本發(fā)明涉及電流積分，特別地涉及包括以負(fù)反饋方式連接在運(yùn)算放大器上的電容器的積分器，其中該積分器傳送作為接收并儲(chǔ)存在電容器中的電荷的函數(shù)的電壓。

本發(fā)明特別但非排他地涉及電磁輻射的檢測(cè)，并且特別地涉及紅外電磁輻射的檢測(cè)。本發(fā)明更具體地應(yīng)用于利用由微型熱輻射計(jì)的陣列形成的陣列檢測(cè)器進(jìn)行熱成像，無(wú)論是旨在形成熱圖像的傳統(tǒng)成像，還是旨在獲得溫度測(cè)量結(jié)果的熱成像。

因此，特別地，本發(fā)明的目標(biāo)是具有高讀出動(dòng)態(tài)范圍的積分器，即能夠測(cè)量與小量電荷對(duì)應(yīng)的電流并且能夠測(cè)量與大量電荷對(duì)應(yīng)的電流的積分器。特別地，在陣列檢測(cè)的背景下，本發(fā)明的目標(biāo)是形成包含從具有高流量動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景獲得的最大量的有用數(shù)據(jù)的圖像，即，高流量動(dòng)態(tài)范圍的特征在于場(chǎng)景的各點(diǎn)之間發(fā)出的能量的差異大，并且更具體地針對(duì)熱檢測(cè)器而言“冷”區(qū)域和“熱”區(qū)域之間存在尤為顯著的在幾百攝氏度量級(jí)的溫度差。

背景技術(shù)：

下文討論的發(fā)展是基于微熱輻射計(jì)型熱檢測(cè)器的具體情形，因?yàn)樗鼈兲貏e受益于本發(fā)明所提供的優(yōu)點(diǎn)。然而，應(yīng)當(dāng)指出，在這種背景下表現(xiàn)出的問(wèn)題適用于產(chǎn)生要測(cè)量的電荷的任何類型的裝置。特別是，下文所描述的內(nèi)容適用于所有的電磁輻射檢測(cè)器，無(wú)論是例如在可見光范圍內(nèi)工作的檢測(cè)器，還是在紅外頻帶或其以外的所謂“太赫茲”頻帶中工作的檢測(cè)器。同樣，本發(fā)明有益于諸如熱檢測(cè)器(例如熱輻射型和電容型的熱檢測(cè)器)等的對(duì)電磁波敏感的檢測(cè)器，或者有益于用于熱和太赫茲范圍的耦合天線，以及有益于對(duì)電磁能量體敏感的所謂的量子檢測(cè)器(包括從X、紫外、可見和紅外頻帶進(jìn)行工作那樣的檢測(cè)器)。

在本發(fā)明的背景下，術(shù)語(yǔ)“檢測(cè)器”可以理解為指定旨在生成與現(xiàn)象的單一、線性或二維分布有關(guān)的電信號(hào)的任意系統(tǒng)。

在所謂的“熱”紅外檢測(cè)器的領(lǐng)域中，已知使用對(duì)紅外輻射敏感的元件的一維或二維陣列，與需要在非常低的溫度下(通常如液氮那樣)工作的稱為“量子檢測(cè)器”的檢測(cè)裝置相反，上述元件陣列能夠在環(huán)境溫度下工作、即不要求在非常低的溫度下冷卻。

傳統(tǒng)上，熱紅外檢測(cè)器利用所謂的“測(cè)溫的”或“測(cè)輻射熱的”材料的物理量根據(jù)其溫度的變化。目前，該物理量是所述材料的高度溫度依賴的電阻率。檢測(cè)器的單元敏感元件或“熱輻射計(jì)”通常采用膜的形式，其中，這些膜各自包括一層測(cè)溫材料，并且經(jīng)由耐熱性高的支撐臂懸掛在通常由硅制成的基板的上方，其中所懸掛的膜的陣列通常被稱為“視網(wǎng)膜”。特別地，這些膜實(shí)現(xiàn)吸收入射輻射的功能、將所吸收的輻射的功率轉(zhuǎn)換成熱功率的功能、和將所生成的熱功率轉(zhuǎn)換成測(cè)溫材料的電阻率的變化的測(cè)溫功能，其中這些功能可由一個(gè)或多個(gè)不同元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，膜的支撐臂也具有傳導(dǎo)性且連接至其測(cè)溫層。在上方懸掛有膜的基板中，通常形成有用于順次尋址并偏置膜的測(cè)溫元件的部件和用于形成能夠以視頻格式使用的電信號(hào)的部件。該基板和集成部件通常被稱為“讀出電路”。

為了補(bǔ)償傳感器的溫度漂移，通常實(shí)現(xiàn)的方案是在用于形成與成像熱輻射計(jì)(因?yàn)閷?duì)入射電磁輻射敏感，因此這樣稱謂)的溫度有關(guān)的信號(hào)的電子電路中設(shè)置用于補(bǔ)償焦平面溫度元件(FPT)的元件，其中所述元件自身是測(cè)輻射熱的，即其電氣行為跟隨基板溫度、但保持對(duì)輻射基本不敏感。該結(jié)果例如是利用結(jié)構(gòu)上設(shè)置有向著基板的耐熱性較低的熱輻射結(jié)構(gòu)來(lái)獲得，以及/或者是通過(guò)將這些結(jié)構(gòu)遮蔽在對(duì)于要檢測(cè)的熱輻射不透明的屏蔽件的后方來(lái)獲得。使用這些補(bǔ)償元件還具有消除了源自于成像或“有源”熱輻射計(jì)的大部分所謂共模電流的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的包括共模補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的無(wú)溫度調(diào)節(jié)的熱輻射檢測(cè)器10或“無(wú)TEC”檢測(cè)器的電氣圖，并且圖2是補(bǔ)償?shù)墓材z測(cè)器的熱輻射計(jì)的用于形成讀出信號(hào)的電路的電氣圖。例如，在以下文獻(xiàn)中說(shuō)明了這種檢測(cè)器：“Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement”；E.Mottin等，Infrared Technology and Application XXVIII,SPIE,vol.4820E。

檢測(cè)器10包括相同的單元熱輻射檢測(cè)元件14或“像素”的二維陣列12，其中各單元熱輻射檢測(cè)元件14或“像素”包括采用如前面所述等的懸掛在基板上方的膜的形式、并且具有電阻Rac的敏感電阻熱輻射計(jì)16。

各熱輻射計(jì)16的一個(gè)端子連接至特別是檢測(cè)器10的接地端的恒定電壓VDET，并且其另一端子連接至以飽和狀態(tài)工作的MOSFET偏置晶體管18(例如，NMOS晶體管)，從而利用柵極控制電壓GAC來(lái)設(shè)置熱輻射計(jì)16兩端的電壓Vac。

如果A表示與MOS 18的源極相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并且VA為依賴于柵極電壓GAC的節(jié)點(diǎn)A的電壓，則電壓V_ac等于V_ac＝VA-VDET。像素14還包括選擇開關(guān)20，其中該選擇開關(guān)20連接在MOS晶體管18和針對(duì)陣列12的各列所設(shè)置的節(jié)點(diǎn)S之間，并且利用控制信號(hào)SELECT(選擇)來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而使得能夠選擇熱輻射計(jì)16以進(jìn)行其讀取。通常晶體管18和開關(guān)20形成在受熱輻射計(jì)16的膜的影響的基板中。元件16和18形成所謂的檢測(cè)分支。特別地，由于這些像素是相同的，并且一方面電壓VDET、另一方面電壓GAC針對(duì)所有像素是相同的，因此，熱輻射計(jì)16以同一電壓V_ac下被電壓偏置。另外，柵極電壓GAC是恒定的，因此電壓V_ac也是恒定的。

檢測(cè)器10在陣列12的各列的下部還包括通常還稱為“略讀(skimming)”結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22。如前面所述的，主要利用基板溫度來(lái)表示熱輻射計(jì)16的電阻的值。因此，流經(jīng)檢測(cè)用熱輻射計(jì)16的電流包括依賴于基板溫度并且獨(dú)立于觀察場(chǎng)景的大的分量。補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22具有傳送電流以供該分量的局部或全部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

結(jié)構(gòu)22包括對(duì)源自于要觀察的場(chǎng)景的入射輻射不敏感的電阻為Rcm的補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24。熱輻射計(jì)24由與熱輻射計(jì)16相同的測(cè)溫材料制成，但是熱輻射計(jì)24具有相對(duì)于基板非常低的耐熱性。例如：

·將熱輻射計(jì)24的阻抗元件直接構(gòu)造成與基板相接觸，或者

·熱輻射計(jì)24包括采用具有非常低的耐熱性的結(jié)構(gòu)的、與懸掛在基板的上方的檢測(cè)用熱輻射計(jì)16的膜相同的膜，或者

·補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24還包括與檢測(cè)用熱輻射計(jì)16的膜和支撐臂相同的膜和支撐臂，并且在補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24和基板之間的空間填充作為良好熱導(dǎo)體的材料。

因而利用基板溫度來(lái)基本表示熱輻射計(jì)24的電阻，于是認(rèn)為熱輻射計(jì)24相對(duì)于基板被“熱化”。

熱輻射計(jì)24的一個(gè)端子連接至正恒定電壓VSK，并且補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22還包括MOSFET偏置晶體管26，其中，該MOSFET偏置晶體管26以飽和狀態(tài)進(jìn)行工作，具有與檢測(cè)像素14的晶體管18的極性相反的極性(例如，PMOS晶體管)，利用柵極控制電壓GCM來(lái)設(shè)置熱輻射計(jì)24兩端的電壓V_cm，并且連接在補(bǔ)償熱輻射計(jì)24的另一端子和節(jié)點(diǎn)S之間。

如果B表示與MOS晶體管24的漏極相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并且V_B表示該節(jié)點(diǎn)處的電壓，則電壓V_cm等于V_cm＝VSK-V_B。元件24和26形成各列共用的所謂的補(bǔ)償分支。

共模補(bǔ)償電流的值通過(guò)熱輻射計(jì)24的電阻R_cm的值及其偏置參數(shù)的值來(lái)限定。

檢測(cè)器10在陣列12的各列的下部還包括CTIA(“電容跨阻放大器”)型的積分器28，其中該積分器28例如包括運(yùn)算放大器30和連接在放大器30的反相輸入和輸出之間的、具有固定電容C_int的單個(gè)電容器32。放大器30的反相端子和非反相端子進(jìn)一步分別連接至節(jié)點(diǎn)S和正恒定電壓VBUS。因而，電壓VBUS形成針對(duì)輸出信號(hào)的基準(zhǔn)，并且電壓VBUS在VDET和VSK之間。還與電容器32并聯(lián)設(shè)置利用信號(hào)Reset(復(fù)位)來(lái)驅(qū)動(dòng)的開關(guān)34，以實(shí)現(xiàn)電容器32的放電。CTIA 28的輸出最終例如連接至采樣-保持電路36，以利用多路復(fù)用器38以多路復(fù)用模式將CTIA的電壓Vout傳送至一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)輸出放大器40。還可以在數(shù)字化部件的輸出處通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)對(duì)CTIA 28的輸出進(jìn)行積分。

最后，檢測(cè)器10包括控制前面所述的不同開關(guān)的序列化單元42。

在工作中，對(duì)陣列12逐行進(jìn)行讀取。為了從陣列12的行進(jìn)行讀取，接通像素14的該行的開關(guān)20并且斷開其它行的開關(guān)20。陣列12的行的組件的連續(xù)讀取形成幀。

針對(duì)陣列12的選擇讀取的行的熱輻射計(jì)16的讀取，在通過(guò)先接通開關(guān)34然后再斷開開關(guān)34所實(shí)現(xiàn)的、位于列的下部的CTIA電容器的放電階段之后，如此針對(duì)正在讀取的行的各像素獲得諸如圖2所示的電路。

在利用MOSFET晶體管18偏置像素的檢測(cè)用熱輻射計(jì)16的電壓的影響下，電流I_ac流經(jīng)像素的檢測(cè)用熱輻射計(jì)16，并且在利用MOSFET晶體管26偏置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24的電壓的影響下，電力I_cm流經(jīng)補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24。在節(jié)點(diǎn)S處將這些電流彼此相減，并且在預(yù)定積分時(shí)間段T_int內(nèi)利用CTIA 28對(duì)由此得到的電流差進(jìn)行積分。因而，由于依賴于基板溫度的電流I_ac的未使用部分至少部分由為了再現(xiàn)該未使用部分而專門生成的電流I_cm來(lái)補(bǔ)償，因此CTIA 28的輸出電壓Vout是由要檢測(cè)的入射輻射所引起的檢測(cè)用熱輻射計(jì)16的電阻的變化的測(cè)量值。

假設(shè)主動(dòng)熱輻射計(jì)16的電阻和補(bǔ)償用熱輻射計(jì)24的電阻沒(méi)有通過(guò)自發(fā)熱現(xiàn)象因其偏置而明顯變化，并且CTIA 28不飽和，則可以通過(guò)以下關(guān)系式來(lái)表示在積分時(shí)間段T_int結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓Vout：

$V_{out}=V_{bus}+\frac{1}{C_{\mathrm{int}}}\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{int}}}{\∫}}(i_{ac}-i_{cm})dt=\frac{(i_{ac}-i_{cm})\·T_{\mathrm{int}}}{C_{\mathrm{int}}}+VBUS---\left(1\right)$

眾所周知，CTIA具有固定的電輸出動(dòng)態(tài)范圍或“讀出”動(dòng)態(tài)范圍。在以接收的第一量以下的電荷作為輸入的情況下，CTIA供給低固定電壓，所謂的“低飽和電壓”(V_satL)。同樣，在以接收的第二量以上的電荷作為輸入的情況下，CTIA供給高固定電壓，所謂的“高飽和電壓”(V_satH)。在CTIA接收的電荷量大于第一量的電荷且小于第二量的電荷時(shí)，關(guān)系式(1)呈現(xiàn)CTIA的線性行為。讀出動(dòng)態(tài)范圍基本通過(guò)電容器32的電容C_int的值來(lái)確定。特別地，在該電容固定、即隨著時(shí)間的推移保持恒定的情況下，CTIA的讀出動(dòng)態(tài)范圍也是固定的。

按照慣例，在本發(fā)明的背景下，低飽和電壓V_satL和高飽和電壓V_satH是供給這兩者之間的輸出的CTIA被視為線性的界限，即使CTIA通常能夠供給比這些端點(diǎn)更高或更低的電壓。

另外，積分電容還確定敏感度、或更準(zhǔn)確的檢測(cè)器的響應(yīng)性。檢測(cè)器的響應(yīng)性通過(guò)與輸入信號(hào)(場(chǎng)景溫度T_scene)的變化有關(guān)的輸出信號(hào)Vout的變化、即dVout/dV_scene來(lái)定義。場(chǎng)景的可觀察范圍或“場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍”通過(guò)引起CTIA的輸出信號(hào)非飽和的場(chǎng)景中的最大溫度差來(lái)定義，或者換句話說(shuō)，通過(guò)未引起CTIA的高飽和的最高溫度與未引起CTIA的低飽和的最低溫度之間的差來(lái)定義。因此，檢測(cè)器的敏感度(響應(yīng)性)是檢測(cè)器檢測(cè)場(chǎng)景的細(xì)節(jié)的能力，而檢測(cè)器的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍是其不失真地轉(zhuǎn)錄場(chǎng)景中的很大溫度變化的能力。因此，以固定積分容量同時(shí)優(yōu)化這兩個(gè)矛盾的量是不可能的。

因此，現(xiàn)有技術(shù)根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用提供對(duì)這些量中的一個(gè)量或另一個(gè)量的偏好。通常，用戶選擇高敏感度，而可觀察的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍必然減小，例如減小到幾十度，或者用戶選擇例如200℃的高場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍，而檢測(cè)器與觀察的場(chǎng)景無(wú)關(guān)地、僅具有低敏感度。換句話說(shuō)，用戶調(diào)整檢測(cè)器的工作點(diǎn)以對(duì)其在敏感度和場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍之間的折衷方面的需求最佳地作出響應(yīng)。

以上考慮適用于形成試圖利用特別是CTIA型的積分器來(lái)“讀出”的電輸入信號(hào)電流I_in的任何系統(tǒng)，其中電輸入信號(hào)電流I_in的示例為上面描述的差i_ac-i_cm。在這樣的寬背景下，形成了輸入(這里為熱場(chǎng)景的水平)處可接受的高動(dòng)態(tài)范圍的需求與特別是積分器增益dVout/dI_in＝T_int/C_int的、限定系統(tǒng)敏感度的信號(hào)形成鏈的高增益的矛盾需求之間的內(nèi)在的對(duì)立。

已經(jīng)提供改變積分器的讀出動(dòng)態(tài)范圍以適合其接收的電荷量的復(fù)雜布局。在用于檢測(cè)的應(yīng)用背景下，這使得能夠在保持高敏感度的同時(shí)擴(kuò)展場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍。

因此，文獻(xiàn)Proc.of SPIE Vol.6940,694020,(2008)提出將具有低電容的電容器和具有高電容的電容器的兩個(gè)可選電容器并聯(lián)來(lái)代替單個(gè)電容器32。針對(duì)從單元檢測(cè)器的陣列的讀取，實(shí)現(xiàn)所謂的“組合模式”。該模式交替進(jìn)行以下動(dòng)作：通過(guò)針對(duì)CTIA選擇低電容的電容器而以高增益形成幀并因此形成高敏感度，之后通過(guò)針對(duì)CTIA選擇高電容的電容器而以小增益形成幀并因此形成高場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍。

這種工作模式的缺點(diǎn)在于實(shí)時(shí)高速率數(shù)據(jù)的可用性的限制。事實(shí)上，針對(duì)讀取的三個(gè)幀，僅顯示一幀。因此，該幀頻等于通常幀頻的三分之一。

文獻(xiàn)Proc.of SPIE Vol.6542,65421R,(2007)描述了與之前描述的陣列檢測(cè)器類似的陣列檢測(cè)器。然而，不同之處在于其根據(jù)像素的位置而變化的積分時(shí)間。特別地，長(zhǎng)的積分時(shí)間適用于一個(gè)像素，較短的積分時(shí)間適用于第一像素的下一像素，積分時(shí)間的空間分布適用于與桌布圖案相對(duì)應(yīng)的整個(gè)陣列。一旦以不同的積分時(shí)間讀取了幀，邏輯序列化裝置將對(duì)源自該像素的信號(hào)和閾值進(jìn)行比較。在以高增益(即以高積分時(shí)間)讀取的源自像素的電壓超過(guò)閾值的情況下，利用以低增益(即以短積分時(shí)間)讀取的源自鄰接像素的電壓的平均值來(lái)替代幀中的該電壓。然而，在以低增益讀取的源自像素的電壓低于閾值的情況下，利用以高增益讀取的源自鄰接像素的電壓的平均值來(lái)替代幀中的該電壓?？梢匀菀椎叵氲叫畔⒌拇罅繐p失，特別是由于修改后的幀是平均值所導(dǎo)致的與高溫和低溫細(xì)節(jié)有關(guān)的信息。

文獻(xiàn)WO 2007/135175描述了用于將圖像傳感器的像素復(fù)位的電路，該電路配備有用于讀出單元檢測(cè)元件所生成的電荷的CTIA。在積分時(shí)間期間，在三個(gè)固定時(shí)刻對(duì)各CTIA的輸出電壓先后采樣三次：

·第一采樣電壓用于抑制通過(guò)相關(guān)雙采樣裝置(稱為“CDS”)獲取的另兩個(gè)電壓的開關(guān)噪聲(稱為“kTC噪聲”)；

·第二電壓使得能夠捕獲場(chǎng)景的細(xì)節(jié)；以及

·第三電壓使得能夠管理強(qiáng)的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍。

之后對(duì)由此獲得的電壓進(jìn)行數(shù)字化，并利用復(fù)雜的算法進(jìn)行處理，該算法在最后兩個(gè)電壓的kTC噪聲已經(jīng)得到校正的情況下對(duì)這兩個(gè)電壓施加增益，以及選擇在輸出處所要提供的電壓以避免飽和并提供最大動(dòng)態(tài)范圍。

該方案由于圖像傳感器外部的必要信息以及信號(hào)形成裝置的后續(xù)處理而需要大量軟件和存儲(chǔ)器裝置。另外，該方案供給由于多次采樣以及相關(guān)計(jì)算所需要的時(shí)間所致的、相對(duì)于場(chǎng)景的事件發(fā)生時(shí)間偏移的輸出信息。將該缺點(diǎn)稱為“時(shí)間不一致”或異步。

文獻(xiàn)US 7 202 463描述了包括光電二極管的圖像傳感器。對(duì)于各光電二極管的讀取，提供與其并聯(lián)連接的電容器，這些電容器對(duì)光電二極管生成的電荷進(jìn)行積分。比較器連接至該電容器以將其電壓與閾值電壓進(jìn)行比較，并且在電容器的電壓大于閾值電壓的情況下，連接在比較器輸出處的電容器放電電路使電容器放電。最后，還提供用于對(duì)積分時(shí)間段期間電容器電壓超過(guò)閾值電壓的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路。之后，通過(guò)將閾值乘以計(jì)數(shù)的次數(shù)、再加上傳感器電容器電壓的最終值來(lái)恢復(fù)最終的信號(hào)。該系統(tǒng)提供高場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍，但是由于積分電容的重復(fù)放電，最終的信號(hào)被大量的噪聲污染，隨著電容器放電次數(shù)變高，最終信號(hào)的噪聲也越高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種基于CTIA的電流積分裝置，其在限制最終傳送信號(hào)中的噪聲的同時(shí)不損害系統(tǒng)敏感度的情況下，具有擴(kuò)展的讀出動(dòng)態(tài)范圍。

為此，本發(fā)明旨在提供一種電流積分裝置，其用于在預(yù)定的時(shí)間段T_int內(nèi)對(duì)積分節(jié)點(diǎn)上接收到的電流進(jìn)行積分，所述電流積分裝置包括：運(yùn)算放大器，其具有第一輸入、第二輸入和輸出，以及電容器，其具有連接在所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入和所述輸出之間的兩個(gè)端子，其中，所述運(yùn)算放大器的所述第二輸入連接到恒定電壓VBUS，所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入連接至所述積分節(jié)點(diǎn)，并且所述運(yùn)算放大器的所述輸出傳送輸出電壓Vout，所述輸出電壓Vout根據(jù)所述電容器(64)中儲(chǔ)存的具有預(yù)定的極性的電荷量在預(yù)定的變化方向上單調(diào)地變化，以及在所述電容器(64)中儲(chǔ)存的具有所述極性的電荷量大于預(yù)定的閾值的情況下，所述運(yùn)算放大器(62)的輸出電壓Vout以高飽和電壓V_satH達(dá)到飽和，并且在所述電容器(64)中儲(chǔ)存的具有所述極性的電荷量小于預(yù)定的閾值的情況下，所述運(yùn)算放大器(62)的輸出電壓Vout以低飽和電壓V_satL達(dá)到飽和。

根據(jù)本發(fā)明，所述裝置還包括：

切換電路，用于使所述電容器的端子切換；以及

觸發(fā)電路，用于在所述運(yùn)算放大器的輸出電壓Vout在所述變化方向上變化并且大致等于參考電壓VREF的情況下，在積分時(shí)間段T_int期間至少一次觸發(fā)所述切換電路；

在所述變化方向?yàn)樵龃蟮那闆r下，所述參考電壓VREF小于或等于高飽和電壓V_satH，并且所述參考電壓VREF和所述運(yùn)算放大器的所述第二輸入的電壓VBUS被選擇為滿足關(guān)系式2.VBUS-VREF≥V_satL；或者

在所述變化方向?yàn)闇p小的情況下，所述參考電壓VREF大于或等于低飽和電壓V_satL，并且所述參考電壓VREF和所述運(yùn)算放大器(62)的所述第二輸入的電壓VBUS被選擇為滿足關(guān)系式2.VBUS-VREF≤VsatH；

存儲(chǔ)電路，用于存儲(chǔ)在所述積分時(shí)間段的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間之間已發(fā)生的觸發(fā)的次數(shù)。

電容器端子的切換或更簡(jiǎn)單地“電容器的切換”指的是積分電容器的極板A1和A2與其連接至電路N1和N2的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的電連續(xù)性的瞬時(shí)中斷、以及A1和電路的N2之間以及A2和電路的N1之間新的電連續(xù)性的形成。

換句話說(shuō)，由于電容器切換，在不改變信號(hào)形成鏈的敏感度(特別是電容器的值和積分時(shí)間的值)的情況下，獲得CTIA的讀出動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)接收到的電荷的自主自動(dòng)擴(kuò)展。當(dāng)CTIA的輸出電壓達(dá)到參考電壓時(shí)，在不放電的情況下切換電容器。保持的電荷將切換之后CTIA的新的輸出電壓限定為低于切換之前的輸出電壓(當(dāng)輸出電壓增大時(shí))，積分從此繼續(xù)進(jìn)行。根據(jù)切換的次數(shù)將有用的輸出信號(hào)確定為通過(guò)切換生成的電壓減量(或增量)，以及優(yōu)選地確定為積分時(shí)間結(jié)束時(shí)CTIA的輸出電壓。

另外，由于電容器從不放電，因此噪聲得到限制。另外，該裝置形成與接收到電荷時(shí)間上一致的圖像信號(hào)，而無(wú)需在形成源自多個(gè)像素的信號(hào)之后使用復(fù)雜的數(shù)字和/或算法處理。另外，針對(duì)簡(jiǎn)單CTIA所使用的附加電路需要很少的電力和基板表面積，并且具有根據(jù)需求可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍。

有利地，在積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的切換的次數(shù)和CTIA的輸出電壓針對(duì)各檢測(cè)站一同供應(yīng)。特別地，根據(jù)本發(fā)明的有利特征，在積分時(shí)間段結(jié)束時(shí)在CTIA的輸出處，存儲(chǔ)電路在n位上輸出將要添加至與模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電荷的電荷數(shù)編碼的數(shù)字信號(hào)。

根據(jù)實(shí)施例，切換電路包括：

可控的第一開關(guān)，其連接在所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入和所述電容器的第一端子之間；

可控的第二開關(guān)，其連接在所述運(yùn)算放大器的所述輸出和所述電容器的第二端子之間；

可控的第三開關(guān)，其連接在所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入和所述電容器的所述第二端子之間；

可控的第四開關(guān)，其連接在所述運(yùn)算放大器的所述輸出和所述電容器的所述第一端子之間，以及

所述可控的第一開關(guān)和所述可控的第二開關(guān)利用第一二進(jìn)制控制信號(hào)來(lái)控制；所述可控的第三開關(guān)和所述可控的第四開關(guān)利用與所述第一二進(jìn)制控制信號(hào)互補(bǔ)的第二二進(jìn)制控制信號(hào)來(lái)控制。

根據(jù)實(shí)施例，所述觸發(fā)電路包括比較器，所述比較器具有連接至所述運(yùn)算放大器的所述輸出的第一輸入和連接至所述參考電壓VREF的第二輸入，在所述比較器的第一輸入上的電壓低于所述比較器的第二輸入上的電壓的情況下，所述比較器在輸出上生成第一電壓，并且在所述比較器的第一輸入上的電壓大于所述比較器的第二輸入上的電壓的情況下，所述比較器在所述輸出上生成與所述第一電壓不同的第二電壓，從而使得通過(guò)所述觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)的所述切換電路的觸發(fā)所需的以下條件得到滿足：

在所述變化方向?yàn)樵龃蟮那闆r下，從所述第一電壓向所述第二電壓切換；或者

在所述變化方向?yàn)闇p小的情況下，從所述第二電壓向所述第一電壓切換。

根據(jù)實(shí)施例，通過(guò)所述觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)所述電容器的切換的觸發(fā)包括同時(shí)滿足以下子條件：

第一子條件，根據(jù)所述第一子條件，所述運(yùn)算放大器的輸出電壓在所述變化方向上變化，并且大致等于所述參考電壓；以及

第二子條件，根據(jù)所述第二子條件，在所述第一子條件已經(jīng)滿足時(shí)從所述積分時(shí)間段的開始時(shí)間起的所述次數(shù)比預(yù)定的最大次數(shù)少。

更特別地，所述觸發(fā)電路包括n位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所述二進(jìn)制計(jì)數(shù)器具有連接至所述比較器的輸出的計(jì)數(shù)輸入以及供給從所述積分時(shí)間段T_int的開始時(shí)間起的所述次數(shù)的輸出，其中，在所述變化方向?yàn)樵龃蟮那闆r下，所述比較器的輸出從所述第一電壓向所述第二電壓切換，或在所述變化方向?yàn)闇p小的情況下，所述比較器的輸出從所述第二電壓向所述第一電壓切換。

第二子條件的切換的嚴(yán)格大于1的最大值是根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用來(lái)確定。在實(shí)踐中僅偶爾達(dá)到或從未達(dá)到的切換的最大值可能是足夠大的，從而在實(shí)踐中在積分時(shí)間段結(jié)束時(shí)確定切換的次數(shù)可能是足夠的。

特別地，所述觸發(fā)電路包括信號(hào)發(fā)生器，所述信號(hào)發(fā)生器連接至所述二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出，并且在所述二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出遞增的情況下，切換所述開關(guān)的所述第一二進(jìn)制控制信號(hào)和所述第二二進(jìn)制控制信號(hào)。

本發(fā)明還旨在提供一種電磁輻射檢測(cè)系統(tǒng)，包括：

檢測(cè)元件，其根據(jù)電磁輻射在輸出端子上生成電流；以及

上述類型的電流積分裝置，所述運(yùn)算放大器的所述第一輸入連接至所述檢測(cè)元件的輸出端子以進(jìn)行對(duì)所述檢測(cè)元件所生成的電流的積分。

特別地，所述檢測(cè)元件包括：

檢測(cè)分支，其包括具有懸掛在基板上方的膜的檢測(cè)用熱輻射計(jì)以及用于根據(jù)電壓設(shè)置點(diǎn)對(duì)所述檢測(cè)用熱輻射計(jì)兩端的電壓進(jìn)行設(shè)置的偏置電路，

補(bǔ)償分支，其包括基本具有所述基板的溫度的補(bǔ)償用熱輻射計(jì)以及用于根據(jù)電壓設(shè)置點(diǎn)對(duì)所述補(bǔ)償用熱輻射計(jì)兩端的電壓進(jìn)行設(shè)置的偏置電路；以及

用于形成流經(jīng)所述檢測(cè)用熱輻射計(jì)的電流和流經(jīng)所述補(bǔ)償用熱輻射計(jì)的電流之間的差以形成要積分的電流的裝置。

本發(fā)明旨在提供一種電流積分方法，用于在電容器中在預(yù)定的積分時(shí)間段T_int期間進(jìn)行電流積分，所述電容器具有連接在運(yùn)算放大器的第一輸入和輸出之間的兩個(gè)端子，所述運(yùn)算放大器包括連接到恒定電壓VBUS的第二輸入，所述運(yùn)算放大器的輸出電壓Vout根據(jù)所述電容器中儲(chǔ)存的具有預(yù)定的極性的電荷量在預(yù)定的變化方向上單調(diào)地變化，在所述電容器中儲(chǔ)存的具有所述極性的所述電荷量大于預(yù)定的閾值的情況下，所述輸出電壓Vout以高飽和電壓V_satH達(dá)到飽和，并且在所述電容器中儲(chǔ)存的具有所述極性的所述電荷量小于預(yù)定的閾值的情況下，所述運(yùn)算放大器的輸出電壓Vout以低飽和電壓V_satL達(dá)到飽和，所述電流積分方法包括以下步驟：

a)在積分時(shí)間段T_int的開始時(shí)間之前，將所述電容器的電荷和計(jì)數(shù)值初始化為零；

b)在積分時(shí)間段T_int期間對(duì)所述電容器中的電流進(jìn)行積分；

c)在所述運(yùn)算放大器的輸出電壓在所述變化方向上變化并且等于預(yù)定的參考電壓VREF的情況下，在積分時(shí)間段T_int期間至少一次切換所述電容器的端子，其中，

在所述變化方向?yàn)樵龃蟮那闆r下，所述參考電壓VREF小于或等于高飽和電壓V_satH，并且所述參考電壓VREF和所述運(yùn)算放大器的所述第二輸入的電壓VBUS被選擇為滿足關(guān)系式2.VBUS-VREF≥V_satL；或者

在所述變化方向?yàn)闇p小的情況下，所述參考電壓VREF大于或等于低飽和電壓V_satL，并且所述參考電壓VREF和所述運(yùn)算放大器的所述第二輸入的電壓VBUS被選擇為滿足關(guān)系式2.VBUS-VREF≤VsatH，

d)在積分時(shí)間段T_int期間，在所述電容器每次切換之后，將所述計(jì)數(shù)值遞增一；

e)在積分時(shí)間段T_int的結(jié)束時(shí)間之后，供給所述計(jì)數(shù)值。

根據(jù)實(shí)施例，只要計(jì)數(shù)值小于預(yù)定最大值，則切換電容器。

附圖說(shuō)明

在閱讀僅作為示例而提供的關(guān)于附圖的以下描述的基礎(chǔ)上，將更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記是指相同或相似的元件，其中：

圖1是以上已經(jīng)說(shuō)明的現(xiàn)有技術(shù)的紅外熱輻射檢測(cè)器的電氣圖，其中所述紅外熱輻射檢測(cè)器包括用于測(cè)量檢測(cè)元件所生成的電流的CTIA型積分器；

圖2是示出利用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從圖1的檢測(cè)器的檢測(cè)用熱輻射計(jì)進(jìn)行的讀取的電氣圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的電流積分裝置的電氣圖；

圖4是示出積分級(jí)的輸出信號(hào)和用于將圖2的裝置復(fù)位的信號(hào)的時(shí)序圖；

圖5是示出在將圖3的裝置用作陣列檢測(cè)器的積分裝置的背景下、該裝置的讀出動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展的時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的積分裝置60包括具有運(yùn)算放大器62以及連接在放大器62的反相輸入和輸出的具有固定電容C_int的信號(hào)電容器64的CTIA型積分器。放大器62的非反相輸入(+)連接至恒定正電壓VBUS，而反相輸入(-)連接至傳導(dǎo)要積分的電流I的輸入或積分節(jié)點(diǎn)E。

利用信號(hào)HDraz驅(qū)動(dòng)的開關(guān)66也與電容器64并聯(lián)設(shè)置，用于電容器64的放電，并因此用于電容器64的“復(fù)位”。

裝置60具有連接在運(yùn)算放大器62的輸出處以對(duì)其輸出處的電壓Vout進(jìn)行采樣和保持的采樣-保持電路68。

除上述CTIA積分器以外，裝置60還具有對(duì)CTIA 62、64的讀出動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行自動(dòng)擴(kuò)展的電路70。電路70包括：

·電路72，其在接收到控制信號(hào)HD[2:0]時(shí)，使運(yùn)算放大器62兩端的電容器64的連接方向反向；

·電路74，其根據(jù)放大器62的輸出電壓Vout檢測(cè)電容器64的切換條件，并生成控制信號(hào)HD[2:0]；以及

·電路76，其存儲(chǔ)電容器64的切換次數(shù)。

切換電路72包括：

·可控的第一開關(guān)78，其連接在放大器62的反相輸入(-)和電容器64的第一端子80之間，所述第一開關(guān)利用第一控制信號(hào)HDinv進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；

·可控的第二開關(guān)82，其連接在放大器62的輸出84和電容器64的第二端子86之間，所述第二開關(guān)利用第一控制信號(hào)HDinv進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；

·可控的第三開關(guān)88，其連接在放大器62的反相輸入(-)和電容器64的第二端子86之間，所述第三開關(guān)利用第二控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；

·可控的第四開關(guān)90，其連接在放大器62的輸出86和電容器64的第一端子80之間，所述第四開關(guān)利用第二控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；以及

·相位生成器92，其具有接收控制信號(hào)HD[2:0]并生成控制信號(hào)HDinv和的作用。

特別地，信號(hào)HDinv和具有相反相位。例如，這些信號(hào)是彼此邏輯互補(bǔ)的二進(jìn)制信號(hào)。因此，在具有相同狀態(tài)的第三和第四開關(guān)88、90接通期間，具有相同狀態(tài)的第一和第二開關(guān)78、82是斷開的，反之亦然。由此定義電容器64的兩種連接狀態(tài)，即：

·第一狀態(tài)，其中電容器64的第一端子80和第二端子86分別連接至節(jié)點(diǎn)E和放大器62的輸出84；和

·第二狀態(tài)，其中電容器64的第一端子80和第二端子86分別連接至放大器62的輸出84和節(jié)點(diǎn)E。

因此，信號(hào)HDinv的切換以及由此信號(hào)的切換引起電容器64的連接狀態(tài)的反轉(zhuǎn)、即電容器64的切換。

相位生成器92還生成驅(qū)動(dòng)開關(guān)66的信號(hào)HDraz，用于如之后說(shuō)明的根據(jù)初始化控制信號(hào)RAZ對(duì)電容器64進(jìn)行復(fù)位。

以將在之后描述的方式，相位生成器92還實(shí)現(xiàn)根據(jù)模式選擇信號(hào)HD_MODE_ON將讀出動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)擴(kuò)展模式激活和去激活的功能。

檢測(cè)電路74包括：

·比較器94，其在第一端子(+)接收放大器62的輸出電壓Vout，并且在第二端子(-)接收參考電壓VREF，其中參考電壓VREF大于電壓VBUS并且小于或等于CTIA的高飽和電壓V_satH。比較器94輸出電壓S_comp，其在電壓Vout小于電壓VREF時(shí)具有第一值，并且在電壓Vout大于或等于電壓VREF時(shí)具有與第一值不同的第二值。特別地，電壓S_comp從第一值至第二值的切換表示電壓Vout正在增大并且剛好已跨越參考電壓VREF；

·二進(jìn)制計(jì)數(shù)器96，其計(jì)數(shù)輸入連接至比較器94的輸出。該二進(jìn)制計(jì)數(shù)器例如設(shè)計(jì)成對(duì)脈沖上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，于是比較器的第二電壓值被選擇為大于第一電壓值。計(jì)數(shù)器96具有例如4的預(yù)定位數(shù)，并且在初始化端子上接收用于其復(fù)位的初始化信號(hào)RAZ。另外，計(jì)數(shù)器96配置成一旦已經(jīng)達(dá)到其最大值即被阻斷。最后，例如在3個(gè)輸出上并行傳送、針對(duì)計(jì)數(shù)器的各位提供輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器96的輸出信號(hào)供給相位生成器92的控制信號(hào)HD[2:0]。

存儲(chǔ)器電路76例如由異步“LATCH(鎖存)”型異步數(shù)字存儲(chǔ)器形成，該存儲(chǔ)器接收信號(hào)HD[2:0]中所包括的計(jì)數(shù)器值并且在其輸出信號(hào)HDsh[2:0]中保持該值。存儲(chǔ)器電路76和采樣-保持電路68通過(guò)相同的采樣信號(hào)FSH來(lái)驅(qū)動(dòng)以在輸出處保持作為輸入所接收的信號(hào)。

最后，根據(jù)本發(fā)明的積分裝置60有利地包括連接至放大器62的反相輸入(-)的“自動(dòng)調(diào)零”電路98，如本領(lǐng)域所公知的并且例如在文獻(xiàn)IEEE journal of solid-state circuits,vol sc-20,n°3,June 1985中說(shuō)明的，該電路用于消除放大器62的偏移及其低頻噪聲。

現(xiàn)將與圖4相關(guān)聯(lián)地說(shuō)明裝置60的操作。

在開始電流I的積分的階段之前(階段“A”)，生成器92在接收到控制信號(hào)RAZ的預(yù)定值時(shí)將信號(hào)HDraz和HDinv激活為高狀態(tài)，由此通過(guò)生成器92將互補(bǔ)信號(hào)變?yōu)榈蜖顟B(tài)。因此，開關(guān)66、78和82處于其接通狀態(tài)，開關(guān)88和90處于其斷開狀態(tài)，并且計(jì)數(shù)器96的輸出HD[2:0]設(shè)定為低狀態(tài)。開關(guān)66的接通使電容器64放電，并且在該復(fù)位之后，輸出電壓Vout等于VBUS。電壓VREF大于電壓VBUS，因此比較器94的輸出被設(shè)定為其最低值。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知的，在信號(hào)HDraz激活為高狀態(tài)的這種初始化階段期間，自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)98也生效。

之后，將控制RAZ解除，生成器92觸發(fā)開關(guān)66的斷開并保持信號(hào)HDinv和的狀態(tài)。因此，開關(guān)66的斷開標(biāo)志著作為輸入所接收的電流I的積分的階段(階段“B”)的開始，在整個(gè)積分階段期間自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)98有效以減去放大器62的輸入處的偏移。因此，生成器92和開關(guān)66形成該裝置的初始化電路，該初始化電路確定從信號(hào)RAZ的下降沿至信號(hào)RAZ的上升沿的積分時(shí)間段的開始時(shí)間，其中信號(hào)RAZ的上升沿標(biāo)志著積分時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間。放大器62的輸出處的電壓Vout由于積分而從值VBUS開始增大(階段“B1”)。

如果在持續(xù)時(shí)間段T_int的整個(gè)積分階段內(nèi)，電壓Vout保持小于參考電壓VREF，則在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器96的輸出處沒(méi)有新的邏輯條件出現(xiàn)。因此，裝置60的操作等同于諸如關(guān)于圖1和2描述的CTIA等的現(xiàn)有技術(shù)的CTIA，并且輸出信號(hào)HD[2:0]因此保持處于低狀態(tài)。

然而，如果在積分階段期間，輸出電壓Vout達(dá)到或超過(guò)值VREF，則比較器94的輸出S_COMP切換狀態(tài)，這將比較器輸出處的高狀態(tài)傳播至二進(jìn)制比較器96的時(shí)鐘的輸入，由此將最低有效位HD0激活為1。因此，HD[2:0]＝001。

信號(hào)HD[2:0]的位從低狀態(tài)至高狀態(tài)的切換通過(guò)相位生成器92來(lái)檢測(cè)。作為響應(yīng)，相位生成器92分別將控制信號(hào)HDinv和切換至低狀態(tài)和高狀態(tài)。這導(dǎo)致電容器64在放大器62和調(diào)零電路98之間的連接的切換。

在條件Vout＝VREF滿足時(shí)，電容器64中儲(chǔ)存的電荷量Q等于：

Q＝C_int·(VREF-VBUS) (2)

在電容器64的切換之后，CTIA兩端的負(fù)載Q具有相對(duì)于切換之前討論的負(fù)荷的反向偏置，從而放大器62的輸出等于：

V_out＝2.VBUS-VREF (3)

之后，因?yàn)殡妷篤out小于參考電壓VREF，因此比較器94的輸出切換為低狀態(tài)。之后，電容器64的切換使放大器62的輸出變?yōu)楦退健榱吮苊馐笴TIA飽和，選擇滿足以下關(guān)系式的電壓VBUS和電壓VREF：

2.VBUS-VREF≥VsatL

例如，如上調(diào)整電壓VBUS，并且有利地將其調(diào)整至CTIA的線性動(dòng)態(tài)范圍的中央點(diǎn)，因此電壓VBUS滿足以下關(guān)系式：

$VBUS\≥\frac{V_{satL}+V_{satH}}{2}$

超過(guò)該時(shí)間后，積分階段繼續(xù)(階段“B2”)，其中放大器62的輸出在無(wú)信息損失的情況下在線性讀出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)重新開始增長(zhǎng)。

如果在積分結(jié)束之前放大器62的輸出Vout再次達(dá)到或超過(guò)值VREF，比較器94的輸出S_COMP再次改變極性并且再次使計(jì)數(shù)器96增大。因此，計(jì)數(shù)器96的二進(jìn)制輸出設(shè)置為HD[2:0]＝010。

接收到信號(hào)HD[2:0]的位的切換時(shí)，生成器92切換信號(hào)HDinv和在此情形下分別切換為高狀態(tài)和低狀態(tài)，這引起電容器64的切換。CTIA兩端的電負(fù)荷Q再次具有相對(duì)于切換之前所討論的負(fù)荷的反向偏置，并且從而放大器62的輸出變?yōu)閂out＝2.VBUS-VREF，并且由于Vout<VREF，因此比較器94的輸出切換至低狀態(tài)。之后，進(jìn)行輸出Vout從值2.VBUS-VREF開始增長(zhǎng)的新階段(階段“B3”)。因此，電容器能夠在始終無(wú)信息損失的情況下重復(fù)切換，直至二進(jìn)制計(jì)數(shù)器96達(dá)到最大值、即最大值HD_SH[2:0]＝111，作為這里的3位的示例。

一旦經(jīng)過(guò)了積分時(shí)間段T_int，就如傳統(tǒng)積分模式中那樣通過(guò)發(fā)送信號(hào)FSH的脈沖在采樣-保持電路68中對(duì)輸出電壓Vout(T_int)進(jìn)行采樣和保持，同時(shí)在接收到同一信號(hào)FSH的脈沖時(shí)，還將信號(hào)HD[2:0]的二進(jìn)制值存儲(chǔ)在鎖存型存儲(chǔ)器級(jí)76中。因此，裝置60在積分階段結(jié)束時(shí)供給表示電容器64的切換次數(shù)的信號(hào)HD_SH[2:0]和等于放大器62的輸出處的電壓的電壓V_outSH。例如，通過(guò)用于僅在積分結(jié)束之前、即在信號(hào)RAZ的上升沿之前的短時(shí)間段內(nèi)管理數(shù)字控制信號(hào)的電路(未示出)將信號(hào)FSH激活為高狀態(tài)，如圖4B和4C中所示，該電路還指定積分時(shí)間段的開始和結(jié)束的時(shí)間。當(dāng)然，也可采用其它機(jī)械裝置來(lái)調(diào)整積分時(shí)間段的開始和結(jié)束時(shí)間。

之后，如之前所示，可以在新的積分周期之前，通過(guò)控制信號(hào)RAZ的激活來(lái)使級(jí)CTIA的電容C_int和二進(jìn)制計(jì)數(shù)器復(fù)位。

最后，在積分階段期間與通過(guò)CTIA 62、64所積分的電荷相對(duì)應(yīng)的總電壓由此等于：

$V_{out}^{final}=V_{outSH}+2.{\mathrm{conv}}_{10}({\mathrm{HD}}_{SH}\&lsqb;2:0\&rsqb;)\&times;(VREF-VBUS)---\left(4\right)$

其中，conv₁₀(HD_SH[2:0])是HD_SH[2:0]的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換值，即電容器切換的次數(shù)。

因此，等效的讀出動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增大了值2.(2ⁿ).(VREF-VBUS)，或者換句話說(shuō)乘以2ⁿ，其中n是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器96的位數(shù)，該讀出動(dòng)態(tài)范圍可以根據(jù)所使用的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的最大值和參考電壓VREF的值而與比傳統(tǒng)CTIA更高的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于信號(hào)HD_SH[2:0]和V_outSH的使用，可以有多種變型。

在第一變型中，裝置60包括轉(zhuǎn)換單元和計(jì)算單元。轉(zhuǎn)換單元將信號(hào)HD_SH[2:0]和V_outSH轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并且計(jì)算單元基于關(guān)系式(4)根據(jù)信號(hào)HD_SH[2:0]和V_outSH的數(shù)字值計(jì)算最終的數(shù)字電壓。

在第二變型中，裝置60包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和加法器。該數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)信號(hào)HD_SH[2:0]生成等于2.conv₁₀(HD_SH[2:0])×(VREF-VBUS)的模擬電壓，并且加法器將由此產(chǎn)生的電壓與電壓V_outSH相加，或者甚至直接與放大器62的輸出處的電壓Vout相加。

在第三變型中，單個(gè)輸出視頻用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)器。

在第四變型中，僅供給信號(hào)HD_SH[2:0]，于是將信號(hào)HD_SH[2:0]考慮為作為輸入接收的模擬電流所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字值。因此，在這種背景下，根據(jù)本發(fā)明的裝置是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。之后，選擇計(jì)數(shù)器的位數(shù)和值VREF來(lái)限定轉(zhuǎn)換器量化間距以及其動(dòng)態(tài)范圍。

利用現(xiàn)代檢測(cè)器的常用結(jié)構(gòu)和數(shù)字編程協(xié)議實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)器的初始設(shè)計(jì)以及之后實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器的操作中的變量配置或編程，這在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)，上述實(shí)現(xiàn)例如根據(jù)需求以很簡(jiǎn)單和直接的方式將“擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍”功能使能或禁止、或從外部強(qiáng)制總等效積分容量(2ⁿ.C_int)的可能值的其中之一。

與模擬輸出VIDEO(視頻)并行獲得向輸出信號(hào)同步表示給定像素是否已成為“飽和”對(duì)象的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字位的二進(jìn)制信息。該特征使得能夠便利且快速地處理所有圖像數(shù)據(jù)，例如用于與本地“飽和”現(xiàn)象的發(fā)生有關(guān)地進(jìn)行視頻表示(例如，針對(duì)顯示動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的受控使用的直接串行管理數(shù)據(jù))或任何其它信息性使用、或者用于數(shù)據(jù)流的模擬或數(shù)字處理。

例如，在諸如關(guān)于圖1和2說(shuō)明的熱輻射檢測(cè)器等的熱輻射檢測(cè)器的背景下，使用剛剛描述的裝置60來(lái)替代CTIA 28。例如，裝置60的采樣-保持電路68是采樣-保持電路36，并且設(shè)置第二多路復(fù)用器以采用多路復(fù)用模式傳送信號(hào)HD_SH[2:0]。因此，該檢測(cè)器包括用于將源自各像素14的最終電壓以數(shù)字方式恢復(fù)的轉(zhuǎn)換單元和計(jì)算單元。

圖5示出在以下具體情況下的二進(jìn)制信號(hào)HD[2:0]的輸出的示例：三個(gè)像素“像素i+4”、“像素i+7”和“像素i+8”將以多路復(fù)用序列通過(guò)使電容器46發(fā)生1次至數(shù)次切換來(lái)觸發(fā)根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。

因此，在應(yīng)用于檢測(cè)的情況下，本發(fā)明使得能夠保持對(duì)所有像素所形成的區(qū)域的最佳敏感度，這不會(huì)引起與被選擇為與小于或等于飽和電壓V_satH的參考電壓VREF的交叉、即不飽和，同時(shí)提供對(duì)該圖像的區(qū)域的可利用信號(hào)，其中，場(chǎng)景溫度本該使放大器62的輸出處的電壓飽和(不利用本發(fā)明)、即與標(biāo)稱的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍相比太高(這里，為熱的)。輸出本不該具有在這些區(qū)域上的與觀察場(chǎng)景有關(guān)的信息。因此，本發(fā)明獲得了高敏感度和高場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍。

根據(jù)本發(fā)明的有利特征，可以例如從外部通過(guò)手動(dòng)命令的方式或通過(guò)軟件方式經(jīng)由諸如圖3等所示的數(shù)字輸入“HD_MODE_ON”激活或去激活利用根據(jù)本發(fā)明的積分裝置所實(shí)現(xiàn)的讀出動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，所述數(shù)字輸入是通過(guò)編程接口發(fā)送的或者還經(jīng)由專用輸入直接從外部編程，所述接口例如通常配備有現(xiàn)有技術(shù)的檢測(cè)器的讀出電路。

因此，可以在任何時(shí)刻以正常模式、即根據(jù)關(guān)于圖1和2描述的工作模式或“擴(kuò)展場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍”模式使用包括根據(jù)本發(fā)明的裝置的讀出電路。通常情況下，命令“HD_MODE_ON”強(qiáng)制比較器94的輸出為低電平，因此計(jì)數(shù)器96從不改變狀態(tài)，并且因此電容器64的切換從不被激活。應(yīng)當(dāng)注意，將電壓VREF設(shè)置成比CTIA的最大輸出電壓大的任何值(由于預(yù)先指定的線性慣例而通常大于V_satH)還具有抑制傳感器的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展的效果，這是因?yàn)楸容^器94的輸出S_COMP保持在低狀態(tài)。強(qiáng)制VREF為與放大器的電源電壓相同的值也將具有這種對(duì)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置的抑制效果。

已描述了單個(gè)電容器64。作為變型，將以編程方式選擇的多個(gè)電容器并行設(shè)置以形成可在多個(gè)值上進(jìn)行編程的積分電容器C_int，以上設(shè)置自身是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。這使得能夠?qū)z測(cè)器的不同領(lǐng)域的應(yīng)用作出響應(yīng)，并且為用戶提供場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍的外部調(diào)整。在本實(shí)施例中，還繪制電容C_int的變化以恢復(fù)最終電壓，該重建在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。

已描述了3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)然，計(jì)數(shù)器的位數(shù)依賴于目標(biāo)應(yīng)用。另外，也可以將位的數(shù)量選擇為非常大以使得從不達(dá)到計(jì)數(shù)器的最大值。

同樣，可以設(shè)想其它類型的計(jì)數(shù)電路。例如，將比較器62的輸出直接連接至根據(jù)比較器輸出的切換來(lái)驅(qū)動(dòng)不同信號(hào)的生成器92的輸入，并且將比較器輸出供給至用于存儲(chǔ)切換的次數(shù)的數(shù)據(jù)處理單元。因此，最大切換次數(shù)由該單元的存儲(chǔ)容量確定并且可以是幾乎無(wú)窮大的。

已描述了積分電流的極性和積分裝置的架構(gòu)根據(jù)儲(chǔ)存在電容器中的電荷量來(lái)引起運(yùn)算放大器的輸出電壓Vout增大的具體應(yīng)用。作為變型，當(dāng)電容器中儲(chǔ)存的電荷量增加時(shí)，電流的極性和/或積分裝置的架構(gòu)引起放大器的輸出處的電壓Vout減小。在這樣的變型中，將電壓VREF選擇為大于或等于低飽和電壓V_satL，并且將電壓VBUS選擇為滿足關(guān)系式2.VBUS-VREF≤VsatH。于是，在電壓Vout減小并等于VREF時(shí)，放大輸出處的比較器從第一值切換為第二值，該切換通過(guò)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)并且引起電容器的切換。

已描述了參考電壓VREF隨著時(shí)間的推移保持恒定。作為變型，該電壓也是可編程的，其值甚至能夠在積分階段期間變化。

根據(jù)很簡(jiǎn)化的替代實(shí)施例，通過(guò)在讀出電路的結(jié)構(gòu)/內(nèi)部布線中以整合方式(根據(jù)產(chǎn)品)調(diào)整電容C_int的值以及參考電壓VREF的值，用戶在獲取和/或數(shù)據(jù)處理協(xié)議方面不需要提供任何內(nèi)容，即可同時(shí)具有擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍和高的靈敏度，結(jié)果是高的用戶友好性。

用于對(duì)源自例如熱輻射計(jì)的關(guān)鍵部位的電流進(jìn)行積分的使用本發(fā)明的檢測(cè)器具有許多優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)讀取電路的優(yōu)點(diǎn)，特別是：

-例如，與特定對(duì)數(shù)響應(yīng)系統(tǒng)相反，本發(fā)明在保持對(duì)圖像部分的高敏感度的同時(shí)可以使用擴(kuò)展場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍，其能夠在CTIA自身的標(biāo)稱電動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)錄，同時(shí)保持與該流中的信號(hào)相對(duì)應(yīng)的線性度；

-(通過(guò)整個(gè)陣列在一秒鐘內(nèi)讀取的情況下的次數(shù)所限定的)幀頻保持與通常的標(biāo)準(zhǔn)(例如60赫茲)相同。換句話說(shuō)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的某些形式，本發(fā)明在動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方面不存在信息時(shí)間密度的退化；

-所獲得的場(chǎng)景信息以與場(chǎng)景的永久的時(shí)間一致性或同步性被保持。事實(shí)上，與在形成原始信號(hào)之后具有通過(guò)計(jì)算被過(guò)采樣和/或處理的數(shù)據(jù)流以獲得被視為擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍可使用的信息的所有檢測(cè)器或系統(tǒng)相反，在使用信號(hào)Vout的輸出流形成觀察者或系統(tǒng)可用的信號(hào)的場(chǎng)景中，分隔任何事件的時(shí)間間隔不超過(guò)一幀時(shí)間；

-檢測(cè)器使用的簡(jiǎn)化。事實(shí)上，在現(xiàn)有技術(shù)中，用戶通常應(yīng)自己根據(jù)所觀察到的場(chǎng)景溫度范圍來(lái)選擇檢測(cè)器的工作點(diǎn)。通常，為了獲得大致情況，要在不飽和的情況下覆蓋動(dòng)態(tài)范圍[-40℃；+1000℃]，不同的工作點(diǎn)是必要的；

-與本技術(shù)領(lǐng)域的基于積分時(shí)間的調(diào)整的方法相比，本發(fā)明提供不修改在積分周期期間由焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的自身發(fā)熱所施加的熱輻射計(jì)的熱周期這一優(yōu)點(diǎn)。這樣的特征在與環(huán)境熱工作條件相應(yīng)的連續(xù)水平的穩(wěn)定性方面特別有利，特別是在以良好的時(shí)間穩(wěn)定性搜索小的場(chǎng)景溫度差時(shí)特別有利。因此，在本領(lǐng)域中越發(fā)多用的無(wú)珀?duì)柼?Peltier)穩(wěn)定模塊(所謂的無(wú)TEC操作)的檢測(cè)器的可能的實(shí)施效率得到了保持；

-與現(xiàn)有技術(shù)的某些形式一樣，積分電容的反轉(zhuǎn)沒(méi)有復(fù)位噪聲，因?yàn)樵撾娙菰趯?duì)信號(hào)Vout采樣的時(shí)間之前從來(lái)不排空；

-此外，例如由連接開關(guān)的柵極和實(shí)際連接所形成的雜散電容形成積分電容的組成部分，并且不添加寄生干擾。因此，本發(fā)明的應(yīng)用不會(huì)改變輸出處所形成的信號(hào)。