專利名稱：紅外焦平面陣列及其讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子及光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外焦平面陣列(infrared focal plane array) 1 (readout integrated circuit)，3^, ^! ^ 一禾中胃賣 出電路的紅外焦平面陣列。
背景技術(shù)：
紅外成像技術(shù)在軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。作為紅外成像 技術(shù)核心的紅外焦平面陣列包括紅外探測器陣列和讀出電路兩部分。探測器陣列的作用是 實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，讀出電路的作用則是完成像素信號的處理和讀出。其中，讀出電路對紅外成 像系統(tǒng)的性能有重要影響。現(xiàn)有的紅外焦平面陣列讀出電路如圖1所示，包括像素讀出陣列111、列讀出緩沖 級112、輸出開關(guān)113、輸出緩沖級114和行、列控制信號產(chǎn)生邏輯(圖中未示出)，其中PAD 為輸出焊盤。紅外焦平面陣列讀出電路的基本功能是進行紅外探測器信號的轉(zhuǎn)換、放大以 及傳輸。模擬輸出級電路是與紅外探測器陣列的接口電路，其性能好壞直接影響整個讀出 電路。其中，像素讀出陣列111是紅外探測器陣列與讀出電路的接口，完成探測器偏置、信 號積分等功能；列讀出緩沖級112為單位增益接法的運算放大器，完成將積分放大信號傳 輸?shù)捷敵鼍彌_級114的作用；開關(guān)113大多由互補MOS管構(gòu)成，控制列信號依次輸出到輸出 緩沖級；輸出緩沖級114通常也是單位增益接法的運算放大器，完成對信號的最終輸出。通 常列讀出緩沖級112采用一級運放結(jié)構(gòu)，而輸出緩沖級114由于需要驅(qū)動電阻負載，因此通 常采用兩級結(jié)構(gòu)。讀出電路按照先積分后讀出的順序工作，即像素讀出陣列111以行為單位順序?qū)?光電流積分，一行積分完畢后，在列選信號的控制下，每列的積分信號依次通過列讀出緩沖 級112和輸出緩沖級114讀出。讀出電路的像素信號傳輸速率是由每列信號的讀出延遲制 約的。每列信號的讀出延遲Tdelay可由下式估算Tdeiay Tslew+T^oi—anip+Tbuffer其中，Tslew為大信號建立時間，通常由列讀出緩沖級112和輸出緩沖級114中大信 號建立時間較長的一個決定。Tcol amp和Tbuffw分別代表列讀出緩沖級112和輸出緩沖級114 的小信號建立時間，它們由各自的增益帶寬積決定。為了保證信號精確輸出，每個列周期必 須大于列信號的讀出延遲。近年來，紅外焦平面陣列組件規(guī)模的不斷擴大，每幀圖像包含的像素增加，在幀速 不變的條件下，讀出電路對像素讀出的速率要求越來越高。雖然可以使用多通道并行工作 的方法增大讀出速率，但其代價是增加額外的列讀出緩沖級和輸出緩沖級，因而增加了功 耗、面積和電路的復(fù)雜度。而紅外焦平面陣列讀出電路既要具有高的工作性能，又要具有低 的功耗指標，因此隨著紅外焦平面陣列組件規(guī)模的擴大，其讀出電路主要由列讀出緩沖級 和輸出緩沖級組成的模擬輸出緩沖級結(jié)構(gòu)亟待改進。另外，在上述現(xiàn)有的讀出電路中，還額外加入了列讀出緩沖級112的噪聲，這在低噪聲等效溫差(Noise Equivalent Temperature Difference，簡稱NETD)紅外成像芯片設(shè) 計中是不可取的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紅外焦平面陣列讀出電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的高 工作性能和低功耗、低復(fù)雜度難以兼具的問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種紅外焦平面陣列，以解決其讀出電路高工作性能 和低功耗、低復(fù)雜度難以兼具的問題。為了實現(xiàn)上述目的之一，本發(fā)明提供的紅外焦平面陣列讀出電路包括輸出焊盤和 列控制信號產(chǎn)生邏輯，其特征在于，還包括N+1個第一級輸出緩沖器、M+1個第二級輸出緩 沖器、P+1個第三級輸出緩沖器；所述N+1個第一級輸出緩沖器均分為M+1組，每組第一級 輸出緩沖器分別通過一第一級開關(guān)連接于同一所述第二級輸出緩沖器；所述M+1個第二級 輸出緩沖器均分為P+1組，每組第二級輸出緩沖器分別通過一第二級開關(guān)連接于同一所述 第三級輸出緩沖器；所述P+1個第三級輸出緩沖器分別通過一第三級開關(guān)連接于所述輸出 焊盤；其中，所述第一級開關(guān)、第二級開關(guān)和第三級開關(guān)的控制信號由所述列控制信號產(chǎn)生 邏輯產(chǎn)生，M、N和P為自然數(shù)。根據(jù)上述紅外焦平面陣列讀出電路的一種優(yōu)選實施方式，其中，所述第一級模擬 輸出緩沖器輸入級為軌對軌的NMOS、PMOS互補的差分輸入級、單NMOS輸入級或單PMOS輸 入級。根據(jù)上述紅外焦平面陣列讀出電路的一種優(yōu)選實施方式，其中，所述第二級模擬 輸出緩沖器輸出級為懸浮柵甲乙類輸出級結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述紅外焦平面陣列讀出電路的一種優(yōu)選實施方式，其中，其特征在于，所述 第三級模擬輸出緩沖器的輸入端和輸出端之間分別連接一補償電容。根據(jù)上述紅外焦平面陣列讀出電路的一種優(yōu)選實施方式，其中，所述第一級開關(guān)、 第二級開關(guān)和第三級開關(guān)由互補MOS管構(gòu)成。根據(jù)上述紅外焦平面陣列讀出電路的一種優(yōu)選實施方式，其中，所述第一級開關(guān)、 第二級開關(guān)、第三級開關(guān)均為控制信號高電平時導(dǎo)通，其時序為第一級開關(guān)為R個MC的導(dǎo) 通脈沖，R彡P(guān)+1，且P+1個第一級開關(guān)的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)；第二級開關(guān)的 高電平為R* (N+1) / (M+1)個MC，第一個第二級開關(guān)的高電平與第一個第一級開關(guān)的高電平 同時出現(xiàn)，M+1個第二級開關(guān)的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)；第一個第三級開關(guān)的高 電平出現(xiàn)在第一個第一級開關(guān)的R個MC高電平的最后一個MC，第三級開關(guān)的高電平脈沖依 次延遲一個MC出現(xiàn)；第一級開關(guān)、第二級開關(guān)、第三級開關(guān)同時為高電平時，第一級開關(guān)對 應(yīng)的那列信號輸出到輸出焊盤，R為自然數(shù)。為了實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供的紅外焦平面陣列，包括紅外探測器陣 列和紅外焦平面陣列讀出電路，所述紅外焦平面陣列讀出電路耦接于所述紅外探測器陣列 以對其探測的微弱熱輻射信號進行處理和輸出，其中，所述紅外焦平面陣列讀出電路為上 述的紅外焦平面陣列讀出電路。本發(fā)明采用讀出放大電路直接到模擬輸出級，并采用分級緩沖輸出結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)模 擬電壓高速、精確地輸出到片外，具有較低的功耗，適用于較大面陣和較高幀頻的紅外焦平面陣列讀出電路。


圖1為現(xiàn)有紅外焦平面陣列讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明紅外焦平面陣列讀出電路優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示優(yōu)選實施例的開關(guān)SO、Si、S2的時序圖；圖4為應(yīng)用于具有160*120像素陣列的紅外焦平面陣列的本發(fā)明紅外焦平面陣列 讀出電路優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4所示優(yōu)選實施例的第一級輸出緩沖器的差分輸入級電路圖；圖6為圖4所示優(yōu)選實施例的第二級輸出緩沖器的懸浮柵甲乙類輸出級電路圖；圖7為圖4所示優(yōu)選實施例的開關(guān)SO、Si、S2的時序圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。首先需要說明的是，在不影響清楚描述本發(fā)明的情況下，某些附圖標記將有所簡 化，例如圖2所示的第一個第三級輸出緩沖器的附圖標記為buffer2<0>，其后的第三級輸 出緩沖器僅標示為<i>-
；另外為適應(yīng)描述部件整體或描述部件個體的需要，某些部件 的名稱也可能有所改變，例如在下文的某些地方將稱第一級開關(guān)13為開關(guān)SO或S0<0:N>、 S0<0>-S0<N>。如圖2所示，本發(fā)明紅外焦平面陣列讀出電路優(yōu)選實施例包括輸出焊盤PAD、像素 讀出陣列II、列控制信號產(chǎn)生邏輯(圖中未示出)、N+1個第一級輸出緩沖器12、M+1個第 二級輸出緩沖器I4、P+1個第三級輸出緩沖器16。N+1個第一級輸出緩沖器12均分為M+1 組，每組第一級輸出緩沖器12分別通過第一級開關(guān)13連接于同一第二級輸出緩沖器14，其 中，M的選擇根據(jù)具體陣列大小而定。在本優(yōu)選實施例中，均分之后的每組第一級輸出緩沖 器12包括K列，K = (N+1)/(M+1)，每K列信號公用一個第二級輸出緩沖器buffer 1<0:M>。 在圖2中，每組第一個第二級輸出緩沖器通過一第一級開關(guān)13連接于相應(yīng)的第一個第一 級輸出緩沖器bufferKO〉，例如第二級輸出緩沖器bufferKO〉連接于第一級開關(guān)S0<0>、 S0<(p+l)i>等，第二級輸出緩沖器bUfferl<j(p+l)>連接于第一級開關(guān)S0<(p+l)kj>、 S0<(p+1) (kj+i)>等。M+1個第二級輸出緩沖器14均分為P+1組，每組第二級輸出緩沖器 14分別通過第二級開關(guān)15連接于同一第三級輸出緩沖器16。P+1個第三級輸出緩沖器16 分別通過第三級開關(guān)17連接于輸出焊盤PAD。其中，第一級開關(guān)13、第二級開關(guān)15和第三 級開關(guān)17的控制信號由列控制信號產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生，M、N和P為自然數(shù)，并且在圖2中i =
0，1，......，k-l;j=0，l，......，h-l;h = 0，l，......, p-1 ；k = N+1/M+1 ；h = M+1/p+l ；q
=k-1 ；t = h-1。在本優(yōu)選實施例中，N+1個第一級輸出緩沖器12將積分器電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信 號并將該N+1個第一級電流信號傳輸?shù)竭x擇導(dǎo)通的第一級開關(guān)13，第一級輸出緩沖器12是 本發(fā)明的分級的模擬輸出級結(jié)構(gòu)的輸入級。通過選擇第二級輸出緩沖器14到第三級輸出 緩沖器16的第二級開關(guān)15的導(dǎo)通關(guān)斷，控制信號向第三級輸出緩沖器16傳輸。再通過控 制第三級開關(guān)17的導(dǎo)通關(guān)斷，控制信號由第三級輸出緩沖器16輸出至輸出焊盤PAD。
可見，本發(fā)明通過采用分級緩沖輸出結(jié)構(gòu)，大大減少了第二級和第三級輸出緩沖 器和控制開關(guān)的數(shù)量，減小了芯片的面積，提高了利用率。為了提高模擬輸出緩沖級的穩(wěn)定性，第三級輸出緩沖器16的輸入端和輸出端之 間還連接有補償電容18，也即每一第三級模擬輸出緩沖器buffer2<0:P>與一電容Cc并聯(lián)。如圖3所示，開關(guān)SO、開關(guān)Si、開關(guān)S2均為高電平導(dǎo)通，三者的控制信號時序為 開關(guān)SO為R個MC (Master Clock，主時鐘周期)的導(dǎo)通脈沖，R彡P(guān)+l，S0<0 :N>的導(dǎo)通脈沖 依次延遲一個MC出現(xiàn)。開關(guān)Sl高電平(導(dǎo)通電平)為Q = R*(N+1)/(M+1)個MC，S1<0> 的高電平與開關(guān)S0<0>高電平同時出現(xiàn)，S1<0:M>的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)。開 關(guān)S2高電平為一個MC，周期為(P+1)個MC。開關(guān)S2<0>的高電平出現(xiàn)在S0<0>的R個MC 導(dǎo)通電平的最后一個MC，開關(guān)S2<0:P>的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)。開關(guān)SO、開關(guān) Si、開關(guān)S2同時為導(dǎo)通電平時，開關(guān)SO對應(yīng)的那一列信號輸出到片外。R、Q為自然數(shù)。下面結(jié)合圖4-圖7所示，以具有160*120像素陣列的紅外焦平面陣列的讀出電路 為例進一步說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖4所示優(yōu)選實施例結(jié)構(gòu)包括像素 讀出陣列11、160個第一級輸出緩沖器12(也即上文的N= 159)及其連接的160個第一級 開關(guān)13、20個第二級輸出緩沖器13 (也即上文的M = 19)及其連接的20個第二級開關(guān)14、 2個第三級輸出緩沖器15 (也即上文的P= 1)及其連接的2個控制數(shù)據(jù)緩沖輸出的開關(guān) 17、2個補償電容18。160個第一級模擬輸出緩沖器12用于將像素讀出陣列Il的積分器電壓信號轉(zhuǎn)換 為電流信號并傳輸?shù)降诙壞M輸出緩沖器14，第一級輸出緩沖器12是該模擬輸出級結(jié) 構(gòu)的輸入級。160列第一級輸出緩沖器12送來的信號分成20組，每組8列，即每8列數(shù)據(jù) 共用一個第二級輸出緩沖器bufferKO: 19>。通過控制20個第二級輸出緩沖器14到第三 級輸出緩沖器16的控制開關(guān)15，偶數(shù)第二級輸出緩沖器bufferl<0:2:4"*18>接第三級輸 出緩沖器buffer2<0>，奇數(shù)第二級輸出緩沖器bufferl<l:3:5"*19>接另一個第三級級輸 出緩沖器bUffer2<l> ；當開關(guān)Sl導(dǎo)通時，數(shù)據(jù)由第二級輸出緩沖器14傳輸?shù)降谌壿敵?緩沖器16。開關(guān)SO、開關(guān)Si、開關(guān)S2同時為導(dǎo)通電平時，開關(guān)SO對應(yīng)的那一列信號輸出到 片外。如圖7所示，第一列積分電壓信號輸出到輸出焊盤PAD的時間為S0<0>、S1<0>、S2<0> 同時為高電平的那個MC時間。如果每列數(shù)據(jù)到輸出焊盤PAD的輸出時間很短，這就增大了對輸出緩沖器的要 求，并且輸出緩沖器主要受限于第一級輸出緩沖器對自身補償電容的充電，因此將第三級 輸出緩沖器16設(shè)成兩個。由于電路的像素信號傳輸速率是由每列信號的讀出延遲制約的，三級緩沖結(jié)構(gòu)使 得每列信號讀出延遲時間Tdelay ≈ Tbl+Tb2+Tb3，其中，TbI是第一級輸出緩沖器的延遲時間，Tb2 是第二級輸出緩沖器的延遲時間，Tb3是第三級輸出緩沖器的延遲時間。比起傳統(tǒng)的延遲時 間Tdelay ≈ Tslew+TcoLafflP+Tbuffer明顯減小了，即本發(fā)明讀出電路信號傳輸速率比傳統(tǒng)讀出電路 有了明顯提高。第一級輸出緩沖器12輸入級采用差分結(jié)構(gòu)，輸入級選擇適用于rail to rail信 號的NMOS和PMOS互補輸入級，本發(fā)明輸入級電路如圖5所示，由于圖中各元件符號皆為標 準圖式，因此對于其連接關(guān)系不再贅述。采用差動工作對環(huán)境噪聲具有很強的抗干擾能力 并且增大了最大電壓擺幅。當然在其他實施例中，根據(jù)動態(tài)范圍的不同，輸入級可選擇適用于rail to rail信號的NMOS和PMOS互補輸入級、適用于高電壓信號的單NMOS輸入級或 適用于低電壓信號的單PMOS輸入級。本優(yōu)選實施例的第二級緩沖器14輸出級采用浮置柵甲乙類輸出，電路如圖6所 示。輸出管M15、M16通過懸浮管M27、iC8相連，懸浮管M27、M28的偏置電壓分別由場效應(yīng) 管M21 M24和Ml7 M20組成的偏置電路提供，電路中M17、M18、M23、M24、M25、]\C6、]\C9 和M30為電流源，其恒定偏置電壓pbias、peas、ncas和nbias由電壓偏置模塊(圖中未示 出)提供。當輸入電壓Vin增加時將導(dǎo)致懸浮管M28的源極電壓增加，進而使其漏極電流 減小，由于總的懸浮管M27、iC8支路電流恒定，PMOS懸浮管M27的電流將增加，使得輸出管 M15的柵極電壓升高，從而輸出電壓Vout將減小，當輸入電壓足夠大時，輸出管M15管將關(guān) 閉，輸出電流全由M16提供。反之，如果輸入電壓Vin減小，則輸出管M16將關(guān)閉，輸出電流 由輸出管M15提供。圖5所示優(yōu)選實施例中各開關(guān)的時序波形圖如圖7所示，圖7可視為圖3的具體 化，請參考對圖3的描述。在圖7中，圖3所示的R等于2，圖3所示的Q等于16，圖3所示 的P等于1，因此開關(guān)SO、開關(guān)Si、開關(guān)S2的具體時序不再贅述。為了更好的實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種紅外焦平面陣列的優(yōu)選實施 例，其包括紅外探測器陣列和紅外焦平面陣列讀出電路，紅外焦平面陣列讀出電路耦接于 紅外探測器陣列以對其探測的微弱熱輻射信號進行處理和輸出，紅外焦平面陣列讀出電路 為上述紅外焦平面陣列讀出電路之一。綜上所述，本發(fā)明通過采用三級模擬輸出緩沖器和三級開關(guān)結(jié)構(gòu)，利用低功耗、低 復(fù)雜度的芯片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高工作性能，滿足紅外焦平面陣列組件規(guī)模的不斷擴大的需要。由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方 案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所 有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面陣列讀出電路，包括輸出焊盤和列控制信號產(chǎn)生邏輯，其特征在于， 還包括N+1個第一級輸出緩沖器、M+1個第二級輸出緩沖器、P+1個第三級輸出緩沖器；所述N+1個第一級輸出緩沖器均分為M+1組，每組第一級輸出緩沖器分別通過一第一 級開關(guān)連接于同一所述第二級輸出緩沖器；所述M+1個第二級輸出緩沖器均分為P+1組，每組第二級輸出緩沖器分別通過一第二 級開關(guān)連接于同一所述第三級輸出緩沖器；所述P+1個第三級輸出緩沖器分別通過一第三級開關(guān)連接于所述輸出焊盤；其中，所述第一級開關(guān)、第二級開關(guān)和第三級開關(guān)的控制信號由所述列控制信號產(chǎn)生 邏輯產(chǎn)生，M、N和P為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，所述第一級模擬輸 出緩沖器輸入級為軌對軌的NMOS、PMOS互補的差分輸入級、單NMOS輸入級或單PMOS輸入 級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，所述第二級模擬輸 出緩沖器輸出級為懸浮柵甲乙類輸出級結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，其特征在于，所述第 三級模擬輸出緩沖器的輸入端和輸出端之間分別連接一補償電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，所述第一級開關(guān)、第 二級開關(guān)和第三級開關(guān)由互補MOS管構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，所述第一級開關(guān)、第 二級開關(guān)、第三級開關(guān)均為控制信號高電平時導(dǎo)通，其時序為第一級開關(guān)為R個MC的導(dǎo)通脈沖，R≤P+1，且N+1個第一級開關(guān)的高電平脈沖依次延 遲一個MC出現(xiàn)；第二級開關(guān)的高電平為R* (N+1) / (M+1)個MC，第一個第二級開關(guān)的高電平與第一個第 一級開關(guān)的高電平同時出現(xiàn)，M+1個第二級開關(guān)的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)；第一個第三級開關(guān)的高電平出現(xiàn)在第一個第一級開關(guān)的R個MC高電平的最后一個MC， 第三級開關(guān)的高電平脈沖依次延遲一個MC出現(xiàn)；第一級開關(guān)、第二級開關(guān)、第三級開關(guān)同時為高電平時，第一級開關(guān)對應(yīng)的那列信號輸 出到所述輸出焊盤，R為自然數(shù)。
7.—種紅外焦平面陣列，包括紅外探測器陣列和紅外焦平面陣列讀出電路，所述紅外 焦平面陣列讀出電路耦接于所述紅外探測器陣列以對其探測的微弱熱輻射信號進行處理 和輸出，其特征在于，所述紅外焦平面陣列讀出電路為權(quán)利要求1-6任一所述的紅外焦平 面陣列讀出電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種紅外焦平面陣列及其讀出電路，該讀出電路包括輸出焊盤和列控制信號產(chǎn)生邏輯，其中，還包括N+1個第一級輸出緩沖器、M+1個第二級輸出緩沖器、P+1個第三級輸出緩沖器；所述第一級輸出緩沖器均分為M+1組，每組第一級輸出緩沖器分別通過一第一級開關(guān)連接于同一所述第二級輸出緩沖器；所述第二級輸出緩沖器均分為P+1組，每組第二級輸出緩沖器分別通過一第二級開關(guān)連接于同一所述第三級輸出緩沖器；所述第三級輸出緩沖器分別通過一第三級開關(guān)連接于所述輸出焊盤；所述第一級、第二級和第三級的控制信號由列控制信號產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生，M、N和P為自然數(shù)。本發(fā)明可實現(xiàn)模擬電壓高速、精確地輸出到片外，并具有較低的功耗。
文檔編號G01J5/10GK102147292SQ20111000546
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者劉俊, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司