CN112954237A - 一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，包括可变电容积分模块和自适应读出电路模块；可变电容积分模块，用于在光电探测器产生光电流后，对光电流进行积分处理，同时在积分处理过程中调整可变电容积分模块的总积分电容大小；自适应读出电路模块，用于在一个积分周期内，实时的对可变电容积分模块输出的积分电压与参考电压进行比较，并将比较结果反馈至可变电容积分模块；可变电容积分模块根据比较结果调整可变电容积分模块的总积分电容大小。本发明的目的在于提供一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，解决有机光电探测器在采用普通的积分电路时，会使得其积分电压出现过饱和，从而无法对光电流进行有效处理的问题。

Description

一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路。

背景技术

对于光电探测器，其读出电路通常离不开对产生的光电流的积分读出，通常的方法为通过积分电路将其光电流直接进行积分，之后将其积分电压输出或进行模数转换，而对于有机光电探测器，由于其器件响应时间更短，且由于器件的灵敏很高，使得其产生的光电流的动态范围能够达到几十甚至上百dB，此时对于其积分电路来讲就提出了更高的要求，需要其对较大范围的输入电流进行处理，而由于电容一但固定，便会使得读出电路的增益固定，而无法对如此大的输入范围电流进行处理，则有可能出现由于光照突然增强使得光电流骤增，使得积分饱和，使得输出图像出现过曝；亦或由于光照很小产生了很微弱的电流而使得积分电压值很小，且由于系统中存在的误差，而“淹没”积分信号，使得输出与实际值出现较大偏差。

而如果采用系统外对其积分电容大小进行调整或积分时间进行调整，不可避免会出现时间延迟，而无法及时的对读出电路的增益做出调整。为了解决此问题，通常需要扩大读出电路的输出动态范围，而由于集成电路尺寸的不断减小以及工作电压的降低，其动态范围也受到影响，而不能进一步增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，解决有机光电探测器在采用普通的积分电路时，会使得其积分电压出现过饱和，从而无法对光电流进行有效处理的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，包括可变电容积分模块和自适应读出电路模块；

所述可变电容积分模块，用于在光电探测器产生光电流后，对所述光电流进行积分处理，同时在积分处理过程中调整所述可变电容积分模块的总积分电容大小；

所述自适应读出电路模块，用于在一个积分周期内，实时的对所述可变电容积分模块输出的积分电压与参考电压进行比较，并将比较结果反馈至所述可变电容积分模块；

所述可变电容积分模块根据所述比较结果调整所述可变电容积分模块的总积分电容大小。

优选地，所述可变电容积分模块包括积分阵列、复位开关以及运算放大器；

所述运算放大器的反相输入端与所述光电探测器连接，所述运算放大器的同相输入端连接偏置电压，所述运算放大器的输出端与所述自适应读出电路模块连接；

所述积分阵列的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述积分阵列的另一端与所述运算放大器的输出端连接；

所述复位开关的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述复位开关的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

优选地，所述积分阵列包括单位电容和二进制电容阵列；

所述单位电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述单位电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接；

所述二进制电容阵列包括n条支路，任意一条所述支路包括一个二进制电容和一个场效应管，所述二进制电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述二进制电容的另一端与所述场效应管的源极连接，所述场效应管的漏极与所述运算放大器的输出端连接，所述场效应管的栅极与所述自适应读出电路模块连接；

其中，任意两个所述二进制电容的容值不相等，且所述二进制电容的容值满足：2^{n -1}C，n为第n条支路的二进制电容。

优选地，所述自适应读出电路模块包括比较器、电容、采样开关、若干个控制开关以及若干个触发器；

所述采样开关的一端与所述运算放大器的输出端连接，所述采样开关的另一端与所述比较器的同相输入端连接；

任意一个所述控制开关的一端连接有参考电压，任意一个所述控制开关的另一端连接至所述比较器的反相输入端；

任意一个所述触发器的输入端与所述比较器的输出端连接，任意一个所述触发器的使能端用于接收输入信号，任意一个所述触发器的输出端连接一个所述场效应管；任意一个所述触发器的复位端用于接收控制信号，且所述触发器接收的控制信号相同；

所述电容的一端与所述比较器的反相输入端连接，所述电容的另一端接地。

优选地，当所述运算放大器的输出端输出所述积分电压时，所述采样开关对所述积分电压采样，在所述采样开关采样后，若干个所述控制开关依次打开；当任意一个所述控制开关打开时，所述比较器将所述控制开关对应的所述参考电压与所述积分电压进行比较，并将比较结果传输至所述触发器，所述触发器根据所述比较结果触发所述场效应管导通；

其中，一个所述控制开关对应一个所述触发器。

优选地，所述可变电容积分模块输出的积分电压为：

其中，V_final为积分电压，C为单位积分电容，V_{ref_int}为偏置电压，C_total为总的积分电容，i(t)为输入的光电流。

优选地，所述自适应读出电路模块还用于输出自适应可变增益积分电路的实际增益。

优选地，当一个积分周期结束，所述触发器输出二进制码；所述可变电容积分模块输出的积分电压转化为二进制数字码，所述自适应读出电路模块根据所述二进制码和所述二进制数字码获取所述实际增益；同时在下一次积分之前通过所述控制信号对所述触发器进行复位；

其中，所述二进制码为多个所述触发器锁存的比较结果。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

由于该积分电路具有自适应可变增益的特点，当光电流较小的时候，可以通过较小的单位电容提高电路的增益，从而使得该积分电路可以及时有效的对小电流信号进行读出；当光电探测器突然出现较大的光电流时，可以根据光电流的实际值调整可变电容积分模块的总积分电容值，进而对读出电路做出实时的有效的增益调整，使得该积分电路可以对其进行完全的积分，从而间接提高了读出电路的响应范围，很大程度的提高了读出电路的性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体电路结构图；

图2为本发明中的可变电容积分电路结构图；

图3为本发明中的一种连续采样的自适应读出电路架构示意图；

图4为本发明中的开关时序示意图；

图5为普通积分电路图；

图6为普通积分电路与本发明的积分电路的积分对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，如图1所示，包括可变电容积分模块和自适应读出电路模块；

其中，可变电容积分模块，用于在光电探测器产生光电流后，对光电流进行积分处理，同时在积分处理过程中调整可变电容积分模块的总积分电容大小；

自适应读出电路模块，用于在一个积分周期内，实时的对可变电容积分模块输出的积分电压与参考电压进行比较，并将比较结果反馈至可变电容积分模块；

可变电容积分模块根据比较结果调整可变电容积分模块的总积分电容大小。

具体地，在本实施例中，可变电容积分模块如图2所示，包括一个具有二进制电容值的电容阵列结构，一个复位开关(Rst)和一个运算放大器(OPA)；其中，一个具有二进制码电容值的电容阵列包含一个单位电容和一个二进制电容阵列，二进制电容阵列中包含n条电容支路，任意一条电容支路包含一个二进制电容和一个场效应管，且二进制电容阵列中的二进制电容的电容值按照二进制数递增，大小分别为C、2¹C、2²C、…、2^n-1C，其中，n为第n条支路的二进制电容。

具体实施时，运算放大器的反相输入端与光电探测器连接，用于接收光电探测器产生的光电流，运算放大器的同相输入端连接偏置电压，运算放大器的输出端与自适应读出电路模块连接，用于将产生的积分电压输入至自适应读出电路模块；复位开关和单位电容均直接跨接在运算放大器的反向输入端和运算放大器的输出端；每个二进制电容均为一端连接在运算放大器的反向输入端，另一端连接在场效应管的源极，每个场效应管的漏极均连接在运算放大器输出端，且每个场效应管的栅极均连接有一个触发器。

当光电探测器产生光电流后，光电流通过运算放大器传输至积分阵列，并在电容上开始积分，其总的积分电压值V_out满足：

式中，V_{ref_int}为积分参考电压，C_total为总的积分电容，i(t)为输入的时变光电流。

由于总的积分电容C_total受到触发器的控制，会在积分时间内不断改变，因此，最终的输出为：

其中，C为单位积分电容。

自适应读出电路模块如图3所示，包括一个高增益比较器(Com)、一个电容(Cmin)、一个采样开关(Ssamp)、n个控制开关(S1、S2、…、Sn)以及n个触发器(D1、D2、…、Dn)；其中，运算放大器的输出端与采样开关的左端连接，采样开关的右端与比较器的同相输入端连接；电容的一端与比较器的同相输入端连接，另一端连接到地；n个控制开关的左端各自连接一个参考电压(V1、V2、…、Vn)，n个控制开关的右端均连接到比较器的反相输入端，比较器的输出端与n个触发器的输入端相连，n个触发器的复位端接同一个控制信号reset，n个触发器的使能端分别接输入信号clk1、clk2、…、clkn，n个触发器的输出端各自与一个场效应管的栅极连接。

其中，在本实施例中，电容的作用为存储采样开关采样的积分电压，因此可以选择电容值小点的电容；工作时，采样开关上施加周期性的脉冲信号，如图4所示，用于对运算放大器输出端输出的积分电压进行快速的连续采样，并作用于高精度比较器上，高精度比较器的作用为分别比较采样的积分电压与n个不同的参考电压的大小；n个触发器的作用为根据比较结果，触发相应的场效应管。

当运算放大器的输出端将积分电压值传输至自适应读出电路模块，采样开关在周期性的脉冲信号作用下，不断对积分电压值进行采样，当采样开关采样后，将采样的积分电压值传输至比较器，同时，控制开关会依次打开，n个触发器的输入信号会在控制开关打开时输入脉冲信号；当控制开关打开时，比较器将积分电压值与对应控制开关传输的参考电压进行比较，并将比较结果传输至其中的一个触发器，触发相应的场效应管，从而使得对应的二进制电容导通，进而改变可变电容积分模块的总积分电容。

具体地，在光电探测器不断产生光电流并在电容上进行积分的过程中，当光电探测器输入的总电荷Q＝(V₁-V_{ref_int})·C时，比较器输出高电平，同时触发器D1的输出Q1为高电平，使得场效应管M1为高电平，此时场效应管M1导通，总的积分电容为C+C1，输出积分电压满足：

当光电探测器输入的总电荷Q＝(V₂-V_{ref_int})·(C+C₁)时，比较器输出高电平，同时触发器D2的输出Q2为高电平，使得场效应管M2为高电平，此时场效应管M2导通，总的积分电容为C+C1+C2，此时输出积分电压满足：

依次类推，当输入总电荷为：

时，比较器输出高电平，同时触发器Dn的输出Qn为高电平，使得场效应管Mn为高电平，此时场效应管Mn导通，总的积分电容为C+C1+C2+…+Cn，此时输出电压满足：

而该积分电路的增益

为一个变化量，从而实现了自适应可变增益。

对于灵敏度更高的有机光电探测器在采用普通的积分电路时，由于其较大的光电流范围以及更快的响应速度，会使得其积分电压出现过饱和，从而无法对光电流进行有效处理。而在本方案中，由于该积分电路具有自适应可变增益的特点，当光电流较小的时候，可以通过较小的单位电容提高电路的增益，从而使得该积分电路可以及时有效的对小电流信号进行读出；当光电探测器突然出现较大的光电流时，可以根据光电流的实际值调整可变电容积分模块的总积分电容值，进而对读出电路做出实时的有效的增益调整，使得该积分电路可以对其进行完全的积分，从而间接提高了读出电路的响应范围，很大程度的提高了读出电路的性能。

进一步地，自适应读出电路模块还用于输出自适应可变增益积分电路的实际增益，具体地，当一个积分周期结束，n个触发器将比较结果(Qn、Qn-1、…Q1)输出，同时在下一次积分之前将触发器通过信号reset对其复位；同时在一个积分周期结束之后，可变电容积分模块所积分的电压值通过模数转换为二进制数字码，并与输出的二进制码(Qn、Qn-1、…Q1)相乘作为最终增益输出。

以下以具体的实施例对本方案的技术方案做进一步说明：

如图5所示的一种可用于光电探测器的一种普通积分电路结构，电路中的C为积分电容，det为光电探测器的等效模型，Rst为积分复位开关，OPA为运算放大器，V_{ref_int}为偏置电压，V_out为输出电压，i(t)为探测器产生的随时间变化的光电流，在该电路中，其积分电压满足：

此时电路的增益是固定的，由电容C的大小决定，此时输出电压为：

当采用如图1中的电路结构时，积分电压满足：

由于C_total是变化的，所以其增益也是不断变化的，其输出电压为：

为了更好地对比两个电路的性能差异，假设两个电路中的电容C的值相等，并且此时光电探测器输入的总电荷Q＝(V₂-V_{ref_int})·(C+C₁)，此普通积分电路的输出电压达到饱和，其输出值为：

并且无法继续增加，增益A_R＝C为一固定值；而此时该自适应可变增益读出电路的输出为：

此时电路的增益

普通固定增益积分电路在光电流较大时出现饱和，而本发明电路可以通过自适应调整积分增益，实现对光电流的完全积分而不会出现饱和，其积分示意图如图6。

综上所述，不难发现对于普通积分电路与该自适应可变增益电路，在对其输入相同的电荷总量，出现V_自适应＞V_普通的情况，两种电路的输出结果出现较大差别，此时该自适应可变增益电路的输出结果为对光电流进行完全积分时的电压，而普通积分电路达到饱和而无法输出正确的结果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，包括可变电容积分模块和自适应读出电路模块；

所述可变电容积分模块，用于在光电探测器产生光电流后，对所述光电流进行积分处理，同时在积分处理过程中调整所述可变电容积分模块的总积分电容大小；

所述自适应读出电路模块，用于在一个积分周期内，实时的对所述可变电容积分模块输出的积分电压与参考电压进行比较，并将比较结果反馈至所述可变电容积分模块；

所述可变电容积分模块根据所述比较结果调整所述可变电容积分模块的总积分电容大小。

2.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，所述可变电容积分模块包括积分阵列、复位开关以及运算放大器；

所述运算放大器的反相输入端与所述光电探测器连接，所述运算放大器的同相输入端连接偏置电压，所述运算放大器的输出端与所述自适应读出电路模块连接；

所述积分阵列的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述积分阵列的另一端与所述运算放大器的输出端连接；

所述复位开关的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述复位开关的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，所述积分阵列包括单位电容和二进制电容阵列；

所述单位电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述单位电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接；

所述二进制电容阵列包括n条电容支路，任意一条所述电容支路包括一个二进制电容和一个场效应管，所述二进制电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述二进制电容的另一端与所述场效应管的源极连接，所述场效应管的漏极与所述运算放大器的输出端连接，所述场效应管的栅极与所述自适应读出电路模块连接；

其中，任意两个所述二进制电容的容值不相等，且所述二进制电容的容值满足：2^n-1C，n为第n条支路的二进制电容。

4.根据权利要求3所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，所述自适应读出电路模块包括比较器、电容、采样开关、若干个控制开关以及若干个触发器；

所述采样开关的一端与所述运算放大器的输出端连接，所述采样开关的另一端与所述比较器的同相输入端连接；

任意一个所述控制开关的一端连接有参考电压，任意一个所述控制开关的另一端连接至所述比较器的反相输入端；

任意一个所述触发器的输入端与所述比较器的输出端连接，任意一个所述触发器的使能端用于接收输入信号，任意一个所述触发器的输出端连接一个所述场效应管；任意一个所述触发器的复位端用于接收控制信号，且所述触发器接收的控制信号相同；

所述电容的一端与所述比较器的反相输入端连接，所述电容的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，当所述运算放大器的输出端输出所述积分电压时，所述采样开关对所述积分电压采样，在所述采样开关采样后，若干个所述控制开关依次打开；当任意一个所述控制开关打开时，所述比较器将所述控制开关对应的所述参考电压与所述积分电压进行比较，并将比较结果传输至所述触发器，所述触发器根据所述比较结果触发所述场效应管导通；

其中，一个所述控制开关对应一个所述触发器。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路的方法，其特征在于，所述可变电容积分模块输出的积分电压为：

其中，V_final为积分电压，C为单位积分电容，V_{ref_int}为偏置电压，C_total为总的积分电容，i(t)为输入的光电流。

7.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，所述自适应读出电路模块还用于输出自适应可变增益积分电路的实际增益。

8.根据权利要求7所述的一种用于光电探测器的自适应可变增益积分电路，其特征在于，当一个积分周期结束，所述触发器输出二进制码；所述可变电容积分模块输出的积分电压转化为二进制数字码，所述自适应读出电路模块根据所述二进制码和所述二进制数字码获取所述实际增益；同时在下一次积分之前通过所述控制信号对所述触发器进行复位；

其中，所述二进制码为多个所述触发器锁存的比较结果。

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