[發(fā)明專利]短波紅外探測(cè)器陣列讀出電路適用的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級(jí)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210273980.3
• 申請(qǐng)日: 2012-08-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102818637A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王攀;陳國(guó)強(qiáng);高磊;丁瑞軍;葉振華;周杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G01J5/02
• 分類號(hào): G01J5/02;G01J5/10
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及混合信號(hào)集成電路技術(shù)，具體涉及一種短波紅外探測(cè)器陣列讀出電路適用的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級(jí)，它用于短波紅外探測(cè)器陣列（Infrared?Focus?Plane?Array-IRFPA）系統(tǒng)中的具有光電弱信號(hào)功能的高幀頻讀出集成電路，可實(shí)現(xiàn)短波紅外探測(cè)器的弱光響應(yīng)信號(hào)的積分、采樣、放大和輸出。

背景技術(shù)

紅外探測(cè)器陣列是紅外成像系統(tǒng)中的核心器件。紅外探測(cè)器陣列一般由兩部分組成：紅外探測(cè)器陣列和讀出電路。紅外探測(cè)器在接收到入射的紅外輻射后，產(chǎn)生一個(gè)與入射紅外輻射性能相關(guān)的光電流，傳輸給對(duì)應(yīng)的讀出電路單元。傳統(tǒng)讀出電路將對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行積分、放大、采樣和保持，再通過(guò)輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)最終以模擬信號(hào)形式讀出，由后端電子學(xué)系統(tǒng)形成圖像。

高性能的短波紅外探測(cè)器有像元面陣大、單元面積小、光電流信號(hào)微弱、輸出幀頻高等特點(diǎn)。大面陣對(duì)信號(hào)在公共線上傳輸?shù)膿p失敏感；單元面積較小限制了單元結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；探測(cè)器光電流信號(hào)較小（0.1-1pA量級(jí)），本身的積分采集困難；高幀頻應(yīng)用積分時(shí)間受限使采樣電容上的飽和電荷量偏小；由于信號(hào)小，噪聲引入的非線性度會(huì)很大；在高幀頻工作狀態(tài)下，小信號(hào)得到的數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中損失會(huì)相對(duì)很大。

常規(guī)的紅外探測(cè)器讀出電路一般分為單元、列公用、公共輸出級(jí)三個(gè)部分。單元結(jié)構(gòu)中有CTIA、BDI、DI等常用輸入級(jí)結(jié)構(gòu)可供選擇。列公用一般是一級(jí)采樣電路由一列單元結(jié)構(gòu)公用，公共輸出級(jí)一般采用源級(jí)跟隨器作為輸出的驅(qū)動(dòng)為一行列公用結(jié)構(gòu)共用。常規(guī)的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級(jí)在注入效率、噪聲的性能都很好，但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有限面積內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。一般的列公用結(jié)構(gòu)很難達(dá)到在動(dòng)態(tài)范圍、噪聲抑制方面的要求。普通的源級(jí)跟隨器的輸出級(jí)也不能滿足幀頻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種短波紅外探測(cè)器陣列讀出電路適用的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級(jí)，它是一種短波紅外探測(cè)器陣列系統(tǒng)中的具有采集弱信號(hào)功能的高幀頻讀出集成電路，它對(duì)短波紅外探測(cè)器的弱光電信號(hào)積分、采樣、放大后輸出，進(jìn)一步增強(qiáng)短波紅外探測(cè)器讀出電路的信號(hào)處理能力，以推動(dòng)其在大面陣、高分辨率、多光譜方向的發(fā)展。本發(fā)明解決的問(wèn)題主要是：弱信號(hào)的高效率采集；低頻噪聲的抑制；輸出動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大；讀出電路工作幀頻的提高。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)CSMC-6S05DPTM0.5um?CMOS集成電路工藝，在EDA（Electronic?Design?Automation電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）設(shè)計(jì)平臺(tái)中搭建電路，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器光電信號(hào)的積分，相關(guān)雙采樣，電荷擺幅放大和輸出。模擬結(jié)構(gòu)的每級(jí)節(jié)點(diǎn)都考慮到公共導(dǎo)線的寄生電容，做了足夠的緩沖級(jí)保證驅(qū)動(dòng)。在列公用模塊中采用CDS相關(guān)雙采樣消除讀出電路中比較嚴(yán)重的低頻噪聲。在列公用模塊中采用電荷放大器，可以將積分后的信號(hào)線性放大后給最終輸出。采用合適的緩沖buffer結(jié)構(gòu)減小傳輸中的損失。輸出級(jí)采用互補(bǔ)型的對(duì)稱運(yùn)放結(jié)構(gòu)提高輸出時(shí)上推和下拉能力。

本發(fā)明有兩點(diǎn)創(chuàng)新：1.改良了常用的CTIA結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)運(yùn)放替代了常用的面積過(guò)大的套筒式運(yùn)放。既可以保證單元結(jié)構(gòu)中輸入級(jí)的注入效率等關(guān)鍵性能又能克服原有結(jié)構(gòu)面積過(guò)大的缺點(diǎn)。2.對(duì)讀出電路的信號(hào)鏈路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在單元結(jié)構(gòu)中采用1中所述的CTIA結(jié)構(gòu)輸入級(jí)，在列公用模塊中配置了相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)和列電荷放大結(jié)構(gòu)分別解決噪聲和動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題，公共輸出級(jí)結(jié)構(gòu)采用互補(bǔ)型輸出結(jié)構(gòu)以提高輸出幀頻。

技術(shù)方案：

1）讀出電路前置放大電路采用電容跨阻抗放大器（CTIA），該電路模塊負(fù)責(zé)將探測(cè)器光電流信號(hào)讀入電路并積分放大為電壓信號(hào)。然后緩沖、放大，配合片內(nèi)的邏輯電路將像元積分得到的電壓信號(hào)按一定的次序通過(guò)復(fù)用的模擬總線讀出以提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。CTIA結(jié)構(gòu)有很高的注入效率，積分電容由密勒效應(yīng)等效為輸入端一個(gè)很大的電容，從而可以分流得到絕大多數(shù)的信號(hào)電流，注入效率高于90%。由于面積的限制，該設(shè)計(jì)中的CTIA結(jié)構(gòu)不能采用套筒式或者折疊式這么復(fù)雜的多管結(jié)構(gòu)，電流源負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)運(yùn)放既能提供足夠的增益又比較節(jié)省面積。很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。