一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路，該電路為CTIA讀出電路，輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線，電流鏡調(diào)節(jié)端設(shè)計有粗調(diào)和微調(diào)兩個調(diào)節(jié)端口；積分電路中，積分電容由三個電容并聯(lián)組成的多級放大結(jié)構(gòu)；輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關(guān)控制的低功耗N管跟隨結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點在于：電路輸入端采用電流鏡方式降低了探測器工藝制作的復(fù)雜性；輸入端設(shè)計有粗調(diào)和微調(diào)兩個調(diào)節(jié)端口既擴(kuò)大了電路對非致冷紅外探測器工作電流的適用范圍又能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；電路的功耗低，放大倍數(shù)多級可調(diào)，采用亞微米CMOS工藝制造的重復(fù)性好。
【專利說明】-種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測器讀出電路領(lǐng)域，尤其是涉及一種線列非制冷紅外探測器 CMOS讀出電路設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0002] 非制冷紅外探測技術(shù)是今后紅外技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，特別是非制冷技術(shù)的 發(fā)展使紅外熱攝像技術(shù)擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防范、醫(yī)療、衛(wèi)生、海上救 援、艦船駕駛員用夜視增強(qiáng)觀察儀等廣闊的民用領(lǐng)域，其原理是溫度變化引起載流子濃度 和遷移率的變化，從而表現(xiàn)出電阻變化的信號形式，由此來測量熱福射，一般采用電流偏置 方式，通過讀出非制冷紅外探測器兩端的電壓信號變化，得出探測器的電阻變化，從而反映 出紅外福射量的不同而成像，其中讀出電路是非致冷紅外探測器組件的重要組成部分。
[0003] 目前國內(nèi)外已開展了該方面的工作，但在實際應(yīng)用中許多方面還有待進(jìn)一步完 善。2014年4月18日呂堅等人公布的CN103900722A專利介紹了一種非制冷紅外焦平面陣 列讀出電路，包括探測器電路、跟隨電路、減法電路、積分電路等部分，電路結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜， 且需要設(shè)計與之對應(yīng)的盲元探測器來設(shè)計讀出電路，增加了非制冷紅外探測器工藝的復(fù)雜 性，本發(fā)明采用的電流鏡輸入方式，克服了需要設(shè)計與之一一對應(yīng)的盲元探測器，大大降低 了非制冷紅外探測器工藝制作的復(fù)雜性。利用電流鏡布局在線列電路的左右兩端和采用低 功耗的跟隨管，有效地提高了電路的線性度、功耗等指標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種電流鏡方式的線列非制冷紅外探測器CMOS讀出電 路，提高非制冷紅外探測器讀出電路的設(shè)計水平。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計的一種基于電流鏡方式的高性能非致冷紅外探測器160線列讀出電 路，可滿足IOKQ?IOOKQ阻值非制冷紅外探測器信號讀出的需要，具有放大倍數(shù)多級可 調(diào)功能，適合不同響應(yīng)率探測器的信號讀出。其電路的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電流鏡模 式的輸入級，差分放大器的CTIA，CDS+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級的電流鏡，醒5和 醒1構(gòu)成粗調(diào)的輸入級電流鏡，NM4和醒2構(gòu)成微調(diào)的輸入級電流鏡。va、Vb分別為粗調(diào)、 微調(diào)外端口。res為積分開關(guān)，電平高時為積分狀態(tài)，電平低時為關(guān)斷狀態(tài)，bolometer部分 為非制冷紅外探測器的位置。圖3為CTIA結(jié)構(gòu)，CUC2、C3為H個積分電容，其中Cl為基 準(zhǔn)電容，C2、C3分別由SeIectl、selects控制。放大器采用差分放大器，in和out端接積 分電容，差分輸入的另一輸入端接ref，ref端的電壓必需大于N管的闊值電壓才能使電路 正常工作。圖4為低功耗的CDSN跟隨，C6、口為采樣電容，sha、S化與Shaf、Shbf為互補(bǔ) 脈沖，控制信號的采樣。COl接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號按順序讀出。
[0006] 其特征在于；該電路采用電流鏡輸入方式的讀出電路結(jié)構(gòu)，無需傳統(tǒng)的與響應(yīng)元 一一對應(yīng)的盲元探測器設(shè)計，可有降低探測器工藝的復(fù)雜性；輸入端粗調(diào)的設(shè)置，能擴(kuò)大電 路對非制冷紅外探測器偏置電流的適用范圍，微調(diào)端口的設(shè)置能精確設(shè)置系統(tǒng)的最佳工作 狀態(tài)；在畫版圖時電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線且左右兩端都設(shè)置電流鏡， 能有效地降低系統(tǒng)的非均勻性，其160線列電路的非線性小于1% ;H個積分電容的設(shè)置可 W使電路具有較大的適應(yīng)性，滿足不同探測器靈敏度要求；采用先N跟隨，后P跟隨的輸出 結(jié)構(gòu)能有效地增大電路的輸出擺幅。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0008] 1.電路輸入端采用電流鏡方式，無需傳統(tǒng)的與響應(yīng)元一一對應(yīng)的盲元探測器設(shè) 計，大大降低了探測器工藝制作的復(fù)雜性。
[0009] 2.輸入端設(shè)計有粗調(diào)和微調(diào)兩個調(diào)節(jié)端口；既擴(kuò)大了電路對非致冷紅外探測器 工作電流的適用范圍，又能精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
[0010] 3.電流鏡布局在線列電路的左右兩端，在畫版圖時地線采用寬度大于100微米的 金屬線，電路的非線性能得到有效地改善，其線列160電路的非線性小于1%;
[0011] 4.積分電容由10pF、2化F、20pFH個電容組成，可組合成多級放大倍數(shù)，使電路能 適應(yīng)不同非制冷探測器響應(yīng)率的要求。
[001引 5.利用低功耗的跟隨管設(shè)計，采用先N跟隨，后P跟隨，既降低了電路的功耗，又增 加了電路的擺幅。
[0013] 6.非制冷紅外探測器讀出電路設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造而成，保證 了芯片制造的可重復(fù)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路單元結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖2電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路電流鏡部分結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖3電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路CTIA部分結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖4電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路低功耗的CDSN跟隨結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0019] 實施方式1
[0020] 此發(fā)明采用輸入端為電流鏡方式來設(shè)計非制冷紅外探測器線列讀出電路，其單元 結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，Vbias為加在非制冷探測器炬〇1〇)上的電壓，該電壓可W根據(jù)非制冷 探測器電阻的大小做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)非制冷探測器電阻在50KQ時，Vbias可設(shè)定為5V，當(dāng) 非制冷探測器電阻小于20KQ時，Vbias可根據(jù)情況調(diào)低，但最低不能小于3V，否則會導(dǎo) 致差分放大器輸入端的電壓太低而無法使電路正常工作；反之，但非制冷探測器電阻大于 IOOKQ時，Vbias可根據(jù)情況調(diào)高，但最高不能超過7V，否則將影響電路的可靠性壽命等性 能。ref為差分放大器輸入?yún)⒖茧妷?，此電壓為CTIA積分時的起始電壓，一般設(shè)定為IV，最 低不能低于N管的闊值電壓，否則會在信號的低端出現(xiàn)失真。Ci為積分電容，可W根據(jù)非制 冷紅外探測器響應(yīng)率的大小進(jìn)行選擇；為使線列的探測器信號能順序讀出，需在CTIA的輸 出端加入CDSN跟隨，后面再連接P跟隨。實施方式2
[0021] 該電路在輸入端采用電流鏡方式，其電流鏡方式的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于NM4 的寬長比是NM5的10倍，所WNM5和NMl構(gòu)成粗調(diào)控制的輸入級電流鏡，NM4和NM2構(gòu)成 微調(diào)控制的輸入級電流鏡，va、Vb分別為粗調(diào)、微調(diào)外端口。res為積分開關(guān)，電平高時處 于積分狀態(tài)，電平低時處于關(guān)斷狀態(tài)，NM3的漏極（上端）接非制冷紅外探測器。在畫版圖 時，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，地線采用寬度大于100微米的金屬線。采用該方法 設(shè)計的線列160電路其非線性度小于1%。
[0022] 電流鏡部分的管子參考尺寸如下表所示（單位為微米）。
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路，所述的讀出電路為CTIA讀出電路， 包括輸入電路、積分電路、輸出電路，其特征在于： 所述的輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采 用寬度大于1〇〇微米的金屬線，電流鏡調(diào)節(jié)端設(shè)計有粗調(diào)和微調(diào)兩個調(diào)節(jié)端口； 所述的積分電路中，積分電容由三個電容并聯(lián)組成的多級放大結(jié)構(gòu)； 所述的輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關(guān)控制的低功耗N管跟隨結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01J5/24GK104359562SQ201410546324
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】袁紅輝, 陳永平, 陳世軍, 翟厚明 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所