基于CMOS技术设计智能探测器研究

1 序言

　　本文所讨论的智能探测器，是一种集成的半导体光电探测器。它与传统的半导体光敏器件相比，最为明显的特点是系统集成，即将硅光电二极管与信号的放大、处理电路及输出电路集成在一个芯片上，使得整个系统的可靠性明显提高，体积大大减小，功耗和噪声也大幅度减小，在批量生产的前提下，成本也较为低廉。它的另一个特点是技术含量较高，表现在：第一，需要设计一套CMOS兼容集成工艺流程，使它既能制造出合乎要求的光电二极管又能制造出CMOS模拟和数字电路。第二，工艺要求高。因为光电二极管阵列和外围读放电路集成在同一个芯片上，任何一部分出问题就会导致整个芯片报废。因此，要求较高的成品率和工艺水平。第三，芯片要求设计精度较高，速度较快。在复印机、传真机和海关检测等领域，均已使用了功能类似的探测器芯片，但这些探测器芯片都是用于探测线条较粗的物体的。而本文研制的智能探测器要求探测直径200微米左右的微细线条，这就要求它在设计上要有很高的灵敏度和读出速度。

2 应用背景

　　本文所研究的智能探测器SOC可被应用于光敏器件阵列的信号放大，和扫描输出，也可用于其它多通道输入信号的放大和串行输出。它可以应用于食品安全检测、工业CT等多种X射线检测领域。图1所示的X射线检测系统是一个典型的应用范例。传送带以较高的速度将被探测的物体(比如说，食品、物品、行李箱等)依次从探测系统中穿过，探测系统自动识别有关信息并将其送入计算机进行处理。按图中的处理步骤依次为：X射线机发出适当强度的X射线，此射线通过被探测物品后即变成载有图像信号的射线，然后，载有信号的X射线通过某种特殊的晶体，变成可见光，可见光信号被智能探测器扫描接收，变成串行的电信号，此电信号根据需要，有可能还要进行一些放大，滤波等处理，再经过A／D变换后变成可以被计算机处理的数字信号输入计算机，在有关图像处理和分析软件的支持下即可在计算机上输出需要的信息。这样，自动探测系统就可以以较高的速度进行高精度大批量处理。

3 电路设计

　　智能探测器电路设计采用了相关双采样(Correlated double sampling，CDS)的原理来降低噪声。电路系统的示意图如图2所示。每个电荷放大器处理通道由前端的积分器和后端的相关双采样组成。为了能够对积分和读出进行并行处理，在每一通道上，加入并行的两个分支，每个分支的结构完全相同。每通道有两个传输门TGA和TGB控制系统的采样与读出。当TGA导通时，TGB关闭，于是分支A被连接到输出总线，64路分支A上的信号被移位寄存器扫描输出。同时，分支B与输出总线的联系将被切断，64路分支B上的信号即进行积分与采样。当TGB导通时，TGA关闭，情况正好相反，分支B输出信号而分支A积分和采样。于是，我们可以连续地进行积分，采样和输出。在有些情况下，这样的处理，提高了信号处理速度。

　　如图2、图3所示，当φREAD为低电平时，分支A积分和采样，分支B读出。首先，φRESET给出一个高电平复位脉冲，将积分器复位。然后φRESET信号变低，积分过程开始。首先，在积分刚刚开始时，分支A中的TG1导通，将积分器输出信号采样到电容C1上，此时的输出信号包括失调及传输噪声。然后，TG1关闭，积分继续进行。在积分结束前，TG2导通，将积分器输出信号采样到电容C2上，此时的输出信号包括信号电压，失调及传输噪声。在分支A进行积分及采样的过程中，分支B中的传输门TG1与TG2一直关断，因此，积分器输出的变化不会影响到分支B采样电容上供扫描输出的信号。同时，分支A中的传输门TGA亦关断，因此，移位寄存器的输出信号也不会将分支A上的信号连接至输出总线。

当φREAD由低电平转变为高电平时，在分支A的采样电容上储存好的一对差分信号，将被连接至输出数据总线Video1与Video2，并被移位寄存器扫描输出，同时，分支B将进行对信号的积分和采样。