專利名稱：一種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號數字化模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器讀出信號的數字化，具體涉及一種弛豫鐵電材料紅外光傳
感器讀出信號的數字化模塊。
背景技術：
從20世紀70年代至今，世界各國爭相發展紅外探測技術，西方發達國家一直在積 極進行研究，投入大量的人力、物力，相繼研制和開發了非致冷紅外焦平面列陣。其規模從 單元探測器發展到多元、線列和面陣，目前已成為紅外科學領域的研究前沿。我國科學家最 新發現的以PMNT為代表的弛豫鐵電單晶在熱擴散系數、物化性能等方面具有優異的熱釋 電綜合性能，用其制成的傳感器具有結構簡單，功耗低等優點，具有非常誘人的廣泛應用前 景。目前，基于弛豫鐵電單晶這種新型熱釋電材料紅外光傳感器和配套的讀出電路芯片正 在積極研究。同時隨著數字集成電路技術的迅猛發展，帶來了前所未有的高復雜信號的處 理能力，將讀出電路信號轉化成數字信號，可以完成原來讀出電路所不能完成的信號的存 儲、變換、去噪聲和數字化傳輸等功能。所以人們希望把紅外焦平面模擬信號轉換為數字信 號來處理。 我國科學家最新發現的弛豫鐵電材料做成的紅外光傳感器具有很高的動態范圍 (約70dB)、功耗低的特點，本發明解決了這種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號數字化 問題，發揮出了這種新型材料的優點。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號的數字化輸
出模塊，將紅外光傳感器讀出電路信號轉化成數字信號。 上述目的通過下述的技術方案來實現 包括將讀出電路輸出信號轉化為數字信號的調制器電路模塊；將調制器輸出信號 進行抽取、濾波的降采樣數字抽取濾波器模塊；產生兩相不交疊時鐘信號的時鐘電路模塊； 為以上各模塊提供電壓基準和電流基準的基準源電路模塊；上述模塊集成在一集成電路芯 片上，芯片主要功耗在數字抽取濾波器部分，采用大規模數字集成電路技術，芯片的靜態功 耗較小。 所述調制器電路模塊調制器模塊由PGA (可編程增益調整電路)電路、開關電容積 分器電路、lbit DAC電路、比較器電路、由開關電容耦合實現的前饋通路、調制器輸出級電 路組成。 所述PGA(可編程增益調整電路)電路作為調制器模塊的輸入端。讀出電路輸出的 模擬信號進入調制器模塊后，首先進入PGA(可編程增益調整電路)進行1、2、8、16倍的可 編程增益調整，從而擴大滿幅度輸入范圍，使整個調制器不會因為輸入信號過小而導致SNR 的大幅度下降。 所述開關電容積分器電路包括MOS開關、電容和運算放大器。開關的控制時鐘為兩相不交疊時鐘模塊輸出的兩相不交疊時鐘提供，用于消除時鐘饋通效應。整個運放包括 了三部分偏置部分、OTA、共模反饋電路。 所述lbit DAC電路為調制器提供了反饋回路，將調制輸出的數字信號轉換為正負 參考電平與輸入信號疊加。主要由lbit DAC控制電路和參考電平反饋選擇電路兩部分組 成。
所述比較器電路由三部分組成差分輸入級、鎖存器和輸出級。
所述前饋通路由開關電容耦合實現，開關電容作用為消除時鐘饋通效應。 所述調制器輸出級電路為RS觸發器，鎖存比較器的半周期輸出。 所述降采樣數字抽取濾波器由兩級梳妝由兩個梳妝抽取濾波器級聯組成，抽取率
M二32，采用二進制補碼輸出。 所述產生兩相不交疊時鐘信號的時鐘電路模塊主要由一個帶延遲的組合模塊和 RS觸發器構成，其中，帶延遲的組合模塊由兩個延遲電路單元通過交叉耦合得到，RS觸發 器由兩個交叉耦合的與非門組成。將兩相不交疊時鐘產生模塊的時鐘輸入信號，經反相器 取反后，生成一對帶交疊的兩相時鐘，送入RS觸發器中，觸發器將交疊部分都拉為低電平， 消除交疊時間。得到的兩相不交疊時鐘信號，送入帶延遲的組合模塊，得到的信號反饋給RS 觸發器后，能夠延長非交疊時間，減小時溝道電荷注入效應對開關電容的影響。
所述基準源電路模塊采用普通的帶隙基準結構實現，以兼容于目前通用的CMOS 工藝，便于集成和大規模應用。 本發明將紅外光傳感器讀出信號作為數字化單元的輸入信號，進入PGA(可編程 增益調整電路)模塊調整增益，從而擴大滿幅度輸入范圍，經過調制器輸出lbit的數字信 號，經過數字抽取濾波器將它轉化成16bit的二進制補碼輸出。完成讀出信號的數字化，便 于完成原來讀出電路所不能完成的信號的存儲、變換、去噪聲和數字化傳輸等功能。
圖1是紅外光傳感器讀出信號數字化模塊結構示意圖。 圖2是調制器電路模塊的結構示意圖。 圖3是時鐘電路模塊結構示意圖。 圖4是時鐘電路模塊的電路結構圖。 圖5是由時鐘電路模塊產生的兩相非交疊時鐘信號。 圖6是調制器仿真的輸入輸出波形。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 本發明電路模塊如圖1所示，主要由調制器電路模塊B ;降采樣數字抽取濾波器模 塊C ;產生兩相不交疊時鐘信號的時鐘電路模塊D ;為以上各模塊提供電壓基準和電流基準 的基準源電路模塊E組成。調制器電路模塊B將紅外光傳感器讀出電路A輸出的模擬信號 Fl轉化為lbit的數字信號。再經降采樣數字抽取濾波器模塊C將lbit的數字信號轉化為 16bit的二進制補碼輸出F2。以便于信號的存儲、變換、去噪聲和數字化傳輸等功能。時鐘 電路模塊D為調制器模塊B提供兩相非交疊時鐘，如圖5所示。基準源電路模塊E為調制器模塊B提供2. 5V電壓基準和1. 5uA的電流基準。 調制器電路模塊如圖2中的PGA(可編程增益調整電路)模塊A作為調制器模塊 的輸入端接收紅外光傳感器讀出電路輸出的模擬信號Fl，經過增益調整，送入積分器模塊， 經過比較器后通過lbit的DAC選擇正負參考電平于PGA(可編程增益調整電路)輸出端疊 加，然后反饋回積分器輸入端，實現反饋。 本發明中的時鐘電路模塊主要由RS觸發器單元、延遲單元組成，如圖3所示。
請參見圖4， RS觸發器單元由兩個交叉耦合的與非門組成，輸入的時鐘信號經過 反相器后和輸入的時鐘信號生成一對帶交疊的時鐘信號，送入RS觸發器后觸發器將交疊 部分都拉為低電平，消除交疊時間，而延遲模塊能提供足夠長時間的延遲。得到兩相非交疊 時鐘如圖5。 圖6為整體電路采用5V供電，基準電壓2. 5V，輸入470mv的3. 5kHz的正弦波，對 圖2進行仿真的輸入輸出波形。
本發明模塊的工作過程如下 紅外光傳感器讀出電路A輸出的模擬信號Fl經過調制器電路中的PGA (可編程增 益調整電路)電路模塊對輸入信號的增益控制，從而不會因為輸入信號過小而導致SNR的 大幅度下降。調制器電路模塊B將紅外光傳感器讀出電路A輸出的模擬信號F1轉化為lbit 的數字信號。再經降采樣數字抽取濾波器模塊C將lbit的數字信號轉化為16bit的二進 制補碼輸出F2。以便于信號的存儲、變換、去噪聲和數字化傳輸等功能。時鐘電路模塊D為 調制器模塊B提供兩相非交疊時鐘。基準源電路模塊E為調制器模塊B提供2. 5V電壓基 準和1.5uA的電流基準。
有益效果 本發明通過供一種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號的數字化輸出模塊，將紅 外光傳感器讀出電路信號轉化成數字信號，以完成現有的紅外光傳感器讀出電路所不能完 成的信號存儲、變換、去噪以及數字化傳輸等功能。
權利要求
一種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號的數字化模塊，其特征在于上述模塊與傳感器集成在單一芯片上，包括將讀出電路輸出信號轉化為數字信號的調制器電路模塊；將調制器輸出信號進行抽取、濾波的降采樣數字抽取濾波器模塊；產生兩相不交疊時鐘信號的時鐘電路模塊，為以上各模塊提供電壓基準和電流基準的基準源電路模塊；其中，所述產生兩相不交疊時鐘產生模塊，由一個帶延遲的組合模塊和RS觸發器構成，其中，帶延遲的組合模塊由兩個延遲電路單元通過交叉耦合得到，將兩相不交疊時鐘產生模塊的時鐘輸入信號，經反相器取反后，生成一對帶交疊的兩相時鐘，送入RS觸發器中，觸發器將交疊部分都拉為低電平，消除交疊時間，得到的兩相不交疊時鐘信號，送入帶延遲的組合模塊，得到的信號反饋給RS觸發器后，延長非交疊時間，減小時溝道電荷注入效應對開關電容的影響。
2. 根據權利要求1所述的數字化模塊，其特征在于該電路與系統內其他電路進行協同 化設計，使整個應用系統的性能的達到最優。
3. 根據權利要求2所述的數字化模塊，其特征在于在該低頻低噪聲傳感器讀出信號 處理系統內數字化技術有卓越的噪聲處理性能，并減小數字化電路本身引入新的噪聲。
4. 根據權利要求1所述的數字化模塊，其特征在于所述調制器電路模塊輸入由紅外 光傳感器讀出電路輸出端提供；所述調制器電路模塊、降采樣數字抽取濾波器模塊所需的 基準電壓和基準電源由基準源模塊提供；所述兩相不交疊時鐘產生模塊為調制器電路模塊 中開關電容積分器提供兩相不交疊時鐘，以減小時鐘饋通與電荷注入效應的影響，做好速 度與精度之間的折中；所述調制器電路模塊的輸出為降采樣數字抽取濾波器模塊提供輸入 信號，調制器出來的信號經過降采樣數字抽取濾波器的抽取、濾波后作為整個紅外光傳感 器讀出信號數字化技術的輸出信號。
5. 根據權利要求4所述的數字化模塊，其特征在于所述基準電路模塊采用普通的帶 隙基準結構實現，以兼容于目前通用的CMOS工藝，便于集成和大規模應用。
6. 根據權利要求4所述的數字化模塊，其特征在于所述調制器模塊由PGA電路、lbit DAC電路、比較器電路、開關電容積分器電路、由開關電容耦合實現的前饋通路、調制器輸出 級電路組成。
7. 根據權利要求4所述的數字化模塊，其特征在于所述降采樣數字抽取濾波器的抽取 由兩個梳妝抽取濾波器級聯組成，抽取率M = 32，采用二進制補碼輸出。
全文摘要
一種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號數字化技術，將紅外光傳感器讀出電路信號轉化成數字信號，可以完成原來讀出電路所不能完成的信號的存儲、變換、去噪聲和數字化傳輸等功能。解決了這種弛豫鐵電材料紅外光傳感器讀出信號數字化需要的高動態范圍和較低功耗問題，發揮出了這種新型材料的優點。其特征是包括將讀出電路輸出信號轉化為數字信號的調制器電路模塊；將調制器輸出信號進行抽取、濾波的降采樣數字抽取濾波器模塊；產生兩相不交疊時鐘信號的時鐘電路模塊；為以上各模塊提供電壓基準和電流基準的基準源電路模塊；上述模塊集成在一集成電路芯片上。芯片主要功耗在數字抽取濾波器部分，采用大規模數字集成電路技術，芯片的靜態功耗較小。
文檔編號G01J5/02GK101776482SQ201010004939
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者丁俊民, 景為平, 李嚴謹, 謝峰, 顧勇, 魯華祥 申請人:南通大學