一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，提供一种具有主动和被动成像双模式的像素级电路，电路由运算放大器、比较器、锁存器、反馈电容、采样电容等部分组成，锁存器开关控制主被动模式的切换。CTIA是电路主结构，采用两个反馈电路用于主、被动成像信息的采样，获得光强信息与光子飞行时间信息，满足新型复合应用需求。本发明专利技术还公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法。本发明专利技术能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。

A pixel level circuit of dual-mode focal plane based on CTIA and its implementation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法
本专利技术涉及激光成像领域，特别是一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法。
技术介绍
根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像系统和被动成像系统两种。被动成像系统最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，如今主要应用于红外成像领域，其缺点是容易受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受环境光源的影响等优点。激光由于它有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点，是人们早就渴望得到的理想的测距光源，因此在它出现后不到一年的时间就被用于测距。目前制造的3D成像激光雷达主要是用来获得目标的距离图像，用来表征目标物的空间方位信息。红外光学图像以目标物的光谱信息为主，反映了目标物反射强度变化，但单一的光学图像难以准确反映出目标的距离信息。如果将激光测距技术与摄影测量技术相结合，融合二者成像数据，实现三维激光成像(即主动成像)，这样便可以获得目标物的更多位置信息，并提高物体的识别能力和抗干扰性。目前，对探测器光生电流检测的像素级电路主要分为以下两种类型：(1)光照强度检测。光强检测一般应用于较弱的光生电流，通常采用电容感应积分检测实现。光生电流在积分电容上积分，经过一段时间的积分可采集到后续检测所需的电压值，从而获得图像的灰度信息，其核心部件是一个电容跨阻放大器(CTIA,CapacitiveTrans-impedanceAmplifier)。(2)激光脉冲到达时间检测。激光脉冲到达时刻检车一般采用时间-幅度转换电路(TAC)或时间-数字转换电路(TDC)实现。时间幅度转换电路(TAC)的核心部件是一个电阻跨阻放大器(RTIA,RegisterTrans-impedanceAmplifier)，电路正常工作时电阻感应的输出电压与被测光生电流成正比，一旦电阻感应到的电压超过比较器的阈值电压，比较器即可反转，输出对应信号，表示激光脉冲到达。当已知光子发射时刻，即可测得飞行时间，进而推算出景深，实现3D成像。由此可见，若要同时完成光强检测和激光脉冲到达时间检测，需要两种不同类型的读出电路。然而随着科技发展，集成化、多功能化已经成为时代趋势。如果想要在一片芯片上同时实现光强检测与光子到达时间检测两个功能，由于大电阻会占用大量面积，将以上两种电路进行简单地叠加并不可行。受限于像素单元的小面积与电路测量的准确性需求，寻找一个可以同时获取目标的光照强度信息和距离信息的简易结构具有相当大的难度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法，本专利技术能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，探测器与运算放大器的负输入端、第一电容的一端、第二电容的一端、复位开关的一端分别连接，运算放大器的输出端与第一采样开关的一端、比较器的正输入端、第一电容的另一端、状态切换开关的第一端、复位开关的另一端分别连接，状态切换开关的第二端与第二电容的另一端连接，状态切换开关的栅极与延迟单元的一端连接，比较器的输出端与模式控制选择器的输入端连接，模式控制选择器的输出端控制第二采样开关，模式控制选择器的输出端与第二采样开关的栅极、延迟单元的另一端分别连接，第二采样开关的源极或漏极与第二采样模块连接，第一采样开关的另一端与第一采样模块连接。作为本专利技术所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，第二电容的电容量是第一电容的电容量的10倍以上。作为本专利技术所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，复位开关、状态切换开关、第一和第二采样开关均为MOS互补开关；其中，状态切换开关的第一端为源极时，状态切换开关的第二端即为漏极；状态切换开关的第一端为漏极时，状态切换开关的第二端即为源极。作为本专利技术所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路进一步优化方案，模式控制选择器为模式选择和锁存器，模式控制选择器包括第一或非门、第二或非门、第一至第三PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，其中，第一或非门的第一输入端接地，第一或非门的第二输入端接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端与第二或非门的第一输入端、第一PMOS管的源极、第二NMOS管的漏极分别连接，第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极接地，第三PMOS管的源极与第二PMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极接电源；第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第三PMOS管的栅极接复位信号，第二PMOS管的栅极接被动模式使能信号。基于上述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法，双模式焦平面像素级电路有主动模式和被动模式，主动被动模式的切换由模式控制选择器的模式选择开关进行控制；运算放大器的输出端设为N1点，比较器的输出端设为N2点，模式控制选择器的输出端设为N3点；当电路工作在主动成像模式下时，首先对积分电容复位，即令复位开关闭合，将N1点电位复位至Vref，此时保证Vref<Vth，避免比较器反转；随后断开复位开关，电路进入待测状态；在0时刻，脉冲发射器向目标物发射激光信号，此时外部的斜坡信号开始输入至第二采样开关的第一端并保持不变，第二采样开关的第二端与第二采样模块连接，经过延时时间tr后斜坡信号开始上升；Vref为运算放大器的复位电压，Vth为比较器的翻转电压；当探测器检测到激光脉冲时，光生电流首先在第一电容上积分，N1点电位上升，触发比较器反转，比较器输出高电平，并经模式控制选择器将状态锁存，保持N3点为高电平至下一次复位以避免N2点电平在后续积分过程中反转；与此同时，N3输出的高电平经延迟单元后触发状态切换开关闭合，第二电容分享第一电容中存储的电荷，使得N1点的电位下降；同时N3点的高电平触发第二采样模块，对斜坡信号进行采样，输出模拟电压量V3D，V3D通过后级ADC进而推算出光子飞行时间；之后随着积分时间延长，N1电位再次上升，积分结束后由第一采样模块采样N1点电压，输出反映光照强度的模拟电压量V2D，V2D经后级ADC转换为光强信号；其中第一采样开关在电路开始积分前τ时刻闭合，在电路复位时断开。当电路工作在被动模式下时，模式控制选择器控制S2始终处于闭合状态，这种模式下采样N1点电位获得单一的红外光强信息。作为本专利技术所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，/n探测器与运算放大器的负输入端、第一电容的一端、第二电容的一端、复位开关的一端分别连接，运算放大器的输出端与第一采样开关的一端、比较器的正输入端、第一电容的另一端、状态切换开关的第一端、复位开关的另一端分别连接，状态切换开关的第二端与第二电容的另一端连接，状态切换开关的栅极与延迟单元的一端连接，比较器的输出端与模式控制选择器的输入端连接，模式控制选择器的输出端控制第二采样开关，模式控制选择器的输出端与第二采样开关的栅极、延迟单元的另一端分别连接，第二采样开关的源极或漏极与第二采样模块连接，第一采样开关的另一端与第一采样模块连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，
探测器与运算放大器的负输入端、第一电容的一端、第二电容的一端、复位开关的一端分别连接，运算放大器的输出端与第一采样开关的一端、比较器的正输入端、第一电容的另一端、状态切换开关的第一端、复位开关的另一端分别连接，状态切换开关的第二端与第二电容的另一端连接，状态切换开关的栅极与延迟单元的一端连接，比较器的输出端与模式控制选择器的输入端连接，模式控制选择器的输出端控制第二采样开关，模式控制选择器的输出端与第二采样开关的栅极、延迟单元的另一端分别连接，第二采样开关的源极或漏极与第二采样模块连接，第一采样开关的另一端与第一采样模块连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，第二电容的电容量是第一电容的电容量的10倍以上。


3.根据权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，复位开关、状态切换开关、第一和第二采样开关均为MOS互补开关；其中，状态切换开关的第一端为源极时，状态切换开关的第二端即为漏极；状态切换开关的第一端为漏极时，状态切换开关的第二端即为源极。


4.根据权利要求1所述的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，其特征在于，模式控制选择器为模式选择和锁存器，模式控制选择器包括第一或非门、第二或非门、第一至第三PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管，其中，
第一或非门的第一输入端接地，第一或非门的第二输入端接第二或非门的输出端，第一或非门的输出端与第二或非门的第一输入端、第一PMOS管的源极、第二NMOS管的漏极分别连接，第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极接地，第三PMOS管的源极与第二PMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极接电源；第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第三PMOS管的栅极接复位信号，第二PMOS管的栅极接被动模式使能信号。


5.基于权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑丽霞，孙亚伟，周颖，陈成龙，崔新宇，吴金，孙伟锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32