一種紅外焦平面陣列及其讀出電路的模數轉換器的制造方法
【專利摘要】本發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轉換器，包括比較器、偏置電路、線性斜波發生器、鎖存器和非線性補償計數器，該非線性補償計數器對不等周期計數時鐘序列進行計數，其中該不等周期計數時鐘序列包括至少兩個計數時鐘子序列，并且各計數時鐘子序列中的計數時鐘周期不同。本發明的實施例的模數轉換器中，用非線性補償計數器，可有效的對數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，這種模數轉換器的非線性補償計數器具有起始時間可調的功能，提高了數字碼的有效使用率，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轉換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及非制冷紅外焦平面陣列探測器領域，尤其是涉及一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器及其紅外焦平面陣列。
【背景技術】
[0002]隨著CMOS超大規模集成電路技術、紅外焦平面技術以及數字集成電路技術的不斷發展，人們逐漸意識到將紅外焦平面的模擬輸出信號轉變為數字信號輸出，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不斷小型化、不斷提高集成度的發展趨勢。
[0003]紅外焦平面片上模數轉換器(ADC)技術是實現將紅外焦平面模擬信號輸出轉變為數字信號輸出的一項非常關鍵的技術，讀出電路的片上ADC是紅外焦平面讀出電路數字化中非常關鍵的器件，對于紅外焦平面數字化后的最終性能起著決定性的影響。ADC的種類和架構比較多，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點，被廣泛應用于軍事和民用領域。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。而通過改變入射黑體輻射考察響應率與入射輻射的關系，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出不可忽視的非線性關系。
[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，經過傳統讀出電路ADC對敏感單元感受到的紅外輻射進行模數轉換，得到的數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。

【發明內容】

[0006]本發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轉換器及其紅外焦平面陣列，以實現讀出電路輸出信號的線性化。
[0007]本發明實施例公開的技術方案包括:
提供了一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器，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；線性斜波發生器，所述線性斜波發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據輸入端，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；非線性補償計數器，所述非線性補償計數器的計數數據輸出端連接到所述鎖存器的所述鎖存數據輸入端；所述非線性補償計數器對不等周期計數時鐘序列進行計數并輸出計數數據到所述鎖存器；其中所述不等周期計數時鐘序列包括至少兩個計數時鐘子序列，并且其中至少一個計數時鐘子序列中的計數時鐘周期與其余計數時鐘子序列中的計數時鐘周期不同。
[0008]本發明一個實施例中，所述非線性補償計數器包括: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所述基本時鐘提供的時鐘信號生成所述不等周期計數時鐘序列；計數器，所述不等周期時鐘生成器的輸出端連接到所述計數器的計數時鐘輸入端，所述計數器的輸出端即為所述非線性補償計數器的計數數據輸出端；其中所述計數器對所述不等周期計數時鐘序列進行計數。
[0009]本發明一個實施例中，所述不等周期計數時鐘序列包括一個初始時鐘子序列和至少兩個計數時鐘子序列。
[0010]本發明一個實施例中，所述初始時鐘子序列中的時鐘信號保持為低電平。
[0011]本發明一個實施例中，所述不等周期計數時鐘序列包括m個計數時鐘子序列，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，Fi為線性逼近所述鎖存器的數字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數關系曲線的第i個直線段，Ψ為所述鎖存器的數字輸出與所述比較器的比較時間
之間的函數關系曲線，一#||表示第i個時間段內上述兩個函數的范數。
[0012]本發明一個實施例中，每個所述計數時鐘子序列中的計數時鐘的個數相同。
[0013]本發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轉換器。
[0014]本發明的實施例的模數轉換器中，用非線性補償計數器，可有效的對數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，這種模數轉換器的非線性補償計數器具有起始時間可調的功能，提高了數字碼的有效使用率，提高了有效分辨率。
[0015]本發明的實施例的模數轉換器非常適合在低功耗小體積的紅外探測器中應用，具有極大的市場發展潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現有的模數轉換器的電路結構示意圖。
[0017]圖2是現有的模數轉換器的輸出與目標溫度的關系示意圖。
[0018]圖3是本發明一個實施例的模數轉換器的電路結構示意圖。
[0019]圖4是本發明一個實施例的模數轉換器的輸出與目標溫度的關系示意圖。
[0020]圖5是本發明一個實施例的非線性補償計數器的時序示意圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面將參考附圖詳細說明本發明的實施例。
[0022]現有技術中的紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器(ADC)通常包括偏置電路
10、線性斜波發生器12、比較器15、鎖存器16和計數器18。其電路結構示意圖如圖1所示，在此不再詳細描述。
[0023]圖1所示的現有技術的紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器中，采用了常規的計數器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(TCR);tINT為積分時間，Cint為積分電容。可通過泰勒展開化簡為:
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，因此表現出低溫物體檢測細節不清晰,而高溫物體過響應的現象。
[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系曲線、模擬輸出電壓與比較時間關系曲線、數字輸出與比較時間關系曲線以及數字輸出與目標溫度關系曲線。
[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中斜波發生器對輸出的影響，圖2 (C)對應ADC中計數器對輸出的影響。
[0028]同時由圖2 (d)可以看出，由于低溫響應較低，從OV到IV左右幾乎不存在響應輸出電壓，即較低的數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為本發明一個實施例的一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器的結構示意圖。如圖3所示，本實施例中，紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器包括比較器偏置電路10、線性斜波發生器12、比較器15、鎖存器16和非線性補償計數器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的具體結構可以與本領域內常用的紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器中的偏置電路結構相同，在此不再詳細描述。
[0031]線性斜波發生器12的輸出端連接到比較器15的同相輸入端。線性斜波發生器12用于產生線性斜波，其具體結構可以與本領域內常用線性斜波發生器相同，在此不再詳細描述。
[0032]鎖存器16包括控制輸入端和鎖存數據輸入端。比較器15的輸出端連接到鎖存器16的控制輸入端。鎖存器的位數可以為N。這里，N為大于零的整數。[0033]非線性補償計數器28的計數數據輸出端連接到鎖存器16的鎖存數據輸入端。
[0034]本發明的實施例中，非線性補償計數器28對不等周期計數時鐘序列進行計數并輸出計數數據到鎖存器15。其中，本發明的實施例中，該不等周期計數時鐘序列包括至少兩個計數時鐘子序列，并且其中至少一個計數時鐘子序列中的計數時鐘周期與其余計數時鐘子序列中的計數時鐘周期不同。
[0035]本文中，所說的“計數時鐘序列”是指具有一系列時鐘脈沖信號，其中計數器對這些時鐘脈沖信號進行計數；所說的“計數時鐘子序列”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，線性斜波發生器12產生的線性輸出斜波Vmp接入比較器15的同相輸入端，偏置電路10產生的與目標溫度成非線性關系的模擬輸出電壓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；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，N位鎖存器16在比較器15的控制下輸出N位數字輸出信號D-。
[0037]本發明的實施例中，采用了一個非線性補償計數器28來代替常規的計數器。如圖3所示，該非線性補償計數器28包括基本時鐘282、不等周期時鐘生成器286和計數器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根據基本時鐘282提供的時鐘信號生成前述的不等周期計數時鐘序列(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器280的計數時鐘輸入端，這里，該計數器280的輸出端即為本非線性補償計數器28的計數數據輸出端。這里，該計數器280對不等周期時鐘生成器286提供的不等周期計數時鐘序列進行計數。本發明的實施例中，計數器280可以是常規的計數器。
[0041]計數器280的一個實例的計數時序圖如圖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，也就是常規計數器的計數時鐘Klktjut為前述的不等周期計數時鐘序列的實例，也就是非線性補償計數器28的計數時鐘的實例。
[0042]下面詳細說明不等周期計數時鐘序列及其產生過程。
[0043]本發明實施例的模數轉換器結構中，目標溫度變化引起輸出的變化如圖4所示，下面結合圖4、圖5對此非線性補償計數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的關系，假設二者的函數關系為Vau = Ψ$) ’ 圖4 (b)為模擬輸出電壓Vwt與比較時間t的關系，表示為-t
，為了使圖4(d)中數字輸出信號Dwt與目標溫度Tt成線性關系Dout = k2.I；,可以從圖
4 (c)中數字輸出信號Dwt與比較時間t的關系著手，求得滿足條件的函數表達式。求解方法可以如下:
先求出圖4 Ca)中Fcrf =的反函數，即Tt = ζΡ_1 (T yi),再將圖4 (b)中、圖4 (d)中 ；代入上式，即得到數字輸出信號Dtjut與比較時間 t 的函數關系為
【權利要求】
1.一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數轉換器，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；線性斜波發生器，所述線性斜波發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據輸入端，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；非線性補償計數器，所述非線性補償計數器的計數數據輸出端連接到所述鎖存器的所述鎖存數據輸入端；所述非線性補償計數器對不等周期計數時鐘序列進行計數并輸出計數數據到所述鎖存器；其中所述不等周期計數時鐘序列包括至少兩個計數時鐘子序列，并且其中至少一個計數時鐘子序列中的計數時鐘周期與其余計數時鐘子序列中的計數時鐘周期不同。
2.如權利要求1所述的模數轉換器，其特征在于，所述非線性補償計數器包括: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所述基本時鐘提供的時鐘信號生成所述不等周期計數時鐘序列；計數器，所述不等周期時鐘生成器的輸出端連接到所述計數器的計數時鐘輸入端，所述計數器的輸出端即為所述非線性補償計數器的計數數據輸出端；其中所述計數器對所述不等周期計數時鐘序列進行計數。
3.如權利要求1或者2所述的模數轉換器，其特征在于:所述不等周期計數時鐘序列包括一個初始時鐘子序列和至少兩個計數時鐘子序列。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的模數轉換器，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.如權利要求1至3中任意一項所述的模數轉換器，其特征在于:所述不等周期計數時鐘序列包括m個計數時鐘子序列，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，Fi為線性逼近所述鎖存器的數字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數關系曲線的第i個直線段，Ψ為所述鎖存器的數字輸出與所述比較器的比較時間之間的函數關系曲線，—一|表示第i個時間段內函數的范數。
6.如權利要求1至3中任意一項所述的模數轉換器，其特征在于:每個所述計數時鐘子序列中的計數時鐘的個數相同。
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利要求1至6中任意一項所述的模數轉換器。
【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 優先權日:2013年8月19日
【發明者】呂堅, 闕隆成, 劉婷婷, 孟祥笙, 周云 申請人:電子科技大學