CN102291544A

CN102291544A - 一种增益自动可调放大器读出电路

Info

Publication number: CN102291544A
Application number: CN201110168338A
Authority: CN
Inventors: 郭方敏; 王永攀; 茅丰; 褚君浩
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: CN102291544B

Abstract

本发明公开了一种增益自动可调放大器读出电路，包括：由积分电容复位电路和增益调节积分电路组成的电容反馈互导放大器读出电路，积分电容复位电路由选通开关K₄、K₅构成；增益调节积分电路由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃和选通开关K₁、K₂、K₃组成，其特点是该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路，增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容，增益控制电路由运放器OP₂、比较器、反相器I₁、I₂、I₃、I₄和触发器D₁、D₂组成，本发明与现有技术相比具有对光电探测器微弱信号的自动放大增益，提高灵敏度和信噪比以及大动态范围的读出，并可根据需要采用不同的方法自动设定，确保图像质量。

Description

一种增益自动可调放大器读出电路

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤其是一种增益自动可调放大器读出电路。

背景技术

在交通管理、保安监控、工业生产、医疗诊断、空间观测和军事侦察等众多领域中，人们对固态图像传感器的需求正在强劲增长。实际应用中对图像传感器要求的指标很多，最主要的有响应光谱、动态范围，灵敏度、信噪比、分辨率等，其中探测器的类型决定了响应光谱，像素大小和间距决定了分辨率，其它指标则很大程度上由读出电路决定。读出电路（ROIC）作为探测器信号调理和输出部分，对探测器组件的性能起着至关重要的作用，读出电路在光电探测器中的主要功能是对探测器微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）并在信号处理级间提供一个接口。而读出电路的结构对读出电路的性能起着决定性作用，因此设计一个具有高性能的读出电路是最为关键的。然而，在实际应用中，经常要对照度分布范围很大的场景成像，这就对图像传感器的动态范围、灵敏度和信噪比提出了苛刻的要求。传统图像传感器的动态范围的典型值是60dB~70dB甚至更低，而需要成像的场景的光照范围往往很容易超出这个范围，为了对场景中的明亮部分和较暗的区域同时成像且不丢失细节就需要扩展读出电路的动态范围和灵敏度。扩展动态范围，提高灵敏度和信噪比的方案很多，主要的一条途径是通过在信号读出的过程中根据探测器输出信号的大小改变列放大器的增益，与增益固定的读出电路相比这种方法的关键就是如何根据探测器的输出信号改变放大器的增益。

对于现有技术的光电探测器和固态图像传感器读出电路，处理微弱光电流的积分电容大小是固定的，当采用小积分电容时，读出电路的灵敏度和信噪比较高，但是动态范围减小，而采用大积分电容时，可以增加电荷容量，从而增加了动态范围，但是信噪比和灵敏度都会减小，导致电路对小电流的分辨能力下降，丢失了成像场景中较暗区域的细节。

专利公开号：CN101540197A的一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法，提出了一种增益可调的CTIA读出结构，该结构可以在测试过程中是人为控制开关选通得到不同的积分电容，从而能在不同的偏置电压下得到比较理想的输出结果。但是，这种电路结构，需要先发现输出电压达到饱和点，然后人为控制开关把积分电容并上，从而改变输出结果。这种结构的主要不足是：人为观察实验结果会有误差，很难做到既保证读出的动态范围较大又保证灵敏度较高，导致实验结果的不精确。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种增益自动可调放大器读出电路，它通过探测器输出信号的大小自动调节积分电容，实现对光电探测器微弱信号的自动放大增益，提高灵敏度和信噪比以及大动态范围的读出，并可根据需要采用不同的方法自动设定，确保图像质量。

本发明的目的是这样实现的：一种增益自动可调放大器读出电路，包括：由光存储单元器件的电学特性建立的等效电路模型，以该模型作为电容反馈互导放大器的输入源，得到读出电路的相应参数，然后作出与光存储单元器件匹配的由积分电容复位电路和增益调节积分电路构成的电容反馈互导放大器读出电路，增益调节积分电路由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃和选通开关K₁、K₂、K₃组成，选通开关 K₃与积分电容C₃串接为第一分路，选通开关K₂与积分电容C₂串接为第二分路，第一分路、第二分路、选通开关K₁和积分电容C₁并接后分别与运放器OP₁的反相输入、输出端连接，选通开关K₁的正、负控制端分别与反相器I₅的输入、输出端连接，运放器OP₁输出端与接地电容C₀连接，运放器OP₁同相输入端接B偏置电压；积分电容复位电路由选通开关K₄、K₅组成，选通开关K₄、K₅输入端并接后与A偏置电压连接，其输出端分别与积分电容C₃、C₂的正极连接，其特征在于该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路，增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容，实现微弱信号的高灵敏度、大动态范围和高信噪比的增益自动可调，增益控制电路由运放器OP₂、比较器Comp、反相器I₁、I₂、I₃、I₄和触发器D₁、D₂组成，反相器I₁输入端与选通开关 K₃正控制端和触发器D₂的Q端并接，其输出端与选通开关K₄的正控制端连接；反相器I₂输入端与选通开关 K₃负控制端和触发器D₂的Q_-端并接，其输出端与选通开关K₄的负控制端连接；反相器I₃输入端与选通开关 K₂正控制端和触发器D₁的Q端、触发器D₂的D端并接，其输出端与选通开关K₅的正控制端连接；反相器I₄输入端与选通开关 K₂负控制端和触发器D₁的Q_-端并接，其输出端与选通开关K₅的负控制端连接；运放器OP₂反相输入端串接电阻R₂后与其输出端和比较器Comp反相输入端并接，运放器OP₂反相输入端与接地电阻R₁连接，运放器OP₂同相输入端与接地电容C₀连接；比较器Comp同相输入端接C偏置电压，其输出端与触发器D₁、D₂的输入端并接，触发器D₁的D端接直流电源，反相器I₅输出端与触发器D₁、D₂的清零端并接。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、动态范围提高了10倍以上，方便读出电路模拟输出信号与增益因子信号设定，同时读出电路增益起到部分A/D转换的功能；

2、可以自动选通实现三种不同积分电容的组合，降低干扰和噪声，有效防止控制电路误动作，信噪比和灵敏度得到明显改善，尤其输出信号可以根据需要采用不同的方法自动设定，确保图像质量；

3、每路增益控制电路的增益因子信号用三态门控制输出，使得触发器接收触发脉冲（一态），输出控制信号，经反相器分两路输出到选通开关（二态与三态），控制放大器增益变化。读出电路增益和每路的增益因子在水平扫描电路的控制下同步输出，可以实现自动增益可调功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明积分曲线图；

图3为比较器电路图；

图4为本发明输入不同电流的仿真效果图；

图5为本发明与现有技术对比效果图；

图6为本发明与现有技术的信号处理对比效果图。

具体实施方式

下面以读出电路设计的实施例，对本发明作进一步说明，其具体步骤如下：

（一）、光电探测器读出电路的性能参数分析

图像传感器大体可以分为两部分：探测器阵列和读出电路，探测器把光辐射转换成电流信号，读出电路把微弱的电信号积分、放大、采样保持和串并转换输出，一般动态范围，灵敏度、信噪比这些指标很大程度上由读出电路决定。

图像传感器的动态范围定义为最大不饱和电流和最小可探测电流之比，其中最小电流定义为无光照条件下的噪声变化。假设探测器的响应电流可以表示为

和

，则动态范围定义为式（1）：

（1）

上式（1）表明，减小噪声电子数和增大最大电荷容量可以改进读出电路的动态范围。

灵敏度定义为单位曝光量条件下器件的输出信号电压，即式（2）：

（2）

上式（2）中，V_o读出电路输出的信号电压，H_V是探测器单元接受到的曝光量，

。由定义可知，减小积分电容可以提高灵敏度，但是减小积分电容会减小读出电路的电荷容量，减小读出电路的动态范围。

信噪比定义为信号电压与噪声电压之比。信噪比的计量单位是dB，其计算如下式（3）：

（3）

上式（3）中，V_o是读出信号电压，V_noise是读出噪声电压。

可以看出当采用小积分电容时，读出电路的灵敏度较高，但是动态范围减小；采用大积分电容时，可以增加电荷容量，从而增加动态范围，但是灵敏度减小，导致电路对小电流的分辨能力下降，容易丢失成像场景中较暗区域的细节。

（二）、输出信号设定

输出信号根据需要有两种设定法，一种线性设定法，另一种是近似对数法。应用线性法，输出电压结合增益因子可以计算得到等效线性电压为下式（4）：

（4）

从上式（4）中可以看出，这种方法在照度较小时的信噪比和灵敏度与仅采用固定积分电容C₀时相同，而且等效输出电压是固定积分电容电压范围的16倍。

输出电压与增益因子还可以近似对数方式设定信号，输出电压根据增益因子以近似对数的特性进行压缩，压缩后电压的计算方法如下式（5）：

（5）

近似对数法与固定电容积分相比，在信号电流较小时采用C₁积分把电流信号映射到0~V_sat的电压范围内，提高了电路的信噪比和灵敏度，在电流较大时采用C₃积分增大了电荷容量，扩展了读出电路的动态范围。近似对数法与线性方法相比更符合人眼对光的响应规律，具有更好的实用性。

（三）、增益自动可调列放大器的设计

参阅附图1，本发明由积分电容复位电路

、增益调节积分电路和增益控制电路

构成，积分电容复位电路

由选通开关K₄、K₅组成，选通开关K₄、K₅输入端与并接后与A偏置电压Vref连接，其输出端分别与增益调节积分电路

的电容C₃、C₂的正极连接，选通开关K₄的正控制端与增益控制电路

中的反相器I₁输出端连接，其负控制端与反相器I₂输出端连接；选通开关K₅的正控制端与反相器I₃输出端连接，其负控制端与反相器I₄输出端连接。

增益调节积分电路

由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃和选通开关K₁、K₂、K₃组成，选通开关 K₃与积分电容C₃串接为第一分路，选通开关K₂与积分电容C₂串接为第二分路，第一分路、第二分路、选通开关K₁和积分电容C₁并接，并接后的正极与运放器OP₁的反相输入端连接，并接后的负极与运放器OP₁输出端连接，选通开关K₁的正、负控制端分别与反相器I₅的输入、输出端连接，运放器OP₁同相输入端接B偏置电压Vref，运放器OP₁输出端与接地电容C₀连接，反相器I₅输入端接复位信号Reset。

增益控制电路

由运放器OP₂、比较器Comp、反相器I₁、I₂、I₃、I₄和触发器D₁、D₂组成，反相器I₁输入端与选通开关 K₃正控制端和触发器D₂的Q端并接；反相器I₂输入端与选通开关 K₃负控制端和触发器D₂的Q_-端并接；反相器I₃输入端与选通开关 K₂正控制端和触发器D₁的Q端、触发器D₂的D端并接；反相器I₄输入端与选通开关 K₂负控制端和触发器D₁的Q_-端并接；运放器OP₂反相输入端串接电阻R₂后与其输出端和比较器Comp反相输入端并接，运放器OP₂反相输入端与接地电阻R₁连接；比较器Comp同相输入端接C偏置电压Vref，其输出端与触发器D₁、D₂的输入端并接，触发器D₁的D端接直流电源VDD，反相器I₅输出端与触发器D₁、D₂的清零端Cir_-bar并接。

上述积分电容C₁＝C₀，积分电容C₂＝3C₀，积分电容C₃＝12C₀，由运放器OP₂、比较器Comp、反相器I₁、I₂、I₃、I₄和触发器D₁、D₂组成的增益控制电路

，其中，比较器Comp检测信号电压控制触发器D₁和D₂，触发器D₁和D₂的输出控制读出电路的增益，它可自动选通三种积分电容的变化。

本发明是这样工作的：对探测器输出的电流开始积分前复位信号Reset导通选通开关K₁，使积分电容C₁复位，将复位信号Reset传输至触发器D₁和D₂的清零端Cir_-bar，使得触发器D₁和触发器D₂的Q端输出低电平，触发器D₁和触发器D₂的Q_端输出高电平，触发器D₁的Q端输出低电平和触发器D₂的Q_端输出高电平分别通过反相器I₃和I₂加到选通开关K₅和选通开关K₄上，使得选通开关K₅、K₄导通，积分电容C₂、C₃复位。选通开关K₃、K₂为关断状态（未接通），然后选通开关K₁断开，只用电容积分C₁积分。积分过程中电压信号与比较器Comp设定的饱和电压比较，当积分信号大于饱和电压后（一级饱和）比较器Comp翻转，输出的脉冲信号使第一个触发器D₁触发，触发器D₁的输出信号控制选通开关K₂闭合，积分电容C₁与积分电容C₂并联，其并联后的等效积分电容为4C₀，此时运放器OP₁的输出电压为下式（6）：

（6）

输出电压低于饱和电压后比较器Comp复位到低电平，当积分电压处于二级饱和时，比较器Comp再次翻转，使第二个触发器D₂触发输出高电平，控制选通开关K₃闭合，积分电容C₁与积分电容C₂并联，其并联后的等效积分电容为16C₀，输出电压再次调变为Vsat/4，然后继续积分。

参阅附图2，积分时间结束后，在顺序脉冲的控制下，增益因子G1、G2和积分电压同步输出。

参阅附图3，为了防止电路工作过程出现的意外干扰和噪声使得比较器错误翻转，使电路工作稳定可靠，增益控制电路

中的比较器Comp采用附图3所示的迟滞比较器，通过控制M₆、M₇的宽长比和M₃、M₄的宽长比，可以调节正负阈值电压，需要注意的是正阈值电压不能大于V_sat3/4，否则比较器Comp在第一次翻转后不能恢复到低电平，降低增益调节能力，反而减小读出电路的动态范围。

（四）、模拟与仿真实例

参阅附图4~附图5，采用CSMC 0.6um DPDM工艺SPICE模型库对上述方案进行模拟和验证，并与现有技术的CTIA结构进行比较，积分电容C₀选定250fF，则积分电容C₁、C₂和C₃分别为250fF、1pF和4pF，设定积分时间为128ms，输入电流分别为0.005nA、0.05nA、0.5nA、5nA和50nA。

参阅附图6，当输入电流较大时，本发明与现有技术的CTIA结构一样都不会饱和，有相同的电荷处理能力，当输入电流较小时，本发明的灵敏度比现有技术的CTIA结构更高，其输出电压是现有技术CTIA结构的16倍，提高了读出电路的信噪比。应用Agilent 6052A 数字示波器对本发明读出电路芯片输出信号采样100次求标准差表示为读出电路噪声，测试得到的平均值为2.91mV，仪器空测时得到的噪声为2mV，因此读出电路实际的噪声值为0.91mV。读出电路工作电压为5V，参考电压设定为3V时测试得到输出信号幅度为2.5V，动态范围68.8dB，本发明将动态范围扩展了24dB，达到92.8dB，对动态范围有明显改善。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims

1.一种增益自动可调放大器读出电路，包括：由光存储单元器件的电学特性建立的等效电路模型，以该模型作为电容反馈互导放大器的输入源，得到读出电路的相应参数，然后作出与光存储单元器件匹配的由积分电容复位电路和增益调节积分电路构成的电容反馈互导放大器读出电路，增益调节积分电路由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃和选通开关K₁、K₂、K₃组成，选通开关 K₃与积分电容C₃串接为第一分路，选通开关K₂与积分电容C₂串接为第二分路，第一分路、第二分路、选通开关K₁和积分电容C₁并接后分别与运放器OP₁的反相输入、输出端连接，选通开关K₁的正、负控制端分别与反相器I₅的输入、输出端连接，运放器OP₁输出端与接地电容C₀连接，运放器OP₁同相输入端接B偏置电压；积分电容复位电路由选通开关K₄、K₅组成，选通开关K₄、K₅输入端并接后与A偏置电压连接，其输出端分别与积分电容C₃、C₂的正极连接，其特征在于该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路，增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容，实现微弱信号的高灵敏度、大动态范围和高信噪比的增益自动可调，增益控制电路由运放器OP₂、比较器Comp、反相器I₁、I₂、I₃、I₄和触发器D₁、D₂组成，反相器I₁输入端与选通开关 K₃正控制端和触发器D₂的Q端并接，其输出端与选通开关K₄的正控制端连接；反相器I₂输入端与选通开关 K₃负控制端和触发器D₂的Q_-端并接，其输出端与选通开关K₄的负控制端连接；反相器I₃输入端与选通开关 K₂正控制端和触发器D₁的Q端、触发器D₂的D端并接，其输出端与选通开关K₅的正控制端连接；反相器I₄输入端与选通开关 K₂负控制端和触发器D₁的Q_-端并接，其输出端与选通开关K₅的负控制端连接；运放器OP₂反相输入端串接电阻R₂后与其输出端和比较器Comp反相输入端并接，运放器OP₂反相输入端与接地电阻R₁连接，运放器OP₂同相输入端与接地电容C₀连接；比较器Comp同相输入端接C偏置电压，其输出端与触发器D₁、D₂的输入端并接，触发器D₁的D端接直流电源，反相器I₅输出端与触发器D₁、D₂的清零端并接。