全差分输出型线列红外焦平面读出电路的设计方法

技术领域

本申请涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路的设计方法。

背景技术

在高速、高分辨成像等新一代光电技术牵引下，红外焦平面探测器向着高灵敏度，增加识别距离，降低成本的方向不断优化发展。

为了满足不断提高的分辨率要求和与之相对应的图像信噪比的要求，TDI技术应运而生，这种技术通过对同一目标多次曝光，提高传感器灵敏度。TDI线列型红外焦平面探测器可以实现高帧频、低噪声红外信号的探测，采用扫描式成像，可以获得大的幅宽。探测器信号经过读出电路积分、采样、放大、传输后，进入后端信号处理系统。信号处理系统对信号进行调理、滤波、转换等，最终实现图像显示。随着探测器技术的不断发展，要求红外探测器系统的探测速率、信噪比、集成度越来越高。相应的对红外探测器读出电路的功能和性能也要做新的要求：

1、线列型探测器通常采用TDI工作模式实现，该模式通过多元累加积分平均的方法，实现信噪比提升。因为在平均运算过程中，信号和噪声同时被平均，最终可以实现电路的信噪比提高。另一方面，采用全差分信号输出，也能提高信号传输过程中的抗干扰能力，抑制共模噪声，提升信号远距离传输能力。

2、更高频率的输出，以适应高速探测需求。探测速率越高，要求电路的读出速度越快，而速度与功耗相互制约，尤其对于TDI型探测器，采用大量的运算放大器，速度提升要求放大器驱动能力增强，对应功耗增加剧烈，需从应用层面采用更合适的电路结构。

发明内容

本申请实施例提供一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路的设计方法，在现有的TDI线列型读出电路基础上，设计差分输出转换模块，该模块与读出电路通过握手信号有机的结合起来。当接收到握手信号后，差分输出模块开始工作，将线列型读出电路的单端输出信号转换为差分输出信号，实现全差分输出，共模电平可调。

本申请实施例提供一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路，包括：

差分信号转换电路，用以接入信号处理系统接口，并与TDI读出电路连接，所述差分信号转换电路用以基于开关电容电路对所述TDI读出电路的输出进行采样，并输出全差分信号至所述信号处理系统接口；

TDI读出电路，包含信号输出所需的多个通道，以及用以提供差分转换所需的握手信号。

可选的，在所述TDI读出电路为TDI线列型读出电路的情况下，所述差分信号转换电路的工作频率为所述TDI读出电路的倍频，用以对线列输出信号进行转换，以实现单端信号转化为全差分信号。

可选的，所述差分信号转换电路，采用电容采样模式的转换电路；

所述差分信号转换电路包括开关电容、轨到轨全差分运放和不交叠时钟簇；

其中，所述轨到轨全差分运放用以将所述TDI读出电路的单端输出信号转换为全差分输出信号。

可选的，所述TDI线列型读出电路的输出信号作为所述差分信号转换电路的输入信号，在所述差分转换电路识别到所述握手信号后，触发开关电容电路工作，以顺序将多个通道进行转换输出。

可选的，所述开关电容工作在乒乓模式。

本申请实施例还提出一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路的设计方法，包括：

根据应用要求确定TDI读出电路输出通道数，并基于TDI读出电路提供差分转换所需的握手信号；

将差分信号转换电路接入所述TDI读出电路，以基于所述差分信号转换电路的开关电容电路对所述TDI读出电路的输出进行采样，并输出全差分信号至信号处理系统接口。

可选的，在所述TDI读出电路为TDI线列型读出电路的情况下，所述差分信号转换电路的工作频率为所述TDI读出电路的倍频，用以对线列输出信号进行转换，以实现单端信号转化为全差分信号。

可选的，还包括将所述TDI线列型读出电路的输出信号作为所述差分信号转换电路的输入信号，在所述差分转换电路识别到所述握手信号后，触发开关电容电路工作，以顺序将多个通道进行转换输出。

本申请实施例通过在现有的TDI线列型读出电路基础上，设计差分输出转换模块，该模块与读出电路通过握手信号有机的结合起来。当接收到握手信号后，差分输出模块开始工作，将线列型读出电路的单端输出信号转换为差分输出信号，实现全差分输出，共模电平可调。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的红外焦平面读出电路的架构示例；

图2为本申请实施例的红外焦平面读出电路的部分电路结构示例；

图3为本申请实施例的红外焦平面读出电路的不交叠时钟簇设计示例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本申请实施例提供一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路，如图1所示，包括：

差分信号转换电路，用以接入信号处理系统接口，并与TDI读出电路连接，所述差分信号转换电路用以基于开关电容电路对所述TDI读出电路的输出进行采样，并输出全差分信号至所述信号处理系统接口。

TDI读出电路，包含信号输出所需的多个通道，以及用以提供差分转换所需的握手信号。

本申请实施例的红外焦平面读出电路由两个模块电路组合而成，包括差分信号转换电路和TDI读出电路，灵活性高，适应性强。其中TDI读出电路可以是TDI线列型读出电路，用以提供握手信号，并且可以工作在低频、低功耗的状态下，对电路的驱动能力要求不高，对于红外焦平面探测器来说低功耗能够带来的优势是诸多的。本申请实施例进设计单独的差分电路(差分信号转换电路)实现信号转换，通过灵活的组合可以实现输出频率提升，降低焦平面功耗压力。

以4路输出为例，利用差分信号转换电路可以实现读出频率提升4倍，而TDI读出电路的功耗不变。

在一些具体示例中，本申请实施例采用一个主时钟，提供给两个不同的电路，每个电路本地生成自己所需要的工作时钟，从而确保时序一致性。

本申请实施例通过在现有的TDI线列型读出电路基础上，设计差分输出转换模块，该模块与读出电路通过握手信号有机的结合起来。当接收到握手信号后，差分输出模块开始工作，将线列型读出电路的单端输出信号转换为差分输出信号，实现全差分输出，共模电平可调。

在一些实施例中，在所述TDI读出电路为TDI线列型读出电路的情况下，所述差分信号转换电路的工作频率为所述TDI读出电路的倍频，用以对线列输出信号进行转换，以实现单端信号转化为全差分信号。

图2示出了本申请实施例红外焦平面读出电路的具体结构和实现形式。其中，TDI读出电路可以是其他形式的单端输出红外焦平面读出电路。其信号通过TDI输出级输出，作为差分转换模块的输入信号。

TDI读出电路输出通道数决定整个电路的工作频率、功耗等，本申请实施例以4通道设计为例，实际可以根据应用需求调整和拓展，并确定电路中的握手信号，提供信号转换的起始电平。其中，握手信号通过时序电路组合逻辑产生，与信号读出长度一致，可作为信号输出起始标志。该信号在TDI读出电路本帧完成复位准备输出有效信号时给出，到下一帧开始复位时结束。

在一些实施例中，所述差分信号转换电路，采用电容采样模式的转换电路；所述差分信号转换电路包括开关电容、轨到轨全差分运放和不交叠时钟簇；其中，所述轨到轨全差分运放用以将所述TDI读出电路的单端输出信号转换为全差分输出信号。

具体的，差分信号转换电路，这部分是实现高适应性、大驱动力差分信号的关键。通过开关电容电路，实现对TDI线列电路输出的采样，开关电容工作在乒乓模式，交替进行，这样可以降低TDI线列型读出电路的速率，降低其设计压力。在一些实施例中，所述开关电容工作在乒乓模式。

差分信号转换电路包括TDI读出电路和差分信号转换电路两个主体电路，其中，TDI读出电路产生探测器输出信号V

差分输出级的差分运放的同相端和第一输出端OUT-之间并联有开关RST和第五电容Cout-，差分输出级的差分运放的反相端和第二输出端OUT+之间并联有开关RST和第六电容Cout+。

图2中将其输出分为4通道，实际通道数划分可由应用要求确定。握手信号和输出信号通过一定的封装形式，如柔带线等与差分信号转换电路相连接。差分信号转换电路采用乒乓结构的开关电容电路实现，可以降低前级电路的负载要求、不影响采样速率。最终，信号以全差分形式输出，并且输出共模电平可调以更大范围的适应后端图像处理接口电路。

如图3所示，本申请实施例为差分信号转换电路设计了不交叠时钟簇S1、S1，S1a～S1d以及S2、S2，、S2a～S2d，这几个信号非常关键，决定了信号的传输，具体的，不交叠时钟簇的工作原理如下：

在识别握手信号下降沿后，生成乒乓采样信号S1、S1’和S2、S2’，其中S1’和S2’分别是S1和S2通过反相器微小延时信号，目的是消除开关注入效应，提高采样精度。S1和S2交替采样TDI读出电路的输出信号至电容Csh1和Csh2上。当S1采样时，S2关断保持信号，同时S1a、S1b、S1c、S1d按顺序分别完成Csh2上已采信号的转移。在每次转移前，先对Cout-电容进行复位，然后完成信号转移，顺序输出四通道转换后的差分信号out-。同理，当S2采样时，S1关断保持信号，同时S2a、S2b、S2c、S2d按顺序分别完成Csh1上已采信号的转移。在每次转移前，先对Cout+电容进行复位，然后完成信号转移，顺序输出四通道转换后的差分信号out+。最终获得全差分输出信号。转换过程一直持续到下一个握手信号的上升沿来临，完成本帧输出信号的转换，通过开关簇的顺序动作，实现信号输出4倍频。

通过开关采样、保持的动作，TDI线列型电路与差分转换模块的工作频率可以不一致，以此实现整体功耗的控制，提高线列型读出电路的可靠性和实用性。

实现差分信号转换的另一个关键模块是差分运放，其性能决定了最终输出信号性能。本设计采用轨到轨运放实现该功能，并且共模电平可调，实现信号大范围的调理。在一些实施例中，所述TDI线列型读出电路的输出信号作为所述差分信号转换电路的输入信号，在所述差分转换电路识别到所述握手信号后，触发开关电容电路工作，以顺序将多个通道进行转换输出。

具体的，将TDI线列型读出电路与差分信号转换电路通过握手信号、输出信号连接起来。TDI线列型读出电路的输出信号作为差分信号转换电路的输入信号，当差分转换电路识别到握手信号后，开关簇开始工作，顺序将4个通道的信号进行转换输出。这样，实现单端信号转化为全差分信号输出，同时将TDI读出电路的输出速率提升4倍。

本申请实施例用一个TDI线列型红外读出电路和一个差分信号转换模块，实现单端输出信号到差分输出信号的转化，提升信号抗干扰能力。同时对TDI线列型读出电路的设计没有过多的限制，其可以工作在低频、低功耗的状态下，电路输出驱动能力要求也不高。通过后端的差分输出转换模块提高信号的读出速率，，提供具有大范围适应性的差分信号，包括共模电平可调、输出驱动能力大，可以取代现有的后端信号处理系统中的信号调理模块部分功能，提高探测器系统整体集成度。这对于红外焦平面探测器系统来说是十分有益的。通过部分模块实现电路处理速率的提升，分担部分功耗压力，不需要牺牲整个电路功耗。

本申请实施例还提出一种全差分输出型线列红外焦平面读出电路的设计方法，包括如下步骤：

步骤A、根据应用要求确定TDI读出电路输出通道数，并基于TDI读出电路提供差分转换所需的握手信号。具体的，TDI线列型读出电路工作在低频，从而降低功耗，同时提供差分转换需要的握手信号。在所述TDI读出电路为TDI线列型读出电路的情况下，所述差分信号转换电路的工作频率为所述TDI读出电路的倍频，用以对线列输出信号进行转换，以实现单端信号转化为全差分信号。

步骤B、将差分信号转换电路接入所述TDI读出电路，以基于所述差分信号转换电路的开关电容电路对所述TDI读出电路的输出进行采样，并输出全差分信号至信号处理系统接口。差分信号转换模块，对TDI线列输出信号进行转换，实现单端信号转化为全差分信号，同时，该模块工作频率为TDI线列型读出电路倍频，可提升读出速率。将所述TDI线列型读出电路的输出信号作为所述差分信号转换电路的输入信号，在所述差分转换电路识别到所述握手信号后，触发开关电容电路工作，以顺序将多个通道进行转换输出。

步骤C、结合差分信号转换电路和TDI读出电路，识别握手信号，实现读出电路全差分输出，提高读出速率同时控制整体功耗。

在所述步骤A中，首先根据应用要求确定TDI读出电路输出通道数，这一点决定了整个电路的工作频率、功耗等，以4通道设计为例，实际可以根据应用需求调整和拓展。确定电路中的握手信号，提供信号转换的起始电平。

在所述步骤B中，设计合适的差分信号转换电路，这是实现信号全差分输出的关键。本设计中，采用电容采样模式的转换电路，包括开关电容、高性能轨到轨全差分运放、不交叠时钟簇等模块。

在所述步骤B中，采用高性能轨到轨运放负责将读出电路的单端输出信号转换为全差分输出信号，实现加强信号传输过程中的抗干扰能力。该运放设计共模电平可调，并且可驱动＞200Ω差分电阻，可以适应后端不同类型模/数转换器的输入需求。

在所述步骤C中，将TDI读出电路和差分输出转换电路通过握手信号、输出信号等有机的联合起来，形成可以实现信号全差分输出的红外探测器读出电路模块。这种联合可以采用短柔带线实现两个电路模块间的连接和信号沟通。

在所述步骤C中，差分输出模块通过识别握手信号，开始进行信号转换，最终输出共模电平可调节的全差分信号。

本申请实施例的全差分输出型线列红外焦平面读出电路设计方法，实现了红外读出电路信号处理能力的提升，提高探测器系统的集成度。采用全差分信号输出，可以很好的抑制信号传输过程中线上干扰，适合大型系统中的长距离传输。同时，差分信号具有大范围适应性，包括共模电平可调、输出驱动能力大，可以取代现有的后端信号处理系统中的信号调理模块部分功能，提高探测器系统整体集成度。通过部分模块实现电路处理速率的提升，不需要整个电路牺牲功耗。这些特征符合红外焦平面探测器产品高集成度、多功能化、低功耗的发展需求，最终实现设计成本降低。

需要说明的是，在本申请各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。