搜索

一种高灵敏度大动态范围读出电路

gecimao 发表于 2019-07-15 13:58 | 查看: | 回复:

  20]0年节能与低功耗集成电路技术国际研讨会 一种高灵敏度大动态范围读出电路 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点联合实验室 摘要:为读出光电探测器微弱的响应电流,设计了一种增益自动可调列放大器,提高了读出电路的灵敏度和动态范围,读出电路的动态范围提高了24dB,读出电路功耗为 230 关键词:光电探测器;灵敏度;动态范围;读出电路;增益可调放大器一引言 一种新型 GaAs/InGaAs 量子光电探测器 室温条件下,1V 偏压时探测器最大响应电流 1.1l10~,暗电流为7.3710。12A,光电流暗电流比大于 lOOdB。一般读出电路的动态 范围 60~70dB,小于探测器的响应范围,最大响应电流和最小响应电流不能同时读出,为了解 决这个问题需要扩展读出电路的动态范围。 读出电路根据探测器输出信号的大小自动改变列放大器的增益[2-3】,不但提高了灵敏度, 而且增大了动态范围。本文根据理论分析设计了一种增益自动可调、动态范围大、灵敏度高 的新型光电传感器读出电路,采用开关电流积分结构减小了电路整体功耗。文章首先介绍扩 展动态范围,提高灵敏度的原理和方法,然后给出详细的电路设计和实现,最后给出了实验 结果和相关讨论。 二工作原理 读出电路的动态范围定义为输出摆幅和输出噪声之比,或最大不饱和电流和最小可探测 电流之比,其中最小电流定义为无光照条件下的噪声电流或探测器暗电流。假设读出电路积 分电流可以表示为o=如。/f 抻‘=g,.咖缸,则动态范围定义如下: 资助课题:国家自然科学基金(资助号:60,536030.80877035.60976026) 国家重点基础研 究发展计划I 973 l(资助号:201 1CB933203.201 1CB933102)。 2010年节能与低功耗集成电路技术国际研讨会 DR:201。g i.max:201。g lmilIgm迅 从上式看出,可以通过减小噪声电子数和增大最大电荷容量来改进读出电路的动态范 式中,以读出电路输出的信号电压,Hv是探测器单元接受到的曝光量,g.噍=l 由定义可知,通过减小积分电容或延长积分时间可以提高灵敏度,但是减小积分电容会减小读出电路的电荷容量,使得读出电路的动态范围减小。 分析表明同时提高读出电路的动态范围和灵敏度相互矛盾,为解决这个问题可以在探测 器的输出信号电流较小时采用较小的积分电容,提高读出电路的灵敏度,信号电流较大时采 用较大的积分电容,避免积分饱和,也就增大了动态范围。 三电路设计与实现 1.增益可调列放大器 给出了一种增益自动调节列放大器可实现上述思想。与传统CTIA 结构相比,原先一 个固定的积分电容分成三部分,分别取 G、3Co Kl、K2的控制,当开关闭合时电容进行积分。为了实现自动调节增益,在传统 CTIA 的基础 上增加了增益控制电路,控制电路由比较器和两个 触发器构成,比较器检测输出电压控制 触发器, 的增益。 增益可调放大器积分曲线电路的工 作原理如图 所示:电路对探测器响应电流开始积分前Reset 信号先把积分电容 触发器复位,K1、K2关断,然后复位开关断开。积分开始时只用 电容积分,可以提高2010年市能与低功耗集成电路技术国际研讨仑 灵敏度。积分过程中电压信号与比较器设定的饱和电压比较,当积分信号大于饱和电压后比 较器翻转,输出的脉冲信号使第一个触发器触发,触发器的输出信号控制 Kl 闭合,3“与 CoY, 联,积分电容变为 4Co,积分器的输山电压跳变为: 这个值与从初始时就用4c0 积分输出的电压相等。输 低电平,当积分电压再次饱和时比较起再次翻转,使得第二个触发器触发输H{高电平,控 K2闭合,积分电容变为 16Cn,输山电捱再次跳变为 Vsat/4.然后继续秘分。输{{_j 电压 变化如 所示。从上述T作原理可知图中c1=Co.c2=4Co,岛=1%。 电路工作过程中出现的干扰和噪声可能使比较器错误翻转。为了在电路工作过程中稳定 ur 靠地控制和改变读出电路的增益.挖制电路中的比较器采用迟滞比较器“。注意正闽值电 Jii 小能大干Usat3/4,否则比较器在第一次翻转后不能恢复到低电平,增益调节能力下降, 减小九卖出电路的动态范嘲。 设定积分时间为 128“5,输入电流分别为 增益可调放走器输出结果2010年节能与低功耗集成电路技术国际研讨会 Hj结果如罔 电容接入CTIA的反馈网络,输出电压减小防止积分饱和,继续对输入电流静{分。 相『刮输入电流时传统CTIA 的输出结粜,积分电容分别选取 0.25pF,和 4pF。 积分 电容为 输出灵敏度人,输入电流为50nA 5nA时输}i{饱和;积分电容为 4pF 时不容易 饱和但疋敏度较小,输入电流为 05hA的输出电压难以分辨。 5pF(b)积分电容为 4pF 传统CTI^ 输出结果 列出了不同注入电流时增益可调列放大器和传统CTIA 的输出信号 增益可调放大器和传统CTIA 比较 dJ j.表看出,增益可调放大器既克服了小积分电容 cTI^电荷容量小的缺点,又消除了 人积分电容 CTIA 灵敏度小的 fuJ 题。输入电流较小时,增益可调列放大器积分电容小、灵敏 测电流增大,读出电路动态范围增人。增益 nr 调放大器中逗放和比较器消耗了丰受的能量,设计的静态工作电流应该尽晕小, 模拟褂到增益f 输出信号的重建增益 un 目放大器输 ib 信号有模拟输出电压和增益信号嚼部分,后续处 理需要合成单个完 整倍峙。根据需要人敛有两种蘑建冉法 以选择,一种是线性重建法,另种足近似于对数 的非线性取建法。利用线性法,输出电雎结合增益因子可以计算得到等效的线年节能与低功耗集成电路技术国际研讨会百Uo*CO=u。 L0弋Uo‘-4Co=州。 半娟”.Gl=l’G2=l如图 所示,这种方法在照度小于11 时的信噪比和灵敏度与仅采用小积分电容 照度大于11/J,于12 时重建输出电压是积分电容为 的输出电压的4倍,照度大于12 时重建输出 电压是积分电容为C3 的输出电压的16 倍,动态范围扩展-j24dB。 近似于对数的非线性重建法如图 se=U。+3U Gl=l,62----OU。+6U删 Gl=l,G2=l 这种信号重建方法与线性方法相比更符合人眼对光的响应规律,因此具有更好的实用 五结论本文分析讨论了提高灵敏度和动态范围的原理和方法,针对光电探测特性提出了一种增 益可调放大器,根据探测器响应电流的大小自动调节积分电容的容值,提高了读出电路对微 弱电流的分辨能力,使读出电路的动态范围扩展-j24dB,基本满足探测器的读出要求。增益 可调放大器功耗为 230 II W,采用开关电流积分结构进一步减小读出电路整体功耗。最后给出 了两种读出信号的重建方法,可根据应用要求选择。 参考文献 【l】李俊蔚,詹国钟,鄣方敏.低维异质结构光存储单元的等效电路建模及模型 红外技术,2009,31(7):386—389.126 20lO年节能与低功耗集成电路技术国际研讨会 M.Sakakibara,S.Kawahito,D.Handoko,N Nakamura,H.Satoh, H.Sumi.AHigh—Sens ivity CMOS Image Sensor Gain-AdaptiveColumn Amplifiers【J】.IEEE Solid-State Circuits, 2005,wel.40,No.5,1147~1156. A.Baschirotto.A16 一Cel 80dBDynamic—Range Auto—Range Read—Out Array Micro-Bolometers.International Conference Solid—StateSensors Actuators Microsystems;200714th.1361~1 364. P.E.A1len.D.R.Helberg.CMOSanalog cireuit design[M】(second edition)Beijing:PubIishing House ElectroniCSIndustry 2007.7, 383—386. C.C.Hsieh,C.Y.Wu,T.P.Sun.”A new cryogenic CMOS readout Structure infraredfocal plane array,”IEEE JSSC,VOL32,NO.8,P.1192—1199, 1997. 127

本文链接:http://maxavm.net/duchudianlu/580.html
随机为您推荐歌词

联系我们 | 关于我们 | 网友投稿 | 版权声明 | 广告服务 | 站点统计 | 网站地图

版权声明:本站资源均来自互联网,如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

Copyright @ 2012-2013 织梦猫 版权所有  Powered by Dedecms 5.7
渝ICP备10013703号  

回顶部