CN115001500A - 一种光电探测器数字积分像元电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电探测器数字积分像元电路，特别是通过一种增大电荷存储容量、提高线性度的数字积分电荷‑数字转换电路，该电路由光电探测器、注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、控制信号产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容等组成，通过使用单位电荷存储电容和与之相连的两个开关，在电流积分到触发比较器翻转时，用单位电荷Qo补充积分电容上被泄放的电荷，取代传统数字积分是对电压复位的方式，避免了比较器判决电压和延迟时间的影响，提高了电荷‑数字转换的线性度。

Description

一种光电探测器数字积分像元电路

技术领域

本发明属于电子电路领域，涉及一种光电探测器数字积分像元电路。本发明适合应用于包括CMOS图像传感器、红外探测器等光电探测器以及电容传感器等在内的读出电路。

背景技术

在图像传感器和红外探测器等光电探测器中，读出电路的像元与光电探测器单元一一对应互连，其主要任务是将探测器产生的光电流提取、放大、积分并转换为电压信号后输出。像元电路的工作原理是信号电流I_p在积分电容C_int上积分，经过一定积分时间T_int，电容两端的电压V_int经多路开关输出，此时电容内存储的电荷为Q，由下式给出：

经过像元电路的积分后，信号线性累加，而噪声是均方根累加，输出信号的信噪比与积分时间的平方根成正比。加长积分时间可以提高探测器输出信号的信噪比和动态范围。但积分时间的延长受限于读出电路像元的电荷存储容量Qmax，由下式给出：

Q_max＝I_pT_{int_max}＝C_intV_{int_max} (2)

像元电路的最大输出电压V_{int_max}是受限于电源电压的，因此电荷存储容量Q_max主要由积分电容的容量限制，也即读出电路的动态范围由积分电容的容量限制。要增加探测器输出光电流的积分时间，必须加大积分电容的容量。

由于积分电容必须集成在每个像元的面积内，目前的硅CMOS工艺条件下可以集成的电容其单位电容值为每平方微米数个fF。假设像元面积为20μm×20μm，在像元内可集成的电容最大值仅为2pF。假设积分电容容量为2pF，电源电压为3.3V，像元电路的电荷存储容量约为41Me-。在最大输出电压3.3V，光电流为10nA时，最长积分时间为：

如果将光电探测器的暗电流及背景电流计入，最长积分时间还将更短。与通常图像传感器或红外探测器的成帧时间20ms相比，只有不到4％的时间用于光电流积分，其余时间都没有得到应用，限制了光电探测器性能的进一步提高。

随着探测器像元数的进一步增加，像元尺寸不断缩小，在像元内集成的积分电容容量不断减小，导致读出电路电荷存储容量限制成为影响光电探测器性能的最主要因素之一。

为突破像元电路的电荷存储容量限制，文献[1]利用数字积分技术来增大电荷存储容量。其工作原理是积分电容C_int上的电压V_int每达到比较器阈值电压V_th时就触发自动复位，将积分电容上的电荷清空，同时令计数器加1，在积分时间内多次重复这样的过程。数字积分技术将度量电容上单次积分电压绝对值的方式变为多次积分次数的计数值N，从而避免单次积分受到积分电容和电压的限制，令等效的电荷存储容量增加到原来的N倍。

由于积分时间得到延长，数字积分技术提高了探测器输出信号的信噪比和动态范围。同时输出数值N是对光电流的量化结果，因此数字积分技术还完成了电荷到数字信号的转换。

另一种常用的像元电路是采用容性跨阻放大器(capacitive transimpedenceamplifier，CTIA)来提高信噪比和线性度，但代价是每个像元都需要增加一个放大器，不仅占用了有限的像元面积导致积分电容减小，还显著增加了读出电路的功耗。

上述对光电探测器积分，测量其光电流的像元电路可以推广到测量电流的电荷-数字转换电路，只是待测器件由光电探测器变成其他产生待测电流的器件，其积分和电荷-数字转换也同样存在动态范围和信噪比的问题。

此外，电容传感器也需要类似的读出电路完成电荷-数字转换，只是测量的对象由电流变成电容，只需要将像元电路的光电探测器换成提供固定电流的电流源，就可以对被测电容进行积分和量化，其动态范围和信噪比也是有待提高的重要性能。

尽管数字积分技术可以增大像元电路的电荷存储容量，但由于是采用电压复位的方式，比较器电路的延迟时间会造成积分非线性。

理想情况下，每次计数代表的单位电荷为

Q₀＝C_int(V_rst-V_th)(5)其中V_rst是复位电压，V_th是比较器阈值电压。像元输出的计数值为

计数值N与光电流I_p成线性比例，可以量化探测器产生的光电流大小。

但是由于比较器不可避免的存在延迟时间T_d，该时间段内光电流仍然在放电，导致有效的单位电荷变成

Q'₀＝C_int(V_rst-V_th)+I_pT_d (7)

实际的积分电压变化由V_rst－V_th变为

于是实际输出的计数值为

比较器延时T_d在计数值表达式的分母上引入了非线性项I_pT_d，即计数值N不再与光电流I_p呈线性比例关系，导致光电探测器的输出变成受输入信号影响的非线性响应，影响了光电探测器的性能，对成像系统的设计和处理带来困难。

参考文献[1]Sylvette Bisottoa,et al.“A 25μm pitch LWIR staring focalplane array with pixel-level 15-bit ADC ROIC achieving 2mK NETD”.Proceding ofSPIE,2010,7834:78340J.

发明内容

本发明的目的是提供一种光电探测器数字积分像元电路，特别是通过一种增大电荷存储容量、提高线性度的数字积分电荷-数字转换电路，一方面采用数字积分技术克服传统模拟积分存在的电荷存储容量受限问题，另一方面还要解决已有电压复位结构的数字积分技术存在的输出响应非线性缺陷，从而在提高电荷-数字转换的信噪比和动态范围的同时，保证输出线性度，提高光电探测器、电流测量和电容测量传感器的性能。

本发明的总体构思包括：

(1)使用单位电荷存储电容Co和与之相连的两个开关，在电流积分到触发比较器翻转时，用单位电荷Qo补充积分电容上被泄放的电荷，取代传统数字积分对电压复位的方式，避免了比较器判决电压和延迟时间的影响，提高了电荷-数字转换的线性度。

(2)控制单位电荷存储电容或被测电容Co进行存储电荷和转移电荷的开关控制信号S1和S2，其有效电平是非交叠的，以避免电荷泄漏造成误差。

(3)控制信号产生电路和计数器的输入，是由单稳态电路产生，特征在于每一次积分过程中比较器输出发生翻转只产生一个脉冲Vp，且其有效电平宽度是由单稳态电路决定，不受比较器等其他电路影响。目的是避免在一次积分过程中因为供电电压等非理想因素干扰产生错误的多个脉冲，造成计数器误计数和单位电容存储和转移的错误操作。

(4)本发明不仅针对图1和图2所示的电流Ip对积分电容放电的积分情况，也适用于电流Ip对积分电容充电的积分情况。

本发明为实现上述目的采用的技术方案为：

首先，本发明提供一种测量电流的数字积分电荷-数字转换电路，由注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、控制信号产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容组成，其中：

所述注入管的一端连接产生被测电流的器件，另一端连接积分电容的上极板和比较器的一个输入端；积分电容的下极板连接公共电压Vcom；比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和控制信号产生电路的输入；控制信号产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；单位电荷存储电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。

进一步地，通过RST、Vp、S1和S2等信号的时序关系完成电流到数字的积分转换，其中：

电压VB通过注入管对产生被测电流的器件提供合适的偏置条件；首先复位信号RST有效，打开复位开关，令积分电容Cint上的电压Vint被复位到Vrst，同时计数器复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关，开始积分，即待测电流Ip泄放积分电容Cint上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路产生脉冲信号Vp，计数器输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关，S2控制电荷转移开关；在积分电容Cint复位和积分期间，S1有效，闭合电荷存储开关，将单位电荷存储电容Co连接到复位电压Vrst，从而单位电荷Qo储存到电荷存储电容Co上，此期间S2无效，断开电荷转移开关；在单稳态电路输出脉冲信号Vp有效时，S1无效，断开电荷存储开关，经过一定的时间间隔后，S2有效，闭合电荷转移开关，将单位电荷Qo转移到积分电容Cint上，该电容上的电压Vint恢复到比判决电平Vth高，令比较器输出恢复；脉冲信号Vp无效后开始新的一次积分，即被测电流Ip重新对积分电容Cint放电；经过一定时间间隔后，S1有效，闭合电荷存储开关，将单位电荷存储电容Co连接到复位电压Vrst；重复上述积分和单位电荷存储、转移以及积分电压恢复的过程，直到规定的积分时间Tint时停止，计数器输出Do的数值N是对待测电流Ip的量化结果。

其次，本发明还提供一种测量电容的数字积分电荷-数字转换电路，由电流源、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、控制信号产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关组成，其中：

所述积分电容的上极板连接电流源和比较器的一个输入端，积分电容的下极板连接公共电压Vcom；比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和控制信号产生电路的输入；控制信号产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；被测电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。

进一步地，通过RST、Vp、S1和S2等信号的时序关系完成电容到数字的积分转换，其中：

首先复位信号RST有效，打开复位开关，令积分电容Cint上的电压被复位到Vrst，同时计数器复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关，开始积分，即电流源的电流Ip泄放积分电容上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路产生脉冲信号Vp，计数器输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关，S2控制电荷转移开关；在积分电容Cint复位和积分期间，S1有效，闭合电荷存储开关，将被测电容Co连接到复位电压Vrst，从而单位电荷Qo储存到被测电容Co上，此期间S2无效，断开电荷转移开关；在单稳态电路输出脉冲信号Vp有效时，S1无效，断开电荷存储开关，经过一定的时间间隔后，S2有效，闭合电荷转移开关，将单位电荷Qo转移到积分电容Cint上，该电容上的电压恢复到比判决电平Vth高，令比较器输出恢复；脉冲信号Vp无效后开始新的一次积分，即电流Ip重新对积分电容Cint放电；经过一定时间间隔后，S1有效，闭合电荷存储开关，将被测电容Co连接到复位电压Vrst；重复上述积分和单位电荷存储、转移以及积分电压恢复的过程，直到规定的积分时间Tint时停止，计数器输出Do的数值N是对待测电容Co的量化结果。

本发明的最终目的是提供一种光电探测器数字积分像元电路，由光电探测器、注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、时钟产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容组成。

所述注入管的一端连接光电探测器，另一端连接积分电容的上极板和比较器的一个输入端；比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和时钟产生电路的输入；时钟产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；单位电荷存储电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。

本发明的原理为：

以被测电流(或电流源电流)Ip对积分电容放电的积分过程为例阐述本发明的原理，所有控制信号都是高电平有效。相关信号的工作时序示于图2。

在复位阶段，即RST有效时，积分电容Cint连接到复位电压Vrst，电容上的电压Vint＝Vrst，由于Vint大于比较器判决电压Vth，比较器输出Vout为低电平，单稳态电路输出Vp为低电平，计数器输出复位到0。复位期间控制信号产生电路的输出信号S1有效，S2无效，即通过电荷存储开关将单位电荷存储电容(或被测电容)Co连接到Vrst，令其储存电荷：

Q₀＝C₀(V_rst-V_ref) (10)

复位信号RST无效后，电流Ip对积分电容Cint放电，直到其电压Vint低于Vth，引起比较器输出Vout变高，触发单稳态电路输出Vp变高，并持续一定的时间形成窄脉冲，计数器的计数值加1。Vp变成高电平触发控制信号产生电路的输出信号S1无效，令电容Co与复位电压Vrst的连接断开。经过一定时间间隔后S2有效，将电容Co上的电荷Qo转移到积分电容Cint上，电压Vint恢复到比Vth高。然后S2无效，令电容Co和积分电容Cint断开连接，电流Ip开始对积分电容Cint进行新的一次积分。经过一定时间间隔后，S1有效，电容Co连接到Vrst，重新将电荷Qo存储到电容Co上。

为了防止电容Co上的电荷泄漏造成误差，控制信号产生电路的输出S1和S2不能同时有效，即其高电平之间要有一定的时间间隔，形成非交叠的有效电平。

以上积分、存储电荷Qo、转移电荷Qo的过程重复到指定的积分时间Tint为止，计数器对脉冲Vp的个数计数，得到数值N：

由于单位电荷Qo是由电容Co、复位电压Vrst和参考电压Vref决定的，不受比较器判决电压Vth和延迟时间Td的影响，因此该计数值N与电流Ip成线性正比例关系，与电容Co成线性反比例关系，因此计数值N可以线性的量化电流Ip或电容Co，实现电荷-数字转换。

总的电荷存储容量为

Q_max＝NQ₀＝NC₀(V_rst-V_ref) (11)

由于电荷存储容量由Qo增大了N倍，从而延长积分时间，可以提高动态范围和信噪比。

本发明也适用于电流Ip对积分电容充电的积分过程。只要将Vrst电压值设置为低于Vref和Vcom，触发单稳态电路输出Vp有效的输入信号极性由低电平改为高电平，或在比较器和单稳态电路间插入反相器令信号反相，就可以实现相同的功能，测量电流Ip或者电容Co。

根据具体的电路实现需要，本发明的电路可以配置为控制信号在低电平时有效。相关电容的上、下极板连接方式，也可以根据实际电路需要进行调整。

本发明的有益效果为：

现有的电压复位数字积分电路，因为是对电压的复位操作，因此每次计数的单位电荷(公式(7))受到比较器判决电压Vth和延迟时间Td影响，导致计数值(即公式(9))与待测电流的关系是非线性的。而本发明提供的技术方案，在提高电荷存储容量获得动态范围和信噪比提升的同时，采用电荷存储和转移操作，避免电压操作受到比较器等非理想因素引入的非线性，得到的输出结果可以将电流或电容线性的转换为数字值，降低了比较器电路设计的要求，即不需要低延迟时间和高精度的比较器就可以实现高质量的电荷量化，从而减小了电荷-数字转换电路的功耗和面积。同时由于输出结果是对电流或电容的线性转换，不需要后续电路进行复杂的处理来提高电流或电容测量的线性度，降低了整个传感器系统的设计复杂度。

附图说明

图1为本发明所述测量电流的数字积分电荷-数字转换电路原理图；图1中：

300-测量电流的数字积分电荷-数字转换电路，301-产生被测电流的器件，302-注入管，303-积分电容，304-复位开关，305-比较器，306-单稳态电路，307-计数器，308-控制信号产生电路，309-电荷存储开关，310-电荷转移开关，311-单位电荷存储电容。

图2为本发明所述测量电流或电容的数字积分电荷-数字转换电路的信号图。

图3为本发明所述测量电容的数字积分电荷-数字转换电路原理图，图3中：

500-测量电容的数字积分电荷-数字转换电路，501-被测电容，502-电流源，503-积分电容，504-复位开关，505-比较器，506-单稳态电路，507-计数器，508-控制信号产生电路，509-电荷存储开关，510-电荷转移开关。

图4为本发明所述的光电探测器数字像元电路原理图，图4中：

600-光电探测器数字像元电路，601-光电探测器，602-注入管，603-积分电容，604-复位开关，605-比较器，606-单稳态电路，607-计数器，608-时钟产生电路，609-电荷存储开关，610-电荷转移开关，611-单位电荷存储电容。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种测量电流的数字积分电荷-数字转换电路300，由注入管302、积分电容303、复位开关304、比较器305、单稳态电路306、计数器307、控制信号产生电路308、电荷存储开关309、电荷转移开关310和单位电荷存储电容311组成，其中：

所述注入管302的一端连接产生被测电流的器件301，另一端连接积分电容303上极板和比较器305的一个输入端；积分电容303下极板连接公共电压Vcom；比较器305的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路306的输入，单稳态电路306的输出连接计数器307的输入和控制信号产生电路308的输入；控制信号产生电路308的第一个输出信号S1控制电荷存储开关309，第二个输出信号S2控制电荷转移开关310；单位电荷存储电容311的一个极板连接电荷存储开关309和电荷转移开关310，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关309的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关310的另一端连接积分电容303的上极板；复位开关304的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容303的上极板。

其中比较器305的作用是将输入电压与判决电压Vth进行比较，如果输入电压高于判决电压，则比较器305输出高电平，如果输入电压低于判决电压，则比较器305输出低电平。单稳态电路306用于当比较器305输出翻转时，产生具有一定宽度的脉冲，避免电源干扰、噪声等误触发多个脉冲。计数器307和控制信号产生电路308均为数字电路，前者实现计数累加，后者产生图2所示的非交叠控制信号S1和S2。

进一步地，参考图2，通过RST、Vp、S1和S2等信号的时序关系完成电流到数字的积分转换，其中：

电压VB通过注入管302对产生被测电流的器件301提供合适的偏置条件；首先复位信号RST有效，打开复位开关304，令积分电容303上的电压Vint被复位到Vrst，同时计数器307复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关304，开始积分，即待测电流Ip泄放积分电容303上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器305判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路306产生脉冲信号Vp，计数器307输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路308产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关309，S2控制电荷转移开关310；在积分电容303复位和积分期间，S1有效，闭合电荷存储开关309，将单位电荷存储电容Co 311连接到复位电压Vrst，从而单位电荷Qo储存到电容Co 311上，此期间S2无效，断开电荷转移开关310；在单稳态电路306输出脉冲信号Vp有效时，S1无效，断开电荷存储开关309，经过一定的时间间隔后，S2有效，闭合电荷转移开关310，将单位电荷Qo转移到积分电容Cint 303上，该电容上的电压Vint恢复到比判决电平Vth高，令比较器305输出恢复；脉冲信号Vp无效后开始新的一次积分，即被测电流Ip重新对积分电容Cint放电；经过一定时间间隔后，S1有效，闭合电荷存储开关309，将单位电荷存储电容Co 311连接到复位电压Vrst；重复上述积分和单位电荷存储、转移以及积分电压恢复的过程，直到规定的积分时间Tint时停止，计数器307输出Do的数值N是对待测电流Ip的量化结果。

实施例2

如图3所示，一种测量电容的数字积分电荷-数字转换电路500，由电流源502、积分电容503、复位开关504、比较器505、单稳态电路506、计数器507、控制信号产生电路508、电荷存储开关509、电荷转移开关510组成，其中：

所述积分电容503的上极板连接电流源502和比较器505的一个输入端，积分电容503下极板连接公共电压Vcom；比较器505的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路506的输入，单稳态电路506的输出连接计数器507的输入和控制信号产生电路508的输入；控制信号产生电路508的第一个输出信号S1控制电荷存储开关509，第二个输出信号S2控制电荷转移开关510；被测电容501的一个极板连接电荷存储开关509和电荷转移开关510，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关509的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关510的另一端连接积分电容503的上极板；复位开关504的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容503的上极板。

进一步地，参考图2，通过RST、Vp、S1和S2等信号的时序关系完成电容到数字的积分转换，其中：

首先复位信号RST有效，打开复位开关504，令积分电容503上的电压被复位到Vrst，同时计数器507复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关504，开始积分，即电流源的电流Ip泄放积分电容503上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器505判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路506产生脉冲信号Vp，计数器507输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路508产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关509，S2控制电荷转移开关510；在积分电容Cint503复位和积分期间，S1有效，闭合电荷存储开关509，将被测电容Co501连接到复位电压Vrst，从而单位电荷Qo储存到被测电容Co501上，此期间S2无效，断开电荷转移开关510；在单稳态电路506输出脉冲信号Vp有效时，S1无效，断开电荷存储开关509，经过一定的时间间隔后，S2有效，闭合电荷转移开关510，将单位电荷Qo转移到积分电容Cint 503上，该电容上的电压恢复到比判决电平Vth高，令比较器505输出恢复；脉冲信号Vp无效后开始新的一次积分，即电流Ip重新对积分电容Cint放电；经过一定时间间隔后，S1有效，闭合电荷存储开关509，将被测电容Co 501连接到复位电压Vrst；重复上述积分和单位电荷存储、转移以及积分电压恢复的过程，直到规定的积分时间Tint时停止，计数器507输出Do的数值N是对待测电容Co的量化结果。

实施例3

如图4所示，一种光电探测器数字像元电路600，由光电探测器601、注入管602、积分电容603、复位开关604、比较器605、单稳态电路606、计数器607、时钟产生电路608、电荷存储开关609、电荷转移开关610和单位电荷存储电容611组成。

所述注入管602的一端连接光电探测器601，另一端连接积分电容603上极板和比较器605的一个输入端；比较器605的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路606的输入，单稳态电路606的输出连接计数器607的输入和时钟产生电路608的输入；时钟产生电路608的第一个输出信号S1控制电荷存储开关609，第二个输出信号S2控制电荷转移开关610；单位电荷存储电容611的一个极板连接电荷存储开关609和电荷转移开关610，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关609的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关610的另一端连接积分电容603上极板；复位开关604的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容603上极板。

进一步地，参考图2，本实施例是通过以下信号的时序关系完成数字积分和对探测器所产生电流的测量，转换输出数字值：

电压VB通过注入管602对光电探测器601提供合适的偏置条件；首先复位信号RST有效，打开复位开关604，令积分电容603上的电压被复位到Vrst，同时计数器607复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关604，开始积分，即探测器601产生的电流Ip泄放积分电容603上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器605判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路606产生脉冲信号Vp，计数器607输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路608产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关609，S2控制电荷转移开关610；在积分电容603复位和积分期间，S1闭合电荷存储开关609，将单位电荷存储电容611连接到复位电压Vrst，将单位电荷Qo储存到电容611上，此期间S2断开电荷转移开关610。单位电荷Qo大小为

Q₀＝C₀(V_rst-V_ref) (12)

在单稳态电路606输出脉冲信号Vp有效时，S1断开电荷存储开关609，经过一定的时间间隔后，S2信号闭合电荷转移开关610，将单位电荷Qo转移到积分电容603上，该电容上的电压恢复到比判决电平Vth高，令比较器605输出恢复；脉冲信号Vp变为无效后开始新的一次积分；经过一定时间间隔后，S1闭合电荷存储开关609，将单位电荷存储电容611连接到复位电压Vrst；重复上述积分和单位电荷存储、转移以及电压恢复的过程，直到规定的积分时间Tint时停止，计数器607输出Do的数值N是对探测器电流Ip的量化结果，其与电流Ip成线性正比关系：

应当指出，图4给出的根据本发明实施例的光电探测器数字像元电路，在实际实施中，并不限于测量图示的N-on-P型光电探测器601，即探测器产生的电流对积分电容放电的情形，也适用于P-on-N型光电探测器，即探测器产生的电流对积分电容充电的情形。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光电探测器数字积分像元电路，包括光电探测器，其特征在于，该数字积分像元电路由注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、时钟产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容组成；其中：

所述注入管的一端连接光电探测器，另一端连接积分电容的上极板和比较器的一个输入端；所述比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和时钟产生电路的输入；所述时钟产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；所述单位电荷存储电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；所述电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；所述电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；所述复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。

2.根据权利要求1所述的光电探测器数字积分像元电路，其特征在于：

所述控制信号产生电路的输出信号S1和S2的有效电平不产生交叠，即：当S1有效时S2无效，当S2有效时S1无效。

3.根据权利要求2所述的光电探测器数字积分像元电路，其特征在于：

所述输出信号S1和S2的有效电平为高电平。

4.根据权利要求2所述的光电探测器数字积分像元电路，其特征在于：

所述输出信号S1和S2的有效电平为低电平。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光电探测器数字积分像元电路，其特征在于：

所述光电探测器为N-on-P型光电探测器。

6.根据权利要求1-4任一项所述的光电探测器数字积分像元电路，其特征在于：

所述光电探测器为P-on-N型光电探测器。

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