用于非制冷红外探测器的模数转换器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种用于非制冷红外探测器的模数转换器及其控制方法。其中所述模数转换器包括斜坡发生器，被配置为给多个列内电路提供了一段粗量化斜坡电压和一段细量化斜坡电压；粗量化计数器，被配置为与所述粗量化斜坡电压同步计数粗量化数据，并输出最终计数的粗量化数据结果；细量化计数器，被配置为与所述细量化斜坡电压同步计数细量化数据，并输出最终计数的细量化数据结果；列内电路，被配置为比较所述斜坡电压和待检测电压的大小，产生一个跳变信号并根据所述跳变信号锁存此刻的粗量化数据结果和细量化数据结果。本发明专利技术的模数转换器实现了数字输出降低了噪声、功耗、使用难度和成本。难度和成本。难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
用于非制冷红外探测器的模数转换器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及红外成像技术，特别是涉及红外成像技术中的非制冷红外焦平面阵列读出电路。

技术介绍

[0002]目前，非制冷红外成像技术在军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用。作为非制冷红外成像技术核心的红外焦平面阵列，包括红外探测器阵列和读出电路两部分。其中，微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列，其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。
[0003]微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构。桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面由两条具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电学上连接到微测辐射热计下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元，简称像元。敏感像元又称为敏感微测辐射热计，与之对应的有两种盲像元，其中一种桥面与衬底热学短路，温度恒等于衬底温度，称为热短路像元；另一种是结构与敏感微测辐射热计完全相同，但是被遮挡了，所以不能感应目标辐射，称为被遮挡像元。利用这两种盲像元可以有效抵消敏感像元阻值随衬底温度变化带来的输出电压波动，实现无TEC(热电制冷器)功能。
[0004]读出电路的作用则是对敏感像元的响应信号进行处理(比如滤波、放大)和读出，并对像元电阻的非均匀性进行校正。传统的读出电路输出的是模拟电压，需要机芯用户在片外使用高速高精度模数转换器(ADC)。这不仅增加了系统的噪声、功耗、使用难度和成本，还不利于机芯产品的国产化。为此，本专利技术提供了一种用于非制冷红外探测器的高精度、高输入范围、低时钟速率的模数转换器，实现了数字输出，降低了噪声、功耗、使用难度和成本，同时还实现了机芯模拟转换器的国产化。

技术实现思路

[0005]在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006]本专利技术解决的技术问题是提供一种用于非制冷红外探测器的模数转换器，实现了数字输出，方便用户使用。
[0007]本专利技术提供了一种用于非制冷红外探测器的模数转换器，其特征在于包括：
[0008]斜坡发生器，所述斜坡发生器被配置为在粗量化阶段和细量化阶段给多个列内电路分别提供了斜坡电压，其中包括一段粗量化斜坡电压和一段细量化斜坡电压；
[0009]粗量化计数器，所述粗量化计数器被配置为在所述粗量化阶段与所述粗量化斜坡电压同步计数粗量化数据，并输出最终计数的粗量化数据结果；
[0010]细量化计数器，所述细量化计数器被配置为在所述细量化阶段与所述细量化斜坡电压同步计数细量化数据，并输出最终计数的细量化数据结果；
[0011]列内电路，所述列内电路被配置为比较所述粗量化斜坡电压和待检测电压的大小，产生一个粗量化跳变信号并根据所述粗量化跳变信号锁存此刻的粗量化数据结果，存储此时的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差，以及比较所述存储的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差加上所述细量化斜坡电压之和与所述待检测电压之间的大小，产生一个细量化跳变信号并根据所述细量化跳变信号锁存此刻的细量化数据结果。
[0012]本专利技术还提供了一种用于所述的非制冷红外探测器的模数转换器的控制方法，所述方法包括：
[0013]所述斜坡发生器在所述粗量化阶段和所述细量化阶段给多个所述列内电路分别提供了斜坡电压，其中包括一段所述粗量化斜坡电压和一段所述细量化斜坡电压；
[0014]所述粗量化计数器在所述粗量化阶段与所述粗量化斜坡电压同步计数所述粗量化数据，并输出最终计数的所述粗量化数据结果；
[0015]所述细量化计数器在所述细量化阶段与所述细量化斜坡电压同步计数所述细量化数据，并输出最终计数的所述细量化数据结果；
[0016]所述列内电路比较所述粗量化斜坡电压和所述待检测电压的大小，产生一个所述粗量化跳变信号并根据所述粗量化跳变信号锁存此刻的所述粗量化数据结果，存储此时的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差，以及比较所述存储的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差加上所述细量化斜坡电压之和与所述待检测电压之间的大小，产生一个所述细量化跳变信号并根据所述细量化跳变信号锁存此刻的所述细量化数据结果。
[0017]本专利技术还提供了一种模数转换器的控制方法，所述方法包括如下步骤：
[0018]在粗量化阶段和细量化阶段提供一个斜坡电压，其中包括一段粗量化斜坡电压和一段细量化斜坡电压；
[0019]在所述粗量化阶段与所述粗量化斜坡电压同步计数粗量化数据，并输出最终计数的粗量化数据结果；
[0020]在所述细量化阶段与所述细量化斜坡电压同步计数细量化数据，并输出最终计数的细量化数据结果；
[0021]比较所述粗量化斜坡电压和待检测电压的大小，产生一个粗量化跳变信号并根据所述粗量化跳变信号锁存此刻的所述粗量化数据结果，存储此时的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差，以及比较所述存储的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差加上所述细量化斜坡电压之和与所述待检测电压之间的大小，产生一个所述细量化跳变信号并根据所述细量化跳变信号锁存此刻的所述细量化数据结果。
[0022]本专利技术通过在片内分两个阶段实现模数转化，并直接将数字信号输出到片外，避免了传统非制冷红外探测器需要在片外进行高速模数转换的弊端，降低了非制冷红外探测器使用难度。
附图说明
[0023]为了进一步阐述本专利技术的以上和其它优点和特征，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。具有相同的功能和结构的元件用相同的参考标号表示。应当理解，这些附图仅描述本专利技术的典型示例，而不应看作是对本专利技术的范围的限定，其中：
[0024]图1是本专利技术的模数转换器总体原理图；
[0025]图2a和图2b分别是本专利技术提供的第一种模数转换器列内电路的原理图及其工作时序；
[0026]图3a和图3b分别是本专利技术提供的第二种模数转换器列内电路的原理图及其工作时序；
[0027]图4是本专利技术提供的一种粗量化斜坡电压和细量化斜坡电压产生方法的一个实例；
[0028]图5是本专利技术的模数转换器控制方法流程图。
具体实施方式
[0029]在下文中将结合附图对本专利技术的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于非制冷红外探测器的模数转换器，其特征在于包括：斜坡发生器，所述斜坡发生器被配置为在粗量化阶段和细量化阶段给多个列内电路分别提供了斜坡电压，其中包括一段粗量化斜坡电压和一段细量化斜坡电压；粗量化计数器，所述粗量化计数器被配置为在所述粗量化阶段与所述粗量化斜坡电压同步计数粗量化数据，并输出最终计数的粗量化数据结果；细量化计数器，所述细量化计数器被配置为在所述细量化阶段与所述细量化斜坡电压同步计数细量化数据，并输出最终计数的细量化数据结果；列内电路，所述列内电路被配置为比较所述粗量化斜坡电压和待检测电压的大小，产生一个粗量化跳变信号并根据所述粗量化跳变信号锁存此刻的粗量化数据结果，存储此时的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差，以及比较所述存储的粗量化斜坡电压与最低量化电压之差加上所述细量化斜坡电压之和与所述待检测电压之间的大小，产生一个细量化跳变信号并根据所述细量化跳变信号锁存此刻的细量化数据结果。2.根据权利要求1所述的模数转换器，其中所述粗量化数据结果和细量化数据结果为格雷码；所述模数转换器还包括数字处理电路，所述数字处理电路被配置为将所述格雷码转换为二进制码并对所述二进制码进行运算，然后将运算结果输出到片外。3.根据权利要求1所述的模数转换器，其中所述列内电路包括比较器、逻辑电路、存储器、第一开关、第二开关、第三开关和第一电容；其中用于输入所述斜坡电压的斜坡电压输入端通过所述第一开关连接到所述第一电容的正端，所述第一电容的正端还连接了所述比较器的正输入端，所述第一电容的负端分别通过所述第二开关和所述第三开关连接到所述斜坡电压的输入端和最低量化电压的输入端，所述比较器负输入端接所述待检测电压的输入端，所述比较器输出端输出所述跳变信号到所述存储器和所述逻辑电路；所述比较器输出的所述跳变信号发生跳变时，所述存储器将粗量化数据结果和细量化数据结果锁存下来；所述逻辑电路输入是所述跳变信号和第一控制信号，所述逻辑电路输出是第三控制信号，其中所述第一控制信号为粗量化阶段控制信号，当所述第一控制信号为有效时，所述模数转换器处于所述粗量化阶段，所述第三控制信号用于控制所述第三开关；所述第二开关受第二控制信号所控制，其中第二控制信号为细量化阶段控制信号，当第二控制信号为有效时，所述模数转换器处于所述细量化阶段。4.根据权利要求3所述的模数转换器，其中所述第一开关由所述第一控制信号所控制；在所述粗量化阶段，所述第一控制信号有效，所述第二控制信号无效，所述第一开关闭合，并且第二开关断开；在所述细量化阶段，所述第一控制信号无效，所述第二控制信号有效，所述第一开关断开，并且第二开关闭合；所述第三控制信号在所述粗量化阶段开始时有效，控制所述第三开关闭合，并通过所述斜坡电压与所述最低量化电压之间的电压差对所述第一电容充电，直到所述粗量化跳变信号发生跳变时无效，并控制所述第三开关断开，第一电容上电压差保持不变。5.根据权利要求4所述的模数转换器，其特征在于：
所述模数转换器的分辨率为N比特，其量化范围是V
L
至V
H
，V
L
为最低量化电压，V
H
为最高量化电压，其中把N比特分为高位和低位两部分，高位段为M个比特，低位段为L个比特；根据公式V
in
＝V
L
+m*V
dC
+x*V
LSB
计算所述待检测电压，其中V
in
为所述待检测电压，V
dC
为所述粗量化阶段每个时钟周期所述粗量化斜坡电压的变化的步长，其中V
dC
＝FSR/2
M
，FSR为所述模数转换器的量程，其中FSR＝V
H
‑
V
L
，V
LSB
为所述细量化阶段每个时钟周期所述细量化斜坡电压变化的步长，其中V
LSB
＝V
dC
/2
L
，m是粗量化阶段比较器输出跳变信号时的计数值，并且0≤m≤2
M
‑
1，而x是细量化阶段比较器输出跳变信号时的计数值，并且0≤x<2
L
；在所述粗量化阶段，所述粗量化斜坡电压从所述最低量化电压逐步上升到最高量化电压，每个时钟周期增加电压V
dC
，与此同时，所述粗量化计数器从0开始每个时钟周期加1计数，当粗量化斜坡电压上升到V
L
+(m+1)*V
dC
时，所述比较器输出所述粗量化跳变信号，并且所述粗量化计数器计数到m，所述第三开关断开，所述存储器锁存此时的粗量化计数器值m作为所述粗量化数据结果，并且所述第一电容保持此时所述粗量化斜坡电压与所述最低量化电压之差；在所述细量化阶段，所述第二开关选通，所述第一电容负端电压等于所述细量化斜坡电压，并且所述细量化斜坡电压从V
L
‑
V
dC
增长到V
L
，每个时钟周期增加电压V
LSB
，与此同时，所述细量化计数器从0开始每个时钟周期加1计数，当细量化斜坡电压上升到V
L
‑
V
dC
+(x+1)*V
LSB
时，所述比较器输出所述细量化跳变信号，并且所述细量化计数器计数到x，所述存储器锁存此时的细量化计数器值x作为所述细量化数据结果，完成了细量化；所述粗量化数据结果和所述细量化数据结果输出到所述数字处理电路。6.根据权利要求3所述的模数转换器，其中所述第一开关由所述第三控制信号所控制；在所述粗量化阶段，所述第二控制信号无效，控制所述第二开关断开；在所述细量化阶段，所述第二控制信号有效，控制所述第二开关闭合；所述第三控制信号在所述粗量化阶段开始时有效，控制所述第一开关和所述第三开关闭合，并通过所述粗量化斜坡电压与所述最低量化电压之间的电压差对所述第一电容放电，直到所述粗量化跳变信号发生跳变时无效，并控制所述第一开关和所述第三开关断开，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭果，方辉，李海博，郭健海，云朝，
申请(专利权)人：北方广微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：