[实用新型]电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路

说明书

技术领域

本专利涉及红外探测器读出电路领域，尤其是涉及一种线列非制冷红外探测器CMOS读出电路设计。

背景技术

非制冷红外探测技术是今后红外技术发展的一个重要方向，特别是非制冷技术的发展使红外热摄像技术扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防范、医疗、卫生、海上救援、舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域，其原理是温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，从而表现出电阻变化的信号形式，由此来测量热辐射，一般采用电流偏置方式，通过读出非制冷红外探测器两端的电压信号变化，得出探测器的电阻变化，从而反映出红外辐射量的不同而成像，其中读出电路是非致冷红外探测器组件的重要组成部分。

目前国内外已开展了这方面的工作，但在实际应用中许多方面还有待进一步完善。2014年4月18日吕坚等人公布的CN 103900722A专利介绍了一种非制冷红外焦平面阵列读出电路，包括探测器电路、跟随电路、减法电路、积分电路等部分，电路结构本身复杂，且需要设计与之对应的盲元探测器来设计读出电路，增加了非制冷红外探测器工艺的复杂性，本专利采用的电流镜输入方式，克服了需要设计与之一一对应的盲元探测器，大大降低了非制冷红外探测器工艺制作的复杂性。利用电流镜布局在线列电路的左右两端和采用低功耗的跟随管，有效地提高了电路的线性度、功耗等指标。

发明内容

本专利的目的在于提供一种电流镜方式的线列非制冷红外探测器CMOS读出电路，提高非制冷红外探测器读出电路的设计水平。

本专利设计的一种基于电流镜方式的高性能非致冷红外探测器160线列读出电路，可满足10KΩ～100KΩ阻值非制冷红外探测器信号读出的需要，具有放大倍数多级可调功能，适合不同响应率探测器的信号读出。其电路的单元结构如图1所示，包括电流镜模式的输入级，差分放大器的CTIA，CDS+N跟随、输出P跟随。图2是输入级的电流镜，NM5和NM1构成粗调的输入级电流镜，NM4和NM2构成微调的输入级电流镜。va、vb分别为粗调、微调外端口。res为积分开关，电平高时为积分状态，电平低时为关断状态，bolometer部分为非制冷红外探测器的位置。图3为CTIA结构，C1、C2、C3为三个积分电容，其中C1为基准电容，C2、C3分别由select1、select2控制。放大器采用差分放大器，in和out端接积分电容，差分输入的另一输入端接ref，ref端的电压必需大于N管的阈值电压才能使电路正常工作。图4为低功耗的CDS N跟随，C6、C7为采样电容，sha、shb与shaf、shbf为互补脉冲，控制信号的采样。col接移位寄存器的输出端口，使线列输出信号按顺序读出。

其特征在于：该电路采用电流镜输入方式的读出电路结构，无需传统的与响应元一一对应的盲元探测器设计，可有降低探测器工艺的复杂性；输入端粗调的设置，能扩大电路对非制冷红外探测器偏置电流的适用范围，微调端口的设置能精确设置系统的最佳工作状态；在画版图时电流镜地线采用宽度大于100微米的金属线且左右两端都设置电流镜，能有效地降低系统的非均匀性，其160线列电路的非线性小于1％；三个积分电容的设置可以使电路具有较大的适应性，满足不同探测器灵敏度要求；采用先N跟随，后P跟随的输出结构能有效地增大电路的输出摆幅。

本专利的优点如下：

1.电路输入端采用电流镜方式，无需传统的与响应元一一对应的盲元探测器设计，大大降低了探测器工艺制作的复杂性。

2.输入端设计有粗调和微调两个调节端口；既扩大了电路对非致冷红外探测器工作电流的适用范围，又能精确调节系统的工作状态。

3.电流镜布局在线列电路的左右两端，在画版图时地线采用宽度大于100微米的金属线，电路的非线性能得到有效地改善，其线列160电路的非线性小于1％；

4.积分电容由10pF、20pF、20pF三个电容组成，可组合成多级放大倍数，使电路能适应不同非制冷探测器响应率的要求。

5.利用低功耗的跟随管设计，采用先N跟随，后P跟随，既降低了电路的功耗，又增加了电路的摆幅。

6.非制冷红外探测器读出电路设计采用标准的亚微米CMOS工艺制造而成，保证了芯片制造的可重复性。

附图说明

图1电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路单元结构图。

图2电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路电流镜部分结构图。

图3电流镜方式的非制冷红外探测器读出电路CTIA部分结构图。