一种暗电流补偿读出电路、方法及光电检测系统

本发明属于光电检测，具体涉及一种暗电流补偿读出电路、方法及光电检测系统。

背景技术：

1、光电检测技术作为现代信息感知与传感的核心手段，广泛应用于环境光检测、弱光感知、生物检测、成像读出和光通信接收等诸多技术领域。其基本工作原理主要是利用光电探测器接收目标入射光信号，并将其转换为对应的电流信号，再通过后级的读出电路完成信号的放大、转换以及最终输出。随着便携式电子设备、智能传感系统以及低照度弱光检测应用的发展，光电检测电路越来越需要在较小光信号条件下实现稳定读出。因此，如何在读出过程中尽量减小暗电流、直流失调及环境温度变化对检测结果的影响，成为了提高系统性能的关键。

2、作为检测前端的核心器件，cmos光电探测器能够在入射光照作用下输出与光强相关的电流，并被广泛集成于光电检测系统中。然而，在实际工作过程中，光电探测器的输出电流不仅包含由入射光引起的光生电流，还不可避免地包含在无光条件下仍然存在的暗电流。若将该总电流直接送入后级的高增益跨阻放大器，暗电流会在放大过程中形成较大的直流分量，从而极易造成放大器工作点偏移、有效动态范围减小，并显著降低系统对微弱光信号的分辨能力。特别是在弱光检测或环境温度变化较大的应用条件下，暗电流引起的直流失调、工作点偏移和动态范围压缩问题会更加明显，因此需要设计专门的暗电流补偿读出电路。

3、为了缓解光电探测器暗电流对后级读出电路带来的不利影响，现有技术中提出了多种处理方案。第一种常见的方案是在探测器前端设置参考支路结构，其中主探测支路接收实际入射光并输出包含光生电流和暗电流的总电流，参考支路则通过遮光、金属覆盖或其他物理遮挡方式避免受光，使其仅输出暗电流，两路信号再通过差分读出等方式进行相减处理。这种参考支路补偿方案虽然能够获取暗电流样本，但其对主探测支路与参考支路之间的器件匹配性、版图一致性以及差分读出精度要求极高。当两个支路之间由于半导体制造工艺涨落而存在器件工艺偏差，或者两者的实际工作条件不一致时，补偿效果极易受到影响，且该方案通常需要增加额外的探测通路，从而增加了前端电路的结构复杂度。

4、第二种方案是采用直流偏移抵消环路，其通常在后级放大器的输出端检测直流偏移分量，并通过低频负反馈环路将检测得到的偏移信息反馈至前端偏置支路、补偿支路或平衡控制支路，以逐步减小输出端的直流失调。然而，这种闭环抵消方案通常依赖复杂的闭环反馈链路，在实际的电路设计中需要消耗大量精力去兼顾环路的稳定性、响应速度以及附加电路的复杂度，这显著增大了电路实现与版图调试的难度。

5、第三种方案通过在读出电路上设置不同的电流镜支路，并在各支路中配置阻抗网络或频率选择网络，使暗电流分量和有用光信号分量在各支路中具备不同的传输特性，再通过差分输出或电流相减方式抑制暗电流的影响。此类电流镜差分补偿方案同样会导致前端电路结构变得臃肿与复杂，并且对电流镜的匹配精度、寄生参数控制以及频率特性设计提出了极高的要求，使得整个电路的理论分析、参数优化和流片实现过程相对繁琐。

6、除了上述在读出电路层面进行调整的方案外，现有技术还尝试通过器件结构和工艺层面来减小暗电流，例如通过优化半导体器件的掺杂结构、改善表面钝化条件、设置物理保护环结构、调整器件偏置方式或采用特定的器件几何结构等方式，从源头降低光电器件本身的暗电流。这类方法通常高度依赖特定的工艺条件或器件结构的定制化修改，由于难以直接改善读出链路的电路状态，因此无法直接解决现有读出链路中由于暗电流进入后级放大器而引起的直流失调、工作点偏移和动态范围压缩问题。

7、综上所述，现有技术中的暗电流处理方案普遍存在对器件匹配性要求高、前端电路结构复杂、闭环反馈设计难度大、对寄生参数控制严苛，或者难以直接改善后级读出链路工作状态等技术问题。如何在不依赖额外参考光敏器件、不引入复杂闭环抵消环路的前提下，对光电探测器输出中的暗电流分量进行有效补偿，减小暗电流对后级跨阻放大器工作点、输出基线和动态范围的不利影响，从而提高弱光条件下的信号分辨能力和读出稳定性，是目前该技术领域仍需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术方案中由于暗电流进入后级放大器而引起的直流失调、工作点偏移以及动态范围压缩等技术问题，本发明提供了一种暗电流补偿读出电路、方法及光电检测系统。本发明改变了传统依靠冗余遮光器件或复杂闭环反馈链路的补偿模式，选择直接在光电探测器的输出端设置暗电流补偿支路，从而在前端读出阶段对光电探测器输出中的暗电流分量进行前端抵消与预先补偿。通过这种在最前端公共读出节点处的电流叠加与抵消机制，能够尽量减少暗电流直接进入后级高增益放大器的绝对分量，从根本上改善后级跨阻放大器的输入工作条件，减小因暗电流经后级跨阻放大后所引起的直流失调、工作点偏移和动态范围压缩问题，确保后级放大器的工作点能够更容易保持在线性范围内，从而在结构相对简洁的前提下显著提高系统在弱光检测场景中对微弱光信号的读出与分辨能力。

2、在级联架构与信号流转的整体设计上，本发明构建了前端暗电流补偿、跨阻放大、反相放大以及差分放大的级联读出结构，实现了先在电流域对暗电流进行前端补偿，再在电压域完成逐级放大和输出整形的完整技术方案。该电路由串联在公共读出节点上的光电探测器与暗电流补偿支路共同构建电流对冲前端，并将该公共读出节点直接与第一级跨阻放大器的输入端相连，使得光电探测器产生的包含光生电流和暗电流的总电流，与补偿支路提供的补偿电流在公共读出节点完成电流叠加，形成经暗电流补偿后的净输入电流送入跨阻放大级。在此基础上，系统通过跨阻放大级将对冲后的净输入电流信号转换成对应的电压信号，随后由反相电压放大级对该电压信号进行极性翻转和幅值调整，最后送入差分放大级与外部设置的参考电压进行比较放大，以此完成对光电探测器输出信号的前端补偿、跨阻转换、极性调整以及最终的输出。

3、具体地，本发明第一方面提供了一种用于光电探测器的暗电流补偿读出电路，该电路包括公共读出节点、暗电流补偿支路、以及跨阻放大级；其中，所述光电探测器与所述暗电流补偿支路电学连接在第一偏置电压源与第二偏置电压源之间，且两者的电学连接交叉点构成所述公共读出节点；所述公共读出节点同时与所述跨阻放大级的输入端电学相连；所述暗电流补偿支路用于产生与所述光电探测器的暗电流方向相反的补偿电流，以在所述公共读出节点处对冲所述光电探测器输出总电流中的暗电流分量，形成净输入电流并送入所述跨阻放大级。该技术方案能够直接在读出电路的最前端公共读出节点处实现电流域的前端抵消与预先补偿，尽量减少暗电流直接进入后级高增益放大器的绝对分量，从而在结构相对简洁的前提下显著提高系统对微弱光信号的读出与分辨能力。

4、进一步地，本发明提供了一种暗电流补偿读出电路，其所述暗电流补偿支路包括串联在所述公共读出节点与对应的偏置电压源之间的电阻；所述公共读出节点的电位利用所述跨阻放大级输入端的虚短钳位条件保持为常量。该技术方案能够利用后级跨阻放大级负反馈形成的虚短条件，使所述公共读出节点的电位在电路工作过程中近似保持为固定常量，从而能够锁定所述电阻两端的电压差，进而在所述暗电流补偿支路中形成极为稳定的恒定补偿电流，保障前端电流域对冲机制的可靠进行。

5、进一步地，所述读出电路还包括级联在所述跨阻放大级之后的反相电压放大级和差分放大级；所述跨阻放大级用于对所述净输入电流进行跨阻转换以输出初级电压信号；所述反相电压放大级用于对所述初级电压信号进行极性翻转和幅值调整以输出次级电压信号；所述差分放大级用于将所述次级电压信号与外部设定的参考电压进行差分放大运算以输出最终电压信号。该技术方案构建了一种前端暗电流补偿、跨阻放大、反相放大以及差分放大的完整电压域级联处理架构，实现了信号的前端补偿、跨阻转换、极性调整以及最终的输出，有助于在电压域完成信号的逐级平稳放大和整形。

6、进一步地，所述跨阻放大级由第一运算放大器、以及彼此并联在所述第一运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻和反馈电容构成；所述反相电压放大级由第二运算放大器、连接在前级输出端与所述第二运算放大器反相输入端之间的输入电阻、以及跨接在所述第二运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻构成。如此可以利用并联的反馈电容实现高频滤波，且能够有效抑制系统的高频噪声并消除寄生参数可能引起的自激振荡，确保了整个读出链路初级和次级放大转换的稳定性。

7、进一步地，所述差分放大级由第三运算放大器以及电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4构成；所述第三运算放大器的同相输入端通过电阻r2连接至前级输出端，并通过电阻r3接地；其反相输入端通过电阻r1连接外部可调参考电压vref，并通过反馈电阻r4连接至最终电压输出端；其中，各个电阻的阻值匹配满足比例关系：r4/r1 = r3/r2。通过如此电阻减法网络架构，使得最终输出电压能够实现精密差分放大，可通过调整外部参考电压vref的大小来平移输出基线，从而为最终输出信号提供可靠的基准。

8、本发明还提供了一种暗电流补偿读出方法，包括以下步骤：在偏置电压作用下，使光电探测器受入射光激发产生包含光生电流分量和暗电流分量的总电流，并将所述总电流输出至公共读出节点；在所述公共读出节点处引入与所述暗电流分量方向相反的补偿电流，通过所述补偿电流与所述总电流在所述公共读出节点处的叠加与抵冲，在电流域内物理抵消所述总电流中的暗电流分量，获得表征有效光生信号的净输入电流；将所述净输入电流转换为初级电压信号，以完成电流电压转换；对所述初级电压信号进行极性翻转与幅值放大处理，获得正向变化的次级电压信号；将所述次级电压信号与外部提供的可调参考电压进行差分减法运算，以在输出端输出经静态调零后的最终电压信号。该方法能够实现先在电流域对暗电流进行前端对冲补偿，再在电压域完成逐级放大和输出整形的完整流程，使进入后级电路的信号更多地反映与有效光生电荷相关的成分，有效减轻暗电流对放大器输出摆幅的无效占用，显著改善系统的信噪比与有效动态范围。

9、进一步地，在所述公共读出节点处引入与所述暗电流分量方向相反的补偿电流，具体包括：利用负反馈形成的虚短条件，将所述公共读出节点的电位近似保持为常量，以锁定产生所述补偿电流的暗电流补偿支路两端的电压差；通过调节所述暗电流补偿支路中的可调电阻的阻值，使所述补偿电流的大小尽量接近所述暗电流分量。该方法能够通过虚短钳位保证前端补偿电流不随光强和节点电流的变化而跳变，并在实际操作中能够通过调校可调电阻阻值来实现暗电流分量的主动对冲和最优化抵消。

10、进一步地，所述差分减法运算步骤具体包括：通过调节外部设置的参考电压的大小，在线性范围内任意平移输出零点和基线。如此能够实现在输出端对残留的直流失调进行彻底剥离，完成精确的静态输出调零，从而使最终输出的电压信号能够完美适配后续模数转换或阈值判断等后续采集与处理环节。

11、最后，本发明还提供了一种光电检测系统，包括前面所述的暗电流补偿读出电路，还包括与所述暗电流补偿读出电路的输出端电学连接的后续处理电路。该系统技术方案将具有暗电流前端对冲及逐级放大整形功能的读出电路与后续处理电路进行整机级电学耦接，能够将由于暗电流而引起的直流失调、工作点偏移以及动态范围压缩均降低到极低水平的高质量电压信号传递至后端，大幅提升了整机系统在弱光检测等实际应用场景中的测量精度。

12、进一步地，其暗电流补偿读出电路中各级放大级之间、或者所述暗电流补偿读出电路与所述后续处理电路之间，还级联配置有缓冲级和滤波级中的至少一种，通过引入缓冲级或滤波级，能够对前后级硬件之间提供更好的阻值匹配和信号隔离，并进一步纯化和平滑传输过程中的信号，提升了整个光电检测检测系统的长期工作稳定性和抗干扰性能。

13、与现有技术相比，本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

14、1、高信噪比。本发明在光电探测器输出端设置暗电流补偿支路，使暗电流分量在进入跨阻放大器之前即得到前端补偿，从而极大减小了暗电流对后级读出信号的干扰。特别是在弱光检测条件下，由于光生电流较为微弱，暗电流更容易对有用信号的分辨能力造成干扰，本发明通过最前端的公共读出节点进行电流域补偿，使送入后级跨阻放大级的净输入信号更多地反映与入射光变化相关的有效光生电荷成分，从而显著提高了读出电路的信噪比。

15、2、电路结构相对简洁。与需要额外设置参考光敏器件、复杂的闭环直流偏移抵消环路、多电流镜支路网络或依赖复杂时序控制的现有处理方案相比，本发明不依赖额外的参考光敏器件，亦无需引入复杂的闭环负反馈链路，前端结构相对简洁，系统整体复杂度较低，在实际的硬件流片制造与版图调试过程中更便于实现。

16、3、改善了有效动态范围与输出稳定性。由于暗电流分量在前端公共节点处即被对冲补偿，后级高增益的跨阻放大器不需要同时对较大的暗电流直流分量进行放大，能够有效减轻暗电流对放大器输出摆幅的无效占用，避免了放大器过早饱和，有利于改善系统的有效动态范围。在此基础上，再结合后续设置的反相电压放大级和差分放大级级联结构，可以对前端补偿后的信号进一步进行电压极性调整和参考基准归一化处理，从而提高了最终输出信号的长期稳定性，使输出信号更适于后级的模数转换、阈值判断等后续采集与处理环节。