CN110677133B - 一种积分型自适应基线恢复电路 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种积分型自适应基线恢复电路，包括：第一网络和第二网络；第一网络的输出端与第二网络的输入端连接；第一网络的输入端接收输入信号VIN，第一网络的输出端输出第一输出信号；第二网络的输入端接收第一输出信号，第二网络的输出端输出第二输出信号；第一网络为放大电路，并通过第一电阻R1和第二电阻R2来调节信号的增益；通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4调节失调。本发明实施例能够在开关节拍与输入信号同步的条件下，实现电荷耦合信号的基线恢复功能，提取噪声电压与信号电压的差值，且该信号处理过程能是自适应的。该电路可以使得噪声电压均衡化，完整地保留了信号的真实的动态范围。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电荷耦合器件技术领域，具体涉及一种积分型自适应基线恢复电路。
背景技术
电荷耦合器件广泛应用于安防成像、天文观测、高端数码相机和生物荧光观测领域，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术。电荷耦合器件输出信号的读出，一般需要一个相关双采样电路，用于提取有效信号成分，并将其反相。
电荷耦合器件的输出波形(VCCD)如图3所示，当没有光子信号时，输出暗电流信号，信号大小为V3；当有光子信号时，输出信号幅度与光子能量成正比。图3所示有两个光子信号，其产生的信号大小为V4和V5，且为扣除暗电流信号V3之后的净输出信号。显然V5对应的光子能量大于与V4的对应光子能量。由于V3与温度强相关，温度越高，V3越大。V3可以看是噪声基线。所以为了有效利用后端电路的动态范围，要求在信号处理过程中，提取V4和V5，即光子的净信号，即所谓的基线恢复。
由于噪声基线不是一个恒定的值，可能会随着工作状态，如温度和参考电压(如电源电压等偏置电压)的波动，因此V3、V4、V5的底部电平也会随之变化，即这些关键电平底部的绝对值会随之波动。即便经过相关双采样电路处理后，该电平仍然会波动。这给后续量化处理带来了非常大的困扰。
传统的处理方法是从信号电平中减去一个与噪声基线相近的电平，从而粗略的获得信号电平的净电平。这种方法在温度和参考电压波动很小的应用中，是非常有效的。但是随着温度和参考电压的波动加剧，特别是在温度不是很低的应用中，这种处理方法就会表现出很大的非线性和噪声，究其原因是因为这种方法不能完全去除噪声基线对信号电平的影响，其相减的结果总会留有残差，而且这种残差随着上述波动而波动。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种积分型自适应基线恢复电路，以解决传统的基线恢复信号处理方法中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种积分型自适应基线恢复电路，包括：第一网络和第二网络；第一网络的输出端与第二网络的输入端连接；第一网络的输入端接收输入信号VIN，第一网络的输出端输出第一输出信号；第二网络的输入端接收第一输出信号，第二网络的输出端输出第二输出信号；第一网络为放大电路，并通过第一电阻R1和第二电阻R2来调节信号的增益；通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4调节失调。
其中，第一网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1；第一电阻R1的一端接收输入信号VIN，另一端连接第一运算放大器OP1的负向输入端；第二电阻R2的一端连接第一运算放大器OP1的负向输入端，另一端连接第一运算放大器OP1的输出端VOUT1；输出端VOUT1输出第一输出信号；第三电阻R3的一端连接第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端接信号地；第四电阻R4的一端连接第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端连接第二网络中第二运算放大器OP2的输出端VOUT2。
其中，第二网络包括第二运算放大器OP2、第一开关S1、第五电阻R5和电容C1；第一开关S1的一端连接第一运算放大器OP1的输出端VOUT1，另一端接第五电阻R5；第五电阻R5的另一端连接第二运算放大器OP2的负向输入端；电容C1的一端连接第二运算放大器OP2的负向输入端，另一端连接第二运算放大器OP2的输出端VOUT2；输出端VOUT2输出第二输出信号。
其中，VOUT1的稳态表达式为：
其中，VOUT2的稳态表达式为：
其中，积分时间常数τ为：
其中，第一开关S1的控制时钟的频率与占空比同VIN；根据开关电容电路的特性，VOUT1在相位上比VIN延后半个时钟周期；当没有光子信号输入时，电路会达到一个动态的平衡，VOUT1在幅度上为VIN的R1/R2倍，相位上滞后半个周期；在开关S1闭合后，没有电流对积分电容C1进行充放电，VOUT2保持稳定。
其中，当有光子信号输入时，即VIN幅度变大；此时VOUT1瞬态突然变小，并在开关S1闭合后对C1进行反向积分，VOUT2变大；此后，在下一个周期，VIN恢复到原来的值，VOUT1相对变大，C1以相同的时间常数进行放电。
本发明实施例具有如下优点：能够在开关节拍与输入信号同步的条件下，实现电荷耦合信号的基线恢复功能，提取噪声电压与信号电压的差值，且该信号处理过程能是自适应的。该电路可以使得噪声电压均衡化，完整地保留了信号的真实的动态范围，最大限度地利用后续模数转换器的动态范围，这是其他基线恢复电路所无法实现的。该电路特别适用于噪声事例占主导的应用环境，例如低信号事例率的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的积分型自适应基线恢复电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的VCCD信号经相关双采样电路处理周后的波形示意图；
图3为本发明实施例提供的电荷耦合器件的输出波形(VCCD)。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，VIN即为图2所示的VCCD信号经相关双采样电路处理周后的波形，图3所示的两个信号(对应V4与V5)此时分别对应图1的(V1与V2)。V1与V2的顶部电平的绝对值仍然随噪声基线的波动而波动。
参见图1和图2，本发明实施例提供一种积分型自适应基线恢复电路，包括：第一网络和第二网络；第一网络的输出端与第二网络的输入端连接；第一网络的输入端接收输入信号VIN，第一网络的输出端输出第一输出信号；第二网络的输入端接收第一输出信号，第二网络的输出端输出第二输出信号；第一网络为放大电路，并通过第一电阻R1和第二电阻R2来调节信号的增益；通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4调节失调。
本发明实施例提供的积分型自适应基线恢复电路，能够在开关节拍与输入信号同步的条件下，实现电荷耦合信号的基线恢复功能，提取噪声电压与信号电压的差值，且该信号处理过程能是自适应的。该电路可以使得噪声电压均衡化，完整地保留了信号的真实的动态范围，最大限度地利用后续模数转换器的动态范围，这是其他基线恢复电路所无法实现的。该电路特别适用于噪声事例占主导的应用环境，例如低信号事例率的应用。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第一网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1；第一电阻R1的一端接收输入信号VIN，另一端连接第一运算放大器OP1的负向输入端；第二电阻R2的一端连接第一运算放大器OP1的负向输入端，另一端连接第一运算放大器OP1的输出端VOUT1；输出端VOUT1输出第一输出信号；第三电阻R3的一端连接第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端接信号地；第四电阻R4的一端连接第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端连接第二网络中第二运算放大器OP2的输出端VOUT2。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第二网络包括第二运算放大器OP2、第一开关S1、第五电阻R5和电容C1；第一开关S1的一端连接第一运算放大器OP1的输出端VOUT1，另一端接第五电阻R5；第五电阻R5的另一端连接第二运算放大器OP2的负向输入端；电容C1的一端连接第二运算放大器OP2的负向输入端，另一端连接第二运算放大器OP2的输出端VOUT2；输出端VOUT2输出第二输出信号。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，
VOUT1的表达式为：
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，
VOUT2的稳态表达式为：
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，
积分时间常数τ为：
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第一开关S1的控制时钟的频率与占空比同VIN；根据开关电容电路的特性，VOUT1在相位上比VIN延后半个时钟周期；当没有光子信号输入时，电路会达到一个动态的平衡，VOUT1在幅度上为VIN的R1/R2倍，相位上滞后半个周期；在开关S1闭合后，没有电流对积分电容C1进行充放电，VOUT2保持稳定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，当有光子信号输入时，即VIN幅度变大；此时VOUT1瞬态突然变小，并在开关S1闭合后对C1进行反向积分，VOUT2变大；此后，在下一个周期，VIN恢复到原来的值，VOUT1相对变大，C1以相同的时间常数进行放电。
为了对上述实施例的内容进行说明，本发明提供另一实施例进行说明：
第一网络是一个放大电路，通过R1和R2来调节信号的增益，通过四个电阻来调节失调。在稳态条件下，VOUT1的稳态表达式为
开关S1的控制时钟的频率与占空比同VIN。根据开关电容电路的特性，VOUT1在相位上会比VIN延后半个时钟周期。
当没有光子信号输入时，电路会达到一个动态的平衡，VOUT1在幅度上为VIN的R1/R2倍，相位上滞后半个周期。因此，在开关S1闭合后，没有电流对积分电容C1进行充放电，因此VOUT2保持稳定。
当有光子信号输入时，即VIN幅度变大，此时VOUT1瞬态突然变小，并在开关S1闭合后对C1进行反向积分，因此VOUT2变大。VOUT2的稳态表达式为：
且积分时间常数τ为：
此后，在下一个周期，VIN恢复到原来的值，VOUT1相对变大，因此C1以相同的时间常数进行放电。
该电路能够工作的关键是，噪声事例占主导，即信号事例很少，例如信号事例率为十分之一。
综上，相比传统的处理方法，本发明实施例可以非常高精度地提取净信号电平，可以实现较好的噪声性能和线性度性能。尤其是不受温度和参考电压波动的影响，因此鲁棒性较强。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种积分型自适应基线恢复电路，其特征在于，包括：第一网络和第二网络；所述第一网络的输出端与所述第二网络的输入端连接；
所述第一网络的输入端接收输入信号VIN，所述第一网络的输出端输出第一输出信号；
所述第二网络的输入端接收所述第一输出信号，所述第二网络的输出端输出第二输出信号；
所述第一网络为放大电路，并通过第一电阻R1和第二电阻R2来调节信号的增益；通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4调节失调；
所述第一网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器OP1；
所述第一电阻R1的一端接收输入信号VIN，另一端连接所述第一运算放大器OP1的负向输入端；
所述第二电阻R2的一端连接所述第一运算放大器OP1的负向输入端，另一端连接所述第一运算放大器OP1的输出端VOUT1；所述输出端VOUT1输出第一输出信号；
所述第三电阻R3的一端连接所述第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端接信号地；
所述第四电阻R4的一端连接所述第一运算放大器OP1的正向输入端，另一端连接所述第二网络中第二运算放大器OP2的输出端VOUT2；
所述第二网络包括第二运算放大器OP2、第一开关S1、第五电阻R5和电容C1；
所述第一开关S1的一端连接所述第一运算放大器OP1的输出端VOUT1，另一端接所述第五电阻R5的一端；
所述第五电阻R5的另一端连接所述第二运算放大器OP2的负向输入端，所述OP2的正向输入端接地；
所述电容C1的一端连接所述第二运算放大器OP2的负向输入端，另一端连接所述第二运算放大器OP2的输出端VOUT2；所述输出端VOUT2输出第二输出信号；
所述第一开关S1的控制时钟的频率与占空比同VIN；根据开关电容电路的特性，VOUT1在相位上比VIN延后半个时钟周期；
当没有光子信号输入时，电路会达到一个动态的平衡，VOUT1在幅度上为VIN的R1/R2倍，相位上滞后半个周期；在开关S1闭合后，没有电流对积分电容C1进行充放电，VOUT2保持稳定；
当有光子信号输入时，即VIN幅度变大；此时VOUT1瞬态突然变小，并在开关S1闭合后对C1进行反向积分，VOUT2变大；此后，在下一个周期，VIN恢复到原来的值，VOUT1相对变大，C1以相同的时间常数进行放电。
2.根据权利要求1所述的积分型自适应基线恢复电路，其特征在于，
VOUT1稳态的表达式为：
3.根据权利要求2所述的积分型自适应基线恢复电路，其特征在于，
VOUT2的稳态表达式为：
4.根据权利要求3所述的积分型自适应基线恢复电路，其特征在于，
积分时间常数τ为：
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1697979A (zh) * | 2003-04-29 | 2005-11-16 | 泰拉丁公司 | 具有改进精度的测量电路 |
| CN201294487Y (zh) * | 2008-10-12 | 2009-08-19 | 沈石 | 低噪直流伺服电路 |
| CN101632225A (zh) * | 2007-01-25 | 2010-01-20 | Rgb系统公司 | 方法一种用于产生具有低音频频段噪声成分的三角波形的设备 |
| CN102545800A (zh) * | 2010-12-29 | 2012-07-04 | 意法半导体研发(深圳)有限公司 | 放大信号的电路及其方法 |
| CN207083064U (zh) * | 2017-06-09 | 2018-03-09 | 武汉微智芯科技有限公司 | 一种非制冷红外焦平面的读出电路 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI309105B (en) * | 2005-08-12 | 2009-04-21 | Anpec Electronics Corp | Amplifier circuit having a compensating amplifier unit for improving loop gain and linearity |
-
2019
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1697979A (zh) * | 2003-04-29 | 2005-11-16 | 泰拉丁公司 | 具有改进精度的测量电路 |
| CN101632225A (zh) * | 2007-01-25 | 2010-01-20 | Rgb系统公司 | 方法一种用于产生具有低音频频段噪声成分的三角波形的设备 |
| CN201294487Y (zh) * | 2008-10-12 | 2009-08-19 | 沈石 | 低噪直流伺服电路 |
| CN102545800A (zh) * | 2010-12-29 | 2012-07-04 | 意法半导体研发(深圳)有限公司 | 放大信号的电路及其方法 |
| CN207083064U (zh) * | 2017-06-09 | 2018-03-09 | 武汉微智芯科技有限公司 | 一种非制冷红外焦平面的读出电路 |
Also Published As
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