雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法，包括：第一譜段陣列、第二譜段陣列、數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；所述第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對稱設(shè)置且位于同一芯片，數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊位于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，分別通過若干信號線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。本發(fā)明實現(xiàn)了同一塊紅外焦平面探測器同時完成兩個譜段信號處理工作，提高了紅外焦平面探測器系統(tǒng)的集成度，降低了整體應(yīng)用成本。
【專利說明】雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測領(lǐng)域，特別是涉及一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]紅外焦平面探測器具有獲得地面目標(biāo)信息廣、不受可見光限制、晝夜工作等顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于預(yù)警探測、情報偵察、毀傷效果評估以及農(nóng)牧業(yè)、森林資源的調(diào)查、氣象預(yù)報、地?zé)岱植?、地震、火山活動和太空天文探測等領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)如今，紅外焦平面探測器正處于高速發(fā)展的階段，隨著第一、二代紅外探測器技術(shù)的成熟，第三代紅外焦平面探測器的研究也正在如火如荼的進(jìn)行著。紅外焦平面探測器的最新發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為，陣列規(guī)模越來越大、探測器工作速度大幅提高、對信號處理能力要求越來越高等。這些不僅對焦平面陣列的制造工藝提出了更高的要求，對于紅外探測器的重要組成部分一讀出電路來說更是一種挑戰(zhàn)。
[0004]現(xiàn)有的紅外焦平面讀出電路主流設(shè)計方法通常采取單譜段單芯片的設(shè)計，也就是說一塊紅外焦平面讀出電路只能用于某一個特定的譜段。這樣一來，對于多譜段的應(yīng)用，則要使用多片讀出電路，同時需要多個外圍電路和設(shè)備來形成紅外焦平面探測器系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)集成度和可靠性。而面對探測器應(yīng)用設(shè)備的便攜化和小型化，這樣的傳統(tǒng)設(shè)計很明顯是不利的。因此，必須對現(xiàn)有的讀出電路設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以適應(yīng)不斷進(jìn)步的紅外焦平面探測器技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)紅外焦平面探測器單片單用及多譜段應(yīng)用下集成度低的問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明提供一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路，包括:
[0007]第一譜段陣列、第二譜段陣列、數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；所述第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對稱設(shè)置且位于同一芯片，數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊位于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，分別通過若干信號線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。
[0008]進(jìn)一步，所述紅外焦平面讀出電路還包括若干數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個數(shù)字緩沖器輸入端通過信號線與數(shù)字控制電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列；每個單位增益緩沖器的輸入端通過信號線與偏置電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列。
[0009]另一方面，本發(fā)明還提供一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計方法，包括:
[0010]設(shè)計紅外焦平面讀出電路原理圖，將第一譜段陣列和第二譜段陣列設(shè)計為共用同一個數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊
[0011]根據(jù)設(shè)計的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計，在設(shè)計中將第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對稱設(shè)置，將數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊設(shè)置于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，并分別第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。
[0012]進(jìn)一步，設(shè)計紅外焦平面讀出電路原理圖還包括:增設(shè)若干數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個數(shù)字緩沖器輸入端與數(shù)字控制電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列；每個單位增益緩沖器的輸入端與偏置電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列。
[0013]進(jìn)一步，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計還包括:對紅外焦平面讀出電路中敏感器件或模塊增加電源保護(hù)環(huán)；所述敏感器件或模塊包括信號注入管、像素單元電路、電流鏡以及運算放大器電路。
[0014]進(jìn)一步，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計還包括:對器件或模塊周圍添加dummy器件；所述器件包括積分電容和電流鏡器件。
[0015]進(jìn)一步，將積分電容設(shè)置在N阱中，且為N阱單獨設(shè)置一條的電源線。
[0016]本發(fā)明有益效果如下:本發(fā)明實現(xiàn)了同一塊紅外焦平面探測器同時完成兩個譜段信號處理工作，提高了紅外焦平面探測器系統(tǒng)的集成度，降低了整體應(yīng)用成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例中一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路版圖整體布局示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實施例中各模塊與雙譜段陣列信號連接示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實施例中具有強(qiáng)驅(qū)動能力的數(shù)字緩沖器與數(shù)字控制電路模塊連接示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實施例中單位增益緩沖器與偏置電路模塊連接示意圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實施例中一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計方法流程圖；
[0022]圖6是本發(fā)明實施例中對敏感器件或模塊增加保護(hù)環(huán)示意圖；
[0023]圖7是本發(fā)明實施例中高度匹配的器件周圍添加dU_y器件示意圖。

【具體實施方式】
[0024]為了解決現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)紅外焦平面探測器單片單用及多譜段應(yīng)用下集成度低的問題，本發(fā)明提供了一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計方法，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025]實施例一、
[0026]如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例中一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路，包括:譜段I陣列、譜段2陣列、數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；
[0027]紅外焦平面探測器讀出電路所應(yīng)用的兩個譜段的焦平面陣列分為上下兩塊排布，譜段I陣列和譜段2陣列分別代表了兩個譜段的信號處理電路。兩個模塊各自工作，互不影響，最終譜段I陣列輸出譜段I的探測器信號，譜段2陣列輸出譜段2的探測器信號。為了保證兩個譜段的均勻性和一致性，這兩個譜段焦平面陣列的必須嚴(yán)格對稱。譜段間應(yīng)當(dāng)留出一定的寬度，一方面為配合探測器的設(shè)計工藝，另一方面可以減小兩個譜段間的相互干擾。并且，每個譜段的焦平面陣列都應(yīng)當(dāng)充分使用隔離環(huán)圈起來，以此進(jìn)一步抑制兩個譜段間的相互串?dāng)_。數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊位于譜段I陣列和譜段2陣列兩側(cè)，分別通過若干金屬線與譜段I陣列和譜段2陣列連接，通過金屬線傳輸數(shù)字信號或偏置電壓?？紤]到兩個譜段讀出電路的工作時序一樣，且需要的偏置電壓一樣，因此設(shè)置共用一套偏置電路和數(shù)字控制電路。
[0028]如圖3和圖4所示，模塊共用會帶來新的問題，如，信號驅(qū)動力，譜段間的串?dāng)_等，因此為解決模塊共用可能引起驅(qū)動力與串?dāng)_等問題，對紅外焦平面讀出電路設(shè)置若干具有強(qiáng)驅(qū)動力的數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個強(qiáng)驅(qū)動力的數(shù)字緩沖器輸入端通過一條信號線與數(shù)字控制電路模塊連接，輸出端連接譜段I陣列和譜段2陣列；每個單位增益緩沖器的輸入端通過一條信號線與偏置電路模塊連接，輸出端連接譜段I陣列和譜段2陣列。設(shè)置若干強(qiáng)驅(qū)動力的數(shù)字緩沖器后，數(shù)字信號將不會因為負(fù)載的增加導(dǎo)致建立時間過長而影響正常時序，設(shè)置若干強(qiáng)驅(qū)動力的單位增益緩沖器可以使偏置信號保持穩(wěn)定。這里所說的強(qiáng)驅(qū)動力是指電路具有較強(qiáng)的電流能力(能流過較大電流)，能夠驅(qū)動較大的電容負(fù)載在短時間內(nèi)使信號建立起來。
[0029]本發(fā)明實施例中雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路，實現(xiàn)了在同一塊芯片上集成兩個譜段的紅外焦平面讀出電路，使用這樣讀出電路的紅外探測器產(chǎn)品在保證成像品質(zhì)的前提下，可以同時實現(xiàn)兩個譜段信號處理工作，而且兩個譜段相互沒有影響，大大提高了紅外焦平面探測器系統(tǒng)的集成度，降低了整體應(yīng)用成本。
[0030]實施例二、
[0031]本發(fā)明實施例中一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計方法，包括:
[0032]S101，設(shè)計紅外焦平面讀出電路原理圖，將第一譜段陣列和第二譜段陣列設(shè)計為共用同一個數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；在設(shè)計中考慮到數(shù)字模塊和偏置模塊的共用，要加大數(shù)字控制信號和偏置信號的驅(qū)動力，本設(shè)計中通過添加緩沖器實現(xiàn)；
[0033]對于讀出電路的設(shè)計采用通用的線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計方法實現(xiàn)即可，本發(fā)明中實施例選用了電容負(fù)反饋放大電路作為信號輸入級的讀出電路設(shè)計方法，并設(shè)計積分電容為多檔可調(diào)。
[0034]在原理圖設(shè)計階段，充分考慮到芯片面積和性能之間的折衷。雙譜段單片式的設(shè)計最大的特點是減小芯片面積，為了節(jié)省芯片面積，電路的數(shù)字控制模塊和偏置模塊等一些兩個譜段所共有的結(jié)構(gòu)可以考慮共用。在本設(shè)計中，實現(xiàn)了偏置模塊和數(shù)字控制模塊的共用，考慮兩個譜段讀出電路的工作時序一樣，且需要的偏置電壓一樣，因此可以共用一套偏置電路和數(shù)字控制電路。
[0035]但是，模塊共用也會帶來新的問題，如，信號驅(qū)動力、譜段間的串?dāng)_等。因此為解決模塊共用可能引起驅(qū)動力與串?dāng)_等問題，采用如下設(shè)計方法:一是給數(shù)字控制信號添加具有強(qiáng)驅(qū)動力的數(shù)字緩沖器，這樣，數(shù)字信號將不會因為負(fù)載的增加導(dǎo)致建立時間過長而影響正常時序；二是為偏置信號添加有大驅(qū)動力的單位增益緩沖器(采用單位增益放大器即可實現(xiàn))，增加緩沖器后，可以為兩個譜段提供穩(wěn)定的偏置信號。這種設(shè)計在不改變原有的數(shù)字控制模塊和偏置電路模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，僅通過添加有強(qiáng)驅(qū)動力的緩沖器就可以實現(xiàn)為兩個模塊同時提供穩(wěn)定的數(shù)字信號和偏置電壓，使設(shè)計周期和成本大大降低。
[0036]S102，根據(jù)設(shè)計的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計，在設(shè)計中將數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊設(shè)置于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，并分別設(shè)置若干信號線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。偏置信號與數(shù)字控制信號通過低電阻的寬金屬線引出，然后通過不同的金屬線分別接至兩個譜段陣列，實現(xiàn)對各譜段的控制和偏置電壓的提供。
[0037]在版圖的設(shè)計中，遵循通用的版圖設(shè)計規(guī)則，但同時也要考慮到雙譜段單片集成電路的特殊性，對版圖設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。重點考慮如何降低或消除譜段間的干擾，在本設(shè)計中采用了以下兩種方法。一是為敏感器件或模塊增加保護(hù)環(huán)(隔離環(huán))，如信號注入管、像素單元電路、電流鏡以及運算放大器電路，這些模塊需要較高的精度，因此這些模塊中的MOS管應(yīng)該使用保護(hù)環(huán)進(jìn)行隔離保護(hù)。如圖6所示，電源保護(hù)環(huán)與硅芯片襯底形成反向偏置的二極管，可以有效地隔離周圍雜散信號以及襯底噪聲對被保護(hù)器件和模塊的影響；二是在要求高度匹配的器件周圍添加du_y (陪管，為提高CMOS工藝一致性而設(shè)計的冗余器件)器件，主要包括積分電容和電流鏡器件。如圖7所示，積分電容和電流鏡中MOS管必須保持高度的匹配，該設(shè)計中為了提高讀出電路芯片適用范圍，設(shè)計了多檔不同的積分電容，因此不同積分電容間的比例和電流鏡中MOS管的比例應(yīng)當(dāng)與原理圖設(shè)計一致，這樣才能讓電路版圖的物理實現(xiàn)與原理圖設(shè)計結(jié)果盡可能一樣，同時也能夠維持信號的一致性和偏置的穩(wěn)定性。這一點可以通過設(shè)置drnnrny器件來盡量保證，添加這些drnnrny器件可以充分提高CMOS工藝的一致性，從而確保積分電容比例和電流鏡中MOS管的比例可以嚴(yán)格遵守設(shè)計值。另外，為了減小硅襯底噪聲對積分電容的影響，應(yīng)將積分電容制作在N阱中，且為N阱單獨連接一條電源線，該N阱與襯底形成反向偏置二極管能夠有效地減少襯底噪聲耦合，提高積分信號精度。
[0038]另外，在版圖的整體布局中，為了保證兩個譜段的均勻性和一致性，這兩個譜段焦平面陣列被設(shè)計為嚴(yán)格對稱。兩個譜段間留出一定的寬度，一方面是配合紅外探測器的設(shè)計工藝，另一方面可以進(jìn)一步減小兩個譜段間的相互干擾。并且，每個譜段的焦平面陣列都充分使用隔離環(huán)圈起來，兩個譜段電源線分開供電，，防止一個譜段動作時對另一個譜段造成影響，以此解決兩個譜段間信號相互串?dāng)_的問題。
[0039]S103，完成設(shè)計，進(jìn)行流片。
[0040]本發(fā)明實施例中的設(shè)計方法，在保證現(xiàn)有的焦平面探測器性能的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)紅外焦平面探測器單片單用、多譜段應(yīng)用下集成度低的缺點，實現(xiàn)起來非常容易。
[0041]盡管為示例目的，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到各種改進(jìn)、增加和取代也是可能的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)不限于上述實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路，其特征在于，包括: 第一譜段陣列、第二譜段陣列、數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；所述第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對稱設(shè)置且位于同一芯片，數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊位于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，分別通過若干信號線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外焦平面讀出電路，其特征在于， 所述紅外焦平面讀出電路還包括若干數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個數(shù)字緩沖器輸入端與數(shù)字控制電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列；每個單位增益緩沖器的輸入端與偏置電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列。
3.一種雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計方法，其特征在于，包括: 設(shè)計紅外焦平面讀出電路原理圖，將第一譜段陣列和第二譜段陣列設(shè)計為共用同一個數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊； 根據(jù)設(shè)計的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計，在設(shè)計中將第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對稱設(shè)置，將數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊設(shè)置于第一譜段陣列和第二譜段陣列兩側(cè)，并分別與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)計方法，其特征在于，設(shè)計紅外焦平面讀出電路原理圖還包括: 增設(shè)若干數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個數(shù)字緩沖器輸入端與數(shù)字控制電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列；每個單位增益緩沖器的輸入端與偏置電路模塊連接，輸出端連接第一譜段陣列和第二譜段陣列。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)計方法，其特征在于，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計包括: 對紅外焦平面讀出電路中敏感器件或模塊增加電源保護(hù)環(huán)；所述敏感器件或模塊包括信號注入管、像素單元電路、電流鏡以及運算放大器電路。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)計方法，其特征在于，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計還包括: 對高度匹配的器件周圍添加du_y器件；所述高度匹配的器件包括積分電容和電流鏡器件。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)計方法，其特征在于，將積分電容設(shè)置在N阱中，且為N阱單獨設(shè)置一條的電源線。
【文檔編號】G01J5/10GK104458004SQ201410685706
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】王靜, 劉曉磊, 鄧旭光, 岳冬青 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所