一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路，該電路為CTIA讀出電路，輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線，電流鏡調節端設計有粗調和微調兩個調節端口；積分電路中，積分電容由三個電容并聯組成的多級放大結構；輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關控制的低功耗N管跟隨結構。本發明的優點在于：電路輸入端采用電流鏡方式降低了探測器工藝制作的復雜性；輸入端設計有粗調和微調兩個調節端口既擴大了電路對非致冷紅外探測器工作電流的適用范圍又能精確調節系統的工作狀態；電路的功耗低，放大倍數多級可調，采用亞微米CMOS工藝制造的重復性好。
【專利說明】-種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路
【技術領域】
[0001] 本發明涉及紅外探測器讀出電路領域，尤其是涉及一種線列非制冷紅外探測器 CMOS讀出電路設計。
【背景技術】
[0002] 非制冷紅外探測技術是今后紅外技術發展的一個重要方向，特別是非制冷技術的 發展使紅外熱攝像技術擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防范、醫療、衛生、海上救 援、艦船駕駛員用夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域，其原理是溫度變化引起載流子濃度 和遷移率的變化，從而表現出電阻變化的信號形式，由此來測量熱福射，一般采用電流偏置 方式，通過讀出非制冷紅外探測器兩端的電壓信號變化，得出探測器的電阻變化，從而反映 出紅外福射量的不同而成像，其中讀出電路是非致冷紅外探測器組件的重要組成部分。
[0003] 目前國內外已開展了該方面的工作，但在實際應用中許多方面還有待進一步完 善。2014年4月18日呂堅等人公布的CN103900722A專利介紹了一種非制冷紅外焦平面陣 列讀出電路，包括探測器電路、跟隨電路、減法電路、積分電路等部分，電路結構本身復雜， 且需要設計與之對應的盲元探測器來設計讀出電路，增加了非制冷紅外探測器工藝的復雜 性，本發明采用的電流鏡輸入方式，克服了需要設計與之一一對應的盲元探測器，大大降低 了非制冷紅外探測器工藝制作的復雜性。利用電流鏡布局在線列電路的左右兩端和采用低 功耗的跟隨管，有效地提高了電路的線性度、功耗等指標。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種電流鏡方式的線列非制冷紅外探測器CMOS讀出電 路，提高非制冷紅外探測器讀出電路的設計水平。
[0005] 本發明設計的一種基于電流鏡方式的高性能非致冷紅外探測器160線列讀出電 路，可滿足IOKQ?IOOKQ阻值非制冷紅外探測器信號讀出的需要，具有放大倍數多級可 調功能，適合不同響應率探測器的信號讀出。其電路的單元結構如圖1所示，包括電流鏡模 式的輸入級，差分放大器的CTIA，CDS+N跟隨、輸出P跟隨。圖2是輸入級的電流鏡，醒5和 醒1構成粗調的輸入級電流鏡，NM4和醒2構成微調的輸入級電流鏡。va、Vb分別為粗調、 微調外端口。res為積分開關，電平高時為積分狀態，電平低時為關斷狀態，bolometer部分 為非制冷紅外探測器的位置。圖3為CTIA結構，CUC2、C3為H個積分電容，其中Cl為基 準電容，C2、C3分別由SeIectl、selects控制。放大器采用差分放大器，in和out端接積 分電容，差分輸入的另一輸入端接ref，ref端的電壓必需大于N管的闊值電壓才能使電路 正常工作。圖4為低功耗的CDSN跟隨，C6、口為采樣電容，sha、S化與Shaf、Shbf為互補 脈沖，控制信號的采樣。COl接移位寄存器的輸出端口，使線列輸出信號按順序讀出。
[0006] 其特征在于；該電路采用電流鏡輸入方式的讀出電路結構，無需傳統的與響應元 一一對應的盲元探測器設計，可有降低探測器工藝的復雜性；輸入端粗調的設置，能擴大電 路對非制冷紅外探測器偏置電流的適用范圍，微調端口的設置能精確設置系統的最佳工作 狀態；在畫版圖時電流鏡地線采用寬度大于100微米的金屬線且左右兩端都設置電流鏡， 能有效地降低系統的非均勻性，其160線列電路的非線性小于1% ;H個積分電容的設置可 W使電路具有較大的適應性，滿足不同探測器靈敏度要求；采用先N跟隨，后P跟隨的輸出 結構能有效地增大電路的輸出擺幅。
[0007] 本發明的優點如下：
[0008] 1.電路輸入端采用電流鏡方式，無需傳統的與響應元一一對應的盲元探測器設 計，大大降低了探測器工藝制作的復雜性。
[0009] 2.輸入端設計有粗調和微調兩個調節端口；既擴大了電路對非致冷紅外探測器 工作電流的適用范圍，又能精確調節系統的工作狀態。
[0010] 3.電流鏡布局在線列電路的左右兩端，在畫版圖時地線采用寬度大于100微米的 金屬線，電路的非線性能得到有效地改善，其線列160電路的非線性小于1%;
[0011] 4.積分電容由10pF、2化F、20pFH個電容組成，可組合成多級放大倍數，使電路能 適應不同非制冷探測器響應率的要求。
[001引 5.利用低功耗的跟隨管設計，采用先N跟隨，后P跟隨，既降低了電路的功耗，又增 加了電路的擺幅。
[0013] 6.非制冷紅外探測器讀出電路設計采用標準的亞微米CMOS工藝制造而成，保證 了芯片制造的可重復性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路單元結構圖。
[0015] 圖2電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路電流鏡部分結構圖。
[0016] 圖3電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路CTIA部分結構圖。
[0017] 圖4電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路低功耗的CDSN跟隨結構圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明：
[0019] 實施方式1
[0020] 此發明采用輸入端為電流鏡方式來設計非制冷紅外探測器線列讀出電路，其單元 結構圖如圖1所示，Vbias為加在非制冷探測器炬〇1〇)上的電壓，該電壓可W根據非制冷 探測器電阻的大小做適當的調整，當非制冷探測器電阻在50KQ時，Vbias可設定為5V，當 非制冷探測器電阻小于20KQ時，Vbias可根據情況調低，但最低不能小于3V，否則會導 致差分放大器輸入端的電壓太低而無法使電路正常工作；反之，但非制冷探測器電阻大于 IOOKQ時，Vbias可根據情況調高，但最高不能超過7V，否則將影響電路的可靠性壽命等性 能。ref為差分放大器輸入參考電壓，此電壓為CTIA積分時的起始電壓，一般設定為IV，最 低不能低于N管的闊值電壓，否則會在信號的低端出現失真。Ci為積分電容，可W根據非制 冷紅外探測器響應率的大小進行選擇；為使線列的探測器信號能順序讀出，需在CTIA的輸 出端加入CDSN跟隨，后面再連接P跟隨。實施方式2
[0021] 該電路在輸入端采用電流鏡方式，其電流鏡方式的電路結構如圖2所示，由于NM4 的寬長比是NM5的10倍，所WNM5和NMl構成粗調控制的輸入級電流鏡，NM4和NM2構成 微調控制的輸入級電流鏡，va、Vb分別為粗調、微調外端口。res為積分開關，電平高時處 于積分狀態，電平低時處于關斷狀態，NM3的漏極（上端）接非制冷紅外探測器。在畫版圖 時，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，地線采用寬度大于100微米的金屬線。采用該方法 設計的線列160電路其非線性度小于1%。
[0022] 電流鏡部分的管子參考尺寸如下表所示（單位為微米）。
[0023]
【權利要求】
1. 一種電流鏡方式的非制冷紅外探測器讀出電路，所述的讀出電路為CTIA讀出電路， 包括輸入電路、積分電路、輸出電路，其特征在于： 所述的輸入電路采用電流鏡方式，電流鏡布局在線列電路的左右兩端，電流鏡地線采 用寬度大于1〇〇微米的金屬線，電流鏡調節端設計有粗調和微調兩個調節端口； 所述的積分電路中，積分電容由三個電容并聯組成的多級放大結構； 所述的輸出電路中，電路CDS輸出端采用由開關控制的低功耗N管跟隨結構。
【文檔編號】G01J5/24GK104359562SQ201410546324
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】袁紅輝, 陳永平, 陳世軍, 翟厚明 申請人:中國科學院上海技術物理研究所