[實用新型]一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320217570.7
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN203629686U
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝立超;陳洪雷;丁瑞軍;張君玲;黃愛波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01J5/02
• 分類號: G01J5/02;G01J5/00
• 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

本專利涉及紅外焦平面讀出集成電路，具體指一種具有兩步背景抑制功能的讀出集成電路（Readout?Integrated?Circuit-ROIC），它工作在50K溫度下，用于甚長波紅外焦平面陣列（Infrared?Focus?Plane?Array-IRFPA）中，可以將探測器光電流中的背景電流減除，只對有效光信號電流進(jìn)行積分、采樣、降噪和輸出。?

背景技術(shù)

甚長波紅外焦平面陣列是先進(jìn)紅外系統(tǒng)中的核心器件。紅外焦平面陣列一般由兩部分組成：紅外探測器陣列和讀出電路陣列。焦平面上的紅外探測器在接收到入射的紅外輻射后，在紅外輻射的入射位置上產(chǎn)生一個與入射紅外輻射性能有關(guān)的局部電荷，傳輸給對應(yīng)的讀出電路單元。讀出電路將對這些電信號進(jìn)行積分放大、采樣保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。?

由于甚長波紅外探測器禁帶寬度比較窄，在生長過程中非常容易受到材料、生長工藝、實驗室環(huán)境等多種因素影響。受現(xiàn)有工藝條件限制，現(xiàn)階段甚長波探測器其自身等效電阻比較小，一般小于10；因此，讀出電路輸入級的輸入電阻必須非常小。同時，為了防止產(chǎn)生過大的漏電流，探測器必須工作在精確的“零偏”狀態(tài)下。另外，甚長波探測器暗電流比較大，且工作在高背景條件下，使得讀出電路積分電容非常容易飽和，很難獲得理想的信噪比（SNR）。甚長波探測器自身性能的缺陷，在很大程度上限制了甚長波紅外焦平面的性?能，且對讀出電路設(shè)計提出了很高的要求。?

由于使用了負(fù)反饋運放，一般采用BDI、CTIA、BGMI等結(jié)構(gòu)作為甚長波紅外焦平面讀出電路的前置輸入級。常規(guī)情況下采用單級放大器或五管差動放大器，雖然其低溫工作性能良好，但由于增益較低，光電流注入效率非常低，探測器工作不穩(wěn)定，噪聲較大，難以滿足實際需求。另外，現(xiàn)有的背景抑制電路一種是使用簡單的電壓—電流轉(zhuǎn)換法，其精度低，并且其均至于BDI前置輸入級的注入管之后，受MOS管溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，生成的背景電流不穩(wěn)定；另一種具有記憶功能的背景抑制電路由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用面積大，很難在單元內(nèi)實現(xiàn)。同時，讀出電路單元面積有限，且必須使用較大的積分電容和采樣電容，二者很難進(jìn)行折衷。?

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的是提供一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路，該電路工作在50K溫度下，主要應(yīng)用于甚長波紅外焦平面陣列系統(tǒng)。其采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的兩步背景抑制電路模塊，并使用具有折疊式共源共柵負(fù)反饋運算放大器的BDI前置輸入級模塊，解決現(xiàn)有背景抑制精度低、信號采集難度大、積分時間短、信號信噪比低的問題，并且進(jìn)一步簡化了采樣保持電路結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了溫度應(yīng)用范圍。?

本專利一種具有兩步背景抑制功能的讀出電路由兩步背景抑制電路模塊、BDI前置輸入級模塊、采樣保持電路模塊、低通濾波電容模塊、兩級源跟隨輸出級模塊和時序控制電路模塊構(gòu)成；其中：?

所述的兩步背景抑制電路模塊由M3、M4和M5三個大寬長比的PMOS管組成，其中兩個寬長比為1:2的PMOS管M3、M4組成自級聯(lián)結(jié)構(gòu)，再與寬長比為4:1的PMOS管M5串聯(lián)，通過電流調(diào)節(jié)控制端VSUP2控制PMOS?管M5進(jìn)行粗調(diào)產(chǎn)生大致的電流，并將PMOS管M4和PMOS管M5限制在線性區(qū)；再通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)控制端VSUP2細(xì)調(diào)精確確定所需的背景電流；?

所述的BDI前置輸入級模塊采用緩沖直接注入電路結(jié)構(gòu)，所述的緩沖直接注入電路結(jié)構(gòu)中的積分電容采用NW電容；?

所述的采樣保持電路模塊將傳統(tǒng)的單位增益放大器驅(qū)動改進(jìn)為直接由傳輸門進(jìn)行采樣保持控制，采樣電容采用NW電容；?

所述的低通濾波電容模塊采用NW電容；?

電路由時序控制電路模塊提供時鐘信號，自動控制電路各功能模塊的工作，電路在工作時首先關(guān)閉積分時間控制開關(guān)INTC，確定零信號情況下的采樣電壓，將此電壓信號反饋給兩步背景抑制電路模塊；然后將探測器置于無有效信號的全背景下，兩步背景抑制電路模塊生成精確的背景電流；最后將探測器至于正常使用環(huán)境中，已經(jīng)減去背景電流的有效信號電流通過BDI前置輸入級模塊積分得到一個電壓信號，并通過采樣保持電路模塊將該信號采樣到采樣電容上，最后通過帶有低通濾電容模塊的兩級源跟隨輸出級模塊將模擬信號輸出。?

本專利的優(yōu)點在于：?

（1）采用CMOS集成技術(shù)，在BDI單元內(nèi)很好的實現(xiàn)了面積和性能的折衷，為本身等效阻抗低，且工作在高背景下的甚長波焦平面陣列提供了一種讀出電路解決途徑。在50K低溫下，在0.1uA—1uA的信號電流范圍內(nèi)，輸出范圍為2.5V，工作頻率達(dá)到2.5MHz。?