一种红外读出电路和模数转换器的制作方法

1.本发明涉及红外焦平面阵列技术领域，尤其涉及一种红外读出电路和模数转换器。


背景技术：

2.红外成像是一种通过探测目标物体的热辐射获得红外成像的探测器技术。其中非制冷红外焦平面阵列探测器在成本、便携性、功耗等方面具有明显优势，因而被广泛应用于夜视、监控、热像测温等军事、民用领域。读出电路的设计一直是非制冷红外焦平面阵列的研究难点和热点，按读出方式可分为模拟读出和数字读出，其中数字读出通过片内集成adc完成模数转换，模拟信号的传输路径更短，损耗更少，因而相比于模拟读出具有更高的性能。红外焦平面探测器对衬底温度的敏感性以及应用场景的便携性，都对读出电路的功耗尤其是adc的功耗提出了相当严格的限制。
3.折叠积分adc是一种常见的红外读出电路adc方案，通过对积分电容上的信号进行折叠积分，具有电路结构简单、功耗较低、电荷处理能力较大等优点。
4.但是这种红外读出电路中，比较器的延迟以及积分电容复位的充放电时间会导致非线性，而且非线性会随着信号的增加而增大，从而限制adc的精度和动态范围。如果直接增加比较器功耗，虽然可以减小延迟、提高线性度，但是非制冷红外读出电路的功耗预算有限，功耗过大将导致衬底温度过高，直接影响热敏探测器的性能。因此如何在不增加功耗的前提下提高线性度是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种红外读出电路和模数转换器，提出了一种既不增加功耗，又可以提高线性度。
6.本发明实施例第一方面提供一种红外读出电路，所述电路包括：转换单元、积分单元、比较器、控制逻辑单元；
7.所述转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将所述二极管探测器电压与所述盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至所述积分单元；
8.所述积分单元受控于所述控制逻辑单元，对所述电流进行折叠积分；
9.所述控制逻辑单元接收所述比较器发送的翻转信号，向所述积分单元发送控制信号；
10.其中，所述积分单元包括：两个积分电容；
11.所述两个积分电容受控于所述控制信号，对所述电流交替进行折叠积分，在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位；
12.所述红外焦平面阵列中每一列共同一个所述红外读出电路。
13.可选地，所述积分单元还包括：四个控制开关；
14.所述四个控制开关和所述两个积分电容，构成一个乒乓复位结构；
15.所述四个控制开关接收控制信号，基于所述乒乓复位结构，控制所述两个积分电容对所述电流交替进行折叠积分，并且在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位。
16.可选地，所述电路还包括：复位开关；所述转换单元包括：跨导放大器；所述积分单元还包括：积分晶体管；
17.所述四个控制开关分别为：第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关；所述两个积分电容分别为：第一积分电容、第二积分电容；
18.所述跨导放大器的同相端接收所述二极管探测器电压；
19.所述跨导放大器的反相端接收所述盲端探测器电压；
20.所述跨导放大器的输出端与所述积分晶体管的源极连接；
21.所述积分晶体管的栅极接收积分信号；
22.所述积分晶体管的漏极与所述第一控制开关的第一端、所述第四控制开关的第一端、所述复位开关的第二端、所述比较器的同相端分别连接；
23.所述第一控制开关的第二端与所述第一积分电容的上极板、所述第二控制开关的第一端分别连接；
24.所述第二控制开关的第二端与所述第一积分电容的下极板、所述第三控制开关的第一端分别连接，所述第一积分电容的下极板接收复位电压；
25.所述第三控制开关的第二端与所述第二积分电容的上极板、所述第四控制开关的第二端分别连接；
26.所述第二积分电容的下极板接收所述复位电压；
27.所述复位开关的第一端接收所述复位电压；
28.所述比较器的反相端接收参考电压。
29.可选地，所述比较器的输出端与所述控制逻辑单元连接；
30.所述控制逻辑单元根据所述翻转信号，产生所述控制信号，所述控制信号用于控制所述四个控制开关的断开或者闭合。
31.可选地，所述控制信号包括：第一控制信号和第二控制信号；
32.所述第一控制开关、所述第三控制开关受控于所述第一控制信号；
33.所述第二控制开关、所述第四控制开关受控于所述第二控制信号；
34.所述第一控制开关和所述第三控制开关同时断开或者同时闭合；
35.所述第二控制开关和所述第四控制开关同时断开或者同时闭合；
36.所述第一控制开关和所述第三控制开关断开时，所述第二控制开关和所述第四控制开关闭合，所述第一控制开关和所述第三控制开关闭合时，所述第二控制开关和所述第四控制开关断开。
37.可选地，所述控制逻辑单元根据所述翻转信号，交替产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，当前次接收到一个所述翻转信号时，产生所述第一控制信号，则下一次接收到一个所述翻转信号时，产生所述第二控制信号。
38.可选地，所述第一控制开关和所述第三控制开关，受控于所述第一控制信号闭合时，所述第二控制开关和所述第四控制开关断开，所述第一积分电容对所述电流进行折叠
积分，同时所述第二积分电容的上极板电压被复位至所述复位电压；
39.所述第二控制开关和所述第四控制开关，受控于所述第二控制信号闭合时，所述第一控制开关和所述第三控制开关断开，所述第二积分电容对所述电流进行折叠积分，同时所述第一积分电容的上极板电压被复位至所述复位电压。
40.可选地，所述第一积分电容对所述电流进行折叠积分时，所述第一积分电容的上极板电压从所述复位电压逐渐上升，直至上升至所述参考电压，所述比较器翻转，向所述控制逻辑单元发送所述翻转信号；
41.所述第二积分电容对所述电流进行折叠积分时，所述第二积分电容的上极板电压从所述复位电压逐渐上升，直至上升至所述参考电压，所述比较器翻转，向所述控制逻辑单元发送所述翻转信号。
42.可选地，所述电路还包括：计数器，所述计数器与所述比较器的输出端连接，用于记录所述第一积分电容和所述第二积分电容对所述电流交替进行折叠积分期间，所述比较器的翻转次数。
43.本发明实施例第二方面提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：如第一方面任一所述的电路。
44.本发明提供的红外读出电路，转换单元将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元；积分单元包括：两个积分电容，均受控于控制逻辑单元的控制信号，对电流交替进行折叠积分。即，在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位。
45.相较于目前传统的折叠积分adc，两个积分电容交替进行折叠积分以及交替复位。例如在一个电容进行积分时，没有直接对该电容进行复位，而是将另一个已经提前完成复位的电容切换代替该电容进行积分，这样就避免了比较器的延迟以及变相的消除了积分电容复位的充放电时间，这样就极大的降低了非线性，从而提高了adc的精度和动态范围，在不增加功耗的前提下提高线性度，具有较高的实用性价值。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1是本发明实施例一种红外读出电路的模块化示意图；
48.图2是本发明实施例中一种优选的红外读出电路的结构示意图；
49.图3是本发明实施例中红外读出电路的工作时序图。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.发明人发现，目前传统的折叠积分adc，在一次积分量化过程中，进行n次折叠，积分电容上的电荷q
int
可写为：
52.q
int
＝i
sig
t
int
＝q
eff
q
rst
q
ε
53.ꢀꢀꢀ
＝n
×
cv
ref
n
×isig
t
rst
cv
ε
#(1)
54.上式中，i
sig
表示转换单元转换出的电流，t
rst
表示总延迟时间(包括：比较器的延迟、积分电容复位的充放电时间以及比较器同相端电压超过参考电压，至恢复至参考电压的时间)，t
int
表示总积分时间，q
eff
表示电路实际处理的有效电荷，q
rst
表示因延迟导致电路未能处理而损失的电荷，q
ε
表示折叠积分完成后积分电容上的余量电荷，n为折叠次数，v
ε
为余量电压。
55.理想情况下，总延迟时间t
rst
和余量v
ε
为零，每次折叠复位的电荷包大小为cv
ref
，折叠次数为n
ideal
＝i
sig
t
int
/cv
ref
。但是由于实际情况延迟不为零，非线性δn可计算如下：
[0056][0057][0058]
上式中，式(2)做了近似处理，因为在实际应用中，余量v
ε
可以通过进一步细量化处理。由式(3)式可知，非线性δn随着电流i
sig
和总延迟时间t
rst
增加而增加，从而限制了adc的精度和动态范围。
[0059]
发明人经过大量研究、实测，创造性的提出本发明实施例的红外读出电路和模数转换器，既不增加功耗，又可以提高线性度。以下，对本发明实施例的红外读出电路和模数转换器进行详细解释和说明。
[0060]
参照图1，示出了本发明实施例一种红外读出电路的模块化示意图。红外读出电路包括：转换单元、积分单元、比较器、控制逻辑单元。
[0061]
转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元。一般情况下，转换出来的电流，其方向是从积分电容向转换单元抽取的，所以在折叠积分的过程中，积分电容的上极板电压会下降。
[0062]
控制逻辑单元接收比较器发送的翻转信号，向积分单元发送控制信号；而积分单元受控于控制逻辑单元，对电流进行折叠积分。具体的，积分单元包括：两个积分电容；两个积分电容受控于控制信号，对电流交替进行折叠积分，即，在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位，这样当另一个积分电容被切换准备开始进行折叠积分时，可以直接进行折叠积分，无需再像传统结构那样先进行复位，之后才开始进行折叠积分。整个红外焦平面阵列中每一列可以共同一个本发明实施例的红外读出电路。
[0063]
本发明实施例中，为了实现上述功能，一种较优的方式为将积分单元设计为乒乓复位结构。积分单元还包括：四个控制开关；该四个控制开关和前述的两个积分电容，构成
一个乒乓复位结构；四个控制开关接收控制信号，基于乒乓复位结构，控制两个积分电容对电流交替进行折叠积分，并且在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位。当然，本发明实施例对此不做具体限定，一切可以实现上述功能的电路或者元器件皆可。
[0064]
参照图2，示出了本发明实施例中一种优选的红外读出电路的结构示意图，图2中包括：跨导放大器gm、积分晶体管mp、第一积分电容c1、第二积分电容c2、复位开关sr、第一控制开关s1、第二控制开关s2、第三控制开关s3、第四控制开关s4、比较器cmp、控制逻辑单元controllogic(后文为了简洁，使用缩写cl代替)以及计数器counter。
[0065]
图2中以跨导放大器gm表示转换单元，其同相端接收二极管探测器电压(图2中v
in
)，跨导放大器gm的反相端接收盲端探测器电压(图2中 v
blind
)；跨导放大器gm的输出端与积分晶体管mp的源极连接。当然，其他可以实现跨导放大器gm功能的元器件或者电路均可以作为转换单元。
[0066]
积分晶体管mp的栅极接收积分信号int；积分晶体管mp的漏极与第一控制开关s1的第一端、第四控制开关s4的第一端、复位开关sr的第二端、比较器cmp的同相端(同相端接收积分电压v
int
)分别连接。积分信号int 为低电平期间，积分晶体管mp导通，此时红外读出电路处于折叠积分阶段，产生电流i
sig
；积分信号int为高电平期间，积分晶体管mp断开，此时红外读出电路不工作。
[0067]
第一控制开关s1的第二端与第一积分电容c1的上极板、第二控制开关 s2的第一端分别连接；第二控制开关s2的第二端与第一积分电容c1的下极板、第三控制开关s3的第一端分别连接，第一积分电容c1的下极板接收复位电压v
ss
。
[0068]
第三控制开关s3的第二端与第二积分电容c2的上极板、第四控制开关 s4的第二端分别连接；第二积分电容c2的下极板接收复位电压v
ss
；复位开关sr的第一端接收复位电压v
ss
，复位开关sr受控于复位信号φ
rst
；比较器cmp的反相端接收参考电压v
ref
。
[0069]
本发明实施例中，比较器cmp的输出端与控制逻辑单元cl连接；控制逻辑单元cl根据翻转信号(图2中cmp
out
)，产生控制信号，该控制信号用于控制四个控制开关的断开或者闭合。
[0070]
具体的，控制信号包括：第一控制信号(图2中signal1)和第二控制信号(图2中signal2)；第一控制开关s1、第三控制开关s3受控于第一控制信号；第二控制开关s2、第四控制开关s4受控于第二控制信号；第一控制开关s2和第三控制开关s3同时断开或者同时闭合；第二控制开关s2和第四控制开关s4同时断开或者同时闭合。第一控制开关s1和第三控制开关s3断开时，第二控制开关s2和第四控制开关s4闭合，第一控制开关s1和第三控制开关s3闭合时，第二控制开关s2和第四控制开关s4断开。
[0071]
本发明实施例中，控制逻辑单元cl可以根据比较器cmp发送的翻转信号，交替产生第一控制信号和第二控制信号。一般情况下，第一积分电容 c1对电流进行折叠积分时，第一积分电容c1的上极板电压从复位电压v
ss
逐渐上升，直至上升至参考电压v
ref
，此时比较器cmp翻转，向控制逻辑单元cl发送翻转信号；第二积分电容c2对电流进行折叠积分时，第二积分电容c2的上极板电压从复位电压v
ss
逐渐上升，直至上升至参考电压v
ref
，比较器cmp翻转，向控制逻辑单元cl发送翻转信号。
[0072]
假若控制逻辑单元cl当前次接收到一个翻转信号时，其产生的是第一控制信号，
则下一次控制逻辑单元cl接收到一个翻转信号时，其产生的是第二控制信号，第三次控制逻辑单元cl接收到一个翻转信号时，其产生的又是第一控制信号，以此类推，直至整个折叠积分过程结束。
[0073]
第一控制开关s1和第三控制开关s3，受控于第一控制信号闭合时，则第二控制开关s2和第四控制开关s4断开，此时，第一积分电容c1对电流进行折叠积分，同时第二积分电容c2的上极板电压被复位至复位电压v
ss
；第二控制开关s2和第四控制开关s4，受控于第二控制信号s2闭合时，则第一控制开关s1和第三控制开关s3断开，此时，第二积分电容c2对电流进行折叠积分，同时第一积分电容c1的上极板电压被复位至复位电压v
ss
。
[0074]
对于计数器counter，计数器counter与比较器cmp的输出端连接，用于记录第一积分电容c1和第二积分电容c2对电流交替进行折叠积分期间，比较器cmp的翻转次数，该翻转次数即为adc的n比特量化结果bn...b1。
[0075]
综上所述，结合图2和图3所示的红外读出电路的工作时序图，本发明实施例的红外读出电路的工作原理为：
[0076]
当模数转换器开始工作后，int若为高电平，积分晶体管mp断开，红外读出电路不进行折叠积分，只有int为低电平，积分晶体管mp导通，红外读出电路开始进行折叠积分，首先，复位信号φ
ret
为高电平，使得复位开关sr闭合，复位整个红外读出电路，之后复位信号φ
ret
变为低电平，两个积分电容开始进行折叠积分，在整个折叠积分的过程中，复位信号φ
ret
均保持为低电平。
[0077]
开始折叠积分时，若第一控制信号signal1为高电平信号，第二控制信号signal2为低电平信号，则第一控制开关s1和第三控制开关s3闭合，第二控制开关s2和第四控制开关s4断开，那么第一积分电容c1开始进行折叠积分，第二积分电容c2因为回路断开，自然无法进行折叠积分，并且第二积分电容c2的上极板电压为复位电压v
ss
。
[0078]
由于跨导放大器gm一直在将两个探测器的电压差转换为电流在积分电容上积分，因此第一积分电容c1的上极板电压v
int
从复位电压v
ss
开始上升，当上极板电压v
int
上升至参考电压v
ref
时，比较器cmp输出翻转信号cmp
out
(翻转信号为一个脉冲信号)。
[0079]
比较器cmp输出翻转信号cmp
out
至控制逻辑单元cl，控制逻辑单元 cl接收到后，产生高电平的第二控制信号signal2，此时第一控制信号signal1 为低电平。因此，第二控制开关s2和第四控制开关s4闭合，第一控制开关 s1和第三控制开关s3断开，那么第二积分电容c2开始进行折叠积分，同时，第一积分电容c1因为回路断开，自然无法进行折叠积分，并且第一积分电容c1的上极板电压被复位，又变为复位电压v
ss
。
[0080]
与第一积分电容c进行折叠积分相同的过程，第二积分电容c2的上极板电压v
int
从复位电压v
ss
开始上升，当上极板电压v
int
上升至参考电压 v
ref
时，比较器cmp再一次输出翻转信号cmp
out
至控制逻辑单元cl。
[0081]
控制逻辑单元cl接收到后，又产生高电平的第一控制信号signal1，此时第二控制信号signal1又变为低电平。因此，第一控制开关s1和第三控制开关s3闭合，第二控制开关s2和第四控制开关s4断开，那么第一积分电容 c1再一次开始进行折叠积分，同时，第二积分电容c2再一次因为回路断开，无法进行折叠积分，并且第二积分电容c2的上极板电压再次被复位，又变为复位电压v
ss
。上述过程重复进行，直至整个折叠积分结束，即，int变为高电平，积分晶体管mp断开。
[0082]
而在整个折叠积分的过程中，计数器counter持续记录第一积分电容c1和第二积分电容c2对电流交替进行折叠积分期间，比较器cmp的翻转次数，该翻转次数即为adc的n比特量化结果bn...b1。
[0083]
相对于目前传统结构的红外读出电路，本发明实施例的红外读出电路的总延迟时间更短，是因为：目前传统结构的红外读出电路，其总延迟时间trst 包括：比较器cmp的延迟时间t
d2
、积分电容复位的充放电时间t
ch
以及比较器同相端电压超过参考电压，到恢复至参考电压的时间t
d1
。而本发明实施例的读出电路，用了乒乓复位结构，使用两个积分电容c1和c2交替进行复位，一个积分电容进行折叠积分的过程中，另一个积分电容完成复位，另一个积分电容可以直接开始进行折叠积分，因此没有比较器cmp的延迟时间t
d2
和积分电容复位的充放电时间t
ch
的存在，仅有比较器同相端电压超过参考电压，到恢复至参考电压的时间t
d1
的存在，如图3中示例性的示出了t
d1
的存在，所以本发明实施例的红外读出电路的总延迟时间相较于目前传统结构的红外读出电路的总延迟时间更短。
[0084]
基于上述红外读出电路，本发明实施例还提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：如上任一所述的红外读出电路。
[0085]
综上所述，本发明实施例的红外读出电路，转换单元将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元；积分单元在任一一个积分电容进行折叠积分时，另一个积分电容的上极板电压被复位。
[0086]
相较于目前传统的折叠积分adc，两个积分电容交替进行折叠积分以及交替复位。例如在一个电容进行积分时，没有直接对该电容进行复位，而是将另一个已经提前完成复位的电容切换代替该电容进行积分，这样就避免了比较器的延迟以及变相的消除了积分电容复位的充放电时间，极大的降低了非线性，从而提高了adc的精度和动态范围，在不增加功耗的前提下提高了线性度，具有较高的实用性价值。
[0087]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0088]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。