【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于红外探测器读出电路，涉及一种积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路。
技术介绍
1、红外图像传感技术因其不受环境影响、目标识别效果好、抗干扰性强等优点而受到广泛关注，首先被广泛应用于军事领域，随着民用需求急剧增长，加上红外物理与技术的不断发展，红外探测技术被广泛应用于各个行业和部门，已然发展成为军民两用技术。为了适应未来市场应用需求，红外探测器读出电路正朝着高集成度、低功耗、宽动态范围和智能化的方向发展。随着红外焦平面集成度的提高，探测器的动态范围难以提高，噪声电子数与满阱电荷容量难以权衡，因此需改善电路结构，使积分电容随光照强度的变化自适应变化，增大动态范围。
2、作为红外探测器读出电路中常用的输入结构之一，ctia电路存在许多优点：在ctia结构中，探测器与运放输入端相连，由于运放的输入阻抗很大，由输入阻抗导致的输入效率下降程度十分微小，基本上可以忽略不计；运放具有虚短虚断的特点。探测器的两端分别与运放的正负端相连接，其两端电压差几乎为0，使得探测器两端电压能够维持在一个稳定的状态；注入效率与运放的增益相关，增益越大，注入效率越高。可以通过增大放大器增益的办法，提高注入效率；由于密勒效应，cint在输入端的等效电容为(1+a)cint，其中a为运放的开环增益。实现了当cint设计得较小时，输入端等效电容仍然可以很大，降低运放输入噪声。
3、高集成度的焦平面阵列要求更小的像元尺寸，ctia结构运放拥有众多优点，但在版图级消耗更多的面积，多像元共用一个ctia输入级可以节省版图面积；积
4、作为读出电路的重要指标，高动态范围能提高成像的精度和探测器的灵敏度；动态范围的大小直接代表了红外图像所能探测的光强变化范围。光强较弱，探测器所探测到光电流较小，所需积分电容小；光强较强，探测器所探测到的光电流较大，积分电容过小会导致积分电压过饱和，动态范围降低，因此需要设计可以随光强自适应的积分电容读出电路。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，该读出电路包括红外探测器、ctia输入级电路、电容开关采样电路、行选列选开关、单位输出缓冲器、列级缓冲器及输出缓冲器；
4、所述ctia电路包含运算放大器amp、复位开关ret、nmos可变电容器、探测器输入电流、带隙基准电压。其中，红外探测器的阳极、复位开关的第一端子及nmos可变电容器的源漏端接运算放大器的反相输入端；带隙基准电压接运算放大器的正向输入端；复位开关ret的第二端子、nmos可变电容器的栅极、采样开关第一端子接运算放大器的输出端；运算放大器输出端接开关电容采样电路；
5、所述开关电容采样电路由采样开关和采样电容构成，采样电容使用nmos可变电容器；采样开关第二端子与采样电容上级板接行选开关第一端子；行选开关第二端子接单位缓冲器正向输入端；单位输出缓冲器输出端接列级缓冲器正向输入端；列级缓冲器输出端接行选开关第一端子；行选开关第二端子接输出缓冲器。
6、所述ctia结构为四个像元共用，四个像元的输入分别由开关int1、int2、int3、int4控制，通过时序控制令电流信号依次进入ctia的nmos可变电容器进行积分。
7、nmos可变电容是由mos电容改进得到，nmos可变电容器漏极、源极与衬底一起接低，栅极电压由负到正mos电容依次进入三种工作状态，分别为堆积、耗尽和反型，nmos容值大致呈现“v”字形，电容值变化速度快且不随着栅压单调变化；nmos可变电容器将nmos做在n-well中，在栅极电压为负时，不存在反型区，mos管只工作在堆积和耗尽状态，电容值随栅压单调变化且变化曲线更平缓。
8、本专利技术设计的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路通过先积分后读出的工作模式，对输入光电流信号进行积分后转化为电压信号再依次通过输出缓冲器读出，完成一帧图像的输出。电路结构如图1所示，包含积分输入、采样、行选列选控制和缓冲输出四个模块。
9、所述所述ctia输入级电路包含四个nmos开关、四个探测器二极管、一个传输们开关、一个pmos做差分对管的折叠式共源共栅运算放大器及nmos可变电容器；四个像元输入信号分别通过四个控制信号int1、int2、int3、int4进行控制，依次对像元进行积分读出；输入电流信号接运放反向输入端，运放正向输入端接带隙基准电压；在复位开关ret打开后，对积分电容两端电压进行复位，关闭后电容进行积分，这里的积分电容采用nmos可变电容器，在积分过程中nmos可变电容器的源漏端电压被钳位在带隙基准电压，栅端电压为积分电压，电流越大，积分电压越大，电容两端压差越大，电容值也越大；相反，电流越小，积分电压越小，电容两端压差越小，电容值也越小，达到积分电容自适应。
10、所述开关电容采样电路包括四个采样开关和四个采样电容；采样开关分别用sh1、sh2、sh3、sh4进行开关的控制，采样电容选用nmos可变电容器，节省版图面积；sh开关闭合一段时间后，采样电容完成对积分电压的采样，进入行选列选控制模块。
11、行选列选控制模块包含十个传输门开关，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代表奇数行，所有的第一像元和第三像元都位于奇数行；row2代表偶数行，所有的第二像元和第四像元都位于偶数行；列选模块包含两个开关，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代表奇数列，所有的第一像元和第二像元都位于奇数列上，col2代表偶数列，所有的第三像元和第四像元都位于偶数列上。这样就可以实现奇偶交替读出，所有的第一像元都在奇数行奇数列；所有的第二像元都在偶数行奇数列；所有的第三像元都在奇数行偶数列；所有的第四像元都在偶数行偶数列，实现一一对应。
12、输出缓冲模器由输出缓冲器组成，其中单元内单位增益缓冲器用于驱动行总线，单元外的列级单位增益缓冲器用于驱动列总线，输出缓冲器用于驱动输出负载。
13、本专利技术的有益效果在于：
14、(1)通过采用nmos可变电容器替代传统电容，实现了积分电容值随光强变化而自适应调整，有效避免了积分电荷量过饱和或欠曝的情况，从而增大了读出电路的动态范围。
15、(2)采用折叠式共源共栅运算放大器，保证了较好的注入效率及线性度，提高了电路的灵敏度和成像质量。
16、(3)通过四个像元分时共用一个ctia结构，优化了读出电路的版图面积，使其能够适配更小像元、更大阵列的红外探测器，降低了电路成本和功耗。
17、(4)采用先积分后读出的工作模式，能够有效地将输入光电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述CTIA输入级电路供四个像元共用，四个像元分别为第一像元、第二像元、第三像元和第四像元，分别由开关INT1、INT2、INT3、INT4控制，通过时序控制令电流信号依次进入CTIA的NMOS可变电容器进行积分。
3.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述NMOS可变电容器将NMOS做在N-well中，在栅极电压为负时，不存在反型区，MOS管只工作在堆积和耗尽状态，电容值随栅压单调变化且变化曲线更平缓。
4.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述开关电容采样电路由四个采样开关和四个采样电容构成，所述采样电容选用NMOS可变电容器。
5.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述行选列选开关包含十个传输门开关，其中ROW1控制第一像元和第三像元，ROW2
6.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述输出缓冲模器中，单元内单位增益缓冲器用于驱动行总线，单元外的列级单位增益缓冲器用于驱动列总线，输出缓冲器用于驱动输出负载。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路的工作模式为先积分后读出，对输入光电流信号进行积分后转化为电压信号再依次通过输出缓冲器读出，完成一帧图像的输出。
...【技术特征摘要】
1.一种积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述ctia输入级电路供四个像元共用，四个像元分别为第一像元、第二像元、第三像元和第四像元，分别由开关int1、int2、int3、int4控制，通过时序控制令电流信号依次进入ctia的nmos可变电容器进行积分。
3.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述nmos可变电容器将nmos做在n-well中，在栅极电压为负时，不存在反型区，mos管只工作在堆积和耗尽状态，电容值随栅压单调变化且变化曲线更平缓。
4.根据权利要求1所述的积分电容自适应的小像元尺寸红外探测器读出电路，其特征在于：所述开关电容采样电路由四个...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘生祥，史浩飞，申均，仝淅哲，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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