CN104266761B - 抑制焦平面探测器背景电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制焦平面探测器背景电流的方法，其创新在于：将运算放大器的输入端与一背景减去电容（4）的一端连接，背景减去电容的另一端与一信号发生器相连；所述信号发生器能周期性地输出台阶电压信号，单个台阶电压信号的持续时间记为减去过程，相邻两个台阶电压信号之间的时间间隔记为非减去过程；所述减去过程与积分过程对应，所述非减去过程与非积分过程对应；非减去过程中，信号发生器输出信号的幅值与前一个台阶电压信号的最终值相同；本发明的有益技术效果是：可以明显降低背景电流对CMOS焦平面读出电路的影响，增大读出电路的动态范围。

Description

抑制焦平面探测器背景电流的方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS焦平面读出电路，尤其涉及一种抑制焦平面探测器背景电流的方法。

背景技术

焦平面成像技术广泛应用于国民经济的各个领域，如工业控制、救灾抢险、医学影像等，其基本原理是：光电探测器产生的光生电流通过铟柱传导至焦平面读出电路，焦平面读出电路对光生电流进行处理后向外输出形成影像。焦平面读出电路主要有CCD与CMOS两种类型，近年来，随着CMOS技术的不断发展，CMOS焦平面读出电路凭借其功耗低、集成度高的优点，已成为焦平面读出电路的主要类型。

基于现有技术获得的焦平面成像系统，由于受探测器温度、环境温度、辐射等多种因素影响，不可避免的存在较大的背景噪声；对于读出电路而言，需要在较小的单元面积下提高增益，因此通常采用较小的积分电容，而高背景电流将使得积分电容迅速饱和，导致微弱的光生电流信号不能被读出；同时，背景电流大大增加了读出电路的噪声，增大了读出电路的非线性和非均匀性，降低了其动态范围。

现有技术中，典型的背景抑制方法多采用电流镜或MOS管分流电路，在积分过程中连续或者周期性的打开背景减去电路，对背景电荷进行分流，从而减去背景噪声；但现有方法普遍存在MOS管漏电、非线性、失配等缺点，很难精确控制，实际应用时，会导致整个读出电路采样单元阵列的线性度以及均匀性降低；

发明人之前曾提出过一件名为《CTIA型CMOS焦平面读出电路及测试方法》(申请号：201310401045)的发明专利申请，本发明是在前述专利申请技术的基础上所作的进一步挖掘。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种抑制焦平面探测器背景电流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采样单元；所述CTIA型采样单元由运算放大器、积分电容和复位开关组成，所述积分电容和复位开关并联在运算放大器的输入端和输出端之间，运算放大器的输入端通过导线与光电探测器相连；CTIA型采样单元工作时，运算放大器周期性地对光电探测器的输出信号进行积分处理，单次积分处理的时域区间记为积分过程，相邻两个积分过程之间的时间间隔记为非积分过程；其创新在于：所述运算放大器的输入端与一背景减去电容的一端连接，背景减去电容的另一端与一信号发生器相连；所述信号发生器能周期性地输出台阶电压信号，单个台阶电压信号的持续时间记为减去过程，相邻两个台阶电压信号之间的时间间隔记为非减去过程；所述减去过程与积分过程对应，所述非减去过程与非积分过程对应；非减去过程中，信号发生器输出信号的幅值与前一个台阶电压信号的最终值相同；所述台阶电压信号和背景减去电容满足如下关系：

i_back×t₁＝C_b×ΔV

其中，i_back为背景电流的电流值；t₁为台阶电压信号中单个台阶的持续时间；C_b为背景减去电容的电容值；ΔV为台阶电压信号中相邻两个台阶之间的电压差。

本发明的原理是：焦平面成像系统工作时，由背景噪声导致的背景电荷会与光生电荷一起，通过导线到达并贮存在CTIA型采样单元上积分电容的两端，由于积分电容容量较小，背景电荷和光生电荷使积分电容迅速饱和，积分电容上堆积的电荷只有在单次积分过程完成后，才能在复位开关的作用下被清除，这就导致积分过程中，微弱的光生电流信号因积分电容饱和而无法被读出；采用本发明的方案后，运算放大器进入积分过程时，信号发生器也同步进入减去过程，信号发生器输出的电压信号会使背景减去电容两端的电压差增大，由于背景减去电容的电容值相对恒定，背景减去电容两端就需要新增更多的电荷来维持这个电压差，从而使得贮存在积分电容两端的背景电荷转移至背景减去电容上，这就避免了因背景电荷堆积在积分电容上而导致的积分电容迅速饱和问题，使得微弱的光生电流信号也可以被读出；前述原理在实现时，需要考虑如下两个问题，其一，积分过程中，背景减去电容两端的电压差不能过大，如果过大，就会导致光生电荷也被吸引到背景减去电容上，影响信号正常读出，其二，积分过程中，由于背景电荷会不断产生，如果信号发生器输出的电压信号为定值，则背景减去电容也会出现饱和，使其无法吸引新产生的背景电荷，因此需要不断提高信号发生器输出的电压幅值来维持背景减去电容两端的电压差始终维持在一恒定的增长率，为了解决这两个问题，发明人进行了深入探索，并找到了如下解决手段：即通过施加台阶电压信号的方式来使背景减去电容两端电压差增长率始终维持在合理水平；其原理是，基于现有理论可知，只要器件的各种参数为已知，我们就能计算出其背景电流大小，根据设计的积分时长，我们就能计算出积分时长内由背景电流所产生的背景电荷数量，用作背景减去电容的电容版图一旦确定，其电容值也就固定了，为了减去背景电荷，只要使ΔV和C_b满足i_back×t₁＝C_b×ΔV的关系，就能使背景电荷被不断的吸引至背景减去电容上，而积分电容上仅有光生电荷堆积。

优选地，所述信号发生器采用斜坡信号发生器。

为了提高控制精度，本发明还提出了如下的优选方案：所述斜坡信号发生器输出与台阶电压信号等效的斜坡电压信号。斜坡电压信号实际上就是将台阶电压信号上的台阶间隔无限缩小之后的极限情况，采用斜坡电压信号后，可以进一步提高背景减去操作的精确性。

优选地，本发明的方案可以适用于P-on-N型探测器或N-on-P型探测器。

基于P-on-N型探测器和N-on-P型探测器工作原理的差异性，本发明也需作如下适应性调整：所述光电探测器为P-on-N型探测器时，所述台阶电压信号为下行台阶；所述光电探测器为N-on-P型探测器时，所述台阶电压信号为上行台阶。

本发明的有益技术效果是：可以明显降低背景电流对CMOS焦平面读出电路的影响，增大读出电路的动态范围。

附图说明

图1、本发明的电气原理示意图；

图2、本发明与P-on-N型探测器结合时，采样单元关键电压变化示意图一；(此时，信号发生器输出信号为台阶电压信号，图中，V_b为信号发生器输出信号，V_ref为运算放大器参考电压，V_OUT为运算放大器输出信号，ΔV，为ΔV作用下运算放大器的输出复位量，V₀为运算放大器最终输出的光生信号，t₁为台阶电压信号中单个台阶的持续时间，t₂为积分过程的时长，t₃为未进行背景补偿时电路快速达到饱和的近似时间)

图3、本发明与P-on-N型探测器结合时，采样单元关键电压变化示意图二(此时，信号发生器输出信号为斜坡电压信号；图中的nΔV意义为：用斜坡电压信号等效台阶电压信号后，实际上就是将台阶电压信号上的台阶间隔无限缩小，斜坡电压信号的启始电压和结束电压之间的差值实际上就是由n个无限缩小后的ΔV的和)；

图4、本发明与N-on-P型探测器结合时，采样单元关键电压变化示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：运算放大器1、积分电容2、复位开关3、背景减去电容4、信号发生器5、光电探测器6。

具体实施方式

一种抑制焦平面探测器背景电流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采样单元；所述CTIA型采样单元由运算放大器1、积分电容2和复位开关3组成，所述积分电容2和复位开关3并联在运算放大器1的输入端和输出端之间，运算放大器1的输入端通过导线与光电探测器相连；CTIA型采样单元工作时，运算放大器1周期性地对光电探测器的输出信号进行积分处理，单次积分处理的时域区间记为积分过程，相邻两个积分过程之间的时间间隔记为非积分过程；其创新在于：所述运算放大器1的输入端与一背景减去电容4的一端连接，背景减去电容4的另一端与一信号发生器5相连；所述信号发生器5能周期性地输出台阶电压信号，单个台阶电压信号的持续时间记为减去过程，相邻两个台阶电压信号之间的时间间隔记为非减去过程；所述减去过程与积分过程对应，所述非减去过程与非积分过程对应；非减去过程中，信号发生器5输出信号的幅值与前一个台阶电压信号的最终值相同；所述台阶电压信号和背景减去电容4满足如下关系：

i_back×t₁＝C_b×ΔV

其中，i_back为背景电流的电流值；t₁为台阶电压信号中单个台阶的持续时间；C_b为背景减去电容4的电容值；ΔV为台阶电压信号中相邻两个台阶之间的电压差。

进一步地，所述信号发生器5采用斜坡信号发生器。

进一步地，所述斜坡信号发生器输出与台阶电压信号等效的斜坡电压信号。

进一步地，所述光电探测器为P-on-N型探测器或N-on-P型探测器。

进一步地，所述光电探测器为P-on-N型探测器时，所述台阶电压信号为下行台阶；所述光电探测器为N-on-P型探测器时，所述台阶电压信号为上行台阶。

Claims (5)

1.一种抑制焦平面探测器背景电流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采样单元；所述CTIA型采样单元由运算放大器(1)、积分电容(2)和复位开关(3)组成，所述积分电容(2)和复位开关(3)并联在运算放大器(1)的输入端和输出端之间，运算放大器(1)的输入端通过导线与光电探测器相连；CTIA型采样单元工作时，运算放大器(1)周期性地对光电探测器的输出信号进行积分处理，单次积分处理的时域区间记为积分过程，相邻两个积分过程之间的时间间隔记为非积分过程；其特征在于：所述运算放大器(1)的输入端与一背景减去电容(4)的一端连接，背景减去电容(4)的另一端与一信号发生器(5)相连；所述信号发生器(5)能周期性地输出台阶电压信号，单个台阶电压信号的持续时间记为减去过程，相邻两个台阶电压信号之间的时间间隔记为非减去过程；所述减去过程与积分过程对应，所述非减去过程与非积分过程对应；非减去过程中，信号发生器(5)输出信号的幅值与前一个台阶电压信号的最终值相同；所述台阶电压信号和背景减去电容(4)满足如下关系：

i_back×t₁＝C_b×ΔV

其中，i_back为背景电流的电流值；t₁为台阶电压信号中单个台阶的持续时间；C_b为背景减去电容(4)的电容值；ΔV为台阶电压信号中相邻两个台阶之间的电压差。

2.根据权利要求1所述的抑制焦平面探测器背景电流的方法，其特征在于：所述信号发生器(5)采用斜坡信号发生器。

3.根据权利要求2所述的抑制焦平面探测器背景电流的方法，其特征在于：所述斜坡信号发生器输出与台阶电压信号等效的斜坡电压信号。

4.根据权利要求1所述的抑制焦平面探测器背景电流的方法，其特征在于：所述光电探测器为P-on-N型探测器或N-on-P型探测器。

5.根据权利要求4所述的抑制焦平面探测器背景电流的方法，其特征在于：所述光电探测器为P-on-N型探测器时，所述台阶电压信号为下行台阶；所述光电探测器为N-on-P型探测器时，所述台阶电压信号为上行台阶。