專利名稱：一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雙色探測紅外成像技術中獲取紅外圖像信號的紅外焦平面讀出電路，尤其是一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路，屬于光電子技術及微電子技術領域。
背景技術：
紅外成像技術在軍事、空間技術、醫(yī)學以及國民經濟相關領域正得到日益廣泛的應用。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焦平面讀出電路(ROIC:readout integrated circuits)組成。ROIC電路是把焦平面的各功能集成在單一的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信號的轉換、放大以及多路傳輸，即將數(shù)據(jù)從許多探測器端依次傳輸?shù)捷敵龆?。ROIC的每個像素單元有特定的探測器、放大器和開關?，F(xiàn)有的ROIC電路包括行選擇信號產生電路、列選擇信號產生電路、像素單元電路、列讀出級電路和輸出緩沖級。像素單元電路是ROIC域探測器的接口電路，為探測器提供固定偏壓，并將探測器采集到的電流信號進行光電流積分(如電荷轉化成電壓)。動態(tài)范圍與電荷存儲能力、噪聲等性能指標密切相關,是讀出電路及其重要的參數(shù)指標，它在紅外成像系統(tǒng)中，直接代表了圖像中所能顯示的物體溫度變化范圍，高動態(tài)范圍能使圖像顯示視場中更大的溫度變化范圍，而相同溫度變化范圍的視場中，高的動態(tài)范圍能提高成像的精度和探測器的靈敏度，使它能達到高的對比度。據(jù)國內不同紅外探測系統(tǒng)研究單位所述，目前國內研制的讀出電路，特別是應用于高背景紅外探測下的讀出電路，大都存在動態(tài)范圍小的缺陷，嚴重影響了成像質量，成為紅外焦平面陣列進一步發(fā)展過程中繼續(xù)解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于·解決上述問題，提供一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路，它能夠處理變化范圍非常大的探測器電流。本發(fā)明采用如下技術方案來實現(xiàn):
一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路，其特征是:包括像素單元電路、比較計數(shù)電路、電荷重新分配控制電路及數(shù)字模擬轉化電路，像素單元電路的輸出分別連接比較計數(shù)電路和電荷重新分配控制電路，比較計數(shù)電路的一個輸出連接像素單元電路，比較計數(shù)電路的另一個輸出分別連接數(shù)字模擬轉化電路和電荷重新分配控制電路，數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路；其中:
像素單元電路包括注入管Ml、第一復位管M2、第二復位管M3以及積分電容Cl，注入管Ml的源極接紅外探測器的一端，紅外探測器的另一端接地，注入管Ml的柵極接積分信號CHARGE1，注入管Ml的漏極與積分電容Cl的一端、第一復位管M2的漏極以及第二復位管M3的漏極連接并作為像素單元電路的輸出端，積分電容Cl的另一端與第一復位管M2的源極以及第二復位管M3的源極連接在一起并接地，第一復位管M2的柵極接第一復位信號resetl,第二復位管M3的柵極接第二復位信號reset2 ；
比較計數(shù)電路包括一個比較器、兩個反相器和一組10位異步計數(shù)器，像素單元電路的輸出端連接比較器的正向輸入端，比較器的反向輸入端接參考電平Vref，比較器的輸出端連接第一反相器的輸入端，第一反相器的輸出端連接第二反相器的輸入端，第二反相器的輸出作為第二復位信號reset2分別連接像素單元電路中第二復位管M3的柵極和10位異步計數(shù)器的計數(shù)輸入端，10位異步計數(shù)器的計數(shù)復位端連接計數(shù)復位信號RST，10位異步計數(shù)器輸出10位由低位到高位的2進制數(shù)S〈I〉 S〈10〉；
電荷重新分配控制電路包括電荷重新分配判定電路和開關管，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)S〈I〉 S〈10〉連接接電荷重新分配判定電路的一個輸入端作為判斷條件，電荷重新分配判定電路的另一個輸入端由外部時序信號RTR控制，電荷重新分配判定電路包括兩個三輸入或門、兩個二輸入或門、一個四輸入或門和一個與門，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)經過上述五個或門形成一個10位2進制數(shù)相或得到的信號，該信號再與外部時序信號RTR經與門相與之后得到電荷重新分配輸出信號Vsig，具體連接關系是:10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈l>、S〈2>、S<3>分別連接一個三輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈4>、S〈5>、S<6>分別連接另一個三輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，7>、S〈8>分別連接一個二輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，9>、S<10>分別連接另一個二輸入或門的輸入端，兩個三輸入或門及兩個二輸入或門的輸出分別連接四輸入或門的輸入端，四輸入或門的輸出與外部時序信號RTR分別連接二輸入與門的輸入端，二輸入與門的輸出信號Vsig作為電荷重新分配判定電路的輸出連接開關管的柵極，開關管的源、漏極中任意一極連接像素單元電路的輸出端；
數(shù)字模擬轉化電路包括基準電流源組和列積分電路，基準電流源組含有10個電流指數(shù)增加的電流源，各電流源分別接一個選通開關管的源極或漏極的一端，10個電流源的選通開關的源極或漏極的另一端合接到一條支路，該支路作為基準電流源組輸出的總電流支路，10個選通開關管的柵極分別由10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)按低位計數(shù)值接小電流源選通開關管，高位計數(shù)值接大電流選通開關管的順序接入，列積分電路包括注入管M81、復位管M82、積分電容C2，注入管M81的源極接基準電流源組輸出的總電流支路，列注入管M81的柵極接列積分 信號CHARGE2，積分電容C2的一端和復位管M82的漏極連接注入管M81的漏極并作為數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路中開關管源、漏極中剩余的一極，積分電容C2的另一端與復位管M82的源極均接地，復位管M82的柵極連接復位信號RSTl。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明電路是一種聞動態(tài)范圍實現(xiàn)技術，在聞端極大提聞了像素單兀的有效電荷存儲能力，同時在低端又利用像素單元內小積分電容Cl抑制了積分噪聲，所以本發(fā)明在動態(tài)范圍上有質的提聞。(2)本發(fā)明電路由于減小了像素單元內的積分電容Cl，像素單元的面積可以顯著減小，所以與現(xiàn)有技術先比，本發(fā)明的技術更適用于大陣列讀出電路，這符合讀出電路的發(fā)
展趨勢。


圖1為本發(fā)明的原理框 圖2為本發(fā)明的實現(xiàn)電路；
圖3為像素單元電路；
圖4為數(shù)字模擬轉化電路中的列積分電路；
圖5為電荷重新分配控制電路中的或門、與門電路。
具體實施例方式參看圖1，本發(fā)明高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路，包括像素單元電路、比較計數(shù)電路、電荷重新分配控制電路及數(shù)字模擬轉化電路，像素單元電路的輸出分別連接比較計數(shù)電路和電荷重新分配控制電路，比較計數(shù)電路的一個輸出連接像素單元電路，比較計數(shù)電路的另一個輸出分別連接數(shù)字模擬轉化電路和電荷重新分配控制電路，數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路。像素單元電路如圖3所示，采用直接注入的方式實現(xiàn)，包括注入管Ml、第一復位管M2、第二復位管M3以及積分電容Cl，注入管Ml的源極接紅外探測器的一端，紅外探測器的另一端接地，注入管Ml的柵極接積分信號CHARGE1，注入管Ml的漏極與積分電容Cl的一端、第一復位管M2的漏極以及第二復位管M3的漏極連接并作為像素單元電路I的輸出端，積分電容Cl的另一端與第一復位管M2的源極以及第二復位管M3的源極連接在一起并接地，第一復位管M2的柵極接第一復位信號resetl，第二復位管M3的柵極接第二復位信號reset2。參看圖2，比較計數(shù)電路包括一個比較器、兩個反相器和一組10位異步計數(shù)器，像素單元電路的輸出端連接 比較器的正向輸入端，比較器的反向輸入端接參考電平Vref，比較器的輸出端連接第一反相器的輸入端，第一反相器的輸出端連接第二反相器的輸入端，第二反相器的輸出端分別連接像素單元電路中第二復位管M3的柵極和10位異步計數(shù)器的計數(shù)輸入端，10位異步計數(shù)器的計數(shù)復位端連接計數(shù)復位信號RST，10位異步計數(shù)器輸出10位由低位到高位的2進制數(shù)S〈I〉 S〈10〉。兩個反相器串接且尺寸逐步增大，可以提高輸出信號的驅動能力。參看圖5，電荷重新分配控制電路包括電荷重新分配判定電路和開關管，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)S〈I〉 S〈10〉接電荷重新分配判定電路的一個輸入端作為判斷條件，電荷重新分配判定電路的另一個輸入端由外部時序信號RTR控制。電荷重新分配判定電路包括兩個三輸入或門1、2，兩個二輸入或門3、4，一個四輸入或門5和一個與門6，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)經過上述五個或門形成一個10位2進制數(shù)相或得到的信號，該信號再與外部時序信號RTR經與門相與之后得到電荷重新分配輸出信號Vsigo具體連接關系是:10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈l>、S〈2>、S<3>分別連接三輸入或門I的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈4>、S〈5>、S<6>分別連接三輸入或門2的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，7>、S<8>分別連接二輸入或門3的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，9>、S<10>分別連接二輸入或門4的輸入端，兩個三輸入或門1、2及兩個二輸入或門3、4的輸出分別連接四輸入或門5的輸入端，四輸入或門5的輸出與外部時序信號RTR分別連接二輸入與門6的輸入端，二輸入與門6的輸出信號Vsig作為電荷重新分配判定電路的輸出連接開關管的柵極，開關管的源、漏極中任意一極連接像素單元電路的輸出端；
數(shù)字模擬轉化電路包括基準電流源組和列積分電路，基準電流源組含有10個電流指數(shù)增加的電流源，各電流源分別接一個選通開關管的源極或漏極的一端，10個電流源的選通開關管的源極或漏極的另一端合接到一條支路，該支路作為基準電流源組輸出的總電流支路，10個選通開關管的柵極分別由10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)按低位計數(shù)值接小電流源選通開關管，高位計數(shù)值接大電流選通開關管的順序接入，列積分電路(圖4)包括注入管M81、復位管M82、積分電容C2，注入管M81的源極接基準電流源組輸出的總電流支路，列注入管M81的柵極接列積分信號CHARGE2，積分電容C2的一端和復位管M82的漏極連接注入管M81的漏極并作為數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路中開關管源、漏極中剩余的一極，積分電容C2的另一端與復位管M82的源極均接地，復位管M82的柵極連接復位信號RSTl。本發(fā)明電路適用工作模式:在了解本發(fā)明的工作原理之前我們先來了解一下本發(fā)明的適用工作模式。本發(fā)明涉及的技術適用于積分和讀出同時進行的工作模式，在一個采用該項技術的像素陣列中，一共有兩行像素外電路模塊組(包括比較器計數(shù)電路、電荷重新分配控制電路、數(shù)字一模擬轉化電路、列積分電路)每一列的像素單元電路共用兩個像素外電路模塊組，它們交替著完成相鄰行的積分和讀出工作。本發(fā)明的工作原理如下:
在讀出電路開始一幀的數(shù)據(jù)處理之前需要對以下幾個電路模塊進行復位:通過整幀同步復位信號resetl對像素單元的復位，通過計數(shù)器復位信號RST對10位異步計數(shù)器進行復位，通過列電容復位信號對列電容進行復位。在完成復位工作后即可在控制電路的協(xié)調下通過探測器對像素陣列進行積分讀出交替進行的數(shù)據(jù)處理，這里我們強調的是其中一個像素單元的工作情況。單個像素單元的積分讀出過程分為以下三個階段:第一階段為像素單元的積分數(shù)字化，像素單元的積分電容Cl上的電壓接比較器的正向輸入端和一個參考電壓Vref進行比較，比較器的輸出先后經過反相器A和反相器B后得到一個高驅動能力的輸出，像素單元的積分電容Cl在有積分電流的注入時電壓逐漸升高，剛開始積分時比較器輸出的是低電平，當積分電容電壓達到參考電壓Vref時比較器輸出一個高電平，反相器B輸出的是一個更高驅動能力的高電平，由于反相器B輸出接的是10位異步計數(shù)器的計數(shù)輸入端，所以計數(shù)器的計數(shù)值加一，同時由于大尺寸反相器的輸出接像素單元的第二復位端reSet2，所以像素單元進行一次復位操作，積分電容Cl電壓回到地電壓，比較器輸出回到低電平，一輪新的積分過程開始了，這樣進行若干次后我們積分得到的信息體現(xiàn)在兩個方面，一是計數(shù)器的計數(shù)值，它代表了像素單元的積分電容Cl被積滿過多少次，二是像素單元的積分電容Cl上的電壓，它代表了未能“湊整”的那部分電荷，綜合這兩方面的信息即可以將積分過程還原。計數(shù)器的計數(shù)值是一個數(shù)字量，我們將計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)接基準電流源的10個選通開關，具體接法是最低位2進制數(shù)接單位電流源的選通開關，次低位接2倍的單位電流源選通開關……最高位接512倍單位電流源選通開關。第二個階段為列積分電路的積分，基準電流源組的輸出接列積分電路的積分輸入端，當?shù)谝浑A段完成后，基準電流源組內部 分電流源被合理選通，選通的各電流源是并聯(lián)關系連接的，選通的電流源經過總開關匯合到列積分電路的積分輸入端，所以第二階段的操作過程即是打開這個總開關，并經過一定積分時間后即完成列積分電路的積分過程。第三階段又稱電荷重新分配階段，列積分電容C2和像素單元積分電容Cl通過重新分配開關連接，閉合重新分配開關第三階段就完成了，至此整個積分讀出過程也完成了，但是第三階段的操作與否受電荷重新分配判定模塊的控制，電荷重新分配判定電路檢測10位異步計數(shù)器最低位的數(shù)值變化情況，只有當10位異步計數(shù)器最低位有數(shù)值變化時才會使能重新分配機制。系統(tǒng)的工作過程如下:在讀出電路開始一幀的數(shù)據(jù)處理之前需要對以下幾個電路進行復位:整幀同步復位信號resetl通過像素單元第一復位管對像素單元的復位，通過計數(shù)器復位信號RST對10位異步計數(shù)器進行復位，列積分復位信號通過列積分電路復位管對列電容進行復位。在完成復位工作后即可在控制電路的協(xié)調下通過探測器對像素陣列進行積分讀出交替進行的數(shù)據(jù)處理，這里我們強調的是其中一個像素單元的工作情況。單個像素單元的積分讀出過程分為以下三個階段:第一階段為像素單元的積分數(shù)字化，像素單元的積分電容Cl上的電壓接比較器的正向輸入端和一個參考電壓Vref進行比較，比較器的輸出先后經過小尺寸反相器和大尺寸反相器后得到一個高驅動能力的輸出，像素單元的積分電容在有積分電流的注入時電壓逐漸升高，剛開始積分時比較器輸出的是低電平，當積分電容Cl電壓達到參考電壓Vref時比較器輸出一個高電平,大尺寸反相器輸出的是一個更高驅動能力的高電平，由于大尺寸反相器輸出接的是10位異步計數(shù)器的計數(shù)輸入端，所以計數(shù)器的計數(shù)值加一 ，同時由于大尺寸反相器的輸出接像素單元的第二復位端reset2，所以像素單元進行一次復位操作，積分電容Cl電壓回到地電壓，比較器輸出回到低電平，一輪新的積分過程開始了，這樣進行若干次后我們積分得到的信息體現(xiàn)在兩個方面，一是計數(shù)器的計數(shù)值，它代表了像素單元的積分電容Cl被積滿過多少次，二是像素單元的積分電容Cl上的電壓，它代表了未能“湊整”的那部分電荷，綜合這兩方面的信息即可以將積分過程還原。計數(shù)器的計數(shù)值是一個數(shù)字量，我們將計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)接基準電流源的10個選通開關，具體接法是最低位2進制數(shù)接單位電流源的選通開關，次低位接2倍的單位電流源選通開關……最高位接512倍單位電流源選通開關。第二個階段為列積分模塊的積分，基準電流源組的輸出接列積分模塊的積分輸入端，當?shù)谝浑A段完成后，基準電流源組內部分電流源被合理選通，選通的各電流源是并聯(lián)關系連接的，選通的電流源經過總開關匯合到列積分模塊的積分輸入端，所以第二階段的操作過程即是打開這個總開關，并經過一定積分時間后即完成列積分模塊的積分過程。第三階段又稱電荷重新分配階段，列積分電容C2和像素單元積分電容Cl通過重新分配開關連接，閉合重新分配開關第三階段就完成了，至此整個積分讀出過程也完成了，但是第三階段的操作與否受電荷重新分配判定模塊的控制，電荷重新分配判定模塊檢測10位異步計數(shù)器最低位的數(shù)值變化情況，只有當10位異步計數(shù)器最低位有數(shù)值變化時才會使能重新分配機制。
權利要求
1.一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路,其特征是:包括像素單元電路、比較計數(shù)電路、電荷重新分配控制電路及數(shù)字模擬轉化電路，像素單元電路的輸出分別連接比較計數(shù)電路和電荷重新分配控制電路，比較計數(shù)電路的一個輸出連接像素單元電路，比較計數(shù)電路的另一個輸出分別連接數(shù)字模擬轉化電路和電荷重新分配控制電路，數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路；其中: 像素單元電路包括注入管Ml、第一復位管M2、第二復位管M3以及積分電容Cl，注入管Ml的源極接紅外探測器的一端，紅外探測器的另一端接地，注入管Ml的柵極接積分信號CHARGE1，注入管Ml的漏極與積分電容Cl的一端、第一復位管M2的漏極以及第二復位管M3的漏極連接并作為像素單元電路的輸出端，積分電容Cl的另一端與第一復位管M2的源極以及第二復位管M3的源極連接在一起并接地，第一復位管M2的柵極接第一復位信號resetl,第二復位管M3的柵極接第二復位信號reset2 ； 比較計數(shù)電路包括一個比較器、兩個反相器和一組10位異步計數(shù)器，像素單元電路的輸出端連接比較器的正向輸入端，比較器的反向輸入端接參考電平Vref，比較器的輸出端連接第一反相器的輸入端，第一反相器的輸出端連接第二反相器的輸入端，第二反相器的輸出作為第二復位信號reset2分別連接像素單元電路中第二復位管M3的柵極和10位異步計數(shù)器的計數(shù)輸入端，10位異步計數(shù)器的計數(shù)復位端連接計數(shù)復位信號RST，10位異步計數(shù)器輸出10位由低位到高位的2進制數(shù)S〈I〉 S〈10〉； 電荷重新分配控制電路包括電荷重新分配判定電路和開關管，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)S〈I〉 S〈1 0〉連接接電荷重新分配判定電路的一個輸入端作為判斷條件，電荷重新分配判定電路的另一個輸入端由外部時序信號RTR控制，電荷重新分配判定電路包括兩個三輸入或門、兩個二輸入或門、一個四輸入或門和一個與門，10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)經過上述五個或門形成一個10位2進制數(shù)相或得到的信號，該信號再與外部時序信號RTR經與門相與之后得到電荷重新分配輸出信號Vsig，具體連接關系是:10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈l>、S〈2>、S<3>分別連接一個三輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈4>、S〈5>、S<6>分別連接另一個三輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，7>、S〈8>分別連接一個二輸入或門的輸入端，10位異步計數(shù)器輸出的2進制數(shù)S〈，9>、S<10>分別連接另一個二輸入或門的輸入端，兩個三輸入或門及兩個二輸入或門的輸出分別連接四輸入或門的輸入端，四輸入或門的輸出與外部時序信號RTR分別連接二輸入與門的輸入端，二輸入與門的輸出信號Vsig作為電荷重新分配判定電路的輸出連接開關管的柵極，開關管的源、漏極中任意一極連接像素單元電路的輸出端； 數(shù)字模擬轉化電路包括基準電流源組和列積分電路，基準電流源組含有10個電流指數(shù)增加的電流源，各電流源分別接一個選通開關管的源極或漏極的一端，10個電流源的選通開關的源極或漏極的另一端合接到一條支路，該支路作為基準電流源組輸出的總電流支路，10個選通開關管的柵極分別由10位異步計數(shù)器輸出的10位2進制數(shù)按低位計數(shù)值接小電流源選通開關管，高位計數(shù)值接大電流選通開關管的順序接入，列積分電路包括注入管M81、復位管M82、積分電容C2，注入管M81的源極接基準電流源組輸出的總電流支路，列注入管M81的柵極接列積分信號CHARGE2，積分電容C2的一端和復位管M82的漏極連接注入管M81的漏極并作為數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路中開關管源、漏極中剩余的一極，積分電容C2的另一端與復位管M82的源極均接地，復位管M82的柵極連接 復位信號RSTl。
全文摘要
一種高動態(tài)范圍紅外焦平面讀出電路，包括像素單元電路、比較計數(shù)電路、電荷重新分配控制電路及數(shù)字模擬轉化電路，像素單元電路的輸出分別連接比較計數(shù)電路和電荷重新分配控制電路，比較計數(shù)電路的一個輸出連接像素單元電路，比較計數(shù)電路的另一個輸出分別連接數(shù)字模擬轉化電路和電荷重新分配控制電路，數(shù)字模擬轉化電路的輸出連接電荷重新分配控制電路。
文檔編號H04N5/378GK103237180SQ20131011603
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權日2013年4月3日
發(fā)明者夏曉娟, 劉鎮(zhèn)碩, 成建兵, 陳德媛, 吉新村 申請人:南京郵電大學