一種紅外焦平面陣列及其讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了提供了一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括比較器、偏置電路、線性斜波發(fā)生器、鎖存器和非線性補償計數(shù)器，該非線性補償計數(shù)器對不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)，其中該不等周期計數(shù)時鐘序列包括至少兩個計數(shù)時鐘子序列，并且各計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期不同。本發(fā)明的實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，用非線性補償計數(shù)器，可有效的對數(shù)字輸出與目標溫度的非線性進行補償，消除由非線性輻射引起的輸出非線性，提高電壓響應率的線性度，擴展線性溫度響應范圍。而且，這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非線性補償計數(shù)器具有起始時間可調(diào)的功能，提高了數(shù)字碼的有效使用率，提高了有效分辨率。
【專利說明】一種紅外焦平面陣列及其讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非制冷紅外焦平面陣列探測器領(lǐng)域，尤其是涉及一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其紅外焦平面陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)、紅外焦平面技術(shù)以及數(shù)字集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸意識到將紅外焦平面的模擬輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出，可以提高信號在傳輸過程中的抗干擾能力，提高信號的信噪比，同時這也是第三代紅外焦平面技術(shù)不斷小型化、不斷提高集成度的發(fā)展趨勢。
[0003]紅外焦平面片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)技術(shù)是實現(xiàn)將紅外焦平面模擬信號輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出的一項非常關(guān)鍵的技術(shù)，讀出電路的片上ADC是紅外焦平面讀出電路數(shù)字化中非常關(guān)鍵的器件，對于紅外焦平面數(shù)字化后的最終性能起著決定性的影響。ADC的種類和架構(gòu)比較多，使得讀出電路的設計過程中往往遇到多種選擇。
[0004]非制冷紅外焦平面探測器在室溫下工作，具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等優(yōu)點，被廣泛應用于軍事和民用領(lǐng)域。其在使用時希望通過讀出電路獲得較大的溫度響應范圍以及具有良好線性度的電壓響應率，并且大部分后續(xù)的非均勻性校正算法都是在假定探測單元對目標溫度的響應特性為線性的基礎上進行的。而通過改變?nèi)肷浜隗w輻射考察響應率與入射輻射的關(guān)系，得到紅外探測器輸出電壓與輻射到光敏元上的輻射通量呈現(xiàn)出不可忽視的非線性關(guān)系。
[0005]由普朗克定律以及目標溫度變化引起探測器敏感單元溫度變化的關(guān)系可知，敏感單元溫度隨目標溫度是呈非線性變化的，而非線性的輻射使偏置電路產(chǎn)生電壓響應也是非線性的，則目標溫度使模擬輸出呈非線性變化，經(jīng)過傳統(tǒng)讀出電路ADC對敏感單元感受到的紅外輻射進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字輸出與目標溫度也呈非線性。所以研究一種具有非線性輻射補償功能的非制冷紅外焦平面讀出電路的片上ADC具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的之一是提供一種具有非線性輻射補償功能的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其紅外焦平面陣列，以實現(xiàn)讀出電路輸出信號的線性化。
[0007]本發(fā)明實施例公開的技術(shù)方案包括:
提供了一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括:比較器，所述比較器包括同相輸入端、反相輸入端和輸出端；偏置電路，所述偏置電路的輸出端連接到所述比較器的所述反相輸入端；線性斜波發(fā)生器，所述線性斜波發(fā)生器的輸出端連接到所述比較器的所說同相輸入端；鎖存器，所述鎖存器包括控制輸入端和鎖存數(shù)據(jù)輸入端，所述比較器的輸出端連接到所述鎖存器的所述控制輸入端；非線性補償計數(shù)器，所述非線性補償計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端連接到所述鎖存器的所述鎖存數(shù)據(jù)輸入端；所述非線性補償計數(shù)器對不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)并輸出計數(shù)數(shù)據(jù)到所述鎖存器；其中所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括至少兩個計數(shù)時鐘子序列，并且其中至少一個計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期與其余計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期不同。
[0008]本發(fā)明一個實施例中，所述非線性補償計數(shù)器包括:基本時鐘；不等周期時鐘生成器，所述基本時鐘的輸出端連接到所述不等周期時鐘生成器的輸入端，并且所述不等周期時鐘生成器根據(jù)所述基本時鐘提供的時鐘信號生成所述不等周期計數(shù)時鐘序列；計數(shù)器，所述不等周期時鐘生成器的輸出端連接到所述計數(shù)器的計數(shù)時鐘輸入端，所述計數(shù)器的輸出端即為所述非線性補償計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端；其中所述計數(shù)器對所述不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)。
[0009]本發(fā)明一個實施例中，所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括一個初始時鐘子序列和至少兩個計數(shù)時鐘子序列。
[0010]本發(fā)明一個實施例中，所述初始時鐘子序列中的時鐘信號保持為低電平。
[0011]本發(fā)明一個實施例中，所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括m個計數(shù)時鐘子序列，其
中m = 2ri°g2mL「]表示向上取整，μ為滿足max,*; — y/||)< ε ie [O,M]的最
小值，其中為控制因子，F(xiàn)i為線性逼近所述鎖存器的數(shù)字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數(shù)關(guān)系曲線的第i個直線段，Ψ為所述鎖存器的數(shù)字輸出與所述比較器的比較時間
之間的函數(shù)關(guān)系曲線，一#||表示第i個時間段內(nèi)上述兩個函數(shù)的范數(shù)。
[0012]本發(fā)明一個實施例中，每個所述計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘的個數(shù)相同。
[0013]本發(fā)明的實施例中還提供了一種紅外焦平面陣列，包括讀出電路，其特征在于:所述讀出電路包括前文所述的任意一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0014]本發(fā)明的實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，用非線性補償計數(shù)器，可有效的對數(shù)字輸出與目標溫度的非線性進行補償，消除由非線性輻射引起的輸出非線性，提高電壓響應率的線性度，擴展線性溫度響應范圍。而且，這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非線性補償計數(shù)器具有起始時間可調(diào)的功能，提高了數(shù)字碼的有效使用率，提高了有效分辨率。
[0015]本發(fā)明的實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器非常適合在低功耗小體積的紅外探測器中應用，具有極大的市場發(fā)展?jié)摿Α?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出與目標溫度的關(guān)系示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明一個實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出與目標溫度的關(guān)系示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明一個實施例的非線性補償計數(shù)器的時序示意圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面將參考附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
[0022]現(xiàn)有技術(shù)中的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通常包括偏置電路
10、線性斜波發(fā)生器12、比較器15、鎖存器16和計數(shù)器18。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在此不再詳細描述。
[0023]圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，采用了常規(guī)的計數(shù)器18。這個電路中得到的模擬輸出電壓Vout為:
(l)c
[0024]式中，Vkef為參考電壓，Vs為敏感單元偏置電壓，Ib為參比電流；RS(I為敏感單元初始阻值，α為電阻溫度系數(shù)(TCR);tINT為積分時間，Cint為積分電容?？赏ㄟ^泰勒展開化簡為:
α
I
O
SI\
(2)c
mi
[0025]在忽略TCR隨溫度而變化時，可知因紅外焦平面陣列的探測目標的熱輻射是非線性的，則紅外焦平面陣列的電壓響應也是非線性的，隨著目標溫度的升高，焦平面陣列的輸出電壓逐漸升高，且低溫時變化緩慢，高溫時變化迅速，因此表現(xiàn)出低溫物體檢測細節(jié)不清晰,而高溫物體過響應的現(xiàn)象。
[0026]目標溫度變化引起輸出的變化的示意圖如圖2所示。圖2中由(a)到(d)依次為模擬輸出電壓與目標溫度關(guān)系曲線、模擬輸出電壓與比較時間關(guān)系曲線、數(shù)字輸出與比較時間關(guān)系曲線以及數(shù)字輸出與目標溫度關(guān)系曲線。
[0027]由圖2 (a)可以看出，目標溫度使模擬輸出Vrat呈非線性變化。圖2 (b)對應ADC中斜波發(fā)生器對輸出的影響，圖2 (C)對應ADC中計數(shù)器對輸出的影響。
[0028]同時由圖2 (d)可以看出，由于低溫響應較低，從OV到IV左右?guī)缀醪淮嬖陧憫敵鲭妷?，即較低的數(shù)字碼在實際使用中幾乎不被輸出，降低了有效分辨率。
[0029]圖3為本發(fā)明一個實施例的一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實施例中，紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括比較器偏置電路10、線性斜波發(fā)生器12、比較器15、鎖存器16和非線性補償計數(shù)器28。
[0030]比較器15包括同相輸入端、反相輸入端和輸出端，偏置電路10的輸出端連接到比較器的反相輸入端。這里，偏置電路10的具體結(jié)構(gòu)可以與本領(lǐng)域內(nèi)常用的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的偏置電路結(jié)構(gòu)相同，在此不再詳細描述。
[0031]線性斜波發(fā)生器12的輸出端連接到比較器15的同相輸入端。線性斜波發(fā)生器12用于產(chǎn)生線性斜波，其具體結(jié)構(gòu)可以與本領(lǐng)域內(nèi)常用線性斜波發(fā)生器相同，在此不再詳細描述。
[0032]鎖存器16包括控制輸入端和鎖存數(shù)據(jù)輸入端。比較器15的輸出端連接到鎖存器16的控制輸入端。鎖存器的位數(shù)可以為N。這里，N為大于零的整數(shù)。[0033]非線性補償計數(shù)器28的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端連接到鎖存器16的鎖存數(shù)據(jù)輸入端。
[0034]本發(fā)明的實施例中，非線性補償計數(shù)器28對不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)并輸出計數(shù)數(shù)據(jù)到鎖存器15。其中，本發(fā)明的實施例中，該不等周期計數(shù)時鐘序列包括至少兩個計數(shù)時鐘子序列，并且其中至少一個計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期與其余計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期不同。
[0035]本文中，所說的“計數(shù)時鐘序列”是指具有一系列時鐘脈沖信號，其中計數(shù)器對這些時鐘脈沖信號進行計數(shù)；所說的“計數(shù)時鐘子序列”是指該一系列時鐘脈沖信號中的子集或者一部分。
[0036]由圖3可見，線性斜波發(fā)生器12產(chǎn)生的線性輸出斜波Vmp接入比較器15的同相輸入端，偏置電路10產(chǎn)生的與目標溫度成非線性關(guān)系的模擬輸出電壓Vwt接入比較器15的反相輸入端，比較器15在ν_=νΜρ時進行翻轉(zhuǎn)；比較器15的輸出端連接N位鎖存器16，其中N為大于零的整數(shù)，N位鎖存器16在比較器15的控制下輸出N位數(shù)字輸出信號D-。
[0037]本發(fā)明的實施例中，采用了一個非線性補償計數(shù)器28來代替常規(guī)的計數(shù)器。如圖3所示，該非線性補償計數(shù)器28包括基本時鐘282、不等周期時鐘生成器286和計數(shù)器280。
[0038]基本時鐘282的輸出端連接到不等周期時鐘生成器286的輸入端，為不等周期時鐘生成器286提供基本的時鐘信號。這里的基本時鐘282可以是常用的時鐘源，比如晶振
坐坐寸寸ο
[0039]不等周期時鐘生成器286根據(jù)基本時鐘282提供的時鐘信號生成前述的不等周期計數(shù)時鐘序列(下文中詳述)。
[0040]不等周期時鐘生成器286的輸出端連接到計數(shù)器280的計數(shù)時鐘輸入端，這里，該計數(shù)器280的輸出端即為本非線性補償計數(shù)器28的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端。這里，該計數(shù)器280對不等周期時鐘生成器286提供的不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)。本發(fā)明的實施例中，計數(shù)器280可以是常規(guī)的計數(shù)器。
[0041]計數(shù)器280的一個實例的計數(shù)時序圖如圖5所示，其中elk為一個基本時鐘，SP基本時鐘282輸出的時鐘信號，也就是常規(guī)計數(shù)器的計數(shù)時鐘Klktjut為前述的不等周期計數(shù)時鐘序列的實例，也就是非線性補償計數(shù)器28的計數(shù)時鐘的實例。
[0042]下面詳細說明不等周期計數(shù)時鐘序列及其產(chǎn)生過程。
[0043]本發(fā)明實施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中，目標溫度變化引起輸出的變化如圖4所示，下面結(jié)合圖4、圖5對此非線性補償計數(shù)器作進一步具體說明。
[0044]圖4 Ca)為模擬輸出電壓Vwt與目標溫度Tt的關(guān)系，假設二者的函數(shù)關(guān)系為Vau = Ψ$) ’ 圖4 (b)為模擬輸出電壓Vwt與比較時間t的關(guān)系，表示為-t
，為了使圖4(d)中數(shù)字輸出信號Dwt與目標溫度Tt成線性關(guān)系Dout = k2.I；,可以從圖
4 (c)中數(shù)字輸出信號Dwt與比較時間t的關(guān)系著手，求得滿足條件的函數(shù)表達式。求解方法可以如下:
先求出圖4 Ca)中Fcrf =的反函數(shù)，即Tt = ζΡ_1 (T yi),再將圖4 (b)中、圖4 (d)中 ；代入上式，即得到數(shù)字輸出信號Dtjut與比較時間 t 的函數(shù)關(guān)系為
【權(quán)利要求】
1.一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括:比較器，所述比較器包括同相輸入端、反相輸入端和輸出端；偏置電路，所述偏置電路的輸出端連接到所述比較器的所述反相輸入端；線性斜波發(fā)生器，所述線性斜波發(fā)生器的輸出端連接到所述比較器的所說同相輸入端;鎖存器，所述鎖存器包括控制輸入端和鎖存數(shù)據(jù)輸入端，所述比較器的輸出端連接到所述鎖存器的所述控制輸入端；非線性補償計數(shù)器，所述非線性補償計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端連接到所述鎖存器的所述鎖存數(shù)據(jù)輸入端；所述非線性補償計數(shù)器對不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)并輸出計數(shù)數(shù)據(jù)到所述鎖存器；其中所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括至少兩個計數(shù)時鐘子序列，并且其中至少一個計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期與其余計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘周期不同。
2.如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述非線性補償計數(shù)器包括:基本時鐘；不等周期時鐘生成器，所述基本時鐘的輸出端連接到所述不等周期時鐘生成器的輸入端，并且所述不等周期時鐘生成器根據(jù)所述基本時鐘提供的時鐘信號生成所述不等周期計數(shù)時鐘序列；計數(shù)器，所述不等周期時鐘生成器的輸出端連接到所述計數(shù)器的計數(shù)時鐘輸入端，所述計數(shù)器的輸出端即為所述非線性補償計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出端；其中所述計數(shù)器對所述不等周期計數(shù)時鐘序列進行計數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括一個初始時鐘子序列和至少兩個計數(shù)時鐘子序列。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述初始時鐘子序列中的時鐘信號保持為低電平。
5.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述不等周期計數(shù)時鐘序列包括m個計數(shù)時鐘子序列，其中Π1 = 2「log2 jkfI ,「]表示向上取整，M 為滿足max(|% - < ε ie [O5M ]的最小值，其中為控制因子，F(xiàn)i為線性逼近所述鎖存器的數(shù)字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數(shù)關(guān)系曲線的第i個直線段，Ψ為所述鎖存器的數(shù)字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數(shù)關(guān)系曲線，—一|表示第i個時間段內(nèi)函數(shù)的范數(shù)。
6.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:每個所述計數(shù)時鐘子序列中的計數(shù)時鐘的個數(shù)相同。
7.—種紅外焦平面陣列，包括讀出電路，其特征在于:所述讀出電路包括權(quán)利要求1至6中任意一項所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】H03M1/12GK103441763SQ201310361114
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】呂堅, 闕隆成, 劉婷婷, 孟祥笙, 周云 申請人:電子科技大學