專(zhuān)利名稱(chēng)：一種硅基焦平面器件的讀取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種硅基焦平面器件的讀取方法，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及硅基焦平面器件的讀出電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
紅外技術(shù)是由于軍事的強(qiáng)烈需求牽引而得以迅速發(fā)展的。紅外焦平面陣列是紅外成像系統(tǒng)的核心部件，它由紅外探測(cè)器和讀出電路兩部分組成。讀出電路為數(shù)?；旌洗笠?guī)模MOS集成電路，其功能是對(duì)探測(cè)器感應(yīng)的微弱紅外電信號(hào)進(jìn)行前置處理(如積分、放大、 濾波和采樣/保持等)及信號(hào)的并/串行轉(zhuǎn)換。讀出電路主要有CCD和CMOS兩種類(lèi)型，CMOS 讀出電路因其眾多的優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今讀出電路的主要發(fā)展方向。集成電路經(jīng)歷了 PM0S、NM0S工藝技術(shù)后，CMOS工藝技術(shù)已成為當(dāng)今集成電路的主流工藝技術(shù)。除了同樣的高密度、低功耗性能外，CMOS集成電路還在低工作電壓、抗輻射能力、像元數(shù)據(jù)隨機(jī)訪問(wèn)(即可在焦平面上任意開(kāi)窗)等方面較CCD有優(yōu)勢(shì)。更重要的是，它是一種通用的硅工藝技術(shù)，其設(shè)計(jì)規(guī)范是高度標(biāo)準(zhǔn)化的，可在同一硅片上集成各種信號(hào)處理的擬和數(shù)字功能部件，如A / D、控制時(shí)序邏輯等,為實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)(System on Chip)提供了可能。另外，因同一硅片上的N管和P管極性互補(bǔ)，使電路結(jié)構(gòu)不但變得更簡(jiǎn)單，也使設(shè)計(jì)變得更靈活。鑒于如此諸多的優(yōu)點(diǎn)，紅外焦平面陣列CMOS讀出電路時(shí)代的到來(lái)就是順理成章的事了。1993年美國(guó)霍尼威爾公司報(bào)導(dǎo)T16X64、64X128、240X336元非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)紅外焦平面陣列，該陣列是將微測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器和CMOS讀出電路制備在同一硅基底上，即CMOS讀出電路集成在硅基底上，這使得來(lái)自每個(gè)單 微測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器的信號(hào)都能單獨(dú)得到測(cè)量，在每一個(gè)幀時(shí)里，所有信號(hào)都能被取樣。讀出電路由每個(gè)像元下的一個(gè)高速晶體管開(kāi)關(guān)和周?chē)亩嗦穫鬏斊鳂?gòu)成，多路傳輸器使每個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)能夠經(jīng)由金屬薄膜的行和列順序讀出。目前，圣巴巴拉研究中心、洛克希德公司、波音北美公司、 雷瑟恩公司、AllianTechsystems公司等五家公司己經(jīng)獲得霍尼威爾公司的微測(cè)福射熱計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓許可證?；裟嵬柟镜?20X240微測(cè)輻射熱計(jì)非致冷焦平面陣列已投入批量生產(chǎn)。但是國(guó)內(nèi)的工藝水平還處于一個(gè)較低的發(fā)展水平上，電路的實(shí)現(xiàn)能力不能滿足設(shè)計(jì)的需要，這就使得讀出電路的發(fā)展水平較低。且國(guó)內(nèi)對(duì)讀出電路的研究較少，缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，因此開(kāi)展這方面的工作是很有意義的
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供硅基焦平面器件的讀出電路的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明采用的電路結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到以硅為襯底材料的焦平面下面做電路的讀出電路結(jié)構(gòu)中去，其可移植性很強(qiáng)，適合于任何規(guī)模陣列的讀出電路的設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是
以硅為襯底材料的焦平面電路的讀出電路結(jié)構(gòu)，包括
(1)焦平面陣列電路完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
(2)垂直移位寄存器產(chǎn)生行選信號(hào)，在行選信號(hào)的控制下，選通一行的像素單元；
(3)組選移位寄存器產(chǎn)生列選信號(hào)，通過(guò)選通幾列的行選后的信號(hào)到多路選擇開(kāi)關(guān)
中；
(4)多路選擇開(kāi)關(guān)把選通的像素單元按照一定的規(guī)律輸出。對(duì)于一個(gè)MXN陣列，N列像素單元電路的輸出分為L(zhǎng)組，由組選移位寄存器進(jìn)行控制選通其中的一組，然后把該組的信號(hào)讀出到多路選擇開(kāi)關(guān)電路中進(jìn)行輸出。陣列內(nèi)部的結(jié)構(gòu)中采用一種橋式結(jié)構(gòu)。Rl、R2是熱沉測(cè)輻射熱計(jì)電阻，它們不隨著溫度的變化而發(fā)生變化，R3是光學(xué)屏蔽參考測(cè)輻射熱計(jì)電阻，不受所加的紅外輻射的影響，它與探測(cè)器電阻的溫度系數(shù)是一致的，R4是探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻，由于探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻受紅外輻射的影響，其溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電阻的變化。控制信號(hào)模塊垂直移位寄存器、組選移位寄存器和多路選擇開(kāi)關(guān)采用了 D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)D觸發(fā)器的輸入是上一級(jí)D觸發(fā)器的輸出,D觸發(fā)器的輸出同時(shí)用于控制對(duì)應(yīng)的行的MOS的柵極，每個(gè)模塊的D觸發(fā)器使用同步時(shí)鐘。開(kāi)始輸入一個(gè)脈沖信號(hào)作為第一個(gè)D觸發(fā)器的初始輸入，并以此來(lái)控制選通第一行或第一列。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有
(1)采用此電路結(jié)構(gòu)可減少放大器和積分器的數(shù)目，減少了讀出電路的復(fù)雜性；
(2)采用此電路結(jié)構(gòu)避免了由于器件制造過(guò)程中產(chǎn)生的不一致性給讀出的電壓信號(hào)帶來(lái)的誤差；
(3)依此電路設(shè)計(jì)的版圖結(jié)構(gòu)緊湊和電路產(chǎn)生較低的功耗；
(4)采用橋式結(jié)構(gòu)可以盡可能地消除固定圖像噪聲的影響；
(5)采用此電路實(shí)現(xiàn)的讀出電路芯片的引腳數(shù)得到大大的減少；
(6)采用此電路結(jié)構(gòu)可以較好的實(shí)現(xiàn)后續(xù)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。


圖I芯片部分的系統(tǒng)框圖2讀出電路芯片部分圖3橋式結(jié)構(gòu)電路圖4移位寄存器的電路圖5 D觸發(fā)器的電路圖6讀出電路的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
以160X120陣列紅外焦平面讀出電路為例說(shuō)明該發(fā)明的技術(shù)解決方案
參見(jiàn)圖1，以硅為襯底材料的焦平面電路的讀出電路結(jié)構(gòu)，包括
(1)焦平面陣列電路完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
(2)垂直移位寄存器產(chǎn)生行選信號(hào)，在行選信號(hào)的控制下，選通一行的像素單元；
(3)組選移位寄存器產(chǎn)生列選信號(hào)，通過(guò)選通幾列的行選后的信號(hào)到多路選擇開(kāi)關(guān)
中；
(4)多路選擇開(kāi)關(guān)把選通的像素單元按照一定的規(guī)律輸出。如圖2所示采用的讀出方式是行選通邏輯在時(shí)鐘信號(hào)的控制下每次選通一行， 同時(shí)用組選移位寄存器控制每次讀取每一列中的n個(gè)信號(hào)，這樣所有列共需要m個(gè)組選移位寄存器才能把第一列的所有像元讀出來(lái)(m X n= 120)，在第一個(gè)組選移位寄存器選通時(shí)，選通了前面的n列，這樣就選通了這n個(gè)像元，隨后第二，第三，第四個(gè)組選移位寄存器選通時(shí)選通第二組n個(gè)，第三組n個(gè)，第四組n個(gè)像元，直到把第一行的所有的像元都選通以后，在選通之后還要經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)控制是哪一個(gè)像元從芯片中讀出來(lái)。行選通邏輯在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖控制下選通第二行……如此這樣進(jìn)行下去所有的像元都可以選通。各組之間的像元是串行輸出的，這樣做的好處有(I)可減少放大器和積分器的數(shù)目，減少了讀出電路的復(fù)雜性；(2)避免了由于器件制造過(guò)程中產(chǎn)生的不一致性給讀出的電壓信號(hào)帶來(lái)的誤差(3)版圖緊湊和低的功耗。不利有(1)使讀出全部信號(hào)的時(shí)間變長(zhǎng)，圖像顯示速度變慢；
(2)陣列較遠(yuǎn)的像元由于經(jīng)過(guò)的路徑變長(zhǎng)可能使這些像元的信號(hào)誤差變大。(3)讀出的帶寬很高將增加總的噪聲。同時(shí)對(duì)于每一組中的n個(gè)像元又是并行輸出的，這樣做的好處是給后面的積分器更多的積分時(shí)間，這樣又可以減少讀出帶寬，進(jìn)而減小總的噪聲，才能使得后面在圖像顯示時(shí)能夠更好的顯示出圖像。在這樣的串并結(jié)合中，根據(jù)實(shí)際電路的需要，取得很好的折衷。圖3是微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的橋式讀出電路，能提高探測(cè)器系統(tǒng)輸出信號(hào)的低頻穩(wěn)定性。橋的工作是使用敏感相探測(cè)在兩個(gè)橋腿產(chǎn)生的對(duì)橋腿電阻變化敏感的輸出信號(hào)的差分信號(hào)。使用這種讀出電路可以測(cè)量橋上電阻的百萬(wàn)分之一的變化。其原理是左邊的一列作為參考列，一直固定接在差分放大器的負(fù)輸入端。右邊是我們的焦平面陣列。R1、R2 是熱沉測(cè)輻射熱計(jì)電阻，它們不隨著溫度的變化而發(fā)生變化，R3是光學(xué)屏蔽參考測(cè)輻射熱計(jì)電阻，不受所加的紅外輻射的影響，它與探測(cè)器電阻的溫度系數(shù)是一致的，R4是探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻，由于探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻受紅外輻射的影響，其溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電阻的變化。探測(cè)器電阻的下限是由在讀出過(guò)程中由于加熱引起的電阻變化的處理能力決定的，其上限是輸入的噪聲電流導(dǎo)致的噪聲增加決定的，它取決于可允許的噪聲水平。它們的輸出都被送到差分放大器中進(jìn)行差分讀出。其目的是盡可能地消除固定圖像噪聲的影響 (固定圖形噪聲由于材料和制造工藝等多種原因，導(dǎo)致陣列中每個(gè)像元電路的性能出現(xiàn)了偏差，即使每個(gè)像兀輸入相同的信號(hào)，其輸出信號(hào)的大小也不一樣，即產(chǎn)生了陣列電路特有的固定圖形噪聲。)
圖4和圖5示出了移位寄存器的具體設(shè)計(jì)示意圖。在CLK同步信號(hào)的控制下，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)HSY，在時(shí)鐘的下降沿實(shí)現(xiàn)選通第一個(gè)D觸發(fā)器輸出Shiftl，之后在下個(gè)時(shí)鐘的下降沿第二個(gè)D觸發(fā)器輸出shift2……依此原理實(shí)現(xiàn)了移位的功能。
圖6示出了電路的時(shí)序圖。在脈沖信號(hào)hsyl到來(lái)后，clkl的下降沿到來(lái)時(shí) hshiftl輸出高電平，在下一個(gè)下降沿hshift2輸出高電平……直到hshiftM輸出高電平。 脈沖信號(hào)hsy2的周期是hshiftl的高電平的持續(xù)時(shí)間，在clk2的下降沿到來(lái)時(shí)gshiftl 輸出高電平……直到gshiftN輸出高電平。
權(quán)利要求
1.一種硅基焦平面器件的讀取方法，其特征在于，采用了如下讀出電路，包括1)焦平面陣列電路完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；2)垂直移位寄存器產(chǎn)生行選信號(hào)，在行選信號(hào)的控制下，選通一行的像素單元；3)組選移位寄存器產(chǎn)生列選信號(hào)，通過(guò)選通幾列的行選后的信號(hào)到多路選擇開(kāi)關(guān)中；4)多路選擇開(kāi)關(guān)把選通的像素單元按照一定的規(guī)律輸出；其中，所述電路的工作時(shí)序如下電路以一個(gè)幀時(shí)作為重復(fù)的工作周期，一個(gè)幀時(shí)是指焦平面陣列中所有的像素單元都要進(jìn)行一次選通；電路首先進(jìn)行行選從第一行到最后一行依次進(jìn)行選通；在每一行的行選信號(hào)有效期間，陣列按照一定的規(guī)律把這一行的像素分為幾組，然后進(jìn)行依次的選通讀出；所述的控制信號(hào)模塊垂直移位寄存器、組選移位寄存器和多路選擇開(kāi)關(guān)采用了 D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)D觸發(fā)器的輸入是上一級(jí)D觸發(fā)器的輸出，D觸發(fā)器的輸出同時(shí)用于控制對(duì)應(yīng)的行的MOS管的柵極，每個(gè)模塊的D觸發(fā)器使用同步時(shí)鐘；開(kāi)始輸入一個(gè)脈沖信號(hào)作為第一個(gè)D觸發(fā)器的初始輸入，并且以此來(lái)控制選通第一行或第一列；以及，在焦平面陣列中還采用了橋式電路結(jié)構(gòu)，其中Rl、R2是熱沉測(cè)輻射熱計(jì)電阻，它們不隨著溫度的變化而發(fā)生變化，R3是光學(xué)屏蔽參考測(cè)輻射熱計(jì)電阻，不受所加的紅外輻射的影響，它與探測(cè)器電阻的溫度系數(shù)是一致的，R4是探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻，由于探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)電阻受紅外輻射的影響，其溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電阻的變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅基焦平面器件的讀取方法，采用了如下讀出電路，該讀出電路包含焦平面陣列電路、垂直移位寄存器、組選移位寄存器和多路選擇開(kāi)關(guān)等主要部分。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的讀出電路結(jié)構(gòu)由于采用了新穎的讀出方式，使得電路后端需要的放大器和積分器的數(shù)目大大減少，從而減少了讀出電路的復(fù)雜性，也使得讀出電路芯片的引腳數(shù)得以大大減少。該讀出電路結(jié)構(gòu)還避免了由于器件制造過(guò)程中產(chǎn)生的不一致性給讀出的電壓信號(hào)帶來(lái)的誤差。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到以硅為襯底材料的焦平面下面做電路的讀出電路結(jié)構(gòu)中去，其可移植性很強(qiáng)，適合于任何規(guī)模陣列的讀出電路的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G01J5/24GK102589718SQ201210045860
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者張康 申請(qǐng)人:張康