專利名稱：一種具有數(shù)字輸出的紅外焦平面讀出集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外焦平面讀出集成電路，具體指一種具有數(shù)字型輸出接口的讀出集成電路(Readout Integrated Circuit-ROIC)，它用于紅外焦平面陣列 Qnfrared Focus Plane Array-IRFPA)中，可以將紅外探測(cè)器的光響應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并以數(shù)字形式輸出。
背景技術(shù)：
紅外焦平面是紅外系統(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(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。讀出電路將對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行積分放大、采樣保持，再通過(guò)輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)讀出，由后端電子學(xué)系統(tǒng)形成圖像?，F(xiàn)有的用于可見(jiàn)光波段具有數(shù)字輸出的讀出電路多采用傳統(tǒng)的讀出形式和一個(gè)片共享的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，依然需要很多模擬放大器和一個(gè)高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此具有較高的功耗并不適合紅外焦平面讀出電路的應(yīng)用。現(xiàn)有的用于紅外焦平面讀出電路的行共享的結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器多采用傳統(tǒng)的低速的多斜率型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較低的功耗和較高的分辨率，但依然不能有效地利用其中的單元模塊，難以在不影響性能的條件下進(jìn)一步降低其功耗。受制于低功耗要求簡(jiǎn)單的依次讀出的模式需要較多的輸出引腳，并且各模塊依次工作的調(diào)度方式具有較長(zhǎng)的讀出周期，在功耗受限的條件下很難提高讀出速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字輸出的紅外焦平面讀出集成電路，具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)的雙斜率型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單片共享與行共享結(jié)合的結(jié)構(gòu)以及與之對(duì)應(yīng)的讀出方式，解決現(xiàn)有行共享模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的焦平面功耗難以降低和讀出速度難以提高的問(wèn)題，進(jìn)一步擴(kuò)展了其溫度應(yīng)用范圍和讀出速度。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)明公開(kāi)了一種具有數(shù)字型輸出接口的紅外焦平面讀出集成電路，采用CMOS 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)器信號(hào)的積分，采樣，量化和輸出其中1)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是基于雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由基準(zhǔn)源、比較器、計(jì)數(shù)器、鎖存器和控制邏輯構(gòu)成。其中基準(zhǔn)源用來(lái)提供模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的基準(zhǔn)電流源，比較器用于比較輸入電壓和基準(zhǔn)電壓，計(jì)數(shù)器用以對(duì)時(shí)間的計(jì)量，鎖存器鎖存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果。其中比較器和鎖存器是每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的獨(dú)有模塊，而基準(zhǔn)源和計(jì)數(shù)器等模塊是整個(gè)芯片共享的。2)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作原理如下在單元讀出電路積分完成后，列選開(kāi)關(guān)依次打開(kāi)，將積分電壓通過(guò)行總線采樣到由開(kāi)關(guān)S1,電容C1組成采樣保持電路。采樣過(guò)程完成后，控制邏輯控制開(kāi)始啟動(dòng)高位轉(zhuǎn)換，將計(jì)數(shù)器清零，閉合開(kāi)關(guān)S2A4，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S3A5，電流源IMfl開(kāi)始對(duì)電容C1放電，同時(shí)開(kāi)啟高位計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，利用基準(zhǔn)電流源和電容產(chǎn)生斜坡電壓，電容兩端電壓可表示成如下所示 = (1)
Irefl在高位轉(zhuǎn)換時(shí)C1上輸出電壓以斜率y下降，當(dāng)C1上電壓下降到REFl時(shí)比較器
翻轉(zhuǎn)，控制單元鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果，即為AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的高位，在高位轉(zhuǎn)換完成后控制單元斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2、S4閉合開(kāi)關(guān)S3、&，清零并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，電流源Iref2對(duì)電容放電，電容 Irefl
上的電壓以斜率f下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)第二個(gè)參考電壓REF2的時(shí)候比較器翻轉(zhuǎn)，控制單元鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)結(jié)果，即低位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。3)采用D鎖存器作為比較后輸出的數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)電路。4)采用總線形式作為電路的讀出形式，如圖4所示所有ADC的高位和低位輸出復(fù)用讀出總線，以減少引腳數(shù)目，配合時(shí)序控制電路實(shí)現(xiàn)在高位轉(zhuǎn)換進(jìn)行的同時(shí)輸出上次低位轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在低位轉(zhuǎn)換的同時(shí)輸出高位轉(zhuǎn)換的結(jié)果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)采用CMOS集成技術(shù)，單芯片實(shí)現(xiàn)了紅外焦平面的信號(hào)數(shù)字化讀出功能，針對(duì)紅外焦平面讀出電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了十分簡(jiǎn)化的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效地提高的內(nèi)部模塊的利用率，在不影響芯片性能的前提下大大減小了芯片的面積，降低了芯片的功耗。2)對(duì)數(shù)字輸出紅外焦平面的讀出方式結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用轉(zhuǎn)換與讀出同時(shí)進(jìn)行的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，有效減少了輸出引腳，提高了讀出速度。


圖1為整個(gè)電路功能模塊工作流程圖。由時(shí)序控制電路提供時(shí)鐘信號(hào)，自動(dòng)控制電路中各功能模塊的工作，在每次讀出過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管對(duì)積分電容進(jìn)行復(fù)位，DI前置放大電路對(duì)流入的光電流進(jìn)行積分，從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓值由模擬總線傳輸?shù)矫啃心┪驳哪?shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣并量化，首先進(jìn)行的粗量化得到該信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換值結(jié)果的高位并鎖存，進(jìn)行粗量化的同時(shí)上次模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位依次讀出，然后進(jìn)行信號(hào)的精量化，在精量化的同時(shí)對(duì)粗量化的結(jié)果進(jìn)行讀出，精量化的結(jié)果在下一次粗量化時(shí)讀出。圖2為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，S1 &為模擬開(kāi)關(guān)，REFl和REF2為電壓基準(zhǔn)源，Irefl 和Iref2為電流基準(zhǔn)源，比較器用于比較輸入電壓和基準(zhǔn)電壓。其中計(jì)數(shù)器、部分基準(zhǔn)源電路和部分控制邏輯為整片共享，其余部分為行共享結(jié)構(gòu)。圖3公共基準(zhǔn)電流鏡電路，將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成的基準(zhǔn)電流按比例縮小，以減小在基準(zhǔn)波動(dòng)時(shí)對(duì)電流基準(zhǔn)精度的影響，采用Cascode電流鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以減小保持電容兩端電壓變化時(shí)對(duì)基準(zhǔn)電流源精度的影響。圖4為輸出級(jí)電路，其中T1和T2為三態(tài)門(mén)，受D觸發(fā)器輸出的控制，用作序列輸出控制，T3為緩沖器，提高對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。
具體實(shí)施例方式紅外焦平面陣列規(guī)模為320X256，讀出速度為100幀/秒，探測(cè)器公共極偏壓為 4. 5V，模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為1850e_，積分電容大小為IOOfF 2pF，采樣電容為lpF。1)讀出電路前置放大電路采用DI結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)注入管的柵極偏壓使注入管處于亞閾值狀態(tài)。2)搭建模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，設(shè)定比較器，使之共模輸入范圍與探測(cè)器單元的輸出相匹配，在本例中為1. 5V 4V，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度要求和單元緩沖放大器的增益以及探測(cè)器的單元輸出范圍可以求得模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12bit，進(jìn)而可以算出比較器的最小分辨電壓要小于610 μ V，由紅外焦平面陣列規(guī)模和讀出速度要求結(jié)合本設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)可以算出比較器的最大延時(shí)要小于130ns。3)根據(jù)采樣電容的大小和轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求可以計(jì)算得兩個(gè)基準(zhǔn)電流的大小分別為616nA和6. 5nA,設(shè)計(jì)如圖3所示有源電流鏡各管M1 M9的寬長(zhǎng)比分別為2/10，27/3， 27/3，9/3，9/3，9/3，9/3，3/3和3/3，由兩個(gè)基準(zhǔn)電流源的大小和電流鏡的比例可以求得輸入基準(zhǔn)的預(yù)置電壓的值為1. 804V和885mV，即有源電流鏡的公共輸入端電壓V&。4)采用D鎖存器作為存儲(chǔ)電路，鎖存比較后模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)，以降低功耗，和減小芯片面積。5)采用多路復(fù)用器和總線結(jié)構(gòu)作為讀出電路的輸出級(jí)，將所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果的高位輸出和低位輸出復(fù)用，減少輸出引線的數(shù)目。
權(quán)利要求
1. 一種具有數(shù)字輸出的紅外焦平面讀出集成電路，包括以下功能模塊DI輸入級(jí)電路 ⑴、列放大器⑵、采樣保持電路⑶、模數(shù)轉(zhuǎn)換器⑷、讀出時(shí)序控制器(5)；探測(cè)器光電流通過(guò)DI輸入級(jí)電路(1)積分得到一個(gè)電壓信號(hào)，并通過(guò)列放大器( 將該信號(hào)送到采樣保持電路(3)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)將采樣信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并由讀出時(shí)序控制器( 將轉(zhuǎn)換結(jié)果按一定次序輸出；所述的集成電路的技術(shù)特征在于在所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中采用了優(yōu)化的行共享與片共享相結(jié)合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)；所述的讀出時(shí)序控制器(5)采用了高低位轉(zhuǎn)換結(jié)果復(fù)用讀出結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有數(shù)字輸出的紅外焦平面讀出集成電路，它屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。集成電路技術(shù)特征在于該讀出集成電路配置了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，探測(cè)器光電流通過(guò)DI輸入級(jí)電路積分得到一個(gè)電壓信號(hào)，并通過(guò)列放大器將該信號(hào)送到采樣保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果按一定次序輸出，實(shí)現(xiàn)了紅外焦平面讀出電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片集成，提高了紅外成像系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)批量生產(chǎn)成本，同時(shí)優(yōu)化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和讀出方式具有更低的功耗和更小的面積，優(yōu)化的讀出結(jié)構(gòu)具有更高的讀出速度。
文檔編號(hào)G01J5/02GK102252759SQ20111006361
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者丁瑞軍, 劉小陽(yáng), 施嫚嫚, 王攀, 郝立超, 陸偉, 陳國(guó)強(qiáng), 陳柳煉, 陳洪雷, 黃愛(ài)波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所