高速低功耗双列线红外焦平面读出电路

摘要

本发明涉及一种高速低功耗双列线红外焦平面读出电路，包括M×N的像素单元阵列，行、列控制信号产生逻辑及输出缓冲级，还包括：2N条列线，每列像素单元对应奇、偶两条列线，在每列像素单元中，奇数行和偶数行的像素单元分别连接至奇列线和偶列线；2N个采样控制开关，分别连接至每条列线，进行积分信号的采样控制，且每列像素单元对应的奇、偶两条列线通过采样控制开关连接至同一采样电容。本发明的技术方案通过采用双列线结构解决了积分时间和信号读出速率之间的矛盾，在一个行周期内，电路可以完成对两行像素的积分和两行信号的读出，同时并没有引入额外的列读出级和输出缓冲级，从而实现了低代价、低功耗、高信噪比及高读出速率。

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种高速低功耗双列线红外焦平面读出电路。

背景技术

目前红外成像系统在军事、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IRFPA(Infrared Focal Plane Array，红外焦平面阵列)，包括红外探测器阵列和焦平面阵列ROIC(ReadoutIntegrated Circuit，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。

现有技术中的典型面阵ROIC整体框图如图1所示，其主要组成部分包括像素阵列11、列读出级12、输出缓冲级13和控制信号产生逻辑等几部分。随着技术的进步，ROIC的阵列规模越来越大，较大规模的有640×480、1024×1024、2048×2048等几种规格，这意味着输出一帧画面需要读出更多的像素。此外，不同的应用对输出帧速有不同的要求，例如，作为军事应用时，读出电路帧速需要达到上百帧每秒。越来越大的阵列规模和更高的帧速要求对像素读出速率提出了更大的挑战。

对于行波读出的工作方式，ROIC的每一行按照先积分后读出的顺序工作。以M×N规模读出电路为例，其工作时序如图2所示。电路以一个帧为周期重复工作，每个帧又由M个行周期组成。每个行周期包括对当前选中行进行复位、积分和采样操作，与此同时上一个行周期保存的结果也会在本行积分期间被顺序读出。行周期T_row及帧周期T_frame需要分别满足以下关系式：

T_row≥T_res+T_int            (1)

T_frame≥M·T_row            (2)

T_row≥M·T_col              (3)

其中，T_res为复位时间，T_int为积分时间，M为读出电路总行数，T_col是一个列周期。

参见图2的工作时序，若读出电路从第n行开始操作，首先行选信号RS<n>设为高电平，第n行被选中；然后对第n行像素单元进行复位，复位信号Res<n>为高电平；复位结束后Res<n>变回低电平，各像素单元开始在其对应列线上进行积分。积分完成采样信号SH变为高电平，每个像素单元的光电流信号转化为电压信号保存于对应列的采样电容中；采样结束后，SH变回低电平，行选信号RS<n>也变回低电平，像素积分过程随之结束，第n行像素积分过程也随之结束，然后第n+1行被选中，RS<n+1>变为高电平，之后进行相同的复位，积分采样操作；与此同时，列选信号Col<1>、Col<2>、...Col<M>相继产生，使采样电容上保存的积分结果被顺序读出。在第n+1行的采样信号有效之前，第n行的采样结果读出过程必须完成。由图2可知，在一个积分周期下，最多只能读出一行信号。因此读出速率受到了积分周期限制。例如，若阵列规模为M×N，积分时间为T，则信号最快读出速率为M/T。可见积分时间越长，信号读出速率越慢。

因此，为了提高读出速率必须缩短积分时间。但是，缩短积分时间会导致输出信号幅度降低。输出信号幅度和积分电容、积分时间的关系如下式所示：

V_signal＝i_signal×T_int/C_sh                (4)

其中，i_signal是探测器单元光电流的大小，T_int是积分时间，C_sh是读出电路像素单元内积分电容，V_signal是像素积分输出电压。

由式(4)可知，为了得到和之前相当的输出信号幅度，就必须减小像素内积分电容。但是输出热噪声与电容成反比，如下式所示：

V_noise²＝KT/C          (5)

可见，电容的降低会直接提高输出噪声V_noise，降低输出信噪比。另外，电容值的减小也会增加像素单元间的不一致性。因此不能通过减小电容的方法提高读出速率。由式(4)可知，在积分电容不变的条件下，需要提高信号积分时间维持输出幅度，从而提高信噪比。但由前面分析可知提高积分时间会降低读出速率，而这也是需要避免的结果。

为了克服这个矛盾，现有技术中有采用多通道并行工作的方式增大读出速率，即将整个阵列分成几个并行工作的通道，如图3所示。假设各通道读出速率为V₁/s、V₂/s、...V_n/s，由于每个通道独立工作，总像素读出速率是各通道读出速率之和。因此划分的通道越多，读出速率越高，即使每个像素积分时间很长，读出速率仍然可以很高。但是，由于每个通道需要独立的输出级，多通道读出就会增加更多的输出级；在大规模面阵读出电路中，由于输出级需要驱动大片外负载，并有很高的建立时间要求，其功耗源是总功耗的重要来源，过多的输出级会导致过大的功耗，同时会造成占用面积增大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高速低功耗双列线红外焦平面读出电路，以解决现有技术中积分时间与信号读出速率不能同时满足的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种高速低功耗双列线红外焦平面读出电路，包括用于完成光电流转换与积分的M×N像素单元阵列，以及行控制信号产生逻辑、列控制信号产生逻辑和用于每列读出信号串行输出的输出缓冲级，其特征在于，该读出电路还包括：

2N条列线，每列像素单元对应奇、偶两条列线，在所述每列像素单元中，奇数行的像素单元和偶数行的像素单元分别连接至奇列线和偶列线；

N个采样电容，用于保存每列像素单元的积分信号；

N个列读出级，用于将所述积分信号转换为列读出信号并输出至所述输出缓冲级；

2N个采样控制开关，分别连接至每条列线，对所述每条列线进行积分信号的采样控制，且所述每列像素单元对应的奇、偶两条列线通过所述采样控制开关连接至同一采样电容；

所述读出电路以一个帧为工作周期重复，在所述工作周期内，所述行控制信号产生逻辑顺序生成M个交叠的行选信号；在奇数行、偶数行的行选信号高电平结束之前，分别导通奇列线、偶列线对应的采样控制开关；在采样结束后，每条奇列线或偶列线对应的采样控制开关断开，之后所述列控制信号产生逻辑生成顺序有效的N个不交叠列选信号，从而控制顺序读出所述采样电容保存的该行各列的积分采样信号；且第n行信号读出过程必须在第n+1行采样信号有效之前完成，从而读出电路平均一个行周期可以完成两行像素的积分和两行采样电容信号的读出。

上述的高速低功耗双列线红外焦平面读出电路中，该读出电路的工作时序具体为：

设n为奇数，第n行被选中时，行选信号RS<n>为高电平，然后对其复位，复位信号Res<n>为高电平；复位结束后，Res<n>变回低电平，各像素单元开始在对应的列线上进行像素积分；积分至一半时，第n+1行被选中，RS<n+1>为高电平；然后对第n+1行进行复位、积分；第n+1行积分至一半时，第n行积分完成，所有奇列线对应的采样信号SHO变为高电平，所述采样电容开始进行采样；采样结束后，SHO变回低电平，第n行的行选信号RS<n>变回低电平；然后，第n+2行被选中，并开始复位、积分；在第n+2行选中同时，列选信号Col<1>、Col<2>、Col<3>、...Col<N>顺序有效，从而每一列采样电容上存储的电压值经由列放大器和输出级被顺序读出。

上述的高速低功耗双列线红外焦平面读出电路中，所述采样控制开关由一个MOS晶体管或一对互补MOS晶体管构成。

(三)有益效果

本发明的技术方案通过采用双列线结构解决了积分时间和信号读出速率之间的矛盾：当像素积分时，奇偶两行像素可以同时在各自列线上进行积分，互不干扰；在信号读出时，奇偶两行则是先后通过同一列输出级顺序读出。因此，在平均每个行周期内，电路可以完成对两行像素的积分和两行信号的读出，同时并没有引入额外的列读出级和输出缓冲级，从而实现了低代价、低功耗、高信噪比及高读出速率。

附图说明

图1为现有技术中的单列线结构面阵焦平面读出电路整体框图；

图2为图1所示单列线结构读出电路一帧的工作时序图；

图3为现有技术中采用多通道结构的焦平面读出电路框图；

图4为本发明高速低功耗双列线红外焦平面读出电路实施例框图；

图5为图4所示本发明实施例读出电路一帧的工作时序图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图4为本发明高速低功耗双列线红外焦平面读出电路实施例框图，如图所示，本实施例的读出电路包括：M×N的像素单元阵列41，用于完成光电流转换与积分；2N条列线42，每列像素单元对应奇、偶两条列线，在每列像素单元中，奇数行的像素单元和偶数行的像素单元分别连接至奇列线和偶列线；N个采样电容43，用于保存每列像素单元的积分信号；N个列读出级44，用于将采样电容43保存的积分信号转换为列读出信号并输出至输出缓冲级45；输出缓冲级45，用于完成各列读出信号的串行输出；以及，分别用于产生行选信号及列选信号的行控制信号产生逻辑46及列控制信号产生逻辑47。

本实施例的读出电路还包括：2N个采样控制开关48，分别连接至每条列线，对每条列线进行积分信号的采样控制；且每列像素单元对应的奇、偶两条列线通过采样控制开关48连接至同一采样电容43。采样控制开关48具体可采用一个MOS晶体管或一对互补的MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管构成。

上述实施例的读出电路每一帧的工作时序如图5所示，电路以一个帧为重复的周期工作。一个帧包括M个交叠的行周期，每个行周期包括对当前选中行进行复位，积分，采样操作，与此同时上两个行周期保存的结果也会在积分期间被顺序读出。

设n为奇数，第n行被选中时，行选信号RS<n>为高电平，然后对第n行像素单元进行复位，复位信号Res<n>为高电平；复位结束后，Res<n>变回低电平，各像素单元开始在对应的列线上进行像素积分；积分至一半时，第n+1行被选中，RS<n+1>为高电平；然后对第n+1行进行复位、积分；第n+1行积分至一半时，第n行积分完成，所有奇列线对应的采样信号SHO变为高电平，采样电容43开始进行采样；采样结束后，SHO变回低电平，第n行的行选信号RS<n>变回低电平；然后，第n+2行被选中，并开始复位、积分；在第n+2行选中同时，列选信号Col<1>、Col<2>、Col<3>、...Col<N>顺序有效，从而每一列采样电容43上存储的电压值经由列读出级44和输出缓冲级45被顺序读出。

通过上述时序可知，在同一时刻奇偶两行可以同时积分，信号读出则是奇偶行顺序读出。从而在一定的读出速率下，积分时间可以变为大于原来的2倍；而在一定的积分时间下，则可获得大于原来2倍的读出速率。

进一步如图5所示，采样开关的控制信号为SHO和SHE两个信号，其中SHO控制所有奇数列采样开关，SHE控制所有偶数列的采样开关。两个信号在本实例中均为片外外加信号，都是周期为一个行周期的周期脉冲信号。脉冲宽度可根据信号建立要求确定：允许的采样误差越小，则脉冲宽度越长，反之则脉冲宽度越短。每个周期内脉冲的位置一般在接近行选信号结尾处，而且要保证行选信号在采样脉冲结束之前必须有效(高电平)。由于采样控制信号只是简单的周期脉冲信号，因此不需要复杂的产生逻辑，一般的波形发生器都可以产生。

根据上述本发明实施例的读出电路，以下通过一个大规模红外读出电路进行设计验证。

设计采用逐行行波读出方法，要求帧速为30fps；为保证信噪比，要求像素积分时间＞60us。

由于行周期中复位时间很短，因此近似认为行周期等于像素积分时间。

若采用单列线单通道结构，每个积分周期内读出一行像素。其像素读出速率为：

V_pix＝M/T＝1024/60us＝17/us

其中M＝1024，为一行内像素数，T＝60us，为像素积分时间。

由此可以得出读出电路帧速：

V_frame＝V_pix/1024×1024＝16fps

可见采用单列线结构无法满足性能要求。因此采用本发明实施例的双列线结构。从而在一个积分周期内，有两行像素被读出，其像素读出速率为：

V_pix＝2M/T＝2048/60us＝34/us

此时帧速为：

V_frame＝Vpix/1024×1024＝32fps

可见，采取双列线读出结构后，读出速率满足了设计要求。

本发明实施例的读出电路通过双列线结构解决了积分时间和信号读出速率之间的矛盾。在双列线结构中，当像素积分时，奇偶两行像素可以同时在各自列线上进行积分，互不干扰；在信号读出时，奇偶两行则是先后通过同一列输出级顺序读出。因此，在一个行周期内，电路可以完成对两行像素的积分和两行信号的读出，同时并没有引入额外的列读出级和输出缓冲级，从而实现了低代价，低功耗，高信噪比和高读出速率。

上述本发明实施例的双列线结构读出电路在新一代大规模红外成像系统中将会有重要应用。特别是在1024×1024以上规模的制冷型短波红外探测器阵列中，积分电流很小(远小于1nA)，所以需要较长的积分时间以确保高信噪比；而且像素数目巨大(1024个/行)，所以需要高像素读出速率以确保图像连续。此外由于系统工作在低温环境下(77K)，因此读出电路对低功耗有很高的要求。本发明提出的双列线结构在以上各方面都较传统单列线结构有着明显的优势，因此可以作为红外成像系统的重要组件广泛的应用于太空，工农业，医药，交通，军事等领域。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。