一种探测器光电二极管节点电容测试装置和方法与流程

1.本发明涉及探测器光电二极管节点电容阵列，属于光电探测器技术领域。


背景技术：

2.探测器是空间天文观测载荷的核心器件，在太空望远镜系统中具有举足轻重的作用，其中包括天文可见光探测器和天文红外探测器。天文用探测器，如天文红外探测器，一般采用源级跟随器(sfd)注入级像元电路，探测器曝光产生的光生电荷会存储在fd节点的等效光电二极管节点电容c
fd
上，随后通过源级跟随器按照比例将像元电压输出到列读出电路上。由于光电二极管节点电容c
fd
是由源级跟随器栅电容、复位晶体管源电容、光电二极管结电容以及其它寄生电容等构成，来源较为复杂，因而在计算上很难获得一个准确值。光电二极管节点电容是探测器最为重要的参数之一，包括电荷电压转换增益、量子效率、满阱电子数等均需要其参与计算，因而如何测量获得一个准确的光电二极管节点电容值就显得尤为重要。
3.传统的测试方法中，如光子散粒噪声法会因为像元间耦合电容的存在，导致实验结果会偏离泊松分布，实测光电二极管节点电容参数偏大；而fe
55
同位素测量方法则由于测试困难以及在诸如红外探测器测试中，由于其衬底材料(如碲锌镉)对软x射线的吸收问题而难于应用。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种探测器光电二极管节点电容测试装置和方法，采用简单易行的方式，实现了光电二极管节点电容精准测量。
5.本发明的技术方案是：一种探测器光电二极管节点电容测试装置，该方法包括开关、电源、校准电容、驱动及信号处理电路；
6.电源的正极电气连接到开关的一端，开关的另一端电气连接到校准电容的第一电极，以及所述探测器像元阵列复位晶体管的供电端；
7.电源的负极、校准电容的第二电极、探测器像元阵列光电二极管节点电容的衬底接触电气连接在一起，并最终电气连接到地；
8.开关的控制端、校准电容的第一电极、探测器的行驱动电路、探测器列读出电路输出信号v《1
…
n》电气连接到驱动及信号处理电路；
9.驱动及信号处理电路被配置成：控制开关导通，同时控制像元阵列复位晶体管，由电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电至第一电压；控制开关断开，由校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，同时控制探测器开始k帧曝光过程，曝光过程中，控制像元内复位晶体管在关闭和开启状态反复切换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，直到校准电容电压降至第二电压，读取由探测器列读出电路输出的曝光信号，根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光结束后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值，k大于等于1。
10.优选地，所述校准电容的规格在1uf～10uf范围内选择。
11.优选地，所述第一电压为探测器的像元复位电压。
12.优选地，所述第二电压相对于第一电压下降0.1v～0.5v。
13.优选地，所述驱动和信号处理电路包括第一控制接口、第二控制接口、第一缓冲电路、第一模数转换电路、第二缓冲电路、第二模数转换电路、第二控制接口、可编程信号处理器；
14.第一控制接口，与开关的控制端连接，用于将开关控制信号发送至开关，控制开关的导通与断开；
15.第二控制接口，同探测器像元阵列行驱动电路的输入端相连，用于将复位控制信号和列选通控制信号发送至行驱动电路；
16.第一模拟缓冲电路，同校准电容第一电极连接，用于采集校准电容的电压；
17.第一模数转换电路，与第一模拟缓冲电路的输出端连接，将校准电容的电压转换成数字信号发送给可编程信号处理器；
18.第二模拟缓冲电路，同探测器像元阵列列读出电路的v_out《1
…
n》端连接，用于读取探测器输出信号值；
19.第二模数转换电路，将探测器输出信号值转换为数字信号，发送给可编程信号处理器；
20.可编程信号处理器，初始状态下，产生开关控制信号，控制开关处在断开状态，预设的一段时间后，变更开关控制信号，控制开关处在导通状态，同时产生复位控制信号，控制像元阵列复位晶体管，由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电，实时检测校准电容的电压值，直到校准电容的电压值达到第一电压之后，再次变更开关控制信号，控制开关断开，通过校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，输出列选通控制信号，控制像元内列选通晶体管在关闭和开启状态反复切换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，同时检测校准电容的电压值，直到校准电容电压降至第二电压，实时读取由探测器列读出电路输出的曝光信号，根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光结束后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值。
21.优选地，所述光电二极管节点电容c
fd
根据如下公式计算得到：
[0022][0023]
其中，u
c1
为第一电压，u
ck
为第二电压，frames为曝光帧数，u
s,r,l
为像元阵列中第s帧，第r行，第l列像元输出信号电压值，m为探测器像元阵列的行数，n为探测器像元阵列的列数，g为源级跟随器晶体管sfd的增益因子，c
校准电容
为校准电容的容值。
[0024]
本发明的另一个技术方案是：一种探测器光电二极管节点电容测试方法，该方法包括如下步骤：
[0025]
s1、控制开关导通，由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电至第一电压；
[0026]
s2、控制开关断开，通过校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，同时控制探测器开始k帧曝光过程，曝光过程中，控制像元内复位晶体管在关闭和开启状态反复切
换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，直到校准电容电压降至第二电压；
[0027]
s3、根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光结束后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值，k大于等于1。
[0028]
优选地，所述光电二极管节点电容c
fd
根据如下公式计算得到：
[0029][0030]
其中，u
c1
为第一电压，u
ck
为第二电压，frames为曝光帧数，u
s,r,l
为像元阵列中第s帧，第r行，第l列像元输出信号电压值，m为探测器像元阵列的行数，n为探测器像元阵列的列数，g为源级跟随器晶体管sfd的增益因子，c
校准电容
为校准电容的容值。
[0031]
优选地，所述第一电压为探测器的像元复位电压。
[0032]
优选地，所述第二电压相对于第一电压下降0.1v～0.5v。
[0033]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0034]
(1)、本发明采用电荷抽取方式直接计算电荷、电压、电容三者的关系，避免了光子散粒噪声法因为像元间耦合电容造成的测试结果偏离泊松分布预期的问题；
[0035]
(2)、本发明采用电荷抽取方式对曝光量无要求，因而无需采用x射线源作为光源，避免了fe
55
同位素测量法无法对未做衬底减薄(如碲锌镉衬底)红外探测器进行测试的问题；
[0036]
(3)、本发明所涉及的测量装置简单易操作，且相比fe
55
同位素测量法不存在实验操作风险问题。
附图说明
[0037]
图1为本发明实施例测试方法和装置的原理框图；
[0038]
图2为本发明实施例驱动及信号处理电路装置的原理框图；
[0039]
图3为本发明实施例校准电容充放电示意图。
具体实施方式
[0040]
本发明的思路是：利用电容充放电过程中电压变化的特点，通过使用已测量出精确容值的校准电容，在探测器曝光过程中由校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电。经过多帧曝光后，校准电容由于持续放电，会产生一个显著的电压降，这个电压降同多帧曝光过程中探测器像元产生的光生电荷基本相等，通过计算多帧曝光过程中探测器输出的信号值和校准电容电压降的关系，可以求得探测器像元光电二极管节点电容的平均值。
[0041]
下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0042]
如图1所示，为本发明所涉及测试方法和装置的原理框图，包括光电二极管节点电容测试装置和探测器。其中，光电二极管节点电容测试装置包括电源、校准电容、开关、驱动及信号处理电路；
[0043]
电源的正极电气连接到开关的一端，开关的另一端电气连接到校准电容的第一电极(图1中的v_res节点)，以及所述探测器像元阵列复位晶体管的供电端；
[0044]
电源的负极、校准电容的第二电极、探测器像元阵列光电二极管节点电容的衬底
接触电气连接在一起，并最终电气连接到地(图1中的v_sub节点)；
[0045]
开关的控制端、校准电容的第一电极、探测器的行驱动电路、探测器列读出电路输出信号v《1
…
n》电气连接到驱动及信号处理电路；所述开关可以是继电器开关、光电开关或mos开关。
[0046]
驱动及信号处理电路被配置成：控制开关导通，同时控制像元阵列复位晶体管，由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电至第一电压；所述第一电压为探测器的像元复位电压，控制开关断开电源，由校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，同时控制探测器开始k帧曝光过程，曝光过程中，控制像元内复位晶体管在关闭和开启状态反复切换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，直到校准电容电压降至第二电压，曝光帧数的选择同探测器阵列规模、曝光时间、所选用校准电容容量相关，一般校准电容规格可在1uf～10uf范围内选择，标准电容为如钽电容、高频瓷片电容；曝光时间可选择探测器手册所规定的数值，曝光帧数一般可在几十帧到几千帧之间选择，具体曝光帧数需在测试过程中根据校准电容电压降确定。一般所选择曝光帧数应使得校准电容电压变化在0.1v～0.5v范围内。读取由探测器列读出电路输出的曝光信号，根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光前后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值，k大于等于1。具体地：由驱动及信号处理电路控制探测器内部的行驱动电路进而控制复位晶体管和列选通晶体管的开启和关闭，同时经由列读出电路读取探测器输出曝光信号，其中，所述的驱动及信号处理电路电气连接至所述行驱动电路，以及，所述的驱动及信号处理电路电气连接至所述列读出电路，以及其中，每帧曝光后读取探测器输出信号值包括对探测器像元阵列内所有曝光信号电压幅值进行模拟数字转换。
[0047]
控制所述行驱动电路进而控制像元阵列内复位晶体管和列选通晶体管开启和关闭包括：
[0048]
控制所述复位晶体管以将校准电容v_res节点选择性的电气连接至所述像元阵列光电二极管节点电容的fd节点；以及
[0049]
控制所述像元阵列列选通晶体管以将像元阵列光电二极管节点电容c
fd
的电压通过源级跟随器晶体管输出到所述列读出电路。
[0050]
图1中所示探测器为一个实例。该实例中探测器包括像元阵列、行驱动电路、列读出电路。像元阵列由规模为m
×
n的像元单元构成，每个像元单元包括复位晶体管m1、源级跟随器晶体管sfd、列选通晶体管m2、探测器光电二极管pd以及fd节点对d_sub节点等效的光电二极管节点电容c
fd
。
[0051]
行驱动电路由驱动及信号处理电路提供时序驱动信号，并向像元阵列输出像元复位信号reset和像元列选通信号sel《1》至sel《m》；列读出电路接收像元阵列输出的第1至第n列模拟电压信号vout《1》
……
vout《n》，并由列读出电路重新排序后将包含原有全部模拟电压信号的vout《1
…
n》信号输出至驱动及信号处理电路。
[0052]
像元阵列中像元的列选通晶体管m2漏极在列方向同其它像元的列选通晶体管m2漏极连在一起(如像元《1,1》到像元《m,1》的m个像元的列选通晶体管m2漏极的一端连在一起)，并最终连接到列读出电路的输入端，且列选通晶体管m2的栅极连接到行驱动电路的列选通信号sel《1》至sel《m》的输出端；像元阵列中所有像元的复位晶体管m1源极连接在一
起，复位晶体管m1漏极同光电二极管pd的fd节点以及源级跟随器晶体管sfd的栅极连接到一起；源级跟随器晶体管sfd的漏极连接到电源vdd，另一端源极连接到列选通晶体管m2的源极。
[0053]
优选地，所述校准电容为钽电容或者高频瓷片电容，所述校准电容的规格在1uf～10uf范围内选择。
[0054]
优选地，，所述第二电压相对于第一电压下降0.1v～0.5v。
[0055]
图2中所示驱动及信号处理电路包括第一控制接口、第二控制接口、第一缓冲电路、第一模数转换电路、第二缓冲电路、第二模数转换电路、第二控制接口、可编程信号处理器；其中，可编程信号处理器在实际系统中可以是fpga、cpu或者dsp；模拟缓冲电路在实际系统中可以是增益为1的运放跟随器电路。
[0056]
可编程信号处理器的第一数字输出接口同第一控制接口的输入端连接，第一控制接口，与开关的控制端连接，用于将开关控制信号发送至开关，控制开关的导通与断开；
[0057]
可编程信号处理器的第二数字输出接口同第二控制接口的输入端连接，第二控制接口，同探测器像元阵列行驱动电路的输入端相连，用于将复位控制信号和列选通控制信号控制信号发送至行驱动电路；
[0058]
第一模拟缓冲电路，同校准电容第一电极连接，用于采集校准电容的电压；
[0059]
可编程信号处理器的第一数字输入接口同第一模数转换电路的输出端连接，第一模数转换电路，与第一模拟缓冲电路的输出端连接，将校准电容的电压转换成数字信号发送给可编程信号处理器；
[0060]
第二模拟缓冲电路，同探测器像元阵列列读出电路的v_out《1
…
n》端连接，用于读取探测器输出信号值；
[0061]
可编程信号处理器的第二数字输入接口同第二模数转换电路的输出端连接，第二模数转换电路，将探测器输出信号值转换为数字信号，发送给可编程信号处理器；
[0062]
可编程信号处理器，初始状态下，产生开关控制信号，控制开关处在断开状态，预设的一段时间后，变更开关控制信号，控制开关处在导通状态，同时产生复位控制信号，控制像元阵列复位晶体管，由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电，实时检测校准电容的电压值，直到校准电容的电压值达到第一电压之后，再次变更开关控制信号，控制开关断开，通过校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，输出列选通控制信号，控制像元内列选通晶体管在关闭和开启状态反复切换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，同时检测校准电容的电压值，直到校准电容电压降至第二电压，实时经由列读出电路读取由探测器列读出电路输出的曝光信号，根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光结束后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值。
[0063]
图3所示为测试过程的校准电容充放电示意图。图中水平轴表示时间，垂直轴表示校准电容上电极v_res节点的电压。在时间段t0～t1期间，开关处在断开状态，校准电容的第一电极v_res节点的初始电压为u
c0
；在时间段t1～t2期间，t1时刻驱动及信号处理电路控制开关导通，外部电源的+极向校准电容的上电极v_res节点充电至第一电压u
c1
；在时间段t2～t3期间，t2时刻驱动及信号处理电路控制开关断开，同时控制探测器像元阵列开始第1帧曝光过程，像元阵列从校准电容的上电极v_res节点抽取电流，电压降至第二电压u
c2
，同时
读取第1帧探测器像元阵列读出电路输出的信号值v_out《1
…
n》；在此后的时间段t3～t4期间，重复时间段t2～t3期间的测试过程；最终在t4～t5期间，开始最后第k帧曝光，校准电容上电极v_res节点电压降至第二电压u
ck
，t5时刻测试过程结束。
[0064]
校准电容的电压降如式(1)所示：
[0065]
δu
校准电容
＝u
c1-u
ck
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
校准电容上电荷的变化如式(2)所示：
[0067]
δq
校准电容
＝δu
校准电容
×c校准电容
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
因为像元阵列在曝光过程从校准电容抽取电流，因此校准电容上的电荷变化应当同像元阵列光电二极管节点电容多帧曝光过程的电荷变化量相等，而该变化量可以从探测器像元阵列的输出信号v_out《1
…
n》计算获得，如式(3)所示：
[0069][0070]
式(3)中，δq
out
为多帧曝光后探测器像元阵列光电二极管节点电容总的电荷消耗量，u
s,r,l
为像元阵列中第s帧，第r行，第l列像元的输出电压信号值，c
fd
为待求的光电二极管节点电容，g为源级跟随器晶体管sfd的增益因子，具体值与体效应有关，通常为0.7～0.8。结合式(1)～式(3)，可根据如下式(4)计算光电二极管节点电容：
[0071][0072]
其中，其中，u
c1
为第一电压，u
ck
为第二电压，frames为曝光帧数，u
s,r,l
为像元阵列中第s帧，第r行，第l列像元输出信号电压值，m为探测器像元阵列的行数，n为探测器像元阵列的列数，g为源级跟随器晶体管sfd的增益因子，c
校准电容
为校准电容的容值。
[0073]
因此，本发明还提出了一种探测器光电二极管节点电容测试方法，该方法包括如下步骤：
[0074]
s1、控制开关导通，由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电至第一电压；
[0075]
s2、控制开关断开，通过校准电容向像元阵列光电二极管节点电容供电，同时控制探测器开始k帧曝光过程，曝光过程中，控制像元内复位晶体管在关闭和开启状态反复切换，使得探测器像元阵列光电二极管节点电容反复从校准电容中抽取电流，直到校准电容电压降至第二电压；
[0076]
s3、根据每帧曝光后探测器像元阵列各像元输出信号电压值、k帧曝光结束后测量校准电容的电压变化，计算出光电二极管节点电容的电容值，k大于等于1。
[0077]
本发明测试方法包括在曝光测试前由驱动及信号处理电路输出开关电信号控制开关导通，同时复位控制信号控制探测器像元内部复位晶体管开启，从而由外部电源向校准电容和像元阵列光电二极管节点电容充电；在保证校准电容充至第一电压后，由驱动及信号处理电路控制开关断开，同时控制探测器开始曝光过程，曝光过程中，驱动及信号处理电路会将像元内所述复位晶体管在关闭和开启状态反复切换，具体开关时间为每帧的曝光时间，此过程探测器像元阵列光电二极管节点电容会反复从校准电容中抽取电流，从而导致校准电容产生显著电压降。驱动及信号处理电路通过读取每帧曝光后探测器输出信号值，结合测量校准电容两端电压变化，可以计算出光电二极管节点电容的电容值。
[0078]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。