Op-amps vs amplificador de drenaje común para la integración de fotodiodos

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Últimamente he estado jugando con fotodiodos y amplificadores operacionales, y pensé que podría ser divertido construir una cámara realmente cruda con una docena de píxeles. Iba a modelarlo en un sensor CMOS de píxeles activos, que parece conceptualmente más sencillo que un CCD: cada píxel amplifica su propia señal y los píxeles se multiplexan en el ADC.

Al principio, asumí que esto se configuraría usando un amplificador operacional de transimpedancia en cada píxel, porque toda la literatura que puedo ver sobre amplificación de fotodiodos habla sobre amplificadores operacionales (en modo fotoconductor o fotovoltaico):

PeroalleermássobrecómoseconstruyenlossensoresCMOSenrealidad,parecequeusanunaconfiguracióndetrestransistores(3T)oalgunaderivación.Enestaconfiguración,seusaunamplificadordedrenajecomúnenlugardeunamplificadoroperacional(másloscircuitosasociadosparaelreinicioylamultiplexación):

Loqueparecefuncionartambiénenmodofotovoltaico:(de "Hacia cámaras autoamplificadas" ):

Penséquequizáslarazónporlaqueseelige3Tesporquelosamplificadoresoperacionalesson"instantáneos", ya que las configuraciones 3T se integran naturalmente durante el tiempo de exposición, pero los amplificadores operacionales requieren un sondeo constante. Pero me di cuenta de que el integrador de amplificador operacional conmutado haría el mismo trabajo de integración:

Así que ahora estoy confundido. Parece que las configuraciones 3T y op-amp funcionan tanto en configuraciones inversas como nulas. No veo por qué elegirías uno frente a otro

Preguntas específicas:

  • ¿Hay alguna razón específica por la que los sensores CMOS usan la configuración 3T en lugar de los amplificadores operacionales?
    • Es debido al tamaño físico (3 transistores son más fáciles de fabricar en un IC que un amplificador operacional)
    • ¿Una es preferible a la otra por razones de ruido? P.ej. Cuando utiliza fotodiodos discretos, ¿tiene espacio para amplificadores operacionales que tienen mejores características de ruido, por lo que la literatura solo habla de ellos? ¿Mientras que los IC no tienen el lujo de los amplificadores operacionales de bajo ruido?
  • ¿Los amplificadores de drenaje común son mejores para tiempos de integración más largos? Siempre veo los amplificadores operacionales en referencia a las aplicaciones de alto ancho de banda, que las imágenes definitivamente no lo son.
  • Si un amplificador operacional pudiera reducirse mágicamente a un tamaño que pueda caber en una configuración 3T, ¿sería mejor?

Supongo que solo estoy tratando de averiguar por qué la literatura de fotodiodos habla exclusivamente de amplificadores operacionales, mientras que parece que cada sensor de imágenes CMOS tiene alguna derivación de la configuración 3T.

EDITAR: Quizás relacionado con mi confusión, no estoy muy seguro de cómo se amplifican los amplificadores de drenaje en realidad , ya que solo están amortiguando el voltaje. Entonces, ¿tal vez las configuraciones 3T no están haciendo lo que creo que son?

    
pregunta Zach

2 respuestas

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Recuerde que un sensor CMOS debe incluir millones de píxeles en un chip, mientras que lo que lee sobre experimentos de banco con fotodiodos supone que solo necesita un receptor.

Por lo tanto, en el sensor CMOS, es crítico usar el número mínimo absoluto de transistores, especialmente si desea poder anunciar un mayor número de píxeles que sus competidores.

Al mismo tiempo, hacer que el circuito sea tan pequeño también significa que se minimiza la interferencia del entorno, por lo que puede utilizar la pequeña corriente del fotodiodo para cargar un condensador pequeño (la puerta FET) y no tener demasiados problemas con eso.

Si intentara hacer el circuito de 3 transistores en una placa de pruebas, probablemente no obtendría muy buenos resultados porque los transistores discretos que tendría disponibles tendrían una capacitancia de compuerta mucho más alta (para hacerlos un tanto robustos a ESD, y debido a los parásitos, etc.) se necesitaría un tiempo de integración mucho más largo para cargar la puerta. También recibiría interferencias de campos eléctricos ambientales. Al mover su mano cerca, cambiaría el voltaje de salida, por ejemplo.

Así que en el banco prefieres un circuito más robusto. En el chip prefieres un circuito pequeño.

    
respondido por el The Photon
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Consideremos el circuito con fotodiodo y 2 FET. Ese circuito 3T no tiene amplificadores, solo interruptores FET.

El 3T tiene la función ERASE_THE_CHARGE en el transistor inferior. Durante el tiempo de RESTABLECIMIENTO, los electrones se lavan.

El transistor superior derecho conecta la carga del píxel al bus de lectura compartido. Una vez más, el dispositivo es solo un interruptor.

    
respondido por el analogsystemsrf

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