CN102523394B - 一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电转换前端检测增益自动可调读出电路，其特点是电容反馈互导放大器读出电路与光电探测器连接的通路上串接敏感电阻，敏感电阻并接在敏感放大器的输入端上，其输出端依次连接多阈值模块和与非门电路，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。本发明与现有技术相比具有增益的调节更加灵活，积分电容的控制更加迅速，信噪比、灵敏度和动态范围都有大幅度提高，确保图像质量。

Description

一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路

技术领域

本发明涉及光电探测电路设计技术领域，尤其是一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路。

背景技术

自从上世纪50年代以来，可见光成像和红外探测系统已经广泛应用于多个领域，如安保设施、工业检测、生物工程和空间遥感以及军事侦察等等。为了能够清晰的显示被探测对象的细节，需要读出电路对被探测对象的弱光部分和强光部分都能很好的进行信号读出与处理，但目前光电探测器的动态范围一般是60dB～70dB甚至更低，扩展动态范围以及提高灵敏度越来越重要，本发明的设计思想是在光电信号转换的过程中通过检测光学信号的强弱来改变放大器的增益。

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来得到不同的积分电容值，来实现增益可调。但是，这种电路结构，需要人为判断输出电压是否达到饱和点，然后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。

专利申请号：201110168338.4的《一种增益自动可调放大器读出结构的设计方法》，提出了一种后检测式的增益自动可调放大器读出电路，该结构在电容反馈互导放大器（CTIA）后加入比较器电路，首先设定比较器的阈值电压，然后将电容反馈互导放大器（CTIA）输出的积分电压与其进行比较来输出控制信号控制积分电容的开启与关闭，这样的工作原理使得在积分过程中输出电压的曲线在一个工作周期内是非线性的，如果要求较短的积分时间，在CO上进行积分但还未达到饱和得时，此时被相关双采样进行采样读出的话就会输出错误的积分电压。

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光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，它是在光电流信号进入读出电路之前进行检测，然后输出控制信号来选通或关闭可选电容，能够在光信号变化的瞬间就改变积分电容值，因此可以在短积分时间的情况下正常工作，大幅度提高了灵敏度和信噪比，实现了大动态范围的读出，确保了图像质量。

本发明的目的是这样实现的：一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，包括由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃、C₀和选通开关S₁、S₂、S₃、K₀组成的电容反馈互导放大器读出电路，积分电容C₁与选通开关S₁串接为第一分路，积分电容C₂与选通开关S₂串接为第二分路，积分电容C₃与选通开关S₃串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关K₀和积分电容C₀并接在运放器OP₁的反相输入端和输出端上，其特点是电容反馈互导放大器读出电路与光电探测器D₁连接的通路上串接敏感电阻R_S，电容反馈互导放大器读出电路的输出连接相关双采样模块；敏感电阻R_S并接在敏感放大器OP₂的正相和反相输入端上，敏感放大器OP₂输出依次连接多阈值模块和与非门模块；与非门模块的三个输出分别与选通开关S₁、S₂和S₃连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器读出电路之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭可选通电容，其中积分电容C₁、C₂和C₃为选通电容，然后经电容反馈互导放大器读出电路增益后的信号由相关双采样模块输出，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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；

所述多阈值模块由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D₂构成，施密特触发器D₂由PMOS管M₁、M₂、M₃和NMOS管M₄、M₅、M₆组成，M₁漏极与M₂源极和M₃源极短接；M₄源极与M₅源极和M₆漏极短接；M₁、M₂、M₅、M₆栅极短接为触发器D₂的输入端；M₃和M₄的栅极与M₂和M₅漏极连接为触发器D₂的输出端；

所述与非门模块为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块的三个控制信号输出端连接；三个与非门单元的B输入端短接为复位信号端口；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器读出电路的选通开关S₁、S₂和S₃连接。

所述敏感放大器OP₂由PMOS管M₇、M₈、M₁₂、M₁₃和NMOS管M₉、M₁₀、M₁₁组成，M₇和M₈的源极与M₁₂的漏极连接，M₇和M₈的栅极分别为敏感放大器OP₂的反相和正相输入端，M₇和M₈的漏极分别与NMOS管M₉和M₁₀的漏极连接，M₉的栅极和漏极短接后与M₁₀的栅极连接，M₁₀的漏极与NMOS管M₁₁的栅极连接，M₁₁的漏极与M₁₃的漏极连接为敏感放大器OP₂的输出端，M₁₂与M₁₃的栅极短接后为偏置电压端口；NMOS管M₉、M₁₀和M₁₁的源极接地；PMOS管M₁₂和M₁₃的源极短接后为电源端口。

所述相关双采样模块由电容C₂₁、C₂₂、开关K₁和K₂组成，电容C₂₁的一端接地，其另一端与开关K₁的出线连接后为一信号输出端；电容C₂₂的一端接地，其另一端与开关K₂的出线连接后为另一信号输出端；开关K₁和K₂的进线并接后为信号输入端。

本发明与现有技术相比具有灵敏度高，信噪比大，响应速度快和动态范围大的特点，通过检测光电转换器件的光生电流的强弱来实现对入射光信号强弱的检测，增益的调节更加灵活，积分电容的控制更加迅速，降低干扰和噪声，有效防止控制电路误动作，确保图像质量。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为电容反馈互导放大器电路图

图3为多阈值模块电路图

图4为与非门模块结构示意图

图5为敏感放大器电路图

图6为相关双采样模块电路图

图7为敏感放大器扫描不同光电流后输出的检测电压图

图8为多阈值模块输出的控制电平图

具体实施方式

参阅附图1，本发明在电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I与光电探测器D₁连接的通路上串接敏感电阻R_S，电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I的输出连接相关双采样模块II；敏感电阻R_S并接在敏感放大器OP₂的正相和反相输入端上，敏感放大器OP₂的输出依次连接多阈值模块III和与非门模块IV；与非门模块的三个输出分别与选通开关S₁、S₂和S₃连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭积分电容C₁、C₂和C₃，然后经电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I增益后的信号由相关双采样模块II输出，在光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。

参阅附图2，电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I由运算放大器OP₁、积分电容C₀、C₁、C₂、C₃和开关S₁、S₂、S₃、K₀组成，积分电容C₁与开关S₁串接为第一分路，积分电容C₂与开关S₂串接为第二分路，积分电容C₃与开关S₃串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关K₀和积分电容C₀并接在运放器OP₁的反相输入端和输出端上。积分电容C₀为0.35pF的固定电容，积分电容C₁、C₂和C₃为可选通电容，其中C₁=1.65pF、C₂=2pF、C₃=4pF，以选通积分电容C₁、C₂、C₃和C₀中的一个或数个的并接，实现0.35pF、2pF、4pF和8pF的电容值组合。电容值的设定是通过计算得到的，其中10nA以下采用积分电容C₀，60nA以下采用积分电容C₀+C₁，120nA以下采用积分电容C₀+C₁+C₂，240nA以下采用积分电容C₀+C₁+C₂+C₃。

参阅附图3，多阈值模块III由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D₂构成，施密特触发器D₂由PMOS管M₁、M₂、M₃和NMOS管M₄、M₅、M₆组成，M₁漏极与M₂源极和M₃源极短接；M₄源极与M₅源极和M₆漏极短接；M₁、M₂、M₅、M₆栅极短接为触发器D₂的输入端（V_in）；M₃和M₄的栅极与M₂和M₅漏极连接为触发器D₂的输出端（V_C1、V_C2或V_C3）。

参阅附图4，与非门模块IV为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块III中三个施密特触发器D₂输出端连接；三个与非门单元的B输入端短接后与电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I中的开关K₀连接一同受复位信号（Reset）控制；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I中的选通开关S₁、S₂和S₃连接，三个施密特触发器D₂输出的VC1、VC2和VC3信号由与非门模块IV分别控制电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I中的积分电容C₁、C₂和C₃的开启或关闭。

参阅附图5，所述敏感放大器OP₂由PMOS管M₇、M₈、M₁₂、M₁₃和NMOS管M₉、M₁₀、M₁₁组成，M₇和M₈的源极与M₁₂的漏极连接，M₇和M₈的栅极分别为敏感放大器OP₂的反相和正相输入端，M₇和M₈的漏极分别与NMOS管M₉和M₁₀的漏极连接，M₉的栅极和漏极短接后与M₁₀的栅极连接，M₁₀的漏极与NMOS管M₁₁的栅极连接，M₁₁的漏极与M₁₃的漏极连接为敏感放大器OP₂的输出端，M₁₂与M₁₃的栅极短接后为偏置电压端口（V_BIAS）；NMOS管M₉、M₁₀、M₁₁的源极接地；PMOS管M₁₂和M₁₃的源极短接后为电源端口（V_DD）。

参阅附图6，所述相关双采样模块II由电容C₂₁、C₂₂、开关K₁和K₂组成，电容C₂₁的一端接地，其另一端与开关K₁的出线连接后为信号输出端（Vout₁）；电容C₂₂的一端接地，其另一端与开关K₂的出线连接后为信号输出端（Vout₂）；开关K₁和K₂的进线并接后为信号输入端（Vin），其输入端口（Vin）与电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I的输出端连接。相关双采样模块II第一次相关采样为读取光电探测器D₁的噪声信号，第二次相关采样为读取光电探测器D₁的有效信号和噪声信号的叠加值，两次相关采样由不同的信号来控制，在后续电路里对这两次信号做减法运算输出有效的电压信号。

参阅附图7，同一光电流在改变积分电容值C_int后输出电压的曲线会改变，当光电探测器D₁将入射光转换成光电流I_o，经由CTIA电路积分后的输出电压V_o如下式(1)表示：

$V_o={\∫}_0^T{I}_o\mathrm{dt}/(C_{\mathrm{int}}+\frac{C_{\mathrm{int}}+C_D}{A})---\left(1\right)$

上式中：积分时间T由相关双采样模块两次采样的间隔来决定；C_int是反馈积分电容；C_D是探测器电容和导线引起电容的总和；A是电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I中运放的增益，其运放增益均超过80dB，增益足够大，所以上式可简化为如下式(2)表示：

$V_o\≈\frac{1}{C_{\mathrm{int}}}{\∫}_0^T{I}_o\mathrm{dt}---\left(2\right)$

在应用中电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I的实际输出电压为V_OUT=V_REF-V_O，V_REF是运算放大器的正向输入参考电压，可以看出I/C_int即为CTIA电路的增益，假设光电器件输入的电流为恒定值，式(2)可以进一步的化简如下式(3)表示：

$V_O\≈\frac{1}{C_{\mathrm{int}}}{I}_{O}t---\left(3\right)$

可以得到V-t曲线的斜率如下式(4)表示：

$\mathrm{Slope}=\frac{V_O}{t}=\frac{I_O}{C_{\mathrm{int}}}---\left(4\right)$

参阅附图8，设定输入多阈值模块III的光电流为30nA，得到多阈值模块III输出端的三条仿真曲线，其中最下面一条曲线表示：第一个施密特触发器D₂开启（逻辑电平为0）；上面两条曲线表示：第二和三个施密特触发器D₂未开启（逻辑电平为1），这与30nA电流只应该开启积分电容C₁的理论结果是相符的，图中前段曲线表现为低电平是初始状态，在应用中不用考虑。

本发明是这样工作的：nA级的光电流经过敏感电阻R_S后会产生一个μV级的电压降，同时敏感电阻R_S不会对光电流本身有较大的影响，光电流的电压信号V_RS经敏感放大器OP₂的高增益放大后输出V级检测电压信号V_DET，然后将检测电压信号V_DET输入到多阈值模块III中的三个具有不同阈值电压的施密特触发器D₂，不同的检测电压信号V_DET得到不同组合的信号VC1、VC2和VC3，组合信号VC1、VC2和VC3经与非门模块IV与电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I的复位信号实现同步；同时组合信号VC1、VC2和VC3经与非门模块IV后输出组合信号S1、S2和S3到电容反馈互导放大器（CTIA）读出电路I中开启或关闭积分电容C₁、C₂和C₃，实现光电流变化的瞬间就能配置好合适的电容值组合来改变读出电路的增益。

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 (3)

1.一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，包括由运放器OP₁、积分电容C₁、C₂、C₃、C₀和选通开关S₁、S₂、S₃、K ₀组成的电容反馈互导放大器读出电路，积分电容C₁与选通开关S₁串接为第一分路，积分电容C₂与选通开关S₂串接为第二分路，积分电容C₃与选通开关S₃串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关K ₀和积分电容C₀并接在运放器OP₁的反相输入端和输出端上，其特征在于电容反馈互导放大器读出电路与光电探测器D₁连接的通路上串接敏感电阻R_S，电容反馈互导放大器读出电路的输出连接相关双采样模块；敏感电阻R_S并接在敏感放大器OP₂的正相和反相输入端上，敏感放大器OP₂输出依次连接多阈值模块和与非门模块；与非门模块的三个输出分别与选通开关S₁、S₂和S₃连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器读出电路之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭可选通电容，其中积分电容C₁、C₂和C₃为选通电容，然后经电容反馈互导放大器读出电路增益后的信号由相关双采样模块输出，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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；

所述多阈值模块由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D₂构成，施密特触发器D₂由PMOS管M₁、M₂、M₃和NMOS管M₄、M₅、M₆组成，M₁漏极与M₂源极和M₃源极短接； M₄源极与M₅源极和M₆漏极短接；M₁、M₂、M₅、M₆栅极短接为触发器D₂的输入端；M₃和M₄的栅极与M₂和M₅漏极连接为触发器D₂的输出端；

所述与非门模块为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块的三个控制信号输出端连接；三个与非门单元的B输入端短接为复位信号端口；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器读出电路的选通开关S₁、S₂和S₃连接。

2.根据权利要求1所述光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，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组成，M₇和M₈的源极与M₁₂的漏极连接，M₇和M₈的栅极分别为敏感放大器OP₂的反相和正相输入端，M₇和M₈的漏极分别与NMOS管M₉和M₁₀的漏极连接， M₉的栅极和漏极短接后与M₁₀的栅极连接，M_10-的漏极与NMOS管M₁₁的栅极连接，M₁₁的漏极与M₁₃的漏极连接为敏感放大器OP₂的输出端，M₁₂与M₁₃的栅极短接后为偏置电压端口；NMOS管M₉、M₁₀和M₁₁的源极接地；PMOS管M₁₂ 和M₁₃的源极短接后为电源端口。

3.根据权利要求1所述光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，其特征在于所述相关双采样模块由电容C₂₁、C₂₂、开关K ₁和K ₂组成，电容C₂₁的一端接地，其另一端与开关K ₁的出线连接后为一信号输出端；电容C₂₂的一端接地，其另一端与开关K ₂的出线连接后为另一信号输出端；开关K ₁和K ₂的进线并接后为信号输入端。

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