一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法

本发明属于微电子和光电子，具体涉及一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法。

背景技术：

1、红外读出电路是红外探测器的重要组成部分,它为红外探测像元提供偏置电压并将转换结果按一定顺序输出，是探测器实现各种功能的基础。

2、像素级读出电路是指每个像元模块中都集成一个模数转换器，所有的模数转换器同时并行工作，一次完成所有像素数据的转换。列级读出电路是指一列或者几列像素共用一个模数转换器，所有的模数转换器并行工作，一次完成一列或几列的像素数据的转换。

3、窗口功能是指在大规模红外焦平面阵列中选取感兴趣的区域进行输出，而不用将整个阵列的数据进行输出。开窗一般分为固定开窗和随机开窗，固定开窗是指固定大小，固定区域的开窗；随机开窗是指开窗的位置和大小可根据需要进行改变。多个随机窗口是指可以同时实现多个窗口的读出，在同时探测多个目标时能大大提高探测器的效率。

4、随着红外探测器技术的不断发展，红外焦平面阵列已实现从最初的320×240发展到如今常见的1024×1024，甚至超大规模的探测器阵列可达2048×2048；与此同时，输出的帧频也从最初的25帧发展到60帧。但随着阵列的大小与输出的帧频的变大，使得读出电路所需的时钟频率大幅提高，而集成电路制造工艺进步不明显，使得读出电路的设计变得越来越困难，时钟频率的大幅提高还将带来功耗、面积等问题。因此，通过窗口功能可以实现输出部分区域，从而实现提高帧频的目的，在一定程度上解决了帧频和阵列大小的矛盾。

5、然而传统列级的开窗读出电路在工作时每次开窗的时候都需要通过移位寄存器移位来进行对像元的选择，从而导致电路的功耗较大，误码率较高；另外，传统列级的开窗读出电路对于同时开多个窗口实现较为复杂，通常需要引入状态机来实现。

技术实现思路

1、为了解决传统的开窗读出电路存在的功耗较大、误码率较高、实现复杂等问题，本发明提供一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种像素级焦平面读出电路的随机窗口实现电路，包括行选信号产生器、列选信号产生器和若干像元控制电路；

4、所述行选信号产生器用于生成行选信号，所述列选信号产生器用于生成列选信号；

5、所述行选信号产生器和列选信号产生器均包括计数器、比较器、选择器和移位寄存器；

6、所述计数器用于对像元地址进行计数；

7、所述比较器用于判断所述计数器输出的像元地址是否在开窗的区域内，并将判断结果输入到所述选择器；

8、所述选择器用于接收所述比较器的判断结果，若像元地址在开窗区域内，则输出高电平，否则输出低电平，并将结果输入到所述移位寄存器；

9、所述移位寄存器用于接收所述选择器的输出数据，并完成串并转换，得到一系列的行/列选信号；

10、且所述计数器和移位寄存器同步工作；

11、每个像元设置一个所述像元控制电路，所述像元控制电路通过在相应像元上添加传输门控制像元信号的通断，防止选中非选中像元。

12、本发明采用的随机窗口实现电路结构简单，可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次后，得到相对应的行列选信号后，就可以不再使用，可以大幅减少电路的功耗与误码率。此外，本发明还通过为像素级焦平面阵列每个像元设置像元控制电路，在实现多窗口选择输出的时候防止选中不需要的窗口，提高了读出电路的工作效率以及探测器的探测效率。

13、作为优选实施方式，本发明的像元控制电路包括三输入与门、选择器a、选择器b、锁存器、传输门和反相器；

14、所述三输入与门的输入端输入单个像元的行选信号、列选信号与多开窗配置信号，所述三输入与门的输出端连接到所述选择器a的数据选择端；

15、所述选择器a的两个输入端分别连接低电平与高电平，所述选择器a的输出端连接到所述选择器b的一个数据输入端；

16、所述选择器b的两个数据输入端分别连接所述选择器a的输出端和高电平，所述选择器b的输出端连接所述锁存器的数据输入端，所述选择器b的数据选择端输入开窗信号；

17、所述锁存器的数据输入端连接所述选择器b的输出端，所述锁存器的使能输入端连接多开窗配置信号，所述锁存器的输出端连接所述传输门的正相控制端与所述反相器的输入端；

18、所述传输门的输入端连接像元信号，所述传输门的输出端连接像元信号，所述传输门的正相控制端连接所述锁存器的输出端，所述传输门的反相控制端连接所述反相器的输出端；

19、所述反相器的输入端连接所述锁存器的输出端，所述反相器的输出端连接所述传输门的反相控制端。

20、作为优选实施方式，本发明的计数器采用模n的二进制计数器，其中，n为读出电路的行数或列数。

21、作为优选实施方式，本发明的比较器在开窗起始坐标小于等于地址且开窗终止坐标大于地址时，输出高电平，否则输出低电平。

22、作为优选实施方式，本发明的比较器采用三输入比较器，通过将多个两输入比较器与加法器级联实现。

23、作为优选实施方式，本发明的计数器和所述移位寄存器均由读出读出电路主时钟和复位信号控制，实现同步工作，在开始产生开窗的行/列选信号时，复位信号有效，所述计数器和移位寄存器复位至初始状态，每次时钟触发后发生一次数据变化。

24、作为优选实施方式，本发明的移位寄存器的深度为n，其中，n为读出电路的行数或者列数。

25、第二方面，本发明提出了一种像素级焦平面读出电路，采用上述随机窗口实现电路实现随机窗口输出。

26、第三方面，本发明提出了基于上述随机窗口实现电路的行/列选信号产生方法，该方法包括：

27、初始化；

28、输入窗口配置信号，包括窗口大小及坐标；

29、通过比较器比较地址信号与窗口的位置，来改变移位寄存器的输入信号，直到地址信号达到上限。

30、第四方面，本发明提出了基于上述随机窗口实现电路的多窗口实现方法，该方法包括：

31、初始化；

32、开窗信号设置为低电平；

33、输入n个窗口的大小及坐标，其中，n为大于等于2的整数；

34、多开窗配置信号设置为高电平，利用窗口1的行地址和列地址产生对应的行列选信号，并将窗口1对应的传输门闭合，接着利用窗口2的行地址和列地址产生相应的行列选信号，并将窗口2对应的传输门闭合，以此类推，直到n个窗口对应的传输门闭合；

35、多开窗配置信号设置为低电平，分别利用n个窗口的行地址和列地址产生对应的行列选信号，此时仅有传输门闭合的像元才会被选中。

36、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

37、1、本发明提出的随机窗口实现电路可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次，产生相对应的行列选信号即可，之后便可以不再使用，可以大幅减少电路的功耗与误码率，提高读出电路的工作效率和可靠性；

38、2、本发明提出的随机窗口实现电路可实现多个窗口同时开窗，通过在像元上设置像元控制电路，防止选择不需要的窗口，有效提高读出电路的工作效率及探测器的探测效率；

39、3、本发明提出的随机窗口实现电路在工作时，对开关信号的配置仅需要一次即可，开机初始化时配置一次，只要后续窗口信息不变，只需要使用多开窗第二阶段的行列选信号即可选中所需的窗口，实现方式简单。