一种像素单元读出电路

：本发明涉及电路设计和光电探测，具体涉及一种像素单元读出电路。

背景技术

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背景技术：

1、近红外光电探测在军事和国民经济中应用广泛，包括军事上的航天航海、夜视技术，国民经济中的光谱测量、生物传感、可再生能源装置、环境探测和医疗成像等领域。

2、探测器接收光电探测器目标像元和参考像元，对其进行处理，输出成像。灵敏度是衡量其探测性能的重要指标，在实际应用中非常重要。影响探测器灵敏度的关键因素有很多，其中很重要的两个是探测器的暗电流与读出电路的噪声。

3、室温下半导体器件中会产生大量本征激发的载流子，导致暗电流增加，以至于无法获得清晰的成像。尤其在微光夜视条件下，光电探测器对目标物体的成像能力很大程度受到探测器的灵敏度和产生噪声的限制。灵敏度可以理解为探测器检测微弱信号的能力，它会受到探测器噪声的限制，也称为响应度，理论上说是指光电转换后，输出的电流与输入光功率的大小；而噪声产生的机制比较多，探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或光生载流子的随机产生的噪声；载流子产生与复合的随机性而引起的噪声；载流子热运动所产生的噪声；光敏层的微量杂质的存在，电流流过时微粒间发生的微火花放电而引起的噪声；读出电路电路结构和工作方式引起的噪声等等。在光线较差时，由于输入的光信号本身比较弱，在传输过程中，目标信号与环境的整体信号相比会比较接近，使得输入的弱信号不容易达到所需的成像要求。同时，由材料内部载流子的热激发产生的暗电流会被后端的读出电路采集，输出成像后会形成固定图形噪声，影响探测器的灵敏度。所述读出电路的噪声来源于器件的固有噪声和电路结构、工作方式引起的噪声，其限制了探测器对微小电流的识别能力。

4、现有的读出电路通常包含模拟电路和数字电路两部分，模拟电路与数字电路并不存在复杂的接口，例如授权公告号为cn113138019b所公开的“一种基于雪崩光电二极管阵列的读出电路和光电探测器”和cn114286015b所公开的“一种用于光电探测器中的动态范围读出电路”。所述模拟部分通常为单端传输结构，其只对目标像元进行光电转换，存在的问题是：(1)由于光辐射作用或热激发作用，输入到这里的暗电流通常较大，读出电路中的积分电容容易出现饱和，因此读出电路的动态范围小；(2)考虑到电信号的微弱性，而公知信噪比随积分时间的增加而增大，延长积分时间就需要较大的积分电容，更长的积分时间将导致更多数量的形成暗电流所需的电子产生。(3)单端传输结构的抗干扰性差，前级产生的暗电流也会被后端的读出电路采集，对后期的输出成像造成影响。

5、综上，现有技术的读出电路自身噪声水平高，电荷处理能力差，难以提高探测器的灵敏度，难以抑制探测器的噪声，因此无法解决探测器在微光条件下的成像的难题。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明要提供一种像素单元读出电路，以克服现有技术存在的暗电流增加，读出电路噪声水平高和电荷处理能力差，光电探测器件的动态范围小和在微光条件下目标物体成像质量差的问题。

2、为了达到本发明的目的，本发明提供一种像素单元读出电路，包括模拟电路和数字电路，所述模拟电路通过采样/保持电路与数字电路相接，其特征在于：所述模拟电路包括并联的两个积分电路，两个积分电路的输出依次连接差分放大电路、二次放大电路和缓冲器；

3、所述积分电路由依次相接的集成运放、积分电容和t型电阻组成，集成运放u4其输入端连接反相放大器；

4、所述差分放大电路所述的差分放大电路包括运算放大器u2a、电阻r7、电阻r8、电阻r9和电阻r10，所述的运算放大器u2a的同相输入端通过电阻r7与集成运放u4的输出端相连，运算放大器u2a的反相输入端通过电阻r8与集成运放u1的输出端相连，运算放大器u2a的输出端通过电阻r11与运算放大器u3a的反相输入端相连；所述的电阻r7一端与集成运放u4的输出端相连，另一端与运算放大器u2a的同相输入端相连；所述的电阻r8一端与集成运放u1的输出端相连，另一端与运算放大器u2a的反相输入端相连，所述的电阻r9一端与运算放大器u2a的反相输入端相连，另一端与运算放大器u2a的输出端相连，所述的电阻r10一端与运算放大器u2a的同相输入端相连，另一端接地；

5、所述二级放大电路包括运算放大器u3a、电阻r11、电阻r14和变阻器r16；所述的运算放大器u3a的反相输入端通过电阻r11与运算放大器u2a的输出端相连，同相输入端通过电阻r14接地，输出端通过电阻r13与运算放大器u5a的同相输入端接地；所述的电阻r11一端与运算放大器u2a的输出端相连，另一端与运算放大器u3a的反相输入端相连，所述的电阻r14一端与运算放大器u3a的同相输入端相连，另一端接地，所述的变阻器r16一端与运算放大器u3a的反相输入端相连，另一端和运算放大器u3a的输出端相连；

6、所述缓冲器包括集成运算放大器u5a,其反相输入端和输出端用导线相连。

7、进一步的，上述积分电路中的积分电容选择47pf；所述运算放大器u2a型号为lm324n；所述运算放大器u3a型号为ne5532al。

8、进一步的，上述的两个积分电路，一个是依次相接的集成运放u1、积分电容c2和电阻r4,电阻r5,电阻r6，另一个是依次相接的集成运放u4、积分电容c1和电阻r1,电阻r2,电阻r3；所述集成运放u1和集成运放u4的输入端分别连接反相运算放大器u2a。

9、进一步的，上述缓冲器包括型号为ne5532al的运算放大器u5a和电阻r13，所述的运算放大器u5a的反相输入端通过导线直接和运算放大器u5a的输出端相连，同相输入端通过电阻r13与运算放大器u3a的输出端相连，输出端和下一级信号处理电路相连，所述的电阻r13一端与运算放大器u3a的输出端相连，另一端与运算放大器u5a的同相输入端相连。

10、与现有技术相比，本发明的优点是：

11、1、积分电路中引入了负反馈，在积分过程中，减小了积分输入端电压受探测器电压的影响，保证了积分的准确性，提高了线性度。输入级使用反相放大器，降低了输入阻抗，保证光电子较高的注入效率、同时可以提供稳定的探测器偏压，改善频率响应。同时降低输入阻抗也会扩展输入电路在较低背景的读出范围。本发明采用t型电阻，可以减少温度漂移引起的静态误差，平衡集成运放自身与放大电路的设计达到更高的增益倍数，降低电阻热噪声，提高信噪比。

12、2、差分放大电路为差分相关双采样，用差分放大电路通过信号相减，尽可能的降低积分电路传输过来的噪声和背景噪声信号，产生稳定的差分信号，保证最终采样信号具有较高的信噪比。同时，本发明提供的差分放大器通过自身的共模抑制也会消除大部分噪声，一方面，本发明的差分放大器抗干扰能力强，暗电流噪声几乎是被同时耦合到两条线上，接收端关心的只是两信号的差值，所以抑制噪声干扰的能力很强，另一方面，能够有效地抑制线路中的电磁干扰，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以互相抵消，耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能力越少。因此，本发明的输出相较于单端传输具有更强的抗干扰能力的差模信号。

13、3、本发明设计了两个独立的放大单元，当差模信号经过前级放大后，将输出信号输送到后级反相器，该单元再次放大信号，并整形输出。这样可以提高放大器的性能，提高信噪比和线性度，同时减小输出失真。本发明提供的二级放大电路还可以用于调整输出电平和阻抗匹配，提高信噪比和线性度，输出光电压信号到下一级。

14、4、本发明缓冲器将前级有用信号转换为经过放大的低阻抗信号输出，实现不同电路之间的阻抗匹配，从而提高信号传输效率。缓冲电路的输入与输出节点实现了完全隔离，提高其抗干扰能力、可靠性和稳定性。同时电路结构采用了负反馈的形式，放大器自身的非线性也得到了有效抑制。该电路为后级电路提供足够的电压，增加了信号的输出驱动能力，同时会抑制来自其他电路的噪声，进一步保证信号的稳定性。

15、5、本发明各个电路进行组合，通过对积分电容进行改进，使电路在宽范围内对微弱信号读出；本发明采取高精度的暗电流抑制结构，可以提高读出电路的动态范围；本发明采用的差分技术将暗电流噪声几乎是被同时耦合到两条输入线上，抑制噪声干扰的能力很强。本发明的读出电路可给探测器提供合适的偏压，有效提高探测器件的灵敏度，抑制了探测器的噪声，探测器在微光条件下成像好。