[发明专利]一种带背景抑制的红外读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种带背景抑制的红外读出电路，适用于红外热成像领域。

背景技术

红外焦平面阵列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)是20世纪70年代末80年代初，在国防应用以及其它战略与战术应用的推动下发展起来的，它是红外热成像系统的核心部件，由红外探测器和读出电路两部分组成。红外探测器将红外辐射转换成人们可以测量的电信号，而读出电路则将红外探测器所得的微弱电信号进行积分放大和数字校正。

红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，波长在770nm～1 mm之间，在光谱上位于红色光外侧。由于红外辐射在大气中传播时，会受到大气各种成分的吸收和散射，从而引起辐射功率的逐渐衰减，在红外成像应用中根据探测目标背景辐射的光子密度，有低背景和高背景之分。在许多红外系统的成像条件下，目标与背景辐射的对比度相当低。对比度定义为背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。由此可以看出，随着红外波长的增大，背景辐射越来越高，对比度越来越小。探测器的散粒噪声与流过探测器的电流成平方根关系，随着对比度的减小，如果积分时间不够长，信号电流将被散粒噪声淹没，而不能探测。传统的读出电路都是对探测器产生的总电流(背景电流和信号电流)一起积分，所以在大背景电流下为保证足够的积分时间来探测出隐藏在高背景下的微弱信号，必须具有极大的积分电容。但是单元电路面积有限，读出电路中只可能包含较小的积分电容，大背景电流会很快使其饱和，积分时间受限。尤其在长波应用中，长波探测器自身较大的暗电流会进一步缩短积分时间。此外，即使不考虑单元电路面积，将大积分电容集成在读出电路中，也会引入非常高的噪声。在电路的积分过程中对背景电流进行抑制，只对信号电流积分，是一个解红外探测器的性能受到暗电流和与此相应的噪声电流的制约。因此，研究探测器的暗电流模型，分析硅基器件暗电流的机制与来源，对于了解我们的器件水平、提高器件性能、寻找抑制暗电流的途径都其有重要的实际意义。

发明内容

本发明提供一种带背景抑制的红外读出电路，结构简单，性能优良，大大提高红外焦平面阵列的信噪比，扩大其应用范围，能提供稳定、可靠且不受阈值电压变化影响的背景抑制电流的背景抑制电流源。

本发明所采用的技术方案是：

带背景抑制的红外读出电路由新型背景抑制单元电路、新型背景抑制电流源、输出缓冲器电路、列选择电路组成。

所述新型背景抑制单元电路包括运算放大器与注入管Minj构成的缓冲直接注入结构(BDI)；积分控制开关管Mintl, Mint2;复位开关管Mrst；行选择开关管Mrstl；后级列运放的一个输入管Mcl；积分电容Cint；由Ml,M2,M3构成的背景抑制电流源。BDI输入结构能提供稳定的红外探测器偏压及高注入效率，采用单级套筒式共源共栅运算放大器。当开关管M2导通时，M1, M3组成自级联结构，产生的背景抑制电流Isub基本不受积分电压Vint的影响，可以保证单元电路具有良好的线性度，在电路的积分过程中，通过背景抑制控制信号Yz控制开关管M2，以决定背景抑制电流源的导通与关断，间断性地产生背景抑制电流，从而减去背景电流Ib在积分电容上累积的积分电荷。

所述新型背景抑制电流源背景抑制控制信号Yz控制开关管M2导通时，M1,M3管等效成自级联结构。由于背景抑制电流源间断开启，导通时间极短，可以使M1,M3工作在强反型区。因此为了提高自级联结构的输出阻抗，降低积分电压Vint对背景抑制电流Isub的影响，提高单元电路的线性度，应增大M1管的尺寸及M3管的沟道长度。只需一个偏置电压，简化了电路，更易于使用。为了增加偏置电压Vin的调节范围，以方便测试，M1管采用低阈值管，它与M3的闭值电压相差约130mV。Vin=1.23V时，在0.7V～3.55V的范围内，背景抑制电流Isub基本不受积分电压Vint的影响。M1, M3管工作在强反型区，减弱了阈值电压VT对背景抑制电流Isub的影响。

所述输出缓冲器电路采用一个接成单位增益缓冲器的传统两级运算放大器作为最后的输出缓冲器，这就要求红外焦平面读出电路输出缓冲器能快速地驱动负载，同时功耗不能太大，必须具备大摆率、大输出摆幅的特点。