抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法
【專利摘要】一種抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，其創(chuàng)新在于：將運(yùn)算放大器的輸入端與一背景減去電容（4）的一端連接，背景減去電容的另一端與一信號(hào)發(fā)生器相連；所述信號(hào)發(fā)生器能周期性地輸出臺(tái)階電壓信號(hào)，單個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的持續(xù)時(shí)間記為減去過(guò)程，相鄰兩個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)之間的時(shí)間間隔記為非減去過(guò)程；所述減去過(guò)程與積分過(guò)程對(duì)應(yīng)，所述非減去過(guò)程與非積分過(guò)程對(duì)應(yīng)；非減去過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的幅值與前一個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的最終值相同；本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：可以明顯降低背景電流對(duì)CMOS焦平面讀出電路的影響，增大讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。
【專利說(shuō)明】抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CMOS焦平面讀出電路，尤其涉及一種抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]焦平面成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)控制、救災(zāi)搶險(xiǎn)、醫(yī)學(xué)影像等，其基本原理是:光電探測(cè)器產(chǎn)生的光生電流通過(guò)銦柱傳導(dǎo)至焦平面讀出電路，焦平面讀出電路對(duì)光生電流進(jìn)行處理后向外輸出形成影像。焦平面讀出電路主要有CCD與CMOS兩種類型，近年來(lái)，隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS焦平面讀出電路憑借其功耗低、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，已成為焦平面讀出電路的主要類型。
[0003]基于現(xiàn)有技術(shù)獲得的焦平面成像系統(tǒng)，由于受探測(cè)器溫度、環(huán)境溫度、輻射等多種因素影響，不可避免的存在較大的背景噪聲；對(duì)于讀出電路而言，需要在較小的單元面積下提高增益，因此通常采用較小的積分電容，而高背景電流將使得積分電容迅速飽和，導(dǎo)致微弱的光生電流信號(hào)不能被讀出；同時(shí)，背景電流大大增加了讀出電路的噪聲，增大了讀出電路的非線性和非均勻性，降低了其動(dòng)態(tài)范圍。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，典型的背景抑制方法多采用電流鏡或MOS管分流電路，在積分過(guò)程中連續(xù)或者周期性的打開(kāi)背景減去電路，對(duì)背景電荷進(jìn)行分流，從而減去背景噪聲；但現(xiàn)有方法普遍存在MOS管漏電、非線性、失配等缺點(diǎn)，很難精確控制，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)讀出電路采樣單元陣列的線性度以及均勻性降低；
[0005]發(fā)明人之前曾提出過(guò)一件名為《CTIA型CMOS焦平面讀出電路及測(cè)試方法》(申請(qǐng)?zhí)?201310401045)的發(fā)明專利申請(qǐng)，本發(fā)明是在前述專利申請(qǐng)技術(shù)的基礎(chǔ)上所作的進(jìn)一步挖掘。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)【背景技術(shù)】中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采樣單元；所述CTIA型采樣單元由運(yùn)算放大器、積分電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)組成，所述積分電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)并聯(lián)在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，運(yùn)算放大器的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與光電探測(cè)器相連；CTIA型采樣單元工作時(shí)，運(yùn)算放大器周期性地對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理，單次積分處理的時(shí)域區(qū)間記為積分過(guò)程，相鄰兩個(gè)積分過(guò)程之間的時(shí)間間隔記為非積分過(guò)程；其創(chuàng)新在于:所述運(yùn)算放大器的輸入端與一背景減去電容的一端連接，背景減去電容的另一端與一信號(hào)發(fā)生器相連；所述信號(hào)發(fā)生器能周期性地輸出臺(tái)階電壓信號(hào)，單個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的持續(xù)時(shí)間記為減去過(guò)程，相鄰兩個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)之間的時(shí)間間隔記為非減去過(guò)程；所述減去過(guò)程與積分過(guò)程對(duì)應(yīng)，所述非減去過(guò)程與非積分過(guò)程對(duì)應(yīng)；非減去過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的幅值與前一個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的最終值相同；所述臺(tái)階電壓信號(hào)和背景減去電容滿足如下關(guān)系:
[_7] IbackXt1 = CbX AV
[0008]其中，ibadt為背景電流的電流值山為臺(tái)階電壓信號(hào)中單個(gè)臺(tái)階的持續(xù)時(shí)間；Cb為背景減去電容的電容值；AV為臺(tái)階電壓信號(hào)中相鄰兩個(gè)臺(tái)階之間的電壓差。
[0009]本發(fā)明的原理是:焦平面成像系統(tǒng)工作時(shí)，由背景噪聲導(dǎo)致的背景電荷會(huì)與光生電荷一起，通過(guò)導(dǎo)線到達(dá)并貯存在CTIA型采樣單元上積分電容的兩端，由于積分電容容量較小，背景電荷和光生電荷使積分電容迅速飽和，積分電容上堆積的電荷只有在單次積分過(guò)程完成后，才能在復(fù)位開(kāi)關(guān)的作用下被清除，這就導(dǎo)致積分過(guò)程中，微弱的光生電流信號(hào)因積分電容飽和而無(wú)法被讀出；采用本發(fā)明的方案后，運(yùn)算放大器進(jìn)入積分過(guò)程時(shí)，信號(hào)發(fā)生器也同步進(jìn)入減去過(guò)程，信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)會(huì)使背景減去電容兩端的電壓差增大，由于背景減去電容的電容值相對(duì)恒定，背景減去電容兩端就需要新增更多的電荷來(lái)維持這個(gè)電壓差，從而使得貯存在積分電容兩端的背景電荷轉(zhuǎn)移至背景減去電容上，這就避免了因背景電荷堆積在積分電容上而導(dǎo)致的積分電容迅速飽和問(wèn)題，使得微弱的光生電流信號(hào)也可以被讀出；前述原理在實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要考慮如下兩個(gè)問(wèn)題，其一，積分過(guò)程中，背景減去電容兩端的電壓差不能過(guò)大，如果過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致光生電荷也被吸引到背景減去電容上，影響信號(hào)正常讀出，其二，積分過(guò)程中，由于背景電荷會(huì)不斷產(chǎn)生，如果信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)為定值，則背景減去電容也會(huì)出現(xiàn)飽和，使其無(wú)法吸引新產(chǎn)生的背景電荷，因此需要不斷提高信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓幅值來(lái)維持背景減去電容兩端的電壓差始終維持在一恒定的增長(zhǎng)率，為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，發(fā)明人進(jìn)行了深入探索，并找到了如下解決手段:即通過(guò)施加臺(tái)階電壓信號(hào)的方式來(lái)使背景減去電容兩端電壓差增長(zhǎng)率始終維持在合理水平；其原理是，基于現(xiàn)有理論可知，只要器件的各種參數(shù)為已知，我們就能計(jì)算出其背景電流大小，根據(jù)設(shè)計(jì)的積分時(shí)長(zhǎng)，我們就能計(jì)算出積分時(shí)長(zhǎng)內(nèi)由背景電流所產(chǎn)生的背景電荷數(shù)量，用作背景減去電容的電容版圖一旦確定，其電容值也就固定了，為了減去背景電荷，只要使AV和Cb滿足IbadiXt1 = CbX AV的關(guān)系，就能使背景電荷被不斷的吸引至背景減去電容上，而積分電容上僅有光生電荷堆積。
[0010]優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)生器采用斜坡信號(hào)發(fā)生器。
[0011]為了提高控制精度，本發(fā)明還提出了如下的優(yōu)選方案:所述斜坡信號(hào)發(fā)生器輸出與臺(tái)階電壓信號(hào)等效的斜坡電壓信號(hào)。斜坡電壓信號(hào)實(shí)際上就是將臺(tái)階電壓信號(hào)上的臺(tái)階間隔無(wú)限縮小之后的極限情況，采用斜坡電壓信號(hào)后，可以進(jìn)一步提高背景減去操作的精確性。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明的方案可以適用于P-on-N型探測(cè)器或N-on-P型探測(cè)器。
[0013]基于P-on-N型探測(cè)器和N-on-P型探測(cè)器工作原理的差異性，本發(fā)明也需作如下適應(yīng)性調(diào)整:所述光電探測(cè)器為P-on-N型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為下行臺(tái)階；所述光電探測(cè)器為N-on-P型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為上行臺(tái)階。
[0014]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:可以明顯降低背景電流對(duì)CMOS焦平面讀出電路的影響，增大讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1、本發(fā)明的電氣原理示意圖；
[0016]圖2、本發(fā)明與P-on-N型探測(cè)器結(jié)合時(shí)，采樣單元關(guān)鍵電壓變化示意圖一；(此時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)為臺(tái)階電壓信號(hào)，圖中，Vb為信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，Vref為運(yùn)算放大器參考電壓，Vott為運(yùn)算放大器輸出信號(hào)，AV，為AV作用下運(yùn)算放大器的輸出復(fù)位量，Vtl為運(yùn)算放大器最終輸出的光生信號(hào)，h為臺(tái)階電壓信號(hào)中單個(gè)臺(tái)階的持續(xù)時(shí)間，12為積分過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)，t3為未進(jìn)行背景補(bǔ)償時(shí)電路快速達(dá)到飽和的近似時(shí)間)
[0017]圖3、本發(fā)明與P-on-N型探測(cè)器結(jié)合時(shí)，采樣單元關(guān)鍵電壓變化示意圖二(此時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)為斜坡電壓信號(hào)；圖中的nAV意義為:用斜坡電壓信號(hào)等效臺(tái)階電壓信號(hào)后，實(shí)際上就是將臺(tái)階電壓信號(hào)上的臺(tái)階間隔無(wú)限縮小，斜坡電壓信號(hào)的啟始電壓和結(jié)束電壓之間的差值實(shí)際上就是由η個(gè)無(wú)限縮小后的ΛV的和)；
[0018]圖4、本發(fā)明與N-on-P型探測(cè)器結(jié)合時(shí)，采樣單元關(guān)鍵電壓變化示意圖；
[0019]圖中各個(gè)標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱分別為:運(yùn)算放大器1、積分電容2、復(fù)位開(kāi)關(guān)3、背景減去電容4、信號(hào)發(fā)生器5、光電探測(cè)器6。

【具體實(shí)施方式】
[0020]一種抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采樣單元；所述CTIA型采樣單元由運(yùn)算放大器1、積分電容2和復(fù)位開(kāi)關(guān)3組成，所述積分電容2和復(fù)位開(kāi)關(guān)3并聯(lián)在運(yùn)算放大器I的輸入端和輸出端之間，運(yùn)算放大器I的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與光電探測(cè)器相連；CTIA型采樣單元工作時(shí)，運(yùn)算放大器I周期性地對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理，單次積分處理的時(shí)域區(qū)間記為積分過(guò)程，相鄰兩個(gè)積分過(guò)程之間的時(shí)間間隔記為非積分過(guò)程；其創(chuàng)新在于:所述運(yùn)算放大器I的輸入端與一背景減去電容4的一端連接，背景減去電容4的另一端與一信號(hào)發(fā)生器5相連；所述信號(hào)發(fā)生器5能周期性地輸出臺(tái)階電壓信號(hào)，單個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的持續(xù)時(shí)間記為減去過(guò)程，相鄰兩個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)之間的時(shí)間間隔記為非減去過(guò)程；所述減去過(guò)程與積分過(guò)程對(duì)應(yīng)，所述非減去過(guò)程與非積分過(guò)程對(duì)應(yīng)；非減去過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器5輸出信號(hào)的幅值與前一個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的最終值相同；所述臺(tái)階電壓信號(hào)和背景減去電容4滿足如下關(guān)系:
_] IbackXt1 = CbX AV
[0022]其中，ibadt為背景電流的電流值山為臺(tái)階電壓信號(hào)中單個(gè)臺(tái)階的持續(xù)時(shí)間；Cb為背景減去電容4的電容值；Λ V為臺(tái)階電壓信號(hào)中相鄰兩個(gè)臺(tái)階之間的電壓差。
[0023]進(jìn)一步地，所述信號(hào)發(fā)生器5采用斜坡信號(hào)發(fā)生器。
[0024]進(jìn)一步地，所述斜坡信號(hào)發(fā)生器輸出與臺(tái)階電壓信號(hào)等效的斜坡電壓信號(hào)。
[0025]進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器為P-on-N型探測(cè)器或N-on-P型探測(cè)器。
[0026]進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器為P-on-N型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為下行臺(tái)階；所述光電探測(cè)器為N-on-P型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為上行臺(tái)階。
【權(quán)利要求】
1.一種抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，所涉及的硬件包括CTIA型采樣單元；所述CTIA型采樣單元由運(yùn)算放大器(I)、積分電容(2)和復(fù)位開(kāi)關(guān)(3)組成，所述積分電容(2)和復(fù)位開(kāi)關(guān)(3)并聯(lián)在運(yùn)算放大器(I)的輸入端和輸出端之間，運(yùn)算放大器(I)的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與光電探測(cè)器相連；CTIA型采樣單元工作時(shí)，運(yùn)算放大器(I)周期性地對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理，單次積分處理的時(shí)域區(qū)間記為積分過(guò)程，相鄰兩個(gè)積分過(guò)程之間的時(shí)間間隔記為非積分過(guò)程；其特征在于:所述運(yùn)算放大器(I)的輸入端與一背景減去電容(4)的一端連接，背景減去電容(4)的另一端與一信號(hào)發(fā)生器(5)相連；所述信號(hào)發(fā)生器(5)能周期性地輸出臺(tái)階電壓信號(hào)，單個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的持續(xù)時(shí)間記為減去過(guò)程，相鄰兩個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)之間的時(shí)間間隔記為非減去過(guò)程；所述減去過(guò)程與積分過(guò)程對(duì)應(yīng)，所述非減去過(guò)程與非積分過(guò)程對(duì)應(yīng)；非減去過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器(5)輸出信號(hào)的幅值與前一個(gè)臺(tái)階電壓信號(hào)的最終值相同；所述臺(tái)階電壓信號(hào)和背景減去電容(4)滿足如下關(guān)系: HackXt1 = CbXAV 其中，ibac；k為背景電流的電流值山為臺(tái)階電壓信號(hào)中單個(gè)臺(tái)階的持續(xù)時(shí)間；Cb為背景減去電容⑷的電容值；為臺(tái)階電壓信號(hào)中相鄰兩個(gè)臺(tái)階之間的電壓差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，其特征在于:所述信號(hào)發(fā)生器(5)采用斜坡信號(hào)發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，其特征在于:所述斜坡信號(hào)發(fā)生器輸出與臺(tái)階電壓信號(hào)等效的斜坡電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，其特征在于:所述光電探測(cè)器為P-on-N型探測(cè)器或N-on-P型探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抑制焦平面探測(cè)器背景電流的方法，其特征在于:所述光電探測(cè)器為P-on-N型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為下行臺(tái)階；所述光電探測(cè)器為N-on-P型探測(cè)器時(shí)，所述臺(tái)階電壓信號(hào)為上行臺(tái)階。
【文檔編號(hào)】G01J5/06GK104266761SQ201410540183
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】劉昌舉, 李毅強(qiáng), 張靖, 祝曉笑, 鄧光平, 吳治軍, 李明, 任思偉, 劉業(yè)琦, 李夢(mèng)萄 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所