一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法

摘要

本发明公开了一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法，本发明属于微电子和光电子技术领域，随机窗口实现电路包括行选信号产生器、列选信号产生器和若干像元控制电路；本发明采用的随机窗口实现电路结构简单，可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次后，得到相对应的行列选信号后，就可以不再使用，可以大幅减少电路的功耗与误码率。此外，本发明还通过为像素级焦平面阵列每个像元设置像元控制电路，在实现多窗口选择输出的时候防止选中不需要的窗口，提高了读出电路的工作效率以及探测器的探测效率。

说明书

技术领域

本发明属于微电子和光电子技术领域，具体涉及一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法。

背景技术

红外读出电路是红外探测器的重要组成部分,它为红外探测像元提供偏置电压并将转换结果按一定顺序输出，是探测器实现各种功能的基础。

像素级读出电路是指每个像元模块中都集成一个模数转换器，所有的模数转换器同时并行工作，一次完成所有像素数据的转换。列级读出电路是指一列或者几列像素共用一个模数转换器，所有的模数转换器并行工作，一次完成一列或几列的像素数据的转换。

窗口功能是指在大规模红外焦平面阵列中选取感兴趣的区域进行输出，而不用将整个阵列的数据进行输出。开窗一般分为固定开窗和随机开窗，固定开窗是指固定大小，固定区域的开窗；随机开窗是指开窗的位置和大小可根据需要进行改变。多个随机窗口是指可以同时实现多个窗口的读出，在同时探测多个目标时能大大提高探测器的效率。

随着红外探测器技术的不断发展，红外焦平面阵列已实现从最初的320×240发展到如今常见的1024×1024，甚至超大规模的探测器阵列可达2048×2048；与此同时，输出的帧频也从最初的25帧发展到60帧。但随着阵列的大小与输出的帧频的变大，使得读出电路所需的时钟频率大幅提高，而集成电路制造工艺进步不明显，使得读出电路的设计变得越来越困难，时钟频率的大幅提高还将带来功耗、面积等问题。因此，通过窗口功能可以实现输出部分区域，从而实现提高帧频的目的，在一定程度上解决了帧频和阵列大小的矛盾。

然而传统列级的开窗读出电路在工作时每次开窗的时候都需要通过移位寄存器移位来进行对像元的选择，从而导致电路的功耗较大，误码率较高；另外，传统列级的开窗读出电路对于同时开多个窗口实现较为复杂，通常需要引入状态机来实现。

发明内容

为了解决传统的开窗读出电路存在的功耗较大、误码率较高、实现复杂等问题，本发明提供一种像素级焦平面读出电路及其随机窗口实现电路和方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种像素级焦平面读出电路的随机窗口实现电路，包括行选信号产生器、列选信号产生器和若干像元控制电路；

所述行选信号产生器用于生成行选信号，所述列选信号产生器用于生成列选信号；

所述行选信号产生器和列选信号产生器均包括计数器、比较器、选择器和移位寄存器；

所述计数器用于对像元地址进行计数；

所述比较器用于判断所述计数器输出的像元地址是否在开窗的区域内，并将判断结果输入到所述选择器；

所述选择器用于接收所述比较器的判断结果，若像元地址在开窗区域内，则输出高电平，否则输出低电平，并将结果输入到所述移位寄存器；

所述移位寄存器用于接收所述选择器的输出数据，并完成串并转换，得到一系列的行/列选信号；

且所述计数器和移位寄存器同步工作；

每个像元设置一个所述像元控制电路，所述像元控制电路通过在相应像元上添加传输门控制像元信号的通断，防止选中非选中像元。

本发明采用的随机窗口实现电路结构简单，可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次后，得到相对应的行列选信号后，就可以不再使用，可以大幅减少电路的功耗与误码率。此外，本发明还通过为像素级焦平面阵列每个像元设置像元控制电路，在实现多窗口选择输出的时候防止选中不需要的窗口，提高了读出电路的工作效率以及探测器的探测效率。

作为优选实施方式，本发明的像元控制电路包括三输入与门、选择器A、选择器B、锁存器、传输门和反相器；

所述三输入与门的输入端输入单个像元的行选信号、列选信号与多开窗配置信号，所述三输入与门的输出端连接到所述选择器A的数据选择端；

所述选择器A的两个输入端分别连接低电平与高电平，所述选择器A的输出端连接到所述选择器B的一个数据输入端；

所述选择器B的两个数据输入端分别连接所述选择器A的输出端和高电平，所述选择器B的输出端连接所述锁存器的数据输入端，所述选择器B的数据选择端输入开窗信号；

所述锁存器的数据输入端连接所述选择器B的输出端，所述锁存器的使能输入端连接多开窗配置信号，所述锁存器的输出端连接所述传输门的正相控制端与所述反相器的输入端；

所述传输门的输入端连接像元信号，所述传输门的输出端连接像元信号，所述传输门的正相控制端连接所述锁存器的输出端，所述传输门的反相控制端连接所述反相器的输出端；

所述反相器的输入端连接所述锁存器的输出端，所述反相器的输出端连接所述传输门的反相控制端。

作为优选实施方式，本发明的计数器采用模N的二进制计数器，其中，N为读出电路的行数或列数。

作为优选实施方式，本发明的比较器在开窗起始坐标小于等于地址且开窗终止坐标大于地址时，输出高电平，否则输出低电平。

作为优选实施方式，本发明的比较器采用三输入比较器，通过将多个两输入比较器与加法器级联实现。

作为优选实施方式，本发明的计数器和所述移位寄存器均由读出读出电路主时钟和复位信号控制，实现同步工作，在开始产生开窗的行/列选信号时，复位信号有效，所述计数器和移位寄存器复位至初始状态，每次时钟触发后发生一次数据变化。

作为优选实施方式，本发明的移位寄存器的深度为N，其中，N为读出电路的行数或者列数。

第二方面，本发明提出了一种像素级焦平面读出电路，采用上述随机窗口实现电路实现随机窗口输出。

第三方面，本发明提出了基于上述随机窗口实现电路的行/列选信号产生方法，该方法包括：

初始化；

输入窗口配置信号，包括窗口大小及坐标；

通过比较器比较地址信号与窗口的位置，来改变移位寄存器的输入信号，直到地址信号达到上限。

第四方面，本发明提出了基于上述随机窗口实现电路的多窗口实现方法，该方法包括：

初始化；

开窗信号设置为低电平；

输入N个窗口的大小及坐标，其中，N为大于等于2的整数；

多开窗配置信号设置为高电平，利用窗口1的行地址和列地址产生对应的行列选信号，并将窗口1对应的传输门闭合，接着利用窗口2的行地址和列地址产生相应的行列选信号，并将窗口2对应的传输门闭合，以此类推，直到N个窗口对应的传输门闭合；

多开窗配置信号设置为低电平，分别利用N个窗口的行地址和列地址产生对应的行列选信号，此时仅有传输门闭合的像元才会被选中。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提出的随机窗口实现电路可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次，产生相对应的行列选信号即可，之后便可以不再使用，可以大幅减少电路的功耗与误码率，提高读出电路的工作效率和可靠性；

2、本发明提出的随机窗口实现电路可实现多个窗口同时开窗，通过在像元上设置像元控制电路，防止选择不需要的窗口，有效提高读出电路的工作效率及探测器的探测效率；

3、本发明提出的随机窗口实现电路在工作时，对开关信号的配置仅需要一次即可，开机初始化时配置一次，只要后续窗口信息不变，只需要使用多开窗第二阶段的行列选信号即可选中所需的窗口，实现方式简单。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的随机窗口实现电路的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的像元控制电路结构示意图。

图3为本发明实施例的行列选信号的工作时序图。

图4为本发明实施例的行列选信号产生的工作流程图。

图5为本发明实施例的多个窗口的行列选示意图。

图6为本发明实施例的打开多个窗口的工作流程图。

附图标记及对应的零部件名称：

10-计数器，20-比较器，30-选择器，40-移位寄存器，50-像元控制电路，501-三输入与门，502-选择器A、503-选择器B、504-传输门，505-反相器，506-锁存器。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

传统列级的开窗读出电路通常包括计数器、加法器、选择器、译码器、移位寄存器；工作过程为：在收到开窗的配置信息后，通过计数器和加法器得到对应的行列选坐标，将起始点的坐标通过译码器译码得到起始点坐标的行列选信号，再通过移位寄存器移位实现开窗像元的选择；由此可以看出，传统列级的开窗读出电路在工作时每次开窗的时候都需要通过移位寄存器移位来进行像元的选择，从而导致电路的功耗与误码率较高。基于此，本实施例提出了一种像素级焦平面读出电路的随机窗口实现电路，该随机窗口实现电路用于接收窗口的位置与大小的配置信号，输出行列选信号以及像元控制信号，可实现像素级焦平面读出电路的随机窗口，仅需要在开机后配置一次后，得到相对应的行列选信号后，就可以不再使用，可以大幅减小电路的功耗与误码率。

具体如图1所示，本实施例提出的随机窗口实现电路包括行选信号产生器、列选信号产生器和若干像元控制电路50；其中，行选信号产生器和列选信号产生器均包括计数器10、比较器20、选择器30和移位寄存器40。

其中，计数器10用于对像元行列地址进行计数，且行列像元分别计数；计数器10包括复位端、时钟输入端和计数信号输出端，复位端及时钟输入端分别连接到读出电路的复位端及时钟端，计数信号输出端连接到比较器20的输入端。

计数器10采用二进制计数方式计数当前行坐标位置和列坐标位置，其工作原理为：在开始产生开窗的行列选信号时，复位信号有效，将计数器复位至初始状态，在时钟信号到来后，由时钟信号进行控制，地址计数器增加1，当行列地址计算到最大值后，保持不变。

本实施例中的计数器10可以采用但不限于模N的二进制计数器。其中，N为读出电路的行数或者列数，二进制计数器是指计数器的输出形式是二进制，且每次时钟触发后发生一次数据变化。需要说明的是，计数器10也可以采用本领域内常用的其他计数器，在此不再详述其具体结构。

比较器20用于判断像元行列地址是否在开窗的区域内，并将判断结果输入到选择器30；比较器20包括两个输入端以及一个输出端；两个输入端分别输入窗口配置信息及计数器10输出端输出信息；输出端连接到选择器30的数据选择端口。

比较器20通过比较行地址或列地址是否在窗口区域的范围内，若开窗起始坐标小于等于地址(即行地址或列地址)且开窗终止坐标大于地址，则比较器输出端输出高电平，否则输出端输出低电平。本实施例中的比较器20采用三输入比较器，通过将多个两输入比较器与加法器级联实现，用于判断是否需要进行开窗。

选择器30用于接收比较器20的判断结果，若比较器20输出为高电平，则输出高电平，否则输出低电平，并将结果输出移位寄存器40的输入端；选择器30包括数据选择端口、两个数据输入端和选择结果输出端；数据选择端口连接到比较器20的输出端，两个数据输入端分别连接高低电平；选择结果输出端连接到移位寄存器40的数据输入端。本实施例的选择器30可以采用本领域内常用的选择器，在此不再详述其具体结构。

移位寄存器40用于接收选择器30的输出数据，并完成串并转换，得到一系列的行列选信号；移位寄存器40包括复位端、时钟输入端、数据输入端和行/列选信号输出端；复位端及时钟输入端分别连接读出电路的复位端及时钟端，即在开始产生开窗的行列选信号时，复位信号有效，将移位寄存器40复位至初始状态；移位寄存器40的数据输入端连接到选择器30的输出端，输出端输出行/列选信号。

本实施例的移位寄存器40深度为N，其中N为读出电路的行数或者列数，与计数器10同步工作，每次时钟触发后发生一次数据变化。移位寄存器40可以采用本领域内常用的移位寄存器，在此不再详述其具体结构。

每个像元设置一个像元控制电路，像元控制电路50用于多开窗时，对像元信号进行控制，通过传输门控制像元信号的通断；像元控制电路50包括行选信号输入端、列选信号输入端、多开窗配置信息输入端、开窗信号输入端、像元信号输入端以及像元信号输出端。行/列选信号输入端用于输入行/列选信号(即行/列选信号输入端连接到移位寄存器40的输出端)。

一种可选实施方式，像元控制电路50包括三输入与门501、选择器A502、选择器B503、传输门504、反相器505和锁存器506，具体如图2所示。

其中，像元控制电路中，三输入与门501的输入端输入单个像元的行、列选信号与多开窗配置信号mult，三输入与门501的输出端连接到选择器A502的数据选择端；选择器A502的两个数据输入端分别连接低电平与高电平，选择A502的输出端连接到选择器B503的一个数据输入端；选择器B503的两个数据输入端分别连接选择器A502的输出端和高电平，选择器B503的输出端连接锁存器506的数据输入端，选择器B503的数据选择端连接开窗信号sign；传输门504的输入端A连接像元信号，传输门504的输出端B连接像元信号，传输门504的控制端C连接锁存器506的输出端，传输门504的反相控制端CB连接反相器505的输出端；反相器505的输入端连接锁存器506的输出端，反相器505的输出端连接传输门504的反相控制端CB；锁存器506的数据输入端连接选择器B503的输出端，锁存器506的使能输入端连接多开窗配置信号mult，锁存器506的输出端连接传输门504的控制端C与反相器505的输入端。

传输门504中的控制端C和反相控制端CB为通过反相器进行连接的相反电平配置端。

输入像元控制电路的行列选信号分别为D0、D1。

本实施例提出的随机窗口实现电路工作原理为：若窗口的一个行起始坐标为M，行窗口的大小为N，且M+N不超过地址上限，则通过随机开窗电路将会得到如图3所示的行选信号，开窗部分的选择通过将对应的行选信号置为“1”实现。列地址同理，此处不再过多赘述。行列选信号产生的工作流程如图4所示，开机输入配置信号后，通过比较器比较地址信号与窗口的位置，来改变移位寄存器的输入信号，直到地址信号达到上限，由于地址计数器和移位寄存器均由读出电路主时钟和复位信号控制，所以使得计数器和移位寄存器可以完全同步工作。像元控制电路用于防止选中不需要选中的像元，通过在像元上加上传输门开关来规避此问题，具体如图5所示，若想要选中窗口1与窗口2，则需要分别输入行地址1、列地址1、行地址2和列地址2，由此产生的行列选信号会将不需要选中的窗口3与窗口4选中，进而导致开窗效率下降。多开窗的工作流程如图6所示，在多开窗第一阶段先使用行地址1、列地址1，产生对应的行列选信号，将窗口1对应的传输门504闭合，接着再使用行地址2、列地址2，产生对应的行列选信号，将窗口2对应的传输门504闭合，以此类推，直到使得所有窗口对应的传输门504闭合，并在完成后将多开窗配置信号mult拉低，锁存电路对此时的输出信号进行锁存保持，之后不在变化，之后第二阶段再使用行地址1、列地址1、行地址2、列地址2等产生对应的行列选信号，此时仅有传输门闭合的像元才会被选中，而开窗信号sign仅在多开窗模式时为低，在对全阵列进行输出时为高，保证不开窗时，所有像元开关均为闭合。多开窗配置信号mult在多开窗第一阶段为高电平，在多开窗第二阶段为低电平。

相较于传统列级的开窗读出电路匝工作时每次开窗的时候都需要通过移位寄存器来进行对像元的选择，本实施例提出的随机窗口实现电路仅仅需要在开机配置时，产生相对应的行列选信号即可，之后便可以不再使用移位寄存器，可以答复减少电路的功耗与误码率。

且传统列级的开窗读出电路对于同时开多个窗口实现较为复杂，通常需要引入状态机来进行实现，而本实施例则大大简化了该流程，对开关信号的配置也仅需要一次即可，开机初始化时配置一次，只要后续窗口信息不变，只需要使用多开窗第二阶段的行列选信号即可选中所需的窗口。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。