[发明专利]一种全差分红外焦平面阵列读出电路

说明书

技术领域

本发明属于图像传感器技术领域，具体涉及一种全差分红外焦平面阵列读出电路。

背景技术

红外热成像传感器现已广泛应用于安防、消防、医疗、工业、汽车、特种行业等领域。红外焦平面阵列组件是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件，该组件由红外探测器和红外读出电路（ROIC）组成。

ROIC电路是把焦平面的各种功能集成在半导体芯片中的高集成度电路，其基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大及多路传输。但是在ROIC电路中采用的电路结构器件和电路工作方式都会引入噪声，例如复位噪声和固定噪声FPN。这些噪声的引入和叠加会降低图像传感器的信号检测精度，进而导致图像质量差。相关双取样电路CDS是目前应用最广泛的噪声抑制技术，主要原理是利用来自同一电路的噪声电压在时间上具有相关性，在很短的时间内两次采样同一单元的信号，然后利用差分器将两次采用信号相减，就可以达到消除噪声的目的。

在现有技术中，相关双采样电路通常由两个采样保持电容Cs和CR、采样保持开关φs和φR以及另外的差分开关φY和差分单端放大器组成，如图1所示。现有技术存在的问题在于：1）采用单端输出放大器，其输出端输出的信号是伪差分信号，后续还需要额外的电路来将伪差分信号转换成全差分信号，而转换电路的存在极大地降低了图像传感器的填充因子；2）另外，在现有的相关双采样电路中，运算放大器本身的偏移也会在图像传感器中引入固定噪声FPN。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种全差分红外焦平面阵列读出电路，通过优化相关双采样电路，提高红外焦平面图像传感器的填充因子。

为了实现上述目的，一种全差分红外焦平面阵列读出电路，其特征在于，包括：

像元阵列，用于采集红外光信号、光电转换并逐行输出；

全差分相关双采样电路，连接像元阵列，用于对像元阵列电路采集到的信号进行积分、双采样并输出实际差分信号；

输出缓冲电路，连接全差分相关双采样电路，用于将实际差分信号逐列缓冲输出；

及行列逻辑控制信号产生电路，分别为像元阵列和输出缓冲电路提供行选控制信号和列选控制信号。

优选地，所述全差分相关双采样电路包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关、第四采样开关、第五采样开关、第六采样开关、第七采样开关、第八采样开关、第一取样电容、第二取样电容、第一补偿电容、第二补偿电容和双端输出运算放大器；

其中，第一采样开关和第二采样开关的一端共同连接信号输入端，第一采样开关的另一端分别连接第三采样开关和第一取样电容，第二采样开关的另一端分别连接第四采样开关和第二取样电容，第一取样电容的另一端分别连接第五采样开关和第一补偿电容，第二取样电容的另一端分别连接第六采样开关和第二补偿电容，第一补偿电容的另一端分别连接第七采样开关和双端输出运算放大器的正向输入端，第二补偿电容的另一端分别连接第八采样开关和双端输出运算放大器的负向输入端，第三采样开关、第五采样开关、第七采样开关的另一端共同连接双端输出放大器的负向输出端，第四采样开关、第六采样开关、第八采样开关的另一端共同连接双端输出放大器的正向输出端。

优选地，所述输出缓冲电路是由若干输出buffer组成的多级输出缓冲电路。

优选地，所述像元阵列是由若干菱形像元在二维平面上重复错位排列组成，并采用ASIC+MEMS混合工艺制造。

优选地，所述像元阵列是由是由若干蜂巢形像元在二维平面上重复错位排列组成，并采用ASIC+MEMS混合工艺制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）使用开关电容全差分配置的CDS电路，能够实现积分和双采样功能并且输出实际差分信号，不需要额外配置差分转换电路，能够显著减小电路面积，增加填充因子；同时，在电路中引入补偿电容可以提供偏移补偿，消除运算放大器偏置电压对采样结果造成的影响；

2）输出采用多级buffer形式，将一个折叠式的两级运放拆成三级，第一级为每列一个，第二级为m列共用，最后一级为n列共用，驱动能力逐级增大；

3）采用蜂巢形或菱形像元交错排列的方式，在相同物理空间、相同像元尺寸的前提下，将热成像传感器的分辨率大幅度提升；在具有相同或相近的空间分辨率的情况下，能降低热成像传感器像元尺寸或个数同时改变整机设备的光学系统焦距，降低成本和减小整机设备体积；采用错位采样后的图像目标能量和集合的信息与原始目标更为接近，不容易在复杂背景中淹没。

附图说明