光电传感器读出电路的参数可制研究

詹国钟，郭方敏，黄

静，朱荣锦

（华东师范大学信息学院，上海200241）

摘要：基于电容反馈互导放大器和相关双采样结构的读出电路原理，分析了电路中控制信号的时序关系，设计了参数可调的时序控制电路。应用Cadence 进行电路仿真和版图设计优化，通过流片、测试，证明参数可调的时序控制电路能有效调节参数，易于控制，适用于具有该读出结构的读出电路。关键词：电容反馈互导放大器；相关双采样；光电探测器；读出电路；时序控制电路中图分类号：TN215

文献标识码：A

文章编号：1001-81(2008)08-0485-04

Research on Control Circuit with Tunable Parameters

for Photodetector Readout Circuit

ZHAN Guo-zhong ，GUO Fang-min ，HUANG Jing ，ZHU Rong-jing

(Key La bora tory of the M inistr y of Education P olar ization M a ter ia ls a nd Devices,

School of Information Sciences and T echnology ,East China Normal University ,Shanghai 2000241,China)

Abstra ct ：The operating principle of photodetector readout circuit (ROIC)based on capacitive transimpedance amplifiers (CTIA)and correlated double sampling (CDS)is presented in this paper.The sequential relationship of control signal is discussed.Based on all of these,a control circuit with tunable parameters for ROIC is designed.This circuit is simulated by software Cadence,and the layout is optimized.Then the chip is produced by the foundry.The measurement of this chip is done.The experiment shows that the control circuit can tune parameters effectively for photodetector ROIC,and can be easier to control.Key wor ds ：CTIA ；correlated double sampling ；photodetector ；ROIC ；sequential control circuit

引言

读出电路是用以检测并放大光电探测器产生的微弱电流信号，是探测器电信号到后续系统应用的信号传输通道，其性能直接影响探测器的性能指标，在很大程度上决定了光电探测器的性能。为了得到性能优良的电路，降低电路信号偏差，提高信噪比，设计者采用了不同的读出结构[1,2]。

基于电容反馈互导放大器(CTIA)结构的读出电路，在很大的背景范围内，都具有非常低的噪声，其输出信号的线性度好。CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器，为了得到合适的信号输出，必须控制好积分时间。同时电路中的复位开关工作会带来KTC 噪声，通过在输出级采用相关双采样(CDS)电路结构，可以有效地降低复位噪声[3]。因此CTIA 和CDS 的组合结构可以大大提高读出电路性能，但是相比其他结构的读出电路，该结构的时序控

制要复杂得多。

图1具有CDS 的CTIA 型光电探测器读出电路单元Fig.1

Architecture of readout circuit for photodetectors

1读出电路的工作原理

图1给出了具有CDS 的CTIA 型光电探测器读出

电路单元电路。该单元电路由3部分组成，前面部分

收稿日期：作者简介：詹国钟（3），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要研究方向是光电探测器读出电路集成设计。基金项目：科技部重大项目(6B 3)，国家自然科学基金资助项目(35)。

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是由高增益运算放大器和反馈积分电容C int 构成的CTIA ；与积分电容并联的复位开关，受Reset 信号控制。中间部分是CDS ，由两个采样保持电路组成，分别受Sh 1和Sh 2的控制。后面部分为电压缓冲器，提高输出驱动能力，同时避免后续电路对采样保持电容上电荷量的影响。该电路单元中所有开关均为CMOS 复合管开关，与其他开关相比具有失真度小，阻抗低等特点。读出电路工作分两个过程：积分过程和读出过程[4]。工作原理如下：

1）开始Reset ＝0，复位开关导通使积分电容C int 开始放电，放电完毕后Reset ＝1，复位开关断开；2）采样控制信号Sh 1＝0，采样开关导通，从而在电容C 1上得到积分前的采样电压，采样完毕后Sh 1＝1，采样开关断开，使信号保持在电容C 1上，此时电路开始进入到信号积分阶段；

3）经过一段积分时间后，采样控制信号Sh 2＝0，采样开关导通，从而在电容C 2上得到积分后的采样电压。采样完毕后Sh 2＝1，采样开关断开。此时信号积分过程结束，这里积分时间T int 为Sh 2与Sh 1采样脉冲的时间间隔；

4）Sh 2信号触发移位寄存器工作，通过移位寄存器的依次选通，将存储在C 1上初始电压V out1和存储在C 2上的信号积分电压V out2传送到输出总线。相邻读出电路单元的依次选通，实现了并到串的信号转换。最后把V out2与V out1相减，便得到有效积分信号；5）读出电路的选通输出过程结束时，把最后一路选通信号反馈到时序控制电路，又开始新一轮的信号积分和选通输出过程。

经过读出电路单元的积分和选通输出，再把两次采样的电压相减便得到有效信号积分电压。该电压可以表示为：

int

0det

out

i nt

d C t

I V T ∫=

(1)

式中：V out 表示有效积分电压输出；I de t 表示探测器的响应光电流大小；T int 表示读出单元的积分时间。CTIA

的输出电压具有一定的范围，为了避免CTIA 的输出饱和，必须V out 的最大值[5]。式(1)中C int 是一个常数，因此对于一定范围的光电流必须采用合适的积分时间。另外复位开关导通时具有一定的电阻值，所以C int 放电需要一定的时间，这就要求Reset 保持足够的脉宽长度。同样CDS 单元中的Sh 1和Sh 2也必须保持足够的脉宽长度，才能在电容C 1和C 2上保持有效的采样电压。

分析读出电路的工作原理，设计一个能够产生Reset 、Sh 1、Sh 2信号的时序控制电路。与传统的控制

电路相比，该电路能够灵活调节控制信号的脉宽长度，以及积分时间长度，使该控制电路能广泛应用于基于CTIA 和CDS 结构的读出电路。

2

参数可制电路设计与分析

2.1

控制电路的设计

时序控制电路的作用就是为CTIA 结构提供复位开关的控制信号，以及为CDS 提供两次采样控制信号。为确保读出电路的稳定工作，要求该控制电路能提供正确的时序关系，同时能有效控制信号的脉宽长度、积分时间等参数指标。

图2给出了参数可制电路的原理图。其中虚线框以内部分为集成设计并流片的电路，这部分由4个反相器和具有复位控制的D 触发器组成。虚线框以外部分是无源元器件电阻和电容。由于控制电路要求电阻值能在一定范围内可调，而且电容用于集成设计将占用很大的芯片面积，所以就在芯片外接入可变电阻器和电容。该参数可制电路是通过单稳态电路来产生控制信号脉冲，这些单稳态电路的异步触发可以依次产生Reset 、Sh 1、Sh 2控制信号。2.2控制信号的相关参数分析

图2中的每个单稳态电路分别由电阻R 、电容C 、反相器和D 触发器构成。该电路是通过单电源VDD 供电，所以设计反相器的阈值电压约为VDD/2。电路稳态时，D 触发器输出Q ＝0，输入D ＝1，复位信号Clr ＝1。当D 触发器的时钟输入端Clk 出现一个脉冲上升沿，D 触发器状态立刻发生翻转即Q ＝1。当Q ＝1，电容C 马上被充电，直到电容上的电压达到反相器的阈值电压，从而使得D 触发器的Clr ＝0，接着D 触发器的输出Q ＝0，电路又进入到稳定状态。在整个过程中输入信号的上升沿触发了一个输出脉冲

信号，输出脉宽的长度为电容上的电压被充电到反相器的阈值电压所需的时间。电容上的电压与充电时间的函数关系可以表示为：

()DD

e

1V t v RC

t =(2)

当电容电压为反相器阈值电压V DD /2时，通过式(2)得到单稳态电路的输出信号脉冲长度：

t ＝ln2×RC (3)

式(3)表明了信号脉冲长度与电阻值成线性关系，调节电阻大小，可以得到不同的脉宽长度。

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图2参数可制电路原理图Fig.2Schematic of control circuit with tunable

parameters

图3参数可制电路的控制信号仿真结果Fig.3Result of simulation for control circuit with tunable parameters

读出电路最后一路选通信号连接到图2中的Td 输入端，当所有的读出单元的信号选通输出完毕时，Td 输入端则出现一个脉冲上升沿，从而触发由R 0、C 0组成的单稳态电路产生一个Reset 控制信号，调节R 0的大小可以改变Reset 信号的脉宽长度。接着该Reset 信号的上升沿触发了由R 1、C 1组成的单稳态电路，从而产生一个脉宽可调的Sh 1控制信号，Sh 1控制信号是紧跟着Reset 的控制信号。Sh 1信号的上升沿触发了由R 2、C 2组成的单稳态电路，产生一个过渡信号，该过渡信号再触发由R 3、C 3组成的单稳态电路，产生Sh 2控制信号。Sh 2控制信号与Sh 1控制信号间隔一个过渡信号的脉宽长度。该过渡信号的脉宽长度就是积分时间大小，它可以通过改变R 2阻值得到调节。表1给出了参数可制电路实现的可调参数，通过调节特定的电阻值大小实现相关参数的调节。

2.3

电路仿真

图3为参数可制电路的仿真结果。设定的仿

真参数：R 0＝R 2＝5k ，R 1＝R 3＝3k ；C 0＝C 1＝C 3＝1nF ，C 2＝5nF 。由表1可知Reset 的脉宽长度要比Sh 1、Sh 2长，而且积分时间约为Reset 脉宽长度的5倍，上述分析与图3的仿真结果吻合。图中各信号的时序关系满足了读出电路工作所需的控制时序。

表1参数可制电路实现的可调参数Table 1

Tunable parameters realized by control circut with tunable parameters 可调参数调节函数Reset 复位时间ln2×R 0C 0Sh 1采样时间ln2×R 1C 1S 采样时间×R 33

积分时间T ×R 487

h 2ln2C int

ln22C 2

3

芯片实现与测试

3.1

芯片实现

采用0.6m DPDM 5V CMOS 工艺进行版图设

计和流片，图4给出了控制电路的版图设计，其中不但包含了图2虚线框内所示的核心电路部分，还在控制电路的所有输入输出端口增加相应的驱动电路模块，这些电路模块是由一系列反相器串联构成，一方面用于输入输出脉冲的整形，另一方面用于提高脉冲的驱动能力。版图周围是具有ESD 保护的PAD ，分

别连接了所有输入输出引脚、电源引脚和地引脚。

图4参数可制电路版图Fig.4Layout of control circuit

3.2测试结果

测试是将参数可制电路芯片与读出电路芯片直接互连，对该测试系统提供5V 电源供电。图5给出了控制信号的测试结果，它们的时序关系和仿真结果吻合，实现了对读出电路的时序控制，使读出电路芯片能够稳定工作。表2给出了控制信号参数测试，其中积分时间T int 的测试结果为10s 。

表2控制信号的测试结果

Table 2

Measurement results of control signals

信号周期/s 频率/kHz 脉宽/s CP 8.4119.0 4.2Td 100.010.08.8Reset 100.010.012.0Sh 1100.010.0 6.0Sh 2

100.0

10.0

6.0

4结论

采用0.6m DPDM 5V CMOS 工艺，设计了基于单稳态电路的参数可调时序控制电路，并进行了流片和测试。该电路具有结构简单，性能稳定，控制方便等特点。实验证明该控制电路不但能够调节R 、Sh 1、Sh 2控制信号的脉宽长度，而且能够灵活调节积分时间的长度，可以广泛用于具有CDS 结构的CTIA

型光电探测器读出电路。

(a)Td 与Reset 信号波形(a)Waveform of Td and

Reset

(b)Reset 与Sh 1信号波形(b)Waveform of Reset and Sh

1

(c)Sh 1与Sh 2信号波形(c)Waveform of Sh 1and Sh 2

图5控制信号的测试波形图Fig.5

Measurement waveforms of control signals

参考文献：

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eset .J .20077:1001-1004.下载本文