CN101358880B - 红外焦平面读出电路及其输出级结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外焦平面读出电路的输出级结构，包括：列输出级，包括N个列放大器，用于每列像素信号的读出；输出缓冲级，采用单级两管共源结构，用于将列输出级的信号串行输出；N个第一开关，连接各列放大器至输出缓冲级输入端；N个第二开关，连接输出缓冲级输出端至各列放大器正输入端；第一开关及第二开关由读出电路的列选脉冲信号控制导通，实现信号通过输出缓冲级串行输出。本发明还提出一种采用上述输出级结构的读出电路。本发明的输出级结构及其应用的红外焦平面输出电路，由列放大器及输出缓冲级整体构成单位增益连接，使信号的读出速率得到很大提升，同时使读出电路的结构得到简化，也相应降低了功耗。

Description

红外焦平面读出电路及其输出级结构

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种红外焦平面读出电路及其输出级结构。

背景技术

目前红外成像***在军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用。作为红外成像技术核心的红外焦平面阵列，包括红外探测器阵列和读出电路两部分。探测器阵列的作用是实现光电转换，读出电路的作用则是完成像素信号的处理和读出。其中，读出电路对红外成像***的性能有重要影响。近年来，随着CMOS(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)工艺的发展，大规模CMOS红外焦平面读出电路已经取代CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件)成为红外读出电路主流。

现有技术中典型的面阵红外焦平面读出电路如图1所示，包括像素读出阵列11、列读出级12、输出缓冲级13和行、列控制信号产生逻辑14、15。其中，像素读出阵列11是探测器与读出电路的接口，完成探测器偏置、光电流的接收与积分等功能；列读出级12一般为单位增益接法的运算放大器，完成对各自列光电流积分信号的处理；输出缓冲级13一般也是单位增益接法的运算放大器，完成对信号的最终输出；通常列读出级12采用一级运放结构，而输出缓冲级13由于需要驱动电阻负载，因此通常采用两级结构。

读出电路按照先积分，后读出的顺序工作。即像素读出阵列11以行为单位顺序对光电流积分，一行积分完毕后，在列选脉冲信号的控制下，每列的积分信号依次通过列读出级12和输出缓冲级13读出。在列信号读出过程中，下一行像素开始积分。电路的像素信号输出速率是由每列信号的读出延迟制约的。每列信号的读出延迟可由下式估算：

T_delay≈T_slew+T_{col_amp}+T_buffer

其中，T_slew为大信号建立时间，通常由列放大器和输出缓冲级中大信号建立时间较长的一个决定。T_{col_amp}和T_buffer分别代表列放大器和输出缓冲级的小信号建立时间，他们由各自的增益带宽积决定。为了保证信号精确输出，每个列周期必须大于列信号的读出延迟。

近年来，红外焦平面阵列规模不断扩大，最大已到4096×4096规模。由于每帧图像包含的像素增加，在帧速不变的条件下，读出电路对像素读出的速率要求越来越高。虽然可以使用多通道并行工作的方法增大读出速率，但其代价是增加额外的列读出级和输出缓冲级，因而增加了功耗，面积和电路复杂度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种红外焦平面读出电路及其输出级结构，以解决传统读出结构功耗大、复杂度高、速度低的缺陷。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种红外焦平面读出电路的输出级结构，该输出级结构包括：

列输出级，包括N个列放大器，用于每列像素信号的读出；

输出缓冲级，采用单级两管共源结构，用于将所述列输出级的信号串行输出；

N个第一开关，连接各列放大器输出端至输出缓冲级输入端；

N个第二开关，连接输出缓冲级输出端至各列放大器正输入端；

所述第一开关及第二开关由所述读出电路的列选脉冲信号控制导通，实现信号通过所述输出缓冲级串行输出。

上述的输出级结构中，还包括：

补偿电容及补偿电阻串联连接在所述输出缓冲级的输入端与输出端之间，用于提供密勒补偿，并克服右半平面零点的影响。

上述的输出级结构中，所述列选脉冲信号由所述读出电路中的列控制信号产生逻辑产生。

上述的输出级结构中，所述第一、第二开关的控制逻辑为：

在所述读出电路的每一个行读出周期开始后，由所述列控制信号产生逻辑控制顺序产生长度为T_col的列选脉冲信号，T_col为一个列读出周期；各所述列选脉冲信号互不交叠，依次控制每个所述列放大器对应的第一、第二开关导通，从而依次在所述列读出周期内完成每列信号的读出。

上述的输出级结构中，所述第一、第二开关由互补MOS晶体管构成。

本发明的技术方案还提出一种红外焦平面读出电路，包括输出光电流积分像素信号的像素读出阵列，以及行控制信号产生逻辑和列控制信号产生逻辑，该读出电路还包括：

列输出级，包括N个列放大器，分别与所述像素读出阵列连接，用于每列像素信号的读出；

输出缓冲级，采用单级两管共源结构，用于将所述列输出级的信号串行输出；

N个第一开关，连接各列放大器输出端至输出缓冲级输入端；

N个第二开关，连接输出缓冲级输出端至各列放大器正输入端；

所述列控制信号产生逻辑，产生列选脉冲信号控制N个所述第一、第二开关的导通，从而实现信号通过所述输出缓冲级串行输出。

上述的读出电路中，所述输出缓冲级的输出端与输入端之间串联连接有补偿电容及补偿电阻，用于提供密勒补偿，并克服右半平面零点的影响。

上述的读出电路中，所述第一、第二开关的控制逻辑为：

在所述读出电路的每一个行读出周期开始后，由所述列控制信号产生逻辑控制顺序产生长度为T_col的列选脉冲信号，T_col为一个列读出周期；各所述列选脉冲信号互不交叠，依次控制每个所述列放大器对应的第一、第二开关导通，从而依次在所述列读出周期内完成每列信号的读出。

上述的读出电路中，所述第一、第二开关由互补MOS晶体管构成。

(三)有益效果

本发明技术方案提供的输出级结构及其应用的红外焦平面输出电路，由列放大器及输出缓冲级整体构成单位增益连接，使信号的读出速率得到很大提升，同时使读出电路的结构得到简化，也相应降低了功耗。

附图说明

图1为现有技术中面阵红外焦平面读出电路示意图；

图2为本发明红外焦平面读出电路实施例示意图；

图3为本发明读出电路实施例的列信号工作时序图；

图4为本发明读出电路实施例的输出缓冲级电路结构图；

图5为本发明读出电路实施例的列放大器电路结构图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2为本发明红外焦平面读出电路实施例示意图，如图所示，本实施例的读出电路包括：M个列放大器阵列21，用于实现每列像素信号的读出；输出缓冲级22，实现将列读出级的信号串行输出；M个第一开关23，连接各列放大器输出端到输出缓冲级22的输入端；M个第二开关24，连接各列放大器正输入端到输出缓冲级22的输出端；列控制信号产生逻辑25，产生列选脉冲信号，控制上述2M个开关，使信号通过输出缓冲级22串行输出。另外还包括与现有技术没有区别的像素单元阵列28及行控制信号产生逻辑29。

上述实施例的读出电路还包括补偿电容26及补偿电阻27，串联连接到输出缓冲级22的输入端和输出端。

上述实施例中，第一及第二开关可以由互补MOS晶体管构成。

如图2所示，列放大器21和输出缓冲级22在结构上合并为一个两级运算放大器，其中列放大器21作为运放第一级，输出缓冲级22作为运放第二级。合并方法如下：

列放大器21和输出缓冲级22不再各自连接成单位增益接法。作为一个运放的两级，输出缓冲级22的输出直接连接到列放大器21的输入端，整体构成单位增益连接。由于输出缓冲级22也对信号起到反相的作用，为保证反馈极性为负反馈，输出信号须连接到列放大器21的正输入端。

两个运放直接级联后，若连接成单位增益接法会产生稳定性问题。因此，补偿电容26和补偿电阻27是用来提供密勒补偿，并克服右半平面零点的影响，以保证足够的相位裕度。

列控制信号产生逻辑25按一定时序工作，其工作时序如图3所示。在每一个行读出周期开始后，列选脉冲信号Col<1>，Col<2>，Col<M>由列控制信号产生逻辑25控制顺序产生长度为T_col的脉冲。T_col即为一个列读出周期，在此期间必须完成每一列信号的读出。为避免各列放大器之间的干扰，各列选脉冲信号不交叠。每一列被选中时，相应第一开关和第二开关闭合，对应列的列放大器与输出缓冲级连接成一个单位增益接法两级运放，其他列放大器与输出级通过断开的第一开关和第二开关开关隔断。

采用上述实施例的输出级结构后，每一列信号的读出时间可以大大缩短，信号读出时间可由下式估算：

T_col＝T_slew+T_setup

其中T_slew为大信号转换时间，一般由列运放对补偿电容26的充电速率决定。T_setup为两级运放整体的小信号建立时间，一般由其单位增益带宽决定。

与现有技术对比可知，在原来的结构中，小信号建立时间是两个运放的小信号建立时间之和，而在本发明实施例的改进结构中，小信号建立时间由整体运放的带宽决定，因此信号读出速率有很大提升。

除此之外，整体输出级电路结构也得到了极大的简化。在改进前的结构中，输出缓冲级一般设计为两级结构，且内部需要单独的补偿和偏置电路。而在改进后的结构中，由于输出缓冲级只是作为整体两级运放的第二级，其设计可以采用最简单的单级两管放大结构。通常采用NMOS做放大管，PMOS电流源做负载，如图4所示。这样输出缓冲级的结构由复杂两级密勒运放结构精简为最简单的单级两管共源结构。对于相同的负载电容驱动能力，由于省去了第一级，其功耗也会相应降低。

针对上述本发明红外焦平面读出电路及其输出级结构的实施例，以下设计验证了一个大规模红外读出电路。设计采用行波读出方法，要求像素输出速率大于10M，因此列周期为100ns。由于在每个列周期中，需要留出一段稳定的时间(约40ns)供后续电路采样读出数据，因此要求信号建立时间小于60ns。列放大器采用了五管差分结构，如图5所示。为了降低功耗，列放大器通过尾电流管上面的开关管控制其开启和关断。这样在列放大器与输出缓冲级断开连接时，可通过关断上述开关消除该列放大器的功耗。这样在任何时刻，读出电路输出级的总功耗只包括输出缓冲级功耗和一个列放大器功耗。输出缓冲级采用上述单级两管共源结构。

另一方面则用一个传统的读出结构做为参照，在这个传统同结构中，列放大器采用相同五管差分结构；输出缓冲级采用两级密勒运放，其第一级为五管差分运放，第二级为单级共源结构。经仿真，性能对比如表1所示。

表1

	传统输出级	新型输出级
			列放大器功耗	2mW	2.8mW
输出缓冲级功耗	11mW	9mW
			总读出级功耗	13mW	11.8mW
信号读出时间	61ns	52ns

从上表1可见，本发明红外焦平面读出电路的输出级结构在降低功耗的同时提高了读出速度。因此本发明提出的新型输出级结构较传统结构有着明显的优势，所以会在新一代大规模红外成像***中有重要应用。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种红外焦平面读出电路的输出级结构，其特征在于，该输出级结构包括：

列输出级，包括N个列放大器，用于每列像素信号的读出；

输出缓冲级，采用单级两管共源结构，用于将所述列输出级的信号串行输出；

N个第一开关，连接各列放大器输出端至输出缓冲级输入端；

N个第二开关，连接输出缓冲级输出端至各列放大器正输入端；

所述第一开关及第二开关由所述读出电路的列选脉冲信号控制导通，实现信号通过所述输出缓冲级串行输出。

2.如权利要求1所述的输出级结构，其特征在于，该输出级结构还包括：

补偿电容及补偿电阻，串联连接在所述输出缓冲级的输入端与输出端之间，用于提供密勒补偿，并克服右半平面零点的影响。

3.如权利要求1所述的输出级结构，其特征在于，所述列选脉冲信号由所述读出电路中的列控制信号产生逻辑产生。

4.如权利要求3所述的输出级结构，其特征在于，所述第一、第二开关的控制逻辑为：

在所述读出电路的每一个行读出周期开始后，由所述列控制信号产生逻辑控制顺序产生长度为T_col的列选脉冲信号，T_col为一个列读出周期；各所述列选脉冲信号互不交叠，依次控制每个所述列放大器对应的第一、第二开关导通，从而依次在所述列读出周期内完成每列信号的读出。

5.如权利要求1～4任一项所述的输出级结构，其特征在于，所述第一、第二开关由互补MOS晶体管构成。

6.一种红外焦平面读出电路，包括输出光电流积分像素信号的像素读出阵列，以及行控制信号产生逻辑和列控制信号产生逻辑，其特征在于，该读出电路还包括：

列输出级，包括N个列放大器，分别与所述像素读出阵列连接，用于每列像素信号的读出；

输出缓冲级，采用单级两管共源结构，用于将所述列输出级的信号串行输出；

N个第一开关，连接各列放大器输出端至输出缓冲级输入端；

N个第二开关，连接输出缓冲级输出端至各列放大器正输入端；

所述列控制信号产生逻辑，产生列选脉冲信号控制N个所述第一、第二开关的导通，从而实现信号通过所述输出缓冲级串行输出。

7.如权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述输出缓冲级的输出端与输入端之间串联连接有补偿电容及补偿电阻，用于提供密勒补偿，并克服右半平面零点的影响。

8.如权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述第一、第二开关的控制逻辑为：

在所述读出电路的每一个行读出周期开始后，由所述列控制信号产生逻辑控制顺序产生长度为T_col的列选脉冲信号，T_col为一个列读出周期；各所述列选脉冲信号互不交叠，依次控制每个所述列放大器对应的第一、第二开关导通，从而依次在所述列读出周期内完成每列信号的读出。

9.如权利要求6～8任一项所述的读出电路，其特征在于，所述第一、第二开关由互补MOS晶体管构成。

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