基于運算放大器的CTIA結構實現(xiàn)2×8讀出電路的設計

引言

在紅外通信的1 310～1 550 nm波段，高靈敏度探測材料主要有Ge—APD和InGaAs／InP APD，兩者相比較，InGaAs／InP APD具有更高的量子效率和更低的暗電流噪聲。In0.53Ga0.47As／InP APD采用在n+-InP襯底上依次匹配外延InP緩沖層、InGaAs吸收層、InGaAsP能隙漸變層、InP電荷層與InP頂層的結構。

APD探測器的最大缺點是暗電流相對于信號增益較大，所以設計APD讀出電路的關鍵是放大輸出弱電流信號，限制噪聲信號，提高信噪比。選擇CTIA作為讀出單元，CTIA是采用運算放大器作為積分器的運放積分模式，比較其他的讀出電路，優(yōu)點是噪聲低、線性好、動態(tài)范圍大。

1、 工作時序和讀出電路結構

作為大陣列面陣的基礎，首先研制了一個2×8讀出電路，圖1給出了該電路的工作時序，其中Rl、R2為行選通信號；Vr為復位信號；SHl、SH2是雙采樣信號；C1、C2、…、C8為列讀出信號。電路采用行共用的工作方式，R1選通（高電平）時，第一行進行積分，SH1為高電平時，電路進行積分前采樣，SH2為高電平時，進行積分結束前的采樣，C1、C2、…、C8依次為高電平，將行上的每個像元上信號輸出；然后R2為高電平，重復上面的步驟，進行第二行的積分和讀出。

圖2是2×8讀出電路的結構框圖，芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS單元組成，圖中用虛線框表示：移位寄存器單元完成行列的選通，CTIA功能塊將探測器電流信號按行進行積分，CDS功能塊能抑制電路的噪聲，如KTC（復位噪聲）、FPN（固定圖形噪聲）等；FPGA主要產(chǎn)生復位信號（Vr）和采樣信號（SH1、SH2），觸發(fā)電路的復位和采樣動作，C8為該組信號的觸發(fā)信號，解決和芯片內(nèi)行列選通信號同步問題。

為了便于和讀出電路的連接仿真，首先根據(jù)器件特性建立了器件的電路模型，如圖3（a）中的虛線框所示，其中Idet、Rdet、Cdet分別表示器件的光電流、阻抗、寄生電容。圖3（a）還給出了CTIA讀出單元電路結構，主要由一個復位開關KR和積分電容Cint以及低噪聲運放A構成。在CTIA結構中，設計一個高增益、低噪聲、輸入失調(diào)小、壓擺率大的運放是確保讀出電路信噪比高、動態(tài)范圍大的關鍵。除此之外，積分電容Cint的設計也非常重要，在設計過程中發(fā)現(xiàn)，選擇合適的積分電容也是關鍵之一。圖3（b）是CDS單元，由采樣管Ml、M2、采樣保持電容C1、C2及M3~M6構成的差分器組成，Vin為CDS輸入電位，也即CTIA的輸出電位。Voou1和Vout2為兩次采樣輸出，經(jīng)過減法器后可以進行噪聲抑制。

2、 積分電容Cint

積分電容的設計主要和探測器信號電流的大小有關。圖4是In0.53Ga0.47As／InP APD特性，仿真結果顯示器件的工作電流一般在300 nA左右。

圖5為器件電流取300 nA時積分電容分別為2、4、6和15 pF時的輸出電壓Vout的仿真結果。仿真參數(shù)設計：在器件厚度為20 μm的情況下，根據(jù)器件仿真結果進行計算，器件阻抗為2×109Ω，器件寄生電容為80 pF。參考電壓Vb取2．0V，積分時間為60μs?？梢钥吹綄煌姆e分電容，積分電壓到達飽和的時間是不一樣的，也就是選擇不同的積分電容，最佳積分時間是不一樣的。如選用4 pF的積分電容，積分時間最好控制在40μs以下。

積分電容還決定電荷容量。電荷容量為

式中：Qm為電荷容量；Vref為參考電壓，一般為1．5~3 V。式（1）表示增大積分電容Cint可以提高電荷容量。

在CTIA電路結構中，KTC噪聲是最主要噪聲，而KTC噪聲也和積分電容有關。KTC復位噪聲電壓可以表示為

式中：VN為積分電容上復位引起的KTC噪聲電壓；K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1．38×10-23J／K；T是絕對溫度，取77 K。將此噪聲電壓折合成輸入端噪聲電子數(shù)，則表示為

式中：Nin為積分電容KTC復位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù)；q為電荷常數(shù)，其值為1．60×10-19C；G為輸出級增益。

圖6表示了該噪聲電子數(shù)和溫度、積分電容Cint之間的關系。從圖6可以看到，Nin隨溫度降低而減少，同時隨Cint的增大而增多。所以在設計Cint時，必須兼顧探測器電流、積分時間、電荷容量Qm和KTC噪聲折合到輸入端電子數(shù)Nin，并且結合電路工作溫度設計一個合適的值。在讀出電路中，電容的工作溫度為77 K，Cint設計為4 pF時，參考電壓取2 V，電荷容量為8×10-12J。電路的輸出級增益為O．65，KTC復位噪聲折合到輸入端的噪聲電子數(shù)為768個，小于實際探測器的噪聲電子數(shù)，而電荷容量也足夠大，滿足探測器讀出的需要。在CTIA結構中，設計一個高增益低噪聲的運算放大器。根據(jù)具體的應用合適設計。而開關管KR采用四管合抱管結構，減小導通電阻對電路的影響。圖7為讀出電路芯片的照片。

3 、結論

電路采用O．6μm CMOS工藝流片，采用40腳的管殼進行封裝，其中有效引腳為32個。用電注入法（恒流源模擬器件）測試了芯片的性能，電流信號為100～600 nA。功率耗散小于200μW。當積分電容為4 pF的時候，積分時間為36μs。時鐘頻率為0．5MHz的時候，一幀像元積分和讀出的總時間為108μs。電路的電荷存儲能力為5×107個，動態(tài)范圍為l V左右，輸出噪聲為5．2×10-5Vrms。測試結果顯示電路符合預期的設計要求。

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