專利名稱：一種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外焦平面讀出電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無需TEC (半導(dǎo)體制冷器)的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
所有物體均發(fā)射與其溫度和物質(zhì)特性相關(guān)的熱輻射，環(huán)境溫度附近物體的熱輻射大多位于紅外波段，波長為Iym到Mym左右。紅外輻射提供了客觀世界的豐富信息，將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號，充分利用這些信息是人們追求的目標。紅外焦平面陣列是獲取景物紅外光輻射信息的重要光電器件。自1973年美國羅門空軍發(fā)展中心首先提出用于紅外熱成像的硅化物肖特基勢壘探測器列陣以來，紅外焦平面探測器得到了迅速的發(fā)展。同眾多的高技術(shù)一樣，紅外技術(shù)也是由于軍事的強烈需求牽引而得以迅速發(fā)展的。紅外成像儀可裝備各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)武器，常用于紅外偵察、預(yù)警、跟蹤和精確制導(dǎo)，是電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)中獲取信息的主要技術(shù)之一。它除應(yīng)用于傳統(tǒng)的軍事成像外，還廣泛應(yīng)用于工業(yè)自控、醫(yī)療診斷、化學(xué)過程監(jiān)測、紅外天文學(xué)等領(lǐng)域。
微測輻射熱計探測器是應(yīng)用最廣泛的一種紅外焦平面陣列，它是一種熱敏電阻性探測器。其工作原理是熱敏材料把入射的紅外輻射產(chǎn)生的溫度變化轉(zhuǎn)變成電阻變化，通過測量電阻變化探測紅外輻射信號的大小。微測輻射熱計焦平面陣列是利用微機械加工技術(shù)在硅讀出電路上制作絕熱結(jié)構(gòu)，并在其上面形成作為探測器單元的微測輻射熱計，實現(xiàn)單片結(jié)構(gòu)。微測輻射熱計焦平面陣列作為第二代非制冷焦平面技術(shù)的佼佼者，以它為核心制作的非制冷紅外成像系統(tǒng)與制冷紅外成像系統(tǒng)相比具有體積小、功耗低的優(yōu)點，并使系統(tǒng)的性能價格比大幅度提高，極大地促進了紅外成像系統(tǒng)在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。
讀出電路是一種專用的數(shù)模混合信號集成處理電路，在讀出集成電路(ROIC)出現(xiàn)以前，前置放大器的混合電路是由分立的電阻、電容和晶體管組成。諸如光伏型的、非本征硅的、鉬硅的和許多光電導(dǎo)型的高阻抗探測器對電磁干擾(EMI)非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方減少EMI的影響。使用分立元件要求大量的面積，并且在一個給定的光學(xué)視場中對實現(xiàn)的通道數(shù)目提出了苛刻的限制。ROIC幫助減少了 EMI問題。讀出集成電路(ROIC)方法還提供探測器熱學(xué)/機械接口、信號處理和包括像電荷轉(zhuǎn)換和增益、頻帶限制以及多路轉(zhuǎn)換和輸出驅(qū)動的功能。隨著集成電路工藝和技術(shù)的發(fā)展，尤其是MOS集成制造技術(shù)和工藝的成熟，使ROIC得到了迅猛的發(fā)展。
讀出電路的功能是提取探測器熱敏材料的電阻變化，轉(zhuǎn)換成電信號并進行前置處理(如積分、放大、濾波和采樣/保持等)及信號的并/串行轉(zhuǎn)換。目前主要有CCD型讀出電路CMOS型讀出電路。隨著CMOS工藝的不斷成熟、完善和發(fā)展，CMOS讀出電路因其眾多的優(yōu)點而成為當(dāng)今讀出電路的主要發(fā)展方向。
隨著熱成像市場的發(fā)展，小體積、低功耗的探測器越來越受到市場的青睞，傳統(tǒng)的探測器在工作時需要固定焦平面的襯底溫度。一個帶有TEC的非制冷紅外探測器系統(tǒng)，僅 TEC的功耗在500到2000 mW，體積增加3到10 cm3。所以無TEC的非制冷紅外探測器系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。
在有TEC的情況下，由于熱容、熱導(dǎo)以及單元自發(fā)輻射的影響，TCR(電阻溫度系數(shù)) 隨著襯底溫度發(fā)生變化，象元的阻值也會發(fā)生變化。最終導(dǎo)致信號輸出隨襯底溫度發(fā)生變化，嚴重影響了成像效果。所以研究一種無需TEC的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)顯得尤為意義重大。發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所要解決的問題是，提供一種無需TEC的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，該電路在襯底溫度發(fā)生變化時，信號輸出不受影響。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，包括第一 NMOS管、第二 PMOS管、參比電阻、熱敏電阻，第一集成DAC，第二集成DAC，第一 NMOS管的漏極與第二 PMOS管的漏極相連接，還包括一溫度補償電阻，第三PMOS管和第四PMOS管， 其中，第三PMOS管的源極和第四PMOS管的漏極相連接，溫度補償電阻的一端連接在第一 NMOS管和第二 PMOS管的漏極連接線上，另一端連接在第三PMOS管和第四PMOS管的源極和漏極的連接線上且與第三PMOS管的襯底相連，第一集成DAC的輸出端連接在第一集成運算放大器同相輸入端，第一集成運算放大器的輸出端連接在第一 NMOS管的柵極上，第二集成 DAC的輸出連接在第二集成運算放大器同相輸入端，第二集成運算放大器的輸出端連接在第二 PMOS管的柵極上，參比電阻通過第三集成DAC與第二 PMOS管的源極連接，同時第三集成DAC的輸出端連接在第二集成運算放大器的反相輸入端，熱敏電阻的一端連接第一 NMOS 管的源極和第一集成運算放大器的反相輸入端，熱敏電阻的另一端接地，第三PMOS管和第四PMOS管的柵極分別接第四集成DAC、第五集成DAC的輸出端，第三PMOS管的漏極接地，第四PMOS管的源極接電源；還包括第三集成運算放大器，其同相輸入端接在第一 NMOS管和第二 PMOS管的漏極連接線上，反相輸入端與輸出相連接構(gòu)成單位增益緩沖器，其輸出端經(jīng)串聯(lián)電阻后連接第四集成運算放大器的反相輸入端，第四集成運算放大器的同相輸入端接參考電壓Vkef，在反相輸入端與輸出間并聯(lián)積分電容。
進一步地，所述參比電阻和溫度補償電阻均為與相鄰MOS管襯底熱短路的電阻型測輻射熱計，熱敏電阻為與其相鄰MOS管襯底熱隔離的電阻型測輻射熱計。
進一步地，所述第三集成運算放大器的輸出端和第四集成運算放大器的反相輸入端間串聯(lián)的電阻為一個半導(dǎo)體電阻。
進一步地，積分復(fù)用電容兩端并聯(lián)有開關(guān)。
與現(xiàn)有的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的優(yōu)點有(1)采用此種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，不用使用TEC，可以實現(xiàn)低功耗，小體積的非制冷紅外探測器系統(tǒng)。
(2)采用此種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，設(shè)有溫度補償電阻Rts，無需在片外對輸出信號做溫度補償校正，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。
(3)采用此種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，積分器運放的正端電壓Vli隨襯底溫度的變化很小，保證了輸出動態(tài)范圍不會受到襯底溫度的影響。
(4)采用此種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，對各種陣列大小的紅外焦平面均適用，通用性強。
圖1是電阻型測輻射熱計的阻值和TCR隨溫度變化的特性； 圖2是傳統(tǒng)的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述如圖1所示，電阻型測輻射熱計的阻值和TCR(電阻溫度系數(shù))隨襯底溫度的變化特性， 其中，曲線a表示阻值，曲線b表示TCR，由于熱容、熱導(dǎo)以及單元自發(fā)輻射的影響，TCR和阻值都隨著襯底溫度發(fā)生變化。
針對現(xiàn)有的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，如圖2所示，當(dāng)襯底溫度發(fā)生變化時，參比電阻Rb 和熱敏電阻Rs的阻值都發(fā)生了變化，當(dāng)有紅外輻射的時候，產(chǎn)生了信號電流在不同的襯底溫度時也發(fā)生了變化，如式(1)所示
權(quán)利要求
1.一種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，包括第一 NMOS管(Ml)、第二 PMOS管(M2)、參比電阻(Rb)、 熱敏電阻(Rs)，第一集成DAC (VDAC1)，第二集成DAC (VDAC2)，第一 NMOS管(Ml)的漏極與第二 PMOS管(M2)的漏極相連接，其特征在于還包括一溫度補償電阻(Rts)，第三PMOS管(M3)和第四PMOS管(M4)，其中，第三PMOS管(M3)的源極和第四PMOS管(M4)的漏極相連接，溫度補償電阻ats)的一端連接在第一 NMOS管(Ml)和第二 PMOS管(M2)的漏極連接線上，另一端連接在第三PMOS管(M3)和第四PMOS管(M4)的源極和漏極的連接線上且與第三PMOS管 (M3)的襯底相連，第一集成DAC (Vdaci)的輸出端連接在第一集成運算放大器(opampl)同相輸入端，第一集成運算放大器(opampl)的輸出端連接在第一 NMOS管(Ml)的柵極上，第二集成DAC ( Vdac2 )的輸出連接在第二集成運算放大器(opamp2 )同相輸入端，第二集成運算放大器(opamp2)的輸出端連接在第二 PMOS管(M2)的柵極上，參比電阻(Rb)通過第三集成 DAC (Rdac3)與第二 PMOS管(M2)的源極連接，同時第三集成DAC (Rdac3)的輸出端連接在第二集成運算放大器(opamp2)的反相輸入端，熱敏電阻的一端連接第一 NMOS管(Ml)的源極和第一集成運算放大器(opampl)的反相輸入端，熱敏電阻(Rs)的另一端接地，第三PMOS管 (M3)和第四PMOS管(M4)的柵極分別接第四集成DAC (VDAC4)、第五集成DAC (Vdac5)的輸出端，第三PMOS管(M3)的漏極接地，第四PMOS管(M4)的源極接電源；還包括第三集成運算放大器(opamp3)，其同相輸入端接在第一 NMOS管(Ml)和第二 PMOS管(M2)的漏極連接線上，反相輸入端與輸出相連接構(gòu)成單位增益緩沖器，其輸出端經(jīng)串聯(lián)電阻后連接第四集成運算放大器(opamp4)的反相輸入端，第四集成運算放大器 (opamp4)的同相輸入端接參考電壓Vkef，在反相輸入端與輸出間并聯(lián)積分電容(CINT)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，其特征在于所述參比電阻(Rb)和溫度補償電阻ats)均為與相鄰MOS管襯底熱短路的電阻型測輻射熱計，熱敏電阻(Rs)為與其相鄰MOS管襯底熱隔離的電阻型測輻射熱計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第三集成運算放大器 (opamp3)的輸出端和第四集成運算放大器(opamp4)的反相輸入端間串聯(lián)的電阻為一個半導(dǎo)體電阻(&)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，其特征在于積分復(fù)用電容(Cint)兩端并聯(lián)有開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種讀出電路偏置結(jié)構(gòu)，包括第一MOS管、第二MOS管、參比電阻、熱敏電阻、運算放大器，溫度補償電阻，第三MOS管和第四MOS管，其中溫度補償電阻一端連接于第一MOS管和第二MOS管之間，另一端連接第三MOS管和第四MOS管之間且與第三MOS管的襯底相連，第三運算放大器的同相輸入端連接在第一MOS管和第二MOS管之間，反相輸入端與輸出端相連構(gòu)成單位增益緩沖器；且通過電阻連接在第四運算放大器的反向輸入端，通過積分電容積分，輸出電壓。
文檔編號G01J5/10GK102494781SQ20111041765
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者呂堅, 周云, 王璐霞, 蔣亞東, 闕隆成 申請人:電子科技大學(xué)