雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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(jì)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(duì)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(guò)若干信號(hào)線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了同一塊紅外焦平面探測(cè)器同時(shí)完成兩個(gè)譜段信號(hào)處理工作，提高了紅外焦平面探測(cè)器系統(tǒng)的集成度，降低了整體應(yīng)用成本。
【專利說(shuō)明】雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路及設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測(cè)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(jì)方法。

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


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)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(jì)方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)紅外焦平面探測(cè)器單片單用及多譜段應(yīng)用下集成度低的問(wèn)題。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)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(duì)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(guò)若干信號(hào)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(gè)數(shù)字緩沖器輸入端通過(guò)信號(hào)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(gè)單位增益緩沖器的輸入端通過(guò)信號(hào)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(jì)方法，包括:
[0010]設(shè)計(jì)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(jì)為共用同一個(gè)數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊
[0011]根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中將第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)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(jì)還包括:對(duì)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(hào)注入管、像素單元電路、電流鏡以及運(yùn)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(jì)還包括:對(duì)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(dú)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(shí)現(xiàn)了同一塊紅外焦平面探測(cè)器同時(shí)完成兩個(gè)譜段信號(hào)處理工作，提高了紅外焦平面探測(cè)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(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)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(shí)施例中各模塊與雙譜段陣列信號(hào)連接示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)方法流程圖；
[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)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(shí)施例中高度匹配的器件周圍添加dU_y器件示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]為了解決現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)紅外焦平面探測(cè)器單片單用及多譜段應(yīng)用下集成度低的問(wèn)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(jì)方法，以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025]實(shí)施例一、
[0026]如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)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(cè)器讀出電路所應(yīng)用的兩個(gè)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(gè)譜段的信號(hào)處理電路。兩個(gè)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(cè)器信號(hào)，譜段2陣列輸出譜段2的探測(cè)器信號(hào)。為了保證兩個(gè)譜段的均勻性和一致性，這兩個(gè)譜段焦平面陣列的必須嚴(yán)格對(duì)稱。譜段間應(yīng)當(dāng)留出一定的寬度，一方面為配合探測(cè)器的設(shè)計(jì)工藝，另一方面可以減小兩個(gè)譜段間的相互干擾。并且，每個(gè)譜段的焦平面陣列都應(yīng)當(dāng)充分使用隔離環(huán)圈起來(lái)，以此進(jìn)一步抑制兩個(gè)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(guò)若干金屬線與譜段I陣列和譜段2陣列連接，通過(guò)金屬線傳輸數(shù)字信號(hào)或偏置電壓?？紤]到兩個(gè)譜段讀出電路的工作時(shí)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(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，如，信號(hào)驅(qū)動(dòng)力，譜段間的串?dāng)_等，因此為解決模塊共用可能引起驅(qū)動(dòng)力與串?dāng)_等問(wèn)題，對(duì)紅外焦平面讀出電路設(shè)置若干具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)字緩沖器和若干單位增益緩沖器，每個(gè)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)字緩沖器輸入端通過(guò)一條信號(hào)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(gè)單位增益緩沖器的輸入端通過(guò)一條信號(hào)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(dòng)力的數(shù)字緩沖器后，數(shù)字信號(hào)將不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的增加導(dǎo)致建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響正常時(shí)序，設(shè)置若干強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的單位增益緩沖器可以使偏置信號(hào)保持穩(wěn)定。這里所說(shuō)的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力是指電路具有較強(qiáng)的電流能力(能流過(guò)較大電流)，能夠驅(qū)動(dòng)較大的電容負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)使信號(hào)建立起來(lái)。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例中雙譜段單片集成線列型紅外焦平面讀出電路，實(shí)現(xiàn)了在同一塊芯片上集成兩個(gè)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(cè)器產(chǎn)品在保證成像品質(zhì)的前提下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)譜段信號(hào)處理工作，而且兩個(gè)譜段相互沒(méi)有影響，大大提高了紅外焦平面探測(cè)器系統(tǒng)的集成度，降低了整體應(yīng)用成本。
[0030]實(shí)施例二、
[0031]本發(fā)明實(shí)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(jì)方法，包括:
[0032]S101，設(shè)計(jì)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(jì)為共用同一個(gè)數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊；在設(shè)計(jì)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(hào)和偏置信號(hào)的驅(qū)動(dòng)力，本設(shè)計(jì)中通過(guò)添加緩沖器實(shí)現(xiàn)；
[0033]對(duì)于讀出電路的設(shè)計(jì)采用通用的線列型紅外焦平面讀出電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)即可，本發(fā)明中實(shí)施例選用了電容負(fù)反饋放大電路作為信號(hào)輸入級(jí)的讀出電路設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)積分電容為多檔可調(diào)。
[0034]在原理圖設(shè)計(jì)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(jì)最大的特點(diǎn)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(gè)譜段所共有的結(jié)構(gòu)可以考慮共用。在本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了偏置模塊和數(shù)字控制模塊的共用，考慮兩個(gè)譜段讀出電路的工作時(shí)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(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，如，信號(hào)驅(qū)動(dòng)力、譜段間的串?dāng)_等。因此為解決模塊共用可能引起驅(qū)動(dòng)力與串?dāng)_等問(wèn)題，采用如下設(shè)計(jì)方法:一是給數(shù)字控制信號(hào)添加具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)字緩沖器，這樣，數(shù)字信號(hào)將不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的增加導(dǎo)致建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響正常時(shí)序；二是為偏置信號(hào)添加有大驅(qū)動(dòng)力的單位增益緩沖器(采用單位增益放大器即可實(shí)現(xiàn))，增加緩沖器后，可以為兩個(gè)譜段提供穩(wěn)定的偏置信號(hào)。這種設(shè)計(jì)在不改變?cè)械臄?shù)字控制模塊和偏置電路模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)添加有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的緩沖器就可以實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)模塊同時(shí)提供穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)和偏置電壓，使設(shè)計(jì)周期和成本大大降低。
[0036]S102，根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)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(hào)線與第一譜段陣列和第二譜段陣列連接。偏置信號(hào)與數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)低電阻的寬金屬線引出，然后通過(guò)不同的金屬線分別接至兩個(gè)譜段陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)各譜段的控制和偏置電壓的提供。
[0037]在版圖的設(shè)計(jì)中，遵循通用的版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，但同時(shí)也要考慮到雙譜段單片集成電路的特殊性，對(duì)版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。重點(diǎn)考慮如何降低或消除譜段間的干擾，在本設(shè)計(jì)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(hào)注入管、像素單元電路、電流鏡以及運(yùn)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(hào)以及襯底噪聲對(duì)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(jì)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(jì)中為了提高讀出電路芯片適用范圍，設(shè)計(jì)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(jì)一致，這樣才能讓電路版圖的物理實(shí)現(xiàn)與原理圖設(shè)計(jì)結(jié)果盡可能一樣，同時(shí)也能夠維持信號(hào)的一致性和偏置的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)可以通過(guò)設(shè)置drnnrny器件來(lái)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(jì)值。另外，為了減小硅襯底噪聲對(duì)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(dú)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(hào)精度。
[0038]另外，在版圖的整體布局中，為了保證兩個(gè)譜段的均勻性和一致性，這兩個(gè)譜段焦平面陣列被設(shè)計(jì)為嚴(yán)格對(duì)稱。兩個(gè)譜段間留出一定的寬度，一方面是配合紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)工藝，另一方面可以進(jìn)一步減小兩個(gè)譜段間的相互干擾。并且，每個(gè)譜段的焦平面陣列都充分使用隔離環(huán)圈起來(lái)，兩個(gè)譜段電源線分開(kāi)供電，，防止一個(gè)譜段動(dòng)作時(shí)對(duì)另一個(gè)譜段造成影響，以此解決兩個(gè)譜段間信號(hào)相互串?dāng)_的問(wèn)題。
[0039]S103，完成設(shè)計(jì)，進(jìn)行流片。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例中的設(shè)計(jì)方法，在保證現(xiàn)有的焦平面探測(cè)器性能的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)紅外焦平面探測(cè)器單片單用、多譜段應(yīng)用下集成度低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易。
[0041]盡管為示例目的，已經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)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(shí)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(duì)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(guò)若干信號(hào)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(gè)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(gè)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(jì)方法，其特征在于，包括: 設(shè)計(jì)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(jì)為共用同一個(gè)數(shù)字控制電路模塊和偏置電路模塊； 根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中將第一譜段陣列和第二譜段陣列上下對(duì)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(jì)方法，其特征在于，設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)方法，其特征在于，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計(jì)包括: 對(duì)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(hào)注入管、像素單元電路、電流鏡以及運(yùn)算放大器電路。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，完成紅外焦平面讀出電路版圖設(shè)計(jì)還包括: 對(duì)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(jì)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(dú)設(shè)置一條的電源線。
【文檔編號(hào)】G01J5/10GK104458004SQ201410685706
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所