[发明专利]一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路

说明书

本发明属于光电探测技术领域，具体为一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路。本发明中，光导型探测器是以二维材料做沟道的二端口器件，感光器件做光敏像素、经遮光处理的器件做盲元像素，光敏像素与可调补偿电阻串联，与盲元像素相互配合作为后边CTIA电路的输入级。CTIA型读出电路由一个高增益的运算放大器、档位可调的积分电容C_int以及电容复位开关R_st构成。运算放大器为两级运放结构。本发明突破了目前难以将硅以外的半导体与硅基电路进行结合的难题。CTIA注入级采用两级运放，极大提高了电路增益；使用档位可调的积分电容，提高了读出电路与不同类型、不同性能光电探测器耦合的适配性；并且具有单元电路面积小、集成度高等优点。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路。

背景技术

自光电探测器问世以来，从单元到线阵再发展到面阵，早期的单元阵列并不需要专用的读出电路，但是随着光敏元或像元数量的逐步增加，把阵列信号引出逐渐演变成庞大的工程，由于引线过多，外部需要的处理电路也随之增加，这严重阻碍了阵列规模的扩大。在这种技术发展的驱动下，专用的读出电路出现了，它的主要作用是把并联信号转换成串联信号，然后再通过模拟放大和模数转换后输出成固定格式的数据。

读出电路注入级结构为探测器与读出电路之间提供了一个匹配的接口，被等效为一个具有低阻抗的输入通路，它不仅可以完成对输入电流的积分放大，与此同时它还可以保持V_in端电压恒定不变。注入结构作为光电信号输入的源头，是整个读出电路的主要噪声源，对光电流的注入效率、读出信噪比以及电路功耗等方面的性能具有较大的影响。不同材料体系不同波段的光电探测器需要根据实际的探测器参数、工作状态等情况来确定合适的读出电路注入级结构以达到性能的最优。

CTIA（电容跨阻放大器）注入级结构是由反馈电容和运放构成的复位积分器，探测器光电流在反馈电容上积分，积分电容被放置在放大器的反馈回路中，可以为探测器提供非常低的输入阻抗，利用放大器的虚短特性，探测器的偏置电压被严格控制在所输入的公共输入电压附近。CTIA设计关键在于放大器的设计，当放大器的增益较高时，CTIA结构不仅可以提供很小的输入阻抗以保证其高注入效率，同时可以提供稳定的探测器偏压。而且考虑到运放的高增益和密勒效应，CTIA结构的积分电容需要多档可调，从而适应多种不同结构、不同性能的光电探测器，提高探测灵敏度。因此，获得高增益、积分电容多档可调的CTIA注入级结构是光电探测器读出电路的关键。

此外，目前基于二维材料及其异质结构的光电探测器引起了人们广泛的研究兴趣，但是现实情况并不理想，将硅以外的半导体与硅基电路进行结合是一直以来的难题，尤其目前随着二维材料的发展，将基于二维材料的光电探测器与硅基读出电路进行匹配耦合的问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路，以克服目前难以将硅以外的半导体与硅基电路进行结合的问题，以及光电探测器注入级结构中运放增益不够高、积分电容可选值有限的问题。

本发明设计的与二维光导型探测器适配的CTIA型读出电路，包括二维光导型探测器和CTIA注入级；所述光导型探测器具有一对光敏像素和盲元像素，可调补偿电阻R₀与之配合，作为CTIA的V_IN；所述CTIA注入级采用两级运放，极大的提高了增益，并且考虑到未来与电路耦合的探测器类型、性能差异较大，在电路设计时将积分电容设计成多档可选，提高了耦合探测器的适配性。