大動態范圍數字化像素單元

陳同少

摘要：紅外焦平面成像電路可將光信號轉化為電信號，再通過電路處理，轉化為可見圖像，其包含探測電路、讀出電路、信號處理電路，探測電路和讀出電路構成像素單元。電容反饋跨阻抗放大電路（ CTIA ROIC）由于注入效率比較高，還能為探測器提供穩定的偏置電壓，輸出信號的線性也很好，常被應用做讀出電路像素單元。傳統的像素單元由于動態范圍（最大可探測信號與最小可探測信號比值）限制，很難在環境光強變化較大的場景使用，往往需要進行對動態范圍進行增大。本文設計一種在探測電路中加入補償電流方式，使光強較弱時也能進行探測，增大了動態范圍，本設計基于CSMC 0.5μm工藝，通過Spectre仿真工具進行仿真與驗證。

關鍵詞：讀出電路；數字化；電流補償；動態范圍

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.016

O 引言

CMOS圖像傳感及其焦平面成像技術，因其功耗低、成本低、光譜靈敏度高等特點，廣泛應用于空間遙感和天文物理等領域[1-2]。紅外焦平面成像電路包括：光電探測器、讀出電路、信號處理電路[3]。一般原理是光電探測器將光信號轉換為電信號，再由讀出電路對電信弓進行積分放大、采樣輸出，然后由模數轉換ADC等信號處理模塊進行量化處理[4]。讀出電路一般是將探測器產生的光電信號在電容上進行積分，輸出以電壓的形式傳給后續信號處理電路。傳統的讀出電路是在固定時間內完成對光信號的積分，積分完成后通過采樣開關將積分電壓信號進行采樣、保持。當探測信號背景光強變化較大的，會出現兩種情況：強光信號在極短時間內即可積分到截止電壓：弱光信號積分完成時積分電壓很小，不足以達到后續電路的采集或者后續電路要求很高精度。……