CN116380254A - 一种基于阵列外存储的读出电路及红外成像仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阵列外存储的读出电路以及红外成像仪，涉及集成电路领域。积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于积分电压产生翻转信号；粗量化计数器计数得到粗量化结果；第一细量化存储器对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储；粗量化结果传输到粗量化存储器；细量化结果通过细量化行选信号依次传输到数字处理模块；数字处理模块对细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至第二细量化存储器；在读出信号为高时，粗量化存储器中存储的量化结果和第二细量化存储器中存储的量化结果通过并转串电路传输到片外。本发明提高读出电路的信噪比和线性度，降低了读出电路的功耗。极大的降低了流片加工成本。

Description

一种基于阵列外存储的读出电路及红外成像仪
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于阵列外存储的读出电路以及红外成像仪。
背景技术
在过去的几年，红外成像已经应用于非常广阔的领域，比如生物医学、航天探测、消防等等，作为红外成像***的核心，红外焦平面电路和电路中的ADC的设计越来越受到人们的关注。
目前传统的基于PFM的像素级模数转化器通常由PFM环路及N位计数器组成，信号电流在积分电容上进行折叠积分，通过多次计数实现信号量化，但由于像素面积限制了积分电容的大小，其精度和线性度之间存在折衷。
这种两级模数转换结构在折叠积分过程中采用电压复位的方式，积分结束后将积分电容上的残余电压采样至列级电路中进行二级量化。为了提高电荷处理能力，传统电路通常采用单位面积电容值大的MOS积分电容。另外，为了保证残余电压量化的准确性，传统像素级电路要求MOS积分电容工作在单位面积电容值较大且基本不变的有限区间内。
正因为如此，在对MOS积分电容进行复位时，每次都会注入一个与复位时电容大小成正比的KTC热噪声电荷。同时MOS积分电容两端压差变化有限，因此积分电压的摆幅受限。因此，传统的像素级电路存在信噪比难以提高和电荷处理能力较弱问题。此外，残余电压在像素级电路和列级电路之间转移的过程中会发生偏差，导致非线性问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以提供解决上述问题或者部分地解决上述问题的一种基于阵列外存储的读出电路以及红外成像仪。
本发明实施例第一方面提供一种基于阵列外存储的读出电路，所述读出电路包括：像素电路和列级电路；所述像素电路包括：积分模块、第一细量化存储器、粗量化计数器；所述列级电路包括：数字处理模块、第二细量化存储器、粗量化存储器、并转串输出电路；
所述积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于所述积分电压产生翻转信号，所述翻转信号传输至所述粗量化计数器，且所述翻转信号经或非门运算后得到使能信号并传输至所述第一细量化存储器；
所述粗量化计数器对所述翻转信号的出现次数进行计数，得到的计数结果即为粗量化结果；
所述第一细量化存储器在所述使能信号为低时不进行存储，在所述使能信号为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储，存储的数字量即为细量化结果；
在得到所述细量化结果后，所述粗量化结果通过粗量化行选信号依次传输到所述粗量化存储器；
在所述粗量化结果传输结束后，所述细量化结果通过细量化行选信号依次传输到所述数字处理模块；
所述数字处理模块对所述细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至所述第二细量化存储器；
在读出信号为高时，将所述粗量化存储器中存储的量化结果和所述第二细量化存储器中存储的量化结果通过所述并转串电路传输到片外；
其中，在所述固定积分时间内，所述使能信号为低；
在所述固定积分时间结束之后，光电流依旧在所述积分模块中积分电容上进行积分，完成最后一次积分，且在所述最后一次积分的过程中，所述使能信号为高，直至所述最后一次积分结束后，所述使能信号变为低。
可选地，所述第一细量化存储器采用三管结构进行存储和传输，使得阵列中奇偶行对应的细量化结果具有相反的极性，且不影响积分粗细量化的过程。
可选地，所述数字处理模块根据奇偶行信号，确定所述细量化结果是否需要翻转，以对所述细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至所述第二细量化存储器。
可选地，所述第一细量化存储器包括：第一mos管、第二mos管、第三mos管；
所述第一mos管的第一端接地，第二端与前一级细量化存储器的输出端连接；
所述第一mos管的第三端与所述第二mos管的第一端连接；
所述第二mos管的第二端接收传输信号；
所述第二mos管的第三端与所述第三mos管的第一端连接，并作为所述第一细量化存储器的输出端；
所述第三mos管的第二端接收预充信号，第三端接收来自于所述阵列外计数器产生的数字量。
可选地，所述粗量化计数器的结构基于本原多项式的代数式形成，其包括：至少一个异或单元和N个单元电路，N个所述单元电路的数量由所述粗量化计数器的比特数决定；
至少一个所述异或单元与N个所述单元电路串联连接；
至少一个所述异或单元的输出作为与其相连的第1个单元电路的输入；
所述第1个单元电路的输出作为与其相连的第2个单元电路的输入；
所述第N个单元电路的输出作为所述粗量化结果。
可选地，所述单元电路包括：第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管、第八mos管、第九mos管、第十mos管、第十一mos管、第十二mos管；
所述第四mos管的第一端与所述第八mos管的第一端均接收电源电压；
所述第四mos管的第二端与所述第七mos管的第二端均接收前一级的输出；
所述第四mos管的第三端与所述第五mos管的第一端连接；
所述第五mos管的第二端与所述第十mos管的第二端均接收所述翻转信号的反相信号；
所述第五mos管的第三端与所述第六mos管的第一端、所述第八mos管的第二端以及所述第十一mos管的第二端、所述第十二mos管的第一端分别连接；
所述第六mos管的第二端与所述第九mos管的第二端均接收所述翻转信号；
所述第六mos管的第三端与所述第七mos管的第一端连接；
所述第七mos管的第三端接地；
所述第八mos管的第三端与所述第九mos管的第一端连接；
所述第九mos管的第三端与所述第十mos管的第一端连接，并作为本单元电路的输出端向后一级输出信号；
所述第十mos管的第三端与所述第十一mos管的第一端连接；
所述第十一mos管的第三端接地。
所述第十二mos管的第二端接收复位信号，第三端接地。
可选地，所述异或单元的数量由所述代数式的组成形式决定；
所述异或单元的输入信号由所述代数式的组成形式决定；
若所述粗量化计数器的比特数为7bit，则对应的本原多项式的代数式组成形式为：x7+x3+1；
所述代数式组成形式为：x7+x3+1的情况下，所述粗量化计数器包括：1个异或单元和7个单元电路。所述1个异或单元接收第7个单元电路的输出信号和第3个单元电路的输出信号，进行异或运算，得到的结果信号输出至第1个单元电路中的第四mos管的第二端和第七mos管的第二端。
可选地，所述粗量化计数器中每个单元电路的时钟均为固定时钟，且所述粗量化计数器处于循环工作的模式，无需复位操作。
可选地，所述或非门的第一输入端接收所述翻转信号；
所述或非门的第二输入端接收所述积分信号的反相信号。
本发明实施例第二方面提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括：如第一方面任一所述的基于阵列外存储的读出电路。
本发明提供的基于阵列外存储的读出电路，在量化阶段：积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于积分电压产生翻转信号，翻转信号传输至粗量化计数器，且翻转信号经或非门运算后得到使能信号并传输至第一细量化存储器。
粗量化计数器对翻转信号的出现次数进行计数，得到的计数结果即为粗量化结果；第一细量化存储器在使能信号为低时不进行存储，在使能信号为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储，存储的数字量即为细量化结果。
这其中，在固定积分时间内，使能信号为低；在固定积分时间结束之后，光电流依旧在积分模块中积分电容上进行积分，完成最后一次积分，且在最后一次积分的过程中，使能信号为高，直至最后一次积分结束后，使能信号变为低。区别于传统的固定积分时间结束后光电流不会再在积分电容上翻转的方式，本发明的光电流在固定积分时间结束之后，依旧在积分电容上进行积分，完成最后一次翻转(即最后一次积分)。
在得到细量化结果后，进入传输阶段，在传输阶段：粗量化结果通过粗量化行选信号依次传输到粗量化存储器；在粗量化结果传输结束后，细量化结果通过细量化行选信号依次传输到数字处理模块；数字处理模块对细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至第二细量化存储器；在读出信号为高时，将粗量化存储器中存储的量化结果和第二细量化存储器中存储的量化结果通过并转串电路传输到片外。
本发明的光电流最终的量化结果，仅仅与粗细量化的量化结果(均为数字量)相关，与积分电容的大小无关，即所提出的电路对积分电容的工作区间没有要求。因此，在采用单位面积电容值较大的MOS电容为积分电容时，积分电容两端压差可以从单位面积电容值较大的稳定工作区间变化到单位面积电容值较小的工作区间。从而，所提出的电路中MOS积分电容上的电压摆幅远大于传统电路中MOS积分电容上的电压摆幅，同时，像素级电路的电荷处理能力也得到明显提高。
此外，在像素级电路内部对光电流进行量化，减小了像素内部的电压信号转移到列级电路时带来的电压偏差，从而减小了非线性。最终提高了读出电路的信噪比和线性度，降低了读出电路的功耗。
此外，本发明针对长波红外的超高帧频成像应用需求，所提出的阵列外存储的读出电路，无需采用55nm或更先进的CMOS集成电路工艺制作，而是可以采用0.18μm CMOS工艺制作，相比较55nm或更先进的CMOS集成电路工艺，无疑极大的降低了流片加工成本，具有极高的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种优选的基于阵列外存储的读出电路的结构示意图；
图2是本发明实施例中像素电路的工作时序示意图；
图3是本发明实施例中一种优选的第一细量化存储器的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种优选的第一细量化存储器结构对应的工作时序；
图5是本发明实施例中本原多项式的具体结构；
图6是本发明实施例中本发明实施例中单元电路的结构示意图；
图7是本发明实施例中7bit计数器结构示意图所示；
图8是本发明实施例中列级电路的较优结构示意图；
图9是本发明实施例中列级电路对应的工作时序。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人发现，传统的基于PFM的像素级模数转化器通常由PFM环路及N位计数器组成，信号电流在积分电容上进行折叠积分，通过多次计数实现信号量化，但由于像素面积限制了积分电容的大小，其精度和线性度之间存在折衷。为提高量化精度，可采用像素级和列级混合的两级模数转换结构。
上述这种两级模数转换结构在折叠积分过程中采用电压复位的方式，积分结束后将积分电容上的残余电压采样至列级电路中进行二级量化。为了提高电荷处理能力，传统电路通常采用单位面积电容值大的MOS电容。对于MOS电容，随着其两端压差的变化，电容值也会改变。一般情况下，为了保证残余电压量化的准确性，传统像素级电路要求MOS积分电容工作在单位面积电容值较大且基本不变的有限区间内。
发明人进一步研究发现，正是因为传统像素级电路要求MOS积分电容工作在单位面积电容值较大且基本不变的有限区间内，在对MOS积分电容进行复位时，每次都会注入一个与复位时电容大小成正比的KTC热噪声电荷。同时MOS积分电容两端压差变化有限，因此积分电压的摆幅受限。因此，传统的像素级电路存在信噪比难以提高和电荷处理能力较弱问题。此外，残余电压在像素级电路和列级电路之间转移的过程中会发生偏差，导致非线性问题。
针对上述问题，发明人创造性的提出了本发明的一种阵列外存储的读出电路以及红外成像仪，在提高电荷处理能力的同时，增加读出电路的线性度和信噪比，降低读出电路的功耗。以下对本发明的技术方案进行详细解释和说明。
本发明的一种基于阵列外存储的读出电路，包括：像素电路和列级电路；其中像素电路包括：积分模块、第一细量化存储器、粗量化计数器；列级电路包括：数字处理模块、第二细量化存储器、粗量化存储器、并转串输出电路。
积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于积分电压产生翻转信号，翻转信号传输至粗量化计数器，同时翻转信号还经1个或非门运算后得到使能信号并传输至第一细量化存储器。
粗量化计数器对翻转信号的出现次数进行计数，得到的计数结果即为粗量化结果；第一细量化存储器在使能信号为低时不进行存储，在使能信号为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储，存储的数字量即为细量化结果。上述即为在像素电路中进行的粗细量化阶段，而在粗细量化阶段之后，还要有传输阶段，将像素电路中的粗细量化结果传输至列级电路中进行处理。
因此，对于传输阶段，在得到细量化结果后，粗量化结果通过粗量化行选信号依次传输到粗量化存储器；在粗量化结果传输结束后，细量化结果通过细量化行选信号依次传输到数字处理模块；数字处理模块对细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至第二细量化存储器；在读出信号为高时，将粗量化存储器中存储的量化结果和第二细量化存储器中存储的量化结果通过并转串电路传输到片外。
由上说明可以知晓，本发明所提读出电路，在粗量化传输阶段结束之后，细量化传输和最终量化结果的整体，是同时进行输出的。
上述细量化过程中，在固定积分时间内，使能信号为低；而在固定积分时间结束之后，光电流依旧在积分模块中积分电容上进行积分，完成最后一次积分，且在最后一次积分的过程中，使能信号为高，直至最后一次积分结束后，该使能信号再从高变为低。这个粗细量化的过程，区别于传统的固定积分时间结束后光电流不会再在积分电容上翻转的方式，本发明的光电流在固定积分时间结束之后，依旧在积分电容上进行积分，完成最后一次翻转(即完成最后一次积分)。
为了更好的解释和说明本发明所提基于阵列外存储的读出电路，参照图1，示出了本发明实施例中一种优选的基于阵列外存储的读出电路的结构示意图。图1中积分模块包括：探测器detecter，mos开关管M0，其受控于开关信号GPOL，总复位开关受控于总复位信号RST，整体复位时积分电容CINT被复位至电压VR。积分复位结构由两个开关构成，一个开关受控于积分信号INT，另一个开关受控于比较器CMP输出的翻转信号，比较器CMP的另一输入端接收参考电压VREF。
比较器CMP输出的翻转信号，作为粗量化计数器(图1中示例性的以7-bit计数器表示粗量化计数器)的时钟信号CK。同时，该翻转信号作为或非门NOR的1个输入信号，或非门NOR的另一个输入信号为积分信号INT的反相信号INTB。或非门NOR的输出信号即为使能信号STR。使能信号STR为低时第一细量化存储器(图1中示例性的以10-bit存储器表示第一细量化存储器)不进行存储，使能信号STR为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量(图1中示例性的以DIN＜1:10＞表示数字量)进行存储，存储的数字量即为细量化结果。
积分开始时，积分电容CINT上极板的电压VINT被复位到VR。探测器detector的光电流会对电容CINT进行电流抽取，当电压VINT下降到比较器CMP的参考电压VREF的时候，比较器CMP的产生翻转信号。CK信号在积分电容CINT复位的同时，还控制7-bit计数器进行加一操作。
当积分信号INT为低之后，表示固定积分时间的结束，完成了粗量化，此时积分电容CINT上还在进行最后一次电流抽取。由于积分信号INT为低，比较器CMP输出为低，因此使能信号STR信号为高，控制阵列外计数器产生的DIN<1:10>存储到像素内部的10-bit存储器中。当CINT上的电压VINT下降到比较器CMP的参考电压VREF以下时，积分电容CINT完成最后一次积分。最后一次积分完成后，比较器CMP输出为高，使能信号STR变低，10-bit存储器停止存储，此时存储的信号就是细量化结果。
之后粗量化传输阶段：粗量化结果通过粗量化行选信号(图1中示例性的以RS＜1＞示出)依次传输到列级电路中对应的7-bit存储模块。细量化传输和数字输出阶段：粗量化传输阶段结束之后，细量化传输和量化结果的整体的输出同时进行。细量化行选信号选通，将像素内的细量化信号传输到数字处理模块。
为了节约像素面积，第一细量化存储器优选的采用三管结构进行存储和传输，使得阵列中奇偶行对应的细量化结果具有相反的极性，且不影响积分粗细量化的过程。由于三管结构的存储单元并不影响积分阶段的量化过程，因此像素电路支持ITR(先积分再读取)读出模式和IWR(读取时积分)读出模式。所以列级的数字处理模块根据奇偶行信号，确定细量化结果是否需要翻转，以对细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至第二细量化存储器(图1中以10-bit细量化存储器表示)。上述像素电路结合图2所示的像素电路的工作时序示意图，可以得到更好的理解。图2中RS＜1＞、RS＜2＞分别表示第1行的行选信号和第2行的行选信号。
为了更清楚的解释和说明第一细量化存储器，参照图3，示出了本发明实施例中一种优选的第一细量化存储器的结构示意图。其包括：第一mos管M1、第二mos管M2、第三mos管M3。
第一mos管M1的第一端接地，第二端与前一级细量化存储器的输出端D连接；第一mos管M1的第三端与第二mos管M2的第一端连接；第二mos管M2的第二端接收传输信号T(即图1中TRAN)；第二mos管M2的第三端与第三mos管M3的第一端连接，并作为第一细量化存储器的输出端输出信号QN(即细量化结果)。A点表示存储点电压。
第三mos管M3的第二端接收预充信号P(即图1中PRE)，第三端接收来自于阵列外计数器产生的数字量(图2中用G表示)。该种结构对应的真值表如下表所示：
Figure BDA0004150309330000101
Figure BDA0004150309330000111
该种结构对应的工作时序如图4所示，图4示例性示出256行和255行的时序，其余行可参照进行。
本发明所提基于阵列外存储的读出电路，假若粗量化计数器采用了传统的D触发器来实现行波计数器，在保证正常工作的同时，还降低了像素级电路在计数时的功耗。但是这样的设计需要采用55nm或更先进的CMOS集成电路工艺制作，因此不存在像素面积不足的问题。
但如果不采用55nm或更先进的CMOS集成电路工艺，而是采用较低工作，例如采用0.18μm CMOS工艺制作，那么使用传统D触发器来实现行波计数器会面临像素面积不够的问题。如果像素级电路使用TSPC等动态结构来实现行波计数器，最高几位过低的时钟频率会导致TSPC的动态存储无效。使用TSPC等动态结构来实现二进制计数器又会导致面积和功耗过大问题。
为了解决上述问题，本发明创造性的提出了基于本原多项式的动态计数器。
本原多项式是近世代数中的一个概念，是唯一分解整环上满足所有系数的最大公因数为1的多项式。本原多项式不等于零，与本原多项式相伴的多项式仍为本原多项式。
基于本原多项式的上述特征，发明人创造性的提出了以本原多项式的代数形式为基础的计数器结构。一般来讲，本原多项式的具体结构如图5所示。由图5可以知晓，当本原多项式的次数为2～7、9～11、15、17、18、20时，其代数式的结构较为简洁。
因此，为了简化本原多项式的异或项，需要对计数器的比特数进行选择。而考虑到像素面积和电荷处理能力的需求，较优的选择为计数器采用7-bit的比特数较好。
这种结构的计数器，由于本身计数器处于一种循环工作的模式，所以这种计数器并不需要复位操作，因此计数器中单元电路结构中的mos管一共为8个，与需要复位的DFF结构(即传统的计数器)相比，mos管数量减少了10个。
因此，粗量化计数器的结构基于本原多项式的代数式形成，其包括：至少一个异或单元和N个单元电路，N个单元电路的数量由粗量化计数器的比特数决定；至少一个异或单元与N个单元电路串联连接；至少一个异或单元的输出作为与其相连的第1个单元电路的输入；第1个单元电路的输出作为与其相连的第2个单元电路的输入；第N个单元电路的输出作为粗量化结果。参照图6所示的本发明实施例中单元电路的结构示意图。单元电路包括：
第四mos管M4、第五mos管M5、第六mos管M6、第七mos管M7、第八mos管M8、第九mos管M9、第十mos管M10、第十一mos管M11、第十二mos管M12。
第四mos管M4的第一端与第八mos管M8的第一端均接收电源电压VDD；第四mos管M4的第二端与第七mos管M7的第二端均接收前一级的输出DIN。
第四mos管M4的第三端与第五mos管M5的第一端连接；第五mos管M5的第二端与第十mos管M10的第二端均接收翻转信号(即CK)的反相信号CKN；第五mos管M5的第三端与第六mos管M6的第一端、第八mos管M8的第二端以及第十一mos管M11的第二端、第十二mos管M12的第一端分别连接。
第六mos管M6的第二端与第九mos管M9的第二端均接收翻转信号CK；第六mos管M6的第三端与第七mos管M7的第一端连接；第七mos管M7的第三端接地；第八mos管M8的第三端与第九mos管M9的第一端连接。
第九mos管M9的第三端与第十mos管M10的第一端连接，并作为本单元电路的输出端向后一级输出信号Q；第十mos管M10的第三端与第十一mos管M11的第一端连接；第十一mos管M11的第三端接地。
第十二mos管M12的第二端接收复位信号RST，第三端接地。需要说明的是，第十二mos管M12也可以不要，因此单元电路的总mos管数量可以为8个。
异或单元的数量由代数式的组成形式决定；异或单元的输入信号由代数式的组成形式决定；因此若粗量化计数器的比特数为7bit，则对应的本原多项式的代数式组成形式为：x7+x3+1；代数式组成形式为：x7+x3+1的情况下，粗量化计数器包括：1个异或单元和7个单元电路。1个异或单元接收第7个单元电路的输出信号和第3个单元电路的输出信号，进行异或运算，得到的结果信号输出至第1个单元电路中的第四mos管的第二端和第七mos管的第二端。具体可以参照图7所示的7bit计数器结构示意图所示，其中S/R1、S/R2…S/R7分别表示7个单元电路，Q1～Q7分别表示每个单元的输出，Q7即为粗量化结果。7-bit本原多项式计数器的部分真值表如下所示：
数字 Q<7:1> 数字 Q<7:1> 数字 Q<7:1> 数字 Q<7:1>
0 1111111 4 1110001 8 0011101 12 1011000
1 1111110 5 1100011 9 0111011 13 0110001
2 1111100 6 1000111 10 1110110 14 1100010
3 1111000 7 0001110 11 1101100 15 1000101
由此可知，粗量化计数器中每个单元电路的时钟均为固定时钟，且粗量化计数器处于循环工作的模式，无需复位操作。
需要说明的是，图3和图6为了更为清楚的示出本发明所提电路的结构，示例性的以具体的p型mos管和n型mos管为例进了结构示出，本领域技术人员在该结构的基础上，使用其它晶体管或者其它元器件可以轻松的进行替换，因此不再赘述其它形式的结构。
像素电路主要完成了基于时间的粗细量化和细量化的存储。由于像素面积限制，量化电路将粗量化的存储转移到了列级电路中。同时，由于细量化采用三管结构进行存储和传输，奇偶行的量化结构传输到列级电路的时候，存在极性相反的问题，需要在列级电路完成处理后才能进行存储。基于以上理论，列级电路的较优结构和工作时序分别参照图8、图9所示。
图8中ODD表示奇偶行信号，RS＜1:16＞表示1～16行的行选信号，RSL＜1:16＞表示细量化行选信号。结合图9所示可知：在粗量化传输阶段，粗量化量化结果通过粗量化行选信号RS依次传输到列级电路中对应的7-bit粗量化存储器。在细量化传输和数字输出阶段，粗量化传输阶段结束之后，细量化结果传输、处理以及最终量化结果整体的输出是同时进行。细量化行选信号RSL选通，将像素内的细量化结果传输到数字处理模块，根据奇偶行信号ODD来控制细量化结果是否需要翻转。然后将处理后的细量化量化结果存储到10-bit细量化存储器中，同时将列级电路中对应行的存储器选通。等到传输信号TRAN信号为高时，整体的量化结果通过并转串输出电路传输到片外。
基于上述基于阵列外存储的读出电路，本发明实施例还提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括：如上任一所述的基于阵列外存储的读出电路。
通过上述实施例，本发明的基于阵列外存储的读出电路，在量化阶段：积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于积分电压产生翻转信号，翻转信号传输至粗量化计数器，且翻转信号经或非门运算后得到使能信号并传输至第一细量化存储器。
粗量化计数器对翻转信号的出现次数进行计数，得到的计数结果即为粗量化结果；第一细量化存储器在使能信号为低时不进行存储，在使能信号为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储，存储的数字量即为细量化结果。
这其中，在固定积分时间内，使能信号为低；在固定积分时间结束之后，光电流依旧在积分模块中积分电容上进行积分，完成最后一次积分，且在最后一次积分的过程中，使能信号为高，直至最后一次积分结束后，使能信号变为低。区别于传统的固定积分时间结束后光电流不会再在积分电容上翻转的方式，本发明的光电流在固定积分时间结束之后，依旧在积分电容上进行积分，完成最后一次积分。
在得到细量化结果后，进入传输阶段，在传输阶段：粗量化结果通过粗量化行选信号依次传输到粗量化存储器；在粗量化结果传输结束后，细量化结果通过细量化行选信号依次传输到数字处理模块；数字处理模块对细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至第二细量化存储器；在读出信号为高时，将粗量化存储器中存储的量化结果和第二细量化存储器中存储的量化结果通过并转串电路传输到片外。
本发明的光电流最终的量化结果，仅仅与粗细量化的量化结果(均为数字量)相关，与积分电容的大小无关，即所提出的电路对积分电容的工作区间没有要求。因此，在采用单位面积电容值较大的MOS电容为积分电容时，积分电容两端压差可以从单位面积电容值较大的稳定工作区间变化到单位面积电容值较小的工作区间。从而，所提出的电路中MOS积分电容上的电压摆幅远大于传统电路中MOS积分电容上的电压摆幅，同时，像素级电路的电荷处理能力也得到明显提高。
此外，在像素级电路内部对光电流进行量化，减小了像素内部的电压信号转移到列级电路时带来的电压偏差，从而减小了非线性。最终提高了读出电路的信噪比和线性度，降低了读出电路的功耗。
此外，本发明针对长波红外的超高帧频成像应用需求，所提出的阵列外存储的读出电路，无需采用55nm或更先进的CMOS集成电路工艺制作，而是可以采用0.18μm CMOS工艺制作，相比较55nm或更先进的CMOS集成电路工艺，无疑极大的降低了流片加工成本，具有极高的实用性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于阵列外存储的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：像素电路和列级电路；所述像素电路包括：积分模块、第一细量化存储器、粗量化计数器；所述列级电路包括：数字处理模块、第二细量化存储器、粗量化存储器、并转串输出电路；
所述积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于所述积分电压产生翻转信号，所述翻转信号传输至所述粗量化计数器，且所述翻转信号经或非门运算后得到使能信号并传输至所述第一细量化存储器；
所述粗量化计数器对所述翻转信号的出现次数进行计数，得到的计数结果即为粗量化结果；
所述第一细量化存储器在所述使能信号为低时不进行存储，在所述使能信号为高时，对来自于阵列外计数器产生的数字量进行存储，存储的数字量即为细量化结果；
在得到所述细量化结果后，所述粗量化结果通过粗量化行选信号依次传输到所述粗量化存储器；
在所述粗量化结果传输结束后，所述细量化结果通过细量化行选信号依次传输到所述数字处理模块；
所述数字处理模块对所述细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至所述第二细量化存储器；
在读出信号为高时，将所述粗量化存储器中存储的量化结果和所述第二细量化存储器中存储的量化结果通过所述并转串电路传输到片外；
其中，在所述固定积分时间内，所述使能信号为低；
在所述固定积分时间结束之后，光电流依旧在所述积分模块中积分电容上进行积分，完成最后一次积分，且在所述最后一次积分的过程中，所述使能信号为高，直至所述最后一次积分结束后，所述使能信号变为低。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述第一细量化存储器采用三管结构进行存储和传输，使得阵列中奇偶行对应的细量化结果具有相反的极性，且不影响积分粗细量化的过程。
3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述数字处理模块根据奇偶行信号，确定所述细量化结果是否需要翻转，以对所述细量化结果进行处理，并将处理后的细量化结果传输至所述第二细量化存储器。
4.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述第一细量化存储器包括：第一mos管、第二mos管、第三mos管；
所述第一mos管的第一端接地，第二端与前一级细量化存储器的输出端连接；
所述第一mos管的第三端与所述第二mos管的第一端连接；
所述第二mos管的第二端接收传输信号；
所述第二mos管的第三端与所述第三mos管的第一端连接，并作为所述第一细量化存储器的输出端；
所述第三mos管的第二端接收预充信号，第三端接收来自于所述阵列外计数器产生的数字量。
5.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述粗量化计数器的结构基于本原多项式的代数式形成，其包括：至少一个异或单元和N个单元电路，N个所述单元电路的数量由所述粗量化计数器的比特数决定；
至少一个所述异或单元与N个所述单元电路串联连接；
至少一个所述异或单元的输出作为与其相连的第1个单元电路的输入；
所述第1个单元电路的输出作为与其相连的第2个单元电路的输入；
所述第N个单元电路的输出作为所述粗量化结果。
6.根据权利要求5所述的读出电路，其特征在于，所述单元电路包括：第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管、第八mos管、第九mos管、第十mos管、第十一mos管、第十二mos管；
所述第四mos管的第一端与所述第八mos管的第一端均接收电源电压；
所述第四mos管的第二端与所述第七mos管的第二端均接收前一级的输出；
所述第四mos管的第三端与所述第五mos管的第一端连接；
所述第五mos管的第二端与所述第十mos管的第二端均接收所述翻转信号的反相信号；
所述第五mos管的第三端与所述第六mos管的第一端、所述第八mos管的第二端以及所述第十一mos管的第二端、所述第十二mos管的第一端分别连接；
所述第六mos管的第二端与所述第九mos管的第二端均接收所述翻转信号；
所述第六mos管的第三端与所述第七mos管的第一端连接；
所述第七mos管的第三端接地；
所述第八mos管的第三端与所述第九mos管的第一端连接；
所述第九mos管的第三端与所述第十mos管的第一端连接，并作为本单元电路的输出端向后一级输出信号；
所述第十mos管的第三端与所述第十一mos管的第一端连接；
所述第十一mos管的第三端接地。
所述第十二mos管的第二端接收复位信号，第三端接地。
7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述异或单元的数量由所述代数式的组成形式决定；
所述异或单元的输入信号由所述代数式的组成形式决定；
若所述粗量化计数器的比特数为7bit，则对应的本原多项式的代数式组成形式为：x7+x3+1；
所述代数式组成形式为：x7+x3+1的情况下，所述粗量化计数器包括：1个异或单元和7个单元电路。所述1个异或单元接收第7个单元电路的输出信号和第3个单元电路的输出信号，进行异或运算，得到的结果信号输出至第1个单元电路中的第四mos管的第二端和第七mos管的第二端。
8.根据权利要求5所述的读出电路，其特征在于，所述粗量化计数器中每个单元电路的时钟均为固定时钟，且所述粗量化计数器处于循环工作的模式，无需复位操作。
9.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述或非门的第一输入端接收所述翻转信号；
所述或非门的第二输入端接收所述积分信号的反相信号。
10.一种红外成像仪，其特征在于，所述红外成像仪包括：光电流探测器以及如权利要求1-9任一所述的基于阵列外存储的读出电路。
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