集成的半導體光電智能探測器SOC研究

1 序言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195150.htm

　　本文所討論的智能探測器，是一種集成的半導體光電探測器。它與傳統的半導體光敏器件相比，最為明顯的特點是系統集成，即將矽光電二極體與信號的放大、處理電路及輸出電路集成在一個晶片上，使得整個系統的可靠性明顯提高，體積大大減小，功耗和噪聲也大幅度減小，在批量生產的前提下，成本也較為低廉。它的另一個特點是技術含量較高，表現在：第一，需要設計一套CMOS兼容集成工藝流程，使它既能製造出合乎要求的光電二極體又能製造出CMOS模擬和數字電路。第二，工藝要求高。因為光電二極體陣列和外圍讀放電路集成在同一個晶片上，任何一部分出問題就會導致整個晶片報廢。因此，要求較高的成品率和工藝水平。第三，晶片要求設計精度較高，速度較快。在複印機、傳真機和海關檢測等領域，均已使用了功能類似的探測器晶片，但這些探測器晶片都是用於探測線條較粗的物體的。而本文研製的智能探測器要求探測直徑200微米左右的微細線條，這就要求它在設計上要有很高的靈敏度和讀出速度。

2 應用背景

　　本文所研究的智能探測器SOC可被應用於光敏器件陣列的信號放大，和掃描輸出，也可用於其它多通道輸入信號的放大和串行輸出。它可以應用於食品安全檢測、工業CT等多種X射線檢測領域。圖1所示的X射線檢測系統是一個典型的應用範例。傳送帶以較高的速度將被探測的物體(比如說，食品、物品、行李箱等)依次從探測系統中穿過，探測系統自動識別有關信息並將其送入計算機進行處理。按圖中的處理步驟依次為：X射線機發出適當強度的X射線，此射線通過被探測物品後即變成載有圖像信號的射線，然後，載有信號的X射線通過某種特殊的晶體，變成可見光，可見光信號被智能探測器掃描接收，變成串行的電信號，此電信號根據需要，有可能還要進行一些放大，濾波等處理，再經過A／D變換後變成可以被計算機處理的數位訊號輸入計算機，在有關圖像處理和分析軟體的支持下即可在計算機上輸出需要的信息。這樣，自動探測系統就可以以較高的速度進行高精度大批量處理。

　　

3 電路設計

　　智能探測器電路設計採用了相關雙採樣(Correlated double sampling，CDS)的原理來降低噪聲。電路系統的示意圖如圖2所示。每個電荷放大器處理通道由前端的積分器和後端的相關雙採樣組成。為了能夠對積分和讀出進行並行處理，在每一通道上，加入並行的兩個分支，每個分支的結構完全相同。每通道有兩個傳輸門TGA和TGB控制系統的採樣與讀出。當TGA導通時，TGB關閉，於是分支A被連接到輸出總線，64路分支A上的信號被移位寄存器掃描輸出。同時，分支B與輸出總線的聯繫將被切斷，64路分支B上的信號即進行積分與採樣。當TGB導通時，TGA關閉，情況正好相反，分支B輸出信號而分支A積分和採樣。於是，我們可以連續地進行積分，採樣和輸出。在有些情況下，這樣的處理，提高了信號處理速度。

　　如圖2、圖3所示，當φREAD為低電平時，分支A積分和採樣，分支B讀出。首先，φRESET給出一個高電平復位脈衝，將積分器復位。然後φRESET信號變低，積分過程開始。首先，在積分剛剛開始時，分支A中的TG1導通，將積分器輸出信號採樣到電容C1上，此時的輸出信號包括失調及傳輸噪聲。然後，TG1關閉，積分繼續進行。在積分結束前，TG2導通，將積分器輸出信號採樣到電容C2上，此時的輸出信號包括信號電壓，失調及傳輸噪聲。在分支A進行積分及採樣的過程中，分支B中的傳輸門TG1與TG2一直關斷，因此，積分器輸出的變化不會影響到分支B採樣電容上供掃描輸出的信號。同時，分支A中的傳輸門TGA亦關斷，因此，移位寄存器的輸出信號也不會將分支A上的信號連接至輸出總線。

當φREAD由低電平轉變為高電平時，在分支A的採樣電容上儲存好的一對差分信號，將被連接至輸出數據總線Video1與Video2，並被移位寄存器掃描輸出，同時，分支B將進行對信號的積分和採樣。