本發(fā)明涉及熱釋電探測(cè)器讀出電路，尤其涉及一種熱釋電探測(cè)器的雙向熱釋電信號(hào)積分讀出電路。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，紅外探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅猛，熱釋電紅外焦平面陣列因其非制冷、低功耗、寬光譜等優(yōu)點(diǎn)而在紅外焦平面陣列中倍受關(guān)注。然而由于紅外器件探測(cè)信號(hào)大小依賴于靈敏元的面積，隨著焦平面探測(cè)器件分辨率提高，面元越來(lái)越小，熱釋電電流越來(lái)越弱，對(duì)其檢測(cè)技術(shù)就成為限制該類器件應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

與光電型探測(cè)器不同，熱釋電電流的產(chǎn)生是因?yàn)闇囟茸兓瘜?dǎo)致材料晶體極化的變化，從而引起材料表面電荷的變化，而這種變化是兩個(gè)過(guò)程，即溫度的升高和降低，這兩個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的電流方向也不同，當(dāng)溫度升高時(shí)，極化電荷和自由電荷的變化導(dǎo)致凈電荷的變化，產(chǎn)生正向的電流；當(dāng)溫度降低時(shí)，過(guò)程相反，此時(shí)的電流方向相反，為一反向電流。所以在熱釋電焦平面探測(cè)器中，其在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的正負(fù)半周期信號(hào)，傳統(tǒng)的熱釋電焦平面微弱信號(hào)讀出電路只在電流為正向或反向時(shí)與讀出電路導(dǎo)通，這與光電探測(cè)器的工作方式相似，為單向電流積分讀出，降低了電路信噪比以及讀出效率。在有限的集成讀出電路面積上設(shè)計(jì)具有雙向電流積分輸出的讀出電路成為提高讀取探測(cè)器生成電流信號(hào)的重要手段。

而憶阻是一種納米級(jí)元件，與當(dāng)前的cmos電路制造工藝兼容，且具有其它三種基本電路元件的任意組合都不能復(fù)制的特性。憶阻與其他電子器件構(gòu)成的混合電路，可實(shí)現(xiàn)以前難以實(shí)現(xiàn)的功能，為電路設(shè)計(jì)與電路應(yīng)用提供了全新的發(fā)展空間。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是為大規(guī)模多元小面積靈敏元熱釋電焦平面，提供一種基于hptio2憶阻橋的新型微弱信號(hào)讀出電路，實(shí)現(xiàn)一種基于憶阻橋電路的、新穎的、可編程的具有雙向熱釋電電流信號(hào)積分讀出的電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是針對(duì)現(xiàn)有熱釋電探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)的不足提供一種熱釋電探測(cè)器的讀出電路，實(shí)現(xiàn)雙向熱釋電電流信號(hào)積分讀出，同時(shí)具有高信噪比、輸出線性的特點(diǎn)。

上述目的通過(guò)下述的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

包括將熱釋電探測(cè)器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)模塊；憶阻橋電路模塊；進(jìn)行信號(hào)采樣以及多路選通及輸出的采樣輸出電路模塊。

上述模塊集成在一集成電路芯片上。

所述第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)電路模塊由運(yùn)算放大器opa1和積分電容cint1、開關(guān)復(fù)位管mrst1組成，積分電容cint1、開關(guān)復(fù)位管mrst1分別與運(yùn)算放大器opa1的負(fù)輸入端和輸出端連接，運(yùn)算放大器opa1負(fù)輸入端連接探測(cè)器，正輸入端連接參考電壓vref，根據(jù)放大器的虛地原理，探測(cè)器連接運(yùn)算放大器opa1負(fù)輸入端電壓近乎等于vref，則探測(cè)器的偏壓由vref與探測(cè)器另一端的電壓控制，工作過(guò)程中幾乎不會(huì)發(fā)生變化。

所述可編程憶阻橋電路由四個(gè)相同的帶有極性的憶阻元件和差分運(yùn)放opa2構(gòu)成，m1和m4為正向偏置，m2和m3為反向偏置，其中m1和m2相連，m3和m4相連，m1和m3正向端與第一級(jí)ctia輸入級(jí)電路輸出端以及外部編程控制信號(hào)相連，負(fù)向端作為輸出與opa2相連，構(gòu)成憶阻橋電路。

所述采樣輸出電路模塊包括采樣保持電路和多路傳輸電路模塊，采樣電路由采樣電容csh和cmos開關(guān)管組成，多路傳輸輸出電路模塊包括選通cmos開關(guān)管、移位寄存器、單位增益跟隨器opa3，移位寄存器依次選通各個(gè)通道，信號(hào)逐次輸出，達(dá)到讀出信號(hào)的目的。

所述移位寄存器由d觸發(fā)器依次串聯(lián)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)逐次導(dǎo)通開關(guān)的目的。

本發(fā)明將弛豫鐵電探測(cè)器的輸出電流信號(hào)通過(guò)第一級(jí)ctia輸入級(jí)電路模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，進(jìn)入憶阻橋電路。編程脈沖信號(hào)vc控制憶阻元件的狀態(tài)變化，通過(guò)與調(diào)制信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大。憶阻橋電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣輸出電路采樣后逐次輸出。本發(fā)明的電路模塊集成在一集成電路芯片上，和探測(cè)器芯片互連，由外部驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào)，并通過(guò)調(diào)節(jié)編程控制脈沖信號(hào)與調(diào)制信號(hào)匹配，控制憶阻橋電路的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大，提高輸出信號(hào)信噪比。

本發(fā)明與現(xiàn)有熱釋電探測(cè)器讀出電路相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、憶阻是一種納米級(jí)元件，與當(dāng)前的cmos電路制造工藝兼容，易與其他電子器件構(gòu)成的混合電路，在版圖設(shè)計(jì)上占用的面積較小，便于在大規(guī)模的集成電路中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、憶阻的開關(guān)特性，與傳統(tǒng)的晶體管、晶閘管不同，它不需要第三個(gè)端口進(jìn)行控制，而且也不同于二極管，憶阻的狀態(tài)變化具有可控性。對(duì)于憶阻橋電路，編程信號(hào)和輸入檢測(cè)信號(hào)可以共享輸入端。

3、通過(guò)外部控制信號(hào)可以控制憶阻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)憶阻橋電路的正信號(hào)、負(fù)信號(hào)、零等不同狀態(tài)輸出，與熱釋電探測(cè)器的調(diào)制信號(hào)匹配，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)熱釋電信號(hào)雙向積分輸出的效果，比傳統(tǒng)電路信號(hào)增加40％，提高輸出信號(hào)信噪比。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中：

圖1是本發(fā)明模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是憶阻橋電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是采樣輸出電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明電路模塊如圖1所示，主要由第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)電路模塊、憶阻橋電路模塊、采樣輸出電路模塊組成，上述模塊集成在一集成電路芯片上。第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)電路模塊將弛豫鐵電探測(cè)器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳送至憶阻橋電路模塊，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大，經(jīng)采樣輸出電路模塊采樣保持后，將各個(gè)通道逐次導(dǎo)通輸出。

第一級(jí)ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級(jí)電路模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由運(yùn)算放大器opa1和積分電容cint1、開關(guān)復(fù)位管mrst1組成，積分電容cint1、開關(guān)復(fù)位管mrst1分別與運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端連接，開關(guān)復(fù)位管mrst1負(fù)責(zé)積分電容的復(fù)位。

本發(fā)明中的可編程憶阻橋電路模塊如圖3所示，由四個(gè)相同的帶有極性的憶阻元件和opa2構(gòu)成，m1和m4為正向偏置，m2和m3為反向偏置，其中m1和m2相連，m3和m4相連，m1和m3正向端與第一級(jí)ctia輸入級(jí)電路輸出端以及外部編程控制信號(hào)相連，負(fù)向端作為輸出與采樣輸出電路相連，構(gòu)成憶阻橋電路，輸出與opa2差動(dòng)運(yùn)放連接，將電壓轉(zhuǎn)換成電流，起到了一個(gè)電流源的功能。

假設(shè)t時(shí)刻在憶阻橋電路上施加一個(gè)輸入信號(hào)電壓vc。輸入電壓由分壓公式可分成

其中，m1、m2、m3和m4表示圖3中在t時(shí)刻相應(yīng)憶阻元件的憶阻值。

憶阻橋電路的輸出電壓vout等于端a和端b之間的電壓差，即為

vout＝va-vb＝ψvin(5)

其中，

當(dāng)施加一個(gè)正編程脈沖vin(t)到圖3憶阻橋電路時(shí)，m2和m3的憶阻增大而m1和m4的憶阻減小，一定時(shí)間后將下降到0。相反，當(dāng)施加一個(gè)負(fù)脈沖vin(t)時(shí)，m2和m3的憶阻減小而m1和m4的憶阻增大。若ψ大于0，憶阻橋電路表示正輸出信號(hào)。由式(6)可得，正輸出信號(hào)的條件為

正輸出信號(hào)，

類似地，負(fù)輸出信號(hào)或零輸出信號(hào)的條件分別為

負(fù)輸出信號(hào)，

零輸出信號(hào)，

輸出為零時(shí)的狀態(tài)稱之為平衡態(tài)。

本發(fā)明中的采樣輸出電路模塊如圖4所示，其中采樣電路由采樣電容csh和cmos開關(guān)管組成，多路傳輸輸出電路模塊包括選通cmos開關(guān)管、移位寄存器、單位增益跟隨器opa3，移位寄存器依次選通各個(gè)通道，信號(hào)逐次輸出，達(dá)到讀出信號(hào)的目的。

本發(fā)明模塊的工作過(guò)程如下：

復(fù)位開關(guān)管mrst1由vrst信號(hào)控制首先導(dǎo)通，積分電容cint1被復(fù)位到參考電平，當(dāng)復(fù)位開關(guān)管mrst1截止時(shí)進(jìn)入積分階段，第一級(jí)ctia輸入級(jí)電路積分電容cint1開始積分。從探測(cè)器輸出的電荷流入積分電容cint1，經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)成電壓放大后輸出，輸出信號(hào)進(jìn)入憶阻橋電路。此時(shí)vc信號(hào)控制憶阻橋電路的狀態(tài)，當(dāng)熱釋電電流為正向時(shí)，憶阻橋處于正向權(quán)值輸出狀態(tài)，輸出級(jí)電路進(jìn)行采樣，將正向積分電壓信號(hào)采集到采樣電容csh；當(dāng)反向熱釋電電流在ctia輸入級(jí)積分時(shí)，憶阻橋處于負(fù)向權(quán)值輸出狀態(tài)，此時(shí)反向積分電壓信號(hào)變成正電壓信號(hào)，輸出級(jí)電路采樣后在采樣電容中完成兩次信號(hào)的疊加，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大。在積分結(jié)束后，移位寄存器在開始讀出脈沖信號(hào)控制下產(chǎn)生選通信號(hào)，開始逐次讀取每個(gè)通道的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)讀出電路的信號(hào)輸出。

弛豫鐵電探測(cè)器的輸出電流信號(hào)通過(guò)第一級(jí)ctia輸入級(jí)電路模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，進(jìn)入憶阻橋電路。編程脈沖信號(hào)vc控制憶阻元件的狀態(tài)變化，通過(guò)與調(diào)制信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大。憶阻橋電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣輸出電路采樣后逐次輸出。本發(fā)明的電路模塊集成在一集成電路芯片上，和探測(cè)器芯片互連，由外部驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào)，并通過(guò)調(diào)節(jié)編程控制脈沖信號(hào)與調(diào)制信號(hào)匹配，控制憶阻橋電路的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)雙向電流積分放大，提高輸出信號(hào)信噪比。

有益效果

本發(fā)明將憶阻應(yīng)用于熱釋電探測(cè)器讀出電路，憶阻是一種納米級(jí)元件，與當(dāng)前的cmos電路制造工藝兼容，易與其他電子器件構(gòu)成的混合電路，在版圖設(shè)計(jì)上占用的面積較小，便于在大規(guī)模的集成電路中進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的開關(guān)特性，與傳統(tǒng)的晶體管、晶閘管不同，它不需要第三個(gè)端口進(jìn)行控制，而且也不同于二極管，憶阻的狀態(tài)變化具有可控性。對(duì)于憶阻橋電路，編程信號(hào)和輸入檢測(cè)信號(hào)可以共享輸入端。通過(guò)外部控制信號(hào)可以控制憶阻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)憶阻橋電路的正信號(hào)、負(fù)信號(hào)、零等不同狀態(tài)輸出，與熱釋電探測(cè)器的調(diào)制信號(hào)匹配，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)熱釋電信號(hào)雙向積分輸出的效果，比傳統(tǒng)電路信號(hào)增加40％，提高輸出信號(hào)信噪比。