[發(fā)明專利]一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410546324.5
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104359562A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設計）人: 袁紅輝;陳永平;陳世軍;翟厚明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01J5/24
• 分類號: G01J5/24
• 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)明涉及紅外探測器讀出電路領(lǐng)域，尤其是涉及一種線列非制冷紅外探測器CMOS讀出電路設計。

背景技術(shù)

非制冷紅外探測技術(shù)是今后紅外技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，特別是非制冷技術(shù)的發(fā)展使紅外熱攝像技術(shù)擴展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、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)出電阻變化的信號形式，由此來測量熱輻射，一般采用電流偏置方式，通過讀出非制冷紅外探測器兩端的電壓信號變化，得出探測器的電阻變化，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器組件的重要組成部分。

目前國內(nèi)外已開展了這方面的工作，但在實際應用中許多方面還有待進一步完善。2014年4月18日呂堅等人公布的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)本身復雜，且需要設計與之對應的盲元探測器來設計讀出電路，增加了非制冷紅外探測器工藝的復雜性，本發(fā)明采用的電流鏡輸入方式，克服了需要設計與之一一對應的盲元探測器，大大降低了非制冷紅外探測器工藝制作的復雜性。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，有效地提高了電路的線性度、功耗等指標。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種電流鏡方式的線列非制冷紅外探測器CMOS讀出電路，提高非制冷紅外探測器讀出電路的設計水平。

本發(fā)明設計的一種基于電流鏡方式的高性能非致冷紅外探測器160線列讀出電路，可滿足10KΩ～100KΩ阻值非制冷紅外探測器信號讀出的需要，具有放大倍數(shù)多級可調(diào)功能，適合不同響應率探測器的信號讀出。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，差分放大器的CTIA，CDS+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級的電流鏡，NM5和NM1構(gòu)成粗調(diào)的輸入級電流鏡，NM4和NM2構(gòu)成微調(diào)的輸入級電流鏡。va、vb分別為粗調(diào)、微調(diào)外端口。res為積分開關(guān)，電平高時為積分狀態(tài)，電平低時為關(guān)斷狀態(tài)，bolometer部分為非制冷紅外探測器的位置。圖3為CTIA結(jié)構(gòu)，C1、C2、C3為三個積分電容，其中C1為基準電容，C2、C3分別由select1、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CDS?N跟隨，C6、C7為采樣電容，sha、shb與shaf、shbf為互補脈沖，控制信號的采樣。col接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號按順序讀出。

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)的與響應元一一對應的盲元探測器設計，可有降低探測器工藝的復雜性；輸入端粗調(diào)的設置，能擴大電路對非制冷紅外探測器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設置能精確設置系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)；在畫版圖時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％；三個積分電容的設置可以使電路具有較大的適應性，滿足不同探測器靈敏度要求；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。

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1.電路輸入端采用電流鏡方式，無需傳統(tǒng)的與響應元一一對應的盲元探測器設計，大大降低了探測器工藝制作的復雜性。

2.輸入端設計有粗調(diào)和微調(diào)兩個調(diào)節(jié)端口；既擴大了電路對非致冷紅外探測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)。

3.電流鏡布局在線列電路的左右兩端，在畫版圖時地線采用寬度大于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％；

4.積分電容由10pF、20pF、20pF三個電容組成，可組合成多級放大倍數(shù)，使電路能適應不同非制冷探測器響應率的要求。

5.利用低功耗的跟隨管設計，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。

6.非制冷紅外探測器讀出電路設計采用標準的亞微米CMOS工藝制造而成，保證了芯片制造的可重復性。

附圖說明

圖1電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖。

圖2電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路電流鏡部分結(jié)構(gòu)圖。

圖3電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路CTIA部分結(jié)構(gòu)圖。