專利名稱：一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路。
背景技術(shù)：
自從上世紀(jì)50年代以來，可見光成像和紅外探測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域， 如安保設(shè)施、工業(yè)檢測、生物工程和空間遙感以及軍事偵察等等。為了能夠清晰的顯示被探測對象的細(xì)節(jié)，需要讀出電路對被探測對象的弱光部分和強光部分都能很好的進行信號讀出與處理，但目前光電探測器的動態(tài)范圍一般是60dB 70dB甚至更低，擴展動態(tài)范圍以及提高靈敏度越來越重要，本發(fā)明的設(shè)計思想是在光電信號轉(zhuǎn)換的過程中通過檢測光學(xué)信號的強弱來改變放大器的增益。專利公開號CN101540197A的《一種光存儲單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)計方法》，提出了一種增益可調(diào)的CTIA讀出結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在測試過程中是人為控制開關(guān)選通來得到不同的積分電容值，來實現(xiàn)增益可調(diào)。但是，這種電路結(jié)構(gòu)，需要人為判斷輸出電壓是否達到飽和點，然后控制開關(guān)把積分電容并上，從而改變輸出結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)的主要不足是人為觀察實驗結(jié)果會有誤差，很難做到既保證讀出的動態(tài)范圍較大又保證靈敏度較高， 導(dǎo)致實驗結(jié)果的不精確。專利申請?zhí)?01110168338.4的《一種增益自動可調(diào)放大器讀出結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法》，提出了一種后檢測式的增益自動可調(diào)放大器讀出電路，該結(jié)構(gòu)在電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)后加入比較器電路，首先設(shè)定比較器的閾值電壓，然后將電容反饋互導(dǎo)放大器 (CTIA)輸出的積分電壓與其進行比較來輸出控制信號控制積分電容的開啟與關(guān)閉，這樣的工作原理使得在積分過程中輸出電壓的曲線在一個工作周期內(nèi)是非線性的，如果要求較短的積分時間，在切上進行積分但還未達到飽和得時，此時被相關(guān)雙采樣進行采樣讀出的話就會輸出錯誤的積分電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路，它是在光電流信號進入讀出電路之前進行檢測，然后輸出控制信號來選通或關(guān)閉可選電容，能夠在光信號變化的瞬間就改變積分電容值，因此可以在短積分時間的情況下正常工作，大幅度提高了靈敏度和信噪比，實現(xiàn)了大動態(tài)范圍的讀出，確保了圖像質(zhì)量。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路， 包括由運放器OP1、積分電容Cp C2, C3、C0和開關(guān)Si、S2, S3、K ^組成的電容反饋互導(dǎo)放大器 (CTIA)讀出電路，積分電容C1與開關(guān)S1串接為第一分路，積分電容C2與開關(guān)&串接為第二分路，積分電容C3與開關(guān)&串接為第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、開關(guān)K Q和積分電容Ctl并接在運放器OP1的反相輸入端和輸出端上，其特點是在電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路與光電探測器D1連接的通路上串接敏感電阻&，電容反饋互導(dǎo)放大器 (CTIA)讀出電路的輸出連接相關(guān)雙采樣模塊；敏感電阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相輸入端上，敏感放大器OP2輸出依次連接多閾值模塊和與非門模塊；與非門模塊的三個輸出分別與選通開關(guān)S1A2和&連接；在光電流信號進入電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路之前進行檢測，由輸出控制信號來選通或關(guān)閉可選電容，然后經(jīng)電容反饋互導(dǎo)放大器 (CTIA)讀出電路增益后的信號由相關(guān)雙采樣模塊輸出，以光信號變化的瞬間改變積分電容值，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調(diào)。所述多閾值模塊由三個具有不同閾值電壓的施密特觸發(fā)器D2構(gòu)成，施密特觸發(fā)器 D2由PMOS管M1J2J3和匪OS管M4、M5、M6組成，M1漏極與M2源極和M3源極短接；M4源極與 M5源極和M6漏極短接；Μ” M2、M5、M6柵極短接為觸發(fā)器D2的輸入端；M3和M4的柵極與M2和 M5漏極連接為觸發(fā)器&的輸出端。所述與非門模塊為三個相互獨立的與非門單元組成，三個與非門單元的A輸入端分別與多閾值模塊的三個控制信號輸出端連接；三個與非門單元的B輸入端短接為復(fù)位信號端口 ；三個與非門單元的Z輸出端分別與電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路的選通開 *S”S2和S3連接。所述敏感放大器OP2由PMOS管M7、M8、M12、M13和匪OS管M9、M1(1、M11組成，M7和M8 的源極與M12的漏極連接，M7和M8的柵極分別為敏感放大器OP2的反相和正相輸入端,M7和 M8的漏極分別與NMOS管M9和Mltl的漏極連接，M9的柵極和漏極短接后與Mltl的柵極連接， M10的漏極與NMOS管M11的柵極連接，M11的漏極與M7的漏極連接為敏感放大器OP2的輸出端，M6與M7的柵極短接后為偏置電壓端口(Vbias) ； NMOS管M9、M10和M11的源極接地；PMOS 管M12和M13的源極短接后為電源端口(VDD)。所述相關(guān)雙采樣模塊由電容C21、C22、開關(guān)K i和K 2組成，電容C21的一端接地，其另一端與開關(guān)K1的出線連接后為一信號輸出端(Vout1)；電容Q的一端接地，其另一端與開關(guān)K2的出線連接后為另一信號輸出端(Vout2)；開關(guān)K工和K2的進線并接后為信號輸入端。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有靈敏度高，信噪比大，響應(yīng)速度快和動態(tài)范圍大的特點，通過檢測光電轉(zhuǎn)換器件的光生電流的強弱來實現(xiàn)對入射光信號強弱的檢測，增益的調(diào)節(jié)更加靈活，積分電容的控制更加迅速，降低干擾和噪聲，有效防止控制電路誤動作，確保圖像質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為電容反饋互導(dǎo)放大器電路圖； 圖3為多閾值模塊電路圖； 圖4為與非門模塊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為敏感放大器電路圖； 圖6為相關(guān)雙采樣模塊電路圖7為敏感放大器掃描不同光電流后輸出的檢測電壓圖； 圖8為多閾值模塊輸出的控制電平圖。
具體實施例方式參閱附圖1，本發(fā)明在電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I與光電探測器D1連接的通路上串接敏感電阻&，電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I的輸出連接相關(guān)雙采樣模塊II ；敏感電阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相輸入端上，敏感放大器OP2的輸出依次連接多閾值模塊III和與非門模塊IV ；與非門模塊的三個輸出分別與選通開關(guān)Si、S2 和&連接；在光電流信號進入電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I之前進行檢測，由輸出控制信號來選通或關(guān)閉積分電容Cp C2和C3,然后經(jīng)電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I增益后的信號由相關(guān)雙采樣模塊II輸出，在光信號變化的瞬間改變積分電容值，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調(diào)。參閱附圖2，電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I由運算放大器OP1、積分電容 Co、C” C2, C3和開關(guān)S” S2, S3> K 0組成，積分電容C1與開關(guān)S1串接為第一分路，積分電容C2 與開關(guān)&串接為第二分路，積分電容C3與開關(guān)&串接為第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、開關(guān)κ O和積分電容Ctl并接在運放器OP1的反相輸入端和輸出端上。積分電容Ctl為 0. 35 pF的固定電容，積分電容CpC2和C3為可選通電容，其中C1=L 65pF、C2=2pF、C3=4pF， 以選通積分電容Cp C2, C3和Ctl中的一個或數(shù)個的并接，實現(xiàn)0. 35pF、2pF、4pF和8pF的電容值組合。電容值的設(shè)定是通過計算得到的，其中IOnA以下采用積分電容CtlAOnA以下采用積分電容Ctl+ CnUOriA以下采用積分電容Cq+ C1 + C2，240nA以下采用積分電容C。+ C1 + ^2 + C3 °參閱附圖3，多閾值模塊III由三個具有不同閾值電壓的施密特觸發(fā)器D2構(gòu)成，施密特觸發(fā)器D2由PMOS管M1J2J3和匪OS管M4、M5、M6組成，M1漏極與M2源極和M3源極短接； M4源極與M5源極和M6漏極短接；Μ” M2、M5、M6柵極短接為觸發(fā)器D2的輸入端(Vin) ；M3和M4 的柵極與M2和M5漏極連接為觸發(fā)器D2的輸出端(VC1、Vc2或VC3)。參閱附圖4，與非門模塊IV為三個相互獨立的與非門單元組成，三個與非門單元的A輸入端分別與多閾值模塊III中三個施密特觸發(fā)器&輸出端連接；三個與非門單元的B 輸入端短接后與電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I中的開關(guān)Ktl連接一同受復(fù)位信號 (Reset)控制；三個與非門單元的Z輸出端分別與電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I 中的選通開關(guān)SpS2和&連接，三個施密特觸發(fā)器D2輸出的VC1、VC2和VC3信號由與非門模塊IV分別控制電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I中的積分電容C” C2和C3的開啟或關(guān)閉。參閱附圖5，所述敏感放大器OP2由PMOS管M7、M8、M12 ,M13和匪OS管M9、M1(1、Mn組成，M7和M8的源極與M12的漏極連接，M7和M8的柵極分別為敏感放大器OP2的反相和正相輸入端，M7和M8的漏極分別與NMOS管M9和Mltl的漏極連接，M9的柵極和漏極短接后與Miq 的柵極連接，M10的漏極與NMOS管M11的柵極連接，M11的漏極與M7的漏極連接為敏感放大器OP2的輸出端，M6與M7的柵極短接后為偏置電壓端口(Vbias) ;NM0S管M9Jlt^M11的源極接地；PMOS管M12和M13的源極短接后為電源端口(VDD)。參閱附圖6，所述相關(guān)雙采樣模塊II由電容C21、C22、開關(guān)K工和K 2組成，電容C21的一端接地，其另一端與開關(guān)K i的出線連接后為信號輸出端(Vout1);電容Q2的一端接地，其另一端與開關(guān)K 2的出線連接后為信號輸出端(Vout2)；開關(guān)K工和K 2的進線并接后為信號輸入端(Vin)，其輸入端口(Vin)與電容反饋互導(dǎo)放大器(CTIA)讀出電路I的輸出端連接。 相關(guān)雙采樣模塊II第一次相關(guān)采樣為讀取光電探測器D1的噪聲信號，第二次相關(guān)采樣為讀取光電探測器D1的有效信號和噪聲信號的疊加值，兩次相關(guān)采樣由不同的信號來控制，在后續(xù)電路里對這兩次信號做減法運算輸出有效的電壓信號。參閱附圖7，同一光電流在改變積分電容值Cint后輸出電壓的曲線會改變，當(dāng)光電探測器DJf入射光轉(zhuǎn)換成光電流T0，經(jīng)由CTIA電路積分后的輸出電壓I如下式(1)表示
權(quán)利要求
1.一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路，包括由運放器OP1、積分電容C” C2> C3、C0和開關(guān)Si、S2、S3、K ^組成的電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路，積分電容C1與開關(guān)S1 串接為第一分路，積分電容C2與開關(guān)&串接為第二分路，積分電容C3與開關(guān)&串接為第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、開關(guān)K0和積分電容Ctl并接在運放器OP1的反相輸入端和輸出端上，其特征在于電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路與光電探測器D1連接的通路上串接敏感電阻&，電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路的輸出連接相關(guān)雙采樣模塊；敏感電阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相輸入端上，敏感放大器OP2輸出依次連接多閾值模塊和與非門模塊；與非門模塊的三個輸出分別與選通開關(guān)S1AJW3連接；在光電流信號進入電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路之前進行檢測，由輸出控制信號來選通或關(guān)閉可選電容，然后經(jīng)電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路增益后的信號由相關(guān)雙采樣模塊輸出，以光信號變化的瞬間改變積分電容值，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光電轉(zhuǎn)換前端檢測增益自動可調(diào)讀出電路，其特征在于所述多閾值模塊由三個具有不同閾值電壓的施密特觸發(fā)器D2構(gòu)成，施密特觸發(fā)器A由PMOS管M1、 Μ2、Μ3和NMOS管Μ4、Μ5、Μ6組成，M1漏極與M2源極和M3源極短接；M4源極與M5源極和M6漏極短接；Mp M2、M5、M6柵極短接為觸發(fā)器D2的輸入端；Μ3和M4的柵極與M2和M5漏極連接為觸發(fā)器D2的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光電轉(zhuǎn)換前端式檢測增益自動可調(diào)讀出電路，其特征在于所述與非門模塊為三個相互獨立的與非門單元組成，三個與非門單元的A輸入端分別與多閾值模塊的三個控制信號輸出端連接；三個與非門單元的B輸入端短接為復(fù)位信號端口 ；三個與非門單元的Z輸出端分別與電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路的開關(guān)S” S2和&連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路，其特征在于所述敏感放大器OP2由PMOS管M7, M8, M12、M13和NMOS管M9, M10, M11組成，M7和M8的源極與M12 的漏極連接，M7和M8的柵極分別為敏感放大器OP2的反相和正相輸入端，M7和M8的漏極分別與NMOS管M9和Mltl的漏極連接，M9的柵極和漏極短接后與Mltl的柵極連接，Mltl的漏極與 NMOS管M11的柵極連接，M11的漏極與M7的漏極連接為敏感放大器OP2的輸出端，M6與M7的柵極短接后為偏置電壓端口 ；NMOS管M9、M10和M11的源極接地；PMOS管M12和M13的源極短接后為電源端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光電轉(zhuǎn)換前端檢測式增益自動可調(diào)讀出電路，其特征在于所述相關(guān)雙采樣模塊由電容c21、c22、開關(guān)K i和K 2組成，電容C21的一端接地，其另一端與開關(guān) K ！的出線連接后為一信號輸出端；電容C22的一端接地，其另一端與開關(guān)K 2的出線連接后為另一信號輸出端；開關(guān)K i和K 2的進線并接后為信號輸入端。2=
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光電轉(zhuǎn)換前端檢測增益自動可調(diào)讀出電路，其特點是電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路與光電探測器連接的通路上串接敏感電阻，敏感電阻并接在敏感放大器的輸入端上，其輸出端依次連接多閾值模塊和與非門電路，以光信號變化的瞬間改變積分電容值，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調(diào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有增益的調(diào)節(jié)更加靈活，積分電容的控制更加迅速，信噪比、靈敏度和動態(tài)范圍都有大幅度提高，確保圖像質(zhì)量。
文檔編號H04N5/357GK102523394SQ20111037469
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者丁琳, 劉曉艷, 宋東東, 王明甲, 茅豐, 郭方敏 申請人:華東師范大學(xué)