一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法

摘要

本发明公开了一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法，包括光存储单元器件的电学特性测试、等效电路的建模，特点是将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数，然后根据相应参数作出设有倒空结构的读出电路设计。本发明与现有技术相比具有结构简单，性能优良，精度高的优点，能更好地读出低维度量子点－量子阱混合结构的光存储器件的响应信号，倒空脉冲对运放工作点影响很小，确保运放具有稳定的工作性能和最佳工作点。

说明书

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤其是一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法。

背景技术

光存储技术是通过光学方法读写数据，光探测器检测出光强和极化方向等的变化，从而读出存储单元内的数据。读出电路(ROIC)的主要功能是对光电器件中存储、探测或摄像单元的微弱信号进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持等)并在信号处理级间提供接口。

经特殊设计的半导体低维结构受光激发，入射光子可转变成空间分离的电子-空穴对而被存储相当长的时间，随后再通过施加偏压驱使所存储的电子和空穴向器件的两极移动，实现光信号读出。一种低维度量子点-量子阱混合结构的光存储传感器是通过反向偏压使器件存储电子和空穴，正向偏压使光信号读出。这类器件正常工作时，需要给它提供正负偏压控制信号，称作倒空信号。

现有CTIA型读出电路是一种通用的光电器件读出电路，它本身并没有根据低维度量子点-量子阱混合结构的光存储传感器的基本特性而良身定制，特别是没有提供倒空信号，它不能很好地读出低维度量子点-量子阱混合结构的光存储传感器的光信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法，它通过对光存储单元器件的电特性进行精确测试，得到器件的电特性方程，以此建立能正确反映器件特性的等效电路，然后根据等效电路作出设有倒空结构的读出电路，它能够更好地读出光存储单元器件的响应信号，能为低维度量子点-量子阱混合结构的光存储传感器提供倒空信号，尤其方便集成设计，具有较强的实用性与可操作性。

本发明的目的是这样实现的：一种光存储单元的倒空CTIA读出电路的设计方法，包括光存储单元器件的电学特性测试、等效电路的建模，特点是将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数，然后根据相应参数作出设有倒空结构的读出电路设计，具体包括以下步骤：

(一)、光存储单元器件的电学特性测试

由滤光片光功率为1μW，波长为633nm的氦氖激光器提供光照强度，在室温或低温下对光存储单元器件进行电流-电压特性(I-V)、电容-电压特性(C-V)的测试，并建立(I-V)、(C-V)的特性曲线。

(二)、光存储单元器件的等效电路建模

根据测试得到的电流-电压特性以及电容-电压特性，通过拟合分别得到I与V之间以及C与V的函数关系，由此在等效电路模型中可以用一个或多个电压控制电流源来实现输出电流为电压的函数、用一个电容来实现电容为电压的函数、用一个电阻来实现阻抗为电压的函数，从而得到简化的准确的光存储单元器件等效电路模型。

(三)、CTIA读出电路的建立

将等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数，然后根据相应参数作出与光存储单元器件匹配的具有增益可调的CTIA读出电路。CTIA读出电路由电容C₁、C₂、C₀与选通开关K₁、K₂组成的积分电容构成，并通过积分电容调节增益，积分电容值由等效电路模型的输出电流I_d计算而得，其中电容C₁、C₂为可调电容，它分别与控制开关K₁和K₂串联。

(四)、具有倒空结构的CTIA读出电路的设计

在上述等效电路、CTIA读出电路的基础上，增设具有倒空结构的电阻分压电路，电阻分压电路由电阻R1、R2串接而成，电阻R1为可变，它的一端接复位脉冲信号RS，另一端接电阻R2，电阻R2的另一端接地；电阻R1、R2共同连接端与等效电路的输入电阻R_i的正极连接；等效电路的输出电阻Ro的正极与CTIA读出电路的积分运送器A的负极连接；复位脉冲信号RS通过一个反相器得到倒相的脉冲信号，该信号再经过电阻分压电路实现有效的倒空脉冲信号，并作用于光存储器件的公共端。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、它能够更好地读出光存储器件的响应信号，能为低维度量子点-量子阱混合结构的光存储传感器件的信号读出。

2、倒空脉冲信号作用于器件公共端，V_com输出的倒空脉冲对运放工作点影响很小，确保运放具有稳定的工作性能。

3、将倒空信号经过电阻分压，可以得到不同电平幅度的脉冲信号，调节分压电阻可实现连续改变倒空脉冲幅度，使得新型光电器件工作在最佳工作点。

附图说明

图1为光存储单元器件电流-电压曲线图

图2为光存储单元器件电容-电压曲线图

图3为光存储单元器件偏压[-3，1]电流-电压曲线拟合图

图4为光存储单元器件偏压[1，4]电流-电压曲线拟合图

图5为光存储单元器件电容-电压曲线拟合图

图6为光存储单元器件等效电路图

图7为CTIA读出电路图

图8为本发明结构示意图

图9为本发明的仿真结果图

具体实施方式

下面以一种量子点-量子阱结构的光存储传感器的等效电路建模过程及读出电路设计的实施例，对本发明作进一步说明，其具体步骤如下：

实施例1

(一)、光存储单元器件的电学特性测试

采用Keithley 4200_SCS为核心的光存储器特性测试设备对光存储单元器件进行电流-电压特性(I-V)、电容-电压特性(C-V)的测试，实现电脑控制下的仪器自动扫描、采集和处理数据，将测量结果图形化。由于光存储器件对环境中的光和热极其敏感，测试中使用了杜瓦瓶使测试结果更加精确，测试中用波长为633nm的氦氖激光器与光功率为1μW(未聚焦)的滤光片精确模拟光存储器件工作时的光照条件。测试温度设为室温(293K)，偏置电压V_bias设置在-3V至4V范围，光存储单元器件的(I-V)特性测试在4200带前放(Pre-Ampilfier)SMU模块中完成。光存储单元器件的暗电流及在波长633nm、光功率为1μW(未聚焦)时的响应电流与偏置电压(I-V)特性曲线见附图1。

光存储单元器件的(C-V)特性测试在4200的CVU模块中完成，考虑到了测试环境对测试电容在连接方面的补偿(Connection Compensation)影响。运用4200分析仪中的选项进行补偿分析，最后得到连接补偿后的器件(C-V)特性，模型采用的是并联模型(Parallel Model)。光存储单元器件在1MHz频率下的电容与偏置电压(C-V)特性曲线见附图2。

(二)、光存储单元器件的等效电路建模

a、I-V特性曲线的拟合

参阅附图1，根据光存储单元器件(I-V)曲线的多拐点特性，采用分段拟合再整合的方法进行曲线拟合，分段点设在+1V处，拟合采用Origin软件。

参阅附图3、附图4，根据曲线拟合得到两个函数关系：I₁×[1-K(V)]、I₂×K(V)。

参阅附图6，在光存储器等效电路中用两个电压控制电流源来实现拟合得到两个函数关系，即用两个电压控制电流源I₁×[1-K(V)]、I₂×K(V)实现不同偏压下的光电流输出，即光存储器等效电路模型中的电压控制电流源部分(I)。

b、C-V特性曲线的拟合

参阅附图2，根据光存储单元器件(C-V)特性曲线，直接用Origin软件进行曲线的数值拟合，其曲线拟合结果参阅附图5。

参阅附图6，根据拟合后(C-V)的函数关系得到电容Cp，即光存储器等效电路模型中的电容部分(II)。

c、等效电路的建模

根据CTIA型读出结构的反馈原理，使得光存储单元器件等效电路模型的输出电压大小为CTIA型读出结构的参考电压V_ref值，在5V单电源供电系统中，V_ref约为2.5V；根据输出电压和输出电路可以得到等效电路的输出电阻Ro。

参阅附图6，将上述得到的两个电压控制电流源I₁×[1-K(V)]、I₂×K(V)、电容Cp、输出电阻Ro以及虚拟的输入电阻R_i组合在一起便可得到简化而精确的光存储器等效电路模型，等效电路模型由电压控制电流源部分(I)、电容部分(II)、输出电阻部分(III)、输入电阻部分(IV)组成，其中输入电阻部分(IV)中的v为存储单元器件的偏置电压，用于控制(I)、(II)、(III)部分的各电路参数。R_i是为了引入入射光而增加的虚拟输入电阻，用来弥补输入端的完整性，可认为与输出阻抗量级不变，假定为10MΩ。

(三)、CTIA读出电路的建立

参阅附图7，将上述等效电路模型作为CTIA型读出结构的输入源，得到读出电路的相应参数，然后根据相应参数作出与光存储单元器件匹配的CTIA读出电路。

根据CTIA读出结构的工作(积分)原理：C_int×ΔV＝I_d×T_int，对5V单电源系统，考虑运放的输出电压范围，ΔV一般定为2V，T_int积分时间是与测试电路性能相关，由等效电路模型的输出电流I_d，计算得到匹配的积分电容值。为了适应不同偏压范围器件的输出电流变化，避免CTIA读出结构输出饱和，把CTIA读出结构设计成具有增益可调的CTIA单元，通过积分电容调节增益，参阅附图7，把电容C₁、C₂、C₀与选通开关K₁、K₂串联来组成积分电容C_int＝C₀+K₁·C₁+K₂·C₂。这里的积分电容由三部分组成：基准电容C₀，可调电容C₁和可调电容C₂，其中电容C₁和C₂分别与控制开关K₁和K₂串联。积分电容为C_int＝C₀+K₁·C₁+K₂·C₂，这里K₁、K₂分别对应串联开关的状态，开关闭合时取值为1，断开时取值为0，CTIA读出部分是根据光存储单元器件响应电流变化范围而设计，并有增益可调积分功能。

(四)、具有倒空结构的CTIA读出电路的设计

参阅附图8，在上述等效电路(B)、CTIA读出电路(D)的基础上，增设具有倒空结构的电阻分压电路(E)。电阻分压电路(E)由电阻R1、R2串接而成，电阻R1为可变，它的一端接复位脉冲信号RS，另一端接电阻R2，电阻R2的另一端接地；电阻R1、R2共同连接端与等效电路(B)的输入电阻R_i正极连接；等效电路(B)的输出电阻Ro正极与CTIA读出电路(D)的积分运送器A的负极连接；复位脉冲信号RS通过一个反相器得到倒相的脉冲信号，该信号再经过电阻分压电路实现有效的倒空脉冲信号，并作用于光存储单元器件的公共端。复位信号RS运放的正向输入端接参考电压V_ref，负向输入端接光存储单元器件等效电路模型的输出端，用于对光电流I_d积分读出。光存储单元器件公共端接公共电压V_com，公共电压通过倒空脉冲信号的分压得到，调节分压电阻R₁，可以改变倒空脉冲电压信号幅度。器件上电极电压V_ref与公共端电压V_com之差就是器件的实际偏压，V_com是电压幅度可调的倒空信号，则器件的实际偏压就是一个幅度可调的具有倒空特点的偏置电压。

复位脉冲信号幅度为0-5V，设脉冲幅度电压V_max，那么调节分压电阻可以得到0-V_max范围的倒空电压，CTIA的参考电压V_ref保持恒定，那么器件反偏存储的偏置电压为V_ref-V_com；器件正偏读出的偏置电压仍为V_ref。如调节分压电阻得到倒空脉冲幅度为0-4V，参考电压为2V，于是器件的反相偏置电压为-2V，器件正偏读出的偏置电压为2V。

参阅附图9，本发明可以明显看到有积分、2μS倒空脉冲信号和复位信号，其中积分电容为2pF。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。