[发明专利]红外焦平面读出电路及其输出级结构

说明书

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

目前红外成像系统在军事、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系统的性能有重要影响。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；