CN106208981A - 一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构 - Google Patents

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    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
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Abstract

本发明公开了一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构，包括运算放大器、积分电容和开关时钟控制电路，运算放大器负相输入端连积分电容左极板，运算放大器正相输入端接参考电压VREF，运算放大器负相输入端连探测器信号，运算放大器负相输入端和输出端之间连有开关S1，积分电容右极板和运算放大器负相输入端之间连有开关S2；积分电容右极板与运算放大器正相输入端之间连有开关S3；运算放大器正、负相输入端之间连接有开关S4；通过加入开关S4能够有效避免电路复位时刻在运算放大器负相输入端产生的电压冲击，同时还能实现原有的放大器直流失调消除的功能，并且没有增加电路复杂度，没有增加额外功耗和面积开销。

Description

一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及一种可用于红外二极管探测器读出电路中，电流信号积分放大模块。
背景技术
跨导积分放大器(CTIA)电路是红外读出电路中输入级电路，也是最为关键的电路，红外探测器是工作在反偏状态下的二极管，通过红外辐射产生光电子，光电子在反偏电场作用下形成反向电流，CTIA电路目的是将反向电流积分放大，实现信号的读出处理。探测器阴极与CTIA读出电路单元一一对应相连，探测器阵列的阳极连接到公共端VCOM电压上，由外部调节，探测器的另一端连接到CTIA读出电路单元中放大器的负相输入端，如图1所示。积分电容C1连接高增益放大器的负输入端和输出端。放大器的正相输入端接参考电压VREF。探测器的光电流经过CTIA单元的积分和采样，再输出到后级电路。
通过积分电容将高增益放大器连接成负反馈工作方式，放大器正相和负相输入端具有虚短特性，正向输入端恒定接参考电压VREF，负相输入端在虚短特性作用下，也保持电压为VREF。积分状态工作时，探测器二极管处于反偏二极管状态，二极管阳极公共端接VCOM电压，在放大器负相输入端，电流由积分电容左极板流向VCOM。左极板负电荷积累，此时电容右极板感应出大小相等电性相反的正电荷，在积分电容上得到电压V。由于积分电容左极板和放大器负相输入端相连，保持VREF不变，从而输出端获得电压VREF+V。
实际生产过程中，工艺偏差会导致不可避免的放大器产生直流失调。在CTIA电路结构中，放大器的直流失调会在CTIA的输出上直接叠加失调电压VOS，由于CTIA读出电路往往是面阵形式在工作，单元个数多，芯片面积大，芯片不同位置的CTIA单元中放大器的直流失调不一致，这就会使同一颗芯片上的不同位置的CTIA单元在相同的积分电流的情况下，输出存在很大的偏差，导致最终输出结果存在较大不均匀性。因此在CTIA读出电路单元结构中，需要类似一种类似相关双采样的电路。通过开关选通，首先使CTIA电路工作在复位状态，此时将放大器的直流失调电压存储起来。之后将CTIA电路工作在积分状态，此时输出的结果已经减去了直流失调电压。通过这种方式抑制CTIA读出电路单元中的放大器的直流失调对CTIA读出电路阵列的积分电压均匀性的影响。电路工作时开关时序图如图2所示。
开关高电平时导通，低电平时断开。当开关S1导通，S3导通，S2断开时，CTIA电路进入复位状态，电路结构如图3所示。图中VOS代表等效的失调电压，此时，放大器负相输入端和输出端直接相连，积分电容C1左极板连接放大器负相输入端，右极板连接放大器正相输入端。此时放大器A不含直流失调，其负相输入端电压等于正相输入端电压VREF，积分电容C1上存储了放大器的直流失调电压VOS，电压方向和大小如图3所示。
当开关S1断开，S3断开，S2导通时，CTIA电路进入积分状态。此时，积分电容C1上已经预先存储了失调电压VOS，在此基础上对电流进行积分，获得积分后的信号电压，不受放大器失调电压影响。积分电流为Iint，积分时间为Tint时，输出电压表达式VOUT＝Iint×Tint/C1+VREF。
这种结构能够有效解决CTIA电路失调导致的非均匀问题，但是，当电路由积分状态向复位状态转变时，会在放大器负相输入端产生一个负电压冲击，如图4所示。负电压冲击产生的原因是电容两端电压不能突变，在积分状态时，积分电容C1上存储了电压V＝Iint×Tint/C1,左极板为负，右极板为正。在切换到复位状态之后，电容C1右极板被强驱动电压VREF驱动，被强制拉到VREF电平，此时电容电压保持V不突变，左极板电压变为VREF-V。之后通过放大器输出端对电容左极板充电，将左极板电压充电到VREF-VOS。当VREF-V小于VCOM时，探测器二极管进入正偏状态，影响探测器性能，严重时可能损坏器件。
实际仿真得到的结果如图5所示，在参考电压VREF＝2V时，由于电压冲击，可以使得负相输入端电压掉落至1.1V左右，很容易造成探测器二极管器件进入正偏状态。因此，需要避免在复位状态时在放大器负相输入端产生的负电压冲击。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构，可以解决传统的CTIA电路在消除直流失调时引入的放大器负相输入端负电压冲击问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构，包括运算放大器A和积分电容C1，所述运算放大器A的负相输入端连接所述积分电容C1左极板，所述运算放大器A的正相输入端接参考电压VREF，所述运算放大器A的负相输入端连接探测器信号，所述运算放大器A负相输入端和输出端之间连接有开关S1，所述积分电容C1右极板和所述运算放大器A负相输入端之间连接有开关S2；所述积分电容C1右极板与所述运算放大器A正相输入端之间连接有开关S3；所述运算放大器A负相输入端和正相输入端之间连接有开关S4；该电容跨导放大器结构还包括一开关时钟控制电路；所述开关时钟控制电路包括第一D触发器、第二D触发器、第一反相器、第二反相器和一个二输入与门；所述开关时钟控制电路的输入时钟为CLK1，主时钟为CLK；输入时钟CLK1连接到第一D触发器的输入端D端，主时钟CLK连接到第一D触发器的时钟端，第一D触发器的输出端Q连接到第二D触发器的输入端D端；主时钟CLK还连接到第二D触发器的时钟端，第二D触发器输出端Q输出的信号经过第一反相器之后为时钟信号CLK2，时钟信号CLK2经过第二反相器产生时钟信号CLK3；输入时钟CLK1和时钟信号CLK2还分别连接到二输入与门输入端，二输入与门输出端得到时钟信号CLK4。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、通过在高增益放大器正相和负相输入端连接一个开关S4，并对时钟产生电路进行了优化，能够有效避免高增益放大器负相输入端在复位时产生电压冲击的问题。
2、通过使用本专利提出的方法，既能避免电压冲击，同时还能实现原有的放大器直流失调消除的功能，获得了有益的改进。
3、上述优点均可以通过简单的电路结构改变实现，没有增加电路复杂度，没有增加额外功耗和面积开销，具有很高实用价值。
附图说明
图1是传统电容跨导积分放大器CTIA原理图；
图2是传统CTIA电路时序图；
图3是传统CTIA电路复位状态时的结构图；
图4是传统CTIA电路电压冲击示意图；
图5是传统CTIA电路负先输入端电压冲击仿真曲线；
图6是本发明红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构原理图；
图7是本发明中开关时钟控制电路原理图；
图8是本发明实现的电路时序图；
图9是本发明电容跨导放大器负相输入端电压冲击抑制仿真曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明提出的一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构，包括运算放大器A和积分电容C1，所述运算放大器A的负相输入端连接所述积分电容C1左极板，所述运算放大器A的正相输入端接参考电压VREF，所述运算放大器A的负相输入端连接探测器信号，所述运算放大器A负相输入端和输出端之间连接有开关S1，所述积分电容C1右极板和所述运算放大器A负相输入端之间连接有开关S2；所述积分电容C1右极板与所述运算放大器A正相输入端之间连接有开关S3；所述运算放大器A负相输入端和正相输入端之间连接有开关S4；如图6所示，本发明通过在运算放大器A正相输入端和负相输入端之间加入了开关S4，通过该开关S4稳定负相输入端电压，防止复位时电压冲击
本发明电容跨导放大器结构中还包括一开关时钟控制电路，如图7所示，所述开关时钟控制电路包括第一D触发器、第二D触发器、第一反相器、第二反相器和一个二输入与门；所述开关时钟控制电路的输入时钟为CLK1，主时钟为CLK；输入时钟CLK1连接到第一D触发器的输入端D端，主时钟CLK连接到第一D触发器的时钟端，第一D触发器的输出端Q连接到第二D触发器的输入端D端；主时钟CLK还连接到第二D触发器的时钟端，第二D触发器输出端Q输出的信号经过第一反相器之后为时钟信号CLK2，时钟信号CLK2经过第二反相器产生时钟信号CLK3；输入时钟CLK1和时钟信号CLK2还分别连接到二输入与门输入端，二输入与门输出端得到时钟信号CLK4。本发明开关时钟控制电路能够获得如图8所示的时钟信号，输入时钟CLK1在经过两个D触发器，再过一个反相器获得时钟信号CLK2，时钟信号CLK2和输入时钟CLK1相比延后了两个主时钟CLK周期和一个反相器延时。实际使用的反相器延时在纳秒级别，时钟周期在微秒级别，所以忽略反相器延时，时钟信号CLK2和输入时钟CLK1相比，经过了两个主时钟CLK延时之后取反。时钟信号CLK3是时钟信号CLK2的反相时钟，时钟信号CLK4是输入时钟CLK1和时钟信号CLK2的与运算结果，仅当输入时钟CLK1和时钟信号CLK2都为高时，时钟信号CLK4为高。
本发明提出的电容跨导放大器结构在开关S2导通，开关S1、开关S3和开关S4均断开的情况下处于积分工作状态。处于积分状态时，由于运算放大器A的输入端虚短路特性，运算放大器A正相和负相输入端电压保持相等。电流全部流过积分电容C1，给积分电容C1充电，实现了电流信号在积分电容C1上进行积分，积分电容C1上获得积分电压。积分工作状态和传统CTIA电路类似。
在复位工作状态时，传统CTIA电路直接断开开关S2，开关S1和开关S3导通。此时积分电容C1右极板电压由VREF+V变成VREF，积分电容C1左极板产生大小为V的负向电压冲击，使得运算放大器A负相输入端产生电压趋向VREF-V的电压波动，可能会导致与运算放大器A负向输入端连接的探测器进入非正常偏置状态。本发明提出的电路结构，在复位工作状态时，首先使开关S1、开关S3、开关S4导通，开关S2断开。此时积分电容C1左右两端均连接到参考电压VREF上，提前通过开关S1对积分电容C1进行放电，直到开关S3、开关S4断开。从开关S1开始导通到开关S3、开关S4断开之间，共有两个主时钟CLK的时间，在这段时间内，积分电容C1左右极板短接，积分电容C1上的电荷通过短接的开关S1、开关S2和开关S4全部释放到参考电压点VREF上，积分电容C1上不再存有电压。通过这种提前放电的方式，避免由于积分电容C1上存储的电压而导致的复位开始时的运算放大器负相输入端电压冲击。
之后开关S1保持导通，开关S2、开关S4断开，开关S3导通，和传统CTIA电路复位状态一致，但是此时电容C1上已经没有电压存储，因此不会对放大器负相输入端产生电压冲击，图9示出了本发明电容跨导放大器负相输入端电压冲击抑制仿真曲线。在复位过程中，将积分电容C1左极板复位到参考电压VREF(考虑直流失调时，复位到VREF-VOS)，之后等待下一次积分开始。
综上，本发明通过开关选通使跨导积分放大器先进入复位状态，在桥接积分电容上存储失调电压，之后进入积分状态，将输入信号电流在积分电容上进行积分，并且获得不含失调电压的积分结果。通过一个防电压冲击开关即开关S4在适当的时序控制下，可以避免由积分状态转变成复位状态时，在放大器负向输入端产生的负电压冲击；同时还能具有放大器直流失调消除的功能，并且没有增加电路复杂度，没有增加额外功耗和面积开销。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种红外图像传感器输入级电容跨导放大器结构，包括运算放大器A和积分电容C1，所述运算放大器A的负相输入端连接所述积分电容C1左极板，所述运算放大器A的正相输入端接参考电压VREF，所述运算放大器A的负相输入端连接探测器信号，所述运算放大器A负相输入端和输出端之间连接有开关S1，所述积分电容C1右极板和所述运算放大器A负相输入端之间连接有开关S2；所述积分电容C1右极板与所述运算放大器A正相输入端之间连接有开关S3；其特征在于：
所述运算放大器A负相输入端和正相输入端之间连接有开关S4；
该电容跨导放大器结构还包括一开关时钟控制电路；
所述开关时钟控制电路包括第一D触发器、第二D触发器、第一反相器、第二反相器和一个二输入与门；
所述开关时钟控制电路的输入时钟为CLK1，主时钟为CLK；输入时钟CLK1连接到第一D触发器的输入端D端，主时钟CLK连接到第一D触发器的时钟端，第一D触发器的输出端Q连接到第二D触发器的输入端D端；主时钟CLK还连接到第二D触发器的时钟端，第二D触发器输出端Q输出的信号经过第一反相器之后为时钟信号CLK2，时钟信号CLK2经过第二反相器产生时钟信号CLK3；输入时钟CLK1和时钟信号CLK2还分别连接到二输入与门输入端，二输入与门输出端得到时钟信号CLK4。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107769733A (zh) * 2017-10-25 2018-03-06 天津大学 一种开关电容放大器失调消除结构
CN109830215A (zh) * 2019-02-20 2019-05-31 京东方科技集团股份有限公司 一种伽马校正电路、校正方法、源极驱动电路及显示面板
CN115855271A (zh) * 2023-02-22 2023-03-28 昆明钍晶科技有限公司 一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7782243B1 (en) * 2009-03-11 2010-08-24 Windtop Technology Corp. Direct capacitance-to-digital converter
CN103095302A (zh) * 2012-12-19 2013-05-08 天津大学 一种应用于高速高精度电路的采样保持电路

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7782243B1 (en) * 2009-03-11 2010-08-24 Windtop Technology Corp. Direct capacitance-to-digital converter
CN103095302A (zh) * 2012-12-19 2013-05-08 天津大学 一种应用于高速高精度电路的采样保持电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李强: "基于CTIA结构红外探测器的读出电路设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
赵国芬等: "二极管型非制冷红外探测器的前端电路设计", 《红外与激光工程》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107769733A (zh) * 2017-10-25 2018-03-06 天津大学 一种开关电容放大器失调消除结构
CN107769733B (zh) * 2017-10-25 2020-10-23 天津大学 一种开关电容放大器失调消除电路
CN109830215A (zh) * 2019-02-20 2019-05-31 京东方科技集团股份有限公司 一种伽马校正电路、校正方法、源极驱动电路及显示面板
CN115855271A (zh) * 2023-02-22 2023-03-28 昆明钍晶科技有限公司 一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪

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