[实用新型]基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路

说明书

技术领域

本专利涉及紫外焦平面读出电路信号处理技术，特别是一种基于像素级模数转换结构的紫外焦平面读出电路。

背景技术

紫外探测技术由于其特有的“日盲”和“可见盲”特性，在民事和军事方面具有广泛的应用前景。紫外焦平面阵列是紫外探测技术的核心部分，主要由紫外探测器阵列和读出电路组成。读出电路对紫外探测器输出的微弱信号进行积分、放大后，通过多路选择器输出给模数转换器进行模拟信号数字化转换。读出电路的性能将直接影响紫外焦平面的质量。随着紫外焦平面成像质量要求的不断提高，阵列规模不断增加、单元尺寸的不断减小、系统集成度不断提高，对读出电路的性能和面积也有了更高的要求。

常用的焦平面阵列读出方法为：驱动信号控制焦平面阵列进行复位和光电流在电容上的积分，行/列选择控制电路和多路选择器将模拟电压信号串行输出给后端噪声抑制电路和模数转换器。这种方法的读出电路仅实现了光电流到电压的转换，模拟信号电压需要在焦平面外部进行模数转换，模拟信号传输路径长，不可避免的受到外部噪声的影响，降低信号信噪比；其次，随着焦平面阵列规模的不断增大，探测器单元数量不断增多，在保证帧频的情况下，对后端模数转换器的速度要求越来越高，功耗和面积越来越大，难以实现。

将模数转换器集成到一列或者数列中，即探测器阵列中每列或者是数列像素单元共享一个模数转换器。由于模数转换器并行工作，同时对一行像素单元进行模数转换，模数转换器的速度、功耗和面积要求降低。这种读出方法的问题有：模拟信号的传输路径较长，噪声影响较大；高帧频大面阵的成像对模数转换器的速率要求依然很高。

发明内容

本专利的目的是提供一种将紫外探测器阵列输出的光电信号读出、积分转换成模拟电压信号，在像素单元内采用数字编码技术将模拟信号转换成数字信号输出的紫外焦平面读出电路。

本专利的技术方案如下：

基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路，包括：集成在M行×N列像素阵列中的M行×N列像素单元电路、行选择控制电路、列选择控制电路、驱动信号模块、感应放大器和输出级缓冲器。

所述的M行×N列像素单元电路模块中，每个单元电路由前端电荷积分模块和模数转换模块构成。同一列像素单元数字信号输出由行选择控制电路模块控制，连接在同一条列总线上，并与列共享感应放大器相连，感应放大器的输出经过控制晶体管连接到输出总线，然后通过输出级缓冲器连接输出端口，列选择控制电路模块的输出与控制晶体管相连，控制各列感应放大器的输出。

所述的前端电荷积分模块包括复位晶体管、积分电容、运算放大器A1、传输门和采样电容，复位晶体管与积分电容并联，并跨接在运放A1的输出端和“-”输入端，紫外焦平面器件光敏元的阳极与运放A1的“-”输入端相连，阴极与运放A1的“+”输入端相连，采样电容正极通过传输门与运放A1的输出相连，同时也与比较器A2的“+”输入端相连。

所述的模数转换模块包括比较器A2和锁存器，比较器A2的“+”输入端与前端电荷积分模块中的采样电容正极相连，“-”输入端与驱动信号模块中的比较信号端相连，输出端与锁存器触发端相连，锁存器输出控制端连接行选择控制电路中的行选通信号端，输出端连接读出电路的列总线，锁存器的写信号端连接驱动信号模块的写输入输出端。

所述的锁存器由输入控制电路、输出控制电路和锁存电路构成，其中输入控制电路由4个晶体管串联堆叠而成，4个晶体管的栅极相连，作为锁存器输入控制端，串联堆叠晶体管的漏级作为锁存器写信号端；锁存电路由1个电容和1个晶体管构成，电容的正极与晶体管栅极连接，并与堆叠晶体管的源极相连，电容的负极与晶体管源极连接，并与地相连；输出控制电路由1个晶体管构成，晶体管的栅极作为锁存器输出控制端，晶体管的源极与锁存电路中晶体管的漏级相连，晶体管的漏级作为锁存器输出端。

所述的基于像素级模数转换的紫外焦平面读出电路的读出方法，以一帧作为重复的工作周期，一帧包括：单元阵列中各个像素单元并行积分和模数转换、各个像素单元信号的串行输出，具体包括以下步骤：

1）对单元阵列中各个像素单元同时进行复位和积分；

2）积分结束后，同时采样各像素单元的模拟信号并进行数字化；

3）行选择控制电路依次选通第一行至最后一行，在某一行行选通信号有效期间，该行对应的各个像素单元内的信号输出到对应的感应放大器；

4）列选择控制电路依次选通第一列至最后一列，感应放大器的输出信号串行送到输出总线并通过输出级缓冲器进行输出。