專利名稱：一種增益自動可調放大器讀出電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電路設計技術領域，尤其是一種增益自動可調放大器讀出電路。
背景技術：
在交通管理、保安監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、空間觀測和軍事偵察等眾多領域中， 人們對固態(tài)圖像傳感器的需求正在強勁增長。實際應用中對圖像傳感器要求的指標很多， 最主要的有響應光譜、動態(tài)范圍，靈敏度、信噪比、分辨率等，其中探測器的類型決定了響應光譜，像素大小和間距決定了分辨率，其它指標則很大程度上由讀出電路決定。讀出電路 (ROIC)作為探測器信號調理和輸出部分，對探測器組件的性能起著至關重要的作用，讀出電路在光電探測器中的主要功能是對探測器微弱信號進行預處理(如積分、放大、濾波、采樣/保持等)并在信號處理級間提供一個接口。而讀出電路的結構對讀出電路的性能起著決定性作用，因此設計一個具有高性能的讀出電路是最為關鍵的。然而，在實際應用中，經(jīng)常要對照度分布范圍很大的場景成像，這就對圖像傳感器的動態(tài)范圍、靈敏度和信噪比提出了苛刻的要求。傳統(tǒng)圖像傳感器的動態(tài)范圍的典型值是60dB 70dB甚至更低，而需要成像的場景的光照范圍往往很容易超出這個范圍，為了對場景中的明亮部分和較暗的區(qū)域同時成像且不丟失細節(jié)就需要擴展讀出電路的動態(tài)范圍和靈敏度。擴展動態(tài)范圍，提高靈敏度和信噪比的方案很多，主要的一條途徑是通過在信號讀出的過程中根據(jù)探測器輸出信號的大小改變列放大器的增益，與增益固定的讀出電路相比這種方法的關鍵就是如何根據(jù)探測器的輸出信號改變放大器的增益。對于現(xiàn)有技術的光電探測器和固態(tài)圖像傳感器讀出電路，處理微弱光電流的積分電容大小是固定的，當采用小積分電容時，讀出電路的靈敏度和信噪比較高，但是動態(tài)范圍減小，而采用大積分電容時，可以增加電荷容量，從而增加了動態(tài)范圍，但是信噪比和靈敏度都會減小，導致電路對小電流的分辨能力下降，丟失了成像場景中較暗區(qū)域的細節(jié)。專利公開號CN101540197A的一種光存儲單元的倒空CTIA讀出電路的設計方法， 提出了一種增益可調的CTIA讀出結構，該結構可以在測試過程中是人為控制開關選通得到不同的積分電容，從而能在不同的偏置電壓下得到比較理想的輸出結果。但是，這種電路結構，需要先發(fā)現(xiàn)輸出電壓達到飽和點，然后人為控制開關把積分電容并上，從而改變輸出結果。這種結構的主要不足是人為觀察實驗結果會有誤差，很難做到既保證讀出的動態(tài)范圍較大又保證靈敏度較高，導致實驗結果的不精確。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供的一種增益自動可調放大器讀出電路，它通過探測器輸出信號的大小自動調節(jié)積分電容，實現(xiàn)對光電探測器微弱信號的自動放大增益，提高靈敏度和信噪比以及大動態(tài)范圍的讀出，并可根據(jù)需要采用不同的方法自動設定，確保圖像質量。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種增益自動可調放大器讀出電路，包括由光存儲單元器件的電學特性建立的等效電路模型，以該模型作為電容反饋互導放大器的輸入源，得到讀出電路的相應參數(shù)，然后作出與光存儲單元器件匹配的由積分電容復位電路和增益調節(jié)積分電路構成的電容反饋互導放大器讀出電路，增益調節(jié)積分電路由運放器OPp 積分電容CpC^C3和選通開關Ki、K2、K3組成，選通開關K3與積分電容C3串接為第一分路， 選通開關K2與積分電容C2串接為第二分路，第一分路、第二分路、選通開關K1和積分電容 C1并接后分別與運放器OP1的反相輸入、輸出端連接，選通開關K1的正、負控制端分別與反相器I5的輸入、輸出端連接，運放器OP1輸出端與接地電容Ctl連接，運放器OP1同相輸入端接B偏置電壓；積分電容復位電路由選通開關K4、K5組成，選通開關K4、K5輸入端并接后與 A偏置電壓連接，其輸出端分別與積分電容C3、C2的正極連接，其特征在于該讀出電路上設有自動選通不同電容的增益控制電路，增益控制電路以增益調節(jié)積分電路中積分電容的積分電壓與設定的積分電壓閾值相比后自動選通不同的電容，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調，增益控制電路由運放器OP2、比較器Comp、反相器Ip I2、I3、I4和觸發(fā)器DpD2組成，反相器I1輸入端與選通開關K3正控制端和觸發(fā)器D2的Q端并接，其輸出端與選通開關K4的正控制端連接；反相器I2輸入端與選通開關K3負控制端和觸發(fā)器A的Q-端并接，其輸出端與選通開關K4的負控制端連接；反相器I3輸入端與選通開關K2正控制端和觸發(fā)器D1的Q端、觸發(fā)器&的D端并接，其輸出端與選通開關K5的正控制端連接；反相器I4輸入端與選通開關K2負控制端和觸發(fā)器D1的Q_端并接，其輸出端與選通開關K5的負控制端連接；運放器OP2反相輸入端串接電阻&后與其輸出端和比較器 Comp反相輸入端并接，運放器OP2反相輸入端與接地電阻R1連接，運放器OP2同相輸入端與接地電容Ctl連接；比較器Comp同相輸入端接C偏置電壓，其輸出端與觸發(fā)器Dp D2的輸入端并接，觸發(fā)器D1的D端接直流電源，反相器I5輸出端與觸發(fā)器D” D2的清零端并接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點和積極效果
1、動態(tài)范圍提高了10倍以上，方便讀出電路模擬輸出信號與增益因子信號設定，同時讀出電路增益起到部分A/D轉換的功能；
2、可以自動選通實現(xiàn)三種不同積分電容的組合，降低干擾和噪聲，有效防止控制電路誤動作，信噪比和靈敏度得到明顯改善，尤其輸出信號可以根據(jù)需要采用不同的方法自動設定，確保圖像質量；
3、每路增益控制電路的增益因子信號用三態(tài)門控制輸出，使得觸發(fā)器接收觸發(fā)脈沖 (一態(tài))，輸出控制信號，經(jīng)反相器分兩路輸出到選通開關(二態(tài)與三態(tài))，控制放大器增益變化。讀出電路增益和每路的增益因子在水平掃描電路的控制下同步輸出，可以實現(xiàn)自動增益可調功能。


圖1為本發(fā)明結構示意圖； 圖2為本發(fā)明積分曲線圖3為比較器電路圖； 圖4為本發(fā)明輸入不同電流的仿真效果圖； 圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有技術對比效果圖； 圖6為本發(fā)明與現(xiàn)有技術的信號處理對比效果圖。
具體實施例方式下面以讀出電路設計的實施例，對本發(fā)明作進一步說明，其具體步驟如下 (一)、光電探測器讀出電路的性能參數(shù)分析
圖像傳感器大體可以分為兩部分探測器陣列和讀出電路，探測器把光輻射轉換成電流信號，讀出電路把微弱的電信號積分、放大、采樣保持和串并轉換輸出，一般動態(tài)范圍，靈敏度、信噪比這些指標很大程度上由讀出電路決定。圖像傳感器的動態(tài)范圍定義為最大不飽和電流和最小可探測電流之比，其中最小電流定義為無光照條件下的噪聲變化。假設探測器的響應電流可以表示為 ‘..H和/‘，則動態(tài)范圍定義為式(1)
上式(1)表明，減小噪聲電子數(shù)和增大最大電荷容量可以改進讀出電路的動態(tài)范圍。
靈敏度定義為單位曝光量條件下器件的輸出信號電壓，即式(2)
上式(2)中，V。讀出電路輸出的信號電壓，Hv是探測器單元接受到的曝光量， CL χ,:,.,。由定義可知，減小積分電容可以提高靈敏度，但是減小積分電容會減小讀出電路的電荷容量，減小讀出電路的動態(tài)范圍。 信噪比定義為信號電壓與噪聲電壓之比。信噪比的計量單位是dB，其計算如下式 (3)
上式(3 )中，V。是讀出信號電壓，Vn。ise是讀出噪聲電壓。可以看出當采用小積分電容時，讀出電路的靈敏度較高，但是動態(tài)范圍減小；采用大積分電容時，可以增加電荷容量，從而增加動態(tài)范圍，但是靈敏度減小，導致電路對小電流的分辨能力下降，容易丟失成像場景中較暗區(qū)域的細節(jié)。(二 )、輸出信號設定
輸出信號根據(jù)需要有兩種設定法，一種線性設定法，另一種是近似對數(shù)法。應用線性法，輸出電壓結合增益因子可以計算得到等效線性電壓為下式(4)
(4)
從上式(4)中可以看出，這種方法在照度較小時的信噪比和靈敏度與僅采用固定積分電容Ctl時相同，而且等效輸出電壓是固定積分電容電壓范圍的16倍。輸出電壓與增益因子還可以近似對數(shù)方式設定信號，輸出電壓根據(jù)增益
因子以近似對數(shù)的特性進行壓縮，壓縮后電壓的計算方法如下式(5)
權利要求
1. 一種增益自動可調放大器讀出電路，包括由光存儲單元器件的電學特性建立的等效電路模型，以該模型作為電容反饋互導放大器的輸入源，得到讀出電路的相應參數(shù)，然后作出與光存儲單元器件匹配的由積分電容復位電路和增益調節(jié)積分電路構成的電容反饋互導放大器讀出電路，增益調節(jié)積分電路由運放器OP1、積分電容Cp C2, C3和選通開關Kp κ2、κ3組成，選通開關K3與積分電容C3串接為第一分路，選通開關K2與積分電容C2串接為第二分路，第一分路、第二分路、選通開關K1和積分電容C1并接后分別與運放器OP1的反相輸入、輸出端連接，選通開關K1的正、負控制端分別與反相器I5的輸入、輸出端連接，運放器 OP1輸出端與接地電容Ctl連接，運放器OP1同相輸入端接B偏置電壓；積分電容復位電路由選通開關K4、K5組成，選通開關K4、K5輸入端并接后與A偏置電壓連接，其輸出端分別與積分電容C3、C2的正極連接，其特征在于該讀出電路上設有自動選通不同電容的增益控制電路，增益控制電路以增益調節(jié)積分電路中積分電容的積分電壓與設定的積分電壓閾值相比后自動選通不同的電容，實現(xiàn)微弱信號的高靈敏度、大動態(tài)范圍和高信噪比的增益自動可調，增益控制電路由運放器OP2、比較器&)1^、反相器11、12、13、14和觸發(fā)器01、1)2組成，反相器I1輸入端與選通開關K3正控制端和觸發(fā)器A的Q端并接，其輸出端與選通開關K4的正控制端連接；反相器I2輸入端與選通開關K3負控制端和觸發(fā)器A的Q-端并接，其輸出端與選通開關K4的負控制端連接；反相器I3輸入端與選通開關K2正控制端和觸發(fā)器D1的Q 端、觸發(fā)器A的D端并接，其輸出端與選通開關K5的正控制端連接；反相器I4輸入端與選通開關K2負控制端和觸發(fā)器D1的Q_端并接，其輸出端與選通開關K5的負控制端連接；運放器OP2反相輸入端串接電阻&后與其輸出端和比較器Comp反相輸入端并接，運放器OP2 反相輸入端與接地電阻R1連接，運放器OP2同相輸入端與接地電容C。連接；比較器Comp同相輸入端接C偏置電壓，其輸出端與觸發(fā)器DpD2W輸入端并接，觸發(fā)器D1WD端接直流電源，反相器I5輸出端與觸發(fā)器Dp D2的清零端并接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增益自動可調放大器讀出電路，包括由積分電容復位電路和增益調節(jié)積分電路組成的電容反饋互導放大器讀出電路，積分電容復位電路由選通開關K4、K5構成；增益調節(jié)積分電路由運放器OP1、積分電容C1、C2、C3和選通開關K1、K2、K3組成，其特點是該讀出電路上設有自動選通不同電容的增益控制電路，增益控制電路以增益調節(jié)積分電路中積分電容的積分電壓與設定的積分電壓閾值相比后自動選通不同的電容，增益控制電路由運放器OP2、比較器、反相器I1、I2、I3、I4和觸發(fā)器D1、D2組成，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有對光電探測器微弱信號的自動放大增益，提高靈敏度和信噪比以及大動態(tài)范圍的讀出，并可根據(jù)需要采用不同的方法自動設定，確保圖像質量。
文檔編號H04N5/378GK102291544SQ201110168338
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2011年6月22日
發(fā)明者王永攀, 茅豐, 褚君浩, 郭方敏 申請人:華東師范大學