專利名稱：一種紅外焦平面陣列讀出電路及其自適應(yīng)功耗調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶窗口讀出模式的自適應(yīng)功耗調(diào)整的紅外焦平面陣列讀出電路及其自適應(yīng)功耗調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
紅外熱成像系統(tǒng)在太空，工農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥，交通，軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。紅外熱成像系統(tǒng)的核心組件是紅外焦平面陣列(IRFPA dnfrared Focal Plane Array)，該組件包括紅外探測器陣列和讀出電路(R0IC =Readout Integrated Circuit)兩部分探測器陣列的作用是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，讀出電路的作用是完成像素信號的處理和讀出。讀出電路對紅外成像系統(tǒng)的性能有著重要影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，對于高分辨率，便攜式成像系統(tǒng)的需求越來越大，為滿足這一要求，低功耗設(shè)計顯得尤為重要。目前正在研制的第三代靈巧型紅外焦平面陣列讀出電路，其中的一個重要功能即為窗口讀出功能。窗口讀出使得紅外焦平面陣列讀出電路既可以實現(xiàn)寬視場，合適幀頻讀出；也可以實現(xiàn)窄視場，高幀頻讀出。一般來說，紅外焦平面陣列讀出電路由像素陣列、列讀出電路，輸出緩沖器組成。其中，每個像素包含與紅外探測器陣列的接口，以及光電流積分電路和像素選擇電路。開窗的大小，可以由外部輸入信號決定。開窗功能圖示見

圖1。圖1 中是一個MxN的像素陣列，即陣列為N行，M列，包含MxN個像素。由外部輸入給出窗口讀出的起始位置UA，yA)和窗口讀出的終止位置( ，yB)。其中xA和知分別表示起始列和終止列分別表示起始行和終止行。利用這兩個坐標(biāo)可以確定窗口，該窗口部分是需要讀出的部分。焦平面陣列讀出電路的每一列的像素連接在同一條列線上，因此MxN的像素陣列有M條列線。每條列線連接一個列運(yùn)放，當(dāng)陣列中某一行被選通時，該行的各列像素中光電流積分的結(jié)果，會作為輸入信號通過列線在列運(yùn)放上建立。列運(yùn)放上建立的信號，通過列選信號控制的開關(guān)，連接到輸出總線上，通過輸出運(yùn)放輸出。對于運(yùn)放，信號的建立時間表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面陣列讀出電路，所述紅外焦平面陣列讀出電路包括MxN個像素的像素陣列、連接每一列像素的列線以及連接在列線上的列運(yùn)放，其特征在于，所述列運(yùn)放包括尾電流源、輸入管、運(yùn)放負(fù)載管以及功耗控制開關(guān)管，所述功耗控制開關(guān)管包括NMOS晶體管Ml和PMOS晶體管M2，其中，當(dāng)所述輸入管是PMOS管時，M2設(shè)置在電源和所述尾電流源的柵極之間，以及Ml設(shè)置在所述運(yùn)放負(fù)載管中的共源管的柵極和地之間；當(dāng)所述輸入管是 NMOS管時，Ml設(shè)置在所述尾電流源的柵極和地之間，以及M2設(shè)置在所述運(yùn)放負(fù)載管中的共源管的柵極和電源之間，其中，M和N為自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，所述尾電流源包括由 k個晶體管組成的電流源陣列，分別經(jīng)由k個開關(guān)與列運(yùn)放的輸入管的源極相連，其中，以最小寬長比的晶體管的寬長比為相對值，則所述k個晶體管的寬長比的比值分別為1，2， 4……2H，從而所述k個晶體管上流過的電流的比值為1，2，4……2k_i，其中，k為自然數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，進(jìn)一步包括判斷行讀出時間和主時鐘周期的電路，由積分器、比較器及計數(shù)器組成。
4.一種自適應(yīng)功耗調(diào)整方法，用于紅外焦平面陣列讀出電路，其特征在于，在列運(yùn)放中增設(shè)功耗控制開關(guān)管，所述功耗控制開關(guān)管包括NMOS晶體管Ml和PMOS晶體管M2，其中，當(dāng)輸入管是PMOS管時，M2設(shè)置在電源和尾電流源的柵極之間，以及Ml設(shè)置在運(yùn)放負(fù)載管中的共源管的柵極和地之間；當(dāng)輸入管是NMOS管時，Ml設(shè)置在尾電流源的柵極和地之間，以及 M2設(shè)置在運(yùn)放負(fù)載管中的共源管的柵極和電源之間，并且，由控制信號PoWer_Ctrl來控制 M1，而由Power_ctrl的反相控制信號Bpower_ctrl來控制M2，從而實現(xiàn)Ml和M2的同時導(dǎo)通或截止，當(dāng)此列在窗口范圍內(nèi)時，Power_ctrl為零電壓，Bpower_ctrl為電源電壓，Ml和 M2截止，列運(yùn)放正常工作；當(dāng)此列在窗口范圍內(nèi)時，Power_ctrl為電源電壓，Bpower_ctrl 為零電壓，Ml和M2導(dǎo)通，列運(yùn)放將停止工作，列運(yùn)放的電流關(guān)閉，從而去掉了這部分列運(yùn)放帶來的功耗。
5.如權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)功耗調(diào)整方法，其特征在于，進(jìn)一步，將尾電流源設(shè)計成由k個晶體管Mcl-Mck組成的電流源陣列，該電流源陣列中的k個晶體管Mcl-Mck分別通過k個開關(guān)與列運(yùn)放的輸入管的源極相連，通過判斷行讀出時間和主時鐘周期來控制k個開關(guān)是閉合還是斷開，從而調(diào)節(jié)列運(yùn)放的尾電流的大小，其中，k為自然數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)功耗調(diào)整方法，其特征在于，以最小寬長比的晶體管Mcl 的寬長比為相對值，則k個晶體管的寬長比與Mcl的寬長比相比，值為1，2，4……2k_i，以晶體管Mcl上流過的電流值為相對值，k個晶體管上流過的電流為1，2,4……2k—1，通過k個開關(guān)的閉合或斷開的組合，可以得到2k-l種尾電流值，其中最小值為行讀出時間最長，主時鐘周期也最長時所需要的尾電流；而最大值為行讀出時間最短，主時鐘周期也最短時所需要的尾電流，其中，k為自然數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)功耗調(diào)整方法，其特征在于，包括根據(jù)行讀出時間和主時鐘頻率來調(diào)節(jié)列運(yùn)放的尾電流的大小的方法，包括以下步驟1)積分器在復(fù)位后，積分器的輸出電壓從參考電壓開始上升；2)比較器將積分器的輸出電壓與固定電壓進(jìn)行比較，并輸出比較信號，與每一行讀出結(jié)束的標(biāo)識信號經(jīng)過“或”邏輯操作，產(chǎn)生計數(shù)器時鐘信號；3)每經(jīng)過一個行周期，計數(shù)器計數(shù)加一；4)當(dāng)積分器的輸出電壓上升至固定電壓時，比較信號為正值，計數(shù)器停止工作，得到計數(shù)的終值；5)與2k-l種尾電流值從小到大相對應(yīng)，將計數(shù)的終值從小到大劃分區(qū)間；6)將計數(shù)的終值傳輸至多路復(fù)選器，多路復(fù)選器根據(jù)其所對應(yīng)的區(qū)間產(chǎn)生相對應(yīng)的k 個作為控制信號的電源電壓或零電壓，并將這k個電壓分別輸送到列運(yùn)放的尾電流源陣列的Sl-Sk處，通過控制k個開關(guān)的閉合或斷開調(diào)整尾電流的大小，從而實現(xiàn)列運(yùn)放功耗的自適應(yīng)控制，其中，k為自然數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的自適應(yīng)功耗調(diào)整方法，其特征在于，同樣能夠判斷主時鐘周期的大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶窗口讀出模式的自適應(yīng)功耗調(diào)整的紅外焦平面陣列讀出電路及其自適應(yīng)功耗調(diào)整方法。本發(fā)明實現(xiàn)了帶窗口功能的焦平面陣列讀出電路的自適應(yīng)功耗調(diào)整，列運(yùn)放和輸出運(yùn)放的尾電流源分別設(shè)計成由k個晶體管組成的電流源陣列，并在列運(yùn)放上增加了功耗控制開關(guān)管。本發(fā)明的方法使得無論在大窗口，低幀頻工作模式下，還是在小窗口，高幀頻工作模式下，都能夠在滿足速度要求的情況下，以適當(dāng)?shù)墓恼９ぷ?，并有效地避免了單一功耗設(shè)計時，在不同工作模式下出現(xiàn)的功耗浪費(fèi)。本發(fā)明可以滿足高分辨率，便攜式成像系統(tǒng)的要求，將會獲得廣泛的應(yīng)用。
文檔編號H04N5/33GK102447845SQ20111029962
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者吉利久, 張雅聰, 方然, 王冠男, 陳中建, 魯文高 申請人:北京大學(xué)