器15的同相输入端。线性斜波发生器12用于产生线性斜波，其具体结构可以与本领域内常用线性斜波发生器相同，在此不再详细描述。
[0032]锁存器16包括控制输入端和锁存数据输入端。比较器15的输出端连接到锁存器16的控制输入端。锁存器的位数可以为N。这里，N为大于零的整数。[0033]非线性补偿计数器28的计数数据输出端连接到锁存器16的锁存数据输入端。
[0034]本发明的实施例中，非线性补偿计数器28对不等周期计数时钟序列进行计数并输出计数数据到锁存器15。其中，本发明的实施例中，该不等周期计数时钟序列包括至少两个计数时钟子序列，并且其中至少一个计数时钟子序列中的计数时钟周期与其余计数时钟子序列中的计数时钟周期不同。
[0035]本文中，所说的“计数时钟序列”是指具有一系列时钟脉冲信号，其中计数器对这些时钟脉冲信号进行计数；所说的“计数时钟子序列”是指该一系列时钟脉冲信号中的子集或者一部分。
[0036]由图3可见，线性斜波发生器12产生的线性输出斜波Vmp接入比较器15的同相输入端，偏置电路10产生的与目标温度成非线性关系的模拟输出电压Vwt接入比较器15的反相输入端，比较器15在ν_=νΜρ时进行翻转；比较器15的输出端连接N位锁存器16，其中N为大于零的整数，N位锁存器16在比较器15的控制下输出N位数字输出信号D-。
[0037]本发明的实施例中，采用了一个非线性补偿计数器28来代替常规的计数器。如图3所示，该非线性补偿计数器28包括基本时钟282、不等周期时钟生成器286和计数器280。
[0038]基本时钟282的输出端连接到不等周期时钟生成器286的输入端，为不等周期时钟生成器286提供基本的时钟信号。这里的基本时钟282可以是常用的时钟源，比如晶振
坐坐寸寸ο
[0039]不等周期时钟生成器286根据基本时钟282提供的时钟信号生成前述的不等周期计数时钟序列(下文中详述)。
[0040]不等周期时钟生成器286的输出端连接到计数器280的计数时钟输入端，这里，该计数器280的输出端即为本非线性补偿计数器28的计数数据输出端。这里，该计数器280对不等周期时钟生成器286提供的不等周期计数时钟序列进行计数。本发明的实施例中，计数器280可以是常规的计数器。
[0041]计数器280的一个实例的计数时序图如图5所示，其中elk为一个基本时钟，SP基本时钟282输出的时钟信号，也就是常规计数器的计数时钟Klktjut为前述的不等周期计数时钟序列的实例，也就是非线性补偿计数器28的计数时钟的实例。
[0042]下面详细说明不等周期计数时钟序列及其产生过程。
[0043]本发明实施例的模数转换器结构中，目标温度变化引起输出的变化如图4所示，下面结合图4、图5对此非线性补偿计数器作进一步具体说明。
[0044]图4 Ca)为模拟输出电压Vwt与目标温度Tt的关系，假设二者的函数关系为Vau = Ψ$) ’ 图4 (b)为模拟输出电压Vwt与比较时间t的关系，表示为-t
，为了使图4(d)中数字输出信号Dwt与目标温度Tt成线性关系Dout = k2.I；,可以从图
4 (c)中数字输出信号Dwt与比较时间t的关系着手，求得满足条件的函数表达式。求解方法可以如下:
先求出图4 Ca)中Fcrf =的反函数，即Tt = ζΡ_1 (T yi),再将图4 (b)中、图4 (d)中 ；代入上式，即得到数字输出信号Dtjut与比较时间 t 的函数关系为
【权利要求】
1.一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，其特征在于，包括:比较器，所述比较器包括同相输入端、反相输入端和输出端；偏置电路，所述偏置电路的输出端连接到所述比较器的所述反相输入端；线性斜波发生器，所述线性斜波发生器的输出端连接到所述比较器的所说同相输入端;锁存器，所述锁存器包括控制输入端和锁存数据输入端，所述比较器的输出端连接到所述锁存器的所述控制输入端；非线性补偿计数器，所述非线性补偿计数器的计数数据输出端连接到所述锁存器的所述锁存数据输入端；所述非线性补偿计数器对不等周期计数时钟序列进行计数并输出计数数据到所述锁存器；其中所述不等周期计数时钟序列包括至少两个计数时钟子序列，并且其中至少一个计数时钟子序列中的计数时钟周期与其余计数时钟子序列中的计数时钟周期不同。
2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述非线性补偿计数器包括:基本时钟；不等周期时钟生成器，所述基本时钟的输出端连接到所述不等周期时钟生成器的输入端，并且所述不等周期时钟生成器根据所述基本时钟提供的时钟信号生成所述不等周期计数时钟序列；计数器，所述不等周期时钟生成器的输出端连接到所述计数器的计数时钟输入端，所述计数器的输出端即为所述非线性补偿计数器的计数数据输出端；其中所述计数器对所述不等周期计数时钟序列进行计数。
3.如权利要求1或者2所述的模数转换器，其特征在于:所述不等周期计数时钟序列包括一个初始时钟子序列和至少两个计数时钟子序列。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的模数转换器，其特征在于:所述初始时钟子序列中的时钟信号保持为低电平。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的模数转换器，其特征在于:所述不等周期计数时钟序列包括m个计数时钟子序列，其中Π1 = 2「log2 jkfI ,「]表示向上取整，M 为满足max(|% - < ε ie [O5M ]的最小值，其中为控制因子，Fi为线性逼近所述锁存器的数字输出与所述比较器的比较时间之间的函数关系曲线的第i个直线段，Ψ为所述锁存器的数字输出与所述比较器的比较时间之间的函数关系曲线，—一|表示第i个时间段内函数的范数。
6.如权利要求1至3中任意一项所述的模数转换器，其特征在于:每个所述计数时钟子序列中的计数时钟的个数相同。
7.—种红外焦平面阵列，包括读出电路，其特征在于:所述读出电路包括权利要求1至6中任意一项所述的模数转换器。
【文档编号】H03M1/12GK103441763SQ201310361114
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】吕坚, 阙隆成, 刘婷婷, 孟祥笙, 周云 申请人:电子科技大学