專利名稱：具有自穩零電路的二極管紅外探測器讀出電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電路結構，尤其是一種具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，屬于微電子的技術領域。
背景技術：
紅外探測技術在軍事、空間技術、醫學以及國民經濟相關領域正得到日益廣泛的應用。紅外探測芯片是紅外探測技術中獲取紅外信號的核心部件。該部件由紅外探測器和讀出電路(ROIC:readout integrated circuits)組成。ROIC電路的基本功能是進行紅外探測器信號的轉換、放大以及傳輸。讀出電路是紅外探測器與后續的模數轉換器(ADC:analogto digital convertor)的接口電路,它的性能好壞直接影響整個讀出電路的性能。隨著應用范圍的不斷擴大，對紅外探測系統性能的要求也越來越高。二極管紅外探測器由于結構簡單、面積小、靈敏度高，得到了極大的發展。為了獲得良好的性能，二極管紅外探測器通常由6 7個二級管串聯組成。串聯多個二級管可以獲得良好的性能，但提高了導通電壓，對讀出電路的設計提出了更高的要求。每個硅二極管的導通壓降為0.7V，6個串聯二級管的導通壓降為4.2V，對于電源電壓為3.3V或5V的CMOS讀出電路來說，必須采用隔直電路進行處理。然而隔直電路既限制了讀出電路的帶寬，又因為使用無源電容和電阻而大大增大了讀出電路的面積。為了減小用于二極管紅外探測器讀出電路的面積，日本的三菱公司提出了用柵調制電路讀出電路以避免隔直電路的使用，如圖1所示(Masafumi Kimata et al., “S0Idiode uncooled infrared plane arrays，，, Quantum sensing and Nanophotonic DevicesIII，Proc.0f SPIE Vol.6127，61270X, 2006)。該柵調制電路由傳感器直流偏置電路110、柵調制MOS管120、積分電容130及MOS開關140通過導線連接組成。該結構的電路形式簡單，易于大規模陣列的集成。但其存在直流偏置過大，使得積分電容容易飽和，動態范圍受限等問題。采用隔直電路的二極管紅外探測器讀出電路帶寬受到限制，且面積大。三菱公司的柵調制電路雖然克服了帶寬和面積的問題，但存在積分電容易飽和，動態范圍受限的問題。無論是采用隔直電路的傳統讀出電路，還是三菱公司的柵調制電路，都沒有消除電路低頻噪聲的功能，這也限制了紅外探測系統性能的進一步提升。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其能有效克服二極管紅外探測器導通壓降大的問題，消除便宜電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，動態范圍大，安全可靠。按照本發明提供的技術方案，所述具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，包括與二極管紅外探測器的負端連接的晶體管，所述晶體管的漏極端與二極管紅外探測器的負端連接，晶體管的源極端接地；所述晶體管的漏極端還與自穩零點路連接，所述自穩零點路包括主運算放大器及從運算放大器，所述主運算放大器的反相端與第一反饋電阻的一端及第二反饋電阻的一端連接，且主運算放大器的反相端與第一單刀雙擲開關的Φ2端連接，第一反饋電阻的另一端與晶體管的漏極端連接，第二反饋電阻的另一端與主運算放大器的輸出端連接；主運算放大器的同相端與第一單刀雙擲開關的Φ I端及從運算放大器的同相端連接，第一單刀雙擲開關的單端與從運算放大器的反相端連接；從運算放大器的輸出端與第二單刀雙擲開關的單端連接，第二單刀雙擲開關的ΦI端與從運放電容的第一端及從運算放大器的輔助輸入端連接，從運放電容的第二端與主運放電容的第二端連接，主運放電容的第一端與第二單刀雙擲開關的Φ2端及主運算放大器的輔助輸入端連接。所述從運放電容及主運放電容的第二端與第二降壓穩壓器的輸出端連接，所述第二降壓穩壓器的輸入端與二極管紅外探測器的正端連接。所述主運算放大器的電源端及從運算放大器的電源端均與第一降壓穩壓器的輸出端連接，所述第一降壓穩壓器的輸入端與二極管紅外探測器的正端連接。所述二極管紅外探測器包括六個串接的二極管。所述晶體管采用單個MOS管或共源共柵電路。所述第一降壓穩壓器為低壓差線性穩壓器。所述第二降壓穩壓器為開關型線性穩壓器。所述從運放電容為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容。所述主運放電容為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容。所述第一反饋電阻及第二反饋電阻為阱電阻、多晶電阻、金屬電阻或外接電阻。本發明的優點:二極管探測器接收紅外信號，紅外信號經六個串聯的二極管轉換為電信號，所述電信號經自穩零電路進行放大后輸出。從運算放大器的自身偏移電壓通過輔助輸入端進行校零，同時，從運算放大器輸出一個修正電壓到主運算放大器的輔助輸入端，強制主運算放大器的兩輸入端電壓相等，從而消除主運算放大器的偏移電壓與低頻噪聲。結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，并通過第一降壓穩壓器及第二降壓穩壓器將讀出電路與探測器進行集成，適應范圍廣，安全可靠。
圖1為現有二極管紅外探測器讀出電路的電路原理圖。圖2為本發明的電路原理圖。附圖標記說明:1_二極管紅外探測器、2-晶體管、3-第一降壓穩壓器、4-第二降壓穩壓器、5-第一反饋電阻、6-主運算放大器、7-從運算放大器、8-第一單刀雙擲開關、9-從運放電容、10-主運放電容、11-第二反饋電阻及12-第二單刀雙擲開關。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖2所示:二極管型非制冷紅外探測器的PN結具有良好的溫度特性，其正向電壓隨溫度升高而降低。因而通過測量二極管兩端的電壓降變化可以探測出探測器的溫度變化，進而得到入射到探測器的紅外輻射強度。為了克服二極管紅外探測器導通壓降的問題，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，本發明包括與二極管紅外探測器I的負端連接的晶體管2，所述晶體管2的漏極端與二極管紅外探測器I的負端連接，晶體管2的源極端接地；所述晶體管2的漏極端還與自穩零點路連接，所述自穩零點路包括主運算放大器6及從運算放大器7，所述主運算放大器6的反相端與第一反饋電阻5的一端及第二反饋電阻11的一端連接，且主運算放大器6的反相端與第一單刀雙擲開關8的Φ2端連接，第一反饋電阻5的另一端與晶體管2的漏極端連接，第二反饋電阻11的另一端與主運算放大器6的輸出端連接；主運算放大器6的同相端與第一單刀雙擲開關8的Φ I端及從運算放大器7的同相端連接，第一單刀雙擲開關8的單端與從運算放大器7的反相端連接；從運算放大器7的輸出端與第二單刀雙擲開關12的單端連接，第二單刀雙擲開關12的Φ I端與從運放電容9的第一端及從運算放大器7的輔助輸入端連接，從運放電容9的第二端與主運放電容10的第二端連接，主運放電容10的第一端與第二單刀雙擲開關12的Φ2端及主運算放大器6的輔助輸入端連接。本發明實施例中，自穩零電路的主要是通過引入從運算放大器7，使信號路徑變為兩條，主運算放大器6始終未曾斷開過，所以信號可以通過主運算放大器6保持連續放大；同時由于主運算放大器6信號路徑并沒有進行采樣，開關或調制引入的非理想因素對帶寬的限制主要體現在從運算放大器7上，從而使得主運算放大器6依舊能保持適中的速度。由于主運算放大器6及從運算放大器7具有失調電壓，主運算放大器6及從運算放大器7輔助輸入端的功能是將對應電容上存儲的失調電壓通過輔助輸入端反饋回對應的運放，從而消除失調。具體地:所述二極管紅外探測器I包括六個串接的二極管，即一個二極管的陰極端與另一個二極管的陽極端連接，二極管紅外探測器I的正端即對應外端部二極管的陽極端，二極管紅外探測器I的負端即對應另一外端部二極管的陰極；二極管紅外探測器I采用六個二極管串聯組成，能增大對紅外信號的探測靈敏度，在制作二極管時，在二極管結構下方進行鏤空，以實現熱隔離。為了能確保二極管紅外探測器I及自穩零電路的工作，本發明實施例中，二極管紅外探測器I的正端與8.4V的電壓連接，且所述二極管紅外探測器I的正端及8.4V電壓與第一降壓穩壓器3、第二降壓穩壓器4連接。進一步地，本發明實施例中，所述從運放電容9及主運放電容10的第二端與第二降壓穩壓器4的輸出端連接，所述第二降壓穩壓器4的輸入端與二極管紅外探測器2的正端連接。第二降壓穩壓器4能夠將8.4V的電壓降低至1.7V輸出。所述主運算放大器6的電源端及從運算放大器7的電源端均與第一降壓穩壓器3的輸出端連接，所述第一降壓穩壓器3的輸入端與二極管紅外探測器I的正端連接。第一降壓穩壓器3能夠將8.4V的電壓降低至6.7V輸出，以提供主運算放大器6及從運算放大器7的工作電壓。所述晶體管2采用單個NMOS管或共源共柵電路，所述晶體管2的柵極端與調節電壓Vc連接，所述調節電壓Vc的取值與具體制造工藝有關。所述第一降壓穩壓器3為低壓差線性穩壓器。所述第二降壓穩壓器4為開關型線性穩壓器。所述從運放電容9為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容。所述主運放電容10為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容；從運放電容9及主運放電容10能用于存儲偏移電壓及低頻噪聲。所述第一反饋電阻5及第二反饋電阻11為阱電阻、多晶電阻、金屬電阻或外接電阻；通過設置第一反饋電阻5及第二反饋電阻11能夠確定自穩零電路的放大倍數。第一單刀雙擲開關8與第二單刀雙擲開關12的結構相同，本發明以第一單刀雙擲開關8為例進行說明。其中，第一單刀雙擲開關8內包括兩組CMOS開關，所述兩組CMOS開關輸入端相同，輸出端分別與Φ1端和Φ2端連接，當開關控制信號處于Φ1相位時，單刀雙擲開關接通Φ1端，當開關控制信號處于Φ2相位時，單刀雙擲開關接通Φ2端；每組CMOS開關內對應的第一 CMOS開關與第二 CMOS開關分別由正相和反相時鐘控制。CMOS開關采用工藝所允許的最小尺寸制造形成，以減小開關所帶來的時鐘饋通和溝道電荷注入效應。主運算放大器6為差分輸入，單端輸出放大器，在傳統的折疊式共源共柵運放基礎上加上輔助輸入端，主輸入端和輔助輸入端是由兩個差分對構成的跨導器，共用共源共柵輸出級。從運算放大器7為差分輸入，單端輸出放大器，在傳統的折疊式共源共柵運放基礎上加上輔助輸入端，主輸入端和輔助輸入端是由兩個差分對構成的跨導器，共用共源共柵輸出級。主運算放大器6的同相端及從運算放大器7的同相端與電壓Vb相連，所述電壓Vb 一般取(6.7V-1.7V) /2，即運算放大器工作電壓的一半。如圖2所示:二極管探測器I接收紅外信號，紅外信號經六個串聯的二極管轉換為電信號，所述電信號經自穩零電路進行放大后輸出。從運算放大器7的自身偏移電壓通過輔助輸入端進行校零，同時，從運算放大器7輸出一個修正電壓到主運算放大器6的輔助輸入端，強制主運算放大器6的兩輸入端電壓相等，從而消除主運算放大器的偏移電壓與低頻噪聲。結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，并通過第一降壓穩壓器3及第二降壓穩壓器4將讀出電路與探測器進行集成，適應范圍廣，安全可靠。
權利要求
1.一種具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:包括與二極管紅外探測器(I)的負端連接的晶體管(2)，所述晶體管(2)的漏極端與二極管紅外探測器(I)的負端連接，晶體管(2)的源極端接地；所述晶體管(2)的漏極端還與自穩零點路連接，所述自穩零點路包括主運算放大器(6 )及從運算放大器(7 )，所述主運算放大器(6 )的反相端與第一反饋電阻(5)的一端及第二反饋電阻(11)的一端連接，且主運算放大器(6)的反相端與第一單刀雙擲開關(8)的Φ2端連接，第一反饋電阻(5)的另一端與晶體管(2)的漏極端連接，第二反饋電阻(11)的另一端與主運算放大器(6)的輸出端連接； 主運算放大器(6)的同相端與第一單刀雙擲開關(8)的Φ I端及從運算放大器(7)的同相端連接，第一單刀雙擲開關(8)的單端與從運算放大器(7)的反相端連接；從運算放大器(7)的輸出端與第二單刀雙擲開關(12)的單端連接，第二單刀雙擲開關(12)的Φ I端與從運放電容(9 )的第一端及從運算放大器(7 )的輔助輸入端連接，從運放電容(9 )的第二端與主運放電容(10)的第二端連接，主運放電容(10)的第一端與第二單刀雙擲開關(12)的Φ2端及主運算放大器(6)的輔助輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述從運放電容(9)及主運放電容(10)的第二端與第二降壓穩壓器(4)的輸出端連接，所述第二降壓穩壓器(4)的輸入端與二極管紅外探測器(2)的正端連接。
3.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述主運算放大器(6)的電源端及從運算放大器(7)的電源端均與第一降壓穩壓器(3)的輸出端連接，所述第一降壓穩壓器(3)的輸入端與二極管紅外探測器(I)的正端連接。
4.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述二極管紅外探測器(I)包括六個串接的二極管。
5.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述晶體管(2 )采用單個MOS管或共源共柵電路。
6.根據權利要求3所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述第一降壓穩壓器(3)為低壓差線性穩壓器。
7.根據權利要求2所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述第二降壓穩壓器(4)為開關型線性穩壓器。
8.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述從運放電容(9)為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容。
9.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述主運放電容(10)為多晶硅電容、金屬電容、MOS電容或外接電容。
10.根據權利要求1所述的具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其特征是:所述第一反饋電阻(5)及第二反饋電阻(11)為阱電阻、多晶電阻、金屬電阻或外接電阻。
全文摘要
本發明涉及一種具有自穩零點路的二極管紅外探測器讀出電路，其包括晶體管；晶體管的漏極端還與自穩零點路連接，自穩零點路包括主運算放大器及從運算放大器；主運算放大器的同相端與第一單刀雙擲開關的Φ1端及從運算放大器的同相端連接；從運算放大器的輸出端與第二單刀雙擲開關的單端連接，第二單刀雙擲開關的Φ1端與從運放電容的第一端及從運算放大器的輔助輸入端連接，從運放電容的第二端與主運放電容的第二端連接，主運放電容的第一端與第二單刀雙擲開關的Φ2端及主運算放大器的輔助輸入端連接。本發明能有效克服二極管紅外探測器導通壓降大的問題，消除便宜電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，動態范圍大，安全可靠。
文檔編號G01J5/10GK103162842SQ20131011415
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者黃卓磊, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯網研究發展中心