作者 陈同少 电子科技大学 电子科学与工程学院(四川 成都 610054)
陈同少(1991-)，男，硕士生，研讨方向：SoC/SIP体系芯片技能。
摘要：红外焦平面成像电路可将光信号转化为电信号，再经过电路处理，转化为可见图画，其包括勘探电路、读出电路、信号处理电路，勘探电路和读出电路构成像素单元。电容反应跨阻抗扩展电路(CTIA ROIC)因为注入功率比较高，还能为勘探器供给安稳的偏置电压，输出信号的线性也很好，常被应用做读出电路像素单元。传统的像素单元因为动态规模(最大可勘探信号与最小可勘探信号比值)约束，很难在环境光强改动较大的场景运用，往往需求进行对动态规模进行增大。本文规划一种在勘探电路中参加补偿电流方法，使光强较弱时也能进行勘探，增大了动态规模，本规划依据CSMC 0.5 μm工艺，经过Spectre仿真东西进行仿真与验证。
0 导言
CMOS图画传感及其焦平面成像技能，因其功耗低、成本低、光谱灵敏度高级特色，广泛应用于空间遥感和地理物理等范畴[1-2]。红外焦平面成像电路包括：光电勘探器、读出电路、信号处理电路[3]。一般原理是光电勘探器将光信号转化为电信号，再由读出电路对电信号进行积分扩展、采样输出，然后由模数转化ADC等信号处理模块进行量化处理[4]。读出电路一般是将勘探器发生的光电信号在电容上进行积分，输出以电压的方法传给后续信号处理电路。传统的读出电路是在固定时刻内完结对光信号的积分，积分完结后经过采样开关将积分电压信号进行采样、坚持。当勘探信号布景光强改动较大的，会呈现两种状况：强光信号在极短时刻内即可积分到截止电压;弱光信号积分完结时积分电压很小，不足以到达后续电路的收集或许后续电路要求很高精度。为到达不同环境布景下勘探成像的要求，读出电路动态规模要大。一般图画传感电路动态规模，即输出的最大可勘探信号与最小可勘探信号之比[5]，与积分时刻，积分饱满电压，积分电容以及积分时刻均有关。数字化后所需的数字位数越多，对应的图画传感电路动态规模越大。
现在广泛应用的扩展动态规模的方法有自适应改动积分电容和强光下屡次重置输出电压并计数方法[6]，一同，一些噪声消除技能也被应用在读出电路中来增强弱布景下的光强勘探[7]。因为改动积分电容方法添加积分电容个数及容值[8]，像素面积会相应添加较大，不利于像素的集成;屡次重置技能仅进步了强光布景下的光强勘探，没有对弱光勘探进行增强;噪声消除技能仅对弱光勘探进行了进步。本文针对弱光布景下积分电压未能到达阈值电压状况，经过添加补偿电流源的方法，使其在积分完结前到达阈值电压，一同经过数字化读出电压的处理，别离出光生电流信号。关于强光布景下的光强勘探，也进行补偿，相同经过数字化读出电压信号，将强光信号别离出来，增大了读出电路的动态规模。
1 大动态规模数字化像素原理及电路规划
动态规模增强技能被广泛应用于不同环境下勘探光强改动较大的场景[9-11]。不同光强布景下的电流补偿技能主要是针对数字化像素中未能到达阈值电压的弱光信号无法勘探的缺点，经过补偿方法使积分电压在积分完结前到达阈值电压，经过数字化计数，可得到光生电流与补偿电流巨细之和，再经过后续信号处理电路将补偿电流减去，得到勘探电流巨细。数字化电路计数频率越大，比较器精度越高，可勘探光强动态规模越大且精度越高[10-12]。
1.1 根本原理
如图1(a)是含有勘探电路的CTIA型读出电路的根本架构[3,10]。该电路包括光电二极管Det组成的勘探电路，运放apm及连接运放负输入端和输出端的重置开关k1和跨阻负反应电容C组成的读出电路。运放正向输入端供给固定电压Vcom，因为运放共模特性，负向输入端电压Vn=Vcom，为光电勘探器供给偏置电压，一同为输出电压供给重置电压。s1为开关k1操控信号，在勘探开端前闭合对运放输出电压重置到Vout1=Vcom，勘探开端时s1信号操控k1断开，勘探器Det将光信号转化为电流信号Id，光生电流在电容C上进行积分，运放输出电压跟着积分时刻改动而改动。图1(b)是积分读出电压Vout1在不同光强下随时刻的改动状况，线③为强光时的改动，线②为中等光强的改动状况，线①为弱光强的改动状况，由图能够看出当光强大于线②积分所勘探的光强时，输出电压在积分完结前能到达比较电压Vref，可进行数字化;当光强小于线②所勘探的光强时，如线①的状况，读出电压未能到达比较阈值电压Vref，数字化计数成果过错，所以光强小于线②勘探的光强时不能进行勘探，大大降低了读出电路的动态规模。
2 进步动态规模技能
如图2(a)是含补偿电流源的勘探读出电路的根本构成。在原有勘探读出电路根底上，在勘探电路中参加由信号s2操控开关k2操控的补偿电流源Icp，补偿电流巨细为Icp≥C*(Vcom-Vref)/Tmax。当Icp= C*(Vcom-Vref)/Tmax时，Vout1改动如图2(b)中线①所示，当参加补偿电流源后，电容C上的积分电流总大于图2(b)中线①所对应的积分电流，即补偿电流Icp，读出电压Vout1的改动为图2(b)中线②③所示，不会呈现图1(b)中线①的状况，即读出电压Vout1总能在积分完结前到达比较阈值电压Vref，从理论上看，全光强布景下的光生电流都能够被勘探到，只需数字化精度够，一切光强都会被量化，动态规模被增大。
3 全体电路规划
本文规划的大动态规模数字化单元，全体电路图如图3所示。包括勘探补偿电路，读出电路和数字化电路。数字化电路部分包括比较器cmp，一个与以及一个经计数器，是将读出电压Vout1进行时刻数字化处理，读出电压经过比较器cmp的正向输入端，与负向输入端的固定比较电压Vref进行比较，一同比较器由信号s1操控清零。比较器输出信号接入与门与根底时钟信号相与后传入计数器，计数器重置由信号s1操控，即在积分开端时对比较器与根底时钟信号进行相与后的信号进行计数。计数器输出信号Vout为计数的脉冲个数，Cout为计数器溢出信号。
如图4 所示，显现了不同光强布景下电路各部分的输出信号，即不同勘探光强环境，光生电流不同，依据电流积分转化为电压公式Id*T=C*∆V，则积分输出电压从Vcom积分到Vref的时刻不同，比较器cmp输出端Vout2保持高电平的时刻不同，与根底时钟相与后，输出信号Vout3含有脉冲的时刻不同，即传入计数器单元的脉冲个数不同。时刻数字化处理便是将不同光强下到达比较阈值电压的时刻快慢转化为脉冲个数，如图4中的Vout1、Vout2及Vout3对应的①②③不同光强下对应的不同信号。
4 数字化成果剖析
因为参加了补偿电流，所以脉冲计数所核算对应的电流巨细包括了光生电流和补偿电流。咱们需别离出光生电流的巨细，才干得出对应的光强。因为不同光电流下读出电压Vout1到达Vref时刻不同，则补偿电流有用积分时刻不同，如图5所示，别离对应图4不同光强下的输出信号状况。不同光强下得到的脉冲计数值不同，疏忽暗电流的影响，无光布景下仅有补偿电流积分，积分到Tmax到达Vref，即∆V=Vcom-Vref。数字化所得计数值Vout为N1，中等光强下光电流与补偿电流一同进行积分，数字化计数值为N2，强光布景下光生电流很大，与补偿电流一同进行积分，很短时刻内即可积分到Vref。假定所用根底时钟clk的频率为fclk，那么以中等光强环境下勘探为例，依据数字化计数值N2的巨细可核算出光生电流的巨细。由电流在电容上的积分公式为：
其间，∆V=Vcom-Vref，C为跨阻负反应积分电容C的容值巨细，Icp为补偿电流巨细。
5 定论
本文规划了一种大动态规模像素单元电路。经过剖析及仿真成果可看出，本文所规划的经过电流源补偿方法，结合读出信号的数字化处理来进步动态规模的方法，有用进步了弱布景环境下的光强勘探，进步了动态规模，一同电路也可参加强光脉冲计数的方法，使得强光布景与弱光布景下的光强勘探动态规模得到极大的进步，本文一同参加了光电流核算方法，为后续信号处理算法供给了便利。
参考文献：
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本文来源于《电子产品世界》2018年第9期第67页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
