基于光电传感器的参数可调读出电路设计.doc

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1、 本科毕业设计（论文）题目基于光电传感器的参数可调读出电路设计学生姓名： 刘 泉 专 业： 集成电路设计与集成系统指导教师： 黄 静 完成日期： 2013年5月31日 原 创 性 声 明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论

2、文在解密后应遵守此规定）学生签名： 指导教师签名： 日期： 南 通 大 学 毕 业 设 计（论文）题目： 基于光电传感器的参数可调读出电路设计 姓 名： 刘 泉 指导教师： 黄 静 专 业：集成电路设计与集成系统 南通大学电子信息学院 2013 年 5 月31日摘 要光电传感器实现了由光到电的转换，它是把光信号（如红外光、可见的紫外光和一些光照辐射等）转变成为电信号的元器件。具有精度高、反应快、非接触等优点，广泛应用于军事、工业、医疗等诸多领域。本文介绍了光电传感器读出电路在国内外的发展现状及趋势。对几种不同类型的读出电路进行了比较，分析了电容反馈互导放大器（CTIA）和相关双采样（CDS）的

3、读出电路原理，在其中加入了时序控制，设计了一款基于光电传感器参数可调的时序控制读出电路，利用Spice软件设计电路并进行仿真。仿真结果如下：CTIA型读出电路，具有非常低的噪声，其输出信号线性度好。CDS技术可以有效的降低复位噪声。在CTIA型读出电路中，积分时间的控制采用D触发器的移位寄存器结构，得到t=ln2RC,可知信号脉宽长度和电阻值存在线性关系，可以经过电阻、电容大小的调节，获取不同的脉宽长度，实现了对读出电路的时序控制。关键词：光电传感器，读出电路，电容反馈互导放大器，相关双采样，D触发器ABSTRACTPhotoelectric sensor is fast-response a

4、nd with high precision, which achieves more and more applications now .It can transformed the optical signal into electrical signal. The development of readout circuit about the photoelectric sensor at home and abroad had been described in this paper. By comparing several different types of read-out

5、 circle, the theory of the capacitive feedback trans-impedance amplifier (CTIA) and the correlated double sampling (CDS) had been analyzed in this paper. Adding the timing control, it designs a photoelectric sensor readout timing control circuit based on the adjustable parameters and makes the simul

6、ation with the software Spice.Key words: Photoelectric sensors, Readout Integrated Circuit, CTIA, CDS, D flip-flop目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1本课题研究的意义11.2研究领域现状和发展趋势11.3本文的组织结构1第二章 各种读出电路的分析比较32.1读出电路的原理图32.2读出电路的类型32.2.1自积分型读出电路（SI ROIC）32.2.2源跟随器型读出电路（SFD ROIC）42.2.3直接注入读出电路（DI ROIC）42.2.4电阻

7、负载栅调制读出电路（RL ROIC）52.2.5电阻反馈跨阻放大器（RTIA ROIC）52.2.6反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC）62.2.7电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）62.2.8电容反馈互导放大器读出电路（CTIA ROIC）7第三章 具有CDS的CTIA型读出电路83.1 具有CDS的CTIA型读出电路结构83.2具有CDS的CTIA型读出电路的工作原理83.3 CTIA放大级93.4电压采样级113.5输出缓冲级123.6参数可调控制电路设计与分析13第四章 CTIA读出电路噪声和CDS结构164.1读出电路的噪声分析164.1.1固定图形噪声（FPN）164

8、.1.2KTC噪声164.1.3闪烁噪声(1/f噪声)174.1.4散粒噪声174.2相关双采样（CDS）抑制噪声174.3减法器设计18结束语20参考文献21致 谢22附 录23第一章 绪 论1.1本课题研究的意义光电式传感器可非接触地探测物体, 广泛用于自动化领域, 如管理系统、机械制造、包装工业等。然而, 光电式传感器也有它的缺点，产生的电流信号微弱，所以需要得到性能优良的读出电路将其信号放大。故设计时，采用了不同的读出结构, 可以降低电路信号偏差，提高信噪比。基于电容反馈互导放大器(CTIA)结构的读出电路，一般都具有非常低的噪声，其输出信号的信噪比好。CTIA 是由一个运放和一个反馈

9、积分电容构成的一种复位积分器，如果控制好积分时间，就能得到合适的信号输出。但一般电路中的复位开关都会带来闪烁噪声、KTC 噪声和散粒噪声等，为了使这些噪声影响降到最低，在输出级后添加一个相关双采样(CDS)电路结构，可以明显的得到改善，所以CTIA 和CDS 的组合结构不但结构简单易懂，更重要的是它提高了读出电路的性能和减小了一些不可避免的噪声影响1。在最后加入一个合理的控制电路，就能实现对光电传感器的时序控制，它具有结构简单，性能稳定，控制方便等特点。1.2研究领域现状和发展趋势随着信息时代的来临，在各种系统的自动化程度和复杂性增加，人们需要获取的信息量越来越多的今天，传感器已完全渗入了诸如

10、工业生产、医学诊断、环境保护、资源调查、海洋探测、生物工程、宇宙开发甚至文物保护等多个领域。传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，在现代的工艺生产中，几乎每个项目都离不开各式各样的传感器2。未来读出电路的发展主要集中在这几个方面：高度集成、片上A/D转换、功能丰富、多色工作、光链接、只能焦平面阵列。1.3本文的组织结构CTIA型读出电路具有非常低的信号噪声，其输出线性度好。CDS电路能有效的抑制噪声，应用非常广泛。在此基础上加入以D触发器为基础的移位寄存器控制其时序控制。在熟练掌握关于光电传感器和读出电路的基础知识上，使用Spice软件对CTIA

11、和CDS电路进行仿真分析。本文共分四章，各章节的主要研究内容如下：第一章为绪论，简要介绍了光电传感器的发展现状和发展趋势、对读出电路时序控制的意义。第二章对各种读出电路的介绍，分析不同读出电路的类型以及它们的工作原理、优缺点。第三章重点分析CTIA读出电路的结构和工作原理。第四章对CDS结构电路的分析，介绍其对抑制噪声的作用与原理。为CTIA和CDS的组合结构设计控制时序，对其进行仿真，最终与理论结果作比较分析。第二章 各种读出电路的分析比较 2.1读出电路的原理图通过光电探测器检测到微弱的电流信号，复位开关开始导通，CTIA读出单元对信号进行积分放大，再通过CDS分别进行采样，经过行列选通信

12、号的依次选通，将信号由并到串进行转换，最终得到有效的积分信号，当选通输出过程结束后，经过时序电路的控制，新一轮的信号积分和选通输出又重新开始。探测器单元CTIA单元采样信号产生电路CDS单元行列选通信号产生电路复位信号产生电路图2.1 读出电路原理图2.2读出电路的类型2.2.1自积分型读出电路（SI ROIC）自积分型读出电路仅有一个积分电容和MOS开关管，是结构最为简单的读出电路。如图2.2所示。在SI读出电路中通常取电荷为输出信号，通过多路传输器输出积分信号。积分放大器直接接在开关管后，每次采样结束后由外电路对积分电容进行复位。因此，自积分型读出电路容易产生杂散电容，并且无信号增益，积分

13、信号易受噪声干扰5。图2.2 自积分型读出电路2.2.2源跟随器型读出电路（SFD ROIC）在每个探测器后接一个MOS源跟随器（SFD）构成缓冲放大器6，即为源跟随器型读出电路，如图2.3所示。SFD型读出电路属于一种由高阻抗放大器直接积分的电路，优点在于它可以探测初值非常均匀的偏压，具有满意的信噪比。但在高背景下，它的缺点非常明显，比如：输出信号的非线性问题，沟道热噪声、复位开关管的KTC噪声和MOS管的1/f噪声等。图2.3 源跟随器型读出电路2.2.3直接注入读出电路（DI ROIC）直接注入DI读出电路通过积分电容实现了电流到电压的转换。其结构如图2.4所示。最大的优点是光生电流的注

14、入率比较高。当然，DI ROIC容易受电源电压的限制，在低背景下，跨导减小，光生注入的效率明显降低，同时这种电路存在明显的空间噪声。图2.4 直接注入型读出电路2.2.4电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC）RL读出电路的构造和CM读出电路相似，RL ROIC用比较大的阻值电阻代替了MOS管，其结构如图2.5所示。RL电路的性能和CM电路很相似，优点在于用电阻代替了MOS管，电路的1/f噪声得到减小。但由于CMOS工艺的不完善和不兼容，无法制作电阻值太大的电阻。而当输入电流极小时，读出电路的均匀度和线性度都较差，实际应用不多。图2.5 电阻负载栅调制读出电路2.2.5电阻反馈跨阻放大器（RT

15、IA ROIC）RTIA读出电路由一个运算放大器和一个电阻并联组成，其结构如图2.6所示。与CTIA读出电路比较相似RTIA读出电路，最大的缺点用电阻代替了积分电容和MOS开关，使电路丧失了原有的积分功能，只能获知输出的电压与输入电流存在正比关系。由于电阻值的扩大可以提高增益，但大电阻占用面积较大，与CMOS工艺冲突，制作困难，所以应用比较少。图2.6 电阻反馈跨阻放大器2.2.6反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC）FEDI型读出电路结构如图2.7所示。优点在于它在低辐射背景下，读出电路的输入电阻降低，从而注入效率得到提高。此电路存在的最大问题就是功耗大，待改进。图2.7 反馈增强直

16、接注入读出电路2.2.7电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）CM读出电路利用两个对称的MOS管形成电流镜栅结构，其结构如图2.8所示。因为读出电路的面积限制，所以很难制作很大的积分电容Cint。在高辐射背景条件下，大注入电流会使Cint快速趋于饱和，使读出电路读取信号的能力减弱。当探测器输出电流逐渐增大时，会降低读出电路的电流增益。所以，CM读出电路可以在高辐射背景条件下工作。但由于没有稳定均匀的偏置，而且输出信号和注入电流的关系是非线性的，所以CM读出电路的整体性能比较差，适用范围也比较窄7。图2.8 电流镜栅调制读出电路2.2.8电容反馈互导放大器读出电路（CTIA ROIC）CTIA读

17、出电路主要由积分电容、运算放大器和复位开关管构成，如图2.9所示。通过积分电容Cint将注入电流进行积分放大，积分电容决定了增益大小，最大的优点是输入阻抗低、偏置电压比较稳定，非常低的噪声和良好的输出信号的线性度，便于后续信号处理电路处理。但是读出电路功耗和面积较大，复位开关的导通与截止会产生KTC噪声7。图2.9 电容反馈互导放大器读出电路 第三章 具有CDS的CTIA型读出电路3.1 具有CDS的CTIA型读出电路结构CTIA型读出电路主要由CTIA放大级、电压采样级、输出缓冲级三部分组成。其电路图如图3.1所示。图3.1 CTIA读出电路结构3.2具有CDS的CTIA型读出电路的工作原理

18、具有CDS的CTIA型光电传感器读出单元电路，如图所示。图3.2具有CDS的CTIA型读出电路单元图3.2电路主要由3个模块构成，第一模块是由反馈积分电容Cint和高增益运算放大器构成的CTIA单元，与积分电容和复位开关并联，并由Reset信号控制。第二模块主要是两个采样电路，简称CDS单元，由C1控制的信号简称Sh1，由C2控制的信号简称Sh2。最后一个模块是电压缓冲器，主要作用为提高了后续输出的驱动能力，并减少了后续电路对采样保持电容上电荷量的影响。工作原理如下：1） 开始Reset是高电平时，复位开关开始工作导通，积分电容Cint开始慢慢放电，当放电结束后，Reset跳为高电平，同时复位

19、开关断开；2） 当第一个采样控制信号Sh1为低电平时，采样开关开始工作导通，积分前的采样电压在电容C1上得到，采样结束后Sh1跳为高电平，同时开关断开，信号持续在电容C1上，电路开始进入信号积分过程；3） 经过一段时间后，采样控制信号Sh2变为低电平，采样开关开始工作导通，积分后的电压在电容C2上获得，此时整个信号积分过程结束，Sh1和Sh2采样的时间间隔就是积分时间T；4） 最后把C2上取得的V2和 C1上V1相减，获得有效的输出电压；有效输出电压为：（3-1）Idet=注入的光电流的大小，Cint =一个常数，T=读出单元的积分时间。一般为了防止CTIA的输出饱和，采用限制Vout的大小解

20、决，控制Vout的最大值，所以根据不同的光电流通常采用与之对应的、合适的积分时间，同时Reset需保持足够的脉宽长度8。3.3 CTIA放大级图3.3为CTIA放大级，将探测器输入的微弱感应电流在积分电容C1上积分转化为电压输出到下一级。PMOS复位开关管M1对积分电压进行复位，时钟信号电压源Rest控制PMOS管的导通与截止9。高电平时开关管截止，积分电容充电；低电平时开关管导通，积分电容复位。图3.3 CTIA放大级在注入电流积分过程中，当探测器注入电流不变，积分电容C1增大时，输出电压随时间变化变缓，放大器灵敏度有所减小。当积分电容C1不变，探测器注入电流增大时，输出电压随时间变化变快。

21、当注入电流为10nA时，积分电容分别取1pf、2pf、4f、6pf时的积分输出电压波形图3.4和积分电容取1pf，积分电流分别取1nA、10nA、50nA、100nA、200nA时的积分输出电压波形图3.5 。图3.4 当注入电流为200nA时不同积分电容的积分输出电压图3.5 积分电容为1pf时不同注入电流的积分输出电压由以上两图可知仿真结果可知，积分输出电压的变化率与积分电容成反比和注入电流成正比。对于不同的光强照射，产生不同大小的光生注入电流。因此，需要根据不同的光强照射适当调节CTIA型读出电路参数，控制其积分时间。3.4电压采样级基本的采样电路具有一个模拟信号输入，一个控制信号输入和

22、一个模拟信号输出。该电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压直至下次采样开始为止。一般由一个MOS管作为开关管和一个保持电容，其电路结构如图3.6所示。用MOS管做开关的优点：(a)MOS管的工作性质属于电压控制，当流过的电流为零时，MOS依然可以工作；(b)栅极电压的变化对源极和漏极的电压不产生影响。图3.6电压采样电路采样工作在采样状态和保持状态的两种状态之一。在采样状态下，MOS管导通，快速跟踪模拟输入信号的电平变化，直到保持信号的到来；在保持状态下，MOS管断开，跟踪过程停止。3.5输出缓冲级一般为了提高输出信号的信噪比和后续输出的驱动能力，防止外电路电容对采样电

23、容产生干扰，降低采样电路的跟踪和保持效果。在放大器后面后面放置一个“缓冲器”。源跟随器（也叫做共漏极放大器）就可以起到一个电压缓冲器的作用11。该读出电路使用的源跟随器是用PMOS和NMOS串联组成，结构如图3.7所示。图3.7 源跟随器3.6参数可调控制电路设计与分析如图3.8所示，设计了一个时序控制电路，主要由4个D触发器和4个反相器，并在外部分别都增加了无源元器件：一个电阻R和一个电容C，提供了复位开关的控制信号和CDS两次采样的控制信号。该控制电路通过单稳态电路产生控制信号脉冲，可依次产生Reset、Sh1、Sh2 控制信号。最终通过对电阻R和电容C的调节实现了有效控制信号的脉宽长度数

24、、积分时间等参数。图3.8参数可调控制电路原理图具体分析：由一个电阻R、一个电容C、一个反相器和一个D触发器构成的一个小单元电路，电源VDD提供电源，VDD/2为反相器的阈值电压。在Td端给一个信号，D触发器的D输入端为高电平，输出端Q为低电平时，复位信号Clr为高电平。Clr为上升沿有效，当出现一个上升沿脉冲时，因为D=Qn+1，即Q端为高电平，电容C就开始工作，充电开始。当电容C上的电压逐渐变大，当它等于反相器的阈值电压即VDD/2时，此时D触发器的Clr跳为低电平，同时反相器的输出端Q也跳为低电平，电路进入稳态。在整个过程中，输出的脉宽长度可以定义为电容开始充电到两端的电压等于反相器的阈

25、值电压所需的时间。充电时间与电容两端的电压V（t）可以表示为：（3-2）将 由VDD/2代入可得到一个电路单元的输出信号脉宽长度：（3-3）由式3-3如果想要得到不同的脉宽长度，非常简单，只要调节电阻R的大小就可以了。由图3.8可知，在Td端出现一个脉冲上升沿，第一个由R、C组成的简单电路开始工作，产生第一个Reset控制信号，接着Reset的信号上升沿触发由R、C组成的第二个简单电路，继而产生了一个脉宽可调的控制信号即Sh1。然后Sh1信号的上升沿触发由R、C组成的第三个简单电路，会产生一个过度信号，最后该过渡信号触发由R、C组成的第四个简单电路，又产生了一个控制信号即Sh2。所以两个控制信

26、号Sh1和Sh2之间的过渡信号，它的脉宽长度就是我们所需的积分时间大小，可通过改变R的阻值大小和电容C的大小得到调节。所以通过调节特定的电阻阻值或电容值就实现了相关参数的调节。图3.9为不同参数对应的时间表达：可调参数调节参数Reset复位时间 Sh1采样时间 Sh2采样时间 积分时间 图3.9参数可调控制电路实现的可调参数为了实现对积分时间的可调，使R2电阻大小不变，改变C2的大小（1）参数设定：R1=R3=3K，C1=C3=1nF，R0=R2=5K，C0=1nF，C2=5nF，电路的仿真结果如图3.10，积分时间约为Reset脉宽长度的5倍，仿真结果与分析符合。图3.1（2）为了改变积分时

27、间的大小，还是使R0=R2=5K，C0=1nF，改变C2=2nF，电路的仿真结果如图3.11，积分时间约为Reset脉宽长度的2倍，仿真结果与分析符合。图3.11为了实现对积分时间的可调，使C2电容大小不变，改变R2的大小（1）参数设定：R1=R3=3K，C1=C3=1nF，C0=C2=5nF，R0=1K，R2=5K，电路的仿真结果如图3.12，积分时间约为Reset脉宽长度的5倍，仿真结果与分析符合。图3.12（2）为了改变积分时间的大小，还是使C0=C2=5nF，R1=1K，改变R2=2K，电路的仿真结果如图3.13，积分时间约为Reset脉宽长度的2倍，仿真结果与分析符合。图3.13根据

28、以上的分析：证实了积分时间可通过改变R的阻值大小和电容C的大小得到调节。从而实现了对读出电路的参数可调的时序控制。第四章 CTIA读出电路噪声和CDS结构CTIA读出电路中存在各种内部噪声，影响了探测微弱光信号的能力。读出电路中的有些噪声是因器件的材料和制造工艺的偏差导致的，无法避免。但同一电路的噪声在时间上会有一定的相关性，所以在基本CTIA电路结构的基础上进行一定改进，引入相关双采样(CDS)结构，抑制电路噪声， 提高输出信号的信噪比12。读出电路的噪声按产生机制来说主要分为三大类：一是器件固有的噪声如热噪声和1/f噪声以及散粒噪声；二是由电路结构和工作方式引起的噪声，如KTC噪声和衬底噪

29、声；三是制造误差引起的空间噪声，如固定图形噪声。为了了解噪声的特性，需要对各种噪声的产生原因进行分析13。4.1读出电路的噪声分析4.1.1固定图形噪声（FPN）固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的像素上产生的输出信号不完全相同。由于制造工艺不够完善或材料差异，例如有的MOS管的几何尺寸制造存在误差，或有些MOS管阈值电压可能不同。其中几何尺寸的误差对整体的影响较小，而MOS管的阈值电压偏差对读出电路性能影响比较严重，因为阈值电压的偏差可以直接转化为Vgs ，而ID=gmVgs，所以MOS管的阈值电压偏差过大，直接会降低输出信号的信噪比。 4.1.2KTC噪声读出电路的另一种主

30、要噪声就是KTC噪声，它是由MOS管和电容共同引起的。在读出电路中，积分电容的每一次复位导通，它的沟道电阻都会产生一定的热噪声，越积越多，这种噪声会传送到电容上去，就形成了我们常说的KTC噪声。（4-1）由上式可以看出，KTC噪声的大小与积分电容的大小存在函数反比的关系，所以通过增大积分电容可以在一定程度上减小KTC的噪声电压。但积分电容增大又会增大电路的容性阻抗，使电路的充放电时间增加，从而降低了电路速度。同时需要指出的是，KTC噪声本质上是一种热噪声，是MOS管沟道载流子随机运动产生的电压波动产生的，所以温度越高，KTC噪声越大。4.1.3闪烁噪声(1/f噪声)闪烁噪声又称为1/f噪声。主

31、要存在于1KHz以下的有源器件中 ，这种噪声产生的原因与半导体材料制作时表面的清洁处理和外加电压有关，在高频工作时一般不考虑它的影响。在CMOS电路中PMOS管的宽长比一般都比NMOS管大，在采用工艺最短沟道长度时，相对于NMOS管而言PMOS管的面积比较小，故 PMOS 晶体管产生的 1/f噪声比 NMOS 晶体管要低的多，所以，通常都用 PMOS 晶体管来代替 NMOS 晶体管，对降低1/f噪声有着明显的效果。4.1.4散粒噪声载流子流过一个耗尽区时产生的电流波动产生的噪声即为散粒噪声。散粒噪声一般与二极管或双极晶体管的电流波动有着紧密的联系。MOS管工作在亚阈值区时，需要有势垒和电流来产

32、生散粒噪声。散粒噪声也可建模为WGN（高斯噪声），因为它具有0均值，且具有极宽的平带谱密度。4.2相关双采样（CDS）抑制噪声目前运用最广泛最成功的抑制噪声的方法是采用相关双取样电路（CDS）。相关双取样的原理是利用了噪声在时间上的相关性，即在很短间隔的两个时间点，同一节点上噪声的大小很接近。那么在同一节点上极短时间内取样两次再进行相减，噪声就可以很大程度上减小。相关双采样技术能有效消除KTC噪声，也能降低1/f噪声和FPN噪声14。CDS电路结构如图4.1所示。图4.1 相关双采样电路结构CTIA放大级输出端与两个电容采样电路并联，第一次采样控制时序为C1，第二次采样控制时序为C2；采样电路

33、的输出端后加入两个源跟随器，缓冲输出源跟随器控制时钟为C3，当第二次采样结束时，两个输出缓冲电路同时导通，两个采样电容上的采样电压同时输出。电路的控制时序如图4.2所示。图4.2 CDS电路控制时序4.3减法器设计在相关双采样CDS电路后加一个减法器15，将两次采样所得的电压相减，最后输出消除噪声后的电压值。电路结构如图4.5所示。图4.5 减法器电路结构因为（4-2） （4-3） 设 ,因为 ,所以可得减法器输出电压 （4-4） 本章分析了读出电路的噪声来源，并提出了一种可以有效抑制噪声的CDS结构。通过减法器将源随器的输出电压信号相减，最后通过调节电路结构减小了输出电压反馈干扰。通过功能仿

34、真可知，CDS结构中的采样电容能成功对积分输出电压进行两次跟踪采样，减法器可实现两次源随器输出电压的相减。结束语 光电传感器用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用来检测能转换成光电量变化的其他非电量，因此被广泛应用于各大领域，微弱光量的转换势必要经过放大，而读出电路正是用于检测并放大光电探测器产生的微弱电流信号。CTIA型读出电路作为一种应用最为广泛的读出电路结构，具有偏置电压稳定、噪声低等优点，近年来成为研究的热点。但是由于电路结构、工作原理和工艺条件限制等原因，CTIA型读出电路的性能不可避免会受到噪声的影响，所以有必要在读出电路中加入噪声处理电路，可以显著提升电路对微弱信号的处理能力。

35、本文介绍了几种不同读出电路结构，并分析了不同电路结构的优劣。其中重点介绍了CTIA型读出电路结构及其工作原理，详细描述了CTIA型读出电路的优势。分析了读出电路噪声的产生原因，提出了能有效消除固定图形噪声，KTC噪声，1/f噪声和散粒噪声的相关双采样结构。运用相关双采样CDS电路对抑制电路噪声起到明显效果，提高了读出电路输出信号的信噪比。 基于电容反馈互导放大器和相关双采样结构，设计了参数可调的时序控制电路，通过对电路的仿真，验证了设计的合理性。由电路的仿真结果可知:1） 当积分电容大小改变时，读出电路的灵敏度随积分电容的减小而提高；2） 用PMOS晶体管代替NMOS晶体管能降低电路的1/ f

36、噪声；3） 源跟随器能提高后续输出的驱动能力，防止外电路电容对采样电容产生干扰，对采样电压进行缓冲输出和跟踪；4） 相关双采样CDS结构能有效的抑制噪声；5） 在读出电路中加入一个时序控制电路，可通过对电阻R和电容C的调节实现有效控制信号的脉宽长度数、积分时间等参数。以上结果表明，该CTIA型读出电路能有效地检测并放大光电探测器产生的微弱电流信号，相关双采样结构能合理的对积分输出电压进行采样输出，并同时有效的抑制了一些噪声，同时设计的时序电路也能有效的对一些可调参数的控制。参考文献1 Phillip E.Allen Douglas R.Holberg.CMOS模拟集成电路设计M .北京:电子工

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38、10,（06）:48-528 詹国钟,过方敏,黄静,朱荣锦.光电传感器读出电路的参数可调控制研究J .红外技术,2008,08:54-589 毕查德,拉扎维.模拟CMOS集成电路设计M .西安:西安交通大学出版社,201110 张智,袁祥辉,黄友恕,吕果林.一种用于大面积CMOS FPA的相关双采样保持电路J .半导体光电,2003,04:24-2711 Han J Q,Guo F M.Research of High Dynamic Range Readout CircuitsJ.IC Design and Application,2011.36(01):41-4412 Li Y,Bai P

39、 J,Wang B.Focal Plane ROIC with Pixel AccumulationJ.Infrared and Laser Engineering,2011,40(11):2110-211313 张实华,张兴华.CTIA型读出电路的噪声抑制J.四川理工学院学报,2008,21（03:97-9914 曾强,吕坚,蒋亚东.一种红外CMOS读出电路相关双采样结构J.微处理机,2009,(06):11-1415 康华光.电子技术基础模拟部分M .第五版,北京:高等教育出版社,2006,1:58-67致 谢本文是在黄静老师的指导和关注下进行的，从论文的选题，研究方向确定，再到具体的仿真

40、研究方案，黄老师都给予了我很大的帮助。首先感谢黄静老师。黄老师治学严谨，为人和蔼可亲，体谅学生，为我营造了良好的学习精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，使我接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式。在做毕业设计之前，网上和图书馆形形色色的图文资料让我一时找不到研究的方向，通过黄老师悉心的点拨，再经思考后的领悟，常常让我“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。在毕业设计进行中，也是由于黄老师的耐心指导我才顺利克服了一道道难题，实现了自己的预期目标。在递交初稿以后，黄老师还对我的论文进行细心的修改，使得我的论文内容日趋完善。 其次我要感谢在百忙之中抽出时间来审阅论文的各位老师，感谢你们对论文提出的宝贵修改意见。以后我会谨记诸位老师的教诲，努力向上，奋力拼搏。附 录运算放大器LM324的电路结构