列级电路、焦平面阵列读出电路及红外成像仪的制作方法

1.本发明涉及红外成像领域，尤其涉及一种列级电路、焦平面阵列读出电路及红外成像仪。


背景技术：

2.红外成像是通过探测物体所发出的红外辐射来识别物体的技术，目前被广泛应用于军事、空间技术、医学等领域。红外焦平面阵列组件是红外成像系统的主体，该组件由红外探测器和红外焦平面读出电路组成。读出电路将红外探测器产生的电信号进行转换并输出给片外的信号处理系统。对于红外焦平面阵列，尤其是长波红外，采用像素级模数转换器(adc)可以显著提升电荷处理能力。
3.目前面阵型焦平面阵列读出电路的列级数字化，常见的结构是基于单斜坡量化结构或者sar(successive approximation register，逐次逼近式模拟数字转换)结构。这其中，即使是相对简单且功耗低的单斜坡量化结构，为了满足量化精度以及频率不断提升的需求，仍然需要产生一个高精度的斜坡信号。而斜坡信号的精度和步长往往会导致大量的功耗。
4.目前为了降低功耗，大多sar结构的设计中往往采用新型的比较器结构，例如：静态比较器，离散比较器等。但即使是新型比较器仍然需要额外的电流支持整体像素电路的工作需求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种列级电路、焦平面阵列读出电路及红外成像仪，提出了一种无需比较器，且功耗低、量化精度高的技术方案。
6.本发明实施例第一方面提供一种列级电路，所述列级电路包括：差分放大单元、振荡单元以及运算单元；
7.所述差分放大单元接收来自于电流探测器的输出电流，产生第一电流和第二电流，并将所述第一电流和所述第二电流输出至所述振荡单元；
8.所述振荡单元分别接收所述第一电流和所述第二电流，产生两路脉冲输出，并将所述两路脉冲输出传输至所述运算单元；
9.所述运算单元对所述两路脉冲输出进行运算，得到总量化结果，并将所述量化结果输出至输出级，所述总量化结果表征所述输出电流的模数转换结果。
10.可选地，所述差分放大单元对所述输出电流进行差分放大，产生所述第一电流和所述第二电流，所述第一电流和所述第二电流具有电流差；
11.可选地，所述差分放大单元包括：第一差分放大单元、第二差分放大单元；
12.所述第一差分放大单元对所述输出电流进行差分放大，产生所述第一电流；
13.所述第二差分放大单元对所述输出电流进行差分放大，产生所述第二电流。
14.可选地，所述振荡单元包括：第一振荡单元、第二振荡单元；
15.所述第一振荡单元接收所述第一电流，引发自震荡，产生所述两路脉冲输出中的第一脉冲输出；
16.所述第二振荡单元接收所述第二电流，引发自震荡，产生所述两路脉冲输出中的第二脉冲输出
17.可选地，所述运算单元包括：第一计数器、第二计数器以及减法器；
18.所述第一计数器对所述第一脉冲输出进行计数，得到第一量化结果，所述第一量化结果表征所述第一电流的模数转换结果；
19.所述第二计数器对所述第二脉冲输出进行计数，得到第二量化结果，所述第二量化结果表征所述第二电流的模数转换结果；
20.所述减法器对所述第一量化结果和所述第二量化结果进行减法运算，得到所述总量化结果。
21.可选地，所述差分放大单元包括：电流镜电路和电阻；
22.所述第一差分放大单元和所述第二差分放大单元构成所述电流镜电路；
23.所述电阻设置于所述第一差分放大单元和所述第二差分放大单元之间。
24.可选地，所述第一振荡单元包括：第一环形振荡电路；
25.所述第二振荡单元包括：第二环形振荡电路；
26.所述第一环形振荡电路和第二环形振荡电路为级数相同的环形振荡电路。
27.可选地，所述第一差分放大单元对未流经所述电阻的输出电流进行差分放大，产生所述第一电流；
28.所述第二差分放大单元对流经所述电阻的输出电流进行差分放大，产生所述第二电流。
29.本发明实施例第二方面提供一种焦平面阵列读出电路，所述焦平面阵列读出电路包括如第一方面任一所述的列级电路。
30.本发明实施例第三方面提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括：光电流探测器以及如第一方面任一所述的列级电路。
31.本发明提供的列级电路，差分放大单元接收来自于电流探测器的输出电流，产生第一电流和第二电流，将第一电流和第二电流输出至振荡单元；振荡单元分别接收第一电流和第二电流，产生两路脉冲输出，将两路脉冲输出传输至运算单元；运算单元对两路脉冲输出进行运算，得到总量化结果，并将量化结果输出至输出级。
32.本发明摒弃了传统的比较器加积分电容的结构，无需比较器和积分电容，实现模数转换不受积分电容大小与折叠积分次数的影响，从整体结构上相比传统结构更加简单。此外，相比单斜坡量化结构，也不需要产生高精度的高速斜坡信号用于量化，即，不需要增添额外的功耗。此外，由于差分放大输出电流，使用两个振荡单元分别产生脉冲输出，因此只要列级的输出电流动态范围足够大，本发明提出的列级电路可以确保动态范围不会因为电压摆幅而受限，即，可以在节约较多功耗的同时保持高量化精度。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例一种优选的列级电路的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例的列级电路包括：差分放大单元、振荡单元以及运算单元。差分放大单元接收来自于电流探测器的输出电流，一般情况下，在像素电路中，每一列的像素电路的模拟输出端口逐行由行选接通时，电流探测器上的输出电流即可传输至差分放大单元。差分放大单元根据该输出电流，可以产生第一电流和第二电流，并将第一电流和第二电流输出至振荡单元。
37.振荡单元分别接收到第一电流和第二电流，可以产生两路脉冲输出，并将两路脉冲输出传输至运算单元。之后运算单元即可对两路脉冲输出进行运算，得到总量化结果，并将量化结果输出至输出级(输出级一般可以为存储器)，该总量化结果表征输出电流的模数转换结果。
38.具体的，差分放大单元接收到输出电流后，实现对输出电流进行差分放大，产生第一电流和第二电流。例如：差分放大单元包括：第一差分放大单元、第二差分放大单元。第一差分放大单元接收到输出电流后，实现对输出电流进行差分放大，产生第一电流；第二差分放大单元接收到输出电流后，实现对输出电流进行差分放大，产生第二电流。
39.差分放大单元一种较优的结构可以为：以电流镜电路和电阻构成差分放大单元；第一差分放大单元和第二差分放大单元构成电流镜电路；电阻设置于第一差分放大单元和第二差分放大单元之间。第一差分放大单元对未流经电阻的输出电流进行差分放大，产生第一电流；第二差分放大单元对流经电阻的输出电流进行差分放大，产生第二电流。通过这样的方式，使得第一电流和第二电流具有电流差。
40.之所以需要第一电流和第二电流之间具有电流差，是为了后续增加量化位数，进而提高模数转换的精度，具体在下文说明。
41.差分放大单元产生第一电流和第二电流后，输出至振荡单元，由于是两路电流，因此振荡单元包括：第一振荡单元、第二振荡单元；第一振荡单元接收第一电流，引发自震荡，产生两路脉冲输出中的第一脉冲输出；自然地，第二振荡单元接收第二电流，引发自震荡，产生两路脉冲输出中的第二脉冲输出。
42.振荡单元一种较优的结构为：以两个环形振荡电路构成振荡单元。第一振荡单元包括：第一环形振荡电路；第二振荡单元包括：第二环形振荡电路；第一环形振荡电路和第二环形振荡电路为级数相同的环形振荡电路。例如：第一环形振荡电路的级数为3级，那么第二环形振荡电路的级数也为3级；第一环形振荡电路的级数为5级，那么第二环形振荡电路的级数也为5级。
43.两个脉冲输出产生后，运算单元需要根据脉冲输出进行运算，因此运算单元包括：
第一计数器、第二计数器以及减法器；第一计数器接收第一脉冲输出，并对第一脉冲输出进行计数，得到第一量化结果，该第一量化结果表征第一电流的模数转换结果；自然地，第二计数器接收第二脉冲输出，并对第二脉冲输出进行计数，得到第二量化结果，该第二量化结果表征第二电流的模数转换结果。
44.两个计数器分别得到各自的量化结果后，由于第二电流是基于流经电阻的输出电流产生的，其比之第一电流经过了电阻的延时，对应的两者的频率也发生了变化，因此需要将延时后的第二电流对应的第二量化结果，与延时前的第一电流对应的第一量化结果相减，才可以得到正确的输出电流对应的总量化结果。基于这个需求，运算单元还需要设置减法器。减法器对第一量化结果和第二量化结果进行减法运算，才可以得到总量化结果。即总量化结果＝第二量化结果-第一量化结果。
45.为了更清晰的说明上述列级电路，下文以一具体电路结构为例，说明列级电路的结构和工作原理。
46.参照图1，示出了一种优选的列级电路的结构示意图，差分放大单元由电流镜电路和电阻构成，具体包括：第一pmos管m1、第二pmos管m2、第三pmos管m3、第四pmos管m4、第五pmos管m5、第六pmos管m6、第七pmos管m7、第八pmos管m8、第九pmos管m9以及电阻r。
47.第一pmos管m1的源极与第二pmos管m2的源极、第三pmos管m3的源极分别连接，并均接收工作电源vdd；第一pmos管m1的栅极与自身的漏极、第二pmos管m2的栅极、第三pmos管m3的栅极分别连接第一pmos管m的漏极与工作地端vss连接。
48.第二pmos管m2的漏极与第五pmos管m5的漏极、电阻r的第一端分别连接；第三pmos管m3的漏极与第六pmos管m6的源极、电阻r的第二端分别连接。
49.第四pmos管m4的源极与第五pmos管m5的源极连接；第四pmos管m4的栅极接收电流探测器(图1中未示出)的输出电流，即，第四pmos管m4的栅极即为整个列级电路的输入端，图1中用vin表示；第四pmos管m4的漏极与第七pmos管m7的源极连接。
50.第五pmos管m5的栅极接收选通信号rs(即每一列的像素电路的模拟输出端口逐行由行选接通时产生的信号)；第六pmos管m6的栅极接收参考电压vref；第六pmos管m6的漏极与第九pmos管m9的源极连接。
51.第七pmos管m7的栅极接收选通信号rs；第七pmos管m7的漏极与第八pmos管m8的源极连接；第八pmos管m8的栅极与第九pmos管m9的栅极连接。
52.第八pmos管m8的漏极、第九pmos管m9的漏极均与振荡单元的正极连接，即，第八pmos管m8的漏极与第十pmos管m10的源极、第十一pmos管m11的源极、第十二pmos管m12的源极连接；第九pmos管m9的漏极与第十三pmos管m13的源极、第十四pmos管m14的源极、第十五pmos管m15的源极连接。
53.输出电流产生一个信号电压，而参考电压vref是外部输入的固定电压，信号电压是会随环境产生变化的，当信号电压不等于vref时，第五pmos管m5和第六pmos管m6之间的电阻r会因为压差产生一个电流，当信号电压＜vref时电流由图1中右侧往左侧流，同理当信号电压＞vref时电流由图1中左侧往右侧流，从而使得第一电流和第二电流两者之间具有电流压差。
54.图1中示例性的以3级的级数示出两个振荡单元vco1、vco2，其余级数的振荡单元可以参考3级级数的振荡单元结构。振荡单元vco1、vco2包括：第十pmos管m10、第十一pmos
管m11、第十二pmos管m12、第十三pmos管m13、第十四pmos管m14、第十五pmos管m15、第一nmos管m16、第二nmos管m17、第三nmos管m18、第四nmos管m19、第五nmos管m20、第六nmos管m21。
55.第十pmos管m10的栅极与第一nmos管m16的栅极、运算单元中的第一计数器dj1分别连接；第十pmos管m10的漏极与第十一pmos管m11的栅极、第一nmos管m16的漏极、第二nmos管m17的栅极分别连接。
56.第十一pmos管m11的漏极与第二nmos管m17的漏极、第十二pmos管m12的栅极、第三nmos管m18的栅极分别连接。第十二pmos管m12的漏极与第三nmos管m18的漏极、第一计数器dj1分别连接。
57.第一nmos管m16的源极、第二nmos管m17的源极、第三nmos管m18的源极均接工作地端vss。
58.第十三pmos管m13的栅极与第四nmos管m19的栅极、运算单元中的第二计数器dj2分别连接；第十三pmos管m13的漏极与第十四pmos管m14的栅极、第四nmos管m19的漏极、第五nmos管m20的栅极分别连接。
59.第十四pmos管m14的漏极与第五nmos管m20的漏极、第十五pmos管m15的栅极、第六nmos管m21的栅极分别连接。第十五pmos管m15的漏极与第六nmos管m21的漏极、第二计数器dj2分别连接。
60.第四nmos管m19的源极、第五nmos管m20的源极、第六nmos管m21的源极均接工作地端vss。
61.图1列级电路的工作原理为：每一列的像素电路的模拟输出端口逐行由行选接通时产生信号rs，第五pmos管m5、第七pmos管m7导通。同时电流探测器的输出电流输入至第四pmos管m4的栅极。由于第二电流是基于流经电阻r的输出电流产生的，而第一电流是基于未流经电阻r，即直接基于输出电流产生的，因此该输出电流经差分放大电路差分放大后，产生两个具有电流差的第一电流和第二电流，这两个电流分别输出到两个环形振荡单元的正极：第一环形振荡单元vco1的正极为第十pmos管m10的源极、第十一pmos管m11的源极以及第十二pmos管m12的源极；第二环形振荡单元vco2的正极为第十三pmos管m13的源极、第十四pmos管m14的源极以及第十五pmos管m15的源极。
62.第一计数器dj1和第二计数器dj2分别与减法器fs连接，第一计数器dj1得到的第一量化结果与第二计数器dj2得到的第二量化结果均需要发送至减法器fs进行运算。
63.根据环形振荡电路自身的特性，两个环形振荡单元分别根据各自输入的电流引发震荡，从而各自产生脉冲输出，每路电流引发震荡产生脉冲输出的公式如下：
[0064][0065]
上式(1)中，t是环形振荡单元震荡半次的时间，c是环形振荡单元的等效电容和，i是流经环形振荡单元的电流(即第一电流或者第二电流)，v
swing
是环形振荡单元的输出电压摆幅，即第十二pmos管m12和第三nmos管m18节点的电压摆幅，或者是第十五pmos管m15和第六nmos管m21节点的电压摆幅。由上式(1)可以得到：通过控制输出电流和参考电压vref可以调节整体环形振荡单元的频率。
[0066]
而不同的频率又会影响到总量化结果。总量化结果d
ad
的公式如下：
[0067][0068]
该式(2)中，t
int
是单次积分的总时间，t
ad
是环形振荡单元内反相器节点完全经过时间的均值，也即上式(1)中t的平均值。由此，可以得到d
ad
的值与电流探测器的输出电流成正比，即可以完整的标示被检测电路的强度，实现了一个完整的模数转换量化过程。
[0069]
而在两个环形振荡单元都完成量化后，因为第二电流是基于流经了电阻r的输出电流产生的，其发生了延时，导致其频率发生了变化，为此需要将延时后的第二量化结果与延时前的第一量化结果，即第二计数器dj2的输出与第一计数器dj1的输出通过减法器fs做减法，其可以将总量化结果d
ad
的结果扩展一位，从而起到增加量化位数的作用，最后由减法器将结果输出到输出级。
[0070]
本发明提出的列级电路，设置了两个环形振荡单元，假设只设有一个环形振荡单元，例如：仅设有图1中的环形振荡单元vco1，则该vco1进行震荡的过程中，计数器dj1的计数只能从0开始正向计数。而设有两个环形振荡单元，并且以相减作为结果，数据上可以有正、负，那么计数结果相当于拓展了一倍，等效来看就是总量化结果增加了一位，量化位数的增加提高了模数转换的精度。同时，两个环形振荡单元的量化结果相减，类似于差分的效果，也会提高列级电路的线性度。
[0071]
基于上述列级电路，本发明实施例还提供一种焦平面阵列读出电路，所述焦平面阵列读出电路包括如上任一所述的列级电路。
[0072]
基于上述列级电路，本发明实施例还提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括：电流探测器以及如上任一所述的列级电路。
[0073]
通过上述示例，本发明摒弃了传统的比较器加积分电容的结构，无需比较器和积分电容，实现模数转换不受积分电容大小与折叠积分次数的影响，从整体结构上相比传统结构更加简单。此外，相比单斜坡量化结构，也不需要产生高精度的高速斜坡信号用于量化，即，不需要增添额外的功耗。此外，只要列级的输出电流动态范围足够大，本发明提出的列级电路可以确保动态范围不会因为电压摆幅而受限，即，可以在节约较多功耗的同时保持高量化精度。
[0074]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0075]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。