阅读说明：本技术 一种具有像元失配校正功能的读出电路 (Reading circuit with pixel mismatch correction function ) 是由 韦良忠 陈黎明 李磊 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有像元失配校正功能的读出电路,构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105,通过各电路模块之间的连接关系,构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路,能够减弱像元失配影响,具有低电路噪声、适应性强的优点,能够实现像元失配校正功能,提高光电检测的精度。(The invention relates to a readout circuit with a pixel mismatch correction function, which is characterized in that a bias circuit module 101, a subtraction circuit module 102, a first current mirror DAC module 103, a second current mirror DAC module 104 and an integral amplification circuit module 105 are constructed, and a final uncooled photoelectric focal plane array readout circuit is constructed through the connection relationship among the circuit modules, so that the pixel mismatch influence can be weakened, the readout circuit has the advantages of low circuit noise and strong adaptability, the pixel mismatch correction function can be realized, and the photoelectric detection precision is improved.)

一种具有像元失配校正功能的读出电路

技术领域

本发明涉及一种具有像元失配校正功能的读出电路，属于非制冷红外焦平面阵列读出电路领域。

背景技术

红外探测是指利用光电等手段检测物体的红外辐射信号并将其转化为电信号的一种技术。微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器利用热敏材料制作微测辐射热计像元，在红外辐射产生温升变化的条件下，从而导致自身的等效电阻改变，进而响应红外探测。微测辐射热计像元采用MEMS工艺制备，然而由于不希望的和不可避免的因素，微测辐射热计像元电阻可能会有很大的差异，产生了像元失配影响，进而出现了电路噪声和非均匀性问题，直接影响到了红外探测器实际工作中所检测信号的准确性，在最坏的情况下，这种非均匀性会使读出电路失效。因此现有技术微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器的检测精度还有待进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有像元失配校正功能的读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种具有像元失配校正功能的读出电路，用于实现像元的红外辐射信号读取，包括偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105；

其中，偏置电路模块101包括dummy像元支路电路、以及探测像元与盲像元支路电路，用于对探测像元和盲像元进行偏置；

减法电路模块102分别接入dummy像元支路电路的输出端、探测像元与盲像元支路电路的输出端，用于针对该两条支路电路的输出进行减法操作；

第一电流镜DAC模块103接入减法电路模块102的输出端，针对减法电路模块102的输出电流预设比例进行缩放；

第二电流镜DAC模块104接入第一电流镜DAC模块103的输出端、以及偏置电路模块101中dummy像元支路电路的输出端，针对所接入电流按预设比例进行缩放；

积分放大电路模块105接入第二电流镜DAC模块104的输出端、以及偏置电路模块101中探测像元与盲像元支路电路的输出端，针对所接入电流进行积分放大，并进行输出，实现像元的红外辐射信号读取。

作为本发明的一种优选技术方案：所述偏置电路模块101中的探测像元与盲像元支路电路中，包括探测像元R_s和盲像元R_b，其中，探测像元R_s的其中一端、盲像元R_b的其中一端分别连接供电电源，探测像元R_s的另一端对接第一MOS晶体管MP1的源端，第一MOS晶体管MP1的栅端分别对接第二MOS晶体管MP2的栅端、第三MOS晶体管MP3的栅端、第四MOS晶体管MP4的栅端，第一MOS晶体管MP1的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第二输出端，同时第一MOS晶体管MP1的漏端对接第二MOS晶体管MP2的源端，第二MOS晶体管MP2的漏端接地；盲像元R_b的另一端对接第三MOS晶体管MP3的源端，第三MOS晶体管MP3的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第一输出端，同时第三MOS晶体管MP3的漏端对接第四MOS晶体管MP4的源端，第四MOS晶体管MP4的漏端接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述偏置电路模块101中的dummy像元支路电路中，包括第一参考像元R_b1和第二参考像元R_b2，其中，第一参考像元R_b1的其中一端、第二参考像元R_b2的其中一端分别连接供电电源，第一参考像元R_b1的另一端对接第五MOS晶体管MP5的源端，第五MOS晶体管MP5的栅端分别对接第六MOS晶体管MP6的栅端、第七MOS晶体管MP7的栅端、第八MOS晶体管MP8的栅端，第五MOS晶体管MP5的漏端构成dummy像元支路电路的第一输出端，同时第五MOS晶体管MP5的漏端对接第六MOS晶体管MP6的源端，第六MOS晶体管MP6的漏端接地；第二参考像元R_b2的另一端对接第七MOS晶体管MP7的源端，第七MOS晶体管MP7的漏端构成dummy像元支路电路的第二输出端，同时第七MOS晶体管MP7的漏端对接第八MOS晶体管MP8的源端，第八MOS晶体管MP8的漏端接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述减法电路模块102中包括运算放大器A1，其中，运算放大器A1的正极输入端分别对接第三半导体电阻R₃的其中一端、第五半导体电阻R₅的其中一端，第五半导体电阻R₅的另一端接地，第三半导体电阻R₃的另一端分别对接所述探测像元与盲像元支路电路的第一输出端、以及第一半导体电阻R₁的其中一端，第一半导体电阻R₁的另一端接地；运算放大器A1的负极输入端分别对接第四半导体电阻R₄的其中一端、第六半导体电阻R₆的其中一端，第四半导体电阻R₄的另一端分别对接所述dummy像元支路电路的第一输出端、以及第二半导体电阻R₂的其中一端，第二半导体电阻R₂的另一端接地；运算放大器A1的输出端构成减法电路模块102的输出端，同时运算放大器A1的输出端分别对接第六半导体电阻R₆的另一端、第七半导体电阻R₇的其中一端，第七半导体电阻R₇的另一端接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第二电流镜DAC模块104包括第十一MOS晶体管MP11和第十二MOS晶体管MP12，其中，第十一MOS晶体管MP11的漏端与其栅端相连接、并构成第二电流镜DAC模块104的输入端，该输入端对接所述dummy像元支路电路的第二输出端、以及第一电流镜DAC模块103的输出端，同时，第十一MOS晶体管MP11的栅端对接第十二MOS晶体管MP12的栅端，第十一MOS晶体管MP11的源端串联第八半导体电阻R₈后、并接地；第十二MOS晶体管MP12的源端串联第九半导体电阻R₉后、并接地，第十二MOS晶体管MP12的漏端构成第二电流镜DAC模块104的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述积分放大电路模块105包括运算放大器A2，其中，运算放大器A2的正极输入端接入预设校正电压V_ref，运算放大器A2的负极输入端串联第十半导体电阻R₁₀后、构成积分放大电路模块105的输入端，该输入端对接探测像元与盲像元支路电路的第二输出端、以及所述第二电流镜DAC模块104的输出端，同时运算放大器A2的负极输入端分别对接电容C_int的其中一端、控制开关S_rst的其中一端，电容C_int的另一端、控制开关S_rst的另一端、运算放大器A2的输出端三者相连，并构成积分放大电路模块105的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一电流镜DAC模块103中包括第九MOS晶体管MP9和第十MOS晶体管MP10，其中，第九MOS晶体管MP9的源端、第十MOS晶体管MP10的源端分别连接供电电源，第九MOS晶体管MP9的漏端与其栅端相连、并构成第一电流镜DAC模块103的输入端，同时第九MOS晶体管MP9的栅端对接第十MOS晶体管MP10的栅端，第十MOS晶体管MP10的漏端构成第一电流镜DAC模块103输出端。

本发明所述一种具有像元失配校正功能的读出电路，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计具有像元失配校正功能的读出电路，构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105，通过各电路模块之间的连接关系，构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。

附图说明

图1是本发明所设计具有像元失配校正功能的读出电路的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所设计一种具有像元失配校正功能的读出电路，用于实现像元的红外辐射信号读取，如图1所示，具体包括偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105。

其中，偏置电路模块101包括dummy像元支路电路、以及探测像元与盲像元支路电路，用于对探测像元和盲像元进行偏置；

减法电路模块102分别接入dummy像元支路电路的输出端、探测像元与盲像元支路电路的输出端，用于针对该两条支路电路的输出进行减法操作；

第一电流镜DAC模块103接入减法电路模块102的输出端，针对减法电路模块102的输出电流预设比例进行缩放；

第二电流镜DAC模块104接入第一电流镜DAC模块103的输出端、以及偏置电路模块101中dummy像元支路电路的输出端，针对所接入电流按预设比例进行缩放；

积分放大电路模块105接入第二电流镜DAC模块104的输出端、以及偏置电路模块101中探测像元与盲像元支路电路的输出端，针对所接入电流进行积分放大，并进行输出，实现像元的红外辐射信号读取。

基于上述所设计偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105之间的连接，进一步具体设计了各电路模块的细节电路结构，其中，偏置电路模块101中的探测像元与盲像元支路电路中，包括探测像元R_s和盲像元R_b，其中，探测像元R_s的其中一端、盲像元R_b的其中一端分别连接供电电源，探测像元R_s的另一端对接第一MOS晶体管MP1的源端，第一MOS晶体管MP1的栅端分别对接第二MOS晶体管MP2的栅端、第三MOS晶体管MP3的栅端、第四MOS晶体管MP4的栅端，第一MOS晶体管MP1的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第二输出端，同时第一MOS晶体管MP1的漏端对接第二MOS晶体管MP2的源端，第二MOS晶体管MP2的漏端接地；盲像元R_b的另一端对接第三MOS晶体管MP3的源端，第三MOS晶体管MP3的漏端构成探测像元与盲像元支路电路的第一输出端，同时第三MOS晶体管MP3的漏端对接第四MOS晶体管MP4的源端，第四MOS晶体管MP4的漏端接地。

偏置电路模块101中的dummy像元支路电路中，包括第一参考像元R_b1和第二参考像元R_b2，其中，第一参考像元R_b1的其中一端、第二参考像元R_b2的其中一端分别连接供电电源，第一参考像元R_b1的另一端对接第五MOS晶体管MP5的源端，第五MOS晶体管MP5的栅端分别对接第六MOS晶体管MP6的栅端、第七MOS晶体管MP7的栅端、第八MOS晶体管MP8的栅端，第五MOS晶体管MP5的漏端构成dummy像元支路电路的第一输出端，同时第五MOS晶体管MP5的漏端对接第六MOS晶体管MP6的源端，第六MOS晶体管MP6的漏端接地；第二参考像元R_b2的另一端对接第七MOS晶体管MP7的源端，第七MOS晶体管MP7的漏端构成dummy像元支路电路的第二输出端，同时第七MOS晶体管MP7的漏端对接第八MOS晶体管MP8的源端，第八MOS晶体管MP8的漏端接地。

减法电路模块102中包括运算放大器A1，其中，运算放大器A1的正极输入端分别对接第三半导体电阻R₃的其中一端、第五半导体电阻R₅的其中一端，第五半导体电阻R₅的另一端接地，第三半导体电阻R₃的另一端分别对接所述探测像元与盲像元支路电路的第一输出端、以及第一半导体电阻R₁的其中一端，第一半导体电阻R₁的另一端接地；运算放大器A1的负极输入端分别对接第四半导体电阻R₄的其中一端、第六半导体电阻R₆的其中一端，第四半导体电阻R₄的另一端分别对接所述dummy像元支路电路的第一输出端、以及第二半导体电阻R₂的其中一端，第二半导体电阻R₂的另一端接地；运算放大器A1的输出端构成减法电路模块102的输出端，同时运算放大器A1的输出端分别对接第六半导体电阻R₆的另一端、第七半导体电阻R₇的其中一端，第七半导体电阻R₇的另一端接地。

第一电流镜DAC模块103中包括第九MOS晶体管MP9和第十MOS晶体管MP10，其中，第九MOS晶体管MP9的源端、第十MOS晶体管MP10的源端分别连接供电电源，第九MOS晶体管MP9的漏端与其栅端相连、并构成第一电流镜DAC模块103的输入端，同时第九MOS晶体管MP9的栅端对接第十MOS晶体管MP10的栅端，第十MOS晶体管MP10的漏端构成第一电流镜DAC模块103输出端。

第二电流镜DAC模块104包括第十一MOS晶体管MP11和第十二MOS晶体管MP12，其中，第十一MOS晶体管MP11的漏端与其栅端相连接、并构成第二电流镜DAC模块104的输入端，该输入端对接所述dummy像元支路电路的第二输出端、以及第一电流镜DAC模块103的输出端，同时，第十一MOS晶体管MP11的栅端对接第十二MOS晶体管MP12的栅端，第十一MOS晶体管MP11的源端串联第八半导体电阻R₈后、并接地；第十二MOS晶体管MP12的源端串联第九半导体电阻R₉后、并接地，第十二MOS晶体管MP12的漏端构成第二电流镜DAC模块104的输出端。

积分放大电路模块105包括运算放大器A2，其中，运算放大器A2的正极输入端接入预设校正电压V_ref，运算放大器A2的负极输入端串联第十半导体电阻R₁₀后、构成积分放大电路模块105的输入端，该输入端对接探测像元与盲像元支路电路的第二输出端、以及所述第二电流镜DAC模块104的输出端，同时运算放大器A2的负极输入端分别对接电容C_int的其中一端、控制开关S_rst的其中一端，电容C_int的另一端、控制开关S_rst的另一端、运算放大器A2的输出端三者相连，并构成积分放大电路模块105的输出端。

将本发明所设计具有像元失配校正功能的读出电路，应用于实际当中，如图1所示，假设在初始温度下，由于MEMS工艺误差，当探测像元R_s的电阻R'_s与盲像元R_b的电阻R'_b之比为：

即获得探测像元R_s的电阻R'_s与盲像元R_b的电阻R'_b之比为(1+k):1。实际应用中，直流偏置电流I_DC、由于自热效应导致电流改变ΔI_SH、由于红外辐射热量导致电流改变ΔI_IR：

其中，V_bias为像元偏置电压，R₀为像元的初始电阻值，α为电阻温度系数，C_th、R_th为像元桥腿的热学常数，P_IR为探测像元吸收的红外辐射能量。

即如图1所示，故经过盲像元R_b的电流I_b＝I_DC+ΔI_SH；经过探测像元R_s的电流

接着减法电路模块102首先将电流I_DC和I_b分别在半导体电阻R₂、半导体电阻R₁上转换成电压，然后经减法电路得到差值电压，最后将差值电压经半导体电阻R₇转换成电流ΔI_SH，并输向至第一电流镜DAC模块103，由第一电流镜DAC模块103针对电流ΔI_SH，按1:(1+k)进行比例缩放，得到镜像电流ΔI_SH/(1+k)，并继续输送至第二电流镜DAC模块104中。

在第二电流镜DAC模块104中，首先实现电流I_DC和镜像电流ΔI_SH/(1+k)的相加，然后将得到的总电流I_DC+ΔI_SH/(1+k)，按1:(1+k)进行比例缩放，得到镜像电流I_DC/(1+k)+ΔI_SH/(1+k)²，并继续输送至积分放大电路模块105中。

在积分放大电路模块105中，针对电流I_s和镜像电流I_DC/(1+k)+ΔI_SH/(1+k)²进行作差，并实现微小差值电流的积分放大，最终得到进行了像元失配校正的输出电压V_out。

上述技术方案所设计具有像元失配校正功能的读出电路，构建偏置电路模块101、减法电路模块102、第一电流镜DAC模块103、第二电流镜DAC模块104、积分放大电路模块105，通过各电路模块之间的连接关系，构建最终非制冷光电焦平面阵列读出电路，能够减弱像元失配影响，具有低电路噪声、适应性强的优点，能够实现像元失配校正功能，提高光电检测的精度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。