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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程；所述減去過程與積分過程對(duì)應(yīng)，所述非減去過程與非積分過程對(duì)應(yīng)；非減去過程中，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，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，在積分過程中連續(xù)或者周期性的打開背景減去電路，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)位開關(guān)組成，所述積分電容和復(fù)位開關(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)間記為積分過程，相鄰兩個(gè)積分過程之間的時(shí)間間隔記為非積分過程；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程；所述減去過程與積分過程對(duì)應(yīng)，所述非減去過程與非積分過程對(duì)應(yīng)；非減去過程中，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程完成后，才能在復(fù)位開關(guān)的作用下被清除，這就導(dǎo)致積分過程中，微弱的光生電流信號(hào)因積分電容飽和而無法被讀出；采用本發(fā)明的方案后，運(yùn)算放大器進(jìn)入積分過程時(shí)，信號(hào)發(fā)生器也同步進(jìn)入減去過程，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)問題，其一，積分過程中，背景減去電容兩端的電壓差不能過大，如果過大，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:即通過施加臺(tái)階電壓信號(hào)的方式來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)位開關(guān)3組成，所述積分電容2和復(fù)位開關(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)間記為積分過程，相鄰兩個(gè)積分過程之間的時(shí)間間隔記為非積分過程；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程；所述減去過程與積分過程對(duì)應(yīng)，所述非減去過程與非積分過程對(duì)應(yīng)；非減去過程中，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)位開關(guān)(3)組成，所述積分電容(2)和復(fù)位開關(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)間記為積分過程，相鄰兩個(gè)積分過程之間的時(shí)間間隔記為非積分過程；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程；所述減去過程與積分過程對(duì)應(yīng)，所述非減去過程與非積分過程對(duì)應(yīng)；非減去過程中，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