本發(fā)明屬于圖像傳感器技術領域，具體涉及一種全差分紅外焦平面陣列讀出電路。

背景技術：

紅外熱成像傳感器現(xiàn)已廣泛應用于安防、消防、醫(yī)療、工業(yè)、汽車、特種行業(yè)等領域。紅外焦平面陣列組件是紅外成像技術中獲取紅外圖像信號的核心光電器件，該組件由紅外探測器和紅外讀出電路（roic）組成。

roic電路是把焦平面的各種功能集成在半導體芯片中的高集成度電路，其基本功能是進行紅外探測器信號的轉(zhuǎn)換、放大及多路傳輸。但是在roic電路中采用的電路結(jié)構(gòu)器件和電路工作方式都會引入噪聲，例如復位噪聲和固定噪聲fpn。這些噪聲的引入和疊加會降低圖像傳感器的信號檢測精度，進而導致圖像質(zhì)量差。相關雙取樣電路cds是目前應用最廣泛的噪聲抑制技術，主要原理是利用來自同一電路的噪聲電壓在時間上具有相關性，在很短的時間內(nèi)兩次采樣同一單元的信號，然后利用差分器將兩次采用信號相減，就可以達到消除噪聲的目的。

在現(xiàn)有技術中，相關雙采樣電路通常由兩個采樣保持電容cs和cr、采樣保持開關φs和φr以及另外的差分開關φy和差分單端放大器組成，如圖1所示?，F(xiàn)有技術存在的問題在于：1）采用單端輸出放大器，其輸出端輸出的信號是偽差分信號，后續(xù)還需要額外的電路來將偽差分信號轉(zhuǎn)換成全差分信號，而轉(zhuǎn)換電路的存在極大地降低了圖像傳感器的填充因子；2）另外，在現(xiàn)有的相關雙采樣電路中，運算放大器本身的偏移也會在圖像傳感器中引入固定噪聲fpn。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種全差分紅外焦平面陣列讀出電路，通過優(yōu)化相關雙采樣電路，提高紅外焦平面圖像傳感器的填充因子。

為了實現(xiàn)上述目的，一種全差分紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，包括：

像元陣列，用于采集紅外光信號、光電轉(zhuǎn)換并逐行輸出；

全差分相關雙采樣電路，連接像元陣列，用于對像元陣列電路采集到的信號進行積分、雙采樣并輸出實際差分信號；

輸出緩沖電路，連接全差分相關雙采樣電路，用于將實際差分信號逐列緩沖輸出；

及行列邏輯控制信號產(chǎn)生電路，分別為像元陣列和輸出緩沖電路提供行選控制信號和列選控制信號。

優(yōu)選地，所述全差分相關雙采樣電路包括第一采樣開關、第二采樣開關、第三采樣開關、第四采樣開關、第五采樣開關、第六采樣開關、第七采樣開關、第八采樣開關、第一取樣電容、第二取樣電容、第一補償電容、第二補償電容和雙端輸出運算放大器；

其中，第一采樣開關和第二采樣開關的一端共同連接信號輸入端，第一采樣開關的另一端分別連接第三采樣開關和第一取樣電容，第二采樣開關的另一端分別連接第四采樣開關和第二取樣電容，第一取樣電容的另一端分別連接第五采樣開關和第一補償電容，第二取樣電容的另一端分別連接第六采樣開關和第二補償電容，第一補償電容的另一端分別連接第七采樣開關和雙端輸出運算放大器的正向輸入端，第二補償電容的另一端分別連接第八采樣開關和雙端輸出運算放大器的負向輸入端，第三采樣開關、第五采樣開關、第七采樣開關的另一端共同連接雙端輸出放大器的負向輸出端，第四采樣開關、第六采樣開關、第八采樣開關的另一端共同連接雙端輸出放大器的正向輸出端。

優(yōu)選地，所述輸出緩沖電路是由若干輸出buffer組成的多級輸出緩沖電路。

優(yōu)選地，所述像元陣列是由若干菱形像元在二維平面上重復錯位排列組成，并采用asic+mems混合工藝制造。

優(yōu)選地，所述像元陣列是由是由若干蜂巢形像元在二維平面上重復錯位排列組成，并采用asic+mems混合工藝制造。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1）使用開關電容全差分配置的cds電路，能夠?qū)崿F(xiàn)積分和雙采樣功能并且輸出實際差分信號，不需要額外配置差分轉(zhuǎn)換電路，能夠顯著減小電路面積，增加填充因子；同時，在電路中引入補償電容可以提供偏移補償，消除運算放大器偏置電壓對采樣結(jié)果造成的影響；

2）輸出采用多級buffer形式，將一個折疊式的兩級運放拆成三級，第一級為每列一個，第二級為m列共用，最后一級為n列共用，驅(qū)動能力逐級增大；

3）采用蜂巢形或菱形像元交錯排列的方式，在相同物理空間、相同像元尺寸的前提下，將熱成像傳感器的分辨率大幅度提升；在具有相同或相近的空間分辨率的情況下，能降低熱成像傳感器像元尺寸或個數(shù)同時改變整機設備的光學系統(tǒng)焦距，降低成本和減小整機設備體積；采用錯位采樣后的圖像目標能量和集合的信息與原始目標更為接近，不容易在復雜背景中淹沒。

附圖說明

圖1是本發(fā)明讀出電路原理框圖；

圖2是本發(fā)明相關雙取樣電路圖；

圖3是本發(fā)明相關雙采樣電路在不同工作狀態(tài)下的等效電路圖；

圖4是圖2中開關的控制時序圖；

圖5是多級輸出緩沖電路圖；

圖6是蜂巢形像元陣列示意圖；

圖7是菱形像元陣列示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合圖1至圖7，對本發(fā)明的實施例作詳細說明。

參見圖1，一種全差分紅外焦平面陣列讀出電路，包括：

像元陣列，用于采集紅外光信號、光電轉(zhuǎn)換并逐行輸出；

全差分相關雙采樣電路，連接像元陣列，用于對像元陣列電路采集到的信號進行積分、雙采樣并輸出實際差分信號；

輸出緩沖電路，連接全差分相關雙采樣電路，用于將實際差分信號逐列緩沖輸出；

及行列邏輯控制信號產(chǎn)生電路，分別為像元陣列和輸出緩沖電路提供行選控制信號和列選控制信號。

具體地，參見圖2，所述全差分相關雙采樣電路包括第一采樣開關φ1、第二采樣開關φ2、第三采樣開關φ3、第四采樣開關φ4、第五采樣開關φ5、第六采樣開關φ6、第七采樣開關φ7、第八采樣開關φ8、第一取樣電容c1、第二取樣電容c2、第一補償電容c3、第二補償電容c4和雙端輸出運算放大器amp；

其中，第一采樣開關φ1和第二采樣開關φ2的一端共同連接信號輸入端vin，第一采樣開關φ1的另一端分別連接第三采樣開關φ3和第一取樣電容c1，第二采樣開關φ2的另一端分別連接第四采樣開關φ4和第二取樣電容c2，第一取樣電容c1的另一端分別連接第五采樣開關φ5和第一補償電容c3，第二取樣電容c1的另一端分別連接第六采樣開關φ6和第二補償電容c4，第一補償電容c3的另一端分別連接第七采樣開關φ7和雙端輸出運算放大器amp的正向輸入端，第二補償電容c4的另一端分別連接第八采樣開關φ8和雙端輸出運算放大器amp的負向輸入端，第三采樣開關φ3、第五采樣開關φ5、第七采樣開關φ7的另一端共同連接雙端輸出放大器amp的負向輸出端，第四采樣開關φ4、第六采樣開關φ6、第八采樣開關φ8的另一端共同連接雙端輸出放大器amp的正向輸出端。

參見圖3和圖4，所述全差分相關雙采樣電路的工作步驟如下：

（a）第一采樣開關φ1、第七采樣開關φ7、第八采樣開關φ8同時閉合，像素復位值在第一取樣電容c1上充電，電容值變?yōu)関reset；

（b）第一采樣開關φ1、第二采樣開關φ2、第七采樣開關φ7和第八采樣開關φ8斷開，放大器偏置對第一補償電容c3和第二補償電容進行充電，此時第一補償電容和第二補償電容的電容值變?yōu)関os；

（c）第二采樣開關φ2閉合，像素電壓在第二取樣電容c2充電并積分，電容充電至vsig；

（d）第三采樣開關和第四采樣開關閉合，其他開關斷開，采樣電容與補償電容構(gòu)成閉合回路，運算放大器amp的正向輸出端的電壓值vout+=vsig-vos,運算放大器amp的負向輸出端的電壓值vout-=vreset-vos,兩者之間差值為vsig-vreset。

可以看出，使用開關電容全差分配置的cds電路，能夠?qū)崿F(xiàn)積分和雙采樣功能并且輸出的是實際差分信號，不需要額外配置差分轉(zhuǎn)換電路，能夠顯著減小電路面積，增加填充因子；同時，在電路中引入補償電容可以提供偏移補償，消除運算放大器偏置電壓對采樣結(jié)果造成的影響。

優(yōu)選地，參見圖5，輸出采用多級buffer形式，將一個折疊式的兩級運放拆成三級，第一級為每列一個，第二級為m列共用，最后一級為n列共用，驅(qū)動能力逐級增大。

更優(yōu)選地，參見圖6和圖7，所述像元陣列是錯位的像元陣列，由若干蜂巢形或菱形像元在二維平面上重復錯位排列組成，錯位像元陣列采用asic+mems混合工藝制造，采用此制造工藝提高了信噪比、圖像保真度和分辨率，采用此工藝制備的像元靈敏度、抗干擾和抗震動性能均可明顯提高。本發(fā)明采用蜂巢形或菱形像元交錯排列的方式，在相同物理空間、相同像元尺寸的前提下，將熱成像傳感器的分辨率大幅度提升；在具有相同或相近的空間分辨率的情況下，能降低熱成像傳感器像元尺寸或個數(shù)同時改變整機設備的光學系統(tǒng)焦距，降低成本和減小整機設備體積；采用錯位采樣后的圖像目標能量和集合的信息與原始目標更為接近，不容易在復雜背景中淹沒。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。