一種基於弛豫鐵電單晶熱釋電探測器的讀出電路的製作方法
2024-01-21 13:05:15 1
專利名稱：一種基於弛豫鐵電單晶熱釋電探測器的讀出電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及探測器讀出電路，尤其涉及一種弛豫鐵電單晶熱釋電探測器的讀出電路。
背景技術：
近年來，我國科學家率先發現弛豫鐵電單晶類材料具有優異的熱釋電綜合性能，相比傳統的熱釋電材料它具有非常高的熱釋電係數、比較低的熱擴散係數、比較穩定的化 學性能，非常有利於熱圖象的貯存和處理，提高橫向解析度，這對於紅外成像儀非常重要； 易加工減薄，可降低晶體元件的厚度，提高探測能力和解析度，要使這一材料性能得到發揮 並實用則設計配套的探測器讀出電路至關重要。讀出電路在熱釋電探測器中的主要功能是給探測器提供合適的偏壓，將探測器產 生的光電流信號轉換成電壓信號，並且進行信號的預處理(如積分、放大、濾波、採樣/保持 等)，最後將成千上萬個由探測器產生的信號通過有限的幾個外引腳按序輸出。現有的熱釋電探測器讀出電路一般採用SFD(源隨器型)結構，它是一種直接積分 的高阻抗放大器。這種結構的探測器偏壓由復位電平決定，但偏壓會隨積分時間和積分電 流變化，從而引起探測器偏置變化，而且SFD(源隨器型)讀出電路在在中、高背景下，有輸 出信號非線性嚴重的問題，電路的工作頻率也較低。本發明要解決的技術問題就是為其提供一種具有結構簡單、輸出線性、低噪聲和 高工作頻率等特點的一體化集成讀出電路。
發明內容
本發明的主要目的是針對現有熱釋電探測器讀出電路結構的不足提供一種弛豫 鐵電單晶熱釋電探測器的讀出電路，實現弛豫鐵電單晶熱釋電信號的輸出，並為探測器提 供穩定的偏壓。上述目的通過下述的技術方案來實現包括將弛豫鐵電熱釋電探測器的輸出電流信號轉化為電壓信號的CTIA(電容反 饋互導)輸入級模塊；進行採樣保持的雙採樣保持電路模塊；負責多路選通及輸出的多路 傳輸電路模塊。上述模塊集成在一集成電路晶片上。所述CTIA(電容反饋互導)輸入級電路模塊由運算放大器和積分電容Cint、開關復 位管M組成，積分電容Cint、開關復位管M負責積分電容的復位，開關復位管M分別與運算放 大器的負輸入端和輸出端連接，運算放大器負輸入端連接探測器，正輸入端連接參考電壓 Vref,根據放大器的虛地原理，探測器連接運算放大器負輸入端電壓近乎等於Vref，則探測 器的偏壓由Vref與探測器另一端的電壓控制，工作過程中幾乎不會發生變化。所述運算放大器模塊為一兩級CMOS運算放大器，包括第一級放大器、第二級放大 器、RC補償電路。所述的第一級放大器為雙路差分輸入，輸入對管為PMOS電晶體。所述的第二級放大器為共源級放大器。所述的RC補償電路由一個電容C。和CMOS傳輸門做成的 電阻串聯，用於與運算放大器的頻率補償。運算放大器的接地電位接入負5V電壓，當探測器的輸出電流為反向電流時，也可 以實現信號的積分放大，從而達到正反向電流讀出的目的，使讀出電路的讀出效率理論上 達到原來的兩倍。所述雙採樣保持電路模塊包括雙路採樣電容Cs和選通開關SHl、SH2。所述多路傳輸電路模塊包括移位寄存器Shift Register、源隨器SF，移位寄存器 依次選通各個通道，信號由源隨器輸出，達到讀出信號的目的。所述移位寄存器由D觸發器依次串聯構成，由輸入信號D端輸入，Q端輸出到下一 級，實現逐次導通開關的目的。本發明將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號通過CTIA(電容反饋互導)輸入級電路 模塊轉化為電壓信號，並將信號進行放大輸出，雙採樣保持電路分兩次將信號採樣，多路傳 輸電路將各個通道逐次導通輸出信號。本發明的電路模塊集成在一集成電路晶片上，和探 測器晶片互連，由外部驅動電路提供控制信號，可有效讀出弛豫鐵電探測器的信號。本發明與現有熱釋電探測器讀出電路相比具有一下優點1、可以為探測器提供穩定的偏壓。2、探測器電流在反饋電容上積分，其增益大小由積分電容確定，它可以提供很低 的探測器輸入阻抗。3、從很低到很高的背景範圍內，都具有非常低的噪聲。4、輸出信號的線性度和均勻性很好。5、正反向輸入電流讀出，使讀出電路的讀出效率達到原來的兩倍。
圖1是本發明模塊的結構示意圖。圖2是CTIA(電容反饋互導)輸入級電路單元的結構示意圖。圖3雙採樣保持電路單元模塊的結構示意圖。圖4多路傳輸電路模塊的結構示意圖。圖5是讀出電路控制信號的波形。圖6不同積分電流時兩路輸出電壓波形圖。圖7不同積分電流時輸出差分電壓波形圖。圖8八通道讀出電路輸出信號的波形圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明電路模塊如圖1所示，主要由CTIA(電容反饋互導)輸入級電路模塊、雙採 樣保持電路模塊、多路傳輸電路模塊組成，上述模塊集成在一集成電路晶片上。CTIA(電容 反饋互導)輸入級電路模塊將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號轉化為電壓信號並傳送至 雙採樣保持電路模塊的輸入端，雙採樣保持電路將信號採樣保持後，由多路傳輸電路負責 將各個通道逐次導通。
單路CTIA(電容反饋互導)輸入級電路模塊的電路結構如圖2所示，由運算放大 器和積分電容Cint、開關復位管M組成，積分電容Cint、開關復位管M分別與運算放大器的 一輸入端和輸出端連接，開關復位管M負責積分電容的復位。 本發明中的雙採樣保持電路模塊主要由採樣電容和MOS開關管組成，如圖3所示。本發明中的多路傳輸電路模塊如圖4所示，包括選通開關、移位寄存器、源隨器， 移位寄存器依次選通各個通道，信號由源隨器輸出，達到讀出信號的目的。讀出電路控制信號的波形為圖5。clkl和clk2是移位寄存器的控制脈衝，其產生 的選通信號寬度和時鐘周期相同，即在一個時鐘周期內讀取一個通道的電壓。因此，時鐘頻 率即為讀出頻率。Reset控制積分電容的復位，在Reset為高電平時，積分電容被復位到參 考電平Vref。當Reset為低電平時，積分電容開始積分。因此Reset脈衝的低電平時間大 致為積分時間。SHl和SH2為採樣保持脈衝，在Reset脈衝為低電平期間，發生兩次採樣過 程，其中一次發生在Reset剛變為低電平時，採樣脈衝信號為SHl (由外部提供)；第二次採 樣發生在Reset變為高電平之間，採樣脈衝信號為SH2。因此，實際有效積分時間為兩次採 樣脈衝的時間差。ST脈衝出現在積分結束之後，是一個高電平信號。移位寄存器在ST信 號有效的第一個clkl的上升沿產生第一個選通信號，從而開始讀取第一個通道的電壓。因 此，ST脈衝必須且只能包含一個clkl的上升沿。圖6所示的波形為單通道讀出電路在不同積分電流下雙路輸出波形，圖中下面部 分為第一次採樣的信號，上面部分為第二次採樣的信號。信號依次為ΟρΑ，ΙΟρΑ，20pA，30pA, 40pA，50pA, 60pA, 70pA輸入電流的波形。圖7為單通道讀出電路在不同積分電流下雙路差分輸出波形，信號依次為OpA， 10pA，20pA, 30pA, 40pA, 50pA, 60pA, 70pA 輸入電流的波形。圖8為八通道弛豫鐵電單晶熱釋電讀出電路一個周期的輸出波形，八個通道分別 輸入 OpA, IOpA, 20pA, 30pA, 40pA, 50pA, 60pA, 70pA 電流。本發明模塊的工作過程如下開關管M由RESET信號控制首先導通，積分電容C被復位到參考電平，當開關管M 截止時進入積分階段，積分電容開始積分。從弛豫鐵電探測器輸出的電荷流入積分電容，經 運算放大器轉成電壓放大後輸出，積分一開始由SHl控制的開關導通，輸出信號被每個通 道的第一路採樣保持電路採樣，在積分結束時SH2控制的開關導通，輸出信號被被每個通 道的第二路採樣保持電路採樣，積分結束後，多路傳輸電路的移位寄存器在開始讀出脈衝 ST信號控制下產生選通信號，開始逐次讀取每個通道的信號，實現讀出電路的信號輸出。有益效果該熱釋電探測器讀出電路在結構上利用放大器的虛地原理，可以在工作時為探 測器提供穩定的偏壓，採用了電流模式的電路放大讀出熱釋電探測器信號，這比傳統的 SFD(源隨器)結構電壓讀出模式的電路具有更高的工作頻率，探測器電流在讀出電路的反 饋電容上積分，其增益大小由積分電容確定，這樣可以提供很低的探測器輸入阻抗，並且該 讀出電路從很低到很高的背景範圍內，都具有非常低的噪聲，輸出信號的線性度和均勻性 很好。
權利要求
一種單晶片弛豫鐵電熱釋電探測器讀出電路，其特徵在於包括將弛豫鐵電熱釋電探測器的輸出電流信號轉化為電壓信號的CTIA輸入級模塊；進行採樣保持的雙採樣保持電路模塊；負責多路選通及輸出的多路傳輸電路模塊；其中所述CTIA輸入級電路模塊由運算放大器和積分電容Cint、開關復位管M組成，積分電容Cint、開關復位管M負責積分電容的復位，開關復位管M分別與運算放大器的負輸入端和輸出端連接；所述運算放大器模塊為一兩級CMOS運算放大器，包括第一級放大器、第二級放大器、RC補償電路；所述的第一級放大器為雙路差分輸入，輸入對管為PMOS電晶體。所述的第二級放大器為共源級放大器；所述的RC補償電路由一個電容Cc和CMOS傳輸門做成的電阻串聯，用於與運算放大器的頻率補償；運算放大器負輸入端連接探測器，正輸入端連接參考電壓Vref，根據放大器的虛地原理，探測器連接運算放大器負輸入端電壓近乎等於Vref，則探測器的偏壓由Vref與探測器另一端的電壓控制，工作過程中幾乎不會發生變化；運算放大器的接地電位接入負5V電壓，當探測器的輸出電流為反向電流時，也可以實現信號的積分放大，從而達到正反向電流讀出的目的，使讀出電路的讀出效率理論上達到原來的兩倍；所述雙採樣保持電路由雙路採樣電容和選通開關組成；所述多路傳輸電路由選通開關、移位寄存器、源隨器，移位寄存器依次選通各個通道，信號由源隨器輸出，達到讀出信號的目的；上述模塊的其具體工作過程如下開關管M由RESET信號控制首先導通，積分電容C被復位到參考電平，當開關管M截止時進入積分階段，積分電容開始積分；從弛豫鐵電探測器輸出的電荷流入積分電容，經運算放大器轉成電壓放大後輸出，積分一開始由SH1控制的開關導通，輸出信號被每個通道的第一路採樣保持電路採樣，在積分結束時，SH2控制的開關導通，輸出信號被每個通道的第二路採樣保持電路採樣，積分結束後，多路傳輸電路的移位寄存器在開始讀出脈衝ST信號控制下產生選通信號，開始逐次讀取每個通道的信號，實現讀出電路的信號輸出。
2.根據權利要求1所述的讀出電路，其特徵在於所述移位寄存器由D觸發器依次串聯 構成，由輸入信號D端輸入，Q端輸出到下一級，實現逐次導通開關的目的。
3.根據權利要求1所述的讀出電路，其特徵在於上述模塊集成在一集成電路晶片上。
全文摘要
一種基於弛豫鐵電單晶熱釋電讀出電路，實現弛豫鐵電單晶熱釋電信號的輸出，其特徵是將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號通過CTIA輸入級電路模塊轉化為電壓信號，並將信號進行放大輸出，雙採樣保持電路分兩次將信號採樣，多路傳輸電路將各個通道逐次導通輸出信號。本發明的電路模塊集成在一集成電路晶片上，和探測器晶片互連，由外部驅動電路提供控制信號，可有效讀出弛豫鐵電探測器的信號。
文檔編號G01J5/14GK101806630SQ20101000493
公開日2010年8月18日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者丁俊民, 景為平, 李言謹, 王將, 顧勇, 魯華祥 申請人:南通大學