[實(shí)用新型]電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)器讀出電路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201420597424.6
• 申請(qǐng)日: 2014-10-16
• 公開（公告）號(hào): CN204165656U
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁紅輝;陳永平;陳世軍;翟厚明
• 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): G01J5/24
• 分類號(hào): 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

本專利涉及紅外探測(cè)器讀出電路領(lǐng)域，尤其是涉及一種線列非制冷紅外探測(cè)器CMOS讀出電路設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

非制冷紅外探測(cè)技術(shù)是今后紅外技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測(cè)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(qiáng)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(hào)形式，由此來(lái)測(cè)量熱輻射，一般采用電流偏置方式，通過(guò)讀出非制冷紅外探測(cè)器兩端的電壓信號(hào)變化，得出探測(cè)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(cè)器組件的重要組成部分。

目前國(guó)內(nèi)外已開展了這方面的工作，但在實(shí)際應(yīng)用中許多方面還有待進(jìn)一步完善。2014年4月18日呂堅(jiān)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(cè)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(fù)雜，且需要設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器來(lái)設(shè)計(jì)讀出電路，增加了非制冷紅外探測(cè)器工藝的復(fù)雜性，本專利采用的電流鏡輸入方式，克服了需要設(shè)計(jì)與之一一對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器，大大降低了非制冷紅外探測(cè)器工藝制作的復(fù)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(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的在于提供一種電流鏡方式的線列非制冷紅外探測(cè)器CMOS讀出電路，提高非制冷紅外探測(cè)器讀出電路的設(shè)計(jì)水平。

本專利設(shè)計(jì)的一種基于電流鏡方式的高性能非致冷紅外探測(cè)器160線列讀出電路，可滿足10KΩ～100KΩ阻值非制冷紅外探測(cè)器信號(hào)讀出的需要，具有放大倍數(shù)多級(jí)可調(diào)功能，適合不同響應(yīng)率探測(cè)器的信號(hào)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(jí)，差分放大器的CTIA，CDS+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級(jí)的電流鏡，NM5和NM1構(gòu)成粗調(diào)的輸入級(jí)電流鏡，NM4和NM2構(gòu)成微調(diào)的輸入級(jí)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(shí)為積分狀態(tài)，電平低時(shí)為關(guān)斷狀態(tài)，bolometer部分為非制冷紅外探測(cè)器的位置。圖3為CTIA結(jié)構(gòu)，C1、C2、C3為三個(gè)積分電容，其中C1為基準(zhǔn)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(bǔ)脈沖，控制信號(hào)的采樣。col接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號(hào)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(wú)需傳統(tǒng)的與響應(yīng)元一一對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器設(shè)計(jì)，可有降低探測(cè)器工藝的復(fù)雜性；輸入端粗調(diào)的設(shè)置，能擴(kuò)大電路對(duì)非制冷紅外探測(cè)器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設(shè)置能精確設(shè)置系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)；在畫版圖時(shí)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(shè)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(gè)積分電容的設(shè)置可以使電路具有較大的適應(yīng)性，滿足不同探測(cè)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。

本專利的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.電路輸入端采用電流鏡方式，無(wú)需傳統(tǒng)的與響應(yīng)元一一對(duì)應(yīng)的盲元探測(cè)器設(shè)計(jì)，大大降低了探測(cè)器工藝制作的復(fù)雜性。

2.輸入端設(shè)計(jì)有粗調(diào)和微調(diào)兩個(gè)調(diào)節(jié)端口；既擴(kuò)大了電路對(duì)非致冷紅外探測(cè)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(shí)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(gè)電容組成，可組合成多級(jí)放大倍數(shù)，使電路能適應(yīng)不同非制冷探測(cè)器響應(yīng)率的要求。

5.利用低功耗的跟隨管設(shè)計(jì)，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(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造而成，保證了芯片制造的可重復(fù)性。

附圖說(shuō)明

圖1電流鏡方式的非制冷紅外探測(cè)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(cè)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(cè)器讀出電路CTIA部分結(jié)構(gòu)圖。