本发明专利技术公开了一种基于弛豫铁电单晶热释电探测器的双级读出电路，包括第一级CTIA(电容反馈互导)输入级电路、开关电容低通滤波器、二级CTIA放大电路、采样输出电路；其中第一级CTIA输入级电路将弛豫铁电探测器的输出电流信号转化为电压信号，开关电容低通滤波器抑制外界噪声，二级CTIA电路将信号进行放大，采样输出电路进行信号采样，将各个通道逐次导通输出。本发明专利技术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，并通过调节外部时钟频率控制低通滤波器带宽，二级CTIA电路对信号进一步放大，提高输出信号信噪比，为大规模多元小面积灵敏元热释电焦平面，提供了一种输出线性、高信噪比的一体化集成微弱信号读出电路。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及探测器读出电路，尤其设及一种弛豫铁电单晶热释电探测器的双级读 出电路。
技术介绍
弛豫铁电单晶类材料是一种具有优异的热释电综合性能新型热释电材料，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，易提高横向分辨率，易加工 减薄，可降低晶体元件的厚度，可W提高探测能力和分辨率。然而由于铁电材料红外器件探 测信号大小依赖于灵敏元的面积，随着焦平面探测器件分辨率提高，面元越来越小，热释电 电流越来越弱，对其检测技术就成为限制该类器件应用的关键所在。 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按序输出。 现有的热释电探测器读出电路一般采用S抑（源随器型）结构和单级CTIA(电容 反馈互导）结构。SFD(源随器型）结构的探测器偏压由复位电平决定，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，而且在中、高背景下，有输出信号非线性严重 的问题。单级CTIA(电容反馈互导）结构在有限的积分时间内实现小信号的放大，主要通 过减小积分电容实现，但过小的积分电容带来较大的KTC噪声，使信号被噪声淹没，难W进 行信号处理。 阳0化]本专利技术要解决的技术问题就是为大规模多元小面积灵敏元热释电焦平面，提供一 种低噪声、输出线性、高增益等特点的一体化集成微弱信号读出电路。
技术实现思路
本专利技术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，实现弛豫铁电单晶小面积灵敏元中微弱热释电信号的 放大输出，同时具有高信噪比、输出线性的特点。 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第一级CTIA(电容反馈互导）输入级模块；抑制外界噪声的开关电容低通滤波器模块；进行信号采 样W及多路选通及输出的采样输出电路模块。 上述模块集成在一集成电路忍片上。 所述第一级CTIA(电容反馈互导）输入级电路模块由运算放大器0PA1和积分电 容Cmtl、开关复位管心ti和组成，积分电容C1M1、开关复位管心tl分别与运算放大器0PA1 的负输入端和输出端连接，运算放大器0PA1负输入端连接探测器，正输入端连接参考电压 Vw，根据放大器的虚地原理，探测器连接运算放大器0PA1负输入端电压近乎等于Vfw，则探 测器的偏压由Vf。: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。 1] 所述开关电容低通滤波器模块由MOS管Ml、M2、电容Cl和C2组成，MOS管M1、M2和 电容。构成一个等效电阻，其等效电阻的值与M1、M2的控制时钟频率和电容C1大小有关， 与C2构成一个RC低通滤波器，在工作时调节外部时钟的频率可W改变低通滤波器的带宽。 所述第二级CTIA(电容反馈互导）放大电路模块由运算放大器0PA2、电容。。12、 C。、开关复位管Mfgt2组成，电容C。与运算放大器0PA2的负输入端连接，电容Cmt2、开关复位 管心t2分别与运算放大器0PA2的负输入端和输出端连接，开关复位管M"t2负责积分电容 的复位，当复位开关断开时，由电容Cmt2、C。和运放组成一个电容比例反相放大器，对信号进 行放大输出。 所述采样输出电路模块包括采样保持电路和多路传输电路模块，采样电路由采样 电容Cgh和CMOS开关管组成，多路传输输出电路模块包括选通CMOS开关管、移位寄存器、单 位增益跟随器0PA3,移位寄存器依次选通各个通道，信号逐次输出，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。 本专利技术将弛豫铁电探测器的输出电流信号通过第一级CTIA输入级电路模块转化 为电压信号，开关电容低通滤波器可W有效抑制外界噪声，并通过二级CTIA放大电路将信 号进行放大输出，采样输出电路进行信号采样，将各个通道逐次导通输出信号。本专利技术的电 路模块集成在一集成电路忍片上，和探测器忍片互连，由外部驱动电路提供控制信号，并通 过调节外部时钟频率控制开关电容低通滤波器带宽，对外界噪声进行抑制，二级CTIA放大 电路对信号进一步放大，提高输出信号信噪比，为大规模多元小面积灵敏元热释电焦平面， 提供了一种具有低噪声、输出线性、高增益等特点的一体化集成微弱信号读出电路。 本专利技术与现有热释电探测器读出电路相比具有W下优点： 阳017] 1、在第一级CTIA输入级电路和二级CTIA放大电路之间加入开关电容低通滤波 器，对外部噪声进行抑制，提高了电路的信噪比，同时通过调节外部时钟频率改变低通滤波 器的带宽，便于电路工作于不同频率。 2、第二级CTIA放大电路在工作时，构成了电容比例反相放大器，对输入信号进一 步放大，相比于常用的电阻比例反相放大器，电容在版图设计上占用的面积较小，便于在大 规模的集成电路中进行设计。 3、探测器电流在第一级CTIA输入级电路的反馈电容上积分，其增益大小由积分 电容确定，它可W提供很低的探测器输入阻抗。从很低到很高的背景范围内，都具有非常低 的噪声。 4、输出级电路中使用单位增益缓冲器作为读出电路的输出级，相比于源随器，具 有最好的输出线性。【附图说明】 为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图， 对本专利技术作进一步详细的说明，其中： 图1是本专利技术模块的结构示意图。 图2是第一级CTIA(电容反馈互导）输入级电路单元的结构示意图。 图3是开关电容低通滤波器单元模块的结构示意图。图4是第二级CTIA(电容反馈互导）放大电路模块的结构示意图。图5是采样输出电路模块的结构示意图。 图6读出电路控制信号的波形图。【具体实施方式】[002引下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。 本专利技术电路模块如图1所示，主要由第一级CTIA(电容反馈互导）输入级电路模 块、开关电容低通滤波器模块、采样输出电路模块组成，上述模块集成在一集成电路忍片 上。第一级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，并传送至开关电容低通滤波器模块，进行降噪处理，第二级CTIA放大电路对 信号进一步放大，经采样输出电路模块采样保持后，将各个通道逐次导通输出。 第一级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0PA1和积分电容Chti、开关复位管M"ti组成，积分电容Chti、开关复位管M"ti分别与运 算放大器的负输入端和输出端连接，开关复位管M"ti负责积分电容的复位。 本专利技术中的开关电容低通滤波器模块如图3所示，由M0S管Ml和M2、电容。和C2 当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单芯片弛豫铁电热释电探测器双级读出电路，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第一级CTIA(电容反馈互导)输入级模块；抑制外界噪声的开关电容低通滤波器模块；进行信号采样以及多路选通及输出的采样输出电路模块；其中：所述第一级CTIA(电容反馈互导)输入级电路由运算放大器OPA1和积分电容Cint1、开关复位管Mrst1和组成，积分电容Cint1、开关复位管Mrst1分别与运算放大器OPA1的负输入端和输出端连接，运算放大器OPA1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OPA1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。所述开关电容低通滤波器由MOS管M1、M2、电容C1和C2组成，MOS管M1、M2和电容C1构成一个等效电阻，与电容C2构成一个RC低通滤波器。所述第二级CTIA(电容反馈互导)放大电路由运算放大器OPA2、电容Cint2、Ca、开关复位管Mrst2组成，电容Ca与运算放大器OPA2的负输入端连接，电容Cint2、开关复位管Mrst2分别与运算放大器OPA2的负输入端和输出端连接，开关复位管Mrst2负责积分电容的复位，当复位开关断开时，由电容Cint2、Ca和运放组成一个电容比例反相放大器，对信号进行放大输出。所述采样输出电路包括采样保持电路和多路传输电路，采样电路由采样电容Csh和CMOS开关管组成，多路传输电路包括选通CMOS开关管、移位寄存器、单位增益跟随器OPA3，移位寄存器依次选通各个通道，信号逐次输出，达到读出信号的目的。上述读出电路的具体工作过程如下：复位开关管Mrst1和Mrst2由Vrst信号控制首先导通，积分电容Cint1和Cint2被复位到参考电平，当复位开关管Mrst1和Mrst2截止时进入积分阶段，第一级CTIA输入级电路积分电容Cint1开始积分。从探测器输出的电荷流入积分电容Cint1，经运算放大器转成电压放大后输出，输出信号经开关电容低通滤波器进行噪声抑制，进入二级CTIA构成的反相比例放大器进行放大，在积分结束时Vsh控制的采样开关导通，输出信号被被每个通道的采样保持电路采样，积分结束后，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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王将，景为平，包伯成，陈墨，徐权，方家熊，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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