CN102333195B

CN102333195B - 一种工作于线性模式apd阵列的主、被动成像读出电路

Info

Publication number: CN102333195B
Application number: CN 201110285918
Authority: CN
Inventors: 孙伟锋; 杨淼; 宋文星; 张白雪; 徐德胜; 徐申; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102333195A

Abstract

一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路，设有探测器、短路保护电路、积分电路、积分时间控制电路、主被动模式切换电路、采样保持电路及行选电路，探测器的输出端连接短路保护电路的输入端，短路保护电路的输出端连接积分电路的输入端，积分时间控制电路的输出端接主被动模式切换电路的输入端，主被动模式切换电路的一个输出端连接积分电路的控制信号端,主被动模式切换电路的另一输出端连接采样保持电路的控制信号端，积分电路的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接行选电路的输入端，行选电路的输出端接连接后续信号处理电路。

Description

一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路

技术领域

本发明涉及光电成像技术，尤其是一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外焦平面阵列因探测器放置在光学系统的焦平面上而得名，是红外技术发展最活跃的领域。红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路（Readout Circuit, ROIC）两部分组成，通过铟柱相连，如图1所示。常见的红外焦平面阵列的工作原理是：焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。读出电路是红外焦平面阵列的关键部件之一，它的主要功能是对探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。

近几十年，由于电荷耦合器件(CCD)，CMOS图像传感器及红外成像器件的发展，光电成像技术在包括人们日常生活在内的诸多领域得到了广泛应用。但在要求检测极其微弱光信号的应用中，这些器件显得无能为力或者需要极低温度或低噪声电路才能满足要求。雪崩光电二极管(APD)是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。它借助内部强电场作用产生雪崩倍增效应，因此具有很高的内部增益，并且响应速度非常快。当其工作电压高于雪崩电压时，甚至能获得单光子探测的灵敏度。由于这些特点，APD探测器已广泛应用于微弱信号检测、光纤通信、光电测距、星球定向和军事测控等领域。

不同于其他的成像器件，由APD探测器组成的APD阵列由于具有高的灵敏度和分辨能力，通过信号处理电路，不仅能对极微弱光进行被动成像，而且能对远距离目标进行主动探测成像。而且，APD阵列不光能对目标成强度像，还能通过采用不同的方法生成距离像。这使得其具有极微弱光成像、分谱成像、主被动复合成像的能力，加之量子效率高、体积小、抗干扰能力强等特点。APD阵列已经在原光电成像器件所满足不了的应用领域中发挥了其自身的优势，随着APD器件自身性能的发展，也极有可能使其成为传统光电成像器件的最佳替代品。

国外从2006年以来，george M. williams和Asbrock, J.等人分别发表了一些在线性模式下工作的单光子APD探测器和接收器的文章，文中指出，相对于盖革模式，在线性模式下的探测器不光能计算到达的时间，也能判断其强度，另外还具有纳秒级的恢复时间，低的错误报警率等优点。所以工作在线性模式下的APD阵列也是今后发展的重要方向。在国内，对于APD器件有了一些的研究，但大部分成果还只是单个的或线阵的雪崩光电二极管的制造，对APD探测器阵列的研究很少。另外，对APD器件后续的读出电路的研究比较少，还处在预研和起步阶段，或者只用分立元件搭建的单个APD探测器读出电路电路，对APD阵列的读出电路的研制非常少。所以启动与待研究的大规模的APD阵列相对应的读出电路的研制，能加速对我国相关领域的发展。

目前国内外的研究中，APD阵列信号处理电路要么是主动成像，要么是被动成像，在实际应用中往往需要两种成像系统协同工作，这就需要两套成像系统。但这样的系统不光体积大，还增加了光学系统的复杂度，而且不利于后续的信号处理等工作。所以设计出在同一系统中兼容主、被动两种成像方式的读出电路，能大大降低系统的复杂和尺寸，具有很强的实用价值。所以，进行主、被动切换模式的信号处理电路的研究很大的意义和价值。设计模式切换功能，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，既可以对极微光物体进行强度像探测，又可以加入主动光源对反射能力弱的物体进行探测。而且可以针对不同的技术指标，确定信号处理电路的组成模块，提供超高速门控电路等重要模块的结构设计方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决APD阵列读出电路在同一系统中不能兼容主、被动两种成像方式的问题，提供一种能进行主动和被动成像切换，适用于线性模式下工作的320×256大规模APD阵列探测器的一种APD阵列的主、被动成像读出电路，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，并针对主动模式读出电路，设计出能精确控制积分时间的控制电路，具有高压保护及精确积分开关控制的功能。

为实现上述目的，采用如下技术方案：一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路，其特征在于：设有探测器、短路保护电路、积分电路、积分时间控制电路、主被动模式切换电路、采样保持电路及行选电路；探测器的输出连接短路保护电路，短路保护电路的输出连接积分电路，积分时间控制电路的输出连接主被动模式切换电路，主被动模式切换电路的一个输出连接积分电路的控制信号端, 主被动模式切换电路的另一输出连接采样保持电路的控制信号端，积分电路的输出连接采样保持电路，采样保持电路的输出连接行选电路，行选电路的输出端接连接后续信号处理电路，其中：

探测器系雪崩光电二极管APD，将光信号转换成电流信号，短路保护电路设有N型高压MOS管M1，雪崩光电二极管的正极接第一偏置电压，雪崩光电二极管的负极接N型高压MOS管M1的漏端，N型高压MOS管M1的栅端接第二偏置电压；

积分电路设有一个运算放大器、一个积分电容和一个P型MOS管M2，运算放大器的负向输入端与积分电容的一端以及P型MOS管M2的源端连接在一起并与短路保护电路的N型高压MOS管M1源端连接，运算放大器的正向输入端连接参考电压，运算放大器的输出端与积分电容的另一端以及P型MOS管M2的漏端连接在一起，P型MOS管M2的栅端连接复位控制信号；

采样保持电路设有一个P型MOS管M3及一个采样电容，P型MOS管M3的源端连接积分电路运算放大器的输出端，P型MOS管M3的漏端连接采样电容的一端，采样电容的另一端接地，P型MOS管M3的栅端连接采样保持控制信号；

行选电路设有两个N型MOS管 M4、M5，N型MOS管 M4栅端连接采样保持电路P型MOS管M3的漏端， N型MOS管M5的栅端连接行选控制信号，N型MOS管M5的漏端连接N型MOS管 M4的源端，N型MOS管 M4的漏端及N型MOS管 M5的源端分别连接后续信号处理电路；

积分时间控制电路包括结构相同的两部分，每部分都设有3个D触发器、3个异或门及2个与门；第一异或门的一个输入端与第一D触发器的正相输出端以及第一与门的一个输入端连接在一起，第一异或门的另一个输入端与第一与门的另一输入端以及第三D触发器的反相输出端连接在一起，第一异或门的输出端与第一触发器的数据输入端连接，第一与门的输出端与第二异或门的一个输入端以及第二与门的一个输入端连接在一起，第二异或门的另一输入端与第二D触发器的正相输出端以及第二与门的另一输入端连接在一起，第二异或门的输出端与第二D触发器的数据输入端连接，第二与门的输出端连接第三异或门的一个输入端，第三异或门的另一输入端与第三D触发器的正相输出端连接，第三异或门的输出端与第三D触发器的数据输入端连接， 3个D触发器的时钟输入端分别外接高频时钟信号，第一、第二2个D触发器的使能端分别连接控制字输入信号，第三D触发器的使能端接VDD，3个D触发器的控制端分别连接外接积分信号，积分时间控制电路两部分中的两个第三D触发器的反相输出端分别是主被动模式切换电路的第一、第二两个输入信号端；

主被动模式切换电路包括结构相同的两部分，每部分都设有3个与非门及一个反相器；第一与非门的一个输入端连接反相器的输入端并与外接模式切换信号连接，反相器的输出端和第二与非门的一个输入端连接，第一与非门的输出端连接第三与非门的一个输入端，第二与非门的输出端连接第三与非门的另一输入端，主被动模式切换电路两部分中的两个第一与非门的另一输入端分别对应连接积分时间控制电路中两个第三D触发器反相输出端的第一、第二两个输出信号端，两个第二与非门的另一输入端分别对应连接外接脉宽控制信号及延时控制信号，两个第三与非门的输出端分别输出复位控制信号和采样保持控制信号，对应连接积分电路中P型MOS管M2的栅端及采样保持电路中P型MOS管M3的栅端。

本发明的优点及显著效果：

（1）本发明APD阵列的主、被动成像读出电路具有模式切换功能，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，既可以对极微光物体进行强度像探测，又可以加入主动光源对反射能力弱的物体进行探测。

（2）本发明APD阵列的主、被动成像读出电路主动模式下，积分时间很短。设计了精确的积分时间控制电路。消除了总的积分时间远大于激光脉冲持续时间时，暗电流和非激光幅射产生的信号等因素都会造成读出电路的动态范围、读出信号质量等特性大大降低的问题。

（3）本发明APD阵列的主、被动成像读出电路采用一高压管做保护电路。保证在一些意外情况出现（比如探测器单元短路）下读出电路还能继续工作。

附图说明

图1为红外焦平面阵列结构图；

图2为本发明的原理框图；

图3为探测器、短路保护电路、积分电路、采样保持电路及行选电路的电路图；

图4为主被动模式切换电路图；

图5为积分时间控制电路图。

具体实施方式

参看图2，本发明设有探测器1、短路保护电路2、积分电路4、积分时间控制电路3、主被动模式切换电路5、采样保持电路6及行选电路7。探测器的输出端连接短路保护电路的输入端，短路保护电路的输出端连接积分电路的输入端，积分时间控制电路的输出端接主被动模式切换电路的输入端，主被动模式切换电路的一个输出端连接积分电路的控制信号端, 主被动模式切换电路的另一输出端连接采样保持电路的控制信号端，积分电路的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接行选电路的输入端，行选电路的输出端接后续信号处理电路。

参看图3，探测器1采用APD探测器，雪崩光电二极管(APD)是一种新型高灵敏光电探测与传感器件，将光信号转换成电流信号，它借助内部强电场作用产生雪崩倍增效应，因此具有很高的内部增益，并且响应速度非常快。短路保护电路2的功能是保证在一些意外情况出现（比如探测器单元短路）时读出电路还能继续工作。同时，因为单元面积有限，保护电路必须足够简单。设有N型高压MOS管M1，当探测器1短路时，起保护作用。雪崩光电二极管的正极接外接偏置电压V_D，雪崩光电二极管的负极接N型高压MOS管M1的漏端，N型高压MOS管M1的栅端接外接偏置电压VB。积分电路4设有一个运算放大器、一个积分电容C_int和一个P型MOS管M2，运算放大器的负向输入端与积分电容C_int的一端以及P型MOS管M2的源端连接在一起并与短路保护电路的N型高压MOS管M1源端连接，运算放大器的正向输入端连接参考电压，运算放大器的输出端与积分电容C_int的另一端以及P型MOS管M2的漏端连接在一起，P型MOS管M2的栅端连接复位控制信号RESET。P型MOS管M2作为复位开关管，在复位信号RESET的控制下对积分电容C_int进行复位；运算放大器、积分电容C_int构成CTIA注入电路为探测器提供稳定的偏压，具有极高的注入效率。采样保持电路6设有一个P型MOS管M3及一个采样电容C_sh，P型MOS管M3的源端连接积分电路运算放大器AMP的输出端，P型MOS管M3的漏端连接采样电容C_sh的一端，样电容C_sh的另一端接地，P型MOS管M3的栅端连接采样保持控制信号SH；P型MOS管M3构成一个采样保持开关，在采样保持信号SH控制下将积分电压信号采样保持到采样保持电容C_sh上。行选电路7设有两个N型MOS管 M4、M5，N型MOS管 M4栅端连接采样保持电路P型MOS管M3的漏端， N型MOS管M5的栅端连接行选控制信号RSEL，N型MOS管M5的漏端连接N型MOS管 M4的源端，N型MOS管 M4的漏端及N型MOS管 M5的源端分别连接外接处理电路。N型MOS管M5构成行选开关，在行选控制信号RSEL的控制下读出积分电压信号。

如图5，主被动模式切换电路5包括两部分，(a)部分设有三个与非门T1 、T2、 T3及一个反相器T4，与非门T1的输入端2连接反相器T4的输入端并与外接模式切换信号T连接，反相器T4的输出端和与非门T2的输入端1连接，与非门T1的输出端连接与非门T3的输入端1，与非门T2的输出端连接与非门T3的输入端2，与非门T1的输入端1连接信号OUT1，与非门T2的输入端2接外接脉宽控制信号RSTˊ，与非门T3的输出端为复位控制信号RESET。通过外接模式切换信号T输入“0”或“1”控制两种模式的切换。 (b)部分同样设有三个与非门T1 、T2、 T3及一个反相器T4，与非门T1的输入端2连接反相器T4的输入端并与外接模式切换信号T连接，反相器T4的输出端和与非门T2的输入端1连接，与非门T1的输出端连接与非门T3的输入端1，与非门T2的输出端连接与非门T3的输入端2，与非门T1的输入端1连接信号OUT2，与非门T2的输入端2接外接延时控制信号SRHˊ，与非门T3的输出端为采样保持控制信号SH。通过外接模式切换信号T输入“0”或“1”控制主、被动两种模式的切换。

如图4，积分时间控制电路3包括两部分，（a）部分设有3个D触发器F1、F2、F3、三个异或门G1、G3、G5及两个与门G2、G4。异或门G1的输入端1与D触发器F1的正相输出端以及与门G2的输入端2连接在一起，异或门G1的输入端2、与门G2的输入端1以及D触发器F3的反相输出端

连接在一起，异或门G1的输出端与D触发器F1的输入端D连接，与门G2的输出端与异或门G3的输入端2以及与门G4的输入端1连接在一起，异或门G3的输入端1与D触发器F2的正相输出端

以及与门G4的输入端2连接在一起，异或门G3的输出端与D触发器F2的输入端D连接，与门G4的输出端连接异或门G5的输入端2，异或门G5的输入端1与D触发器F3的正相输出端

连接，异或门G5的输出端与D触发器F3的输入端D连接，D触发器F1、F2、F3的时钟输入端CLK分别外接100M高频时钟信号，D触发器F1、F2的使能端（SET端）分别连接控制字输入信号D1、D2 ，D触发器F3的使能端（SET端）接VDD；D触发器F1、F2、 F3的控制端（CLR端）分别连接外接积分信号INTE。D1、D2作为控制字输入信号，控制D触发器F3的反相输出端

信号在外接积分信号INTE有效后经过若干个时钟周期后跳变，通过两组这种控制电路以及一些简单辅助电路，即可可以实现积分信号延时及脉宽均可控的功能。（b）部分同样设有3个D触发器F1、F2、F3、三个异或门G1、G3、G5及两个与门G2、G4，异或门G1的输入端1与D触发器F1的正相输出端Q以及与门G2的输入端2连接在一起，异或门G1的输入端2、与门G2的输入端1以及D触发器F3的反相输出端Q连接在一起，异或门G1的输出端与D触发器F1的输入端D连接，与门G2的输出端与异或门G3的输入端2以及与门G4的输入端1连接在一起，异或门G3的输入端1与D触发器F2的正相输出端Q以及与门G4的输入端2连接在一起，异或门G3的输出端与D触发器F2的输入端D连接，与门G4的输出端连接异或门G5的输入端2，异或门G5的输入端1与D触发器F3的正相输出端Q连接，异或门G5的输出端与D触发器F3的输入端D连接，D触发器F1、F2、F3的时钟输入端CLK分别外接100M高频时钟信号，D触发器F1、F2的使能端（SET端）分别连接控制字输入信号D1、D2 ，D触发器F3的使能端（SET端）接VDD；D触发器F1、F2、 F3的控制端（CLR端）分别连接信号OUT1。D1、D2作为控制字输入信号，控制D触发器F3的反相输出端

信号在信号OUT1有效后经过若干个时钟周期后跳变，通过两组这种控制电路以及一些简单辅助电路，即可可以实现积分信号延时及脉宽均可控的功能。

上述积分时间控制电路3的作用是主动模式下，精确控制积分时间。积分电路4具有积分功能，可以很准确的把积分电流转化成电压信号，并在后续显示系统中呈现准确的图像。主被动模式切换电路5可以进行模式切换，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，既可以对极微光物体进行强度像探测，又可以加入主动光源对反射能力弱的物体进行探测。采样保持电路6的功能是积分电路4输出端输出的积分电压信号进行采样保持。行选电路7不仅可以实现采样保持电路6所采样保持的积分电压信号与后续信号处理电路的隔离，提供足够的驱动能力以驱动后续信号处理电路，而且还能进行行选操作，将积分电压信号传送到后续信号处理电路。

图3所示电路的工作过程如下：

首先是复位阶段，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下导通，积分电容C_int被短路，积分器形成一个单位增益负反馈电路，积分器负端电压V_b（探测器偏置电压）被复位到参考电压V_ref，作为积分输出的起始电压。

在充足的复位时间后，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下断开，探测器输出的积分电流I在积分电容上积分。由于探测器输出电流是流进像素单元里，故该积分电路是一个负积分过程，在探测器偏置电压V_b和积分电容C_int保持不变的情况下，在相同积分时间里，积分输出电压V_out和积分电流I是成线性关系，读出电路可以很准确的把积分电流转化成电压信号，并在后续显示系统中呈现准确的图像。

采样保持阶段，采样保持开关管M3在采样保持控制信号SH的作用下导通，采样保持电路对放大器的输出电压V_out进行采样。在SH的上升沿采样过程结束，放大器的输出电压V_out被保持在采样保持电容C_sh上，这也意味着积分过程的结束。

积分过程结束后，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下导通，对积分电容进行复位。然后，行选开关管M5在行选信号RSEL的作用下导通，存储在采样保持电容C_sh上的积分电压信号，被传送到后续信号处理电路。接着行选开关管M5在行选信号RSEL的作用下关断，积分电压信号传输完毕，实现了先积分后读出功能。

重复上面的过程，这样完成电路周而复始的工作。

短路保护电路工作过程如下：

假设外接偏置电压VD为15V，M1栅极外接偏置电压VB设为4.8V，M1源极由积分电路决定（为运放参考电压V_ref），即M1的V_GS1是一个固定值：

Figure 2011102859181100002DEST_PATH_IMAGE003

流过M1的电流为积分电流I，M1工作区由M1的V_GS1、积分电流I以及M1的宽长比共同决定。正常情况下，M1工作在线性区，因此可求出M1的V_DS为：

式中V_th1为M1阈值电压，W₁、L₁分别为M1宽和长，K’为工艺因子，由于积分电流I通常为纳安级，因此V_DS约为十几毫伏，此时高压管不影响读出电路正常工作。

当探测器短路时，高压管漏极电压与VD相等也为15V，但由于栅极电压VB为4.8V，迫使M1进入亚阈值区，从而防止了产生高电压和大电流对后续电路的影响。

图4所示电路的工作过程如下：

通过外接模式切换信号T输入“0”或“1”控制两种模式的切换。当模式切换信号T为“1”时，RESET信号波形与OUT1信号波形相同，SH信号波形与OUT2信号波形相同，切换到主动模式；当外接模式切换信号T为“0”时，RESET信号波形与RSTˊ信号波形相同，SH信号波形与SRHˊ信号波形相同，切换到被动模式。

图5所示电路的工作过程如下：

CLK为外接100M高频时钟信号，D1、D2作为控制字输入信号，控制OUT1信号在外接积分信号INTE有效后经过多少个CLK后跳变，OU1相对于INTE的延迟时间D_OUT1可用下式表示：

Figure 2011102859181100002DEST_PATH_IMAGE005

式中T_CLK为CLK的周期。通过两组这种控制电路以及一些辅助电路，可以实现积分信号延时及脉宽均可控的功能。

本发明不局限于上述实施方式,不论其实现形式作任何变化，凡是由高压管组成保护电路、数字信号控制主被动模式切换及积分时间的方法，均应落在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路，其特征在于：设有探测器、短路保护电路、积分电路、积分时间控制电路、主被动模式切换电路、采样保持电路及行选电路；探测器的输出连接短路保护电路，短路保护电路的输出连接积分电路，积分时间控制电路的输出连接主被动模式切换电路，主被动模式切换电路的一个输出连接积分电路的控制信号端, 主被动模式切换电路的另一输出连接采样保持电路的控制信号端，积分电路的输出连接采样保持电路，采样保持电路的输出连接行选电路，行选电路的输出端接连接后续信号处理电路，其中：

主被动模式切换电路包括结构相同的两部分，每部分都设有3个与非门及一个反相器；第一与非门的一个输入端连接反相器的输入端并与外接模式切换信号连接,反相器的输出端和第二与非门的一个输入端连接,第一与非门的输出端连接第三与非门的一个输入端，第二与非门的输出端连接第三与非门的另一输入端,主被动模式切换电路两部分中的两个第一与非门的另一输入端分别对应连接积分时间控制电路中两个第三D触发器反相输出端的第一、第二两个输出信号端,两个第二与非门的另一输入端分别对应连接外接脉宽控制信号及延时控制信号，两个第三与非门的输出端分别输出复位控制信号和采样保持控制信号,对应连接积分电路中P型MOS管M2的栅端及采样保持电路中P型MOS管M3的栅端；

上述电路的工作过程：

首先是复位阶段，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下导通，积分电容C_int被短路，积分器形成一个单位增益负反馈电路，积分器负端电压V_b即探测器偏置电压被复位到参考电压V_ref，作为积分输出的起始电压；

在充足的复位时间后，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下断开，探测器输出的积分电流I在积分电容上积分，由于探测器输出电流是流进像素单元里，故该积分电路是一个负积分过程，在探测器偏置电压V_b和积分电容C_int保持不变的情况下，在相同积分时间里，积分输出电压V_out和积分电流I是成线性关系，读出电路可以很准确的把积分电流转化成电压信号，并在后续显示系统中呈现准确的图像；

采样保持阶段，采样保持开关管M3在采样保持控制信号SH的作用下导通，采样保持电路对放大器的输出电压V_out进行采样；在采样保持控制信号SH的上升沿采样过程结束，放大器的输出电压V_out被保持在采样保持电容C_sh上，这也意味着积分过程的结束；

积分过程结束后，积分复位管M2在复位控制信号RESET的控制下导通，对积分电容进行复位，然后，行选开关管M5在行选信号RSEL的作用下导通，存储在采样保持电容C_sh上的积分电压信号，被传送到后续信号处理电路，接着行选开关管M5在行选信号RSEL的作用下关断，积分电压信号传输完毕，实现了先积分后读出功能；

主被动模式切换电路通过外接模式切换信号T输入“0”或“1”控制主、被动两种模式的切换，当模式切换信号T为“1”时，复位控制信号RESET信号波形与主被动模式切换电路第一输入信号OUT1信号波形相同，采样保持控制信号SH信号波形与主被动模式切换电路第二输入信号OUT2信号波形相同，切换到主动模式；当外接模式切换信号T为“0”时，复位控制信号RESET信号波形与外接脉宽控制信号RSTˊ信号波形相同，采样保持控制信号SH信号波形与延时控制信号SRHˊ信号波形相同，切换到被动模式。