【一种高灵敏度大动态范围读出电路】 电路动态范围

　　摘要：为读出光电探测器微弱的响应电流，设计了一种增益自动可调列放大器，提高了读出电路的灵敏度和动态范围，读出电路的动态范围提高了24dB，读出电路功耗为230μW，满足探测器读出要求。读出电路的输出信号可以根据应用要求分别采用线性法和非线性法重建。
　　关键词：光电探测器；灵敏度；动态范围；读出电路；增益可调放大器
　　
　　一种新型GaAs/InGaAs量子光电探测器[1]室温条件下，1V偏压时探测器最大响应电流约1.11×10-6A，暗电流为7.37×10-12A，光电流暗电流比大于100dB。一般读出电路的动态范围约60～70dB，小于探测器的响应范围，最大响应电流和最小响应电流不能同时读出，为了解决这个问题需要扩展读出电路的动态范围。
　　读出电路根据探测器输出信号的大小自动改变列放大器的增益[2,3]，不但提高了灵敏度，而且增大了动态范围。本文根据理论分析设计了一种增益自动可调、动态范围大、灵敏度高的新型光电传感器读出电路，采用开关电流积分结构减小了电路整体功耗。文章首先介绍扩展动态范围，提高灵敏度的原理和方法，然后给出详细的电路设计和实现，最后给出了实验结果和相关讨论。
　　
　　1工作原理
　　
　　读出电路的动态范围定义为输出摆幅和输出噪声之比，或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电流或探测器暗电流。假设读出电路积分电流可以表示为i=Q/tint和，则动态范围定义如下：
　　DR=201 og=201 og
　　从上式看出，可以通过减小噪声电子数和增大最大电荷容量来改进读出电路的动态范围。
　　灵敏度定义为单位曝光量的作用下器件的输出信号电压，即
　　SE==
　　式中，Vo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，Q=isig×Tint。由定义可知，通过减小积分电容或延长积分时间可以提高灵敏度，但是减小积分电容会减小读出电路的电荷容量，使得读出电路的动态范围减小。
　　分析表明同时提高读出电路的动态范围和灵敏度相互矛盾，为解决这个问题可以在探测器的输出信号电流较小时采用较小的积分电容，提高读出电路的灵敏度，信号电流较大时采用较大的积分电容，避免积分饱和，也就增大了动态范围。
　　
　　2电路设计与实现
　　
　　2.1增益可调列放大器
　　图1给出了一种增益自动调节列放大器可实现上述思想。与传统CTIA结构相比，原先一个固定的积分电容分成三部分，分别取C0、3C0和12C0，两个较大的电容与C0并联，分别受开关K1、K2的控制，当开关闭合时电容进行积分。为了实现自动调节增益，在传统CTIA的基础上增加了增益控制电路，控制电路由比较器和两个D触发器构成，比较器检测输出电压控制触发器，触发器的输出控制读出电路的增益。
　　电路的工作原理如图2所示：电路对探测器响应电流开始积分前Reset信号先把积分电容和D触发器复位，K1、K2关断，然后复位开关断开。积分开始时只用C0电容积分，可以提高灵敏度。积分过程中电压信号与比较器设定的饱和电压比较，当积分信号大于饱和电压后比较器翻转，输出的脉冲信号使第一个触发器触发，触发器的输出信号控制K1闭合，3C0与C0并联，积分电容变为4C0，积分器的输出电压跳变为：
　　V==
　　这个值与从初始时就用4C0积分输出的电压相等。输出电压低于饱和电压后比较器复位到低电平，当积分电压再次饱和时比较起再次翻转，使得第二个触发器触发输出高电平，控制K2闭合，积分电容变为16C0，输出电压再次跳变为Vsat/4，然后继续积分。输出电压变化如图2所示。从上述工作原理可知图中C1＝C0，C2＝4C0，C3＝16C0。
　　电路工作过程中出现的干扰和噪声可能使比较器错误翻转。为了在电路工作过程中稳定可靠地控制和改变读出电路的增益，控制电路中的比较器采用迟滞比较器[4]。注意正阈值电压不能大于Vsat3/4，否则比较器在第一次翻转后不能恢复到低电平，增益调节能力下降，减小了读出电路的动态范围。
　　
　　2.2读出电路整体工作原理
　　图3是读出电路的整体示意图。电路包括连接探测器阵列的开关阵列、并行的列放大器、相关双采样电路、输出缓冲放大器、垂直扫描电路和水平扫描电路。工作过程中，首先垂直扫描电路选通探测器阵列的一行，水平扫描电路清零，探测器上电极、增益可调放大器和采样保持电路复位。复位结束后列放大器开始对被选通的一行探测器响应电流积分，双采样电路采样复位电平，积分结束后采样电路采样积分信号，最后在水平扫描电路的驱动下依次输出一行信号和增益因子，接着开始下一行探测器的读取。
　　
　　3实验结果与讨论
　　
　　3.1 实验验证
　　采用UMC 0.18um 1P6M 3.3V工艺模型库对上述方案进行验证。C0选择250fF，则C1，C2，C3分别为250fF，1pF，4pF。设定积分时间为128us，输入电流分别为0.05nA，0.5nA，0.5nA，5nA，50nA时的输出结果如图4所示。当输出电压大于阈值电压，增益控制电路控制子电容接入CTIA的反馈网络，输出电压减小防止积分饱和，继续对输入电流积分。
　　图5给出了相同输入电流时传统CTIA的输出结果，积分电容分别选取0.25pF和4pF。积分电容为0.25pF时输出灵敏度大，输入电流为50nA和5nA时输出饱和；积分电容为4pF时不容易饱和但灵敏度较小，输入电流为0.5nA和0.05nA的输出电压难以分辨。
　　表1列出了不同注入电流时增益可调列放大器和传统CTIA的输出信号。
　　从表1可以看出，增益可调放大器既克服了小积分电容CTIA电荷容量小的缺点，又消除了大积分电容CTIA灵敏度小的问题。输入电流较小时，增益可调列放大器积分电容小、灵敏度大。输入电流较大时，积分电容增大、电荷容量增大。最大不饱和积分电流相同，最小可探测电流增大，读出电路动态范围增大。
　　增益可调放大器中运放和比较器消耗了主要的能量，设计的静态工作电流应该尽量小，模拟得到增益可调放大器的功耗为230μW。采用开关电流积分结构[5]一列探测器单元公用一个增益可调读出电路，进一步减小了读出电路整体的功耗。
　　
　　3.2输出信号的重建
　　增益可调放大器输出信号有模拟输出电压和增益信号两部分，后续处理需要合成单个完整信号。根据需要大致有两种重建方法可以选择，一种是线性重建法，另一种是近似于对数的非线性重建法。利用线性法，输出电压结合增益因子可以计算得到等效的线性电压为：
　　V ===V…………G=0，G=0=4V………G=0，G=0=16V……G=0，G=0
　　如图2所示，这种方法在照度小于I1时的信噪比和灵敏度与仅采用小积分电容C1的相同。照度大于I1小于I2时重建输出电压是积分电容为C2的输出电压的4倍，照度大于I2时重建输出电压是积分电容为C3的输出电压的16倍，动态范围扩展了24dB。
　　近似于对数的非线性重建法如图2中单调虚线所示。输出电压根据增益因子以近似对数的特性进行压缩，压缩后信号的计算方法如下。
　　V=Vo…………………G=0，G=0Vo+V…………G=0，G=0Vo+V…………G=0，G=0
　　这种信号重建方法与线性方法相比更符合人眼对光的响应规律，因此具有更好的实用性。
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　　4结论
　　
　　本文分析讨论了提高灵敏度和动态范围的原理和方法，针对光电探测特性提出了一种增益可调放大器，根据探测器响应电流的大小自动调节积分电容的容值，提高了读出电路对微弱电流的分辨能力，使读出电路的动态范围扩展了24dB，基本满足探测器的读出要求。增益可调放大器功耗为230μW，采用开关电流积分结构进一步减小读出电路整体功耗。最后给出了两种读出信号的重建方法，可根据应用要求选择。
　　
　　参考文献
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　　[3]. N. Viarani, N. Liberatore, A. J. Syed, M. Gottardi, N. Massari, C. Corsi and A. Baschirotto. A 16-Cell 80dB Dynamic-Range Auto-Range Read-Out Array for Uncooled IR Micro-Bolometers. International Confere- nce on Solid-State Sensors Actuators and Microsystems; 2007 14th. 1361-1364.
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　　[5]. C.C. Hsieh, C.Y. Wu, T.P. Sun. "A new cryogenic CMOS readout structure for infrared focal plane array," IEEE JSSC, VOL 32, NO. 8, pp.1192-1199, 1997
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