[发明专利]一种红外焦平面读出电路及其方法

说明书

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160×120、320×240，扩大到640×480，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。