一種基于弛豫鐵電單晶熱釋電探測器的雙級讀出電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及探測器讀出電路，尤其設及一種弛豫鐵電單晶熱釋電探測器的雙級讀 出電路。
【背景技術】
[0002] 弛豫鐵電單晶類材料是一種具有優(yōu)異的熱釋電綜合性能新型熱釋電材料，有非常 高的熱釋電系數(shù)、比較低的熱擴散系數(shù)、比較穩(wěn)定的化學性能，易提高橫向分辨率，易加工 減薄，可降低晶體元件的厚度，可W提高探測能力和分辨率。然而由于鐵電材料紅外器件探 測信號大小依賴于靈敏元的面積，隨著焦平面探測器件分辨率提高，面元越來越小，熱釋電 電流越來越弱，對其檢測技術就成為限制該類器件應用的關鍵所在。
[0003] 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(chǎn) 生的光電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并且進行信號的預處理（如積分、放大、濾波、采樣/保持 等），最后將成千上萬個由探測器產(chǎn)生的信號按序輸出。
[0004] 現(xiàn)有的熱釋電探測器讀出電路一般采用S抑（源隨器型）結(jié)構(gòu)和單級CTIA(電容 反饋互導）結(jié)構(gòu)。SFD(源隨器型）結(jié)構(gòu)的探測器偏壓由復位電平?jīng)Q定，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，而且在中、高背景下，有輸出信號非線性嚴重 的問題。單級CTIA(電容反饋互導）結(jié)構(gòu)在有限的積分時間內(nèi)實現(xiàn)小信號的放大，主要通 過減小積分電容實現(xiàn)，但過小的積分電容帶來較大的KTC噪聲，使信號被噪聲淹沒，難W進 行信號處理。 陽0化]本發(fā)明要解決的技術問題就是為大規(guī)模多元小面積靈敏元熱釋電焦平面，提供一 種低噪聲、輸出線性、高增益等特點的一體化集成微弱信號讀出電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的是針對現(xiàn)有熱釋電探測器讀出電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)弛豫鐵電單晶小面積靈敏元中微弱熱釋電信號的 放大輸出，同時具有高信噪比、輸出線性的特點。
[0007] 上述目的通過下述的技術方案來實現(xiàn)：
[0008] 包括將弛豫鐵電熱釋電探測器的輸出電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的第一級CTIA(電容反饋互導）輸入級模塊；抑制外界噪聲的開關電容低通濾波器模塊；進行信號采 樣W及多路選通及輸出的采樣輸出電路模塊。
[0009] 上述模塊集成在一集成電路忍片上。
[0010] 所述第一級CTIA(電容反饋互導）輸入級電路模塊由運算放大器0PA1和積分電 容Cmtl、開關復位管心ti和組成，積分電容C1M1、開關復位管心tl分別與運算放大器0PA1 的負輸入端和輸出端連接，運算放大器0PA1負輸入端連接探測器，正輸入端連接參考電壓 Vw，根據(jù)放大器的虛地原理，探測器連接運算放大器0PA1負輸入端電壓近乎等于Vfw，則探 測器的偏壓由Vf。:與探測器另一端的電壓控制，工作過程中幾乎不會發(fā)生變化。 1] 所述開關電容低通濾波器模塊由MOS管Ml、M2、電容Cl和C2組成，MOS管M1、M2和 電容。構(gòu)成一個等效電阻，其等效電阻的值與M1、M2的控制時鐘頻率和電容C1大小有關， 與C2構(gòu)成一個RC低通濾波器，在工作時調(diào)節(jié)外部時鐘的頻率可W改變低通濾波器的帶寬。
[0012] 所述第二級CTIA(電容反饋互導）放大電路模塊由運算放大器0PA2、電容。。12、 C。、開關復位管Mfgt2組成，電容C。與運算放大器0PA2的負輸入端連接，電容Cmt2、開關復位 管心t2分別與運算放大器0PA2的負輸入端和輸出端連接，開關復位管M"t2負責積分電容 的復位，當復位開關斷開時，由電容Cmt2、C。和運放組成一個電容比例反相放大器，對信號進 行放大輸出。
[0013] 所述采樣輸出電路模塊包括采樣保持電路和多路傳輸電路模塊，采樣電路由采樣 電容Cgh和CMOS開關管組成，多路傳輸輸出電路模塊包括選通CMOS開關管、移位寄存器、單 位增益跟隨器0PA3,移位寄存器依次選通各個通道，信號逐次輸出，達到讀出信號的目的。
[0014] 所述移位寄存器由D觸發(fā)器依次串聯(lián)構(gòu)成，由輸入信號D端輸入，Q端輸出到下一 級，實現(xiàn)逐次導通開關的目的。
[0015] 本發(fā)明將弛豫鐵電探測器的輸出電流信號通過第一級CTIA輸入級電路模塊轉(zhuǎn)化 為電壓信號，開關電容低通濾波器可W有效抑制外界噪聲，并通過二級CTIA放大電路將信 號進行放大輸出，采樣輸出電路進行信號采樣，將各個通道逐次導通輸出信號。本發(fā)明的電 路模塊集成在一集成電路忍片上，和探測器忍片互連，由外部驅(qū)動電路提供控制信號，并通 過調(diào)節(jié)外部時鐘頻率控制開關電容低通濾波器帶寬，對外界噪聲進行抑制，二級CTIA放大 電路對信號進一步放大，提高輸出信號信噪比，為大規(guī)模多元小面積靈敏元熱釋電焦平面， 提供了一種具有低噪聲、輸出線性、高增益等特點的一體化集成微弱信號讀出電路。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有熱釋電探測器讀出電路相比具有W下優(yōu)點： 陽017] 1、在第一級CTIA輸入級電路和二級CTIA放大電路之間加入開關電容低通濾波 器，對外部噪聲進行抑制，提高了電路的信噪比，同時通過調(diào)節(jié)外部時鐘頻率改變低通濾波 器的帶寬，便于電路工作于不同頻率。
[0018] 2、第二級CTIA放大電路在工作時，構(gòu)成了電容比例反相放大器，對輸入信號進一 步放大，相比于常用的電阻比例反相放大器，電容在版圖設計上占用的面積較小，便于在大 規(guī)模的集成電路中進行設計。
[0019] 3、探測器電流在第一級CTIA輸入級電路的反饋電容上積分，其增益大小由積分 電容確定，它可W提供很低的探測器輸入阻抗。從很低到很高的背景范圍內(nèi)，都具有非常低 的噪聲。
[0020] 4、輸出級電路中使用單位增益緩沖器作為讀出電路的輸出級，相比于源隨器，具 有最好的輸出線性。
【附圖說明】
[0021] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實施例并結(jié)合附圖， 對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中：
[0022] 圖1是本發(fā)明模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2是第一級CTIA(電容反饋互導）輸入級電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3是開關電容低通濾波器單元模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[00巧]圖4是第二級CTIA(電容反饋互導）放大電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[00%]圖5是采樣輸出電路模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖6讀出電路控制信號的波形圖。
【具體實施方式】
[002引下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0029] 本發(fā)明電路模塊如圖1所示，主要由第一級CTIA(電容反饋互導）輸入級電路模 塊、開關電容低通濾波器模塊、采樣輸出電路模塊組成，上述模塊集成在一集成電路忍片 上。第一級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(zhuǎn)化 為電壓信號，并傳送至開關電容低通濾波器模塊，進行降噪處理，第二級CTIA放大電路對 信號進一步放大，經(jīng)采樣輸出電路模塊采樣保持后，將各個通道逐次導通輸出。
[0030] 第一級CTIA(電容反饋互導）輸入級電路模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由運算放 大器0PA1和積分電容Chti、開關復位管M"ti組成，積分電容Chti、開關復位管M"ti分別與運 算放大器的負輸入端和輸出端連接，開關復位管M"ti負責積分電容的復位。
[0031] 本發(fā)明中的開關電容低通濾波器模塊如圖3所示，由M0S管Ml和M2、電容。和C2