CN208001332U - 一种全集成电荷耦合器件的读出电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及CMOS模拟集成电路设计技术领域，特别地涉及一种全集成电荷耦合器件的读出电路。本实用新型公开了一种全集成电荷耦合器件的读出电路，包括电容增益电路、单端转差分电路、双斜率积分电路以及缓冲器电路，所述电容增益电路用于将电荷耦合器件输出信号进行放大，并输出至单端转差分电路，所述单端转差分电路用于将电容增益电路输出的单端信号转换为相位差为180度的两路差分信号，并输出至双斜率积分电路，所述双斜率积分电路用于对输入的两路差分信号进行相关双采样及积分操作，所述缓冲器电路用于对双斜率积分电路的差分输出信号进行缓冲，并提供一定的驱动能力以驱动后级模数转换器。本实用新型信号精度高，规模小且单片全集成。
Description
技术领域
本实用新型属于CMOS模拟集成电路设计技术领域，具体地涉及一种全集成电荷耦合器件的读出电路。
背景技术
高精度、全集成电荷耦合器件镜头是科学级的光电探测器，它的增益和动态范围大、噪声低、量子效率高，在性能上远远优于一般的光电探测器。光电探测器在完成光电转换过程中，不仅给出表征被测对象的电压、电流信号，同时伴随着无用的噪声电压、电流信号。目前的高精度电荷耦合器件读出电路都采用板级系统搭建实现，规模较大，长的电缆连线容易引入板级系统噪声，恶化信号动态范围。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种全集成电荷耦合器件的读出电路用以解决上述问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种全集成电荷耦合器件的读出电路，包括电容增益电路、单端转差分电路、双斜率积分电路以及缓冲器电路，所述电容增益电路用于将电荷耦合器件输出信号进行放大，并输出至单端转差分电路，所述单端转差分电路用于将电容增益电路输出的单端信号转换为相位差为180度的两路差分信号，并输出至双斜率积分电路，所述双斜率积分电路用于对输入的两路差分信号进行相关双采样及积分操作，所述缓冲器电路用于对双斜率积分电路的差分输出信号进行缓冲，并提供一定的驱动能力以驱动后级模数转换器。
进一步的，所述电容增益电路包括差分输入、单端输出的运算放大器OP1、输入电容C1、反馈电容C2、共模电压输入开关S1和电荷清零开关S2，所述运算放大器OP1的同相输入端通过电容Cin接电荷耦合器件输出，同时通过共模电压输入开关S1接共模电压Vcm，所述输入电容C1接在运算放大器OP1的反相输入端和共模电压Vcm之间，所述反馈电容C2和电荷清零开关S2并联后接在运算放大器OP1的反相输入端和输出端之间。
进一步的，所述单端转差分电路包括一个反相缓冲器和一个同相缓冲器，所述反相缓冲器用于将电容增益电路输出的单端信号进行反相，与同相缓冲器的输出信号形成180度相位差，形成两路差分信号输出。
更进一步的，所述双斜率积分电路包括相关双采样开关S3、S4、S5和S6以及两路积分器电路，单端转差分电路的反相缓冲器的输出端分别通过相关双采样开关S3和S5接两路积分器电路的输入端，单端转差分电路的同相缓冲器的输出端分别通过相关双采样开关S4和S6接两路积分器电路的输入端，两路积分器电路的输出端接缓冲器电路的输入端。
更进一步的，所述两路积分器电路包括积分电阻R3、积分电阻R4、积分电容C3、积分电容C4、复位开关S7、复位开关S8以及差分输入、单端输出的运算放大器OP4和OP5，所述积分电阻R3一端接单端转差分电路的反相缓冲器的输出端，另一端同时接相关双采样开关S3和S5的第一端，积分电阻R4一端接单端转差分电路的同相缓冲器的输出端，另一端同时接相关双采样开关S4和S6的第一端，相关双采样开关S3和S4的第二端同时接运算放大器OP4的反相输入端，相关双采样开关S5和S6的第二端同时接运算放大器OP5的反相输入端，运算放大器OP4和OP5的同相输入端接共模电压Vcm，积分电容C3和复位开关S7并联后接在运算放大器OP4的反相输入端和输出端之间，积分电容C4和复位开关S8并联后接在运算放大器OP5的反相输入端和输出端之间，运算放大器OP4和OP5的输出端接缓冲器电路的输入端。
更进一步的，所述缓冲器电路包括两个接成同相的单位增益放大器，两个单位增益放大器的输入端分别接运算放大器OP4和OP5的输出端，两个单位增益放大器的输出端接后级模数转换器。
本实用新型的有益技术效果:
本实用新型通过采用以相关双采样技术为基础的双斜率积分电路结构，实现了一种低噪声、高信号动态范围、全集成的适用于天文望远镜的电荷耦合器件读出电路。该读出电路首先由电容增益电路对电荷耦合器件输出微弱信号进行放大；单端转差分电路将放大后的单端电荷耦合器件输出信号转为两路相位差为180度的差分信号；双斜率积分电路对单端转差分电路输出的差分信号进行两次采样和积分操作，降低读出电路信号中的KTC噪声和1/f噪声，提高信号动态范围。最终，缓冲器电路对双斜率积分电路的差分输出信号进行缓冲，并提供一定的驱动能力，驱动后级模数转换器，具有信号精度高、规模小、单片全集成的优点，适用于天文级望远镜电荷耦合器件系统中。
附图说明
图1为本实用新型具体实施例的电路结构图；
图2为本实用新型具体实施例的各开关的时序图；
图3是本实用新型具体实施例的噪声仿真分析结果图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
如图1所示，一种全集成电荷耦合器件的读出电路，包括电容增益电路100、单端转差分电路110、双斜率积分电路120以及缓冲器电路130和131，所述电容增益电路100用于将电荷耦合器件(简称CCD)输出信号进行放大，并输出至单端转差分电路110，所述单端转差分电路110用于将电容增益电路100输出的单端信号转换为相位差为180度的两路差分信号，并输出至双斜率积分电路120，所述双斜率积分电路120用于对输入的两路差分信号进行相关双采样及积分操作，所述缓冲器电路130和131用于对双斜率积分电路120的差分输出信号进行缓冲，并提供一定的驱动能力以驱动后级模数转换器。
本具体实施例中，所述电容增益电路包括差分输入、单端输出的运算放大器OP1、输入电容C1、反馈电容C2、共模电压输入开关S1和电荷清零开关S2，所述运算放大器OP1的同相输入端通过电容Cin接电荷耦合器件输出，同时通过共模电压输入开关S1接共模电压Vcm，所述输入电容C1接在运算放大器OP1的反相输入端和共模电压Vcm之间，所述反馈电容C2和电荷清零开关S2并联后接在运算放大器OP1的反相输入端和输出端之间。电容增益电路100提供5至10倍的电压增益，用于将电荷耦合器件输出微弱信号进行放大。
所述单端转差分电路110包括一个反相缓冲器和一个同相缓冲器，所述反相缓冲器用于将电容增益电路100输出的单端信号进行反相，与同相缓冲器的输出信号形成180度相位差，形成两路差分信号输出，所述反相缓冲器和同相缓冲器还用于隔离后级积分器开断造成的电荷注入影响。具体的，所述反相缓冲器包括差分输入、单端输出的运算放大器OP2，所述同相缓冲器包括差分输入、单端输出的运算放大器OP3，运算放大器OP2的反相输入端通过输入电阻R1接运算放大器OP1的输出端，运算放大器OP2的同相输入端接共模电压Vcm，运算放大器OP2的反相输入端通过反馈电阻R2接其输出端，运算放大器OP3的同相输入端接运算放大器OP1的输出端，运算放大器OP3的反相输入端接其输出端，运算放大器OP2和OP3的输出端作为单端转差分电路110的两路差分信号输出。本具体实施例中，输入电阻R1和反馈电阻R2的阻值相同。
本具体实施例中，所述双斜率积分电路包括相关双采样开关S3、S4、S5和S6以及两路积分器电路，两路积分器电路包括积分电阻R3、积分电阻R4、积分电容C3、积分电容C4、复位开关S7、复位开关S8以及差分输入、单端输出的运算放大器OP4和OP5，所述积分电阻R3一端接运算放大器OP2的输出端，另一端同时接相关双采样开关S3和S5的第一端，积分电阻R4一端接运算放大器OP2的输出端，另一端同时接相关双采样开关S4和S6的第一端，相关双采样开关S3和S4的第二端同时接运算放大器OP4的反相输入端，相关双采样开关S5和S6的第二端同时接运算放大器OP5的反相输入端，运算放大器OP4和OP5的同相输入端接共模电压Vcm，积分电容C3和复位开关S7并联后接在运算放大器OP4的反相输入端和输出端之间，积分电容C4和复位开关S8并联后接在运算放大器OP5的反相输入端和输出端之间，运算放大器OP4和OP5的输出端分别接缓冲器电路130和131的输入端。
本具体实施例中，所述缓冲器电路130和131包括两个接成同相的单位增益放大器OP6和OP7，两个单位增益放大器OP6和OP7的输入端分别接运算放大器OP4和OP5的输出端，两个单位增益放大器OP6和OP7的输出端outp和outn接后级模数转换器。
图2给出了上述各个开关的工作时序，以一个20μs的读出电路周期为例，即读出电路的工作频率为50KHz。在电荷耦合器件输出信号复位之后，共模电压输入开关S1闭合4μs，将共模电压Vcm输入至运算放大器OP1的同相输入端，提供偏置共模电压；同时，电荷清零开关S2闭合，将反馈电容C2两端短接，清空前一操作周期残余在反馈电容C2上的电荷，复位开关S7和S8也闭合，清空积分器前一个操作周期中的残余电荷；在间隔一定时间后，相关双采样开关S3和S6闭合，两路积分器对读出电路中的KTC噪声和1/f噪声进行采样、积分，优选积分时间为6μs，之后断开；再经过一段隔离时间后，优选为2μs，相关双采样开关S4和S5闭合，对电荷耦合器件输出信号、读出电路中的KTC噪声和1/f噪声进行采样、积分，优选积分时间为6μs，之后断开；此时，读出电路输出为两次采样、积分的信号之差，即有用的电荷耦合器件输出信号，因此，双斜率积分电路120有效降低了读出电路信号中的KTC噪声和1/f噪声，提高输出信号动态范围。积分完成后，周期内还留有1.5us的数据保持时间，以供后级模数转换器进行采样。
图3是本具体实施例中读出电路的噪声仿真分析结果，可见在输入信号频率为10KHZ时，读出电路等效输出噪声仅为5.748nv/sqrt Hz，达到了低噪声的输出，技术效果良好。
综上所述，本实用新型通过采用电容增益电路100、单端转差分电路110、双斜率积分电路120以及缓冲器电路130，实现了一种低噪声、高信号动态范围、全集成的电荷耦合器件读出电路，适用天文望远镜高精度的电荷耦合器件系统中。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种全集成电荷耦合器件的读出电路，其特征在于：包括电容增益电路、单端转差分电路、双斜率积分电路以及缓冲器电路，所述电容增益电路用于将电荷耦合器件输出信号进行放大，并输出至单端转差分电路，所述单端转差分电路用于将电容增益电路输出的单端信号转换为相位差为180度的两路差分信号，并输出至双斜率积分电路，所述双斜率积分电路用于对输入的两路差分信号进行相关双采样及积分操作，所述缓冲器电路用于对双斜率积分电路的差分输出信号进行缓冲，并提供一定的驱动能力以驱动后级模数转换器，所述双斜率积分电路包括相关双采样开关S3、S4、S5和S6以及两路积分器电路，所述两路积分器电路包括积分电阻R3、积分电阻R4、积分电容C3、积分电容C4、复位开关S7、复位开关S8以及差分输入、单端输出的运算放大器OP4和OP5，所述积分电阻R4一端接单端转差分电路的反相缓冲器的输出端，另一端同时接相关双采样开关S3和S5的第一端，积分电阻R3一端接单端转差分电路的同相缓冲器的输出端，另一端同时接相关双采样开关S4和S6的第一端，相关双采样开关S3和S4的第二端同时接运算放大器OP4的反相输入端，相关双采样开关S5和S6的第二端同时接运算放大器OP5的反相输入端，运算放大器OP4和OP5的同相输入端接共模电压Vcm，积分电容C3和复位开关S7并联后接在运算放大器OP4的反相输入端和输出端之间，积分电容C4和复位开关S8并联后接在运算放大器OP5的反相输入端和输出端之间，运算放大器OP4和OP5的输出端接缓冲器电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的全集成电荷耦合器件的读出电路，其特征在于：所述电容增益电路包括差分输入、单端输出的运算放大器OP1、输入电容C1、反馈电容C2、共模电压输入开关S1和电荷清零开关S2，所述运算放大器OP1的同相输入端通过电容Cin接电荷耦合器件输出，同时通过共模电压输入开关S1接共模电压Vcm，所述输入电容C1接在运算放大器OP1的反相输入端和共模电压Vcm之间，所述反馈电容C2和电荷清零开关S2并联后接在运算放大器OP1的反相输入端和输出端之间。
3.根据权利要求1或2所述的全集成电荷耦合器件的读出电路，其特征在于：所述单端转差分电路包括一个反相缓冲器和一个同相缓冲器，所述反相缓冲器用于将电容增益电路输出的单端信号进行反相，与同相缓冲器的输出信号形成180度相位差，形成两路差分信号输出。
4.根据权利要求1所述的全集成电荷耦合器件的读出电路，其特征在于：所述缓冲器电路包括两个接成同相的单位增益放大器，两个单位增益放大器的输入端分别接运算放大器OP4和OP5的输出端，两个单位增益放大器的输出端接后级模数转换器。
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