[发明专利]红外焦平面阵列及其读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及微电子及光电子技术领域，尤其涉及一种红外焦平面阵列(infrared focal plane array)读出电路(readout integrated circuit)，还特别涉及一种具有该读出电路的红外焦平面阵列。

背景技术

红外成像技术在军事、工农业、医学、天文等领域有着重要的应用。作为红外成像技术核心的红外焦平面阵列包括红外探测器阵列和读出电路两部分。探测器阵列的作用是实现光电转换，读出电路的作用则是完成像素信号的处理和读出。其中，读出电路对红外成像系统的性能有重要影响。

现有的红外焦平面阵列读出电路如图1所示，包括像素读出阵列I11、列读出缓冲级I12、输出开关I13、输出缓冲级I14和行、列控制信号产生逻辑(图中未示出)，其中OUT为输出节点。红外焦平面阵列读出电路的基本功能是进行红外探测器信号的转换、放大以及传输。模拟输出级电路是与红外探测器阵列的接口电路，其性能好坏直接影响整个读出电路。其中，像素读出阵列I11是红外探测器阵列与读出电路的接口，完成探测器偏置、信号积分等功能；列读出缓冲级I12为单位增益接法的运算放大器，完成将积分放大信号传输到输出缓冲级I14的作用；开关I13大多由互补MOS管构成，控制列信号串行输出到输出缓冲级；输出缓冲级I14通常也是单位增益接法的运算放大器，完成对信号的最终输出。通常列读出缓冲级I12采用一级运放结构，而输出缓冲级I14由于需要驱动电阻负载，因此通常采用两级结构。

读出电路按照先积分后读出的顺序工作，即像素读出阵列I11以行为单位顺序对光电流积分，一行积分完毕后，在列选信号的控制下，每列的积分信号依次通过列读出缓冲级I12和输出缓冲级I14读出。读出电路的像素信号传输速率是由每列信号的读出延迟制约的。每列信号的读出延迟T_delay可由下式估算：

T_delay≈T_slew+T_{col_amp}+T_buffer

其中，T_slew为大信号建立时间，通常由列读出缓冲级I12和输出缓冲级I14中大信号建立时间较长的一个决定。T_{col_amp}和T_buffer分别代表列读出缓冲级I12和输出缓冲级I14的小信号建立时间，他们由各自的增益带宽积决定。为了保证信号精确输出，每个列周期必须大于列信号的读出延迟。

近年来，红外焦平面阵列组件规模的不断扩大，每帧图像包含的像素增加，在帧速不变的条件下，读出电路对像素读出的速率要求越来越高。虽然可以使用多通道并行工作的方法增大读出速率，但其代价是增加额外的列读出缓冲级和输出缓冲级，因而增加了功耗、面积和电路的复杂度。而红外焦平面阵列读出电路既要具有高的工作性能，又要具有低的功耗指标，因此随着红外焦平面阵列组件规模的扩大，其读出电路主要由列读出缓冲级和输出缓冲级组成的模拟输出缓冲级结构亟待改进。

另外，在上述现有的读出电路中，还额外加入了列读出缓冲级I12的噪声，这在低噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference，简称NETD)红外成像芯片设计中是不可取的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外焦平面阵列读出电路，以解决现有技术存在的高工作性能和低功耗、低复杂度难以兼具的问题。

本发明的另一目的在于提供一种红外焦平面阵列，以解决其读出电路高工作性能和低功耗、低复杂度难以兼具的问题。

为了实现上述目的之一，本发明提供的红外焦平面阵列读出电路包括输出节点、N+1个放大器、N+1个第一级开关和列控制信号产生模块，其中，还包括M+1个输出总线、M+1个第一级模拟输出缓冲器(buffer)，所述N+1个放大器均分为M+1组，每组放大器之一分别通过一个所述第一级开关连接于每一输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输入端分别连接于所述M+1个输出总线，所述M+1个第一级模拟输出缓冲器的输出端分别通过一第二级开关和所述输出节点连接；其中，所述第一级开关、第二级开关的控制信号由所述列控制信号产生逻辑产生，且M、N为自然数，N+1是M+1的整数倍。

根据上述红外焦平面阵列读出电路的一种优选实施方式，其中，所述N+1个放大器的输入端和反相输入端之间分别连接一电容组成N+1个积分器。