本發(fā)明屬于激光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于采集處理激光信號(hào)的焦平面芯片、像素單元和像素單元陣列。

背景技術(shù)：

測(cè)速測(cè)距相干激光雷達(dá)是激光雷達(dá)技術(shù)、相干探測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的綜合應(yīng)用之一，廣泛應(yīng)用在航空航天、目標(biāo)監(jiān)控、風(fēng)場(chǎng)測(cè)量等諸多領(lǐng)域，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，在用激光雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體尤其是行駛中的車(chē)輛進(jìn)行測(cè)速測(cè)距時(shí)，因路面行駛車(chē)輛多，若同時(shí)或分時(shí)發(fā)射激光信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)距離及速度，車(chē)輛之間存在很強(qiáng)的干擾性，容易造成測(cè)量不夠精準(zhǔn)的問(wèn)題。

另外，傳統(tǒng)的車(chē)載激光雷達(dá)探測(cè)器多數(shù)采用單點(diǎn)測(cè)試方式，其需要配置機(jī)械掃描裝置，掃描速度緩慢，圖像空間分辨率低。為了提高掃描速度需要選用焦平面芯片，但是由于現(xiàn)有焦平面芯片的封裝工藝絕大多數(shù)是將探測(cè)器陣列與讀出電路陣列分離為兩層，將探測(cè)器陣列置于芯片底層，其上一層為讀出電路的a/d轉(zhuǎn)換器及放大電路，二極管在接收光信號(hào)時(shí)先要透過(guò)二極管上層的讀出電路的線路層，由于光投射到線路層時(shí)容易發(fā)生光反射造成光損失，減少了二極管的受光量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上背景，為解決現(xiàn)有激光雷達(dá)測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量不夠精準(zhǔn)、掃描速度緩慢、圖像空間分辨率低問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于采集處理激光信號(hào)的焦平面芯片、像素單元及陣列。

本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是：

用于采集激光信號(hào)的像素單元，其特殊之處在于：包括光電二極管和與光電二極管負(fù)極端相連并集成于一體的采樣/處理電路；

所述采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、電容c3、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和帶通濾波電路；開(kāi)關(guān)s1的一端與光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與電容c3的一端相連，電容c3的另一端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與帶通濾波電路的輸入端相連，帶通濾波電路的輸出作為采樣/處理電路的輸出；開(kāi)關(guān)s2并聯(lián)在電容c3的兩端；電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2構(gòu)成；電阻r1和電容c1并聯(lián)設(shè)置，其一端均同時(shí)與運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端以及電容c3相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；電阻r2和電容c2并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端相連，另一端均接地；帶通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp2，阻容器件r3、r4、r5、r6、r7及c4、c5構(gòu)成；電阻r3的一端與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連，電阻r3的另一端通過(guò)電容c5接運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端，電阻r4的一端接地，電阻r4的另一端接電容c5和運(yùn)算放大器opamp2同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r5的一端接地，電阻r5的另一端分別接電阻r6的一端和運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端，電阻r6的另一端通過(guò)電阻r7接電阻r3和電容c5之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的一端接電容c5和r3之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的另一端接地；

或者

所述采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、高通濾波電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和低通濾波電路；開(kāi)關(guān)s1的一端與光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與高通濾波電路的輸入端相連，高通濾波電路的輸出端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與低通濾波電路的輸入端相連，低通濾波電路的輸出作為采樣-處理電路的輸出；高通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2、r3、r4構(gòu)成；電容c1的一端接開(kāi)關(guān)s1，電容c1的另一端接電容c2的一端，電容c2的另一端接運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端，電容c1的兩端并聯(lián)有所述開(kāi)關(guān)s2；電阻r1的一端接地，電阻r1的另一端同時(shí)接電阻r3的一端和運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端，電阻r3的另一端同時(shí)接電阻r2的一端和運(yùn)算放大器opamp1的輸出端，電阻r2的另一端接電容c1和c2之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r4的一端接電容c2和運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r4的另一端接地；

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器opamp2及阻容器件c3、c4、r5、r6構(gòu)成；電阻r5和電容c3并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp2的輸出端相連；電阻r6和電容c4并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端相連，另一端均接地；運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端還與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；低通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp3及阻容器件c5、c6、r7、r8、r9、r10構(gòu)成；電阻r7的一端接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器opamp2的輸出端，電阻r7的另一端通過(guò)電阻r9接運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端，電阻r8的一端接地，電阻r8的另一端同時(shí)接電阻r10的一端和運(yùn)算放大器opamp3的反向輸入端，電阻r10的另一端同時(shí)接運(yùn)算放大器opamp3的輸出端和電容c5的一端，電容c5的另一端接電阻r7和電阻r9之間的節(jié)點(diǎn)，電容c6的一端接電阻r9和運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電容c6的另一端接地。

本發(fā)明還提供了一種用于采集激光信號(hào)的像素單元陣列，其特殊之處在于：包括多個(gè)上述像素單元；所有像素單元相互獨(dú)立設(shè)置并且對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角。

進(jìn)一步地，所有像素單元集成在襯底上；所述襯底的底部設(shè)置有由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成的微透鏡陣列；每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管上。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種用于采集和處理激光信號(hào)的焦平面芯片，包括襯底以及集成在襯底上的像素單元陣列、互連金屬、金屬布線層、信號(hào)處理電路、時(shí)序控制電路和用于生成行選信號(hào)的行選模塊；其特殊之處在于：

像素單元陣列通過(guò)互連金屬與金屬布線層相連，金屬布線層通過(guò)數(shù)據(jù)列線與信號(hào)處理電路相連；

像素單元陣列由多個(gè)獨(dú)立的、對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角的像素單元構(gòu)成，每個(gè)像素單元均包括設(shè)置在襯底上的光電二極管和用于將光電二極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行濾波處理的采樣/處理電路；

信號(hào)處理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與采樣/處理電路的輸出端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端相連；數(shù)據(jù)輸出模塊包括用于生成列選信號(hào)的列選模塊；

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將采樣/處理電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；時(shí)序控制電路用于控制所述行選模塊和所述列選模塊工作；數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出通過(guò)所述行選模塊和列選模塊所確定的像素單元內(nèi)的數(shù)字信號(hào)；

所述采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、電容c3、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和帶通濾波電路；開(kāi)關(guān)s1的一端與光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與電容c3的一端相連，電容c3的另一端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與帶通濾波電路的輸入端相連，帶通濾波電路的輸出作為采樣/處理電路的輸出；開(kāi)關(guān)s2并聯(lián)在電容c3的兩端；電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2構(gòu)成；電阻r1和電容c1并聯(lián)設(shè)置，其一端均同時(shí)與運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端以及電容c3相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；電阻r2和電容c2并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端相連，另一端均接地；帶通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp2，阻容器件r3、r4、r5、r6、r7及c4、c5構(gòu)成；電阻r3的一端與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連，電阻r3的另一端通過(guò)電容c5接運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端，電阻r4的一端接地，電阻r4的另一端接電容c5和運(yùn)算放大器opamp2同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r5的一端接地，電阻r5的另一端分別接電阻r6的一端和運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端，電阻r6的另一端通過(guò)電阻r7接電阻r3和電容c5之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的一端接電容c5和電阻r3之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的另一端接地；

或者，

所述采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、高通濾波電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和低通濾波電路；開(kāi)關(guān)s1的一端與光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與高通濾波電路的輸入端相連，高通濾波電路的輸出端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與低通濾波電路的輸入端相連，低通濾波電路的輸出作為采樣-處理電路的輸出；開(kāi)關(guān)s2并聯(lián)在高通濾波電路中電容c1的兩端；高通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2、r3、r4構(gòu)成；電容c1的一端接開(kāi)關(guān)s1，電容c1的另一端接電容c2的一端，電容c2的另一端接運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端，電容c1的兩端并聯(lián)有開(kāi)關(guān)s2；電阻r1的一端接地，電阻r1的另一端同時(shí)接電阻r3的一端和運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端，電阻r3的另一端同時(shí)接電阻r2的一端和運(yùn)算放大器opamp1的輸出端，電阻r2的另一端接電容c1和c2之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r4的一端接在電容c2和運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端，電阻r4的另一端接地；電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器opamp2及阻容器件c3、c4、r5、r6構(gòu)成；電阻r5和電容c3并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp2的輸出端相連；電阻r6和電容c4并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端相連，另一端均接地；運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端還與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；低通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp3及阻容器件c5、c6、r7、r8、r9、r10構(gòu)成；電阻r7的一端接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器opamp2的輸出端，電阻r7的另一端通過(guò)電阻r9接運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端，電阻r8的一端接地，電阻r8的另一端同時(shí)接電阻r10的一端和運(yùn)算放大器opamp3的反向輸入端，電阻r10的另一端同時(shí)接運(yùn)算放大器opamp3的輸出端和電容c5的一端，電容c5的另一端接電阻r7和電阻r9之間的節(jié)點(diǎn)，電容c6的一端接電阻r9和運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電容c6的另一端接地。

進(jìn)一步地，上述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括斜波產(chǎn)生電路和多個(gè)比較器；斜波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波；比較器的數(shù)量等于像素單元陣列的列數(shù)，一個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一列像素單元；斜波產(chǎn)生電路的波形信號(hào)輸出端與每個(gè)比較器的其中一個(gè)輸入端均相連，每一列像素單元的采樣/處理電路所輸出的電壓信號(hào)均通過(guò)數(shù)據(jù)列線送入該列像素單元所對(duì)應(yīng)的比較器的另一個(gè)輸入端，所有比較器的輸出端均接數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端；

數(shù)據(jù)輸出模塊還包括nbit計(jì)數(shù)器、輸出緩沖模塊和多個(gè)存儲(chǔ)器；多個(gè)存儲(chǔ)器的輸入端分別與所述多個(gè)比較器的輸出端一一對(duì)應(yīng)相連，nbit計(jì)數(shù)器和列選模塊分別發(fā)送控制信號(hào)給所述多個(gè)存儲(chǔ)器的控制端，所述多個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端均通過(guò)數(shù)據(jù)總線與輸出緩沖模塊的輸入端相連，由輸出緩沖模塊的輸出端輸出數(shù)字信號(hào)。

進(jìn)一步地，上述襯底的底部設(shè)置有由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成的微透鏡陣列；每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管上。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采集精度高、噪聲濾除能力好，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用于激光測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)中能夠提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和抗干擾能力。

2、本發(fā)明采用像素單元陣列對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行面陣探測(cè)，像素單元陣列中的每個(gè)像素單元均對(duì)應(yīng)有完整的讀出電路，工作時(shí)，每個(gè)像素單元同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)探測(cè)的方式，極大地提高了測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)的掃描速度。

3、像素單元陣列的每個(gè)光電二極管經(jīng)過(guò)鏡頭對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角，圖像空間分辨率高。

4、像素單元陣列中的每個(gè)光電二極管與采樣/處理電路集成于一體，電路簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)的處理在一個(gè)小尺寸的芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

5、焦平面芯片采用背照式設(shè)計(jì)，其金屬布線層設(shè)置在光電二極管的底層，光電二極管可以直接與透光面接觸，減少了中間環(huán)節(jié)光線的損失，而且有效的減少了芯片厚度。

6、焦平面芯片的襯底底部設(shè)有微透鏡陣列，每個(gè)光電二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡，更有效將回波信號(hào)光匯聚在對(duì)應(yīng)的光電二極管上，減少了光電二極管之間多余的光線干擾。

7、采用本發(fā)明的焦平面芯片的激光測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)，避免了激光測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)對(duì)機(jī)械掃描裝置的依賴，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為焦平面芯片的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為焦平面芯片的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為焦平面芯片的側(cè)視剖面圖；

圖4為焦平面芯片的讀出電路及輸出接口系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為焦平面芯片的像素輸出布線圖；

圖6為本發(fā)明中焦平面芯片的讀出電路整體原理框圖；

圖7為焦平面芯片中采樣/處理電路一種實(shí)施方式的電路原理圖；

圖8為焦平面芯片中采樣/處理電路另一種實(shí)施方式的電路原理圖；

圖9為焦平面芯片的一維行選通模塊輸出示意圖；

圖10為焦平面芯片的二維行/列選通模塊輸出示意圖；

圖11為焦平面芯片中的采樣/處理電路的模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)時(shí)序控制圖；

圖12為焦平面芯片的尋址行使能選通開(kāi)關(guān)邏輯示意圖；

圖13為本發(fā)明的焦平面芯片的尋址列使能選通開(kāi)關(guān)邏輯示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

201-微透鏡陣列，202-襯底，203-器件有源區(qū)(外延層)，204-金屬布線層，205-互連金屬，206-像素單元陣列，2061-光電二極管，207-數(shù)據(jù)列線，208-數(shù)據(jù)總線，209-行選通地址線，210-采樣/處理電路，212-信號(hào)處理電路，222、224-n型摻雜層，225-p型摻雜層，226-陰極電極，227-陽(yáng)極電極，228-sio2隔離層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1至圖4，本發(fā)明所提供的焦平面芯片包括襯底202(材料為si)以及集成在襯底202上的像素單元陣列206、信號(hào)處理電路212、時(shí)序控制電路和行選模塊；像素單元陣列206通過(guò)互連金屬205(該互連金屬作為接觸用于實(shí)現(xiàn)器件與si襯底的連接)與金屬布線層204集成于一體，金屬布線層204通過(guò)數(shù)據(jù)列線207與信號(hào)處理電路212相連。

如圖1和2所示，金屬布線層204由多個(gè)金屬布線單元構(gòu)成，每個(gè)金屬布線單元分別對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元；每個(gè)金屬布線單元是由多層金屬層和多層介質(zhì)層構(gòu)成，在每層金屬層上均設(shè)有連接點(diǎn)，多層介質(zhì)層分別設(shè)置在相鄰兩層金屬層之間，介質(zhì)層的材料為sio2。

如圖2和圖3所示，襯底202底部還設(shè)置有與襯底202集成于一體的微透鏡陣列201，微透鏡陣列201由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成，每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管上，有利于光電二極管吸收光信號(hào)，該微透鏡陣列201有效提高了襯底表面透射率。

如圖3所示，襯底202頂部設(shè)有sio2隔離層228，在sio2隔離層228上設(shè)有多個(gè)用于內(nèi)嵌陰極電極226和陽(yáng)極電極227的孔，陰極電極226鑲嵌入襯底202中的接觸面處設(shè)有面積大于陰極電極226截面積的n型摻雜層224，陽(yáng)極電極227鑲嵌入襯底202中的接觸面處設(shè)有面積大于陽(yáng)極電極227截面積的p型摻雜層225。襯底202底部具有n型摻雜層222，微透鏡陣列201設(shè)置在n型摻雜層222底部。

像素單元陣列206由多個(gè)獨(dú)立的對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角的像素單元構(gòu)成，每個(gè)像素單元均包括用于吸收激光調(diào)制光的光電二極管2061；光電二極管2061設(shè)置在襯底202上，分布在襯底202與金屬布線層204之間的器件有源區(qū)(外延層)203。

采樣/處理電路

參見(jiàn)圖5和圖6，采樣/處理電路有多個(gè)，其與光電二極管2061一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)光電二極管2061的負(fù)極端均連接有一個(gè)采樣/處理電路210并集成于一體構(gòu)成一個(gè)像素單元。

本發(fā)明的采樣/處理電路可采用以下兩種結(jié)構(gòu)形式：

第一種形式(參見(jiàn)圖7)：

采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、電容c3、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和帶通濾波電路；開(kāi)關(guān)s1的一端與像素單元內(nèi)的光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與電容c3的一端相連，電容c3的另一端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與帶通濾波電路的輸入端相連，帶通濾波電路的輸出作為采樣/處理電路的輸出；開(kāi)關(guān)s2并聯(lián)在電容c3的兩端。

開(kāi)關(guān)s1和s2均為模擬開(kāi)關(guān)，用于控制像素單元內(nèi)像素的采樣；開(kāi)關(guān)s1閉合、s2斷開(kāi)時(shí)，被光電二極管吸收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電流信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)s1給電容c3充電；開(kāi)關(guān)s1斷開(kāi)、s2閉合時(shí)，電容c3放電，開(kāi)關(guān)s1、s2的控制信號(hào)由調(diào)諧的方波信號(hào)(該方波信號(hào)可來(lái)自于焦平面芯片外的主處理器)來(lái)控制，s1與s2的控制信號(hào)相反。

電容c3用于像素單元內(nèi)電荷積累和定時(shí)放電；

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將光電二極管吸收的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，它由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2構(gòu)成；電阻r1和電容c1并聯(lián)設(shè)置，其一端均同時(shí)與運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端以及電容c3相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；電阻r2和電容c2并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端相連，另一端均接地；本實(shí)施例中，運(yùn)算放大器opamp1采用低噪聲高精度運(yùn)算放大器，r1、r2選用阻值在兆歐量級(jí)、高精度金屬電阻，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路之后，轉(zhuǎn)換為幅度約為mv量級(jí)的電壓信號(hào)；

帶通濾波電路用于濾除電路中的諧波噪聲，使頻率在1mhz-100mhz之間的信號(hào)可以通過(guò)，它是由運(yùn)算放大器opamp2，阻容器件r3、r4、r5、r6及c4、c5構(gòu)成的二階有源濾波器；電阻r3的一端與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連，電阻r3的另一端通過(guò)電容c5接運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端，電阻r4的一端接地，電阻r4的另一端接電容c5和運(yùn)算放大器opamp2同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r5的一端接地，電阻r5的另一端分別接電阻r6的一端和運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端，電阻r6的另一端通過(guò)電阻r7接電阻r3和電容c5之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的一端接電容c5和電阻r3之間的節(jié)點(diǎn)，電容c4的另一端接地。本實(shí)施例中，運(yùn)算放大器opamp2采用低噪聲高精度運(yùn)算放大器，帶寬至少達(dá)到100mhz的兩倍，電阻r3、r4、r5、r6選用高精度金屬電阻。

第二種形式(參見(jiàn)圖8)：

采樣/處理電路包括開(kāi)關(guān)s1、s2、高通濾波電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和低通濾波電路；

開(kāi)關(guān)s1的一端與像素單元內(nèi)的光電二極管的負(fù)極端相連，開(kāi)關(guān)s1的另一端與高通濾波電路的輸入端相連，高通濾波電路的輸出端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與低通濾波電路的輸入端相連，低通濾波電路的輸出作為采樣-處理電路的輸出；開(kāi)關(guān)s2并聯(lián)在高通濾波電路中電容c1的兩端。

開(kāi)關(guān)s1和s2均為模擬開(kāi)關(guān)，用于控制像素單元內(nèi)像素的采樣；開(kāi)關(guān)s1閉合、s2斷開(kāi)時(shí)，被光電二極管吸收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電流信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)s1給電容c1充電；開(kāi)關(guān)s1斷開(kāi)、s2閉合時(shí)，電容c1放電，開(kāi)關(guān)s1、s2的控制信號(hào)由調(diào)諧的方波信號(hào)來(lái)控制，s1與s2的控制信號(hào)相反。

電容c1用于像素單元內(nèi)電荷積累和定時(shí)放電；

高通濾波電路用于濾除電路中的諧波噪聲，使頻率在1mhz-100mhz之間的信號(hào)可以通過(guò)，它是由運(yùn)算放大器opamp1及阻容器件c1、c2、r1、r2、r3、r4構(gòu)成二階有源濾波器；電容c1的一端接開(kāi)關(guān)s1，電容c1的另一端接電容c2的一端，電容c2的另一端接運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端，電容c1的兩端并聯(lián)有開(kāi)關(guān)s2；電阻r1的一端接地，電阻r1的另一端同時(shí)接電阻r3的一端和運(yùn)算放大器opamp1的反向輸入端，電阻r3的另一端同時(shí)接電阻r2的一端和運(yùn)算放大器opamp1的輸出端，電阻r2的另一端接電容c1和c2之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r4的一端接在電容c2和運(yùn)算放大器opamp1的同向輸入端之間的節(jié)點(diǎn)，電阻r4的另一端接地。

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，它由運(yùn)算放大器opamp2及阻容器件c3、c4、r5、r6構(gòu)成；電阻r5和電容c3并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端相連，另一端均與運(yùn)算放大器opamp2的輸出端相連；電阻r6和電容c4并聯(lián)設(shè)置，其一端均與運(yùn)算放大器opamp2的同向輸入端相連，另一端均接地；運(yùn)算放大器opamp2的反向輸入端還與運(yùn)算放大器opamp1的輸出端相連；

低通濾波電路由運(yùn)算放大器opamp3及阻容器件c5、c6、r7、r8、r9、r10構(gòu)成；電阻r7的一端接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器opamp2的輸出端，電阻r7的另一端通過(guò)電阻r9接運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端，電阻r8的一端接地，電阻r8的另一端同時(shí)接電阻r10的一端和運(yùn)算放大器opamp3的反向輸入端，電阻r10的另一端同時(shí)接運(yùn)算放大器opamp3的輸出端和電容c5的一端，電容c5的另一端接電阻r7和電阻r9之間的節(jié)點(diǎn)，電容c6的一端接在電阻r9和運(yùn)算放大器opamp3的同向輸入端之間，電容c6的另一端接地。

信號(hào)處理電路212

參見(jiàn)圖4，信號(hào)處理電路212包括與上述采樣/處理電路的輸出端相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連的數(shù)據(jù)輸出模塊。

參見(jiàn)圖6模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括斜波產(chǎn)生電路和多個(gè)比較器，比較器的數(shù)量等于像素單元陣列的列數(shù)，一個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一列像素單元；斜波產(chǎn)生電路的波形信號(hào)輸出端與每個(gè)比較器的其中一個(gè)輸入端均相連，每一列像素單元所對(duì)應(yīng)的采樣/處理電路所輸出的電壓信號(hào)均通過(guò)數(shù)據(jù)列線送入該列像素單元所對(duì)應(yīng)的比較器的另一個(gè)輸入端，所有比較器的輸出端均接數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端；

斜波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波，其輸出波形的設(shè)定節(jié)點(diǎn)電壓為vref，可用現(xiàn)有電路/單元實(shí)現(xiàn)；

數(shù)據(jù)輸出模塊包括nbit計(jì)數(shù)器、列選模塊、輸出緩沖模塊和多個(gè)存儲(chǔ)器；多個(gè)存儲(chǔ)器的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的多個(gè)比較器的輸出端一一對(duì)應(yīng)相連，nbit計(jì)數(shù)器和列選模塊分別發(fā)送控制信號(hào)給所有存儲(chǔ)器的控制端，所有存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端均通過(guò)數(shù)據(jù)總線與輸出緩沖模塊的輸入端相連，由輸出緩沖模塊的輸出端輸出用于計(jì)算距離、速度數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)。

需要說(shuō)明的是，也可在每個(gè)像素單元內(nèi)均設(shè)置一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出模塊，但這樣會(huì)使焦平面芯片的尺寸增大。

時(shí)序控制電路

時(shí)序控制電路用于控制焦平面芯片內(nèi)的行選模塊和讀出電路中數(shù)據(jù)輸出模塊中的列選模塊工作。

如圖12所示，焦平面芯片的行選模塊通過(guò)對(duì)行計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，可以得到行選信號(hào)，使能時(shí)間分別與行時(shí)鐘信號(hào)的周期相同；其中row_clk為行時(shí)鐘信號(hào)，圖12中1、2分別表示行選通開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，q<1>至q<n>分別表示1bit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)，nq<1>至nq<n>表示nbit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)。

如圖13所示，焦平面芯片的列選模塊通過(guò)對(duì)列計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，可以得到列選信號(hào)，使能時(shí)間分別與列時(shí)鐘信號(hào)的周期相同；其中col_clk為列時(shí)鐘信號(hào)，圖13中1、2分別表示列選通開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，q<1>至q<n>分別表示1bit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)，nq<1>至nq<n>表示nbit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)。

焦平面芯片的工作原理：

如圖5所示，每個(gè)像素單元均具有與行選模塊相連的行選通地址線209，該行選通地址線209分別連接焦平面芯片的用于控制每個(gè)像素單元的采樣/處理電路的數(shù)據(jù)輸出的尋址行使能選通開(kāi)關(guān)s3；

如圖6所示，像素單元陣列206中的采樣/處理電路積分結(jié)束后，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的斜波產(chǎn)生電路開(kāi)始工作，通過(guò)行選模塊給出的行選信號(hào)，選擇將某一行像素單元的采樣/處理電路的數(shù)據(jù)讀出；

每一列像素單元內(nèi)的電壓信號(hào)和斜波產(chǎn)生電路的輸出信號(hào)分別送入每一列所對(duì)應(yīng)的比較器的兩個(gè)輸入端，當(dāng)比較器的輸出端翻轉(zhuǎn)后，在該比較器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中存下當(dāng)前nbit計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值；

斜波產(chǎn)生電路工作截止后，通過(guò)數(shù)據(jù)輸出模塊中的列選模塊給出的列選信號(hào)，控制存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)依次讀取到數(shù)據(jù)總線上，然后通過(guò)數(shù)據(jù)輸出模塊中的輸出緩沖模塊將數(shù)據(jù)讀出到焦平面芯片外。