专利名称：一种读出电路逐点偏压的控制方法及其dac结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对无TEC的非制冷红外焦平面阵列的像素单元进行逐点偏压控制的方法和其中的DAC结构。
背景技术：
任何温度高于绝对零度的物体，其内部都会发生分子热运动，从而产生波长不等的红外辐射，红外辐射强度和波长直接与物体表面温度有关，利用物体可以辐射红外的这种特性可以对物体进行探测。红外焦平面阵列探测器是一种可探测目标红外辐射的探测器，通过光电转换、电信号处理等手段将目标物体的温度分布转换成视频图像，是一种集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。其具有抗干扰能力强、隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点，在军事和民用领域获得了广泛的应用。微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列探测器。其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数 (TCR)的热敏材料，桥面由两条具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电学上连接到微测辐射热计FPA下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。经过多年的发展和技术进步，非制冷红外焦平面阵列探测器已在噪声上满足使用需要，人们在非制冷红外探测器性能、图像质量、稳定性、功耗、体积和成本上都有了更高的要求，未来非制冷红外探测器的趋势为进一步缩小体积、减小像元尺寸、增大分辨率、提高成像质量、降低功耗和成本。然而面积和功耗都是限制非制冷红外焦平面阵列探测器应用的主要因素之一，引起其体积和功耗增加的一个重要原因是温度稳定装置的使用。通常非制冷红外焦平面阵列使用热电制冷器(TEC)来稳定其工作温度，而TEC本身具有一定体积同时具有较高的功耗。所以人们尝试了去除热电制冷器的焦平面阵列来实现面积小功耗低的探测器，然而去除TEC后，由于像元接受红外辐射后温度会升高，衬底温度的变化会给焦平面阵列带来极大的非均勻性，影响成像效果。但是人们发现通过给像元施加脉冲偏压法对无TEC的非制冷焦平面探测器的非均勻性可以很好的进行校正。具体方法如下在每列的积分通道上集成一个M0SFET，在对某行进行积分前，由温度传感器测得的关于外界温度变化所对应的校正数据在列选信号的控制下逐个输入各列通道中的DAC中并转换为模拟信号施加在相应的MOSFET的栅极上，在积分期间为各像元提供相应的偏压补偿，从而完成非均勻性校正。然而对去除TEC的非制冷红外焦平面阵列读出电路进行逐点偏压校正，通常采取逐行积分，逐列读出信号，因此要实现逐点偏压校正，需要在每行的列积分通道上都集成一个DAC，如果DAC的输入码字总位数多的情况下，读出电路芯片面积会比较大，功耗也大。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种在解决非均勻性校正功能的基础上实现面积更�。母停雀叩亩脸龅缏分鸬闫沟目刂品椒捌銬AC 结构，提高非制冷红外探测器的性能。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种读出电路逐点偏压的控制方法，包括如下步骤
①在黑体和恒温箱环境中对各个设定温度点下探测阵列各个像元的校正数据进行标定并存储；
②收到启动信号后，由温度传感器检测当前阵列衬底温度值并进行转换处理，读出相应的校正数据；
③对第一行进行积分放大，在积分之前，第一行的校正数据经过串并转换后在列选信号的控制下依次送入各列校正数据寄存器中，整行像元的校正数据加载完成后，对该行各探测元信号进行积分放大，采样保持的操作；
④所述校正数据读入寄存器组中并储存后，在所有列通道中只集成DAC中的译码网络 decoder部分，而多个译码网络decoder部分共用一电阻串，通过译码网络decoder转换为模拟信号后施加在MOSFET的栅极上积分期间为各像元提供偏压；
⑤然后对第一行各列的信号逐列读出；
⑥读出结束后，各列校正数据寄存器开始复位，并将对第二行重复步骤③到⑤的操作， 如此往复，逐点偏置，逐行积分，逐列读出信号的方式，直至最后一行探测元信号读出，一帧结束，下一帧开始前重新检测当前阵列衬底温度值，重复上述操作。进一步地，所述译码网络decoder为电压按比例缩放式DAC中的译码网络 decoder。一种读出电路逐点偏压控制方法中的DAC结构，其在正基准电压和负基准电压之间连接2N个串联成的电阻串，其中N为DAC的位数，将相邻两个电阻之间构成的2N-1个分压连接到数个与DAC中的译码网络decoder部分相同的译码网络decoder上，最终通过校正数据控制只把2N-1个分压中的一个通过译码网络decoder的输出连接到MOSFET的栅极上。进一步地，所述译码网络decoder为电压按比例缩放式DAC中的译码网络 decoder。与现有技术相比，本发明具有以下优点
1、本发明提出一种新型的单点偏置DAC的电路结构，即所有列级通道中只集成DAC中的decoder部分，而电阻串为所有列通道共用。该方案能很好的完成对各像元的单点偏压控制，使得焦平面阵列上的每个探测元在一定的温度范围内输出信号相等，从而使红外焦平面阵列可以在没有热电制冷器的情况下正常工作。在积分期间，各个DAC工作互不影响， 在实现单点偏置的同时减少了芯片面积和功耗，提高了精度，从而实现了低功耗低共用，这样N个DAC共用一组电阻分压的形式(N为焦平面阵列的列)相对于传统的每列集成一个完整的DAC来说减少了 N-I组分压电阻，极大的减小了芯片面积降低功耗，尤其在焦平面阵列列数多，DAC精度高的情况下。2、共用电阻的结构，使得芯片上电阻的热功率大大减�。苟脸龅缏犯游榷�。更适应于未来非制冷红外探测器进一步缩小体积、减小像元尺寸、增大分辨率、提高成像质量、降低功耗和成本。
图1所示为逐点偏压读出电路流程图； 图2所示为逐点偏压控制DAC结构；
图3所示为DAC的decoder部分。
具体实施例方式下面结合附图以及实例对本发明做进一步说明；
首先构造一种针对红外焦平面阵列像元进行逐点偏压控制的方法，焦平面阵列像素单元使用悬臂梁微桥结构，像素单元信号通过桥腿、桥墩提供的电学通道连接到读出电路的行选通电路上，由于像素接受红外辐射时自身温度会升高，造成焦平面阵列的非均勻性，影响成像效果，通过在焦平面探测元的表面集成M0SFET，由温度传感器测得的衬底温度变化所对应的校正数据在列选信号控制下逐个输入各列通道中DAC的decoder输入端并转化为模拟信号施加在MOSFET的栅极上，在积分期间各探测元施加对应偏压，完成对各个像元的逐点偏压控制，使得焦平面阵列上的每个探测元在一定的温度范围内输出信号相等，从而使红外焦平面阵列可以在没有热电制冷器的情况下正常工作减少了非制冷红外探测器的面积和功耗。图1所示为逐点偏压的读出电路的流程图，M表示阵列的行数，首先在黑体和恒温箱环境中对各个设定温度点下探测阵列各个像元的校正数据进行标定并存储，收到启动信号后，由温度传感器检测当前阵列衬底温度值并进行一系列的转换处理，读出相应的校正数据。校正数据经过寄存器的储存和并串转换后，串行输入到读出电路的偏置校正电路上， 首先，对第一行进行积分放大，在积分之前，第一行的校正数据经过串并转换后在列选信号的控制下依次送入各列校正数据寄存器中，整行像元的校正数据加载完成后，对该行各探测元信号进行积分放大，采样保持等操作。然后对第一行各列的信号逐列读出，读出结束后，各列校正数据寄存器开始复位，并将对第二行重复上述操作，如此往复，逐点偏置，逐行积分，逐列读出信号的方式，直至最后一行探测元信号读出，一帧结束，下一帧开始前重新检测当前阵列衬底温度值，重复上述操作。校正数据读入寄存器组中并储存后，通过DAC转换为模拟信号施加在MOSFET的栅极上积分期间为各像元提供偏压。由于非制冷红外焦平面阵列读出电路逐行积分，逐列读出的方式，所以读出电路的每列都需要集成一个积分通道，为实现在积分期间对各像元进行逐点偏置的功能，每列的积分通道都需要集成一个DAC。本发明提出一种新型的逐点偏压DAC电路结构，如图2所示，采用电阻分压式DAC，其中所有列通道中只集成DAC中的 decoder部分，而电阻串为所有列通道共用。以4bitDAC为例，15个等值的电阻R和2个R/2电阻串联而成，将基准电压 VEefP-VEefN值转换成一组16个电压值，它们可根据输入码字被译码成单个模拟输出电压，其上译码网络decoder只是把V1……V15中的任意一个和Vqut相连。如图2，校正数据输入decoder的输入端，即图3所示的D3D2D1D0D3BD2BD1BD0B端口，(图3为DAC的decoder 电路图)，转化的模拟信号Vqut为通道中的MOSFET提供栅偏压，也即电阻串把VKefP-VKefN分成Vtl, V1……V15后，校正数据控制只把Vtl，V1……V15中的一个通过decoder的Vqut连接到 MOSFET 的栅极上，(例如输入校正数据为 1101，则 D3=I、D2=1 ,D1=CKDci=I,1)0=0,04=0,0^=1、 D0B=O, Vout在decoder内部与V14相连，外部与MOSFET栅极相连)，所以电阻串与decode没有形成电流回路，因此在连接多个decode的情况下也不会影响电阻分压，即Vtl，V1……V15 几乎不会发生变化，也就不会影响DAC的性能，也就是说在多个decoder共用一组电阻串分压的情况下，能达到与各列集成一个完整的DAC有相同的性能。反而能大大减小芯片的面积，降低功耗，提高精度，减小电阻热功率，使红外焦平面阵列更具稳定性。
各列decoder的Vqut输入到积分通道中MOSFET的栅极上在积分期间为各像元提供偏压，完成逐点偏压控制。
权利要求
1.1. 一种读出电路逐点偏压的控制方法，包括如下步骤①在黑体和恒温箱环境中对各个设定温度点下探测阵列各个像元的校正数据进行标定并存储；②收到启动信号后，由温度传感器检测当前阵列衬底温度值并进行转换处理，读出相应的校正数据；③对第一行进行积分放大，在积分之前，第一行的校正数据经过串并转换后在列选信号的控制下依次送入各列校正数据寄存器中，整行像元的校正数据加载完成后，对该行各探测元信号进行积分放大，采样保持的操作；其特征在于，还包括如下步骤④所述校正数据读入寄存器组中并储存后，在所有列通道中只集成DAC中的译码网络 decoder部分，而多个译码网络decoder部分共用一电阻串，通过译码网络decoder转换为模拟信号后施加在MOSFET的栅极上，积分期间为各像元提供偏压；⑤然后对第一行各列的信号逐列读出；⑥读出结束后，各列校正数据寄存器开始复位，并将对第二行重复步骤③到⑤的操作， 如此往复，逐点偏置，逐行积分，逐列读出信号的方式，直至最后一行探测元信号读出，一帧结束，下一帧开始前重新检测当前阵列衬底温度值，重复上述操作。
2.根据权利要求1所述的一种读出电路逐点偏压的控制方法，其特征在于所述译码网络decoder为电压按比例缩放式DAC中的译码网络decoder。
3.—种权利要求1所述的读出电路逐点偏压控制方法中的DAC结构，其特征在于在正基准电压和负基准电压之间连接2N个串联成的电阻串，其中N为DAC的位数，将相邻两个电阻之间构成的2N-1个分压连接到数个与DAC中的译码网络decoder部分相同的译码网络decoder上，最终通过校正数据控制只把2N_1个分压中的一个通过译码网络decoder的输出连接到MOSFET的栅极上。
4.根据权利要求3所述的读出电路逐点偏压控制方法中的DAC结构，其特征在于所述译码网络decoder为电压按比例缩放式DAC中的译码网络decoder。
全文摘要
本发明公开了一种读出电路逐点偏压的控制方法及其DAC结构，其中DAC结构包括在正基准电压和负基准电压之间连接2-N个串联成的电阻串，其中N为DAC的位数，将相邻两个电阻之间构成的2-N-1个分压连接到数个与DAC中的译码网络decoder部分相同的译码网络decoder上，最终通过校正数据控制只把2-N-1个分压中的一个通过译码网络decoder的输出连接到MOSFET的栅极上。本发明在解决非均匀性校正功能的基础上实现面积更�。母停雀撸岣叻侵评浜焱馓讲馄鞯男阅�。
文档编号G01J5/10GK102494780SQ20111041764
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者于彩灯, 吕坚, 周云, 王洪, 蒋亚东 申请人:电子科技大学
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