專利名稱：：紅外焦平面讀出電路及其輸出級(jí)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及紅外成像
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種紅外焦平面讀出電路及其輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：目前紅外成像系統(tǒng)在軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。作為紅外成像技術(shù)核心的紅外焦平面陣列，包括紅外探測(cè)器陣列和讀出電路兩部分。探測(cè)器陣列的作用是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，讀出電路的作用則是完成像素信號(hào)的處理和讀出。其中，讀出電路對(duì)紅外成像系統(tǒng)的性能有重要影響。近年來(lái)，隨著CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體)工藝的發(fā)展，大規(guī)模CMOS紅外焦平面讀出電路已經(jīng)取代CCD(ChargeCoupledDevice,電荷耦合器件)成為紅外讀出電路主流?，F(xiàn)有技術(shù)中典型的面陣紅外焦平面讀出電路如圖1所示，包括像素讀出陣列11、列讀出級(jí)12、輸出緩沖級(jí)13和行、列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯14、15。其中，像素讀出陣列l(wèi)l是探測(cè)器與讀出電路的接口，完成探測(cè)器偏置、光電流的接收與積分等功能；列讀出級(jí)12—般為單位增益接法的運(yùn)算放大器，完成對(duì)各自列光電流積分信號(hào)的處理；輸出緩沖級(jí)13—般也是單位增益接法的運(yùn)算放大器，完成對(duì)信號(hào)的最終輸出；通常列讀出級(jí)12釆用一級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，而輸出緩沖級(jí)13由于需要驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載，因此通常釆用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。讀出電路按照先積分，后讀出的順序工作。即像素讀出陣列11以行為單位順序?qū)怆娏鞣e分，一行積分完畢后，在列選信號(hào)的控制下，每列的積分信號(hào)依次通過(guò)列讀出級(jí)12和輸出緩沖級(jí)13讀出。在列信號(hào)讀出過(guò)程中，下一行像素開始積分。電路的像素信號(hào)輸出速率4是由每列信號(hào)的讀出延遲制約的。每列信號(hào)的讀出延遲可由下式估其中，7^為大信號(hào)建立時(shí)間，通常由列放大器和輸出緩沖級(jí)中大信號(hào)建立時(shí)間較長(zhǎng)的一個(gè)決定。？;。,—，和分別代表列放大器和輸出緩沖級(jí)的小信號(hào)建立時(shí)間，他們由各自的增益帶寬積決定。為了保證信號(hào)精確輸出，每個(gè)列周期必須大于列信號(hào)的讀出延遲。近年來(lái)，紅外焦平面陣列規(guī)模不斷擴(kuò)大，最大已到4096x4096規(guī)模。由于每幀圖像包含的像素增加，在幀速不變的條件下，讀出電路對(duì)像素讀出的速率要求越來(lái)越高。雖然可以使用多通道并行工作的方法增大讀出速率，但其代價(jià)是增加額外的列讀出級(jí)和輸出緩沖級(jí)，因而增加了功耗，面積和電路復(fù)雜度。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種紅外焦平面讀出電路及其輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，以解決傳統(tǒng)讀出結(jié)構(gòu)功耗大、復(fù)雜度高、速度低的缺陷。(二)技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種紅外焦平面讀出電路的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，該輸出級(jí)結(jié)構(gòu)包括列輸出級(jí)，包括N個(gè)列放大器，用于每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)，用于將所述列輸出級(jí)的信號(hào)串行輸出；N個(gè)第一開關(guān)，連接各列放大器輸出端至輸出緩沖級(jí)輸入端；N個(gè)第二開關(guān)，連接輸出緩沖級(jí)輸出端至各列放大器正輸入端；所述第一開關(guān)及第二開關(guān)由所述讀出電路的列選信號(hào)控制導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過(guò)所述輸出緩沖級(jí)串行輸出。上述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)中，還包括補(bǔ)償電容及補(bǔ)償電阻串聯(lián)連接在所述輸出緩沖級(jí)的輸入端與輸出端之間，用于提供密勒補(bǔ)償，并克服右半平面零點(diǎn)的影響。上述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)中，所述列選信號(hào)由所述讀出電路中的列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生。上述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)中，所述第一、第二開關(guān)的控制邏輯為在所述讀出電路的每一個(gè)行讀出周期開始后，由所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯控制順序產(chǎn)生長(zhǎng)度為t;。,的列選脈沖信號(hào)，？;。,為一個(gè)列讀出周期；各所述列選脈沖信號(hào)互不交疊，依次控制每個(gè)所述列放大器對(duì)應(yīng)的第一、第二開關(guān)導(dǎo)通，從而依次在所述列讀出周期內(nèi)完成每列信號(hào)的讀出。上述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)中，所述第一、第二開關(guān)由互補(bǔ)mos晶體管構(gòu)成。本發(fā)明的技術(shù)方案還提出一種紅外焦平面讀出電路，包括輸出光電流積分像素信號(hào)的像素讀出陣列，以及行控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯和列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯，該讀出電路還包括列輸出級(jí)，包括n個(gè)列放大器，分別與所述像素讀出陣列連接，用于每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)，用于將所述列輸出級(jí)的信號(hào)串行輸出；n個(gè)第一開關(guān)，連接各列放大器輸出端至輸出緩沖級(jí)輸入端；n個(gè)第二開關(guān)，連接輸出緩沖級(jí)輸出端至各列放大器正輸入端；所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯，產(chǎn)生列選信號(hào)控制n個(gè)所述第一、第二開關(guān)的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過(guò)所述輸出緩沖級(jí)串行輸出。上述的讀出電路中，所述輸出緩沖級(jí)的輸出端與輸入端之間串聯(lián)連接有補(bǔ)償電容及補(bǔ)償電阻，用于提供密勒補(bǔ)償，并克服右半平面零點(diǎn)的影響。上述的讀出電路中，所述第一、第二開關(guān)的控制邏輯為在所述讀出電路的每一個(gè)行讀出周期開始后，由所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯控制順序產(chǎn)生長(zhǎng)度為乙,的列選脈沖信號(hào)，L為一個(gè)列讀出周期；各所述列選脈沖信號(hào)互不交疊，依次控制每個(gè)所述列放大器對(duì)應(yīng)的第一、第二開關(guān)導(dǎo)通，從而依次在所述列讀出周期內(nèi)完成每列信號(hào)的讀出。上述的讀出電路中，所述第一、第二開關(guān)由互補(bǔ)MOS晶體管構(gòu)成。(三)有益效果本發(fā)明技術(shù)方案提供的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的紅外焦平面輸出電路，由列放大器及輸出緩沖級(jí)整體構(gòu)成單位增益連接，使信號(hào)的讀出速率得到很大提升，同時(shí)使讀出電路的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，也相應(yīng)降低了功耗。圖i為現(xiàn)有技術(shù)中面陣紅外焦平面讀出電路示意圖；圖2為本發(fā)明紅外焦平面讀出電路實(shí)施例示意圖；圖3為本發(fā)明讀出電路實(shí)施例的列信號(hào)工作時(shí)序圖；圖4為本發(fā)明讀出電路實(shí)施例的輸出緩沖級(jí)電路結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明讀出電路實(shí)施例的列放大器電路結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。圖2為本發(fā)明紅外焦平面讀出電路實(shí)施例示意圖，如圖所示，本實(shí)施例的讀出電路包括M個(gè)列放大器陣列21,用于實(shí)現(xiàn)每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)22，實(shí)現(xiàn)將列讀出級(jí)的信號(hào)串行輸出；M個(gè)第一開關(guān)23，連接各列放大器輸出端到輸出緩沖級(jí)22的輸入端；M個(gè)第二開關(guān)24，連接各列放大器正輸入端到輸出緩沖級(jí)22的輸出端；列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯25，產(chǎn)生列選信號(hào)，控制上述2M個(gè)開關(guān)，使信號(hào)通過(guò)輸出緩沖級(jí)22串行輸出。另外還包括與現(xiàn)有技術(shù)沒有區(qū)別的像素單元陣列28及行控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯29。上述實(shí)施例的讀出電路還包括補(bǔ)償電容26及補(bǔ)償電阻27,串聯(lián)連接到輸出緩沖級(jí)22的輸入端和輸出端。上述實(shí)施例中，第一及第二開關(guān)可以由互補(bǔ)MOS晶體管構(gòu)成。如圖2所示，列放大器21和輸出緩沖級(jí)22在結(jié)構(gòu)上合并為一個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器，其中列放大器21作為運(yùn)放第一級(jí)，輸出緩沖級(jí)22作為運(yùn)放第二級(jí)。合并方法如下列放大器21和輸出緩沖級(jí)22不再各自連接成單位增益接法。作為一個(gè)運(yùn)放的兩級(jí)，輸出緩沖級(jí)22的輸出直接連接到列放大器21的輸入端，整體構(gòu)成單位增益連接。由于輸出緩沖級(jí)22也對(duì)信號(hào)起到反相的作用，為保證反饋極性為負(fù)反饋，輸出信號(hào)須連接到列放大器21的正輸入端。兩個(gè)運(yùn)放直接級(jí)聯(lián)后，若連接成單位增益接法會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。因此，補(bǔ)償電容26和補(bǔ)償電阻27是用來(lái)提供密勒補(bǔ)償，并克服右半平面零點(diǎn)的影響，以保證足夠的相位裕度。列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯25按一定時(shí)序工作，其工作時(shí)序如圖3所示。在每一個(gè)行讀出周期開始后，列選信號(hào)Col<l〉，Col<2>,Col<M>由列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯25控制順序產(chǎn)生長(zhǎng)度為z;。,的脈沖。t;。,即為一個(gè)列讀出周期，在此期間必須完成每一列信號(hào)的讀出。為避免各列放大器之間的干擾，各列選脈沖信號(hào)不交疊。每一列被選中時(shí)，相應(yīng)第一開關(guān)和第二開關(guān)閉合，對(duì)應(yīng)列的列放大器與輸出緩沖級(jí)連接成一個(gè)單位增益接法兩級(jí)運(yùn)放，其他列放大器與輸出級(jí)通過(guò)斷開的第一開關(guān)和第二開關(guān)開關(guān)隔斷。采用上述實(shí)施例的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)后，每一列信號(hào)的讀出時(shí)間可以大大縮短，信號(hào)讀出時(shí)間可由下式估算其中L為大信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般由列運(yùn)放對(duì)補(bǔ)償電容26的充電速率決定。7;"為兩級(jí)運(yùn)放整體的小信號(hào)建立時(shí)間，一般由其單位增益帶寬決定。與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比可知，在原來(lái)的結(jié)構(gòu)中，小信號(hào)建立時(shí)間是兩個(gè)運(yùn)放的小信號(hào)建立時(shí)間之和，而在本發(fā)明實(shí)施例的改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，小信號(hào)建立時(shí)間由整體運(yùn)放的帶寬決定，因此信號(hào)讀出速率有很大提升。除此之外，整體輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)也得到了極大的簡(jiǎn)化。在改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)中，輸出緩沖級(jí)一般設(shè)計(jì)為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部需要單獨(dú)的補(bǔ)償和偏置電路。而在改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中，由于輸出緩沖級(jí)只是作為整體兩級(jí)運(yùn)放的第二級(jí)，其設(shè)計(jì)可以采用最簡(jiǎn)單的單級(jí)兩管放大結(jié)構(gòu)。通常采用NMOS做放大管，PMOS電流源做負(fù)載，如圖4所示。這樣輸出緩沖級(jí)的結(jié)構(gòu)由復(fù)雜兩級(jí)密勒運(yùn)放結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)單的單級(jí)兩管共源結(jié)構(gòu)。對(duì)于相同的負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)能力，由于省去了第一級(jí)，其功耗也會(huì)相應(yīng)降低。針對(duì)上述本發(fā)明紅外焦平面讀出電路及其輸出級(jí)結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，以下設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一個(gè)大規(guī)模紅外讀出電路。設(shè)計(jì)采用行波讀出方法，要求像素輸出速率大于IOM，因此列周期為100ns。由于在每個(gè)列周期中，需要留出一段穩(wěn)定的時(shí)間(約40ns)供后續(xù)電路采樣讀出數(shù)據(jù),因此要求信號(hào)建立時(shí)間小于60ns。列放大器采用了五管差分結(jié)構(gòu)，如圖5所示。為了降低功耗，列放大器通過(guò)尾電流管上面的開關(guān)管控制其開啟和關(guān)斷。這樣在列放大器與輸出緩沖級(jí)斷開連接時(shí)，可通過(guò)關(guān)斷上述開關(guān)消除該列放大器的功耗。這樣在任何時(shí)刻，讀出電路輸出級(jí)的總功耗只包括輸出緩沖級(jí)功耗和一個(gè)列放大器功耗。輸出緩沖級(jí)釆用上述單級(jí)兩管共源結(jié)構(gòu)。另一方面則用一個(gè)傳統(tǒng)的讀出結(jié)構(gòu)做為參照，在這個(gè)傳統(tǒng)同結(jié)構(gòu)中，列放大器釆用相同五管差分結(jié)構(gòu)；輸出緩沖級(jí)釆用兩級(jí)密勒運(yùn)放，其第一級(jí)為五管差分運(yùn)放，第二級(jí)為單級(jí)共源結(jié)構(gòu)。經(jīng)仿真，性能對(duì)比如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從上表1可見，本發(fā)明紅外焦平面讀出電路的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)在降低功耗的同時(shí)提高了讀出速度。因此本發(fā)明提出的新型輸出級(jí)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所以會(huì)在新一代大規(guī)模紅外成像系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。權(quán)利要求1、一種紅外焦平面讀出電路的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該輸出級(jí)結(jié)構(gòu)包括列輸出級(jí)，包括N個(gè)列放大器，用于每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)，用于將所述列輸出級(jí)的信號(hào)串行輸出；N個(gè)第一開關(guān)，連接各列放大器輸出端至輸出緩沖級(jí)輸入端；N個(gè)第二開關(guān)，連接輸出緩沖級(jí)輸出端至各列放大器正輸入端；所述第一開關(guān)及第二開關(guān)由所述讀出電路的列選信號(hào)控制導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過(guò)所述輸出緩沖級(jí)串行輸出。2、如權(quán)利要求1所述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該輸出級(jí)結(jié)構(gòu)還包括補(bǔ)償電容及補(bǔ)償電阻，串聯(lián)連接在所述輸出緩沖級(jí)的輸入端與輸出端之間，用于提供密勒補(bǔ)償，并克服右半平面零點(diǎn)的影響。3、如權(quán)利要求1所述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述列選信號(hào)由所述讀出電路中的列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生。4、如權(quán)利要求3所述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二開關(guān)的控制邏輯為在所述讀出電路的每一個(gè)行讀出周期開始后，由所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯控制順序產(chǎn)生長(zhǎng)度為乙,的列選脈沖信號(hào)，L為一個(gè)列讀出周期；各所述列選脈沖信號(hào)互不交疊，依次控制每個(gè)所述列放大器對(duì)應(yīng)的第一、第二開關(guān)導(dǎo)通，從而依次在所述列讀出周期內(nèi)完成每列信號(hào)的讀出。5、如權(quán)利要求14任一項(xiàng)所述的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一、第二開關(guān)由互補(bǔ)MOS晶體管構(gòu)成。6、一種紅外焦平面讀出電路，包括輸出光電流積分像素信號(hào)的像素讀出陣列，以及行控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯和列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯，其特征在于，該讀出電路還包括列輸出級(jí)，包括n個(gè)列放大器，分別與所述像素讀出陣列連接,用于每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)，用于將所述列輸出級(jí)的信號(hào)串行輸出；n個(gè)第一開關(guān)，連接各列放大器輸出端至輸出緩沖級(jí)輸入端；n個(gè)第二開關(guān)，連接輸出緩沖級(jí)輸出端至各列放大器正輸入端；所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯，產(chǎn)生列選信號(hào)控制n個(gè)所述第一、第二開關(guān)的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過(guò)所述輸出緩沖級(jí)串行輸出。7、如權(quán)利要求6所述的讀出電路，其特征在于，所述輸出緩沖級(jí)的輸出端與輸入端之間串聯(lián)連接有補(bǔ)償電容及補(bǔ)償電阻，用于提供密勒補(bǔ)償，并克服右半平面零點(diǎn)的影響。8、如權(quán)利要求6所述的讀出電路，其特征在于，所述第一、第二開關(guān)的控制邏輯為在所述讀出電路的每一個(gè)行讀出周期開始后，由所述列控制信號(hào)產(chǎn)生邏輯控制順序產(chǎn)生長(zhǎng)度為t;。,的列選脈沖信號(hào)，t;。,為一個(gè)列讀出周期；各所述列選脈沖信號(hào)互不交疊，依次控制每個(gè)所述列放大器對(duì)應(yīng)的第一、第二開關(guān)導(dǎo)通，從而依次在所述列讀出周期內(nèi)完成每列信號(hào)的讀出。9、如權(quán)利要求68任一項(xiàng)所述的讀出電路，其特征在于，所述第一、第二開關(guān)由互補(bǔ)mos晶體管構(gòu)成。全文摘要本發(fā)明涉及一種紅外焦平面讀出電路的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，包括列輸出級(jí)，包括N個(gè)列放大器，用于每列像素信號(hào)的讀出；輸出緩沖級(jí)，用于將列輸出級(jí)的信號(hào)串行輸出；N個(gè)第一開關(guān)，連接各列放大器至輸出緩沖級(jí)輸入端；N個(gè)第二開關(guān)，連接輸出緩沖級(jí)輸出端至各列放大器正輸入端；第一開關(guān)及第二開關(guān)由讀出電路的列選信號(hào)控制導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)信號(hào)通過(guò)輸出緩沖級(jí)串行輸出。本發(fā)明還提出一種采用上述輸出級(jí)結(jié)構(gòu)的讀出電路。本發(fā)明的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的紅外焦平面輸出電路，由列放大器及輸出緩沖級(jí)整體構(gòu)成單位增益連接，使信號(hào)的讀出速率得到很大提升，同時(shí)使讀出電路的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，也相應(yīng)降低了功耗。文檔編號(hào)G01J5/02GK101358880SQ200810119758公開日2009年2月4日申請(qǐng)日期2008年9月8日優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日發(fā)明者暢劉,吉利久,張雅聰,陳中建,魯文高申請(qǐng)人:北京大學(xué)