電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路，該電路為CTIA讀出電路，輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線，電流鏡調(diào)節(jié)端設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口；積分電路中，積分電容由三個(gè)電容并聯(lián)組成的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)；輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關(guān)控制的低功耗N管跟隨結(jié)構(gòu)。本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：電路輸入端采用電流鏡方式降低了探測(cè)器工藝制作的復(fù)雜性；輸入端設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口既擴(kuò)大了電路對(duì)非致冷紅外探測(cè)器工作電流的適用范圍又能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；電路的功耗低，放大倍數(shù)多級(jí)可調(diào)，采用亞微米CMOS工藝制造的重復(fù)性好。
【專利說明】電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及紅外探測(cè)器讀出電路領(lǐng)域，尤其是涉及一種線列非制冷紅外探測(cè)器 CMOS讀出電路設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002] 非制冷紅外探測(cè)技術(shù)是今后紅外技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，特別是非制冷技術(shù)的 發(fā)展使紅外熱攝像技術(shù)擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測(cè)溫、執(zhí)法緝毒、安全防范、醫(yī)療、衛(wèi)生、海上救 援、艦船駕駛員用夜視增強(qiáng)觀察儀等廣闊的民用領(lǐng)域，其原理是溫度變化引起載流子濃度 和遷移率的變化，從而表現(xiàn)出電阻變化的信號(hào)形式，由此來測(cè)量熱輻射，一般采用電流偏置 方式，通過讀出非制冷紅外探測(cè)器兩端的電壓信號(hào)變化，得出探測(cè)器的電阻變化，從而反映 出紅外輻射量的不同而成像，其中讀出電路是非致冷紅外探測(cè)器組件的重要組成部分。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)外已開展了這方面的工作，但在實(shí)際應(yīng)用中許多方面還有待進(jìn)一步完 善。2014年4月18日呂堅(jiān)等人公布的CN 103900722A專利介紹了一種非制冷紅外焦平面陣 列讀出電路，包括探測(cè)器電路、跟隨電路、減法電路、積分電路等部分，電路結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜， 且需要設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器來設(shè)計(jì)讀出電路，增加了非制冷紅外探測(cè)器工藝的復(fù)雜 性，本專利采用的電流鏡輸入方式，克服了需要設(shè)計(jì)與之一一對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器，大大降低 了非制冷紅外探測(cè)器工藝制作的復(fù)雜性。利用電流鏡布局在線列電路的左右兩端和采用低 功耗的跟隨管，有效地提1? 了電路的線性度、功耗等指標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本專利的目的在于提供一種電流鏡方式的線列非制冷紅外探測(cè)器CMOS讀出電 路，提高非制冷紅外探測(cè)器讀出電路的設(shè)計(jì)水平。
[0005] 本專利設(shè)計(jì)的一種基于電流鏡方式的高性能非致冷紅外探測(cè)器160線列讀出電 路，可滿足10ΚΩ?100ΚΩ阻值非制冷紅外探測(cè)器信號(hào)讀出的需要，具有放大倍數(shù)多級(jí)可 調(diào)功能，適合不同響應(yīng)率探測(cè)器的信號(hào)讀出。其電路的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電流鏡模 式的輸入級(jí)，差分放大器的CTIA，⑶S+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級(jí)的電流鏡，匪5和 匪1構(gòu)成粗調(diào)的輸入級(jí)電流鏡，NM4和匪2構(gòu)成微調(diào)的輸入級(jí)電流鏡。va、vb分別為粗調(diào)、 微調(diào)外端口。res為積分開關(guān)，電平高時(shí)為積分狀態(tài)，電平低時(shí)為關(guān)斷狀態(tài)，bolometer部分 為非制冷紅外探測(cè)器的位置。圖3為CTIA結(jié)構(gòu)，Cl、C2、C3為三個(gè)積分電容，其中Cl為基 準(zhǔn)電容，C2、C3分別由selectl、select2控制。放大器采用差分放大器，in和out端接積 分電容，差分輸入的另一輸入端接ref，ref端的電壓必需大于N管的閾值電壓才能使電路 正常工作。圖4為低功耗的⑶S N跟隨，C6、C7為采樣電容，sha、shb與shaf、shbf為互補(bǔ) 脈沖，控制信號(hào)的采樣。col接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號(hào)按順序讀出。
[0006] 其特征在于：該電路采用電流鏡輸入方式的讀出電路結(jié)構(gòu)，無需傳統(tǒng)的與響應(yīng)元 一一對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器設(shè)計(jì)，可有降低探測(cè)器工藝的復(fù)雜性；輸入端粗調(diào)的設(shè)置，能擴(kuò)大電 路對(duì)非制冷紅外探測(cè)器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設(shè)置能精確設(shè)置系統(tǒng)的最佳工作 狀態(tài)；在畫版圖時(shí)電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線且左右兩端都設(shè)置電流鏡， 能有效地降低系統(tǒng)的非均勻性，其160線列電路的非線性小于1% ;三個(gè)積分電容的設(shè)置可 以使電路具有較大的適應(yīng)性，滿足不同探測(cè)器靈敏度要求；采用先N跟隨，后P跟隨的輸出 結(jié)構(gòu)能有效地增大電路的輸出擺幅。
[0007] 本專利的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0008] 1.電路輸入端米用電流鏡方式，無需傳統(tǒng)的與響應(yīng)兀 對(duì)應(yīng)的盲兀探測(cè)器設(shè) 計(jì)，大大降低了探測(cè)器工藝制作的復(fù)雜性。
[0009] 2.輸入端設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口；既擴(kuò)大了電路對(duì)非致冷紅外探測(cè)器 工作電流的適用范圍，又能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
[0010] 3.電流鏡布局在線列電路的左右兩端，在畫版圖時(shí)地線采用寬度大于100微米的 金屬線，電路的非線性能得到有效地改善，其線列160電路的非線性小于1% ;
[0011] 4.積分電容由10pF、20pF、20pF三個(gè)電容組成，可組合成多級(jí)放大倍數(shù)，使電路能 適應(yīng)不同非制冷探測(cè)器響應(yīng)率的要求。
[0012] 5.利用低功耗的跟隨管設(shè)計(jì)，采用先N跟隨，后P跟隨，既降低了電路的功耗，又增 加了電路的擺幅。
[0013] 6.非制冷紅外探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造而成，保證 了芯片制造的可重復(fù)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖2電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路電流鏡部分結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖3電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路CTIA部分結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖4電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路低功耗的CDS N跟隨結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本專利的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 此專利采用輸入端為電流鏡方式來設(shè)計(jì)非制冷紅外探測(cè)器線列讀出電路，其單元 結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，Vbias為加在非制冷探測(cè)器（Bolo)上的電壓，該電壓可以根據(jù)非制冷 探測(cè)器電阻的大小做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)非制冷探測(cè)器電阻在50ΚΩ時(shí)，Vbias可設(shè)定為5V，當(dāng) 非制冷探測(cè)器電阻小于20ΚΩ時(shí)，Vbias可根據(jù)情況調(diào)低，但最低不能小于3V，否則會(huì)導(dǎo) 致差分放大器輸入端的電壓太低而無法使電路正常工作；反之，但非制冷探測(cè)器電阻大于 100K Ω時(shí)，Vbias可根據(jù)情況調(diào)高，但最高不能超過7V，否則將影響電路的可靠性壽命等性 能。ref為差分放大器輸入?yún)⒖茧妷?，此電壓為CTIA積分時(shí)的起始電壓，一般設(shè)定為IV，最 低不能低于N管的閾值電壓，否則會(huì)在信號(hào)的低端出現(xiàn)失真。Ci為積分電容，可以根據(jù)非制 冷紅外探測(cè)器響應(yīng)率的大小進(jìn)行選擇；為使線列的探測(cè)器信號(hào)能順序讀出，需在CTIA的輸 出端加入⑶S N跟隨，后面再連接P跟隨。
[0021] 實(shí)施例2
[0022] 該電路在輸入端采用電流鏡方式，其電流鏡方式的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于NM4 的寬長(zhǎng)比是NM5的10倍，所以NM5和NMl構(gòu)成粗調(diào)控制的輸入級(jí)電流鏡，NM4和NM2構(gòu)成 微調(diào)控制的輸入級(jí)電流鏡，va、vb分別為粗調(diào)、微調(diào)外端口。res為積分開關(guān)，電平高時(shí)處 于積分狀態(tài)，電平低時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，NM3的漏極（上端）接非制冷紅外探測(cè)器。在畫版圖 時(shí)，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，地線采用寬度大于100微米的金屬線。采用該方法 設(shè)計(jì)的線列160電路其非線性度小于1%。
[0023] 電流鏡部分的管子參考尺寸如下表所示（單位為微米）。
[0024]
[0025] 實(shí)施例3

【權(quán)利要求】
1. 一種電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路，所述的讀出電路為CTIA讀出電路， 包括輸入電路、積分電路、輸出電路，其特征在于： 所述的輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采 用寬度大于1〇〇微米的金屬線，電流鏡調(diào)節(jié)端設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口； 所述的積分電路中，積分電容由三個(gè)電容并聯(lián)組成的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)； 所述的輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關(guān)控制的低功耗N管跟隨結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01J5/24GK204165656SQ201420597424
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】袁紅輝, 陳永平, 陳世軍, 翟厚明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所