【正文】 參數(shù)可 調(diào)控制電路原理圖 具體分析： 由 一個 電阻 R、 一個 電 容 C、 一個 反相器和 一個 D 觸發(fā)器構(gòu)成 的一個小單元電路，電源 VDD 提供電源 ， VDD/2 為 反相器的閾值電壓。該 控制電路通過單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生控制信號脈沖，可依次產(chǎn)生 Reset、 Sh Sh2 控制信號。 該讀出電路使用的源 跟 隨器是用 PMOS 和 NMOS 串聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)如圖 所示。在放大器后面后面放置一個“緩沖器”。在采樣狀態(tài)下， MOS 管導(dǎo)通，快速跟蹤模擬輸入信號的電平變化，直到保持信號的到來；在保持狀態(tài)下， MOS 管斷開，跟蹤過程停止 。用MOS 管做開關(guān)的優(yōu)點： (a)MOS 管的工作性質(zhì)屬于電壓控制， 當(dāng)流 過的電流為零時， MOS依然可以工作 ； (b)柵極電壓的變化對源極和漏極的電壓不產(chǎn)生影響 。該電路的作用是在某個規(guī)定的時刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。 因此，需要根據(jù)不同的光強(qiáng)照射 適當(dāng)調(diào)節(jié) CTIA 型讀出電路參數(shù)， 控制其積分時間。 圖 當(dāng)注入電流為 200nA 時不同積分電容的積分輸出電壓 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 積分電容為 1pf 時不同注入電流的積分輸出電壓 由 以上兩 圖可知仿真結(jié)果可知， 積分 輸出電壓的變化率與積分電容成反比和注入電流成正比。當(dāng)積分電容 C1不變，探測器注入電流增大時，輸出電壓隨時間變化變快。高電平時開關(guān)管截止，積分電容充電；低電平時開關(guān)管導(dǎo)通，積分 電容復(fù)位 。 CTIA 放大級 圖 為 CTIA 放大級，將探測器輸入的微弱感應(yīng)電流在積分電容 C1上積分轉(zhuǎn)化為電壓 輸出到下一級 。工作原理如下： 1） 開始 Reset 是高電平時 ，復(fù)位開關(guān) 開始工作 導(dǎo)通， 積分電容 Cint 開始 慢慢 放電， 當(dāng)放電結(jié)束后 ， Reset 跳為高電平 ， 同時 復(fù)位開關(guān)斷開； 2） 當(dāng) 第一個采樣控制信號 Sh1 為低電平時 ，采樣開關(guān) 開始工作 導(dǎo)通， 積分前的采樣電壓 在 電容 C1 上得到，采樣結(jié)束后 Sh1 跳為高電平 ， 同時 開關(guān)斷開，信號 持續(xù) 在電容 C1 上，電路 開始 進(jìn)入信號積 分 過程 ； 3） 經(jīng)過一段時間后，采樣控制信號 Sh2 變?yōu)?低電平 ，采樣開關(guān) 開始工作 導(dǎo)通， 積分后的電壓 在 電容 C2 上 獲得 ， 此時整個 信號積分 過程 結(jié)束， Sh1 和 Sh2 采樣的時間間隔 就是 積分時間 T； 4） 最后 把 C2 上 取得的 V2 和 C1 上 V1 相減， 獲得 有效的 輸出電壓 ； 有效輸出電壓為： det0intToutI dtVC?? （ 31） Idet=注入的光電流的大小 ， Cint =一個 常數(shù) ， T=讀出 單元的積分時間。第二 模塊主要是 兩個采樣 電路 ，簡稱 CDS 單元 ， 由 C1控制的信號簡稱 Sh1，由 C2控制的信號簡稱 Sh2。 圖 CTIA讀出電路 結(jié)構(gòu) 具有 CDS 的 CTIA 型讀出電路的工作原理 具有 CDS 的 CTIA 型光電傳感器讀出單元電路，如圖所示。 圖 電容反饋互導(dǎo)放大器讀出電路 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第三章 具有 CDS 的 CTIA 型讀出電路 具有 CDS 的 CTIA 型讀出電路結(jié)構(gòu) CTIA 型 讀出電路 主要 由 CTIA 放大級、 電壓 采樣級、輸出 緩沖 級 三部分組成。通過積分電容 Cint 將 注入電流 進(jìn)行積分放大，積分電容決定了增益大小，最大的優(yōu)點是輸入阻抗低、 偏置電壓 比較穩(wěn)定 ，非常低的噪聲 和良好的 輸出信號的線性度，便于后續(xù)信號處理電路處理。但由于沒有穩(wěn)定均勻的偏置，而且輸出信號和注入電流的關(guān)系是非線性的，所以 CM讀出電路的整體性能比較差，適用范圍也比較窄 [7]。當(dāng)探測器輸出電流 逐漸 增大時， 會降低讀出電路的電流增益 。因為讀出電路的面積限制，所以 很難制作很大的積分電容 Cint。此電路存在的最大問題就是功耗大，待改進(jìn)。 圖 電阻反饋跨阻放大器 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 反饋增強(qiáng)直接注入讀出電路（ FEDI ROIC） FEDI 型讀出電路 結(jié)構(gòu)如圖 所示。 與 CTIA讀出電路比較相似 RTIA 讀出電路 ， 最大的 缺點 用電阻代替了 積分電 容和 MOS 開關(guān)，使電路喪失 了 原有的 積分功能， 只能獲知輸出的電壓與輸入電流存在正比關(guān)系 。而當(dāng)輸入電流極小時，讀出電路的均勻度和線性度都較差，實際應(yīng)用不多。 RL 電路的性能和 CM 電路很相似，優(yōu)點在于用電阻代替了 MOS管，電路的 1/f 噪聲得到減小。當(dāng)然， DI ROIC 容易受電源電壓的限制，在低背景下，跨導(dǎo)減小，光生注入的效率明顯降低，同時這種電路存在明顯的空間噪聲。 其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 但在 高背景下， 它的缺點非常明顯，比如：輸出信號 的非線性問題， 溝道熱噪聲、復(fù)位開 關(guān)管的 KTC 噪聲和 MOS管的 1/f 噪聲 等。 圖 自積分型讀出電路 探測器單元 CTIA 單元 采樣信號產(chǎn)生電路 CDS 單元 行列選通信號產(chǎn)生電路 復(fù)位信號產(chǎn)生電路 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 源 跟 隨器型讀出電路 （ SFD ROIC） 在每個 探測器 后接一個 MOS 源 跟 隨器 （ SFD） 構(gòu)成緩沖放大器 [6]， 即為源 跟 隨器型讀出電路， 如圖 所示。積分放大器 直接接在開關(guān)管 后，每次采樣結(jié)束后 由外電路對積分電容進(jìn)行復(fù)位。如圖 所示。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第二章 各種 讀出電路的 分析比較 讀出電路 的 原理圖 通過光電探測器檢測到微弱的電流信號，復(fù)位開關(guān)開始導(dǎo)通， CTIA 讀出單元對信號進(jìn)行積分放大，再通過 CDS 分別進(jìn)行采樣，經(jīng)過行列選通信號的依次選通，將信號由并到串進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終得到有效的積分信號，當(dāng)選通輸出過程結(jié)束后，經(jīng)過時序電路的控制，新一輪的信號積分和選通輸出又重新開始。 第四章對 CDS 結(jié)構(gòu)電路的分析，介紹其對抑制噪聲的作用與原理。 第二章對各種讀出電路的介紹，分析不同讀出電路的類型以及它們的工作原理、優(yōu)缺點。在 熟練掌握關(guān)于光電傳感器和 讀出電路 的基礎(chǔ)知識 上 ， 使用 Spice 軟件對 CTIA 和 CDS電路進(jìn)行仿真分析 。 CDS 電路能有效的抑制噪聲， 應(yīng)用非常廣泛。 未來讀出電路的發(fā)展主要集中在這幾個方面：高度集成、片上 A/D 轉(zhuǎn)換、功能豐富、多色工作、光鏈接、只能焦平面陣列。 研究 領(lǐng)域現(xiàn)狀 和發(fā)展趨勢 隨著信息時代的來臨，在各種系統(tǒng)的自動化程度和復(fù)雜性增加，人們需要獲取的信息量越來越多的今天，傳感器已完全滲入了諸如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、海洋探測、生物工程、宇宙開發(fā)甚至文物保護(hù)等多個領(lǐng)域。但 一般 電路中的復(fù)位開關(guān)都 會帶來 閃爍噪聲、 KTC 噪聲 和散粒噪聲等， 為了使這些噪聲影響降到最低， 在輸出級后添加一個 相關(guān)雙采樣 (CDS)電路結(jié)構(gòu)，可以明顯的得到改善 ， 所以 CTIA 和 CDS 的組合結(jié)構(gòu) 不但結(jié)構(gòu)簡單易懂，更重要的是它 提高 了 讀出電路 的 性能 和減小了一些不可避免的噪聲影響 [1]?；陔娙莘答伝?dǎo)放大器 (CTIA)結(jié)構(gòu)的讀出電路， 一般都具有非常低的噪聲，其輸出信號的信噪比好 。然而 , 光電式傳感器也有它的缺點 ，產(chǎn)生的電流信號微弱 ，所以需要得到性能優(yōu)良的讀出電路 將其信號放大 。在 CTIA 型讀出電路中，積分時間的控制采用 D 觸發(fā)器的移位寄存器結(jié)構(gòu)，得到 t=ln2RC,可知信號脈寬長度和電阻值存在 線性關(guān)系， 可以經(jīng)過電阻、電容大小 的調(diào)節(jié)，獲取 不同的脈寬長度，實現(xiàn)了對讀出電路的時序控制。仿真結(jié)果如下： CTIA 型讀出電路，具 有非常低的噪聲，其輸出信號線性度好 。 本 文 介紹了光電傳感器讀出電路在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。 （ 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 ） 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 南通大學(xué)電子信息學(xué)院 2021 年 5 月 31 日 題目 ： 基于光電傳感器的參數(shù)可調(diào)讀出電路設(shè)計 姓 名： 劉 泉 指導(dǎo)教師： 黃 靜 專 業(yè)： 集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng) 南 通 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論