CN106331542A - 高动态焦平面读出电路及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高动态范围焦平面读出电路，该电路包括电容跨导放大器、采样电路、源级跟随器；其中电容跨导放大器包括放大器、并联跨接在放大器的信号电压输入端和输出端之间的放大器复位开关和第一积分电容、低增益使能开关和第二积分电容；低增益使能开关和第二积分电容串联跨接在放大器的信号电压输入端和输出端之间。本发明第一积分电容和第二积分电容共同构成低增益积分电容，可以实现大的满阱容量，第一积分电容作为高增益积分电容可以提供小的读出噪声以及高的转换增益。因此本发明能够同时满足大的满阱容量和小的噪声电子数，达到较高的动态范围。

Description

高动态焦平面读出电路及其采样方法

技术领域

本发明属于探测技术领域，涉及一种基于电容跨导放大器的高动态范围焦平面读出电路及其采样方法。

背景技术

在微电子学高速发展的今天，光电探测技术在军事、民用等经济领域发挥着重要的作用。作为光电探测的重要组成部分，焦平面读出电路扮演着非常重要的角色。

常规基于电容跨导放大器(CTIA)的焦平面读出电路结构见图1，像元电路主要包括电容跨导放大器CTIA、采样电路SH、源级跟随器SF。电容跨导放大器将积分电容放到反馈回路中，在积分过程中积分电容将光电流积分成电压进行输出。当放大器复位开关CTIA_INIT闭合时电容跨导放大器CTIA复位，输出等于电容跨导放大器的复位电压Vref；当放大器复位开关CTIA_INIT断开时，电容跨导放大器CTIA进行电流-电压转换工作。电容跨导放大器CTIA的输出电压V_out、转换增益CG(Conversion gain)以及满阱容量FWC(Full wellcapacity)可以表示为

$V_{out}=V_{ref}-\frac{I_{in}\×t}{C_{\mathrm{int}}}$

$CG=\frac{q}{C_{\mathrm{int}}}$

FWC＝V_max×C_int

其中，V_ref为电容跨导放大器CTIA的复位电压，I_in为光电流，t为积分时间，C_int为积分电容的容量，q为电子电荷，V_max为电容跨导放大器CTIA的输出电压范围。由此可以看出在设计电容跨导放大器CTIA时，积分电容的容量C_int的取值很关键，关系到噪声、转换增益、满阱容量之间的折中。

动态范围(DR)是读出电路的重要指标之一，它可以表征为最大饱和信号与最小可测信号的比值，其中最大饱和信号取决于满阱容量，最小可测信号取决于输入为零时的等效噪声电子数，因此可以找到提高动态范围的两种途径：一是提高满阱容量；二是降低等效噪声电子数。但是两者都与积分电容有着密切关系，积分电容越大满阱容量越大，但是同时等效噪声电子数也越大。对于具有固定积分电容的常规电路来说，不能够同时满足大的满阱容量和小的噪声电子数，所以很难达到高动态范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够同时满足高动态范围和低噪声的基于电容跨导放大器的高动态范围焦平面读出电路及其采样方法。

为了解决上述技术问题，本发明的高动态范围焦平面读出电路包括电容跨导放大器、采样电路、源级跟随器；所述电容跨导放大器包括放大器和并联跨接在放大器的信号电压输入端和输出端之间的放大器复位开关；其特征在于所述电容跨导放大器还包括第一积分电容、低增益使能开关和第二积分电容；第一积分电容跨接在放大器的信号电压输入端和输出端之间；低增益使能开关和第二积分电容串联跨接在放大器的信号电压输入端和输出端之间。

所述采样电路通过隔离开关与放大器的输出端连接；采样电路为相关双采样电路，包括LGR采样开关与LGR采样电容串接构成的低增益复位电压采样电路，LGS采样开关与LGS采样电容串接构成的低增益信号电压采样电路；HGR采样开关与HGR采样电容串接构成的高增益复位电压采样电路，HGS采样开关与HGS采样电容串接构成的高增益信号电压采样电路，上述四个电压采样电路并接在隔离开关与电源地之间。

所述采样电路还包括电荷泄放开关；电荷泄放开关连接于源极跟随器的输入与电荷泄放参考电压之间。

上述高动态范围焦平面读出电路的采样方法如下：

一、积分开始之前将放大器复位开关、低增益使能开关及隔离开关闭合，此时电容跨导放大器处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关断开，积分开始，将LGR采样开关打开使低增益复位电压存在LGR采样电容上，然后断开LGR采样开关；

三、将低增益使能开关断开，同时将HGR采样开关闭合使高增益复位电压存在HGR采样电容上，然后断开HGR采样开关；

四、积分结束之前先将HGS采样开关闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容上，然后断开HGS采样开关；

五、将低增益使能开关闭合，同时将LGS采样开关闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容上，然后断开LGS采样开关；

六、将放大器复位开关闭合，然后将电荷泄放开关闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关；闭合LGR采样开关，通过源级跟随器读出低增益复位电压，然后断开LGR采样开关；

七、将电荷泄放开关闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关；闭合LGS采样开关，通过源级跟随器读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关；

八、将电荷泄放开关闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关；闭合HGR采样开关，通过源级跟随器读出高增益复位电压，然后断开HGR采样开关；

九、将电荷泄放开关闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关；闭合HGS采样开关，通过源级跟随器读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关。

在上述过程中我们采集了四个电压，分别为：低增益复位电压、低增益信号电压、高增益复位电压以及高增益信号电压，通过后续处理可以得到低增益积分信号以及高增益积分信号，对于焦平面读出电路阵列，我们可以认为得到了两幅图，一幅图是在低增益模式下得到的，另一幅图是在高增益模式下得到的，之后对这两幅图进行HDR合成便得到一幅高动态范围的图像。

所述采样电路通过隔离开关与放大器的输出端连接；采样电路包括由LG采样开关和LG采样电容串接构成的低增益信号电压采样电路，由HG采样开关和HG采样电容串接构成的高增益信号电压采样电路；两个采样电路并接在隔离开关与电源地之间。

上述高动态范围焦平面读出电路的采样方法如下：

一、积分开始之前将放大器复位开关、低增益使能开关及隔离开关闭合，此时电容跨导放大器CTIA处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关断开，积分开始；然后将低增益使能开关断开；

三、积分结束之前先将HGS采样开关闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容上，然后断开HGS采样开关；

四、将低增益使能开关闭合，同时将LGS采样开关闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容上，然后断开LGS采样开关；

六、将放大器复位开关闭合，然后闭合LGS采样开关，通过源级跟随器读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关；

七、闭合HGS采样开关，通过源级跟随器读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关。

在上述过程中我们采集了两个电压，分别为：低增益信号电压、高增益信号电压，通过后续处理可以得到低增益积分信号以及高增益积分信号，对于焦平面读出电路阵列，我们可以认为得到了两幅图，一幅图是在低增益模式下得到的，另一幅图是在高增益模式下得到的，之后对这两幅图进行HDR合成便得到一幅高动态范围的图像。

本发明的电容跨导放大器中包含两个积分电容，分别是第一积分电容和第二积分电容。第一积分电容和第二积分电容共同构成低增益积分电容，可以实现大的满阱容量，第一积分电容作为高增益积分电容可以提供小的读出噪声以及高的转换增益。因此本发明能够同时满足大的满阱容量和小的噪声电子数，达到较高的动态范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是常规CTIA读出电路结构示意图。

图2是本发明的高动态范围焦平面读出电路实施例1的结构示意图。

图3是本发明实施例1的高动态范围焦平面读出电路工作时序图。

图4是本发明的高动态范围焦平面读出电路实施例2的结构示意图。

图5是本发明实施例2的高动态范围焦平面读出电路工作时序图。

图6是不同增益积分曲线。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本发明的高动态范围焦平面读出电路包括电容跨导放大器CTIA、采样电路CDS、源级跟随器SF；所述电容跨导放大器CTIA包括放大器A和并联跨接在放大器A信号电压输入端和输出端之间的放大器复位开关K1和第一积分电容C1，低增益使能开关K2和第二积分电容C2；低增益使能开关K2和第二积分电容C2串联跨接在放大器A的信号电压输入端和输出端之间；所述采样电路CDS通过隔离开关SW与放大器A的输出端连接；开关Sw用来隔离电容跨导放大器CTIA与采样电路CDS，可以实现边读出边积分功能。采样电路CDS为相关双采样电路，包括LGR采样开关K21与LGR采样电容C21串接构成的低增益复位电压采样电路，LGS采样开关K22与LGS采样电容C22串接构成的低增益信号电压采样电路；HGR采样开关K23与HGR采样电容C23串接构成的高增益复位电压采样电路，HGS采样开关K24与HGS采样电容C24串接构成的高增益信号电压采样电路，电荷泄放开关C25；上述四个电压采样电路并接在隔离开关SW与电源地之间；电荷泄放开关C25连接于源极跟随器SF的输入与电荷泄放参考电压之间。

源极跟随器SF部分包括一个NMOS晶体管和行选控制开关Rowsel。

本实施例的工作时序见图3，工作过程是这样的：

一、积分开始之前将放大器复位开关K1、低增益使能开关K2及隔离开关SW闭合，此时电容跨导放大器CTIA处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关K1断开，积分开始，此时电容跨导放大器CTIA工作在LG(低增益)模式，积分电容容量为第一积分电容C1的容量C_int1与第二积分电容C2的容量C_int2之和；积分开始时将LGR采样开关K21打开使低增益复位电压存在LGR采样电容C21上，然后断开LGR采样开关K21；

三、采完低增益复位电压之后将低增益使能开关K2断开，此时电容跨导放大器CTIA工作在HG(高增益)模式，积分电容容量为第一积分电容C1的容量C_int1；将HGR采样开关K23闭合使高增益复位电压存在HGR采样电容C23上，然后断开HGR采样开关K23；之后是积分过程，输出随积分时间和积分电流线性变化；

四、积分结束之前先将HGS采样开关K24闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容C24上，然后断开HGS采样开关K24；

五、将低增益使能开关K2闭合，同时将LGS采样开关K22闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容C22上，然后断开LGS采样开关K22，此次积分过程结束；

六、将放大器复位开关K1闭合，将电荷泄放开关C25闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，然后断开电荷泄放开关C25；闭合LGR采样开关K21，通过源级跟随器SF读出低增益复位电压，然后断开LGR采样开关K21；

七、将电荷泄放开关C25闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，然后断开电荷泄放开关C25；闭合LGS采样开关K22，通过源级跟随器SF读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关K22；

八、将电荷泄放开关C25闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，然后断开电荷泄放开关C25；闭合HGR采样开关K23，通过源级跟随器SF读出高增益复位电压，然后断开HGR采样开关K23；

九、将电荷泄放开关C25闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，然后断开电荷泄放开关C25；闭合HGS采样开关K24，通过源级跟随器SF读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关K24。

实施例2

如图4所示，本发明的高动态范围焦平面读出电路包括电容跨导放大器CTIA、采样电路SH、源级跟随器SF；所述电容跨导放大器CTIA包括放大器A和并联跨接在放大器A信号电压输入端和输出端之间的放大器复位开关K1和第一积分电容C1，低增益使能开关K2和第二积分电容C2；低增益使能开关K2和第二积分电容C2串联跨接在放大器A的输入端和输出端之间；所述采样电路SH通过隔离开关SW与放大器A的输出端连接；隔离开关Sw用来隔离电容跨导放大器CTIA与采样电路SH，可以实现边读出边积分功能。采样电路SH包括由LG采样开关K11和LG采样电容C11串接构成的低增益信号电压采样电路，由HG采样开关K12和HG采样电容C12串接构成的高增益信号电压采样电路；两个电压采样电路并接在放大器A的输出与电源地之间。上述两个采样电路并接在隔离开关SW与电源地之间。

本实施例的工作时序见图5，工作过程是这样的：

一、积分开始之前将放大器复位开关K1、低增益使能开关K2及隔离开关SW闭合，此时电容跨导放大器CTIA处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关K1断开，积分开始；此时电容跨导放大器CTIA工作在LG(低增益)模式，积分电容容量为第一积分电容C1的容量C_int1与第二积分电容C2的容量C_int2之和；然后将低增益使能开关K2断开，电容跨导放大器CTIA工作在HG(高增益)模式，积分电容容量为第一积分电容C1的容量C_int1；

三、积分结束之前先将HGS采样开关K14闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容C14上，然后断开HGS采样开关K14；

四、将低增益使能开关K2闭合，同时将LGS采样开关K12闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容C12上，然后断开LGS采样开关K22；

六、将放大器复位开关K1闭合，闭合LGS采样开关K12，通过源级跟随器SF读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关K12；

七、闭合HGS采样开关K14，通过源级跟随器SF读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关K14。

电容跨导放大器CTIA输出电压V_out、转换增益CG(Conversion gain)以及满阱容量FWC(Full well capacity)可以表示为

$V_{out}=V_{ref}-\frac{I_{in}\×t}{C_{\mathrm{int}}}$

$CG=\frac{q}{C_{\mathrm{int}}}$

FWC＝V_max×C_int

$V_{SIG}=V_{ref}-V_{out}=\frac{I_{in}\×t}{C_{\mathrm{int}}}$

读出电路中噪声主要来源于这几个方面：电容跨导放大器CTIA热噪声N_{n_amp}、采样保持KTC噪声N_{n_KTC}、源跟随器热噪声N_{n_SF}，输入等效噪声可以表示为

$N_{n\_in}=\frac{N_{n\_tot}}{CG}$

$N_{n\_tot}=\sqrt{{N_{n\_amp}}^2+{N_{n\_KTC}}^2+{N_{n\_SF}}^2}$

输入等效噪声与转换增益有关，增益越大等效输入噪声越小。

HG情况下

$V_{SIG\_HG}=\frac{I_{in}\×t}{C_{\mathrm{int}1}}$

${\mathrm{CG}}_{HG}=\frac{q}{C_{\mathrm{int}1}}$

FWC_HG＝V_max×C_int1

$N_{n\_in\_HG}=\frac{N_{n\_tot}}{{\mathrm{CG}}_{HG}}$

LG情况下

$V_{SIG\_LG}=\frac{I_{in}\×t}{C_{\mathrm{int}1}+C_{\mathrm{int}2}}$

${\mathrm{CG}}_{LG}=\frac{q}{C_{\mathrm{int}1}+C_{\mathrm{int}2}}$

FWC_LG＝V_max×(C_int1+C_int2)

$N_{n\_in\_LG}=\frac{N_{n\_tot}}{{\mathrm{CG}}_{LG}}$

其中，V_ref为CTIA复位电压，I_in为光电流，t为积分时间，C_int1为第一积分电容C1的容量，C_int2为第二积分电容C2的容量，q为电子电荷,V_max为电容跨导放大器CTIA的输出电压范围。由此可以看出在设计电容跨导放大器CTIA时C_int1和C_int2的取值很关键，关系到噪声、转换增益、满阱容量之间的折中。

HG(高增益)模式及LG(低增益)时的积分曲线见图6，由以上式子可以知道对于同样的光电流，积分曲线的斜率与积分电容成反比，在t1时刻，HG模式达到满阱，积分电压饱和，而LG模式这时还可以转换更多的电子；在t2时刻，LG模式达到满阱。

HG情况下电路的动态范围为

${\mathrm{DR}}_{HG}=\frac{{\mathrm{FWC}}_{HG}}{N_{n\_in\_HG}}$

实现HDR功能(高动态)时电路的动态范围为

${\mathrm{DR}}_{HDR}=\frac{{\mathrm{FWC}}_{LG}}{N_{n\_in\_HG}}$

由此可知，本发明中LG模式可以提供更大的满阱，因此HG模式积分电压饱和之后可以用LG模式积分电压信号代替HG模式积分电压信号来拓宽动态范围，动态范围拓宽的比例为

$\frac{{\mathrm{DR}}_{HDR}}{{\mathrm{DR}}_{HG}}=\frac{{\mathrm{FWC}}_{LG}}{{\mathrm{FWC}}_{HG}}=\frac{{\mathrm{CG}}_{HG}}{{\mathrm{CG}}_{LG}}=\frac{C_{\mathrm{int}1}+C_{\mathrm{int}2}}{C_{\mathrm{int}1}}$

由以上分析可知，实现HDR功能时可以同时提供小的读出噪声和大的满阱容量(HG模式低噪声配合LG模式大满阱)。

Claims (6)

1.一种高动态范围焦平面读出电路，包括电容跨导放大器(CTIA)、采样电路、源级跟随器(SF)；所述电容跨导放大器(CTIA)包括放大器(A)和并联跨接在放大器(A)的信号电压输入端和输出端之间的放大器复位开关(K1)；其特征在于所述电容跨导放大器(CTIA)还包括第一积分电容(C1)、低增益使能开关(K2)和第二积分电容(C2)；第一积分电容(C1)跨接在放大器(A)的信号电压输入端和输出端之间；低增益使能开关(K2)和第二积分电容(C2)串联跨接在放大器(A)的信号电压输入端和输出端之间。

2.根据权利要求1所述的高动态范围焦平面读出电路，其特征在于所述采样电路通过隔离开关(SW)与放大器(A)的输出端连接；采样电路为相关双采样电路，包括LGR采样开关(K21)与LGR采样电容(C21)串接构成的低增益复位电压采样电路，LGS采样开关(K22)与LGS采样电容(C22)串接构成的低增益信号电压采样电路；HGR采样开关(K23)与HGR采样电容(C23)串接构成的高增益复位电压采样电路，HGS采样开关(K24)与HGS采样电容(C24)串接构成的高增益信号电压采样电路，上述四个电压采样电路并接在隔离开关(SW)与电源地之间。

3.根据权利要求2所述的高动态范围焦平面读出电路，其特征在于所述采样电路还包括电荷泄放开关(C25)；电荷泄放开关(C25)连接于源极跟随器的输入与电荷泄放参考电压之间。

4.根据权利要求1所述的高动态范围焦平面读出电路，其特征在于所述采样电路通过隔离开关(SW)与放大器(A)的输出端连接；采样电路包括由LG采样开关(K11)和LG采样电容(C11)串接构成的低增益信号电压采样电路，由HG采样开关(K12)和HG采样电容(C12)串接构成的高增益信号电压采样电路；两个采样电路并接在隔离开关(SW)与电源地之间。

5.一种如权利要求1所述的高动态范围焦平面读出电路的采样方法，其特征在于包括如下步骤：

一、积分开始之前将放大器复位开关(K1)、低增益使能开关(K2)及隔离开关(SW)闭合，此时电容跨导放大器(CTIA)处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关(K1)断开，积分开始，将LGR采样开关(K21)打开使低增益复位电压存在LGR采样电容(C21)上，然后断开LGR采样开关(K21)；

三、将低增益使能开关(K2)断开，同时将HGR采样开关(K23)闭合使高增益复位电压存在HGR采样电容(C23)上，然后断开HGR采样开关(K23)；

四、积分结束之前先将HGS采样开关(K24)闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容(C24)上，然后断开HGS采样开关(K24)；

五、将低增益使能开关(K2)闭合，同时将LGS采样开关(K22)闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容(C22)上，然后断开LGS采样开关(K22)；

六、将放大器复位开关(K1)闭合，进入读出过程，然后将电荷泄放开关(C25)闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关(C25)；闭合LGR采样开关(K21)，通过源级跟随器(SF)读出低增益复位电压，然后断开LGR采样开关(K21)；

七、将电荷泄放开关(C25)闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关(C25)；闭合LGS采样开关(K22)，通过源级跟随器(SF)读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关(K22)；

八、将电荷泄放开关(C25)闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关(C25)；闭合HGR采样开关(K23)，通过源级跟随器(SF)读出高增益复位电压，然后断开HGR采样开关(K23)；

九、将电荷泄放开关(C25)闭合使采样电路中的多余电荷得到泄放，再断开电荷泄放开关(C25)；闭合HGS采样开关(K24)，通过源级跟随器(SF)读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关(K24)。

6.一种如权利要求4所述的高动态范围焦平面读出电路的采样方法，其特征在于包括如下步骤：

一、积分开始之前将放大器复位开关(K1)、低增益使能开关(K2)及隔离开关(SW)闭合，此时电容跨导放大器(CTIA)处于复位阶段，输出等于参考电压Vref；

二、之后将放大器复位开关(K1)断开，积分开始；然后将低增益使能开关(K2)断开；

三、积分结束之前先将HGS采样开关(K12)闭合使高增益信号电压存在HGS采样电容(C12)上，然后断开HGS采样开关(K12)；

四、将低增益使能开关(K2)闭合，同时将LGS采样开关(K11)闭合使低增益信号电压存在LGS采样电容(C11)上，然后断开LGS采样开关(K11)；

六、将放大器复位开关(K1)闭合，然后闭合LGS采样开关(K11)，通过源级跟随器(SF)读出低增益信号电压，然后断开LGS采样开关(K11)；

七、闭合HGS采样开关(K12)，通过源级跟随器(SF)读出高增益信号电压，然后断开HGS采样开关(K12)。