一种积分电容自动可调读出电路的制作方法

本发明涉及光电探测读出电路技术领域，尤其是一种宽动态且光照强度范围较广的积分电容自动可调读出电路。

背景技术：

目前，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。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，扩展动态范围以及提高灵敏度越来越重要。考虑到量子点光电探测器感光强度范围特别宽，光激发电流可为pA、nA和μA量级甚至更高，较宽的光电流范围对读出电路提出了要求，既要考虑高灵敏度优势，也要避免饱和的发生。

基于以上问题，现有读出电路的解决方案是引入积分电容可调的结构，即采用不同大小的积分电容，通过开关控制积分电容的通断来实现不同大小的组合。然而，开关的闭合是由手动控制的，使用中很不方便，而且经常将地引线插拔对电路精确造成较大影响，也不符合智能化的发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种宽动态且光照强度范围较广的积分电容自动可调读出电路，采用施密特触发器的积分电容自动调控电路，在小积分电容快出现饱和时，使读出电路自动跳转到大积分电容，自动扩大积分电容，大大提高了电路的智能化，也增大了读出电路的动态范围，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：一种积分电容自动可调的读出电路，包括由运放器OP、积分电容C_a、C_b、C_c和开关K₁、K₂组成的电容反馈互导放大器读出电路，积分电容C_c与开关K₂串接为第一分路，积分电容C_b与开关K₁串接为第二分路，积分电容C_a与第一分路和第二分路并接在运放器OP的反相输入端和输出端上，光电探测器PD连接在运放器OP的反相输入端上，运放器OP的正相输入端为V_ref，其特点是电容反馈互导放大器读出电路设有自动可调电路进行积分电容的自动调控，所述自动可调电路由反相输出施密特触发器L与D触发器D₁和D触发器D₂组成，所述反相输出施密特触发器L的输出端与D触发器D₁和D触发器D₂的clk端并接，反相输出施密特触发器L的输入端与运放器OP的输出端连接后为V_out端；所述D触发器D₁的D端接电压源V_DDD，D触发器D₁的Q端与触发器D₂的D端连接；所述第一分路由D触发器D₁的Q端与D触发器D₂的D端并接后接入开关K₂进行积分电容的自动调控；所述第二分路由D触发器D₂的Q端接入开关K₁进行积分电容的自动调控。

所述反相输出施密特触发器L的负向阈值电压V_T-为0.18V，正向阈值电压V_T+为0.3V。

本发明与现有技术相比具有结构简单，灵敏度高，增益的调节更加灵活，积分电容的控制更加迅速，提高了电路的智能化，也增大了读出电路的动态范围，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。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为积分电容自动可调电路输出曲线图。

具体实施方式

参阅附图1，本发明由电容反馈互导放大器读出电路1和自动可调电路2组成，所述电容反馈互导放大器读出电路1由运放器OP、积分电容C_a、C_b、C_c和开关K₁、K₂组成；所述积分电容C_c与开关K₂串接为第一分路，积分电容C_b与开关K₁串接为第二分路；所述积分电容C_b与开关K₁串接为第二分路，积分电容C_a与第一分路和第二分路并接在运放器OP的反相输入端和输出端上，光电探测器PD连接在运放器OP的反相输入端上，运放器OP的正相输入端为V_ref。

所述自动可调电路2由反相输出施密特触发器L与D触发器D₁和D触发器D₂组成，所述反相输出施密特触发器L的输出端与D触发器D₁和D触发器D₂的clk端并接，反相输出施密特触发器L的输入端与运放器OP的输出端连接后为V_out端；所述D触发器D₁的D端接电压源V_DDD，D触发器D₁的Q端与D触发器D₂的D端连接；所述第一分路由D触发器D₁的Q端与D触发器D₂的D端并接后接入开关K₂进行积分电容的自动调控；所述第二分路由D触发器D₂的Q端接入开关K₁进行积分电容的自动调控。所述施密特触发器负向阈值电压V_T-为0.18V，正向阈值电压V_T+为0.3V，当V_out随时间逐步下降，降到0.18V时，此时触发器输出电压跳为高电平，跳变的上升沿触发开关K₁变高(V_DDD)，使得开关K₁闭合，电容C_b参与到积分中，此时读出电路总积分电容为C_a+C_b，V_out由(V_ref-I₀T/C₀)跳变为[V_ref-I_OT/(C₀+C₁)]，V_out的跳变在很短的时间内完成，在这过程中，尽管V_out触及V_T+使反相输出施密特触发器L输出电压降为低电平，但下降沿不影响开关K₁的触发器D₁，所以开关K₁仍保持V_DDD的高电平态，积分电容C_b一直参与积分。随着时间增长，当新的V_out再次下降到0.18V时，此时反相输出施密特触发器L的输出再一次由低跳高，在上升沿触发下，使得K₂＝K₁＝V_DDD，从而由开关K₂闭合，C_c参与积分，此时总积分电容为C_a+C_b+C_c，V_out从[V_ref-I₀T/(C₀+C₁)]跳变成[V_ref-I₀T/(C₀+C₁+C₂)]。

根据电容反馈跨阻放大型输入级的输出特性由下式(a)可知，在一定光电流和积分电容情况下，V_out随时间成线性关系，可知当时间T＝V_refC_a/I₀时，为积分电容C_a的读出电路输出饱和。为避免此类情况的发生，在V_out快要降为0V时，使控制积分电容C_b的开关K₁立即闭合，积分电容C_b加入，从而增大总积分电容，使得V_out变为总积分电容是C_a+C_b下的输出电压，即下式(b)；如需进一步增大积分电容，同理可引入C_c,则在C_a+C_b快饱和时使控制C_c的开关K₂立即闭合，从而总积分电容为C_a+C_b+C_c，输出特性如下式(c)：

参阅附图2，由以上分析可知，其函数曲线如图中T₀、T₁和T₂分别为(V_ref-0.18)C₀/I₀、(V_ref-0.18)(C₀+C₁)/I₀和V_ref(C₀+C₁+C₂)/I₀。

所述积分电容自动可调的输出特性在于：V_out的是时间T的分段函数，如下式(d)所示：

本发明当积分电容C_a的输出快要降为0V时，使控制C_b的开关K₁立即闭合，积分电容加入C_b，从而增大整体积分电容，使得V_out变为积分电容是C_a+C_b下的输出电压；同理在C_a+C_b快饱和时使控制C_c的开关K₂立即闭合，从而总积分电容为C_a+C_b+C_c，这种积分电容自动可调的设计提高了电路的智能化，也增大了读出电路的动态范围。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。