CN101783105A - 一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法 - Google Patents

一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种空间光调制器的驱动电路，基于多量子阱的空间光调制器前向连接有一驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括信号相连的数模转换单元和驱动像素阵列，以及信号连接至两者的控制电路，其中所述数模转换单元具有复数个横向排列且相互并行的数模转换器及其输出缓冲，且各输出缓冲还并设有偏置电路；所述驱动像素阵列的横排与纵列数量与数模转换器的数量相同。向该驱动电路输入数字信号，经数模转化为模拟信号传至驱动像素阵列保存输出。本发明具有电路结构简单、驱动响应速度高、功耗低的优点，便于低成本制造，为空间光调制器的推广应用提供了可行的保障。

Description

一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法
技术领域
本发明涉及一种CMOS集成电路设计，尤其涉及一种空间光调制器的驱动电路设计及其运作方法，通过驱动电路器件结构的改进，达到提高驱动速度、降低功耗的要求。
背景技术
在太阳能资源应用到研究的过程中，常常需要用到许多应用器件。空间光调制器即是其中之一，而该空间光调制器大部分为由电压信号驱动，可实时地在空间上调制光束，对光电信号进行转换，是构成实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统的关键器件，能够快速完成矩阵乘除等复杂运算。
基于液晶工艺的空间光调制器，其转换速率大多为数千帧每秒，而多量子阱工艺的空间光调制器则可达到5万甚至10万帧每秒的速率。显然，基于多量子阱工艺的空间光调制器比起传统的液晶调制器，拥有更低的功耗和更快的响应速度。传统采用片内电流源对采样电容进行充电，而采样时间往往过长，与基于多量子阱工艺的空间光调制器效率相冲突。因此为了更好地发挥多量子阱空间光调制器的优点、推广应用，对其驱动电路的设计制造，尤其是驱动电路处理速度及功耗等方面提出了更高的要求。
发明内容
鉴于上述对空间光调制器应用上的需求，本发明的目的旨在提出一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法，为空间光调制器快速提供合适的驱动电压，并进一步降低功耗。
本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：
一种空间光调制器的驱动电路，基于多量子阱的空间光调制器以倒装焊结构前向连接有一驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括信号相连的数模转换单元和驱动像素阵列，以及信号连接至两者的控制电路，其中所述数模转换单元具有复数个横向排列且相互并行的数模转换器及其输出缓冲，且各输出缓冲还并设有偏置电路；所述驱动像素阵列的横排与纵列数量与数模转换器的数量相同；所述控制电路含有一级寄存器存储数据，以行扫描的方式实现赋值。
进一步地，前述一种空间光调制器的驱动电路，其中该数模转换单元前向连接有一个数字信号输入缓冲单元，并且该数字信号输入缓冲单元与控制电路受控相连，其至少包括数字寄存器。
进一步地，该数模转换单元具有64个横向排列且相互并行的数模转换器及其输出缓冲；所述驱动像素阵列具有64×64个像素单元。
上述本发明空间光调制器的驱动电路的运作方法为：
I、由控制电路将数字信号分组并依次分配给各横向排列且相互并行的数模转换器；
II、由所述全部数模转换器一次同步转换得到组数个模拟信号，并将该些模拟信号传输至驱动像素阵列中的任一行；
III、对应一行的各像素单元对模拟信号进行采样，并持续输出采样的电平；
IV、数模转换器断开与当前行像素单元的连接，并连接至下一行的像素单元、
V、循环步骤II～IV，直至空间光调制器需要输出新的信号。
进一步地，前述一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，步骤I中所述数字信号在输入缓冲单元内由控制器进行分组及分配。该数字信号分组为8位/组，各组依序分配给各8位的数模转换器
进一步地，前述一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，其中该驱动像素阵列的采样及持续输出两种模式间的切换是通过控制电路选择实现的。
上述本发明一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法，从电路结构方面进行改进，引出一种新型的电路运作方法，具有电路结构简单、驱动响应速度高、功耗低的优点，便于低成本制造，为空间光调制器的推广应用提供了可行的保障。
附图说明
图1是本发明驱动电路的整体结构框图；
图2是本发明驱动电路的简化示意图；
图3是本发明采用的数模转换器的电路结构示意图；
图4是本发明采用的输出缓冲的电路结构示意图；
图5是本发明采用的像素单元的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明一种空间光调制器的驱动电路及其运作方法更易于理解，以下结合实施例附图，对该驱动电路作进一步地详细说明。
如图1和图2所示的本发明驱动电路的整体结构框图和简化示意图。从图中所示可见：该一种空间光调制器的驱动电路，其核心电路包括32位的数字信号输入缓冲单元、64个横向排列的数模转换器(以下简称DAC)及其输出缓冲构成的数模转换单元，以及64×64的驱动像素阵列，并且一侧设有控制电路，与上述数字信号输入缓冲单元、模数转换单元及驱动像素阵列分别信号相连，用于控制各构成单元的工作状态；而另一侧则设有一偏置电路，与各数模转换器的输出缓冲并设，旨在放大转换得到的模拟信号，提升调制精度。
如图3所示的本发明数模转换器的电路结构示意图可见：上述该数模转换单元具有64个横向排列的DAC，其中各DAC之间相互并行、独立，分别受控于控制电路，用于将来自输入缓冲器的数字信号转换成相应的模拟信号输出，提供给驱动像素单元采样、输出之用。由于64个DAC横向排列，故而需要每个DAC与像素单元等宽。考虑到DAC的速度、精度和单调性并满足集成电路面积的要求，此处采用了电阻串(resistor-string)结构来实现4位D/A转换。控制开关的闭合与关断情况和DAC输出结果如表1所示：
  D3D2D1D0   关闭的开关   开启的开关
  0000   SM0，SM1，SL0   SM2，SM3，SM4，SL1，SL2，SL3，
  0001   SM0，SM1，SL1   SM2，SM3，SM4，SL0，SL2，SL3，
  0010   SM0，SM1，SL2   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL3，
  0011   SM0，SM1，SL3   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL2，
  0100   SM1，SM2，SL3   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL2，
  0101   SM1，SM2，SL2   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL3，
  0110   SM1，SM2，SL1   SM2，SM3，SM4，SL0，SL2，SL3，
  0111   SM1，SM2，SL0   SM2，SM3，SM4，SL1，SL2，SL3，
  1000   SM2，SM3，SL0   SM2，SM3，SM4，SL1，SL2，SL3，
  1001   SM2，SM3，SL1   SM2，SM3，SM4，SL0，SL2，SL3，
  1010   SM2，SM3，SL2   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL3，
  1011   SM2，SM3，SL3   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL2，
  1100   SM3，SM4，SL3   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL2，
  1101   SM3，SM4，SL2   SM2，SM3，SM4，SL0，SL1，SL3，
  1110   SM3，SM4，SL1   SM2，SM3，SM4，SL0，SL2，SL3，
  1111   SM3，SM4，SL0   SM2，SM3，SM4，SL1，SL2，SL3，
表1
如图4所示的本发明输出缓冲的电路结构示意图可见：因为在64个DAC和64×64个像素单元的输出级都需要用到缓冲器，所以缓冲器的功耗对整个芯片的功耗影响很大，同时有需要兼顾输出响应速度和精度的要求，故此该输出缓冲采用了AB类运放的结构，并以单位反馈的形式参与运作。如图4所示，MN1～MN6，MP1～MP3的MOSFET构成了AB类输出级。相较于一般A类运放只能以固定电流充电，AB类运放通过对MP3管栅压的控制，可以获得较大的充电电流，在保持较低静态功耗的情况下拥有良好的动态特性。
如图5所示的本发明像素单元的电路结构示意图可见，该64×64的驱动像素阵列中各像素单元结构均相同，主要包括采样保持电容，采样开关和一个输出缓冲器。
该驱动电路于实际运作过程为：首先数字信号由外部通过32位的数字信号输入缓冲单元输入，存储在其寄存器中；再由控制电路将该数字信号分组、依次分配给64个4位的DAC，转化为模拟信号，进而传输给64×64的驱动像素阵列，并由控制电路选择像素单元的采样/保持模式。细化来看：将64组4位的数字信号转为64个模拟信号，并将该些模拟信号传至64×64个像素单元中的某一行，像素单元对来自DAC的模拟信号进行采样，并在完成后持续输出采样的电平，直至下一次采样；继而64个DAC断开与该行像素单元的连接，并跳转连接到下一行像素单元。循环上述过程，当64×64个像素都完成采样工作后，输出一帧的电压信号，驱动空间光调制器(图2为简化了的驱动电路示意图)，保持输出电平直至需要输出新的信号。
本发明的驱动电路采用倒装焊的方式与空间光调制器相连接，通过本发明的驱动电路结构，引出一种新型的电路运作方法，将电压信号的数模转化与驱动像素单元相分离，有效解决了传统依靠像素内积分电路产生模拟电压信号的高能耗问题。该驱动电路具有电路结构简单、驱动响应速度高、功耗低的优点，便于低成本制造，为空间光调制器的推广应用提供了可行的保障。
综上所述，仅是通过本发明一优选实施例结构特征及其运作方法的详细描述，旨在加深对本发明的理解，并非以此限制本专利应用实施的范围及多变性。故凡是相对于本发明上述实施例等效或近似的结构变换，可以实现本发明目的设计方案，均应该被视为属于本发明专利保护的范畴。

Claims (9)

1.一种空间光调制器的驱动电路，基于多量子阱的空间光调制器前向连接有一驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括信号相连的数模转换单元和驱动像素阵列，以及信号连接至两者的控制电路，其中所述数模转换单元具有复数个横向排列且相互并行的数模转换器及其输出缓冲，且各输出缓冲还并设有偏置电路；所述驱动像素阵列的横排与纵列数量与数模转换器的数量相同；所述控制电路含有一级寄存器存储数据，以行扫描的方式赋值。
2.根据权利要求1所述的一种空间光调制器的驱动电路，其特征在于：所述数模转换单元前向连接有一个数字信号输入缓冲单元，并且所述数字信号输入缓冲单元与控制电路受控相连。
3.根据权利要求2所述的一种空间光调制器的驱动电路，其特征在于：所述数字信号输入缓冲单元至少包括数字寄存器。
4.根据权利要求1所述的一种空间光调制器的驱动电路，其特征在于：所述数模转换单元具有64个横向排列且相互并行的数模转换器及其输出缓冲；所述驱动像素阵列具有64×64个像素单元。
5.根据权利要求1所述的一种空间光调制器的驱动电路，其特征在于：所述驱动电路与空间光调制器为倒装焊的连接结构。
6.权利要求1所述一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，其特征步骤包括：I、由控制电路将数字信号分组并依次分配给各横向排列且相互并行的数模转换器；II、由所述全部数模转换器一次同步转换得到组数个模拟信号，并将该些模拟信号传输至驱动像素阵列中的任一行；III、对应一行的各像素单元对模拟信号进行采样，并持续输出采样的电平；IV、数模转换器断开与当前行像素单元的连接，并连接至下一行的像素单元、V、循环步骤II～IV，直至空间光调制器需要输出新的信号。
7.根据权利要求6所述的一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，其特征在于：步骤I中所述数字信号在输入缓冲单元内由控制器进行分组及分配。
8.根据权利要求6所述的一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，其特征在于：步骤I中所述数字信号分组为8位/组，各组依序分配给各8位的数模转换器
9.根据权利要求6所述的一种空间光调制器的驱动电路的运作方法，其特征在于：所述驱动像素阵列的采样及持续输出两种模式间的切换是通过控制电路选择。
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