CN110411483B - 新型大尺寸传感阵列的读出电路及其传感器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型大尺寸传感阵列的读出电路，包括若干路并行通道，每一路并行通道均包括依次串接的差分检测模块、信号交叉耦合模块和差分积分模块；差分检测模块将大尺寸传感阵列输出的电荷信号转换为第一电压信号并上传信号交叉耦合模块；信号交叉耦合模块将第一电压信号转换为一路正相位电压信号和一路负相位电压信号并上传差分积分模块；差分积分模块将正相位电压信号和负相位电压信号进行差分积分并输出到大尺寸传感阵列后续的***信号处理电路。本发明还公开了包括所述新型大尺寸传感阵列的读出电路的大尺寸传感阵列。本发明大幅提高了读出信号的强度，使得大尺寸传感阵列的触控信号更易识别；而且电路简单可靠，成本低廉。

Description

新型大尺寸传感阵列的读出电路及其传感器阵列
技术领域
本发明具体涉及一种新型大尺寸传感阵列的读出电路及其传感器阵列。
背景技术
阵列式的传感器技术在现代电子产品及设备中扮演者重要的角色。近年来，阵列式的机电耦合、微机电耦合、光电耦合、声电耦合等传感器都取得了较大的进步。尤其是，基于薄膜电容阵列或者微机电技术(MEMS)电容阵列的触控传感器、指纹传感器、加速度传感器以及基于光电二极管/三极管的图像传感器在手机、平板、智能相机等消费电子产品中获得了大量的成功应用。由于控制和传感精准度的不断提升，传感阵列的读出电路的要求越来越高。可以预见，在5G物联网、车联网的应用场景中，阵列式传感器将会被更广泛地应用。由于传感阵列规模的扩大，多物理场之间耦合量的强度减少、干扰量和噪声量增加，这些都要求新型的传感阵列的读出电路设计。图1示意了阵列式传感器的驱动电路、读出电路及其连接关系。虽然传感器的具体实现、甚至传感机制千差万别，但是它们都普遍地采用阵列式的布置，其驱动和读出电路基本上相通。
以电容触控阵列技术为例。触控屏技术使得人机交互更加便捷，，被广泛地应用到消费电子、工控设备、汽车电子产品中。目前，电容式触控是最主流的触控屏技术。相比于电阻式触控或者红外式触控，电容式触控的优势在于支持多点触控、抗噪声能力强、技术成熟度高、制备成本低廉等。现阶段，在汽车电子、电子白板、电子会议***等应用场合中，大尺寸高分辨率的触控技术是重要的发展方向。图2示意了容式传感器阵列的驱动电路(TX)、读出电路(RX)及其连接关系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)。驱动线(TX)和读出线(RX)在位于两个金属层、垂直交叉地形成耦合阵列结构；TX和RX的电极材料一般都要求既导电又透明，氧化铟锡(ITO)是常见的选择。每条线上有若干个菱形电极，相邻两个菱形电极之间会产生互电容。当手指触摸屏幕时，会影响每个交点(即互电容)处的电场分布；由于一部分电力线通过人体流入地，这会造成互电容量变小，读出线上的电荷量也变少了。因此，将此互电容大小的变化量转化为电压信号的变化量并读出，通过坐标轴(TX,RX)就可以定位触摸位置的发生。
当触控屏的尺寸增大以后，TX以及RX线的长度都随之增加，从而，TX以及RX线上的寄生电阻-电容(RC)值也会增加。由于驱动线TX上的充电/放电损耗，触控读出电路输出信号的强度就会减小。又由于触控屏尺寸的增大，相应的驱动通道TX和读出通道RX的数量也会增加。为了保证一定的刷新频率，每个驱动通道的检测时间会减少，此时读出通道的积分时间也会变少，信号的读出强度会进一步地减小。
光电图像传感阵列和电容触控阵列的原理较为相似。图3示意了光电式传感器阵列的驱动电路(TX)、读出电路(RX)、像素电路及其连接关系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)。这里利用光电二极管/三极管的光电泄漏电流的差异，可感知外界环境并形成图像。类似于电容触控阵列，当图像空间分辨率提高、阵列规模更大时，光电图像传感阵列的读出电路也面临积分时间减少、信号读出强度降低等问题。
传统的传感器阵列读出电路设计已经较为成熟。整个读出***包括驱动信号发生器、电容变化读出电路、模数转换电路(ADC)、数据处理器等部分。驱动信号一般为方波或者其他波形，读出电路将读出通道传输出来的感应信号通过一个开关MOS管调节，提取同相的半周期信号进行积分并利用ADC读出。然而，这种传统的读出电路设计无法解决大尺寸、高分辨率、高刷新率传感器阵列所面临的RC延迟量大、信号强度低的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种适用于大尺寸传感阵列，且可靠性高、反应灵敏的新型大尺寸传感阵列的读出电路。
本发明的目的之二在于提供一种包括了所述新型大尺寸传感阵列的读出电路的大尺寸传感阵列。
本发明提供的这种新型大尺寸传感阵列的读出电路，包括若干路并行通道，每一路并行通道均包括一路差分检测模块、一路信号交叉耦合模块和一路差分积分模块；差分检测模块、信号交叉耦合模块和差分积分模块依次串联；差分检测模块的输入端连接大尺寸传感阵列的输出端；差分检测模块用于将大尺寸传感阵列输出的电荷信号转换为第一电压信号并进行噪声消除后再上传至信号交叉耦合模块；信号交叉耦合模块用于将上传的第一电压信号转换为一路正相位电压信号和一路负相位电压信号，并同时上传至差分积分模块；差分积分模块用于将上传的正相位电压信号和负相位电压信号进行差分积分，并输出到大尺寸传感阵列后续的***信号处理电路。
所述的差分检测模块由差分运算放大电路构成。
所述的差分检测模块包括差分检测第一输入电容、差分检测第二输入电容、差分检测第一输入电阻、差分检测第二输入电阻、差分检测第一滤波电容、差分检测第二滤波电容和差分检测放大器；大尺寸传感阵列输出的两路信号，一路通过串联的差分检测第一输入电容输入到差分检测运算放大器的输入端一端，另一路通过串联的差分检测第二输入电容输入到差分检测运算放大的输入端另一端，差分检测第一输入电阻连接在差分检测放大器的输入端一端与差分检测放大器的输出端之间，差分检测第二输入电阻连接在差分检测放大器的输入端另一端与地之间；差分检测第一滤波电容并联在差分检测第一输入电阻的两端，差分检测第二滤波电容并联在差分检测第二输入电阻的两端；差分检测放大器的输出端即为差分检测模块的输出端。
所述的差分积分模块为由运算放大器构成的差分积分电路。
所述的差分积分模块包括差分积分第一电阻、差分积分第二电阻、差分积分第一电容、差分积分第二电容和差分积分运算放大器；差分积分运算放大器的输入负极串联差分积分第一输入电阻；差分积分运算放大器的输入正极串联差分积分第二输入电阻；差分积分运算放大器的输入负极与差分积分运算放大器的输出端之间串接差分积分第一电容；差分积分运算放大器的输入正极与地之间串接差分积分第二电容；信号交叉耦合模块输出的负相位电压信号连接差分积分第一电阻，信号交叉耦合模块输出的正相位电压信号连接差分积分第二电阻。
所述的信号交叉耦合模块包括信号交叉第一整流电路、信号交叉第二整流电路和信号交叉反向电路；差分检测模块输出的第一电压信号通过信号交叉第一整流电路整流后转换为负相位电压信号，并输出到差分积分模块；差分检测模块输出的第一电压信号还通过信号交叉反向电路进行反向后，再通过信号交叉第二整流电路整流后转换为正相位电压信号，并输出到差分积分电路。
所述的信号交叉第一整流电路为由二极管构成的无源整流电路。
所述的信号交叉第二整流电路为由二极管构成的无源整流电路。
所述的信号交叉第一整流电路为由开关管构成的有源整流电路。
所述的信号交叉第二整流电路为由开关管构成的有源整流电路。
本发明还公开了一种大尺寸传感阵列，所述大尺寸传感阵列包括了所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路。
本发明提供的这种新型大尺寸传感阵列的读出电路及其大尺寸传感阵列，通过差分检测、信号交叉耦合和差分积分的方式，将大尺寸传感阵列输出的信号进行交叉耦合并差分输出，大幅提高了读出信号的强度，从而使得大尺寸传感阵列的触控信号更易识别；而且本发明的电路简单可靠，成本低廉。
附图说明
图1为传感器阵列驱动电路、读出电路及其连接关系的示意图。
图2为电容式传感器阵列的驱动电路(TX)、读出电路(RX)及其连接关系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)的示意图。
图3为光电式传感器阵列的驱动电路(TX)、读出电路(RX)、像素电路及其连接关系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)的示意图。
图4为现有的传感器阵列的近邻的两列读出电路(RX[n]和RX[n+1])的构成示意图。
图5为现有的相关采样技术的传感器阵列的近邻的列读出电路的构成示意图。
图6为现有的相关采样技术的传感器阵列的近邻的列读出电路的构成示意图。
图7为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路的构成示意图。
图8为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，基于电容实现的耦合环节示意图。
图9为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，基于双CMOS交叉耦合开关实现的耦合环节示意图。
图10为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，交叉耦合环节的第一实施例示意图。
图11为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，交叉耦合环节第一实施例的时序原理示意图。
图12为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，交叉耦合环节的第二实施例示意图。
图13为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，交叉耦合环节第二实施例的时序原理示意图。
图14为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路的第三实施例示意图。
图15为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路的第三实施例时序原理示意图。
图16本申请的读出电路的仿真结果示意图。
图17为本申请的读出电路的实验结果示意图。
具体实施方式
图4是现有的传感器阵列的近邻的两列读出电路(RX[n]和RX[n+1])的构成示意图，其中单列读出电路包含有放大电路(k倍)、积分电路、ADC电路；驱动电路输出信号(TX)由于线上寄生电阻-电容(RC)发生衰减；阵列内噪声对RX[n]和RX[n+1]的信号造成扰动。其中，每一列的读出电路中包含有放大电路、积分电路、ADC电路等。放大电路可以将列读出信号放大k倍；积分电路的作用是通过在时域内信号的叠加抑制噪声量、增强有效信号；ADC电路的作用是将输出的模拟量数字化，以利于后续电路和***的进一步处理。图4所示意的这种经典的传感阵列的读出电路在阵列规模较小、分辨率不高、刷新率较低的场合广为采用。但是，传感阵列的规模增加之后，驱动电路输出信号(TX)线上的寄生电阻-电容(RC)效应将显著增加。如图4所示，当RC的值增加之后，驱动线TX上的信号发生衰减、驱动波形发生较严重的畸变。对于大规模传感阵列而言，例如大尺寸电容式触控屏，这就容易造成不同位置(驱动线TX方向的近端和远端；读出线RX方向的近端和远端)的传感器输出差异较大。尤其是，大尺寸传感阵列内噪声源更多，例如大尺寸的光电传感阵列中，随着RX[n]和RX[n+1]线上像素单元的增加，像素内开光器件泄漏电流造成的噪声量显著提升，这些噪声电流可能和光电流可比拟。总结起来看，提高传感信号强度、减少读出信号的非均匀性以及减少读出通道的噪声信号是高性能传感阵列设计的关键问题。
图5示意了现有的相关采样技术的传感器阵列的近邻的列读出电路，其中近邻的两列读出像素共用放大电路(k倍)、积分电路、ADC电路。这里的出发点是，传感阵列的近邻两列读出通道感应到相等的噪声信号，该假定对于传感阵列制备、驱动方法等造成的噪声和干扰信号基本成立。这近邻的两列读出像素共用放大电路(k倍)、积分电路和ADC电路，通过对这近邻的两列传感器信号作差，检测传感阵列物理量之间的差量，例如电容触控阵列中，同一行近邻两列对应的像素部分的电容的差值。这种传感阵列读出架构可较好地解决读出噪声量的问题，但是对于RC延迟造成的读出信号均匀性问题及读出信号强度弱的问题没有作用。
图6示意了为现有的相关采样技术的传感器阵列的近邻的列读出电路的架构，通过增加耦合环节减少RC延迟的影响；通过反相器反馈环路增加积分强度。该架构在传感阵列和读出电路之间增加了耦合环节，同时在积分器前端增加了反相器反馈环路。通过耦合环节及CK和XCK这两路不交叠时钟信号的协同作用，对应于TX信号的上升沿和下降沿采样到的传感器输出，分别完成信号积分。这种传感阵列读出架构对于抑制读出噪声量、提升读出信号强度均有一定的作用，但是RC延迟造成的读出信号均匀性问题及如何进一步提升读出信号强度，还需要新的电路设计。
图7示意了本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路的结构，新的交叉耦合环节分别响应TX信号的上升沿及下降沿，使得TX信号的上升沿及下降沿分别实现2倍率积分，总共实现传感器阵列信号的四倍率积分输出。该结构具备交叉耦合环节，通过耦合环节和交叉耦合环节的时序配合，对应于TX信号的上升沿采样到的传感器输出实现2倍率积分，同时对应于TX信号的下降沿采样到的传感器输出也实现2倍率积分，从而总共实现传感器阵列信号的四倍率积分输出。
图8为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，基于电容实现的耦合环节的一种具体实施例。采用电容耦合的优势不仅在于结构简单，而且电容耦合的速度较快，可以在一定程度上抑制RC延迟造成的读出信号不均匀的问题。电容耦合可能的不足之处在于信号幅值的整体减少；但是对于信号幅值的整体减少，整个传感阵列的均匀度较高。
图9为本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路中，基于双CMOS交叉耦合开关实现的耦合环节的一种具体实施例。该CMOS交叉耦合开关可以配合TX信号，通过翻转传感阵列读出电路输入信号的极性，提升传感阵列读出电路的输出值。
以下将以大尺寸电容触控阵列为例，具体阐释读出电路其他环节的具体实现方法。
图10示意了本申请的相关采样四倍率积分的传感器阵列的列读出电路的第一实施例。本发明提供的这种新型大尺寸传感阵列的读出电路，包括若干路并行通道，每一路并行通道均包括一路差分检测模块、一路信号交叉耦合模块和一路差分积分模块；差分检测模块、信号交叉耦合模块和差分积分模块依次串联；差分检测模块的输入端连接大尺寸传感阵列的输出端；差分检测模块用于将大尺寸传感阵列输出的电荷信号转换为第一电压信号并进行噪声消除后再上传至信号交叉耦合模块；信号交叉耦合模块用于将上传的第一电压信号转换为一路正相位电压信号和一路负相位电压信号，并同时上传至差分积分模块；差分积分模块用于将上传的正相位电压信号和负相位电压信号进行差分积分，并输出到大尺寸传感阵列后续的***信号处理电路。
在具体实施时，差分检测模块可以由差分运算放大电路构成；差分积分模块为由运算放大器构成的差分积分电路。
如图10所示为读出电路的第一实施例的电路原理示意图，其基于时钟控制的MOS开关：在本实施例中，图中电路包括四个部分，分别是最左侧的触摸屏等效电路、差分检测模块电路、信号交叉耦合模块电路和差分积分模块电路。
触摸屏等效电路用于模拟屏幕上有触摸行为后两个读出通道所输出的信号，即Vin1和Vin2。
差分检测模块包括差分检测第一输入电容C1、差分检测第二输入电容C2、差分检测第一输入电阻R1、差分检测第二输入电阻R2、差分检测第一滤波电容C3、差分检测第二滤波电容C4和差分检测放大器OP1；大尺寸传感阵列输出的两路信号，一路(Vin1)通过串联的差分检测第一输入电容输入到差分检测运算放大器的输入端一端，另一路(Vin2)通过串联的差分检测第二输入电容输入到差分检测运算放大的输入端另一端，差分检测第一输入电阻连接在差分检测放大器的输入端一端与差分检测放大器的输出端之间，差分检测第二输入电阻连接在差分检测放大器的输入端另一端与地之间；差分检测第一滤波电容并联在差分检测第一输入电阻的两端，差分检测第二滤波电容并联在差分检测第二输入电阻的两端；差分检测放大器的输出端即为差分检测模块的输出端。
差分积分模块包括差分积分第一电阻R5、差分积分第二电阻R6、差分积分第一电容C5、差分积分第二电容C6和差分积分运算放大器OP3；差分积分运算放大器的输入负极串联差分积分第一输入电阻；差分积分运算放大器的输入正极串联差分积分第二输入电阻；差分积分运算放大器的输入负极与差分积分运算放大器的输出端之间串接差分积分第一电容；差分积分运算放大器的输入正极与地之间串接差分积分第二电容；信号交叉耦合模块输出的负相位电压信号连接差分积分第一电阻，信号交叉耦合模块输出的正相位电压信号连接差分积分第二电阻。
信号交叉耦合模块则包括信号交叉第一整流电路(图中包括开关管T1和T2)、信号交叉第二整流电路(图中包括开关管T3和T4)和信号交叉反向电路(图中包括运放OP2，以及电阻R3和R4)；差分检测模块输出的第一电压信号通过信号交叉第一整流电路整流后转换为负相位电压信号(图中D点的电压信号)，并输出到差分积分模块；差分检测模块输出的第一电压信号还通过信号交叉反向电路进行反向(反向的同时可以进行放大或缩小，具体可以调整R3和R4的阻值)后，再通过信号交叉第二整流电路整流后转换为正相位电压信号(图中C点的电压信号)，并输出到差分积分电路；图中的
Figure BDA0002179476210000111
和
Figure BDA0002179476210000112
为开关管的驱动信号。
在本实施例中，信号交叉第一整流电路和信号交叉第二整流电路均采用由晶体管构成的有源整流电路。
如图11所示为本发明的读出电路的第一实施例的电路时序原理示意图：当传感面板上有触摸行为发生时，互电容cm1和cm2的大小不相等，此时两路检测信号Vin1和Vin2的幅值不相等，通过运放OP1相减后再放大，在节点A得到一个触摸信号(如图10中的A所示)。触摸信号分为两路，另一路经过由运放OP2组成的反相放大电路后，在节点B得到一个反相信号，设置电阻R3和电阻R4大小相等，所以反相信号的幅值也相等(如图11中的B所示)。在一个周期内，当
Figure BDA0002179476210000114
为高电平，
Figure BDA0002179476210000113
为低电平时，节点A的正向尖峰信号通过开关管T2输入至节点D，节点B的负向尖峰信号通过开关管T3输入至节点C；当
Figure BDA0002179476210000115
为低电平，
Figure BDA0002179476210000116
为高电平时，节点A的负向尖峰信号通过开关管T1输入至节点C，节点B的正向尖峰信号通过开关管T4输入至节点D。因此，在一个周期内，节点C有两个负向尖峰信号输入至积分器，节点D有两个正向尖峰信号输入至积分器。通过信号交叉耦合模块处理触摸信号后，相同时间内将正向尖峰信号和负向尖峰信号数量增加到原来的两倍，通过差分积分后，积分输出值增加为原来的4倍。在相同时间内，通过增加积分信号量以增加积分输出值的方案，有效的解决了大尺寸传感阵列在RC延迟增加以后电荷量减少的问题，灵敏度较高，适用于大尺寸传感阵列。
如图12所示为本发明的读出电路的第二实施例的电路原理示意图，其基于多二极管控制：图中同样包括是最左侧的触摸屏等效电路、差分检测模块电路、信号交叉耦合模块电路和差分积分模块电路。而且，触摸屏等效电路、差分检测模块电路和差分积分模块电路均与图10中的电路相同。
信号交叉耦合模块则包括信号交叉第一整流电路(图中包括二极管D1和D2)、信号交叉第二整流电路(图中包括二极管D3和D4)和信号交叉反向电路(图中包括运放OP2，以及电阻R3和R4)；差分检测模块输出的第一电压信号通过信号交叉第一整流电路整流后转换为负相位电压信号(图中D点的电压信号)，并输出到差分积分模块；差分检测模块输出的第一电压信号还通过信号交叉反向电路进行反向(反向的同时可以进行放大或缩小，具体可以调整R3和R4的阻值)后，再通过信号交叉第二整流电路整流后转换为正相位电压信号(图中C点的电压信号)，并输出到差分积分电路；图中的
Figure BDA0002179476210000122
和
Figure BDA0002179476210000121
为开关管的驱动信号。
在本实施例中，信号交叉第一整流电路和信号交叉第二整流电路均采用由二极管构成的无源整流电路。
如图13所示为本发明的读出电路的第二实施例的电路时序原理示意图：当传感阵列上有触发事件发生时，互电容cm1和cm2的大小不相等，此时两路检测信号Vin1和Vin2的幅值不相等，通过运放OP1相减后再放大，在节点A得到一个触摸信号(如图12中的A所示)。触摸信号分为两路，另一路经过由运放OP2组成的反相放大电路后，在节点B得到一个反相信号，设置电阻R3和电阻R4大小相等，所以反相信号的幅值也相等(如图12中的B所示)。在一个周期内，节点A的正向尖峰信号通过二极管D1输入至节点C，节点B的负向尖峰信号通过二极管D4输入至节点D；节点A的负向尖峰信号通过二极管D2输入至节点D，节点B的正向尖峰信号通过二极管D3输入至节点C。因此，在一个周期内，节点C有两个负向尖峰信号输入至积分器，节点D有两个正向尖峰信号输入至积分器。通过信号交叉耦合模块处理触摸信号后，相同时间内将正向尖峰信号和负向尖峰信号数量增加到原来的两倍，通过差分积分后，积分输出值增加为原来的4倍。在相同时间内，通过增加积分信号量以增加积分输出值的方案，有效的解决了大尺寸传感阵列在RC延迟增加以后电荷量减少的问题，灵敏度较高，适用于大尺寸高分辨率的传感阵列。
如图14所示为本发明的读出电路的第三实施例的电路原理示意图：与图10的第一实施例不同的是，本图中的实施例的驱动信号(传感阵列的驱动信号)为正弦波。
如图15所示为本发明的读出电路的第三实施例的电路时序原理示意图：当传感阵列上有触发行为时，互电容cm1和cm2的大小不相等，此时两路检测信号Vin1和Vin2的幅值不相等，通过运放OP1相减后再放大，在节点A得到一个触摸信号(如图14中的A所示)。触摸信号分为两路，另一路经过由运放OP2组成的反相放大电路后，在节点B得到一个反相信号，设置电阻R3和电阻R4大小相等，所以反相信号的幅值也相等(如图14中的B所示)。在一个周期内，当
Figure BDA0002179476210000132
为高电平，
Figure BDA0002179476210000131
为低电平时，节点A的正向尖峰信号通过开关管T2输入至节点D，节点B的负向尖峰信号通过开关管T3输入至节点C；当
Figure BDA0002179476210000133
为低电平，
Figure BDA0002179476210000134
为高电平时，节点A的负向尖峰信号通过开关管T1输入至节点C，节点B的正向尖峰信号通过开关管T4输入至节点D。因此，在一个周期内，节点C有两个负向尖峰信号输入至积分器，节点D有两个正向尖峰信号输入至积分器。通过信号交叉耦合模块处理触摸信号后，相同时间内将正向尖峰信号和负向尖峰信号数量增加到原来的两倍，通过差分积分后，积分输出值增加为原来的4倍。
本发明的实施例三的优势在于：
1)通过交叉耦合模块，有效地增加了相同时间内读出电路的积分输出值，使得大尺寸传感阵列的灵敏度较高、输出强度更大。
2)通过正弦信号驱动方法，通过交叉耦合模块的配合，抑制了大尺寸传感阵列上RC延迟造成的读出信号强度不均匀问题。TX以及RX线上的RC延迟造成的影响，可以等效为低通滤波。由于TX方波信号中包含着丰富的频谱信息，故容易造成传感阵列不同角落里传感信号的差异。而正弦信号驱动方法中，可以使得RX接收到的频谱较为纯粹，这就有利于减少传感阵列的非均匀性。
3)传统的传感阵列的读出结构中，如图6所示意的，由于正弦信号和非交叠的采样时钟
Figure BDA0002179476210000142
和
Figure BDA0002179476210000141
的时序对准问题，容易引入读出信号的波形失真。本实施例的交叉耦合模块，无论对于
Figure BDA0002179476210000143
的采样阶段，还是
Figure BDA0002179476210000144
的采样阶段，输入信号及其反相信号均同步地输入到积分器的正负输入端子。于是通过积分器的正负输入端的抵消作用，可以克服传感阵列的读出信号的失真问题，这有利于减少传感阵列的非均匀性。
如图16所示为本发明的读出电路的仿真结果示意图：可以看出，在相同时间内，本发明提出的电路比传统电路多积分了2次，同时积分值提高了4倍，有效的解决了大尺寸传感阵列在RC延迟增加以后电荷量减少的问题，灵敏度较高，适用于大尺寸的高分辨率传感阵列。
如图17所示为本发明的读出电路的实验结果示意图：可以看出，本发明提出的电路在每个半周期都有积分输出，比传统电路多积分了2次，与仿真结果相符合。此电路有效的解决了大尺寸传感阵列在RC延迟增加以后电荷量减少的问题，灵敏度较高，适用于大尺寸的高分辨率传感阵列。

Claims (7)

1.一种新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于包括若干路并行通道，每一路并行通道均包括一路差分检测模块、一路信号交叉耦合模块和一路差分积分模块；差分检测模块、信号交叉耦合模块和差分积分模块依次串联；差分检测模块的输入端连接大尺寸传感阵列的输出端；差分检测模块用于将大尺寸传感阵列输出的电荷信号转换为第一电压信号并进行噪声消除后再上传至信号交叉耦合模块；信号交叉耦合模块用于将上传的第一电压信号转换为一路正相位电压信号和一路负相位电压信号，并同时上传至差分积分模块；差分积分模块用于将上传的正相位电压信号和负相位电压信号进行差分积分，并输出到大尺寸传感阵列后续的***信号处理电路；所述的差分检测模块由差分运算放大电路构成；所述的信号交叉耦合模块包括信号交叉第一整流电路、信号交叉第二整流电路和信号交叉反向电路；差分检测模块输出的第一电压信号通过信号交叉第一整流电路整流后转换为负相位电压信号，并输出到差分积分模块；差分检测模块输出的第一电压信号还通过信号交叉反向电路进行反向后，再通过信号交叉第二整流电路整流后转换为正相位电压信号，并输出到差分积分电路。
2.根据权利要求1所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于所述的差分检测模块包括差分检测第一输入电容、差分检测第二输入电容、差分检测第一输入电阻、差分检测第二输入电阻、差分检测第一滤波电容、差分检测第二滤波电容和差分检测放大器；大尺寸传感阵列输出的两路信号，一路通过串联的差分检测第一输入电容输入到差分检测运算放大器的输入端一端，另一路通过串联的差分检测第二输入电容输入到差分检测运算放大的输入端另一端，差分检测第一输入电阻连接在差分检测放大器的输入端一端与差分检测放大器的输出端之间，差分检测第二输入电阻连接在差分检测放大器的输入端另一端与地之间；差分检测第一滤波电容并联在差分检测第一输入电阻的两端，差分检测第二滤波电容并联在差分检测第二输入电阻的两端；差分检测放大器的输出端即为差分检测模块的输出端。
3.根据权利要求1所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于所述的差分积分模块为由运算放大器构成的差分积分电路。
4.根据权利要求3所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于所述的差分积分模块包括差分积分第一电阻、差分积分第二电阻、差分积分第一电容、差分积分第二电容和差分积分运算放大器；差分积分运算放大器的输入负极串联差分积分第一输入电阻；差分积分运算放大器的输入正极串联差分积分第二输入电阻；差分积分运算放大器的输入负极与差分积分运算放大器的输出端之间串接差分积分第一电容；差分积分运算放大器的输入正极与地之间串接差分积分第二电容；信号交叉耦合模块输出的负相位电压信号连接差分积分第一电阻，信号交叉耦合模块输出的正相位电压信号连接差分积分第二电阻。
5.根据权利要求1所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于所述的信号交叉第一整流电路为由二极管构成的无源整流电路；所述的信号交叉第二整流电路为由二极管构成的无源整流电路。
6.根据权利要求1所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路，其特征在于所述的信号交叉第一整流电路为由开关管构成的有源整流电路；所述的信号交叉第二整流电路为由开关管构成的有源整流电路。
7.一种大尺寸传感阵列，其特征在于包括权利要求1~6之一所述的新型大尺寸传感阵列的读出电路。
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