專利名稱：一種光存儲單元的倒空ctia讀出電路的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光存儲單元的倒空CTIA讀出 電路的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
光存儲技術(shù)是通過光學(xué)方法讀寫數(shù)據(jù)，光探測器檢測出光強和極化方向等 的變化，從而讀出存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。讀出電路(R0IC)的主要功能是對光電 器件中存儲、探測或攝像單元的微弱信號進(jìn)行預(yù)處理(如積分、放大、濾波、 采樣/保持等)并在信號處理級間提供接口。
經(jīng)特殊設(shè)計的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)受光激發(fā)，入射光子可轉(zhuǎn)變成空間分離的電 子-空穴對而被存儲相當(dāng)長的時間，隨后再通過施加偏壓驅(qū)使所存儲的電子和 空穴向器件的兩極移動，實現(xiàn)光信號讀出。 一種低維度量子點-量子阱混合結(jié) 構(gòu)的光存儲傳感器是通過反向偏壓使器件存儲電子和空穴，正向偏壓使光信號 讀出。這類器件正常工作時，需要給它提供正負(fù)偏壓控制信號，稱作倒空信號。
現(xiàn)有CTIA型讀出電路是一種通用的光電器件讀出電路，它本身并沒有根 據(jù)低維度量子點-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲傳感器的基本特性而良身定制，特 別是沒有提供倒空信號，它不能很好地讀出低維度量子點-量子阱混合結(jié)構(gòu)的 光存儲傳感器的光信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的 一種光存儲單元的倒空 CTIA讀出電路的設(shè)計方法，它通過對光存儲單元器件的電特性進(jìn)行精確測試， 得到器件的電特性方程，以此建立能正確反映器件特性的等效電路，然后根據(jù)200910049784.6
等效電路作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路，它能夠更好地讀出光存儲單元器件的 響應(yīng)信號，能為低維度量子點-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲傳感器提供倒空信號， 尤其方便集成設(shè)計，具有較強的實用性與可操作性。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 一種光存儲單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)
計方法，包括光存儲單元器件的電學(xué)特性測試、等效電路的建模，特點是將等
效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后
根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計，具體包括以下步驟
(一) 、光存儲單元器件的電學(xué)特性測試
由濾光片光功率為liiW，波長為633nm的氦氖激光器提供光照強度，在 室溫或低溫下對光存儲單元器件進(jìn)行電流一電壓特性(I一V)、電容一電壓特 性(C一V)的測試，并建立(I一V) 、 (C一V)的特性曲線。
(二) 、光存儲單元器件的等效電路建模 根據(jù)測試得到的電流一電壓特性以及電容一電壓特性，通過擬合分別得到
I與V之間以及C與V的函數(shù)關(guān)系，由此在等效電路模型中可以用一個或多個 電壓控制電流源來實現(xiàn)輸出電流為電壓的函數(shù)、用一個電容來實現(xiàn)電容為電壓 的函數(shù)、用一個電阻來實現(xiàn)阻抗為電壓的函數(shù)，從而得到簡化的準(zhǔn)確的光存儲 單元器件等效電路模型。
(三) 、CTIA讀出電路的建立
將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參 數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲單元器件匹配的具有增益可調(diào)的CTIA讀 出電路。CTIA讀出電路由電容d、 C2、 C。與選通開關(guān)K,、 1(2組成的積分電容構(gòu) 成，并通過積分電容調(diào)節(jié)增益，積分電容值由等效電路模型的輸出電流Id計而得，其中電容d、 G為可調(diào)電容，它分別與控制開關(guān)K,和K2串聯(lián)。 (四)、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計
在上述等效電路、CTIA讀出電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分 壓電路，電阻分壓電路由電阻R1、 R2串接而成，電阻R1為可變，它的一端接 復(fù)位脈沖信號RS，另一端接電阻R2，電阻R2的另一端接地；電阻R1、 R2共 同連接端與等效電路的輸入電阻Ri的正極連接；等效電路的輸出電阻Ro的正 極與CTIA讀出電路的積分運送器A的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號RS通過一個反 相器得到倒相的脈沖信號，該信號再經(jīng)過電阻分壓電路實現(xiàn)有效的倒空脈沖信 號，并作用于光存儲器件的公共端。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
1、 它能夠更好地讀出光存儲器件的響應(yīng)信號，能為低維度量子點-量子阱 混合結(jié)構(gòu)的光存儲傳感器件的信號讀出。
2、 倒空脈沖信號作用于器件公共端，V。。,4俞出的倒空脈沖對運放工作點影 響很小，確保運放具有穩(wěn)定的工作性能。
3、 將倒空信號經(jīng)過電阻分壓，可以得到不同電平幅度的脈沖信號，調(diào)節(jié) 分壓電阻可實現(xiàn)連續(xù)改變倒空脈沖幅度，使得新型光電器件工作在最佳工作 點。


圖1為光存儲單元器件電流一電壓曲線圖 圖2為光存儲單元器件電容一電壓曲線圖 圖3為光存儲單元器件偏壓[-3， l]電流一電壓曲線擬合圖 圖4為光存儲單元器件偏壓[1， 4]電流一電壓曲線擬合5為光存儲單元器件電容一電壓曲線擬合圖 圖6為光存儲單元器件等效電路圖 圖7為CTIA讀出電路圖 圖8為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖9為本發(fā)明的仿真結(jié)果圖
具體實施例方式
下面以一種量子點-量子阱結(jié)構(gòu)的光存儲傳感器的等效電路建模過程及讀 出電路設(shè)計的實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其具體步驟如下 實施例1
(一)、光存儲單元器件的電學(xué)特性測試
采用Keithley 4200—SCS為核心的光存儲器特性測試設(shè)備對光存儲單元器 件進(jìn)行電流一電壓特性(I一V)、電容一電壓特性(C —V)的測試，實現(xiàn)電腦 控制下的儀器自動掃描、采集和處理數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果圖形化。由于光存儲器 件對環(huán)境中的光和熱極其敏感，測試中使用了杜瓦瓶使測試結(jié)果更加精確，測 試中用波長為633nm的氦氖激光器與光功率為ltiW (未聚焦)的濾光片精確模擬 光存儲器件工作時的光照條件。測試溫度設(shè)為室溫(293K)，偏置電壓Vh^設(shè)置 在一3V至4V范圍，光存儲單元器件的(I一V)特性測試在4200帶前放 (Pre-Ampilfier) SMU模塊中完成。光存儲單元器件的暗電流及在波長633nm、 光功率為luW (未聚焦)時的響應(yīng)電流與偏置電壓(I一V)特性曲線見附圖l。
光存儲單元器件的(C一V)特性測試在4200的CVU模塊中完成，考慮到了測 試環(huán)境對測試電容在連接方面的補償(Connection Compensation)影響。運用 4200分析儀中的選項進(jìn)行補償分析，最后得到連接補償后的器件(C一V)特性，模型采用的是并聯(lián)模型(Parallel Model)。光存儲單元器件在lMHz頻率下的電 容與偏置電壓(C一V)特性曲線見附圖2。 (二)、光存儲單元器件的等效電路建模
a、 I-V特性曲線的擬合
參閱附圖1，根據(jù)光存儲單元器件(i-v)曲線的多拐點特性，采用分段擬 合再整合的方法進(jìn)行曲線擬合，分段點設(shè)在+ lV處，擬合采用Origin軟件。
參閱附圖3、附圖4，根據(jù)曲線擬合得到兩個函數(shù)關(guān)系I,X[l—K(V)]、 I2XK(V)。
參閱附圖6，在光存儲器等效電路中用兩個電壓控制電流源來實現(xiàn)擬合得 到兩個函數(shù)關(guān)系，即用兩個電壓控制電流源I,X[l—K(V)]、 LXK(V)實現(xiàn)不同 偏壓下的光電流輸出，即光存儲器等效電路模型中的電壓控制電流源部分(I)。
b、 C-V特性曲線的擬合
參閱附圖2，根據(jù)光存儲單元器件(C一V)特性曲線，直接用Origin軟件 進(jìn)行曲線的數(shù)值擬合，其曲線擬合結(jié)果參閱附圖5。
參閱附圖6，根據(jù)擬合后(C-V)的函數(shù)關(guān)系得到電容Cp，即光存儲器等
效電路模型中的電容部分(n)。
c、 等效電路的建模
根據(jù)CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的反饋原理，使得光存儲單元器件等效電路模型的 輸出電壓大小為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的參考電壓^,值，在5V單電源供電系統(tǒng)中，
K"/約為2. 5V;根據(jù)輸出電壓和輸出電路可以得到等效電路的輸出電阻Ro。
參閱附圖6，將上述得到的兩個電壓控制電流源I,X [1—K(V) ] 、 I2XK(V)、 電容Cp、輸出電阻Ro以及虛擬的輸入電阻Ri組合在一起便可得到簡化而精確的光存儲器等效電路模型，等效電路模型由電壓控制電流源部分(1)、電容部
分(n)、輸出電阻部分(in)、輸入電阻部分(iv)組成，其中輸入電阻部 分(iv)中的v為存儲單元器件的偏置電壓，用于控制(i)、 (n)、 (in)部 分的各電路參數(shù)。Ri是為了引入入射光而增加的虛擬輸入電阻，用來彌補輸入
端的完整性，可認(rèn)為與輸出阻抗量級不變，假定為10MQ。
(三) 、CTIA讀出電路的建立
參閱附圖7，將上述等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到 讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲單元器件匹配的CTIA 讀出電路。
根據(jù)CTIA讀出結(jié)構(gòu)的工作(積分)原理CmtxAr = /,x7;nl，對5V單電 源系統(tǒng)，考慮運放的輸出電壓范圍，zlZ—般定為2V， 7, ,積分時間是與測試電 路性能相關(guān)，由等效電路模型的輸出電流Id，計算得到匹配的積分電容值。為 了適應(yīng)不同偏壓范圍器件的輸出電流變化，避免CTIA讀出結(jié)構(gòu)輸出飽和，把 CTIA讀出結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有增益可調(diào)的CTIA單元，通過積分電容調(diào)節(jié)增益，參 閱附圖7，把電容C,、 C2、 C。與選通開關(guān)Id、 K2串聯(lián)來組成積分電容 Cmt=CQ+《.C1+《2.C2。這里的積分電容由三部分組成基準(zhǔn)電容C。，可調(diào)電 容C,和可調(diào)電容C2，其中電容C,和C2分別與控制開關(guān)K,和K2串聯(lián)。積分電容 為C,w =CQ+《.CI+《2.C2，這里K,、 fc分別對應(yīng)串聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)，開關(guān)閉合時 取值為l，斷開時取值為0， CTIA讀出部分是根據(jù)光存儲單元器件響應(yīng)電流變 化范圍而設(shè)計，并有增益可調(diào)積分功能。
(四) 、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計
參閱附圖8，在上述等效電路(B)、 CTIA讀出電路(D)的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分壓電路(E)。電阻分壓電路(E)由電阻R1、 R2串接而 成，電阻R1為可變，它的一端接復(fù)位脈沖信號RS，另一端接電阻R2，電阻R2 的另一端接地；電阻R1、 R2共同連接端與等效電路(B)的輸入電阻Ri正極連 接；等效電路(B)的輸出電阻Ro正極與CTIA讀出電路(D)的積分運送器A 的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號RS通過一個反相器得到倒相的脈沖信號，該信號 再經(jīng)過電阻分壓電路實現(xiàn)有效的倒空脈沖信號，并作用于光存儲單元器件的公 共端。復(fù)位信號RS運放的正向輸入端接參考電壓Vw，負(fù)向輸入端接光存儲單 元器件等效電路模型的輸出端，用于對光電流I4只分讀出。光存儲單元器件公 共端接公共電壓V。。 ，公共電壓通過倒空脈沖信號的分壓得到，調(diào)節(jié)分壓電阻 R,，可以改變倒空脈沖電壓信號幅度。器件上電極電壓V,—。,與公共端電壓V 之差就是器件的實際偏壓，V，是電壓幅度可調(diào)的倒空信號，則器件的實際偏 壓就是一個幅度可調(diào)的具有倒空特點的偏置電壓。
復(fù)位脈沖信號幅度為0-5V，設(shè)脈沖幅度電壓V,，那么調(diào)節(jié)分壓電阻可以 得到O-V,范圍的倒空電壓，CTIA的參考電壓U呆持恒定，那么器件反偏存 儲的偏置電壓為V^-V，；器件正偏讀出的偏置電壓仍為Vre,。如調(diào)節(jié)分壓電阻 得到倒空脈沖幅度為0-4V，參考電壓為2V,于是器件的反相偏置電壓為-2V， 器件正偏讀出的偏置電壓為2V。
參閱附圖9，本發(fā)明可以明顯看到有積分、2pS倒空脈沖信號和復(fù)位信號， 其中積分電容為2pF。
以上實施例只是對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，并非用以限制本發(fā)明專利，凡為 本發(fā)明等效實施，均應(yīng)包含于本發(fā)明專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光存儲單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)計方法，包括光存儲單元器件的電學(xué)特性測試、等效電路的建模，其特征在于將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計，具體包括以下步驟(一)、光存儲單元器件的電學(xué)特性測試由濾光片光功率為1μW，波長為633nm的氦氖激光器提供光照強度，在室溫或低溫下對光存儲器件進(jìn)行電流-電壓特性(I-V)、電容-電壓特性(C-V)的測試，并建立(I-V)、(C-V)的特性曲線；(二)、光存儲器件的等效電路建模根據(jù)測試得到的電流-電壓特性以及電容-電壓特性，通過擬合分別得到I與V之間以及C與V的函數(shù)關(guān)系，由此在等效電路模型中可以用一個或多個電壓控制電流源來實現(xiàn)輸出電流為電壓的函數(shù)、用一個電容來實現(xiàn)電容為電壓的函數(shù)、用一個電阻來實現(xiàn)阻抗為電壓的函數(shù)，從而得到簡化的準(zhǔn)確的光存儲單元器件等效電路模型；(三)、CTIA讀出電路的建立將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出與光存儲單元器件匹配的具有增益可調(diào)的CTIA讀出電路。CTIA讀出電路由電容C1、C2、C0與選通開關(guān)K1、K2組成的積分電容構(gòu)成，它通過積分電容調(diào)節(jié)增益，積分電容值由等效電路模型的輸出電流Id計算而得，其中電容C1、C2為可調(diào)電容，它分別與控制開關(guān)K1和K2串聯(lián)；(四)、具有倒空結(jié)構(gòu)的CTIA讀出電路的設(shè)計在上述等效電路、CTIA讀出電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)具有倒空結(jié)構(gòu)的電阻分壓電路，電阻分壓電路由電阻R1、R2串接而成，電阻R1為可變，它的一端接復(fù)位脈沖信號RS，另一端接電阻R2，電阻R2的另一端接地；電阻R1、R2共同連接端與等效電路的輸入電阻Ri的正極連接；等效電路的輸出電阻Ro的正極與CTIA讀出電路的積分運送器A的負(fù)極連接；復(fù)位脈沖信號RS通過一個反相器得到倒相的脈沖信號，該信號再經(jīng)過電阻分壓電路實現(xiàn)有效的倒空脈沖信號，并作用于光存儲器件的公共端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光存儲單元的倒空CTIA讀出電路的設(shè)計方法，包括光存儲單元器件的電學(xué)特性測試、等效電路的建模，特點是將等效電路模型作為CTIA型讀出結(jié)構(gòu)的輸入源，得到讀出電路的相應(yīng)參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)作出設(shè)有倒空結(jié)構(gòu)的讀出電路設(shè)計。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，精度高的優(yōu)點，能更好地讀出低維度量子點-量子阱混合結(jié)構(gòu)的光存儲器件的響應(yīng)信號，倒空脈沖對運放工作點影響很小，確保運放具有穩(wěn)定的工作性能和最佳工作點。
文檔編號G11C11/21GK101540197SQ20091004978
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者斌 徐, 李峻蔚, 詹國鐘, 鄭厚植, 郭方敏 申請人:華東師范大學(xué)