专利名称：一种红外焦平面读出电路及其方法
技术领域：
本发明涉及微电子和光电子技术领域，具体涉及一种红外成像系统的红外焦平面 读出电路及其方法。
背景技术：
红外热成像技术是当今世界各国高技术领域发展的热点。非制冷红外热成像系统 具有价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，在军事，工业和民用等诸多领域得 到广泛的应用。红外焦平面读出电路(ROIC)是非制冷红外热成像系统的核心部件之一，用于进 行红外探测器焦平面信号的转换、放大以及多路传输等。ROIC包括像素单元电路、列读出级 电路、行选控制电路、列选控制电路、输出缓冲级、时序控制电路和偏置电路等部分。像素单 元电路在行选信号控制下逐行将像素单元与列读出级电路连接，列读出级电路通过积分、 采样和保持读取每行像素单元信号，并在列选信号控制下将保持的各像素单元信号依次通 过输出缓冲级串行输出。ROIC的信号输出频率由系统主时钟频率决定，根据焦平面阵列和 所需的帧频选择主时钟频率，通常阵列越大、帧频越高，要求的主时钟频率就越高，信号输 出频率也就越高。帧频的大小由硬件环境和红外成像系统的视频图像制式决定，例如对美 国标准制式典型的帧频为30Hz或60Hz，对欧洲标准制式典型的帧频为25Hz或50Hz。随着技术的不断发展以及军事和民用等领域的要求，红外焦平面探测器的分辨率 在不断增大，像素阵列从160 X 120、320 X 240，扩大到640 X 480，并在研发更高分辨率的红 外焦平面探测器。分辨率越高，阵列越大，要求的信号输出频率也就越高，从而带来了信号 输出频率与输出缓冲级的匹配问题。输出缓冲级是模拟数据采集电路的重要组成部分，通常由运算放大器构成，受到 建立时间特性的限制。建立时间指输出缓冲级受到小信号激励时，输出达到预定容差范围 内所需的时间。若信号输出频率过高，从一个数据输入到对数据输出采样的时间小于建立 时间，则会导致信号失真。因此，需要解决高分辨率的红外焦平面探测器在不同帧频的要求 下，信号输出频率与输出缓冲级的匹配问题。一种方法是使用两个或多个输出缓冲级同时 输出列读出级电路保持的两列或多列像素单元信号，从而降低每个输出缓冲级的信号输出 频率，使数据输入到对数据输出采样的时间达到建立时间以上。然而，由于工艺失配等原 因，实际的两个结构相同的输出缓冲级其失调等特性存在差异，导致同样大小的信号，经过 不同的输出缓冲级，其输出信号大小不同，这在红外成像中表现为一种固定图形噪声，这种 固定图形噪声是不期望出现的。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种红外焦平面读出电路及其方法，它能够 提供单通道输出和双通道输出两种输出模式当帧频要求较高时，选择双通道输出模式，使 用两个输出缓冲级同时输出，降低每个输出缓冲级的信号输出频率，使数据输入到对数据输出采样的时间达到建立时间以上，保证信号输出频率与输出缓冲级的匹配；当帧频要求 较低时，在信号输出频率与输出缓冲级的匹配下，选择单通道输出模式，只用一个输出缓冲 级输出，从而避免使用两个输出缓冲级引起的固定图形噪声。本发明所提出的第一个技术问题是这样解决的提供一种红外焦平面读出电路， 包括与红外焦平面像素阵列连接的N组列选控制器和列读出级电路以及对应N组列选控制 器、所述列读出级电路输出端上的N个输出缓冲级，N是大于1的自然数，其特征在于还包 括与所述列选控制器使能端连接的输出时序控制器，该输出时序控制器还控制连接位于所 述列读出级电路中部分或全部列通道与任一输出缓冲级之间的切换开关。按照本发明所提供的红外焦平面读出电路，其特征在于，N优选2，即所述列选控 制器是二组，对应二个输出缓冲级，其输出时序控制器连接所述切换开关包括但不限制于 以下两种方式，优选(一)(一 )对称结构所述输出时序控制器控制连接位于所述列读出级电路中全部列 通道与任一输出缓冲级之间的切换开关，该输出时序控制器这样工作①单通道时，仅使能 一组列选控制器，同时控制切换开关连通一输出缓冲级；②双通道时，使能二组列选控制 器，同时控制切换开关对应连通二输出缓冲级；( 二)不对称结构所述输出时序控制器控制连接位于所述列读出级电路中后半 列通道与任一输出缓冲级之间的切换开关，所述列读出级电路中前半列通道通过控制端连 接列选控制器的开关与一输出缓冲级连接，该输出时序控制器这样工作①单通道时，仅使 能一组列选控制器，同时控制后半列通道的切换开关连通前半列通道对应的输出缓冲级； ②双通道时，使能二组列选控制器，同时控制后半列通道的切换开关连通与前半列通道对 应的输出缓冲级不同的另一输出缓冲级。按照本发明所提供的红外焦平面读出电路，其特征在于，所述切换开关的控制端 还连接所述列选控制器。按照本发明所提供的红外焦平面读出电路，其特征在于，该读出电路还包括与红 外焦平面像素阵列连接的行选控制器。本发明所提出的另一个技术问题是这样解决的提供一种红外焦平面读出方法， 采用N个输出缓冲级和对应N组列选控制器，N是大于1的自然数，其特征在于包括以下 步骤信号输出频率超过门限时，一组以上列选控制器同时工作，并控制列读出级电路 中列通道与输出缓冲级之间的切换开关选择对应数目输出缓冲级输出信号，N > 2，如N = 3时，可以是二组或三组列选控制器同时工作，对应二个或三个输出缓冲级；信号输出频率低于门限时，仅一组列选控制器工作，并控制列读出级电路中列通 道与输出缓冲级之间的切换开关仅选择一个输出缓冲级输出信号。按照本发明所提供的红外焦平面读出方法，其特征在于，N优选2，包括以下步骤信号输出频率超过门限时，二组列选控制器同时工作，并控制列读出级电路中列 通道与输出缓冲级之间的切换开关选择二个输出缓冲级同时输出信号；信号输出频率低于门限时，仅一组列选控制器工作，并控制列读出级电路中列通 道与输出缓冲级之间的切换开关仅选择一个输出缓冲级输出信号。按照本发明所提供的红外焦平面读出方法，其特征在于，还包括输入控制信号至
4所述列选控制器的使能端使其工作或不工作。本发明有益效果在于能根据帧频的大小选择两种输出模式，保证信号输出频率 与输出缓冲级的匹配，同时尽可能减小固定图形噪声；另一个优点在于列读出级每列通道 采用了相同结构的选通电路，同时两组列选控制器电路结构相同，提高了输出信号的均勻 性。
图1是本发明的红外焦平面ROIC的整体框图；图2是本发明的列选控制器的一个具体实例电路图；图3是本发明的输出时序控制器的具体电路图；图4是本发明的列读出级的一个具体实例电路图；图5-a是本发明的列读出级另一个具体实例的a部分电路图；图5_b是本发明的列读出级另一个具体实例的b部分电路图；图6是表示本发明的两组列选控制器、输出时序控制器、一组列读出级和两个输 出缓冲级连接关系的电路原理框图；图7是表示本发明的两组列选控制器、输出时序控制器、另一组列读出级a部分、 另一组列读出级b部分和两个输出缓冲级连接关系的电路原理框图；图8是本发明的ROIC单通道输出模式时的一行读出时序图；图9是本发明的ROIC双通道输出模式时的一行读出时序图。
具体实施例方式首先，说明本发明基础和核心本发明红外焦平面读出电路，包括两组列选控制器，一组行选控制器，一组列读出 级电路，两个输出缓冲级，一个输出时序控制器。两组列选控制器分别与列读出级的前半部 分和后半部分相连，控制列读出级各列通道与输出缓冲级的连接。外部送入控制字到输出 时序控制器选择输出模式，选择单通道输出模式时，列读出级与其中一个输出缓冲级相连， 在列选控制信号下通过一个输出缓冲级逐列输出信号，另一个输出缓冲级不工作；选择双 通道输出模式时，列读出级的前半部分在一组列选控制信号的控制下与一个输出缓冲级相 连，列读出级的后半部分在另一组列选控制信号的控制下与另一个输出缓冲级相连，通过 两个输出缓冲级，列读出级的前半部分和后半部分同时逐列输出信号。列读出级所有通道 信号输出完成后发出行选控制器产生下一个行选通有效信号。上述两组列选控制器，包括列选控制器A和列选控制器B，对于对MXN像素阵列， M为列数，N为行数，每个列选控制器各产生一组列选控制信号Sell、Sel2……Sel (M/2)；使 能脉冲信号EN到来后，Sell、Sel2……Sel (Μ/2)在时钟信号CLK的控制下依次有效，控制 对应列读出级各列通道与输出缓冲级的连接；列选控制器的使能脉冲信号EN由输出时序 控制器产生，列选完成后产生一个列选完成脉冲信号RST_EN，其中一组列选控制器的RST_ EN信号送入输出时序控制器的输入端ColSelEN2，另一组列选控制器的RST_EN信号作为换 行使能信号RowEn送入行选控制器。上述输出时序控制器，由一个反相器和两个开关Si、S2组成，模式选择控制字输入端Mod_in连接到反相器的输入端和开关S2的控制端，并连接到输出端Mod_sel，反相 器的输出端连接到开关Sl的控制端，并连接到输出端MocLselB。使能脉冲信号输入端 ColSelENl连接到开关Sl的一端，同时连接到使能脉冲信号输出端EN1，使能脉冲信号输入 端ColSelEN2连接到开关S2的一端，开关S1、S2的另一端连接到一起并连接到使能脉冲信 号输出端EN2。开关S1、S2的闭合与断开由Mod_in决定，当选择单通道模式时，开关S2闭 合，Sl断开，EN2连接到ColSelEN2 ；当选择双通道模式时，开关S2断开，Sl闭合，EN2连接 到 ColSelENl。上述一组列读出级电路，共有M列通道，分为前半部分和后半部分，各包含M/2列， 每列通道通过两个开关分别连接到输出缓冲级A和输出缓冲级B的输入端上；每列通道与 每个输出缓冲级的连接由模式选择信号和该列列选控制信号共同决定。单通道输出模式 时，列读出级所有通道只与其中一个输出缓冲级连接，列读出级通过一个输出缓冲级逐列 输出信号；双通道输出模式时，列读出级的前半部分只与其中一个输出缓冲级相连，列读出 级的后半部分只与另一个输出缓冲级相连，列读出级的前半部分和后半部分通过两个输出 缓冲级同时逐列输出信号。输出缓冲级由一个运算放大器构成。当帧频要求较高时，选择双通道输出模式，使 用两个输出缓冲级同时输出，降低每个输出缓冲级的信号输出频率，使数据输入到对数据 输出采样的时间达到建立时间以上，保证信号输出频率与输出缓冲级的匹配；当帧频要求 较低时，在信号输出频率与输出缓冲级的匹配下，选择单通道输出模式，只用一个输出缓冲 级输出，从而避免使用两个输出缓冲级引起的固定图形噪声。第二，结合附图对本发明作进一步描述，附图中所有开关的控制信号均为高电平 有效闭合，低电平无效断开图1示出了本发明的红外焦平面ROIC的整体框图100。其中MXN像素阵列101，M 为列数，N为行数。本发明涉及的模块主要包括两组列选控制器200，一组行选控制器103， 一组列读出级电路400，两个输出缓冲级102，一个输出时序控制器300。两组列选控制器 200分别与列读出级的前半部分和后半部分相连，控制列读出级400信号的输出。图2是图1、图6和图7所示列选控制器200的一个具体实例电路图，列选控制信号 Sell、Sel2……Sel (M/2)由一组D触发器201构成的移位脉冲发生器产生。高有效使能脉 冲信号EN到来后，EN与EN经过反相器202的信号送入第一个D触发器201，Sell、Sel2…… Sel (M/2)在时钟信号CLK的控制下依次产生高有效脉冲，列选完成后，信号Sel (M/2)同时 作为列选完成脉冲信号RST_EN输出。图3是图1、图6和图7所示输出时序控制器300的具体电路图，输出时序控制器 300由一个反相器202和两个开关S1、S2组成，模式选择控制字输入端Mod_in连接到输出 端Mod_sel，同时通过反相器202产生反相信号，并连接到输出端MocLselB。使能脉冲信号 输入端ColSelEm连接到开关Sl的一端，同时连接到使能脉冲信号输出端EN1，使能脉冲 信号输入端ColSelEN2连接到开关S2的一端，开关S1、S2的另一端连接到一起并连接到使 能脉冲信号输出端EN2。开关Si、S2的闭合与断开由Mod_in决定，当选择单通道模式时， Mod_in置为高电平，开关S2闭合，Sl断开，EN2连接到ColSelEN2 ；当选择双通道模式时， Mod_in置为低电平，开关S2断开，Sl闭合，EN2连接到ColSelENl。图4是图1、图6和图7所示列读出级400的一个具体实例电路图。列读出级电路400共有M列通道404，每列通道404使用了两个模式选择开关402和403，和一个列选 通开关401，两个模式选择开关402和403的一端分别连接到输出缓冲级A和输出缓冲级B 的输入端上，另一端连接到列选通开关401的一端，列选通开关401的另一端连接到该列通 道404的信号输出端。列读出级400前半部分连接到输出缓冲级A的模式选择开关402由 信号Modl控制，连接到输出缓冲级B的模式选择开关403由信号ModlB控制，各列列选通 开关401分别由一组信号SelAl、SelA2……SelA(M/2)控制；列读出级400后半部分连接到 输出缓冲级A的模式选择开关402由信号Mod2控制，连接到输出缓冲级B的模式选择开关 403由信号Mod2B控制，各列列选通开关401分别由一组信号SelBU SelB2……SelB (M/2) 控制。图5-a是图1、图6和图7所示列读出级400的另一个具体实例的a部分501电路 图。列读出级a部分501共有M列通道404，每列通道404使用了两个选通开关502和503， 两个选通开关502和503的一端分别连接到输出缓冲级A和输出缓冲级B的输入端上，另 一端连接到该列通道404的信号输出端。列读出级a部分501的前半部分，各列连接到输 出缓冲级A的选通开关502分别由一组信号Modl_l、Modl_2……Modl_(M/2)控制，连接到 输出缓冲级B的选通开关503分别由一组信号ModlB_l、ModlB_2……ModlB_(M/2)控制； 列读出级a部分501的后半部分，各列连接到输出缓冲级A的选通开关502分别由一组信 号Mod2_l、Mod2_2……Mod2_(M/2)控制，连接到输出缓冲级B的选通开关503分别由一组 信号Mod2B_l、Mod2B_2……Mod2B_(M/2)控制。每个信号通道只有一个控制开关，减少了开 关非理想因素对通道输出信号的影响。图5-b是图1、图6和图7所示列读出级400的另一个具体实例的b部分504电路 图，用于产生图5-a电路列读出级a部分501各个开关的控制信号。共有M列，每列使用两 个与门505和506。前半部分各列第一个与门505的一个输入端连接到Mod_Sell上，第二 个与门506的一个输入端连接到MocLselIB上，两个与门505和506的另外两个输入端连接 到一起，并分别连接到信号输入端SelAl、SelA2……SelA(M/2)上；后半部分各列第一个与 门505的一个输入端连接到Mod_Sel2上，第二个与门506的一个输入端连接到Mod_Sel2B 上，两个与门505和506的另外两个输入端连接到一起，并分别连接到信号输入端SelBl、 SelB2……SelB(M/2)上。前半部分产生两组控制信号Modl_l、Modl_2……Modl_(M/2)和
ModlB_l、ModlB_2......ModlB_(M/2)，后半部分产生两组控制信号 Mod2_l、Mod2_2......Mod2_
(M/2)和 Mod2B_l、Mod2B_2......Mod2B_(M/2)。图6是表示本发明的两组列选控制器200、输出时序控制器300、一组列读出级400 和两个输出缓冲级102连接关系的电路原理框图。列选控制器A和列选控制器B的具体实 例电路图如图2所示，输出时序控制器300的具体电路图如图3所示，列读出级400电路图 的一个具体实例电路图如图4所示。如图6所示，输出模式由模式选择控制字Mod决定，列 选使能由使能脉冲信号SelectEn决定。使用列选控制器A控制列读出级400的前半部分， 列选控制器B控制列读出级400的后半部分，列选控制器A的RST_EN信号送入输出时序控 制器300的ColSelEN2端，列选控制器B的RST_EN信号作为使能信号RowEn输出；列读出 级400的Modl和ModlB信号分别置为高电平VDD和低电平GND，从而图4和图5中列读出 级400的前半部分只与输出缓冲级A连接。当选择单通道输出时，Mod置为高电平，列读出级400的所有通道只与输出缓冲级A连接。Em发出使能有效脉冲后，列选控制器A逐列选通列读出级400的前半部分，通过 输出缓冲级A逐列输出信号；列选控制器A选通完成后，EN2发出使能有效脉冲，列选控制 器B逐列选通列读出级400的后半部分，通过输出缓冲级A逐列输出信号。当选择双通道输出时，Mod置为低电平，列读出级400的前半部分只与输出缓冲级 A连接，列读出级400的后半部分只与输出缓冲级B连接。Em和EN2同时发出使能有效脉 冲，列选控制器A逐列选通列读出级400的前半部分，通过输出缓冲级A逐列输出信号，同 时列选控制器B逐列选通列读出级400的后半部分，通过输出缓冲级B逐列输出信号。图7是表示本发明的两组列选控制器200、输出时序控制器300、另一组列读出级 a部分501、另一组列读出级b部分504和两个输出缓冲级102连接关系的电路原理框图。 列读出级电路400由列读出级a部分501和列读出级b部分502组成，分别如图5_a和图 5_b所示，其余模块以及连接均与图6相同。相比图4中的列读出级电路结构，列读出级a 部分501和列读出级b部分502组成的列读出级电路结构稍微复杂，但在信号通道上少使 用了一个开关，减少了开关非理想因素对信号的影响。图8是本发明的ROIC单通道输出模式时的一行读出时序图；图9是本发明的ROIC 双通道输出模式时的一行读出时序图。图8、图9中C(1)、C(2)……C(M)分别表示某一输 出有效期间列读出级第1 M列各列所保持的像素单元信号。可以看到，单通道输出时，每 个CLK时钟周期输出1列通道的信号，M列共需要M个CLK时钟周期；双通道输出时，每个 CLK时钟周期输出2列通道的信号，M列共需要M/2个CLK时钟周期，总的信号输出频率提 高了一倍，但每个输出缓冲级的信号输出频率不变。
权利要求
一种红外焦平面读出电路，包括与红外焦平面像素阵列(101)连接的N组列选控制器(200)和列读出级电路(400)以及对应N组列选控制器、所述列读出级电路输出端上的N个输出缓冲级(102)，N是大于1的自然数，其特征在于还包括与所述列选控制器使能端连接的输出时序控制器(300)，该输出时序控制器还控制连接位于所述列读出级电路中部分或全部列通道与任一输出缓冲级之间的切换开关。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，N等于2，所述输出时序控制器(300) 控制连接位于所述列读出级电路(400)中全部列通道与任一输出缓冲级之间的切换开关。
3.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，N等于2，所述输出时序控制器(300) 控制连接位于所述列读出级电路(400)中后半列通道与任一输出缓冲级之间的切换开关， 所述列读出级电路中前半列通道通过控制端连接列选控制器的开关与一输出缓冲级连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的读出电路，其特征在于，所述切换开关的控制端还 连接所述列选控制器(200)。
5.根据权利要求1-3任一项所述的读出电路，其特征在于，还包括与红外焦平面像素 阵列连接的行选控制器(103)。
6.一种红外焦平面读出方法，采用N个输出缓冲级和对应N组列选控制器，N是大于1 的自然数，其特征在于包括以下步骤信号输出频率超过门限时，一组以上列选控制器(200)同时工作，并控制列读出级电 路(400)中列通道与输出缓冲级(102)之间的切换开关选择对应数目输出缓冲级输出信 号；信号输出频率低于门限时，仅一组列选控制器(200)工作，并控制列读出级电路(400) 中列通道与输出缓冲级(102)之间的切换开关仅选择一个输出缓冲级输出信号。
7.根据权利要求6所述的读出方法，其特征在于，N等于2，包括以下步骤信号输出频率超过门限时，二组列选控制器同时工作，并控制列读出级电路中列通道 与输出缓冲级之间的切换开关选择二个输出缓冲级同时输出信号；信号输出频率低于门限时，仅一组列选控制器工作，并控制列读出级电路中列通道与 输出缓冲级之间的切换开关仅选择一个输出缓冲级输出信号。
8.根据权利要求6或7所述的读出方法，其特征在于，还包括输入控制信号至所述列选 控制器(200)的使能端使其工作或不工作。
全文摘要
本发明公开了一种红外焦平面读出电路及其方法，其中电路包括两组列选控制器(200)，一组行选控制器(103)，一组列读出级电路(400)，两个输出缓冲级(103)和一个输出时序控制器(300)；方法包括信号输出频率超过门限时，输出时序控制器使能二组列选控制器同时工作，并控制列读出级电路中列通道与输出缓冲级之间的切换开关选择二个输出缓冲级输出信号；频率低于门限时，输出时序控制器仅使能一组列选控制器工作，并控制列读出级电路中列通道与输出缓冲级之间的切换开关仅选择一个输出缓冲级输出信号。该读出电路及其方法能根据帧频的大小选择两种输出模式，保证信号输出频率与输出缓冲级的匹配，同时尽可能减小固定图形噪声。
文档编号G01J5/02GK101943606SQ201010257989
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者冷余平, 吕坚, 周云, 蒋亚东 申请人:电子科技大学