专利名称：一种基于弛豫铁电单晶热释电探测器的读出电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及探测器读出电路，尤其涉及一种弛豫铁电单晶热释电探测器的读出电路。
背景技术：
近年来，我国科学家率先发现弛豫铁电单晶类材料具有优异的热释电综合性能，相比传统的热释电材料它具有非常高的热释电系数、比较低的热扩散系数、比较稳定的化 学性能，非常有利于热图象的贮存和处理，提高横向分辨率，这对于红外成像仪非常重要； 易加工减薄，可降低晶体元件的厚度，提高探测能力和分辨率，要使这一材料性能得到发挥 并实用则设计配套的探测器读出电路至关重要。读出电路在热释电探测器中的主要功能是给探测器提供合适的偏压，将探测器产 生的光电流信号转换成电压信号，并且进行信号的预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持 等)，最后将成千上万个由探测器产生的信号通过有限的几个外引脚按序输出。现有的热释电探测器读出电路一般采用SFD(源随器型)结构，它是一种直接积分 的高阻抗放大器。这种结构的探测器偏压由复位电平决定，但偏压会随积分时间和积分电 流变化，从而引起探测器偏置变化，而且SFD(源随器型)读出电路在在中、高背景下，有输 出信号非线性严重的问题，电路的工作频率也较低。本发明要解决的技术问题就是为其提供一种具有结构简单、输出线性、低噪声和 高工作频率等特点的一体化集成读出电路。

发明内容
本发明的主要目的是针对现有热释电探测器读出电路结构的不足提供一种弛豫 铁电单晶热释电探测器的读出电路，实现弛豫铁电单晶热释电信号的输出，并为探测器提 供稳定的偏压。上述目的通过下述的技术方案来实现包括将弛豫铁电热释电探测器的输出电流信号转化为电压信号的CTIA(电容反 馈互导)输入级模块；进行采样保持的双采样保持电路模块；负责多路选通及输出的多路 传输电路模块。上述模块集成在一集成电路芯片上。所述CTIA(电容反馈互导)输入级电路模块由运算放大器和积分电容Cint、开关复 位管M组成，积分电容Cint、开关复位管M负责积分电容的复位，开关复位管M分别与运算放 大器的负输入端和输出端连接，运算放大器负输入端连接探测器，正输入端连接参考电压 Vref,根据放大器的虚地原理，探测器连接运算放大器负输入端电压近乎等于Vref，则探测 器的偏压由Vref与探测器另一端的电压控制，工作过程中几乎不会发生变化。所述运算放大器模块为一两级CMOS运算放大器，包括第一级放大器、第二级放大 器、RC补偿电路。所述的第一级放大器为双路差分输入，输入对管为PMOS晶体管。所述的第二级放大器为共源级放大器。所述的RC补偿电路由一个电容C。和CMOS传输门做成的 电阻串联，用于与运算放大器的频率补偿。运算放大器的接地电位接入负5V电压，当探测器的输出电流为反向电流时，也可 以实现信号的积分放大，从而达到正反向电流读出的目的，使读出电路的读出效率理论上 达到原来的两倍。所述双采样保持电路模块包括双路采样电容Cs和选通开关SHl、SH2。所述多路传输电路模块包括移位寄存器Shift Register、源随器SF，移位寄存器 依次选通各个通道，信号由源随器输出，达到读出信号的目的。所述移位寄存器由D触发器依次串联构成，由输入信号D端输入，Q端输出到下一 级，实现逐次导通开关的目的。本发明将弛豫铁电探测器的输出电流信号通过CTIA(电容反馈互导)输入级电路 模块转化为电压信号，并将信号进行放大输出，双采样保持电路分两次将信号采样，多路传 输电路将各个通道逐次导通输出信号。本发明的电路模块集成在一集成电路芯片上，和探 测器芯片互连，由外部驱动电路提供控制信号，可有效读出弛豫铁电探测器的信号。本发明与现有热释电探测器读出电路相比具有一下优点1、可以为探测器提供稳定的偏压。2、探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定，它可以提供很低 的探测器输入阻抗。3、从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声。4、输出信号的线性度和均勻性很好。5、正反向输入电流读出，使读出电路的读出效率达到原来的两倍。


图1是本发明模块的结构示意图。图2是CTIA(电容反馈互导)输入级电路单元的结构示意图。图3双采样保持电路单元模块的结构示意图。图4多路传输电路模块的结构示意图。图5是读出电路控制信号的波形。图6不同积分电流时两路输出电压波形图。图7不同积分电流时输出差分电压波形图。图8八通道读出电路输出信号的波形图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明电路模块如图1所示，主要由CTIA(电容反馈互导)输入级电路模块、双采 样保持电路模块、多路传输电路模块组成，上述模块集成在一集成电路芯片上。CTIA(电容 反馈互导)输入级电路模块将弛豫铁电探测器的输出电流信号转化为电压信号并传送至 双采样保持电路模块的输入端，双采样保持电路将信号采样保持后，由多路传输电路负责 将各个通道逐次导通。
单路CTIA(电容反馈互导)输入级电路模块的电路结构如图2所示，由运算放大 器和积分电容Cint、开关复位管M组成，积分电容Cint、开关复位管M分别与运算放大器的 一输入端和输出端连接，开关复位管M负责积分电容的复位。 本发明中的双采样保持电路模块主要由采样电容和MOS开关管组成，如图3所示。本发明中的多路传输电路模块如图4所示，包括选通开关、移位寄存器、源随器， 移位寄存器依次选通各个通道，信号由源随器输出，达到读出信号的目的。读出电路控制信号的波形为图5。clkl和clk2是移位寄存器的控制脉冲，其产生 的选通信号宽度和时钟周期相同，即在一个时钟周期内读取一个通道的电压。因此，时钟频 率即为读出频率。Reset控制积分电容的复位，在Reset为高电平时，积分电容被复位到参 考电平Vref。当Reset为低电平时，积分电容开始积分。因此Reset脉冲的低电平时间大 致为积分时间。SHl和SH2为采样保持脉冲，在Reset脉冲为低电平期间，发生两次采样过 程，其中一次发生在Reset刚变为低电平时，采样脉冲信号为SHl (由外部提供)；第二次采 样发生在Reset变为高电平之间，采样脉冲信号为SH2。因此，实际有效积分时间为两次采 样脉冲的时间差。ST脉冲出现在积分结束之后，是一个高电平信号。移位寄存器在ST信 号有效的第一个clkl的上升沿产生第一个选通信号，从而开始读取第一个通道的电压。因 此，ST脉冲必须且只能包含一个clkl的上升沿。图6所示的波形为单通道读出电路在不同积分电流下双路输出波形，图中下面部 分为第一次采样的信号，上面部分为第二次采样的信号。信号依次为ΟρΑ，ΙΟρΑ，20pA，30pA, 40pA，50pA, 60pA, 70pA输入电流的波形。图7为单通道读出电路在不同积分电流下双路差分输出波形，信号依次为OpA， 10pA，20pA, 30pA, 40pA, 50pA, 60pA, 70pA 输入电流的波形。图8为八通道弛豫铁电单晶热释电读出电路一个周期的输出波形，八个通道分别 输入 OpA, IOpA, 20pA, 30pA, 40pA, 50pA, 60pA, 70pA 电流。本发明模块的工作过程如下开关管M由RESET信号控制首先导通，积分电容C被复位到参考电平，当开关管M 截止时进入积分阶段，积分电容开始积分。从弛豫铁电探测器输出的电荷流入积分电容，经 运算放大器转成电压放大后输出，积分一开始由SHl控制的开关导通，输出信号被每个通 道的第一路采样保持电路采样，在积分结束时SH2控制的开关导通，输出信号被被每个通 道的第二路采样保持电路采样，积分结束后，多路传输电路的移位寄存器在开始读出脉冲 ST信号控制下产生选通信号，开始逐次读取每个通道的信号，实现读出电路的信号输出。有益效果该热释电探测器读出电路在结构上利用放大器的虚地原理，可以在工作时为探 测器提供稳定的偏压，采用了电流模式的电路放大读出热释电探测器信号，这比传统的 SFD(源随器)结构电压读出模式的电路具有更高的工作频率，探测器电流在读出电路的反 馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定，这样可以提供很低的探测器输入阻抗，并且该 读出电路从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，输出信号的线性度和均勻性 很好。
权利要求
一种单芯片弛豫铁电热释电探测器读出电路，其特征在于包括将弛豫铁电热释电探测器的输出电流信号转化为电压信号的CTIA输入级模块；进行采样保持的双采样保持电路模块；负责多路选通及输出的多路传输电路模块；其中所述CTIA输入级电路模块由运算放大器和积分电容Cint、开关复位管M组成，积分电容Cint、开关复位管M负责积分电容的复位，开关复位管M分别与运算放大器的负输入端和输出端连接；所述运算放大器模块为一两级CMOS运算放大器，包括第一级放大器、第二级放大器、RC补偿电路；所述的第一级放大器为双路差分输入，输入对管为PMOS晶体管。所述的第二级放大器为共源级放大器；所述的RC补偿电路由一个电容Cc和CMOS传输门做成的电阻串联，用于与运算放大器的频率补偿；运算放大器负输入端连接探测器，正输入端连接参考电压Vref，根据放大器的虚地原理，探测器连接运算放大器负输入端电压近乎等于Vref，则探测器的偏压由Vref与探测器另一端的电压控制，工作过程中几乎不会发生变化；运算放大器的接地电位接入负5V电压，当探测器的输出电流为反向电流时，也可以实现信号的积分放大，从而达到正反向电流读出的目的，使读出电路的读出效率理论上达到原来的两倍；所述双采样保持电路由双路采样电容和选通开关组成；所述多路传输电路由选通开关、移位寄存器、源随器，移位寄存器依次选通各个通道，信号由源随器输出，达到读出信号的目的；上述模块的其具体工作过程如下开关管M由RESET信号控制首先导通，积分电容C被复位到参考电平，当开关管M截止时进入积分阶段，积分电容开始积分；从弛豫铁电探测器输出的电荷流入积分电容，经运算放大器转成电压放大后输出，积分一开始由SH1控制的开关导通，输出信号被每个通道的第一路采样保持电路采样，在积分结束时，SH2控制的开关导通，输出信号被每个通道的第二路采样保持电路采样，积分结束后，多路传输电路的移位寄存器在开始读出脉冲ST信号控制下产生选通信号，开始逐次读取每个通道的信号，实现读出电路的信号输出。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于所述移位寄存器由D触发器依次串联 构成，由输入信号D端输入，Q端输出到下一级，实现逐次导通开关的目的。
3.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于上述模块集成在一集成电路芯片上。
全文摘要
一种基于弛豫铁电单晶热释电读出电路，实现弛豫铁电单晶热释电信号的输出，其特征是将弛豫铁电探测器的输出电流信号通过CTIA输入级电路模块转化为电压信号，并将信号进行放大输出，双采样保持电路分两次将信号采样，多路传输电路将各个通道逐次导通输出信号。本发明的电路模块集成在一集成电路芯片上，和探测器芯片互连，由外部驱动电路提供控制信号，可有效读出弛豫铁电探测器的信号。
文档编号G01J5/14GK101806630SQ20101000493
公开日2010年8月18日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者丁俊民, 景为平, 李言谨, 王将, 顾勇, 鲁华祥 申请人:南通大学