CN115694377A - 一种与二维光导型探测器适配的ctia型读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域,具体为一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路。本发明中,光导型探测器是以二维材料做沟道的二端口器件,感光器件做光敏像素、经遮光处理的器件做盲元像素,光敏像素与可调补偿电阻串联,与盲元像素相互配合作为后边CTIA电路的输入级。CTIA型读出电路由一个高增益的运算放大器、档位可调的积分电容Cint以及电容复位开关Rst构成。运算放大器为两级运放结构。本发明突破了目前难以将硅以外的半导体与硅基电路进行结合的难题。CTIA注入级采用两级运放,极大提高了电路增益;使用档位可调的积分电容,提高了读出电路与不同类型、不同性能光电探测器耦合的适配性;并且具有单元电路面积小、集成度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域,具体涉及一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路。
背景技术
自光电探测器问世以来,从单元到线阵再发展到面阵,早期的单元阵列并不需要专用的读出电路,但是随着光敏元或像元数量的逐步增加,把阵列信号引出逐渐演变成庞大的工程,由于引线过多,外部需要的处理电路也随之增加,这严重阻碍了阵列规模的扩大。在这种技术发展的驱动下,专用的读出电路出现了,它的主要作用是把并联信号转换成串联信号,然后再通过模拟放大和模数转换后输出成固定格式的数据。
读出电路注入级结构为探测器与读出电路之间提供了一个匹配的接口,被等效为一个具有低阻抗的输入通路,它不仅可以完成对输入电流的积分放大,与此同时它还可以保持Vin端电压恒定不变。注入结构作为光电信号输入的源头,是整个读出电路的主要噪声源,对光电流的注入效率、读出信噪比以及电路功耗等方面的性能具有较大的影响。不同材料体系不同波段的光电探测器需要根据实际的探测器参数、工作状态等情况来确定合适的读出电路注入级结构以达到性能的最优。
CTIA(电容跨阻放大器)注入级结构是由反馈电容和运放构成的复位积分器,探测器光电流在反馈电容上积分,积分电容被放置在放大器的反馈回路中,可以为探测器提供非常低的输入阻抗,利用放大器的虚短特性,探测器的偏置电压被严格控制在所输入的公共输入电压附近。CTIA设计关键在于放大器的设计,当放大器的增益较高时,CTIA结构不仅可以提供很小的输入阻抗以保证其高注入效率,同时可以提供稳定的探测器偏压。而且考虑到运放的高增益和密勒效应,CTIA结构的积分电容需要多档可调,从而适应多种不同结构、不同性能的光电探测器,提高探测灵敏度。因此,获得高增益、积分电容多档可调的CTIA注入级结构是光电探测器读出电路的关键。
此外,目前基于二维材料及其异质结构的光电探测器引起了人们广泛的研究兴趣,但是现实情况并不理想,将硅以外的半导体与硅基电路进行结合是一直以来的难题,尤其目前随着二维材料的发展,将基于二维材料的光电探测器与硅基读出电路进行匹配耦合的问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路,以克服目前难以将硅以外的半导体与硅基电路进行结合的问题,以及光电探测器注入级结构中运放增益不够高、积分电容可选值有限的问题。
本发明设计的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路,包括二维光导型探测器和CTIA注入级;所述光导型探测器具有一对光敏像素和盲元像素,可调补偿电阻R0与之配合,作为CTIA的VIN;所述CTIA注入级采用两级运放,极大的提高了增益,并且考虑到未来与电路耦合的探测器类型、性能差异较大,在电路设计时将积分电容设计成多档可选,提高了耦合探测器的适配性。
本发明设计的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路,其中,所述二维光导型探测器是以二维材料做沟道的二端口器件,感光器件做光敏像素,经遮光处理的器件做盲元像素,光敏像素与阻值可调的补偿电阻进行串联,与盲元像素相互配合作为后边CTIA注入级电路的输入级,其中补偿电阻起到分压作用,可调整探测器偏压以适应读出电路工作需要,达到最佳的信噪比。所述CTIA注入级电路由一个高增益的运算放大器、档位可调的积分电容Cint以及电容复位开关Rst构成;其中,所述运算放大器为两级运放结构,第一级采用双端输入的的全差分结构,第二级采用源极跟随结构。所述运算放大器为两级运放结构,第一级采用双端输入的的全差分结构,第二级采用源极跟随结构;所述运算放大器的反相输入端与光导型探测器的输出端相连,运算放大器的正相输入端与参考电压Vref相连接。
上述结构中,所述以二维材料做沟道的二端口器件,既可以是独立的像素单元,也可以是线阵或者面阵结构,但都要保证光敏像素和盲元像素具有一一对应的关系。
上述结构中,所述二维光导型探测器如果是线阵或者面阵结构,则光敏像素采用共漏结构,接同一VDD;盲元像素采用共源结构,接同一VSS。
上述结构中,所述补偿电阻为可变电阻,其中一端与光敏像素相连,另一端与盲元像素和CTIA结构的Vin相连。
上述结构中,所述运算放大器具体包括:第一PMOS管MP1,第二PMOS管MP2,第三PMOS管MP3,第四PMOS管MP4,第五PMOS管MP5;第一NMOS管MN1,第二NMOS管MN2,第三NMOS管MN3,第四NMOS管MN4;以及一个密勒补偿电容C0。其中:
所述第一PMOS管MP1的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD,漏极与第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的公共源极相连接;
所述第二PMOS管MP2的栅极接电路的输入电压Vin,漏极与第一NMOS管MN1的栅极、漏极和第二NMOS管MN2的栅极相连接;
所述第三PMOS管MP3的栅极接电路的参考电压Vref,漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第四NMOS管MN4的栅极和密勒补偿电容C0的一端相连接;
所述第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极、第四NMOS管MN4的源极和第四PMOS管MP4的栅极与GND相连接;
所述第三NMOS管MN3的栅极接电路供电电压VDD,源极与第四PMOS管MP4的源极和密勒补偿电容C0的另一端相连接,漏极与第四PMOS管MP4的漏极、第五PMOS管MP5的漏极和第四NMOS管MN4的漏极相连接作为电路的输出端Vout;
所述第五PMOS管MP5的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD。
上述结构中,所述积分电容Cint位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接,并且大小可调。
上述结构中,所述积分电容Cint是由N个不同大小的电容以及(2N-1)个开关组成的N档可调电容,通过控制相应开关的闭合进而选择不同档位大小的电容。
上述结构中,所述电容复位开关Rst位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接。积分时,复位开关Rst断开,光子转换成电子在积分电容Cint上逐步累积;复位时,开关Rst闭合,积分电容Cint被短路,输入反相端电压与输出相连。
本发明解决了技术背景中所述的目前半导体光电技术领域存在的难题,本发明的主要优点是:本发明将二维光导型探测器与硅基读出电路进行耦合,突破了目前难以将硅以外的半导体与硅基电路进行结合的难题。本发明中的CTIA注入级采用两级运放,极大的提高了增益;将积分电容设计成多档可选,提高了耦合探测器的适配性;并且单元电路面积小、集成度高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构原理图。
图2为本发明实施例中一种基于二维材料的光导型探测器与读出电路的结合示意图。
图3为本发明实施例中CTIA注入级结构内部的两级运放电路原理图。
图4为本发明实施例中CTIA注入级结构中的积分电容Cint的结构图。
图5为本发明实施例中一种基于二维材料的光导型探测器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。附图在此作为本发明的一部分用于充分说明本发明。附图中给出了本发明的具体实施例及相关图,用来解释本发明的一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明,并不用于限定本发明的保护范围。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,一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构原理图,包括二维光导型探测器,CTIA注入级,选择器,输出驱动电路。
本实施例中,二维光导型探测器是以二维材料做沟道的二端口器件,感光器件做光敏像素、经遮光处理的器件做盲元像素,光敏像素与阻值可调的补偿电阻进行串联,与盲元像素相互配合作为后边CTIA电路的输入级,其中补偿电阻起到分压作用,可调整探测器偏压以适应读出电路工作需要,达到最佳的信噪比。
本实施例中,以二维材料做沟道的二端口器件采用线阵结构,每个光敏像素正下方都对应一个盲元像素。
本实施例中,二维光导型探测器中的光敏像素采用共漏结构,接同一VDD;盲元像素采用共源结构,接同一VSS。
本实施例中,补偿电阻为可变电阻,其中一端与光敏像素相连,另一端与盲元像素和CTIA结构的Vin相连。
如图2所示,一种基于二维材料的光导型探测器与读出电路的结合示意图,包括一个高增益的运算放大器、档位可调的积分电容Cint以及电容复位开关Rst,光电探测器的输出端与运算放大器注入级相连。
本实施例中,运算放大器为两级运放结构,其电路原理图如图3所示,第一级采用双端输入的的全差分结构,第二级采用源极跟随结构,包括第一PMOS管MP1,第二PMOS管MP2,第三PMOS管MP3,第四PMOS管MP4,第五PMOS管MP5;第一NMOS管MN1,第二NMOS管MN2,第三NMOS管MN3,第四NMOS管MN4;以及一个密勒补偿电容C0。
本实施例中,第一PMOS管MP1的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD,漏极与第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的公共源极相连接。
本实施例中,第二PMOS管MP2的栅极接电路的输入电压Vin,漏极与第一NMOS管MN1的栅极、漏极和第二NMOS管MN2的栅极相连接。
本实施例中,第三PMOS管MP3的栅极接电路的参考电压Vref,漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第四NMOS管MN4的栅极和密勒补偿电容C0的一端相连接。
本实施例中,第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极、第四NMOS管MN4的源极和第四PMOS管MP4的栅极与GND相连接。
本实施例中,第三NMOS管MN3的栅极接电路供电电压VDD,源极与第四PMOS管MP4的源极和密勒补偿电容C0的另一端相连接,漏极与第四PMOS管MP4的漏极、第五PMOS管MP5的漏极和第四NMOS管MN4的漏极相连接作为电路的输出端Vout。
本实施例中,第五PMOS管MP5的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD。
本实施例中,积分电容Cint位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接,并且大小可调。
本实施例中,积分电容Cint是由N个不同大小的电容以及(2N-1)个开关组成的N档可调电容,具体结构如图4所示,通过控制相应开关的闭合进而选择不同档位大小的电容。
本实施例中,电容复位开关Rst位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接。积分时,复位开关Rst断开,光子转换成电子在积分电容Cint上逐步累积;复位时,开关Rst闭合,积分电容Cint被短路,输入反相端电压与输出相连。
如图5所示,一种基于二维材料的光导型探测器的结构示意图,本实施例中,二维光导型探测器是以蓝宝石衬底上的MoS2做沟道的二端口器件,采用40nm厚的Au做源、漏。
本实施例中,通过选择器控制前边线阵单元的读出顺序,该信号经过后边的输出驱动电路增大驱动能力后进行输出。
以上具体实施方式是对本发明提出的方案思想的具体支持,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的思想,在本方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动,均仍属于本发明方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,包括二维光导型探测器和CTIA注入级;所述光导型探测器是以二维材料做沟道的二端口器件,感光器件做光敏像素,经遮光处理的器件做盲元像素,光敏像素与阻值可调的补偿电阻进行串联,与盲元像素相互配合作为后边CTIA注入级电路的输入级;所述CTIA注入级由一个高增益的运算放大器、档位可调的积分电容Cint以及电容复位开关Rst构成;所述运算放大器为两级运放结构,第一级采用双端输入的的全差分结构,第二级采用源极跟随结构;所述运算放大器的反相输入端与光导型探测器的输出端相连,运算放大器的正相输入端与参考电压Vref相连接;
所述以二维材料做沟道的二端口器件,是独立的像素单元,或者是线阵或者面阵结构,其中光敏像素和盲元像素具有一一对应的关系。
2.根据权利要求1所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述二维光导型探测器为线阵或者面阵结构时,光敏像素采用共漏结构,接同一VDD;盲元像素采用共源结构,接同一VSS。
3.根据权利要求2所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述阻值可调的补偿电阻,其一端与光敏像素相连,另一端与盲元像素和CTIA结构的Vin相连。
4.根据权利要求1-3之一所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述运算放大器具体包括:第一PMOS管MP1,第二PMOS管MP2,第三PMOS管MP3,第四PMOS管MP4,第五PMOS管MP5;第一NMOS管MN1,第二NMOS管MN2,第三NMOS管MN3,第四NMOS管MN4;以及一个密勒补偿电容C0;其中:
所述第一PMOS管MP1的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD,漏极与第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的公共源极相连接;
所述第二PMOS管MP2的栅极接电路的输入电压Vin,漏极与第一NMOS管MN1的栅极、漏极和第二NMOS管MN2的栅极相连接;
所述第三PMOS管MP3的栅极接电路的参考电压Vref,漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第四NMOS管MN4的栅极和密勒补偿电容C0的一端相连接;
所述第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极、第四NMOS管MN4的源极和第四PMOS管MP4的栅极与GND相连接;
所述第三NMOS管MN3的栅极接电路供电电压VDD,源极与第四PMOS管MP4的源极和密勒补偿电容C0的另一端相连接,漏极与第四PMOS管MP4的漏极、第五PMOS管MP5的漏极和第四NMOS管MN4的漏极相连接作为电路的输出端Vout;
所述第五PMOS管MP5的栅极接偏置电压Vbias,源极接供电电压VDD。
5.根据权利要求4所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述积分电容Cint位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接,并且大小可调。
6.根据权利要求5所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述积分电容Cint是由N个不同大小的电容以及(2N-1)个开关组成的N档可调电容,通过控制相应开关的闭合进而选择不同档位大小的电容。
7.根据权利要求6所述的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路结构,其特征在于,所述电容复位开关Rst位于运算放大器的反馈回路中,一端与输入电压Vin相连接,另一端与输出端Vout相连接;积分时,复位开关Rst断开,光子转换成电子在积分电容Cint上逐步累积;复位时,开关Rst闭合,积分电容Cint被短路,输入反相端电压与输出相连。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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