專利名稱：紅外焦平面陣列探測器讀出電路的adc余量放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外焦平面陣列探測器領(lǐng)域，尤其是涉及一種紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路。
背景技術(shù)：
所有物體均發(fā)射與其溫度和物質(zhì)特性相關(guān)的熱輻射，環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段，波長為Iym (微米)到24μπι左右。紅外輻射提供了客觀世界的豐富信息，將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號，充分利用這些信息是人們追求的目標(biāo)。紅外焦平面陣列是獲取景物紅外光輻射信息的重要光電器件。自1973年美國羅門空軍發(fā)展中心首先提出用于紅外熱成像的硅化物肖特基勢壘探測器列陣以來，紅外焦平面探測器得到了迅速的發(fā)展。除應(yīng)用于傳統(tǒng)的軍事成像外，還廣泛應(yīng)用于工業(yè)自控、醫(yī)療診斷、化學(xué)過程監(jiān)測、紅外天文學(xué)等領(lǐng)域。微測輻射熱計探測器是應(yīng)用最廣泛的一種紅外焦平面陣列，它是一種熱敏電阻性探測器。其工作原理是熱敏材料把入射的紅外輻射產(chǎn)生的溫度變化轉(zhuǎn)變成電阻變化，通過測量電阻變化探測紅外輻射信號的大小。微測輻射熱計焦平面陣列是利用微機(jī)械加工技術(shù)在硅讀出電路上制作絕熱結(jié)構(gòu)，并在其上面形成作為探測器單元的微測輻射熱計，實現(xiàn)單片結(jié)構(gòu)。微測輻射熱計焦平面陣列作為第二代非制冷焦平面技術(shù)的佼佼者，以它為核心制作的非制冷紅外成像系統(tǒng)與制冷紅外成像系統(tǒng)相比具有體積小、功耗低的優(yōu)點，并使系統(tǒng)的性能價格比大幅度提高，極大地促進(jìn)了紅外成像系統(tǒng)在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。讀出電路是一種專用的數(shù)模混合信號集成處理電路，在讀出集成電路(ROIC)出現(xiàn)以前，前置放大器的混合電路是由分立的電阻、電容和晶體管組成。諸如光伏型的、非本征硅的、鉬硅的和許多光電導(dǎo)型的高阻抗探測器對電磁干擾(EMI)非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方減少EMI的影響。使用分立元件要求大量的面積，并且在一個給定的光學(xué)視場中對實現(xiàn)的通道數(shù)目提出了苛刻的限制。ROIC幫助減少了 EMI問題。讀出集成電路(ROIC)方法還提供探測器熱學(xué)/機(jī)械接口、信號處理和包括像電荷轉(zhuǎn)換和增益、頻帶限制以及多路轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動的功能。隨著集成電路工藝和技術(shù)的發(fā)展，尤其是MOS集成制造技術(shù)和工藝的成熟，使ROIC得到了迅猛的發(fā)展。讀出電路的功能是提取探測器熱敏材料的電阻變化，轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)行前置處理(如積分、放大、濾波和采樣/保持等)及信號的并/串行轉(zhuǎn)換。目前主要有CCD型讀出電路、CMOS型讀出電路。隨著CMOS工藝的不斷成熟、完善和發(fā)展，CMOS讀出電路因其眾多的優(yōu)點而成為當(dāng)今讀出電路的主要發(fā)展方向。紅外焦平面讀出電路相關(guān)的集成電路中，余量放大電路被廣泛應(yīng)用，主要用于減法功能、2倍增益功能、采樣保持功能等等。但是現(xiàn)有的余量放大電路的性能受運算放大器的失調(diào)電壓以及電容對電壓的非線性的影響較大
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠消除或者減小運算放大器的失調(diào)電壓的影響的紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路。本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠減小電容對電壓的非線性對余量放大電路的影響的紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路。本發(fā)明實施例公開的技術(shù)方案包括
一種紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路，其特征在于，包括運算放大器，所述運算放大器包括第一輸入端(ip)、第二輸入端(in)、第一輸出端(outp)和第二輸出端(outn);第一米樣電容(Cl)、第二米樣電容(C2)、第一反饋電容(C5)、第二反饋電容(C6)、第一電容(C3)、第一采樣開關(guān)(P1)、第二采樣開關(guān)(Pl_d)、第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)、第一保持開關(guān)(P2_d)和第二保持開關(guān)(P2_dg)，其中所述第一電容(C3)的一端連接到所述運算放大器的所述第一輸入端(ip)，并且通過第一采樣開關(guān)(Pl)連接到移位電壓(Vsh);所述第一電容(C3)的另一端連接到所述第一采樣電容(Cl)和所述第一反饋電容(C5)的一端，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到共模電壓(共模電壓(Vcm));所述第一反饋電容(C5)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到第一輸入信號端(Vinp)，并且通過所述第一保持開關(guān)(P2_d)連接到所述運算放大器的所述第二輸出端(outn);所述第一采樣電容(Cl)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到所述第一輸入信號端(Vinp)，并且通過所述第二保持開關(guān)(P2_dg)連接到正向參考電壓(Vrefp);所述第二電容(C4)的一端連接到所述運算放大器的所述第二輸入端(in)，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到移位電壓(Vsh);所述第二電容(C4)的另一端連接到所述第二采樣電容(C2)和所述第二反饋電容(C6)的一端，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到共模電壓(共模電壓(Vcm));所述第二反饋電容(C6)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到第二輸入信號端(Vinn)，并且通過所述第一保持開關(guān)(P2_d)連接到所述運算放大器的所述第一輸出端(outp);所述第二采樣電容(C2)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到所述第二輸入信號端(Vinn)，并且通過所述第二保持開關(guān)(P2_dg)連接到負(fù)向參考電壓(Vrefn)。進(jìn)一步地，所述第一采樣開關(guān)(PD、所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)和第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)閉合，并且所述第一保持開關(guān)(P2_d)和所述第二保持開關(guān)(P2_dg)斷開。進(jìn)一步地，所述第一采樣開關(guān)(P1)、所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)和第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)斷開，并且所述第一保持開關(guān)(P2_d)和所述第二保持開關(guān)(P2_dg)閉合。進(jìn)一步地，所述運算放大器是套筒式運算放大器。進(jìn)一步地，所述第一采樣電容(Cl)的電容值與所述第一反饋電容(C5)相同，所述第二采樣電容(C2)的電容值與所述第二反饋電容(C6)相同。本發(fā)明的實施例中，ADC余量放大電路采用套筒式運放，具有噪聲小、功耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點。并且通過在等效失調(diào)電壓源Vos和第一采樣電容Cl之間加入第一電容C3，在運算放大器的第二輸入端in和第二采樣電容C2之間加入第二電容C4，可以消除運算放大器失調(diào)電壓對電路性能的影響，以及減小電容對電壓的非線性對電路性能的影響。


圖1是本發(fā)明一個實施例的紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一個實施例的采樣相狀態(tài)下電路的等效電路圖。圖3是本發(fā)明一個實施例的減法保持相狀態(tài)下電路的等效電路圖。圖4是本發(fā)明一個實施例的各個開關(guān)的控制時序示意圖。圖5是本發(fā)明一個實施例的運算放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明一個實施例的紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)余量放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的一個實施例中，一種紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路包括運算放大器、第一采樣電容Cl、第二采樣電容C2、第一反饋電容C5、第二反饋電容C6、第一電容C3、第一米樣開關(guān)P1、第二米樣開關(guān)Pl_d、第三采樣開關(guān)P1_FD0A、第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg。如圖1所示，該運算放大器包括第一輸入端ip、第二輸入端in、第一輸出端outp和第二輸出端outn。第一電容C3的一端連接到運算放大器的第一輸入端ip,并且通過第一米樣開關(guān)Pl連接到移位電壓Vsh ;第一電容C3的另一端連接到第一采樣電容Cl和第一反饋電容C5的一端，并且通過第一采樣開關(guān)Pl連接到共模電壓Vcm。第一反饋電容C5的另一端通過第二采樣開關(guān)Pl_d連接到第一輸入信號端Vinp，并且通過第一保持開關(guān)P2_d連接到運算放大器的第二輸出端outn。第一米樣電容Cl的另一端通過第二米樣開關(guān)Pl_d連接到第一輸入信號端Vinp,并且通過第二保持開關(guān)P2_dg連接到正向參考電壓Vrefp。第二電容C4的一端連接到運算放大器的第二輸入端in，并且通過第一采樣開關(guān)Pl連接到移位電壓Vsh ;第二電容C4的另一端連接到第二采樣電容C2和第二反饋電容C6的一端，并且通過第一采樣開關(guān)Pl連接到共模電壓Vcm。第二反饋電容C6的另一端通過第二采樣開關(guān)Pl_d連接到第二輸入信號端Vinn，并且通過第一保持開關(guān)P2_d連接到運算放大器的第一輸出端outp。第二采樣電容C2的另一端通過第二采樣開關(guān)Pl_d連接到第二輸入信號端Vinn，并且通過第二保持開關(guān)P2_dg連接到負(fù)向參考電壓Vrefn。本發(fā)明的實施例中，該ADC余量放大電路實際上相當(dāng)于還包括了一個在運算放大器的第一輸入端ip和第一電容C3之間的等效的失調(diào)電壓源Vos。本發(fā)明的實施例中，其中第一米樣電容Cl的電容值可以與第一反饋電容C5相同，而第二采樣電容C2的電容值可以與第二反饋電容C6相同
本發(fā)明的實施例中，該ADC余量放大電路可以工作在兩種狀態(tài)采樣相狀態(tài)和減法保持相狀態(tài)。在其中一種狀態(tài)下，第一采樣開關(guān)P1、第二采樣開關(guān)Pl_d和第三采樣開關(guān)Pl_FDOA閉合，而第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg斷開，此時，該ADC余量放大電路工作在采樣相狀態(tài)，此時該電路的等效電路圖如圖2所示。此時，第一米樣電容Cl和第一反饋電容C5對第一輸入信號Vinp進(jìn)行米樣,而第二米樣電容C2和第二反饋電容C6對第二輸入信號Vinn進(jìn)行米樣，同時由共模電壓Vcm和移位電壓Vsh分別對第一電容C3和第二電容C4進(jìn)行充電。
在其中另一種狀態(tài)下，第一采樣開關(guān)P1、第二采樣開關(guān)Pl_d和第三采樣開關(guān)Pl_FDOA斷開，而第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg閉合，此時，該ADC余量放大電路工作在減法保持相狀態(tài)，此時該電路的等效電路圖如圖3所示。此時,第一反饋電容C5連接到運算放大器的第二輸出端outn,第二反饋電容C6連接到運算放大器的第一輸出端outp，第一采樣電容Cl和第二采樣電容C2分別連接到子DAC的輸出端正向參考電壓Vrefp和負(fù)向參考電壓Vrefn，電路進(jìn)入減法保持階段。其中，Vrefp和Vrefn為子DAC的輸出信號，是由子DAC接收的數(shù)字信號作為開關(guān)控制信號對子DAC內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓和共模電壓進(jìn)行組合疊加而成。本發(fā)明的實施例中，通過控制第一采樣開關(guān)P1、第二采樣開關(guān)Pl_d、第三采樣開關(guān)P1_FD0A、第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg的斷開和閉合，即可控制該ADC余量放大電路工作在采樣相狀態(tài)或者減法保持相狀態(tài)。例如，一個實施例中，控制第一采樣開關(guān)P1、第二采樣開關(guān)Pl_d、第三采樣開關(guān)P1_FD0A、第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg的時序圖可以如圖4所示，各個開關(guān)之間的導(dǎo)通、斷開時間點存在時間延遲，其目的是為了消除電荷注入的影響。本發(fā)明的實施例中，第一采樣開關(guān)P1、第二采樣開關(guān)Pl_d、第三采樣開關(guān)Pl_FD0A、第一保持開關(guān)P2_d和第二保持開關(guān)P2_dg可以是適于用在此處的任何類型的開關(guān)，只要其能夠在閉合和斷開兩個狀態(tài)之間切換即可。其中，本文中的“閉合”是指開關(guān)處于導(dǎo)通可以允許電流通過的狀態(tài)，“斷開”是至開關(guān)處于切斷不允許電流通過的狀態(tài)。本發(fā)明的實施例中，其中該運算放大器可以是套筒式運算放大器。例如，一個實施例中，套筒式運算放大器的如圖5所示。與普遍采用的折疊式運算放大器相比，套筒式運算放大器具有噪聲小、功耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點。由于高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要高增益的運算放大器，故因此本發(fā)明一個實施例中可以進(jìn)一步采用gainboost結(jié)構(gòu)套筒式運算放大器，即在普通的套筒式運算放大器中加入了兩個輔助運算放大器，以提高運算放大器的增益。如圖2所示，第一電容C3連接在失調(diào)電壓源Vos和第一采樣電容Cl之間，第二電容C4連接在運算放大器的第二輸入端in和第二采樣電容C2之間。在采樣相狀態(tài)中，通過共模電壓Vcm和移位電壓Vsh對第一電容C3和第二電容C4進(jìn)行充電，其所帶的電壓可以在電路中抬高第一采樣電容Cl、第二采樣電容C2、第一反饋電容C5和第二反饋電容C6的右極板(即圖2中的右側(cè)的極板)處的電壓值，使其達(dá)到差動輸入電壓的共模電壓值，當(dāng)輸入差動電壓時，可以使得第一米樣電容Cl和第一反饋電容C5與第二米樣電容C2和第二反饋電容C6所帶的電壓值大小相等、極性相反，其關(guān)系如下式所示
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路，其特征在于，包括 運算放大器，所述運算放大器包括第一輸入端(ip)、第二輸入端(in)、第一輸出端(OUtp)和第二輸出端(OUtn)；第一米樣電容(Cl)、第二米樣電容(C2)、第一反饋電容(C5)、第二反饋電容(C6)、第一電容(C3)、第一采樣開關(guān)(P1)、第二采樣開關(guān)(Pl_d)、第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)、第一保持開關(guān)(P2_d)和第二保持開關(guān)(P2_dg)，其中所述第一電容(C3)的一端連接到所述運算放大器的所述第一輸入端(ip)，并且通過第一采樣開關(guān)(Pl)連接到移位電壓(Vsh);所述第一電容(C3)的另一端連接到所述第一采樣電容(Cl)和所述第一反饋電容(C5)的一端，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到共模電壓(共模電壓(Vcm));所述第一反饋電容(C5)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到第一輸入信號端(Vinp)，并且通過所述第一保持開關(guān)(P2_d)連接到所述運算放大器的所述第二輸出端 (outn)；所述第一采樣電容(Cl)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到所述第一輸入信號端(Vinp)，并且通過所述第二保持開關(guān)(P2_dg)連接到正向參考電壓(Vrefp)；所述第二電容(C4)的一端連接到所述運算放大器的所述第二輸入端(in)，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到移位電壓(Vsh);所述第二電容(C4)的另一端連接到所述第二采樣電容(C2)和所述第二反饋電容(C6)的一端，并且通過所述第一采樣開關(guān)(Pl)連接到共模電壓(共模電壓(Vcm))；所述第二反饋電容(C6)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到第二輸入信號端(Vinn)，并且通過所述第一保持開關(guān)(P2_d)連接到所述運算放大器的所述第一輸出端(OUtp);所述第二采樣電容(C2)的另一端通過所述第二采樣開關(guān)(Pl_d)連接到所述第二輸入信號端(Vinn)，并且通過所述第二保持開關(guān)(P2_dg)連接到負(fù)向參考電壓(Vrefn)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述第一采樣開關(guān)(P1)、所述第二采樣開關(guān) (Pl_d)和第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)閉合，并且所述第一保持開關(guān)(P2_d)和所述第二保持開關(guān)(P2_dg)斷開。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述第一采樣開關(guān)(P1)、所述第二采樣開關(guān) (Pl_d)和第三采樣開關(guān)(P1_FD0A)斷開，并且所述第一保持開關(guān)(P2_d)和所述第二保持開關(guān)(P2_dg)閉合。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述運算放大器是套筒式運算放大器。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述第一采樣電容(Cl)的電容值與所述第一反饋電容(C5)相同，所述第二采樣電容(C2)的電容值與所述第二反饋電容(C6)相同。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種紅外焦平面陣列探測器讀出電路的ADC余量放大電路，該電路采用套筒式運放，并且在等效失調(diào)電壓源Vos和第一采樣電容C1之間加入第一電容C3，在運算放大器的第二輸入端in和第二采樣電容C2之間加入第二電容C4，可以消除運算放大器失調(diào)電壓對電路性能的影響，以及減小電容對電壓的非線性對電路性能的影響。
文檔編號H03F3/45GK103036511SQ20121054161
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者呂堅, 庹濤, 孟祥笙, 廖寶斌, 杜一穎 申請人:電子科技大學(xué)