CN1210548C - 双色线列红外焦平面探测器的读出电路结构 - Google Patents
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Abstract
一种双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，包含波段一输入级，波段二输入级，与该两输入级一起工作的移位寄存器和外引线键压点，其特点是它由两系列开关管、光敏元、栅控管、积分电容、复位开关和源极限随器相连构成，光敏元列阵与读出电路各输入端是通过铟柱互联而实现电连接的。本发明的电路结构紧凑，二个波段的光敏元列阵工作点，对应的积分电容可分别独立设置，二个波段的响应信号分别输出，以此结构制成的读出电路具有模块形式，可以实现多模块无缝拼接，形成双色长线列红外焦平面探测器。
Description
技术领域
本发明涉及双色线列红外焦平面探测器，特别是一种双色线列红外焦平面探测器的读出电路结构。
技术背景
双色红外焦平面探测器，就是对同一个辐射场(包含有全波段信息)，同时在二个特定的不同红外波段(例如2～3um波段、3～5um波段)响应的一种红外探测器，以同时获取目标的特定信息。这对于预警、搜索、跟踪等红外***，通过对目标的光谱特性分析，提高对目标的探测与识别能力，识别伪目标等，具有重要的作用。因此，在国防等领域，双色红外焦平面探测技术是一项重要的技术。
线列红外探测器，就是在一维方向，红外光敏元顺次排列，利用垂直于光敏元排列方向的一维扫描，形成二维图像的一种成象器具。双色线列红外探测器，就是在一维红外光敏元排列方向上，每一个象元位置上有二个独立的响应单元，分别对应于二个不同波段。所以一次扫描，可以同时获得二个波段的红外图像。一般，扫描型双色红外探测器制造有二种方法。较早的传统做法是，利用二个彼此独立的、响应于不同波段的线列焦平面器件并列拼接而成。这样做最大的问题是：一、不同响应波段的相应光敏元要做到彼此在同一平面内平行与垂直比较困难，由此造成对同一像点、不同波段的位置错位；二、特别是对要求一维方向多模块无缝拼接的长线列焦平面制造，传统方法则很难实现。另一种目前正在发展中的双色红外焦平面探测器制造技术，就是利用分子束外延技术MBE生长多层结构的材料制造具有双色探测的红外光敏元列阵(所谓纵向结构双色敏感元)、配上双色功能的读出电路，来实现双色探测。该技术的问题是：一、技术复杂，目前尚不成熟；二、读出电路结构特殊；三、纵向结构双色敏感元，对于焦平面的一个重要参数——填充因子较低，对高灵敏探测极为不利。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难和问题，提供一种双色线列红外焦平面探测器的读出电路，为制造多模块、无缝拼接的双色长线列红外焦平面探测器提供一种可行的实施方式。
本发明的技术解决方案是：
一种双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，包含波段一输入级，波段二输入级，同时包含有输入级一起工作的移位寄存器和外引线键压点，其特点是：
a)波段一输入级由波段一开关管M1-1、M1-2......M1-n、波段一光敏元列阵D1-1、D1-2......D1-n、波段一输入栅控管G1-1、G1-2......G1-n组成，波段一光敏元列阵D1-1....D1-n通过波段一开关管M1-1....M1-n与相应的波段一输入栅控管G1-1...G1-n的源极连接，相应的波段一积分电容C1-1...C1-n与波段一输入栅控管G1-1...G1-n的漏极连接；
b)波段二输入级由波段二开关管M2-1、M2-2......M2-n、波段二光敏元列阵D2-1、D2-2......D2-n、波段二输入栅控管G2-1、G2-2......G2-n组成，波段二光敏元列阵D2-1....D2-n通过波段二开关管M2-1....M2-n与相应的波段二输入栅控管G2-1...G2-1的源极连接，相应的波段二积分电容C2-1....C2-1与波段二输入栅控管G2-1...G2-n的漏极连接；
c)波段一开关管M1-1、M1-2......M1-n和波段二开关管M2-1、M2-2......M2-n共同通过总线与起始脉冲连接，共用一个脉冲φstart；
d)波段一输入栅控管G1-1、G1-2......G1-n经波段一栅控总线连接波段一栅控电压Vg1；波段二输入栅控管G2-1、G2-2......G2-n经波段二栅控总线连接波段二栅控电压Vg2；
e)对应于波段一光敏元列阵D1-1、D1-2......D1-n的波段一积分电容C1-1、C1-2......C1-n与对应于波段二光敏元列阵D2-1、D2-2......D2-n的波段二积分电容C2-1、C2-2......C2-n设计成不同容量或相同容量；
f)移位寄存器读出脉冲φout顺序输出，同时依次打开波段一开关管K1-1、K1-2......K1-n与波段二开关管K2-1、K2-2......K2-n，波段一源极跟随器O1-1、O1-2......O1-n与波段二源极跟随器O2-1、O2-2......O2-n上分别获得波段一、波段二的信号输出序列
Vo-1{1～n}、Vo-2{1～n}。
g)所述的波段一光敏元列阵和波段二光敏元列阵与读出电路波段一输入级、波段二输入级通过铟柱互联而实现电学连接。
所述波段一、波段二对应的光敏元一一对应，精确对位。
所述波段一输入级和波段二输入级在空间上，靠一边并排安排，二者之间距根据要求确定。
所述的双色线列红外焦平面探测器的读出电路制成模块形式，可以实现多模块无缝交叉拼接制造出双色长线列红外焦平面探测器。
本发明有如下优点：
1.与传统的方法相比，结构紧凑，二个波段对应的光敏元一一对应，精确一致；
2.二个波段的光敏元列阵工作点可以独立设置，使用方便、灵活，
有利于不同波段都处于最佳工作点；
3.二个波段对应的积分电容可以根据具体应用要求分别设计，以利于不同波段分别达到最佳的性能；
4.二个波段的响应信号分别输出，方便后续信号处理、A/D转换等数字化过程；
5.以此结构电路制备的双色线列红外焦平面探测器，可以实现无逢拼接，形成长线列红外焦平面探测器；
6.本结构根据具体需要，可以设计各种不同的输入结构，以适合不同响应波段对输入结构的匹配；
7.本发明对光敏元制备技术没有特殊要求，因此可以利用现有成熟技术实现窄带应用的双色线列红外焦平面探测器；
8.本结构的双色线列红外焦平面探测器，不会因光敏元总数的增加而提高移位寄存器的工作频率，降低了读出电路设计制造难度；
9.与传统结构相比，采用本发明电路结构，大大减少了外引线，器件的引线热耗大为降低，有利于致冷器致冷；
1O.外引线减少，大大提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明双色线列红外焦平面探测器读出电路空间结构布置示意图。
图2是本发明双色线列红外焦平面探测器读出电路电原理图。
图3是本发明双色线列红外焦平面探测器读出电路时序图。图中：
1-波段一输入级 2-波段二输入级
3-移位寄存器
4-引线键压点 0-输入总线
11-波段一栅控总线 21-波段二栅控总线
具体实施方式
首先请参阅图1，图1是本发明双色线列红外焦平面探测器读出电路空间结构布置示意图。本发明结构是采用红外薄膜材料光敏元列陈与读出电路混成互联结构。读出电路设计制造是采用成熟的Si CMOS工艺制造的。整个电路由四部分组成：波段一输入级1；波段二输入级2；具有电路的信号传输、开关时序控制和信号读出功能模块构成的移位寄存器3；偏置电压输入、脉冲输入与信号输出的引线键压点4。在空间排列上，波段一输入级1尽量靠近边缘，以利于更长线列器件的拼接；波段二输入级2在倒焊工艺许可的情况下也应尽量紧靠安排。
图2是双色线列红外焦平面探测器读出电路的电原理图。图3是该电路的时序关系图。图2中，D1-1、D1-2......D1-n分别表示波段一各光敏元(D1-n图2中未画出)，C1-1、C1-2......C1-n分别表示对应波段一的积分电容(C1-n图二中未画出)。同样，D2-1、D2-2......D2-n、C2-1、C2-2......C2-n则分别表示波段二各光敏元和与其对应的积分电容。φstart为电路起始脉冲，Vreset为积分电容复位电压，φreset为积分电容复位脉冲，φout为移位寄存器3的读出脉冲，Vg1、Vg2分别为波段一、波段二输入端栅控电压，分别调节Vg1、Vg2，使G1-1、G1-2......G1-n和G2-1、G2-2......G2-n工作在亚阈值状态，同时给各光敏元提供一低阻抗接口，使各光敏元偏置电平恒定。其中，各光敏元(由P-N构成)的N端与各开关管M1-1，......M1-n，M2-1，......M2-n通过倒焊互联技术实现电学连接，各工作脉冲偏置电压与信号输出通过电路上的引线键压点4与***电路连接。Vo-1为波段一信号输出电压，Vo-2为波段二信号输出电压，Vdd为工作偏置电压。电路工作过程如下：积分电容复位脉冲，即φreset脉冲为高电平时，同时打开复位开关管S1-1、S1-2......S1-n、，S2-1、S2-2......S2-n，积分电容复位电压Vreset(一般为3-5V)使积分电容Ci_j(i＝1，2；j＝1～n)复位；复位后，φstart起始脉冲为高电平时，同时打开开关管M1-1、M1-2......M1-n、，M2-1、M2-2......M2-n，光敏元D1-1......D1-n，D2-1......D2-n产生的光生电流由开始在漏极电容Ci_j上积分；当φstart起始脉冲为低电平时，开关管M1-1、M1-2......M1-n、，M2-1、M2-2......M2-n关闭，积分结束；移位寄存器3读出脉冲φout顺序输出，依次打开开关管K1-1、K1-2......K1-n、K2-1、K2-2......K2-n，源极跟随器O1-1、O1-2......O1-n、O2-1、O2-2......O2-n上分别获得波段一、二波段的信号输出序列Vo-1{1～n}、Vo-2{1～n}；读出结束，φreset脉冲再次输出高电平，第二周期开始。
图3是本发明电路工作的时序图，复位脉冲φreset的下降沿与起始脉冲φstart的上升沿至少同时，一般以稍微交迭为好。读出脉冲φout的第一个脉冲输出与φstart的下降沿同时，一般稍微滞后为好。对应φout各个脉冲输出，获得对应的各光敏元信号序列输出Vo-1{1～n}、Vo-2{1～n}。
Claims (4)
1、一种双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，包含波段一输入级(1)，波段二输入级(2)，同时包含有输入级(1、2)一起工作的移位寄存器(3)，外引线键压点(4)，其特征在于：
a)波段一输入级(1)由波段一开关管M1-1、M1-2......M1-n、波段一光敏元列阵D1-1、D1-2......D1-n、波段一输入栅控管G1-1、G1-2......G1-n组成，波段一光敏元列陈D1-1....D1-n通过波段一开关管M1-1......M1-n与相应波段一的输入栅控管G1-1...G1-n的源极连接，相应的波段一积分电容C1-1....C1-n与波段一输入栅控管G1-1....G1-n的漏极连接；
b)波段二输入级(2)由波段二开关管M2-1、M2-2......M2-n、波段二光敏元列阵D2-1、D2-2......D2-n、波段二输入栅控管G2-1、G2-2......G2-n组成，波段二光敏元列阵D2-1.....D2-n通过波段二开关管M2-1....M2-n与相应的波段二输入栅控管G2-1....G2-n的源极连接，相应的波段二积分电容C2-1...C2-n与波段二输入栅控管G2-1....G1-n的漏极连接；
c)波段一开关管M1-1、M1-2......M1-n和波段二开关管M2-1、M2-2......M2-n共同通过总线(0)与起始脉冲连接，共用一个脉冲φstart；
d)波段一输入栅控管G1-1、G1-2......G1-n通过波段一栅控总线(11)连接波段一栅控电压Vg1；波段二输入栅控管G2-1、G2-2......G2-n通过波段二栅控总线(21)连接波段二栅控电压Vg2；
e)对应于波段一光敏元列阵D1-1、D1-2......D1-n的波段一积分电容C1-1、C1-2......C1-n与对应于波段二光敏元列阵D2-1、D2-2......D2-n的波段二积分电容C2-1、C2-2......C2-n设计成不同容量或相同容量；
f)移位寄存器(3)读出脉冲φout顺序输出，同时依次打开波段一开关管K1_1、K1-2......K1-n与波段二开关管K2-1、K2-2......K2-n，波段一源极跟随器O1-1、O1-2......O1-n与波段二源极跟随器O2-1、O2-2......O2-n上分别获得波段一、波段二的信号输出序列Vo-1{1～n}、Vo-2{1～n}；
g)所述的波段一光敏元列阵和波段二光敏元列阵与读出电路波段一输入级(1)和波段二输入级(2)通过铟柱互联而实现电学连接。
2、根据权利要求1所述的双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，其特征在于：波段一、波段二对应的光敏元一一对应，精确对位。
3、根据权利要求1所述的双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，其特征在于波段一输入级(1)和波段二输入级(2)在空间上，靠一边并排安排。
4、根据权利要求1或2或3所述的双色线列红外焦平面探测器读出电路结构，其特征在于该读出电路制成模块形式。
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