基于CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)智能探測器研究

1 序言

　　本文所討論的智能探測器，是一種集成的半導(dǎo)體光電探測器。它與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光敏器件相比，最為明顯的特點(diǎn)是系統(tǒng)集成，即將硅光電二極管與信號(hào)的放大、處理電路及輸出電路集成在一個(gè)芯片上，使得整個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)的前提下，成本也較為低廉。它的另一個(gè)特點(diǎn)是技術(shù)含量較高，表現(xiàn)在：第一，需要設(shè)計(jì)一套CMOS兼容集成工藝流程，使它既能制造出合乎要求的光電二極管又能制造出CMOS模擬和數(shù)字電路。第二，工藝要求高。因?yàn)楣怆姸O管陣列和外圍讀放電路集成在同一個(gè)芯片上，任何一部分出問題就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片報(bào)廢。因此，要求較高的成品率和工藝水平。第三，芯片要求設(shè)計(jì)精度較高，速度較快。在復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和海關(guān)檢測等領(lǐng)域，均已使用了功能類似的探測器芯片，但這些探測器芯片都是用于探測線條較粗的物體的。而本文研制的智能探測器要求探測直徑200微米左右的微細(xì)線條，這就要求它在設(shè)計(jì)上要有很高的靈敏度和讀出速度。

2 應(yīng)用背景

　　本文所研究的智能探測器SOC可被應(yīng)用于光敏器件陣列的信號(hào)放大，和掃描輸出，也可用于其它多通道輸入信號(hào)的放大和串行輸出。它可以應(yīng)用于食品安全檢測、工業(yè)CT等多種X射線檢測領(lǐng)域。圖1所示的X射線檢測系統(tǒng)是一個(gè)典型的應(yīng)用范例。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(tǒng)中穿過，探測系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別有關(guān)信息并將其送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。按圖中的處理步驟依次為：X射線機(jī)發(fā)出適當(dāng)強(qiáng)度的X射線，此射線通過被探測物品后即變成載有圖像信號(hào)的射線，然后，載有信號(hào)的X射線通過某種特殊的晶體，變成可見光，可見光信號(hào)被智能探測器掃描接收，變成串行的電信號(hào)，此電信號(hào)根據(jù)需要，有可能還要進(jìn)行一些放大，濾波等處理，再經(jīng)過A／D變換后變成可以被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在有關(guān)圖像處理和分析軟件的支持下即可在計(jì)算機(jī)上輸出需要的信息。這樣，自動(dòng)探測系統(tǒng)就可以以較高的速度進(jìn)行高精度大批量處理。

3 電路設(shè)計(jì)

　　智能探測器電路設(shè)計(jì)采用了相關(guān)雙采樣(Correlated double sampling，CDS)的原理來降低噪聲。電路系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。每個(gè)電荷放大器處理通道由前端的積分器和后端的相關(guān)雙采樣組成。為了能夠?qū)Ψe分和讀出進(jìn)行并行處理，在每一通道上，加入并行的兩個(gè)分支，每個(gè)分支的結(jié)構(gòu)完全相同。每通道有兩個(gè)傳輸門TGA和TGB控制系統(tǒng)的采樣與讀出。當(dāng)TGA導(dǎo)通時(shí)，TGB關(guān)閉，于是分支A被連接到輸出總線，64路分支A上的信號(hào)被移位寄存器掃描輸出。同時(shí)，分支B與輸出總線的聯(lián)系將被切斷，64路分支B上的信號(hào)即進(jìn)行積分與采樣。當(dāng)TGB導(dǎo)通時(shí)，TGA關(guān)閉，情況正好相反，分支B輸出信號(hào)而分支A積分和采樣。于是，我們可以連續(xù)地進(jìn)行積分，采樣和輸出。在有些情況下，這樣的處理，提高了信號(hào)處理速度。

　　如圖2、圖3所示，當(dāng)φREAD為低電平時(shí)，分支A積分和采樣，分支B讀出。首先，φRESET給出一個(gè)高電平復(fù)位脈沖，將積分器復(fù)位。然后φRESET信號(hào)變低，積分過程開始。首先，在積分剛剛開始時(shí)，分支A中的TG1導(dǎo)通，將積分器輸出信號(hào)采樣到電容C1上，此時(shí)的輸出信號(hào)包括失調(diào)及傳輸噪聲。然后，TG1關(guān)閉，積分繼續(xù)進(jìn)行。在積分結(jié)束前，TG2導(dǎo)通，將積分器輸出信號(hào)采樣到電容C2上，此時(shí)的輸出信號(hào)包括信號(hào)電壓，失調(diào)及傳輸噪聲。在分支A進(jìn)行積分及采樣的過程中，分支B中的傳輸門TG1與TG2一直關(guān)斷，因此，積分器輸出的變化不會(huì)影響到分支B采樣電容上供掃描輸出的信號(hào)。同時(shí)，分支A中的傳輸門TGA亦關(guān)斷，因此，移位寄存器的輸出信號(hào)也不會(huì)將分支A上的信號(hào)連接至輸出總線。

當(dāng)φREAD由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在分支A的采樣電容上儲(chǔ)存好的一對(duì)差分信號(hào)，將被連接至輸出數(shù)據(jù)總線Video1與Video2，并被移位寄存器掃描輸出，同時(shí)，分支B將進(jìn)行對(duì)信號(hào)的積分和采樣。