专利名称：一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电探测电路设计技术领域，尤其是一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路。
背景技术：
自从上世纪50年代以来，可见光成像和红外探测系统已经广泛应用于多个领域， 如安保设施、工业检测、生物工程和空间遥感以及军事侦察等等。为了能够清晰的显示被探测对象的细节，需要读出电路对被探测对象的弱光部分和强光部分都能很好的进行信号读出与处理，但目前光电探测器的动态范围一般是60dB 70dB甚至更低，扩展动态范围以及提高灵敏度越来越重要，本发明的设计思想是在光电信号转换的过程中通过检测光学信号的强弱来改变放大器的增益。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来得到不同的积分电容值，来实现增益可调。但是，这种电路结构，需要人为判断输出电压是否达到饱和点，然后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。专利申请号201110168338.4的《一种增益自动可调放大器读出结构的设计方法》，提出了一种后检测式的增益自动可调放大器读出电路，该结构在电容反馈互导放大器(CTIA)后加入比较器电路，首先设定比较器的阈值电压，然后将电容反馈互导放大器 (CTIA)输出的积分电压与其进行比较来输出控制信号控制积分电容的开启与关闭，这样的工作原理使得在积分过程中输出电压的曲线在一个工作周期内是非线性的，如果要求较短的积分时间，在切上进行积分但还未达到饱和得时，此时被相关双采样进行采样读出的话就会输出错误的积分电压。
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光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，它是在光电流信号进入读出电路之前进行检测，然后输出控制信号来选通或关闭可选电容，能够在光信号变化的瞬间就改变积分电容值，因此可以在短积分时间的情况下正常工作，大幅度提高了灵敏度和信噪比，实现了大动态范围的读出，确保了图像质量。本发明的目的是这样实现的一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路， 包括由运放器OP1、积分电容Cp C2, C3、C0和开关Si、S2, S3、K ^组成的电容反馈互导放大器 (CTIA)读出电路，积分电容C1与开关S1串接为第一分路，积分电容C2与开关&串接为第二分路，积分电容C3与开关&串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关K Q和积分电容Ctl并接在运放器OP1的反相输入端和输出端上，其特点是在电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路与光电探测器D1连接的通路上串接敏感电阻&，电容反馈互导放大器 (CTIA)读出电路的输出连接相关双采样模块；敏感电阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相输入端上，敏感放大器OP2输出依次连接多阈值模块和与非门模块；与非门模块的三个输出分别与选通开关S1A2和&连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭可选电容，然后经电容反馈互导放大器 (CTIA)读出电路增益后的信号由相关双采样模块输出，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。所述多阈值模块由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D2构成，施密特触发器 D2由PMOS管M1J2J3和匪OS管M4、M5、M6组成，M1漏极与M2源极和M3源极短接；M4源极与 M5源极和M6漏极短接；Μ” M2、M5、M6栅极短接为触发器D2的输入端；M3和M4的栅极与M2和 M5漏极连接为触发器&的输出端。所述与非门模块为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块的三个控制信号输出端连接；三个与非门单元的B输入端短接为复位信号端口 ；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路的选通开 *S”S2和S3连接。所述敏感放大器OP2由PMOS管M7、M8、M12、M13和匪OS管M9、M1(1、M11组成，M7和M8 的源极与M12的漏极连接，M7和M8的栅极分别为敏感放大器OP2的反相和正相输入端,M7和 M8的漏极分别与NMOS管M9和Mltl的漏极连接，M9的栅极和漏极短接后与Mltl的栅极连接， M10的漏极与NMOS管M11的栅极连接，M11的漏极与M7的漏极连接为敏感放大器OP2的输出端，M6与M7的栅极短接后为偏置电压端口(Vbias) ； NMOS管M9、M10和M11的源极接地；PMOS 管M12和M13的源极短接后为电源端口(VDD)。所述相关双采样模块由电容C21、C22、开关K i和K 2组成，电容C21的一端接地，其另一端与开关K1的出线连接后为一信号输出端(Vout1)；电容Q的一端接地，其另一端与开关K2的出线连接后为另一信号输出端(Vout2)；开关K工和K2的进线并接后为信号输入端。本发明与现有技术相比具有灵敏度高，信噪比大，响应速度快和动态范围大的特点，通过检测光电转换器件的光生电流的强弱来实现对入射光信号强弱的检测，增益的调节更加灵活，积分电容的控制更加迅速，降低干扰和噪声，有效防止控制电路误动作，确保图像质量。
图1为本发明结构示意图2为电容反馈互导放大器电路图； 图3为多阈值模块电路图； 图4为与非门模块结构示意图； 图5为敏感放大器电路图； 图6为相关双采样模块电路图7为敏感放大器扫描不同光电流后输出的检测电压图； 图8为多阈值模块输出的控制电平图。
具体实施例方式参阅附图1，本发明在电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I与光电探测器D1连接的通路上串接敏感电阻&，电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I的输出连接相关双采样模块II ；敏感电阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相输入端上，敏感放大器OP2的输出依次连接多阈值模块III和与非门模块IV ；与非门模块的三个输出分别与选通开关Si、S2 和&连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭积分电容Cp C2和C3,然后经电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I增益后的信号由相关双采样模块II输出，在光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。参阅附图2，电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I由运算放大器OP1、积分电容 Co、C” C2, C3和开关S” S2, S3> K 0组成，积分电容C1与开关S1串接为第一分路，积分电容C2 与开关&串接为第二分路，积分电容C3与开关&串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关κ O和积分电容Ctl并接在运放器OP1的反相输入端和输出端上。积分电容Ctl为 0. 35 pF的固定电容，积分电容CpC2和C3为可选通电容，其中C1=L 65pF、C2=2pF、C3=4pF， 以选通积分电容Cp C2, C3和Ctl中的一个或数个的并接，实现0. 35pF、2pF、4pF和8pF的电容值组合。电容值的设定是通过计算得到的，其中IOnA以下采用积分电容CtlAOnA以下采用积分电容Ctl+ CnUOriA以下采用积分电容Cq+ C1 + C2，240nA以下采用积分电容C。+ C1 + ^2 + C3 °参阅附图3，多阈值模块III由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D2构成，施密特触发器D2由PMOS管M1J2J3和匪OS管M4、M5、M6组成，M1漏极与M2源极和M3源极短接； M4源极与M5源极和M6漏极短接；Μ” M2、M5、M6栅极短接为触发器D2的输入端(Vin) ；M3和M4 的栅极与M2和M5漏极连接为触发器D2的输出端(VC1、Vc2或VC3)。参阅附图4，与非门模块IV为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块III中三个施密特触发器&输出端连接；三个与非门单元的B 输入端短接后与电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I中的开关Ktl连接一同受复位信号 (Reset)控制；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I 中的选通开关SpS2和&连接，三个施密特触发器D2输出的VC1、VC2和VC3信号由与非门模块IV分别控制电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I中的积分电容C” C2和C3的开启或关闭。参阅附图5，所述敏感放大器OP2由PMOS管M7、M8、M12 ,M13和匪OS管M9、M1(1、Mn组成，M7和M8的源极与M12的漏极连接，M7和M8的栅极分别为敏感放大器OP2的反相和正相输入端，M7和M8的漏极分别与NMOS管M9和Mltl的漏极连接，M9的栅极和漏极短接后与Miq 的栅极连接，M10的漏极与NMOS管M11的栅极连接，M11的漏极与M7的漏极连接为敏感放大器OP2的输出端，M6与M7的栅极短接后为偏置电压端口(Vbias) ;NM0S管M9Jlt^M11的源极接地；PMOS管M12和M13的源极短接后为电源端口(VDD)。参阅附图6，所述相关双采样模块II由电容C21、C22、开关K工和K 2组成，电容C21的一端接地，其另一端与开关K i的出线连接后为信号输出端(Vout1);电容Q2的一端接地，其另一端与开关K 2的出线连接后为信号输出端(Vout2)；开关K工和K 2的进线并接后为信号输入端(Vin)，其输入端口(Vin)与电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路I的输出端连接。 相关双采样模块II第一次相关采样为读取光电探测器D1的噪声信号，第二次相关采样为读取光电探测器D1的有效信号和噪声信号的叠加值，两次相关采样由不同的信号来控制，在后续电路里对这两次信号做减法运算输出有效的电压信号。参阅附图7，同一光电流在改变积分电容值Cint后输出电压的曲线会改变，当光电探测器DJf入射光转换成光电流T0，经由CTIA电路积分后的输出电压I如下式(1)表示
权利要求
1.一种光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，包括由运放器OP1、积分电容C” C2> C3、C0和开关Si、S2、S3、K ^组成的电容反馈互导放大器读出电路，积分电容C1与开关S1 串接为第一分路，积分电容C2与开关&串接为第二分路，积分电容C3与开关&串接为第三分路，第一分路、第二分路、第三分路、开关K0和积分电容Ctl并接在运放器OP1的反相输入端和输出端上，其特征在于电容反馈互导放大器读出电路与光电探测器D1连接的通路上串接敏感电阻&，电容反馈互导放大器读出电路的输出连接相关双采样模块；敏感电阻&并接在敏感放大器OP2的正相和反相输入端上，敏感放大器OP2输出依次连接多阈值模块和与非门模块；与非门模块的三个输出分别与选通开关S1AJW3连接；在光电流信号进入电容反馈互导放大器读出电路之前进行检测，由输出控制信号来选通或关闭可选电容，然后经电容反馈互导放大器读出电路增益后的信号由相关双采样模块输出，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。
2.根据权利要求1所述光电转换前端检测增益自动可调读出电路，其特征在于所述多阈值模块由三个具有不同阈值电压的施密特触发器D2构成，施密特触发器A由PMOS管M1、 Μ2、Μ3和NMOS管Μ4、Μ5、Μ6组成，M1漏极与M2源极和M3源极短接；M4源极与M5源极和M6漏极短接；Mp M2、M5、M6栅极短接为触发器D2的输入端；Μ3和M4的栅极与M2和M5漏极连接为触发器D2的输出端。
3.根据权利要求1所述光电转换前端式检测增益自动可调读出电路，其特征在于所述与非门模块为三个相互独立的与非门单元组成，三个与非门单元的A输入端分别与多阈值模块的三个控制信号输出端连接；三个与非门单元的B输入端短接为复位信号端口 ；三个与非门单元的Z输出端分别与电容反馈互导放大器读出电路的开关S” S2和&连接。
4.根据权利要求1所述光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，其特征在于所述敏感放大器OP2由PMOS管M7, M8, M12、M13和NMOS管M9, M10, M11组成，M7和M8的源极与M12 的漏极连接，M7和M8的栅极分别为敏感放大器OP2的反相和正相输入端，M7和M8的漏极分别与NMOS管M9和Mltl的漏极连接，M9的栅极和漏极短接后与Mltl的栅极连接，Mltl的漏极与 NMOS管M11的栅极连接，M11的漏极与M7的漏极连接为敏感放大器OP2的输出端，M6与M7的栅极短接后为偏置电压端口 ；NMOS管M9、M10和M11的源极接地；PMOS管M12和M13的源极短接后为电源端口。
5.根据权利要求1所述光电转换前端检测式增益自动可调读出电路，其特征在于所述相关双采样模块由电容c21、c22、开关K i和K 2组成，电容C21的一端接地，其另一端与开关 K ！的出线连接后为一信号输出端；电容C22的一端接地，其另一端与开关K 2的出线连接后为另一信号输出端；开关K i和K 2的进线并接后为信号输入端。2=
全文摘要
本发明公开了一种光电转换前端检测增益自动可调读出电路，其特点是电容反馈互导放大器读出电路与光电探测器连接的通路上串接敏感电阻，敏感电阻并接在敏感放大器的输入端上，其输出端依次连接多阈值模块和与非门电路，以光信号变化的瞬间改变积分电容值，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。本发明与现有技术相比具有增益的调节更加灵活，积分电容的控制更加迅速，信噪比、灵敏度和动态范围都有大幅度提高，确保图像质量。
文档编号H04N5/357GK102523394SQ20111037469
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者丁琳, 刘晓艳, 宋东东, 王明甲, 茅丰, 郭方敏 申请人:华东师范大学