CN106791511A - 一种量子点光电探测双模式读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点光电探测双模式读出电路，其特点是该读出电路由积分读出电路和直接读出电路组成，所述积分读出电路由MOS管M5、MOS管M6、电容C1和施密特触发器D组成；所述直接读出电路由四个MOS管与偏置电流Ibias、偏置电压Vbias和电容C2组成。本发明与现有技术相比具有大、小探测信号兼顾的优点，大大提高了读出电路的动态范围，更好的满足了量子点光电探测器从pW到mW量级，甚至更高，光激发的电流可为pA、nA和μA量级甚至再往上，较宽的光电流对读出电路的动态范围要求，电路简单、易于实现，较好的解决了直接读出模式在弱光下灵敏低的问题，尤其擅长处理适宜长时间积分的小光电流信号，操作性和实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及读出电路技术领域，尤其是一种宽动态且光照强度范围较广的量子点光电探测双模式读出电路。
背景技术
量子点光电探测器是现代探测技术中获取电信号的核心器件，读出电路是电信号的处理装置，两者在整个光电系统的中占据着非常关键的地位。对应不同的光电探测器应用，不同的读出电路系统已被相继开发，从离散设计到集成电路设计，集成电路设计减小了尺寸和重量，降低了功耗，并且通常能达到更低成本。然而现代光电探测系统正朝着高精度大规模的趋势发展，读出电路的复杂性也越来越高，作为光电探测系统的关键技术之一，性能直接影响探测器的读出质量。
目前，业内许多学者也都在继续研究高性能低功耗的电路结构，但是，就目前总体情况来说，有的设计方案比较复杂，导致尺寸较大从而不利于大规模集成化应用；有的方案对偏压波动带来的影响难以控制，也有的对噪声暗电流的抑制能力较弱，还有的电路设计方案动态范围窄，不利于较大光强下的探测。
现有技术的读出电路，在强光下能够实现很好的光探测，但在弱光下灵敏度较低，对微弱信号无法读出，而且信号的宽度是固定的，不能满足较宽的光电流对读出电路的动态范围的要求。尤其不能满足量子点光电探测器从pW到mW量级，甚至更高的感光强度范围，光激发的电流为pA、nA以及μA量级甚至再往上的较宽光电流的动态范围要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种双模式读出电路采用积分读出与直接读出组成的双模读出电路，兼顾了小信号和大信号的探测，提高了读出电路的动态范围，较好的满足较宽的光电流对读出电路的动态范围的要求，结构简单，灵敏度高，不但增强了读出电路电荷处理能力，而且还增大了读出电路的动态范围，尤其适应于光照强度范围较广的探测信号读出。
本发明的目的是这样实现的：一种量子点光电探测双模式读出电路，其特点是该读出电路由积分读出电路和直接读出电路组成，所述积分读出电路由MOS管M5、MOS管M6、电容C1和反相输出施密特触发器D组成，电容C1与光电探测器PD并接后一端接地，其另一端与反相输出施密特触发器D的输入端、MOS管M5的漏极共接，MOS管M5的源极接电压源Vdd,MOS管M5的栅极接复位信号，反相输出施密特触发器D的输出端与MOS管M6的栅极连接，MOS管M6的源极与反相输出施密特触发器D的输入端连接后为Vout输出；所述直接读出电路由四个MOS管与偏置电流Ibias、偏置电压Vbias和电容C2组成，MOS管M2和MOS管M3的源极共接后接入电压源Vdd，MOS管M2和MOS管M3的栅极共接后与MOS管M1的漏极一起接入偏置电流Ibias，MOS管M1和MOS管M4的栅极共接后接入偏置电压Vbias，MOS管M2和MOS管M6的漏极共接后与MOS管M1的源极、电容C2的正极连接，电容C2负极与偏置电流Ibias和偏置电压Vbias的负极共接地，MOS管M3的漏极与MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极为镜像电流Iout输出；所述光电探测器PD当弱光照射时由积分读出电路进行积分读出，当光照强度较大时则由MOS管M6将积分读出电路切换到直接读出电路进行读出；所述积分读出电路切换到直接读出电路进行读出由反相输出施密特触发器D的输出电压控制MOS管M6的导通与断开实现，在较弱光强下MOS管M6断开，此时积分读出电路工作，光电流随时间不断被积分,Vpd线性减小，当Vpd减小到反相输出施密特触发器D的负向阈值电压VT-时，此时反相输出施密特触发器D的输出由低电平跳变成高电平，使得MOS管M6导通进入直接读出电路进行读出，光激发电流以镜像电流Iout输出。
所述积分读出电路采用脉冲宽度调制电路实现，光照越弱积分时间越长，Logic 0这段脉冲宽度就越长，通过测量脉冲宽度即可获知光电探测器的感光量。
本发明与现有技术相比具有大、小探测信号兼顾的优点，大大提高了读出电路的动态范围，更好的满足了量子点光电探测器从pW到mW量级，甚至更高，光激发的电流可为pA、nA和μA量级甚至再往上，较宽的光电流对读出电路的动态范围要求，电路简单、易于实现，较好的解决了直接读出模式在弱光下灵敏低的问题，尤其擅长处理适宜长时间积分的小光电流信号，操作性和实用性强。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为积分与直接读出两种工作模式的信号测试仿真结果图；
图3～图4为脉宽调制曲线图；
图5为小电流输入时积分与直接读出两种工作模式的信号测试对比图；
图6为大电流输入时积分与直接读出两种工作模式的信号测试对比图。
具体实施方式
参阅附图1，本发明由积分读出电路1和直接读出电路2组成，所述积分读出电路1由MOS管M5、MOS管M6、电容C1和反相输出施密特触发器D组成，电容C1与光电探测器PD并接后一端接地，其另一端与反相输出施密特触发器D的输入端、MOS管M5的漏极共接，MOS管M5的源极接电压源Vdd,MOS管M5的栅极接复位信号，反相输出施密特触发器D的输出端与MOS管M6的栅极连接，MOS管M6的源极与反相输出施密特触发器D的输入端连接后为Vout输出。
所述直接读出电路2由四个MOS管与偏置电流Ibias、偏置电压Vbias和电容C2组成，MOS管M2和MOS管M3的源极共接后接入电压源Vdd，MOS管M2和MOS管M3的栅极共接后与MOS管M1的漏极一起接入偏置电流Ibias，MOS管M1和MOS管M4的栅极共接后接入偏置电压Vbias，MOS管M2和MOS管M6的漏极共接后与MOS管M1的源极、电容C2的正极连接，电容C2负极与偏置电流Ibias和偏置电压Vbias的负极共接地，MOS管M3的漏极与MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极为镜像电流Iout输出。
所述光电探测器PD当弱光照射时由积分读出电路1进行积分读出，当光照强度较大时则由MOS管M6将积分读出电路1切换到直接读出电路2进行直接读出；所述积分读出电路1切换到直接读出电路2由施密特触发器D的输出电压控制MOS管M6的导通与断开实现的。
参阅附图2，本发明实现了读出电路在积分模式和直接模式之间的切换，图中纵向虚线示意了一组曲线的切换过程，在积分读出下由于脉宽较窄，MOS管M6的开关闭合导通进入直接读出模式，在直接读出模式可以看到很明显的电流变化。
在积分读出工作模式时，当光电探测器PD受光照时，电容C1(积分电容)充电至一基准电压，当该电容释放电荷时，基准电压以近似于线性的关系下降，由压降值或下式(a)即可获得光吸收量，
其中：Iph为光电流，Tint为积分时间，Cp为积分电容。
在积分读出电路1(PWM)的读出中，每个电路单元控制着积分时间，它能够将很微弱的信号积分到一个合适大小的值进行输出。MOS管M6导通时，探测器的一端电压Vpd接近Vdd；当MOS管M6断开时，入射光照射下，Vpd随积分时间线性减小，当Vpd略小于反相输出施密特触发器D的负向阈值电压VT-时，施密特输出由低电平翻转成高电平。光照越弱，积分时间越长，Logic 0这段脉冲宽度就越长，通过测量脉冲宽度即可获知光电探测器的感光量。由PWM读出电路的工作原理可知，积分时间会随光电流的增加急剧减小，当光电流较大时，Vpd随积分时间迅速减小，从而OUT脉冲宽度较短，甚至不可察觉。所以，PWM读出擅长处理适宜长时间积分的小光电流信号，当光强较大时，电路读出失效，这种读出具有有限的动态范围，为了解决大光强下的大电流读出问题，将其引入直接读出电路1的工作模式。
在直接读出电路1的工作模式中，光电流直接转入到由四个MOS管(M1～M4)组成的电流镜中，这个过程电流可被放大也可不被放大，通常信号需要放大，增益由电流镜的W/L决定，这种读出模式在弱光下表现出低灵敏劣势，但在强光下能够实现很好的光探测，本发明采用具有较小输入阻抗和较大的电流输入驱动能力的翻转电压跟随器电流镜来实现直接读出，其输入阻抗如下式(b)所示，
其中：gm1和gm2分别是MOS管M1和MOS管M2的跨导，ro1是MOS管M1的输出阻抗，该输入阻抗比较低，由MOS管M2并联反馈所致。
参阅附图3，积分读出电路1在工作时，光电流随时间不断被积分,Vpd线性减小，当Vpd减小到反相输出施密特触发器D的负向阈值电压VT-时，此时反相输出施密特触发器D的输出由低电平跳变成高电平，使得MOS管M6导通进入直接读出电路2进行读出，光激发电流以镜像电流Iout输出。
参阅附图4，所述积分读出电路1采用为脉冲宽度调制电路实现，光照越弱积分时间越长，Logic 0这段脉冲宽度就越长，通过测量脉冲宽度即可获知光电探测器的感光量。
参阅附图5，本发明在弱光下即小电流信号输入时，积分模式下的脉宽明显，可以通过脉宽长度获得相应电压，然而这种情况下直接模式下读出结果变化趋势非常不明显，所以小电流情况下适合采用脉宽调制读出方式。
参阅附图6，本发明在光强比较大即输入光电流较大情况下，脉宽调制模式下的脉宽非常窄难以测量，然而直接模式下的读出电流变化趋势明显。
本发明的积分读出模式和直接读出模式电路特点明显，集合了两种读出优势，兼顾了小信号和大信号的探测，提高了读出电路的动态范围。在积分读出时，积分时间会随光电流的增加急剧减小，当光电流较大时，积分时间较短，从而Vout脉冲宽度较短，甚至不可察觉。所以，积分读出电路擅长处理适宜长时间积分的小光电流信号，当光强较大时，电路读出失效。直接读出模式在弱光下表现出低灵敏劣势，但在强光下能够实现很好的光探测，本发明采用具有较小的输入阻抗和较大的电流输入驱动能力的翻转电压跟随器来实现直接读出，并通过电流镜结构实现信号的放大与输出。
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 (2)
1.一种量子点光电探测双模式读出电路，其特征在于该读出电路由积分读出电路和直接读出电路组成，所述积分读出电路由MOS管M5、MOS管M6、电容C1和反相输出施密特触发器D组成，电容C1与光电探测器PD并接后一端接地，其另一端与反相输出施密特触发器D的输入端、MOS管M5的漏极共接，MOS管M5的源极接电压源Vdd, MOS管M5的栅极接复位信号，反相输出施密特触发器D的输出端与MOS管M6的栅极连接，MOS管M6的源极与反相输出施密特触发器D的输入端连接后为Vout输出；所述直接读出电路由四个MOS管与偏置电流Ibias、偏置电压Vbias和电容C2组成，MOS管M2和MOS管M3的源极共接后接入电压源Vdd，MOS管M2和MOS管M3的栅极共接后与MOS管M1的漏极一起接入偏置电流Ibias，MOS管M1和MOS管M4的栅极共接后接入偏置电压Vbias，MOS管M2和MOS管M6的漏极共接后与MOS管M1的源极、电容C2的正极连接，电容C2负极与偏置电流Ibias和偏置电压Vbias的负极共接地，MOS管M3的漏极与MOS管M4的源极连接，MOS管M4的漏极为镜像电流Iout输出；所述光电探测器PD当弱光照射时由积分读出电路进行积分读出，当光照强度较大时则由MOS管M6将积分读出电路切换到直接读出电路进行读出；所述积分读出电路切换到直接读出电路由反相输出施密特触发器D的输出电压控制MOS管M6的导通与断开实现，在较弱光强下MOS管M6断开，此时积分读出电路工作，光电流随时间不断被积分,Vpd线性减小，当Vpd减小到反相输出施密特触发器D的负向阈值电压VT-时，此时反相输出施密特触发器D的输出由低电平跳变成高电平，使得MOS管M6导通进入直接读出电路进行读出，光激发电流以镜像电流Iout输出。
2.根据权利要求1所述量子点光电探测双模式读出电路，其特征在于所述积分读出电路采用脉冲宽度调制电路实现，光照越弱积分时间越长，Logic 0这段脉冲宽度就越长，通过测量脉冲宽度即可获知光电探测器的感光量。
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