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

背景技術(shù)：

近年來，紅外探測技術(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信號大小依賴于靈敏元的面積，隨著焦平面探測器件分辨率提高，面元越來越小，熱釋電電流越來越弱，對其檢測技術(shù)就成為限制該類器件應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

與光電型探測器不同，熱釋電電流的產(chǎn)生是因為溫度變化導(dǎo)致材料晶體極化的變化，從而引起材料表面電荷的變化，而這種變化是兩個過程，即溫度的升高和降低，這兩個過程產(chǎn)生的電流方向也不同，當(dāng)溫度升高時，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，過程相反，此時的電流方向相反，為一反向電流。所以在熱釋電焦平面探測器中，其在一個調(diào)制周期內(nèi)，會產(chǎn)生兩個相反的正負半周期信號，傳統(tǒng)的熱釋電焦平面微弱信號讀出電路只在電流為正向或反向時與讀出電路導(dǎo)通，這與光電探測器的工作方式相似，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)計具有雙向電流積分輸出的讀出電路成為提高讀取探測器生成電流信號的重要手段。

而憶阻是一種納米級元件，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，可實現(xiàn)以前難以實現(xiàn)的功能，為電路設(shè)計與電路應(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讀出電路，實現(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積分讀出的電路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

上述目的通過下述的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

包括將熱釋電探測器的輸出電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的第一級ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級模塊；憶阻橋電路模塊；進行信號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ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級電路模塊由運算放大器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分別與運算放大器opa1的負輸入端和輸出端連接，運算放大器opa1負輸入端連接探測器，正輸入端連接參考電壓vref，根據(jù)放大器的虛地原理，探測器連接運算放大器opa1負輸入端電壓近乎等于vref，則探測器的偏壓由vref與探測器另一端的電壓控制，工作過程中幾乎不會發(fā)生變化。

所述可編程憶阻橋電路由四個相同的帶有極性的憶阻元件和差分運放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ctia輸入級電路輸出端以及外部編程控制信號相連，負向端作為輸出與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通道，信號逐次輸出，達到讀出信號的目的。

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

本發(fā)明將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號通過第一級ctia輸入級電路模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號，進入憶阻橋電路。編程脈沖信號vc控制憶阻元件的狀態(tài)變化，通過與調(diào)制信號匹配，實現(xiàn)雙向電流積分放大。憶阻橋電路的輸出信號經(jīng)過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，和探測器芯片互連，由外部驅(qū)動電路提供控制信號，并通過調(diào)節(jié)編程控制脈沖信號與調(diào)制信號匹配，控制憶阻橋電路的狀態(tài)變化，實現(xiàn)雙向電流積分放大，提高輸出信號信噪比。

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

1、憶阻是一種納米級元件，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)計上占用的面積較小，便于在大規(guī)模的集成電路中進行設(shè)計。

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

3、通過外部控制信號可以控制憶阻狀態(tài)，實現(xiàn)憶阻橋電路的正信號、負信號、零等不同狀態(tài)輸出，與熱釋電探測器的調(diào)制信號匹配，可以實現(xiàn)正負熱釋電信號雙向積分輸出的效果，比傳統(tǒng)電路信號增加40％，提高輸出信號信噪比。

附圖說明

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)的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，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ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級電路單元的結(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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明電路模塊如圖1所示，主要由第一級ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級電路模塊、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ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級電路模塊將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并傳送至憶阻橋電路模塊，實現(xiàn)雙向電流積分放大，經(jīng)采樣輸出電路模塊采樣保持后，將各個通道逐次導(dǎo)通輸出。

第一級ctia(電容反饋互導(dǎo))輸入級電路模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由運算放大器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分別與運算放大器的負輸入端和輸出端連接，開關(guān)復(fù)位管mrst1負責(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ctia輸入級電路輸出端以及外部編程控制信號相連，負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差動運放連接，將電壓轉(zhuǎn)換成電流，起到了一個電流源的功能。

假設(shè)t時刻在憶阻橋電路上施加一個輸入信號電壓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)施加一個正編程脈沖vin(t)到圖3憶阻橋電路時，m2和m3的憶阻增大而m1和m4的憶阻減小，一定時間后將下降到0。相反，當(dāng)施加一個負脈沖vin(t)時，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。由式(6)可得，正輸出信號的條件為

正輸出信號，

類似地，負輸出信號或零輸出信號的條件分別為

負輸出信號，

零輸出信號，

輸出為零時的狀態(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通道，信號逐次輸出，達到讀出信號的目的。

本發(fā)明模塊的工作過程如下：

復(fù)位開關(guān)管mrst1由vrst信號控制首先導(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截止時進入積分階段，第一級ctia輸入級電路積分電容cint1開始積分。從探測器輸出的電荷流入積分電容cint1，經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)成電壓放大后輸出，輸出信號進入憶阻橋電路。此時vc信號控制憶阻橋電路的狀態(tài)，當(dāng)熱釋電電流為正向時，憶阻橋處于正向權(quán)值輸出狀態(tài)，輸出級電路進行采樣，將正向積分電壓信號采集到采樣電容csh；當(dāng)反向熱釋電電流在ctia輸入級積分時，憶阻橋處于負向權(quán)值輸出狀態(tài)，此時反向積分電壓信號變成正電壓信號，輸出級電路采樣后在采樣電容中完成兩次信號的疊加，實現(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控制下產(chǎn)生選通信號，開始逐次讀取每個通道的信號，實現(xiàn)讀出電路的信號輸出。

弛豫鐵電探測器的輸出電流信號通過第一級ctia輸入級電路模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號，進入憶阻橋電路。編程脈沖信號vc控制憶阻元件的狀態(tài)變化，通過與調(diào)制信號匹配，實現(xiàn)雙向電流積分放大。憶阻橋電路的輸出信號經(jīng)過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，和探測器芯片互連，由外部驅(qū)動電路提供控制信號，并通過調(diào)節(jié)編程控制脈沖信號與調(diào)制信號匹配，控制憶阻橋電路的狀態(tài)變化，實現(xiàn)雙向電流積分放大，提高輸出信號信噪比。

有益效果

本發(fā)明將憶阻應(yīng)用于熱釋電探測器讀出電路，憶阻是一種納米級元件，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)計上占用的面積較小，便于在大規(guī)模的集成電路中進行設(shè)計。它的開關(guān)特性，與傳統(tǒng)的晶體管、晶閘管不同，它不需要第三個端口進行控制，而且也不同于二極管，憶阻的狀態(tài)變化具有可控性。對于憶阻橋電路，編程信號和輸入檢測信號可以共享輸入端。通過外部控制信號可以控制憶阻狀態(tài)，實現(xiàn)憶阻橋電路的正信號、負信號、零等不同狀態(tài)輸出，與熱釋電探測器的調(diào)制信號匹配，可以實現(xiàn)正負熱釋電信號雙向積分輸出的效果，比傳統(tǒng)電路信號增加40％，提高輸出信號信噪比。