一种增益自动可调放大器读出电路的制作方法

文档序号:7701303
专利名称:一种增益自动可调放大器读出电路的制作方法
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域,尤其是一种增益自动可调放大器读出电路。
背景技术
在交通管理、保安监控、工业生产、医疗诊断、空间观测和军事侦察等众多领域中, 人们对固态图像传感器的需求正在强劲增长。实际应用中对图像传感器要求的指标很多, 最主要的有响应光谱、动态范围,灵敏度、信噪比、分辨率等,其中探测器的类型决定了响应光谱,像素大小和间距决定了分辨率,其它指标则很大程度上由读出电路决定。读出电路 (ROIC)作为探测器信号调理和输出部分,对探测器组件的性能起着至关重要的作用,读出电路在光电探测器中的主要功能是对探测器微弱信号进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持等)并在信号处理级间提供一个接口。而读出电路的结构对读出电路的性能起着决定性作用,因此设计一个具有高性能的读出电路是最为关键的。然而,在实际应用中,经常要对照度分布范围很大的场景成像,这就对图像传感器的动态范围、灵敏度和信噪比提出了苛刻的要求。传统图像传感器的动态范围的典型值是60dB 70dB甚至更低,而需要成像的场景的光照范围往往很容易超出这个范围,为了对场景中的明亮部分和较暗的区域同时成像且不丢失细节就需要扩展读出电路的动态范围和灵敏度。扩展动态范围,提高灵敏度和信噪比的方案很多,主要的一条途径是通过在信号读出的过程中根据探测器输出信号的大小改变列放大器的增益,与增益固定的读出电路相比这种方法的关键就是如何根据探测器的输出信号改变放大器的增益。对于现有技术的光电探测器和固态图像传感器读出电路,处理微弱光电流的积分电容大小是固定的,当采用小积分电容时,读出电路的灵敏度和信噪比较高,但是动态范围减小,而采用大积分电容时,可以增加电荷容量,从而增加了动态范围,但是信噪比和灵敏度都会减小,导致电路对小电流的分辨能力下降,丢失了成像场景中较暗区域的细节。专利公开号CN101540197A的一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法, 提出了一种增益可调的CTIA读出结构,该结构可以在测试过程中是人为控制开关选通得到不同的积分电容,从而能在不同的偏置电压下得到比较理想的输出结果。但是,这种电路结构,需要先发现输出电压达到饱和点,然后人为控制开关把积分电容并上,从而改变输出结果。这种结构的主要不足是人为观察实验结果会有误差,很难做到既保证读出的动态范围较大又保证灵敏度较高,导致实验结果的不精确。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种增益自动可调放大器读出电路,它通过探测器输出信号的大小自动调节积分电容,实现对光电探测器微弱信号的自动放大增益,提高灵敏度和信噪比以及大动态范围的读出,并可根据需要采用不同的方法自动设定,确保图像质量。本发明的目的是这样实现的一种增益自动可调放大器读出电路,包括由光存储单元器件的电学特性建立的等效电路模型,以该模型作为电容反馈互导放大器的输入源,得到读出电路的相应参数,然后作出与光存储单元器件匹配的由积分电容复位电路和增益调节积分电路构成的电容反馈互导放大器读出电路,增益调节积分电路由运放器OPp 积分电容CpC^C3和选通开关Ki、K2、K3组成,选通开关K3与积分电容C3串接为第一分路, 选通开关K2与积分电容C2串接为第二分路,第一分路、第二分路、选通开关K1和积分电容 C1并接后分别与运放器OP1的反相输入、输出端连接,选通开关K1的正、负控制端分别与反相器I5的输入、输出端连接,运放器OP1输出端与接地电容Ctl连接,运放器OP1同相输入端接B偏置电压;积分电容复位电路由选通开关K4、K5组成,选通开关K4、K5输入端并接后与 A偏置电压连接,其输出端分别与积分电容C3、C2的正极连接,其特征在于该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路,增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容,实现微弱信号的高灵敏度、大动态范围和高信噪比的增益自动可调,增益控制电路由运放器OP2、比较器Comp、反相器Ip I2、I3、I4和触发器DpD2组成,反相器I1输入端与选通开关K3正控制端和触发器D2的Q端并接,其输出端与选通开关K4的正控制端连接;反相器I2输入端与选通开关K3负控制端和触发器A的Q-端并接,其输出端与选通开关K4的负控制端连接;反相器I3输入端与选通开关K2正控制端和触发器D1的Q端、触发器&的D端并接,其输出端与选通开关K5的正控制端连接;反相器I4输入端与选通开关K2负控制端和触发器D1的Q_端并接,其输出端与选通开关K5的负控制端连接;运放器OP2反相输入端串接电阻&后与其输出端和比较器 Comp反相输入端并接,运放器OP2反相输入端与接地电阻R1连接,运放器OP2同相输入端与接地电容Ctl连接;比较器Comp同相输入端接C偏置电压,其输出端与触发器Dp D2的输入端并接,触发器D1的D端接直流电源,反相器I5输出端与触发器D” D2的清零端并接。本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果
1、动态范围提高了10倍以上,方便读出电路模拟输出信号与增益因子信号设定,同时读出电路增益起到部分A/D转换的功能;
2、可以自动选通实现三种不同积分电容的组合,降低干扰和噪声,有效防止控制电路误动作,信噪比和灵敏度得到明显改善,尤其输出信号可以根据需要采用不同的方法自动设定,确保图像质量;
3、每路增益控制电路的增益因子信号用三态门控制输出,使得触发器接收触发脉冲 (一态),输出控制信号,经反相器分两路输出到选通开关(二态与三态),控制放大器增益变化。读出电路增益和每路的增益因子在水平扫描电路的控制下同步输出,可以实现自动增益可调功能。


图1为本发明结构示意图; 图2为本发明积分曲线图3为比较器电路图; 图4为本发明输入不同电流的仿真效果图; 图5为本发明与现有技术对比效果图; 图6为本发明与现有技术的信号处理对比效果图。
具体实施例方式下面以读出电路设计的实施例,对本发明作进一步说明,其具体步骤如下 (一)、光电探测器读出电路的性能参数分析
图像传感器大体可以分为两部分探测器阵列和读出电路,探测器把光辐射转换成电流信号,读出电路把微弱的电信号积分、放大、采样保持和串并转换输出,一般动态范围,灵敏度、信噪比这些指标很大程度上由读出电路决定。图像传感器的动态范围定义为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变化。假设探测器的响应电流可以表示为 ‘..H和/‘,则动态范围定义为式(1)
上式(1)表明,减小噪声电子数和增大最大电荷容量可以改进读出电路的动态范围。
灵敏度定义为单位曝光量条件下器件的输出信号电压,即式(2)
上式(2)中,V。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, CL χ,:,.,。由定义可知,减小积分电容可以提高灵敏度,但是减小积分电容会减小读出电路的电荷容量,减小读出电路的动态范围。 信噪比定义为信号电压与噪声电压之比。信噪比的计量单位是dB,其计算如下式 (3)
上式(3 )中,V。是读出信号电压,Vn。ise是读出噪声电压。可以看出当采用小积分电容时,读出电路的灵敏度较高,但是动态范围减小;采用大积分电容时,可以增加电荷容量,从而增加动态范围,但是灵敏度减小,导致电路对小电流的分辨能力下降,容易丢失成像场景中较暗区域的细节。(二 )、输出信号设定
输出信号根据需要有两种设定法,一种线性设定法,另一种是近似对数法。应用线性法,输出电压结合增益因子可以计算得到等效线性电压为下式(4)
(4)
从上式(4)中可以看出,这种方法在照度较小时的信噪比和灵敏度与仅采用固定积分电容Ctl时相同,而且等效输出电压是固定积分电容电压范围的16倍。输出电压与增益因子还可以近似对数方式设定信号,输出电压根据增益
因子以近似对数的特性进行压缩,压缩后电压的计算方法如下式(5)
权利要求
1. 一种增益自动可调放大器读出电路,包括由光存储单元器件的电学特性建立的等效电路模型,以该模型作为电容反馈互导放大器的输入源,得到读出电路的相应参数,然后作出与光存储单元器件匹配的由积分电容复位电路和增益调节积分电路构成的电容反馈互导放大器读出电路,增益调节积分电路由运放器OP1、积分电容Cp C2, C3和选通开关Kp κ2、κ3组成,选通开关K3与积分电容C3串接为第一分路,选通开关K2与积分电容C2串接为第二分路,第一分路、第二分路、选通开关K1和积分电容C1并接后分别与运放器OP1的反相输入、输出端连接,选通开关K1的正、负控制端分别与反相器I5的输入、输出端连接,运放器 OP1输出端与接地电容Ctl连接,运放器OP1同相输入端接B偏置电压;积分电容复位电路由选通开关K4、K5组成,选通开关K4、K5输入端并接后与A偏置电压连接,其输出端分别与积分电容C3、C2的正极连接,其特征在于该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路,增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容,实现微弱信号的高灵敏度、大动态范围和高信噪比的增益自动可调,增益控制电路由运放器OP2、比较器&)1^、反相器11、12、13、14和触发器01、1)2组成,反相器I1输入端与选通开关K3正控制端和触发器A的Q端并接,其输出端与选通开关K4的正控制端连接;反相器I2输入端与选通开关K3负控制端和触发器A的Q-端并接,其输出端与选通开关K4的负控制端连接;反相器I3输入端与选通开关K2正控制端和触发器D1的Q 端、触发器A的D端并接,其输出端与选通开关K5的正控制端连接;反相器I4输入端与选通开关K2负控制端和触发器D1的Q_端并接,其输出端与选通开关K5的负控制端连接;运放器OP2反相输入端串接电阻&后与其输出端和比较器Comp反相输入端并接,运放器OP2 反相输入端与接地电阻R1连接,运放器OP2同相输入端与接地电容C。连接;比较器Comp同相输入端接C偏置电压,其输出端与触发器DpD2W输入端并接,触发器D1WD端接直流电源,反相器I5输出端与触发器Dp D2的清零端并接。
全文摘要
本发明公开了一种增益自动可调放大器读出电路,包括由积分电容复位电路和增益调节积分电路组成的电容反馈互导放大器读出电路,积分电容复位电路由选通开关K4、K5构成;增益调节积分电路由运放器OP1、积分电容C1、C2、C3和选通开关K1、K2、K3组成,其特点是该读出电路上设有自动选通不同电容的增益控制电路,增益控制电路以增益调节积分电路中积分电容的积分电压与设定的积分电压阈值相比后自动选通不同的电容,增益控制电路由运放器OP2、比较器、反相器I1、I2、I3、I4和触发器D1、D2组成,本发明与现有技术相比具有对光电探测器微弱信号的自动放大增益,提高灵敏度和信噪比以及大动态范围的读出,并可根据需要采用不同的方法自动设定,确保图像质量。
文档编号H04N5/378GK102291544SQ201110168338
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者王永攀, 茅丰, 褚君浩, 郭方敏 申请人:华东师范大学
再多了解一些
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