讀出電路是紅外探測器(尤其是紅外焦平面陣列探測器)當中的十分重要的環節,充當紅外探測器光電信號與系統處理電路的溝通橋梁。在光電信號轉化過程中,一方面電流信號較小,讀出電路可放大微弱的電流信號;另一方面,數十至成百上千的探測元信號依次傳輸到讀出電路的單個輸出端,讀出電路實現信號多路傳輸。合適的讀出電路設計可降低噪聲,提升紅外探測器的性能。
讀出電路由M×N像素級輸入單元電路陣列、列級采樣/保持電路、行和列級移位寄存器及輸出放大級等幾部分組成,其構成圖如下。此外,讀出電路的單元電路面積由探測器像元尺寸決定,因此讀出電路作為主要組成部分需不斷適應紅外探測器的發展需求。
圖片來源:《第三代紅外焦平面探測器讀出電路》
在讀出電路中,電荷存儲能力、噪聲、電路動態范圍、積分時間、讀出幀頻、功耗等是主要性能參數。其中,增大電荷存儲能力和動態范圍有利于提高探測器靈敏度,低噪聲和低功耗也是電路設計必須考慮的關鍵因素,提高積分時間則更有利于電壓信號高效讀出,讀出電路的幀頻一般要求大于100f/s。
未來,讀出電路的接口會越來越簡單,減少不必要的引線,在焦平面內部即可產生控制電路的積分、采樣、讀出、開窗等功能的時序波形,以及需要的電路偏置電壓,并會朝著光纖、數字接口的方向發展;其次,讀出電路中集成模數轉換器,直接提供數字信號給后級電路,可大幅度地降低模擬信號傳輸過程中的噪聲,提高電路的信噪比。另外,隨著像元尺寸的減小,還可通過設計讀出電路的結構設計和工藝提升,保證電荷存儲能力,實現較高的靈敏度。