本發(fā)明屬于紅外探測器讀出電路，涉及一種積分電容自適應(yīng)的小像元尺寸紅外探測器讀出電路。

背景技術(shù)：

1、紅外圖像傳感技術(shù)因其不受環(huán)境影響、目標(biāo)識(shí)別效果好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，首先被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著民用需求急劇增長，加上紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和部門，已然發(fā)展成為軍民兩用技術(shù)。為了適應(yīng)未來市場應(yīng)用需求，紅外探測器讀出電路正朝著高集成度、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和智能化的方向發(fā)展。隨著紅外焦平面集成度的提高，探測器的動(dòng)態(tài)范圍難以提高，噪聲電子數(shù)與滿阱電荷容量難以權(quán)衡，因此需改善電路結(jié)構(gòu)，使積分電容隨光照強(qiáng)度的變化自適應(yīng)變化，增大動(dòng)態(tài)范圍。

2、作為紅外探測器讀出電路中常用的輸入結(jié)構(gòu)之一，ctia電路存在許多優(yōu)點(diǎn)：在ctia結(jié)構(gòu)中，探測器與運(yùn)放輸入端相連，由于運(yùn)放的輸入阻抗很大，由輸入阻抗導(dǎo)致的輸入效率下降程度十分微小，基本上可以忽略不計(jì)；運(yùn)放具有虛短虛斷的特點(diǎn)。探測器的兩端分別與運(yùn)放的正負(fù)端相連接，其兩端電壓差幾乎為0，使得探測器兩端電壓能夠維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)；注入效率與運(yùn)放的增益相關(guān)，增益越大，注入效率越高?？梢酝ㄟ^增大放大器增益的辦法，提高注入效率；由于密勒效應(yīng)，cint在輸入端的等效電容為(1+a)cint，其中a為運(yùn)放的開環(huán)增益。實(shí)現(xiàn)了當(dāng)cint設(shè)計(jì)得較小時(shí)，輸入端等效電容仍然可以很大，降低運(yùn)放輸入噪聲。

3、高集成度的焦平面陣列要求更小的像元尺寸，ctia結(jié)構(gòu)運(yùn)放擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但在版圖級(jí)消耗更多的面積，多像元共用一個(gè)ctia輸入級(jí)可以節(jié)省版圖面積；積分電容的選擇也會(huì)影響版圖面積，其中mim、mom和pip電容單位面積電容值都很小，mos可變電容器可以作為很好的替代。

4、作為讀出電路的重要指標(biāo)，高動(dòng)態(tài)范圍能提高成像的精度和探測器的靈敏度；動(dòng)態(tài)范圍的大小直接代表了紅外圖像所能探測的光強(qiáng)變化范圍。光強(qiáng)較弱，探測器所探測到光電流較小，所需積分電容??；光強(qiáng)較強(qiáng)，探測器所探測到的光電流較大，積分電容過小會(huì)導(dǎo)致積分電壓過飽和，動(dòng)態(tài)范圍降低，因此需要設(shè)計(jì)可以隨光強(qiáng)自適應(yīng)的積分電容讀出電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種積分電容自適應(yīng)的小像元尺寸紅外探測器讀出電路。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種積分電容自適應(yīng)的小像元尺寸紅外探測器讀出電路，該讀出電路包括紅外探測器、ctia輸入級(jí)電路、電容開關(guān)采樣電路、行選列選開關(guān)、單位輸出緩沖器、列級(jí)緩沖器及輸出緩沖器；

4、所述ctia電路包含運(yùn)算放大器amp、復(fù)位開關(guān)ret、nmos可變電容器、探測器輸入電流、帶隙基準(zhǔn)電壓。其中，紅外探測器的陽極、復(fù)位開關(guān)的第一端子及nmos可變電容器的源漏端接運(yùn)算放大器的反相輸入端；帶隙基準(zhǔn)電壓接運(yùn)算放大器的正向輸入端；復(fù)位開關(guān)ret的第二端子、nmos可變電容器的柵極、采樣開關(guān)第一端子接運(yùn)算放大器的輸出端；運(yùn)算放大器輸出端接開關(guān)電容采樣電路；

5、所述開關(guān)電容采樣電路由采樣開關(guān)和采樣電容構(gòu)成，采樣電容使用nmos可變電容器；采樣開關(guān)第二端子與采樣電容上級(jí)板接行選開關(guān)第一端子；行選開關(guān)第二端子接單位緩沖器正向輸入端；單位輸出緩沖器輸出端接列級(jí)緩沖器正向輸入端；列級(jí)緩沖器輸出端接行選開關(guān)第一端子；行選開關(guān)第二端子接輸出緩沖器。

6、所述ctia結(jié)構(gòu)為四個(gè)像元共用，四個(gè)像元的輸入分別由開關(guān)int1、int2、int3、int4控制，通過時(shí)序控制令電流信號(hào)依次進(jìn)入ctia的nmos可變電容器進(jìn)行積分。

7、nmos可變電容是由mos電容改進(jìn)得到，nmos可變電容器漏極、源極與襯底一起接低，柵極電壓由負(fù)到正mos電容依次進(jìn)入三種工作狀態(tài)，分別為堆積、耗盡和反型，nmos容值大致呈現(xiàn)“v”字形，電容值變化速度快且不隨著柵壓單調(diào)變化；nmos可變電容器將nmos做在n-well中，在柵極電壓為負(fù)時(shí)，不存在反型區(qū)，mos管只工作在堆積和耗盡狀態(tài)，電容值隨柵壓單調(diào)變化且變化曲線更平緩。

8、本發(fā)明設(shè)計(jì)的積分電容自適應(yīng)的小像元尺寸紅外探測器讀出電路通過先積分后讀出的工作模式，對(duì)輸入光電流信號(hào)進(jìn)行積分后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)再依次通過輸出緩沖器讀出，完成一幀圖像的輸出。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含積分輸入、采樣、行選列選控制和緩沖輸出四個(gè)模塊。

9、所述所述ctia輸入級(jí)電路包含四個(gè)nmos開關(guān)、四個(gè)探測器二極管、一個(gè)傳輸們開關(guān)、一個(gè)pmos做差分對(duì)管的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器及nmos可變電容器；四個(gè)像元輸入信號(hào)分別通過四個(gè)控制信號(hào)int1、int2、int3、int4進(jìn)行控制，依次對(duì)像元進(jìn)行積分讀出；輸入電流信號(hào)接運(yùn)放反向輸入端，運(yùn)放正向輸入端接帶隙基準(zhǔn)電壓；在復(fù)位開關(guān)ret打開后，對(duì)積分電容兩端電壓進(jìn)行復(fù)位，關(guān)閉后電容進(jìn)行積分，這里的積分電容采用nmos可變電容器，在積分過程中nmos可變電容器的源漏端電壓被鉗位在帶隙基準(zhǔn)電壓，柵端電壓為積分電壓，電流越大，積分電壓越大，電容兩端壓差越大，電容值也越大；相反，電流越小，積分電壓越小，電容兩端壓差越小，電容值也越小，達(dá)到積分電容自適應(yīng)。

10、所述開關(guān)電容采樣電路包括四個(gè)采樣開關(guān)和四個(gè)采樣電容；采樣開關(guān)分別用sh1、sh2、sh3、sh4進(jìn)行開關(guān)的控制，采樣電容選用nmos可變電容器，節(jié)省版圖面積；sh開關(guān)閉合一段時(shí)間后，采樣電容完成對(duì)積分電壓的采樣，進(jìn)入行選列選控制模塊。

11、行選列選控制模塊包含十個(gè)傳輸門開關(guān)，其中row1控制第一像元和第三像元，row2控制第二像元和第四像元。row1代表奇數(shù)行，所有的第一像元和第三像元都位于奇數(shù)行；row2代表偶數(shù)行，所有的第二像元和第四像元都位于偶數(shù)行；列選模塊包含兩個(gè)開關(guān)，col1控制第一像元和第二像元，col2控制第三像元和第四像元。col1代表奇數(shù)列，所有的第一像元和第二像元都位于奇數(shù)列上，col2代表偶數(shù)列，所有的第三像元和第四像元都位于偶數(shù)列上。這樣就可以實(shí)現(xiàn)奇偶交替讀出，所有的第一像元都在奇數(shù)行奇數(shù)列；所有的第二像元都在偶數(shù)行奇數(shù)列；所有的第三像元都在奇數(shù)行偶數(shù)列；所有的第四像元都在偶數(shù)行偶數(shù)列，實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。

12、輸出緩沖模器由輸出緩沖器組成，其中單元內(nèi)單位增益緩沖器用于驅(qū)動(dòng)行總線，單元外的列級(jí)單位增益緩沖器用于驅(qū)動(dòng)列總線，輸出緩沖器用于驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載。

13、本發(fā)明的有益效果在于：

14、(1)通過采用nmos可變電容器替代傳統(tǒng)電容，實(shí)現(xiàn)了積分電容值隨光強(qiáng)變化而自適應(yīng)調(diào)整，有效避免了積分電荷量過飽和或欠曝的情況，從而增大了讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。

15、(2)采用折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，保證了較好的注入效率及線性度，提高了電路的靈敏度和成像質(zhì)量。

16、(3)通過四個(gè)像元分時(shí)共用一個(gè)ctia結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了讀出電路的版圖面積，使其能夠適配更小像元、更大陣列的紅外探測器，降低了電路成本和功耗。

17、(4)采用先積分后讀出的工作模式，能夠有效地將輸入光電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的依次輸出，提高了電路的輸出效率。

18、綜上所述，本發(fā)明通過采用nmos可變電容器、折疊式共源共柵運(yùn)算放大器、四像元分時(shí)共用ctia結(jié)構(gòu)以及先積分后讀出的工作模式等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了積分電容自適應(yīng)的小像元尺寸紅外探測器讀出電路，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、版圖面積小、注入效率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，為高集成度、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和智能化的紅外探測器讀出電路設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。

19、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。