申请/专利权人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

申请日：2019-04-12

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN110034748B

主分类号：H03K3/0233(20060101)

分类号：H03K3/0233(20060101);H01L27/146(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2023.03.21#未缴年费专利权终止;2019.08.13#实质审查的生效;2019.07.19#公开

摘要：TDICMOS成像单元的设计方法，涉及一种TDICMOS成像单元的设计方法，解决现有TDICMOS成像单元设计复杂，存在稳定性差的问题，包括控制器单元和探测器单元；所述控制器单元产生探测器单元所需的控制信号，并接收探测器单元输出的数字图像数据；所述探测器单元包括TDICMOS探测器、运放器、LDO、带施密特功能的驱动器和带施密特功能的电平转换器；本发明分别针对具有拉灌电流的像素部分供电、数字输入控制信号的传输、电荷转移驱动信号的产生方式、高密度区域过孔的放置方式和多层接地平面的处理进行了设计，最大限度地提高线路板的利用面积，提高控制驱动信号和电源的完整性，同时避免电压击穿和虚焊等风险。

主权项：1.TDICMOS成像单元的设计方法，所述成像单元包括控制器单元和探测器单元；所述控制器单元产生探测器单元所需的控制信号，并接收探测器单元输出的数字图像数据；所述探测器单元包括TDICMOS探测器、运放器、LDO、带施密特功能的驱动器和带施密特功能的电平转换器；所述运放器和LDO为TDICMOS探测器提供工作电压，驱动器为TDICMOS探测器提供驱动信号，带施密特功能的电平转换器为TDICMOS探测器提供控制信号；其特征是；所述LDO包括内部的输入端、可变电阻、输出端、误差放大器、内部基准源Vref和接地端以及外部的分压电阻、分压电阻Rref、滤波电容Cequ和泄放电阻R；所述输入端和误差放大器与可变电阻连接，所述分压电阻与输出端和误差放大器的负端连接，分压电阻Rref与误差放大器的负端和接地端连接，滤波电容Cequ和泄放电阻R并行连接在输出端和接地端之间，所述误差放大器的正端与内部基准源Vref连接；设定分压电阻Rref和泄放电阻R的总吸收电流大于等于灌电流Isink，同时滤波电容Cequ值很大，并且在一个行周期tH内灌电流Isink在灌电流持续时间Δtsink内累计的电荷小于等于拉电流Isource在拉电流持续时间Δtsource消耗的电荷和分压电阻Rref及泄放电阻R在一个行周期tH消耗的电荷，同时LDO输出端输出峰值电压的变化小于等于探测器允许的最大电压ΔVmax变化幅度； Vout为LDO输出的电压。

全文数据：TDICMOS成像单元的设计方法技术领域本发明涉及一种TDICMOS成像单元的设计方法，具体涉及一种尺寸受限环境下高可靠应用的TDICMOS成像单元的设计方法。背景技术对于电荷域TDICMOS成像设计，探测器内部不光包含有TDICCD探测器的感光部分和电荷转移的栅极，而且还包含了相关双采样及数模转换电路、时序产生器、偏置、SPI寄存器和LVDS接收和发送器等，功能部分繁多。由于TDICMOS探测器的功能部分繁多，TDICMOS成像设计复杂，需要仔细设计检查，方可保证稳定可靠地工作。发明内容本发明为解决现有TDICMOS成像单元设计复杂，存在稳定性差的问题，提供一种TDICMOS成像单元的设计方法。TDICMOS成像单元的设计方法，所述成像单元包括控制器单元和探测器单元；所述控制器单元产生探测器单元所需的控制信号，并接收探测器单元输出的数字图像数据；所述探测器单元包括TDICMOS探测器、运放器、LDO、带施密特功能的驱动器和带施密特功能的电平转换器；所述运放器和LDO为TDICMOS探测器提供工作电压，驱动器为TDICMOS探测器提供驱动信号，带施密特功能的电平转换器为TDICMOS探测器提供控制信号；所述LDO包括内部的输入端、可变电阻、输出端、误差放大器、内部基准源Vref和接地端以及外部的分压电阻、分压电阻Rref、滤波电容Cequ和泄流电容R；所述输入端和误差放大器与可变电阻连接，所述分压电阻与输出端和误差放大器的负端连接，分压电阻Rref与误差放大器的负端和接地端连接，滤波电容Cequ和泄流电容R并行连接在输出端和接地端之间，所述误差放大器的正端与内部基准源Vref连接；设定分压电阻Rref和泄流电阻R的总吸收电流大于等于灌电流Isink，同时滤波电容Cequ值很大，并且在一个行周期tH内灌电流Isink在灌电流持续时间Δtsink内累计的电荷小于等于拉电流Isource在拉电流持续时间Δtsource消耗的电荷和分压电阻Rref及泄放电阻R在一个行周期tH消耗的电荷，同时LDO输出端输出峰值电压的变化小于等于探测器允许的最大电压ΔVmax变化幅度；Vout为LDO输出的电压。本发明的有益效果：一、本发明采用LDO给具有拉灌电流的像素部分供电，避免了高电流运放的获取困难，LDO获取方便；采用专门的泄放电阻来吸收探测器输出的灌电流，一方面避免了采用LDO参考电压端的分压电阻吸收灌电流带来的电阻发热引起阻值漂移的问题；另一方面可以避免灌电流导致LDO输出端的电压变化幅度过大。二、控制器输出较高的电压，可降低受外界干扰的影响程度；串入匹配电阻降低上升和下降沿，减小对外界的干扰；探测器端采用带施密特功能的电平转换芯片，可降低抑制传输过程中的干扰；信号传输全过程按照单端50欧管控，可以抑制阻抗不匹配导致的信号反射。三、对驱动信号进行分段阻抗管控，不仅保证了对探测器的足够驱动能力，而且保证了驱动信号的阻抗连续，避免反射；四、高密度区域过孔的放置方式，可以最大限度的提高线路板的利用面积，同时避免了压差过大导致的击穿或者短路。五、多层接地平面的处理，可以保证信号和电源的完整性，同时避免焊接过程中出现虚焊。附图说明图1为本发明所述的TDICMOS成像单元的设计方法中成像单元的拓扑结构图；图2为本发明所述的TDICMOS成像单元的设计方法中LDO进行拉灌电流供电的原理图；图3为本发明所述的TDICMOS成像单元的设计方法中数字输入控制信号的传输原理框图；图4为本发明所述的TDICMOS成像单元的设计方法中电荷转移驱动信号的产生原理图；图5为本发明所述的TDICMOS成像单元的设计方法中高密度区域过孔的放置方式示意图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，TDICMOS成像单元的设计方法，包括控制器单元和探测单元两部分。探测器单元内包含TDICMOS探测器、运放器、LDO、带施密特功能的驱动器和带施密特功能的电平转换器。控制器单元产生探测器单元所需的控制信号，并接收探测器单元输出的数字图像数据。运放器和LDO产生探测器所需的工作电压，带施密特功能的驱动器产生TDICMOS探测器所需的驱动信号，带施密特功能的电平转换器产生TDICMOS探测器所需的控制信号。本实施方式中，具有拉灌电流的像素部分供电采用两种方式，第一种方式是现有的方式，采用“基准源+低温漂分压电阻+高电流运放”方式来产生；要求高电流运放的最大拉电流大于负载最大拉电流Isource_max的2倍，最大允许的灌电流大于负载的最大灌电流Isink_max的2倍。第二种方式结合图2，采用“LDO+泄流电阻+滤波电容”的方式来产生。常规的LDO仅具备拉电流的能力，而不具备灌电流的能力。所述LDO包括内部的输入端、可变电阻、输出端、误差放大器、内部基准源Vref和接地端以及外部的分压电阻、分压电阻Rref、滤波电容Cequ和泄流电容R；所述输入端和误差放大器与可变电阻连接，所述分压电阻与输出端和误差放大器的负端连接，分压电阻Rref与误差放大器的负端和接地端连接，滤波电容Cequ和泄流电容R并行连接在输出端和接地端之间，所述误差放大器的正端与内部基准源Vref连接；当出现拉电流而导致输出端的电压下降时，误差放大器输出为高电平，开通输出；而当出现灌电流大于电路自身消耗电流的时候，电容上的电压升高，误差放大器输出为低电平，断开输出，并不能吸收电流，电压值还是会继续增大。因此设定分压电阻Rref和泄流电阻R的总吸收电流大于等于灌电流Isink，同时滤波电容Cequ值很大，并且在一个行周期tH内灌电流Isink在灌电流持续时间Δtsink内累计的电荷小于等于拉电流Isource在拉电流持续时间Δtsource消耗的电荷和分压电阻Rref及泄放电阻R在一个行周期tH消耗的电荷，同时LDO输出端输出峰值电压的变化小于等于探测器允许的最大电压ΔVmax变化幅度；Vout为LDO输出的电压。结合图3说明本实施方式，本实施方式中，数字输入控制信号的传输方式为：对于远距离传输，控制器输出较高的电压降低受外界干扰的影响，通常串入阻值不超过50欧r＝50-rout第一匹配电阻降低上升和下降沿，减小对外界的干扰；探测器端采用带施密特功能的电平转换器转换为所需要的电平值，信号传输全过程按照单端50欧管控。rout为控制器的输出电阻值。结合图4说明本实施方式，本实施方式中，电荷转移驱动信号的产生方式为：控制器输出较高的电压降低干扰的影响，通常串入阻值不超过50欧r＝50-rout第二匹配电阻降低上升和下降沿，减小对附近的干扰；探测器端采用带施密特功能的驱动器转换为TDICMOS探测器所需要的电平值，驱动器的输出端串入降低上升和下降沿时间的阻值不超过10k的第三匹配电阻。在控制器到驱动器的输入端，信号按照单端50欧进行管控；驱动器输出到TDICMOS探测器的信号按照小于50欧的阻抗Z0进行管控。所述阻抗Z0和内外层线宽的确定步骤如下；1根据峰值驱动电流的大小和线路板的内层导线厚度tcore，确定线路板的内层的线宽wcore；2根据内层的导线厚度tcore和内层的线宽wcore确定阻抗Z0；式中hcore为该内电层相邻两导电层的距离；wcore为内层的线宽；tcore为内层的导线厚度；3根据确定的阻抗Z0和表层的导线厚度tsurface，确定表层的线宽wsurface。式中hsurface为表层下的介质的厚度；wsurface为表层的线宽；tsurface为表层的导线厚度。本实施方式中，线路板上高密度区域过孔的放置方式为：对于与焊盘A相连的过孔，可以放置在图5a图中的空白区域；而不与焊盘A和B连接过孔不可打在了电容封装内靠近焊盘的位置，放置在器件封装外，若放置在器件内，建议远离焊盘，靠近电容器件中心的位置，如图5b的空白区域。其中与焊盘A相连的过孔与焊盘B的安全距离wtABmm≥与焊盘A和B网络的压差×0.013mmV；同时不与焊盘A和B相连的过孔与焊盘A的安全距离wtAmm≥过孔网络与焊盘A网络的压差×0.013mmV；同时不与焊盘A和B相连的过孔与焊盘B的安全距离wtBmm≥过孔网络与焊盘B网络的压差×0.013mmV。本实施方式中，线路板的多层接地平面的处理方式为：为了保证刚挠板的信号与电源完整性，每片挠带上两层中一层为地参考平面。为了避免多层地平面与直插器件相连，导致焊接过程中散热过快而出现虚焊，因此将挠带最外的两层和中间层的三层的地平面与直插元件的接地管脚连接，而其余层的地平面不与直插器件的接地管脚相连；为了避免在直插器件附近地平面层成为孤岛，在直插器件附近的空隙位置打接地过孔把所有的地层连接在一起。本实施方式中，CMOS探测器采用长光辰芯公司的TDICMOS产品；LDO采用TI公司的TPS7H1101；运放器采用ADI公司的AD8629；驱动器采用intersil公司的ISL7457；带施密特功能的电平转换器采用ST公司的54AC163245。

权利要求：1.TDICMOS成像单元的设计方法，所述成像单元包括控制器单元和探测器单元；所述控制器单元产生探测器单元所需的控制信号，并接收探测器单元输出的数字图像数据；所述探测器单元包括TDICMOS探测器、运放器、LDO、带施密特功能的驱动器和带施密特功能的电平转换器；所述运放器和LDO为TDICMOS探测器提供工作电压，驱动器为TDICMOS探测器提供驱动信号，带施密特功能的电平转换器为TDICMOS探测器提供控制信号；其特征是；所述LDO包括内部的输入端、可变电阻、输出端、误差放大器、内部基准源Vref和接地端以及外部的分压电阻、分压电阻Rref、滤波电容Cequ和泄流电容R；所述输入端和误差放大器与可变电阻连接，所述分压电阻与输出端和误差放大器的负端连接，分压电阻Rref与误差放大器的负端和接地端连接，滤波电容Cequ和泄流电容R并行连接在输出端和接地端之间，所述误差放大器的正端与内部基准源Vref连接；设定分压电阻Rref和泄流电阻R的总吸收电流大于等于灌电流Isink，同时滤波电容Cequ值很大，并且在一个行周期tH内灌电流Isink在灌电流持续时间Δtsink内累计的电荷小于等于拉电流Isource在拉电流持续时间Δtsource消耗的电荷和分压电阻Rref及泄放电阻R在一个行周期tH消耗的电荷，同时LDO输出端输出峰值电压的变化小于等于探测器允许的最大电压ΔVmax变化幅度；Vout为LDO输出的电压。2.根据权利要求1所述的TDICMOS成像单元的设计方法，其特征在于：还包括第一匹配电阻，所述控制器输出的电压信号经第一匹配电阻和带施密特功能的电平转换器后传送至TDICMOS探测器；所述第一匹配电阻的阻值r＝50-rout，rout为控制器的输出电阻值；所述电压信号传输全过程按照单端阻抗按照50欧进行控制。3.根据权利要求1所述的TDICMOS成像单元的设计方法，其特征是：还包括第二匹配电阻和第三匹配电阻，所述控制器输出的电压信号经第二匹配电阻和带施密特功能的驱动器转换为TDICMOS探测器需要的电平值，带施密特功能的驱动器的输出端连接第三匹配电阻，在控制器到带施密特功能的驱动器的输入端，电压信号按照单端阻抗按照50欧进行控制；在带施密特功能的驱动器输出端到TDICMOS探测器接收的信号按照小于50欧的阻抗Z0进行控制；第三匹配电阻的阻值小于等于10kΩ。4.根据权利要求3所述的TDICMOS成像单元的设计方法，其特征在于：所述阻抗Z0和内外层线宽的确定步骤如下；一、根据峰值驱动电流的大小和线路板的内层导线厚度tcore，确定线路板的内层的线宽wcore；二、根据内层的导线厚度tcore和内层的线宽wcore确定阻抗Z0；式中hcore为该内电层相邻两导电层的距离；三、根据确定的阻抗Z0和表层的导线厚度tsurface，确定表层的线宽wsurface；式中hsurface为表层下的介质的厚度。

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