红外焦平面阵列及其读出电路制造技术

本发明专利技术公开一种红外焦平面阵列及其读出电路，该读出电路包括输出节点、N+1个放大器、N+1个第一级开关和列控制信号产生逻辑，其中，还包括M+1个输出总线、M+1个第一级模拟输出缓冲器，所述N+1个放大器均分为M+1组，每组放大器之一分别通过一个所述第一级开关连接于每一输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输入端分别连接于所述M+1个输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输出端分别通过一第二级开关和所述输出节点连接；所述第一级开关、第二级开关的控制信号由所述列控制信号产生模块产生，且M、N为自然数，N+1是M+1的整数倍。本发明专利技术可实现模拟电压高速、精确地输出到片外，并具有较低的功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子及光电子
，尤其涉及一种红外焦平面阵列(infrared focal plane array) 1 (readout integrated circuit)，3^, ^! ^ 一禾中胃卖 出电路的红外焦平面阵列。
技术介绍
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。探测器阵列的作用是 实现光电转换，读出电路的作用则是完成像素信号的处理和读出。其中，读出电路对红外成 像系统的性能有重要影响。现有的红外焦平面阵列读出电路如图1所示，包括像素读出阵列111、列读出缓冲 级112、输出开关113、输出缓冲级114和行、列控制信号产生逻辑(图中未示出)，其中OUT 为输出节点。红外焦平面阵列读出电路的基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大以 及传输。模拟输出级电路是与红外探测器阵列的接口电路，其性能好坏直接影响整个读出 电路。其中，像素读出阵列111是红外探测器阵列与读出电路的接口，完成探测器偏置、信 号积分等功能；列读出缓冲级112为单位增益接法的运算放大器，完成将积分放大信号传 输到输出缓冲级114的作用；开关113大多由互补MOS管构成，控制列信号串行输出到输出 缓冲级；输出缓冲级114通常也是单位增益接法的运算放大器，完成对信号的最终输出。通 常列读出缓冲级112采用一级运放结构，而输出缓冲级114由于需要驱动电阻负载，因此通 常采用两级结构。读出电路按照先积分后读出的顺序工作，即像素读出阵列111以行为单位顺序对 光电流积分，一行积分完毕后，在列选信号的控制下，每列的积分信号依次通过列读出缓冲 级112和输出缓冲级114读出。读出电路的像素信号传输速率是由每列信号的读出延迟制 约的。每列信号的读出延迟Tdelay可由下式估算Tdeiay Tslew+T^oi—anip+Tbuffer其中，Tslew为大信号建立时间，通常由列读出缓冲级112和输出缓冲级114中大信 号建立时间较长的一个决定。Tcol amp和Tbuffw分别代表列读出缓冲级112和输出缓冲级114 的小信号建立时间，他们由各自的增益带宽积决定。为了保证信号精确输出，每个列周期必 须大于列信号的读出延迟。近年来，红外焦平面阵列组件规模的不断扩大，每帧图像包含的像素增加，在帧速 不变的条件下，读出电路对像素读出的速率要求越来越高。虽然可以使用多通道并行工作 的方法增大读出速率，但其代价是增加额外的列读出缓冲级和输出缓冲级，因而增加了功 耗、面积和电路的复杂度。而红外焦平面阵列读出电路既要具有高的工作性能，又要具有低 的功耗指标，因此随着红外焦平面阵列组件规模的扩大，其读出电路主要由列读出缓冲级 和输出缓冲级组成的模拟输出缓冲级结构亟待改进。另外，在上述现有的读出电路中，还额外加入了列读出缓冲级112的噪声，这在低噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference，简称NETD)红外成像芯片设 计中是不可取的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种红外焦平面阵列读出电路，以解决现有技术存在的高 工作性能和低功耗、低复杂度难以兼具的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种红外焦平面阵列，以解决其读出电路高工作性能 和低功耗、低复杂度难以兼具的问题。为了实现上述目的之一，本专利技术提供的红外焦平面阵列读出电路包括输出节点、 N+1个放大器、N+1个第一级开关和列控制信号产生模块，其中，还包括M+1个输出总线、M+1 个第一级模拟输出缓冲器(buffer)，所述N+1个放大器均分为M+1组，每组放大器之一分别 通过一个所述第一级开关连接于每一输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输入 端分别连接于所述M+1个输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输出端分别通过 一第二级开关和所述输出节点连接；其中，所述第一级开关、第二级开关的控制信号由所述 列控制信号产生逻辑产生，且M、N为自然数，N+1是M+1的整数倍。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述N+1个放大 器的输入端和反相输入端之间分别连接一电容组成N+1个积分器。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，在所述输出节点 和第二级开关之间还连接有P+1个第二级模拟输出缓冲器和P+1个第三级开关，P为自然 数；其中，耦接于同一个所述输出总线的第二级开关分为一组，所述M+1个第二级开关均分 为P+1组，每一组第二级开关连接于同一所述第二级模拟输出缓冲器的输入端，所述第二 模拟输出缓冲器的输出端分别通过一个所述第三级开关和所述输出节点连接。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述第一级模拟 输出缓冲器输入级为轨对轨(rail to rail)的NMOS、PMOS互补的差分输入级、单NMOS输 入级或单PMOS输入级。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述第二级模拟 输出缓冲器输出级为悬浮栅甲乙类输出级结构。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，其特征在于，所述 第二级模拟输出缓冲器的输入端和输出端之间分别连接一补偿电容。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述第一级开关 和第二级开关由互补MOS管构成。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述第三级开关 由互补MOS管构成。根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述第一级开关、 第二级开关、第三级开关均为控制信号高电平时导通，其时序为第一级开关为Q个主时钟 (Master Clock，简称MC)的导通脉冲，Q彡M+1，第一级开关的导通脉冲依次延迟一个MC出 现；第二级开关为R个MC的导通脉冲，R ( P+1，第一个第二级开关的导通脉冲出现在第一 个第一级开关的Q个MC导通电平的最后R个MC，第二级开关的导通脉冲依次延迟一个MC 出现；第三级开关高电平为一个MC，周期为P+1个MC，第一个第三级开关的高电平出现在第一个第二级开关的R个MC导通电平的最后一个MC，第三级开关的高电平脉冲依次延迟一 个MC出现；第一级开关、第二级开关、第三级开关同时为高电平时，第一级开关对应的那列 信号输出到输出节点，Q、R为自然数。为了实现本专利技术的另一目的，本专利技术提供的红外焦平面阵列，包括红外探测器阵 列和红外焦平面阵列读出电路，所述红外焦平面阵列读出电路耦接于所述红外探测器阵列 以对其探测的微弱热辐射信号进行处理和输出，其中，所述红外焦平面阵列读出电路为上 述的红外焦平面阵列读出电路之一。本专利技术采用读出放大电路直接接到模拟输出级，并采用预置输出总线和分级输出 级结构，实现模拟电压高速、精确地输出到片外或其他输出端，具有较低的功耗，适用于低 NETD、较大面阵和较高帧频的红外焦平面阵列读出电路。附图说明图1为现有红外焦平面阵列读出电路的结构示意图；图2为本专利技术红外焦平面阵列读出电路原理性结构示意图；图3为本专利技术红外焦平面阵列读出电路优选实施例的具体结构示意图；图4为图3所示优选实施例的开关SO、Si、S2的时序图；图5为应用于具有384*288像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外焦平面阵列读出电路，包括输出节点、Ｎ＋１个放大器、Ｎ＋１个第一级开关和列控制信号产生逻辑，其特征在于，还包括Ｍ＋１个输出总线、Ｍ＋１个第一级模拟输出缓冲器，所述Ｎ＋１个放大器均分为Ｍ＋１组，每组放大器之一分别通过一个所述第一级开关连接于每一输出总线，所述Ｍ＋１个第一级模拟输出缓冲器的输入端分别连接于所述Ｍ＋１个输出总线，所述Ｍ＋１个第一级模拟输出缓冲器的输出端分别通过一第二级开关和所述输出节点连接；其中，所述第一级开关、第二级开关的控制信号由所述列控制信号产生模块产生，且Ｍ、Ｎ为自然数，Ｎ＋１是Ｍ＋１的整数倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，雷述宇，
申请(专利权)人：北京广微积电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11