CN103414473B - 一种比较器及其红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列读出电路的比较器，包括：比较器电路；灌电流电路，连接在系统电源和比较器电路的输出端之间，用于减小比较器电路的输出电压由高到低翻转过程中的比较时间的差异；抽电流电路，连接在比较器电路的输出端和地之间，用于减小输出电压由低到高翻转过程中所述比较器电路的比较时间的差异；负载电容，连接在比较器电路的输出端和地之间。本发明的实施例中提供的比较器中，包含灌电流电路和抽电流电路，可以使较大输入和较小输入的信号比较的翻转时间基本相同，从而降低比较时间上的误差，而且可适用于单斜率ADC中对比较时间恒定的要求，能够得到比传统结构更好的性能。

Description

一种比较器及其红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列读出电路技术领域，尤其是涉及一种红外焦平面阵列读出电路的比较器及其红外焦平面阵列读出电路。

背景技术

非制冷红外焦平面读出电路(ROIC)是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。其对电磁干扰(EMI) 非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方减少EMI的影响。读出集成电路还提供探测器热学和机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是CMOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。

比较器广泛应用于读出电路中的模拟信号到数字信号的转换过程中。在模数转换过程中，首先必须对输入进行采样。接着，经过采样的信号通过比较器以决定模拟信号的数字值。在最简单的情况下，比较器可以作为一个1位模—数转换器。单斜率ADC包括一个斜波发生器、一个时间间隔计数器、一个比较器、一个与门和一个产生输出码字的计数器。转换周期开始时，模拟输入信号被采样、保持并送到比较器的同相端。计数器被复位，时钟同时加到时间间隔计数器和与门上。在第一个时钟脉冲到来时，斜波发生器开始对基准电压进行积分。如果需要比较的信号（积分电路的输出）比斜波发生器的初始输出大，则连到比较器反相端的斜波发生器的输出开始上升。因为需要比较的信号（积分电路的输出）比斜波发生器的输出大，比较器输出高电平，并且加到与门上的每个时钟脉冲引起输出端的计数器计数。最后，当斜波发生器的输出等于需要比较的信号（积分电路的输出）时，比较器的输出降为低电平，输出计数器被禁止。代表输出计数器状态的二进制数现在可以转换成要求的码型。

当需要比较器比较大信号的范围，传统的比较器在同相端信号大小不同时，信号翻转的时间会有所不同，这样的比较翻转时间上的不一致可能会导致之后转换码字的非线性误差以及增加后续校正的难度。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种在较大的共模信号输入范围内进行比较时其翻转时间之间的差异被大大减小的红外焦平面阵列读出电路的比较器及其红外焦平面阵列读出电路。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种红外焦平面阵列读出电路的比较器，其特征在于，包括：比较器电路；灌电流电路，所述灌电流电路一端连接到系统电源，另一端连接到所述比较器电路的输出端，用于减小所述比较器电路的输出端的输出电压由高到低翻转过程中所述比较器电路的比较时间的差异；抽电流电路，所述抽电流电路一端连接到所述比较器电路的输出端，另一端接地，用于减小所述比较器电路的输出端的输出电压由低到高翻转过程中所述比较器电路的比较时间的差异。

本发明的一个实施例中，所述灌电流电路包括第一PMOS管和第一NMOS管，其中：所述第一PMOS管的源极连接到系统电源，漏极连接到所述第一NMOS管的漏极；所述第一NMOS管的漏极连接到所述第一NMOS管的栅极；所述第一NMOS管的源极连接到所述比较器电路的输出端。

本发明的一个实施例中，所述灌电流电路包括第一PMOS管和第一二极管，其中：所述第一PMOS管的源极连接到系统电源，漏极连接到所述第一二极管的正极；所述第一二极管的负极连接到所述比较器电路的输出端。

本发明的一个实施例中，所述抽电流电路包括第二PMOS管和第二NMOS管，其中：所述第二PMOS管的源极连接到所述比较器电路的输出端；所述第二PMOS管的漏极连接到所述第二PMOS管的栅极，并且连接到所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的源极接地。

本发明的一个实施例中，所述抽电流电路包括第二PMOS管和第二二极管，其中：所述第二二极管的正极连接到所述比较器电路的输出端；所述第二二极管的负极连接到所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的源极接地。

本发明的一个实施例中，所述比较器电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管，其中：所述第一MOS管的源极连接到所述第二MOS管的源极，并且连接到所述第五MOS管的漏极；所述第一MOS管的栅极连接到所述比较器电路的第一输入端，漏极连接到所述第三MOS管的漏极；所述第三MOS管的源极连接到所述系统电源，栅极连接到所述第四MOS管的栅极并且连接到所述第三MOS管的漏极；所述第四MOS管的源极连接到所述系统电源，漏极连接到所述第二MOS管的漏极并且连接到所述比较器电路的输出端；所述第二MOS管的栅极连接到所述比较器电路的第二输入端；所述第五MOS管的源极接地。

本发明的实施例中还提供了一种红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：包括上述任意一种比较器。

本发明的实施例中提供的比较器中，包含灌电流电路和抽电流电路，可以使较大输入和较小输入的信号比较的翻转时间基本相同，从而降低比较时间上的误差，而且可适用于单斜率ADC中对比较时间恒定的要求，能够得到比传统结构更好的性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的比较器的电路示意图。

图2是本发明实施例的比较器和传统结构的比较器的负载电容放电随同相端电压增加的变化的对比图。

图3是本发明实施例的比较器和传统结构的比较器的信号翻转时间随同相端电压变化的对比图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的红外焦平面阵列读出电路的比较器的具体结构。

如图1所示，本发明的一个实施例中，一种红外焦平面阵列读出电路的比较器包括比较器电路10、灌电流电路20和抽电流电路30。

灌电流电路20一端连接到系统电源VDD，另一端连接到比较器电路10的输出端OUT，用于减小比较器电路10的输出端OUT的输出电压由高到低翻转过程中比较器电路10的比较时间的差异。

抽电流电路30一端连接到比较器电路10的输出端OUT，另一端接地，用于减小比较器电路10的输出端OUT的输出电压由低到高翻转过程中比较器电路10的比较时间的差异。

其中，图1中所示的电容Cload是本发明实施例的比较器的负载的等效电容。

也如图1所示，本发明的一个实施例中，灌电流电路20包括第一PMOS管（P型金属氧化物半导体晶体管）PM1和第一NMOS管（N型金属氧化物半导体晶体管）NM1，其中：第一PMOS管PM1的源极连接到系统电源VDD，漏极连接到第一NMOS管NM1的漏极；第一NMOS管NM1的漏极连接到第一NMOS管NM1的栅极；第一NMOS管NM1的源极连接到比较器电路10的输出端OUT。

这里，第一NMOS管NM1也可以用第一二极管（图中未示出）替换，该第一二极管的正极连接到第一PMOS管PM1的漏极，负极连接到比较器电路10的输出端OUT。

此外，如图1所示，抽电流电路30包括第二PMOS管PM2和第二NMOS管NM2，其中：第二PMOS管PM2的源极连接到比较器电路10的输出端OUT；第二PMOS管PM2的漏极连接到第二PMOS管PM2的栅极，并且连接到第二NMOS管NM2的漏极；第二NMOS管NM2的源极接地。

这里，第二PMOS管PM2也可以用第二二极管（图中未示出）替换，该第二二极管的正极连接到比较器电路10的输出端OUT，负极连接到第二NMOS管NM2的漏极。

本发明的实施例中，比较器电路10可以是本领域内常用的常规比较器。

例如，参考图1，本发明的一个实施例中，比较器电路10包括第一MOS管（金属氧化物半导体晶体管）M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第五MOS管M5，其中：第一MOS管M1的源极连接到第二MOS管M2的源极，并且连接到第五MOS管M5的漏极；第一MOS管M1的栅极连接到比较器电路10的第一输入端inp，漏极连接到第三MOS管M3的漏极；第三MOS管M3的源极连接到系统电源VDD，栅极连接到第四MOS管M4的栅极并且连接到第三MOS管M3的漏极；第四MOS管M4的源极连接到系统电源VDD，漏极连接到第二MOS管M2的漏极并且连接到比较器电路10的输出端OUT；第二MOS管M2的栅极连接到比较器电路10的第二输入端inn；第五MOS管M5的源极接地。

但是，本发明的实施例中，比较器电路10不限制在上文中参考图1描述的比较器电路的结构，而是也可以使用其他结构的比较器电路。

下面参考图2和图3说明本发明的实施例中的红外焦平面阵列读出电路的比较器的输出电压OUT从高到低和从低到高过程中，灌流电路20和抽流电路30是如何稳定比较时间的。

首先分析输出电压OUT从高到低的过程，然后再分析输出电压OUT从低到高的过程。

首先，输出电压OUT降低，则负载电容Cload需要放电。对于不同的第一输入端inp的输入电压（下文中称为inp电压），负载电容Cload的放电电流随着inp电压的增加而增加。因为对于高的inp电压，需要高的第二输入端inn的输入电压（下文中称为inn电压）第二MOS管M2才会导通，输出电压OUT下降的电压值会更小，这样对负载电容Cload的压差就会更小，就造成的更小的负载电容Cload放电电流，则需要相对多的放电时间。当第二MOS管M2刚导通的时候，输出电压OUT还是高电压，则负载电容Cload还没有放电电流，第二MOS管M2也没有电流流过，就只有第四MOS管M4的电流流过抽电流电路30，同时，这个电流的大小由抽电流电路30决定。

随后，在inn电压继续上升一点点时，输出电压OUT会迅速下降，此时，负载电容Cload开始放电。这时，灌电流电路20开始有电流流出，其电流也是流向第二MOS管M2；同时，抽电流电路30开始关断。由于对于相同的inn电压，流过第二MOS管M2的电流基本是一致的，因此相比于没有灌电流电路20的结构，负载电容Cload的放电电流减小了，其减小的量就等于灌电流电路20的电流大小。

再次，随着inn电压的微小增加，输出电压OUT会进一步下降，灌电流电路20的电流会进一步的增加，负载电容Cload的放电相比于没有灌电流电路20的结构会更加的平缓。在图2中可以看出相比于传统的比较器结构，负载电容Cload放电大小明显减小，同时其值差值大大减小。

最后，当输出电压OUT下降到一个固定的值的时候，灌电流电路20还是会有电流流向第二MOS管M2。需要说明的是这会造成比较器比较电压之间失调的增加。所以灌电流电路的电流不宜太大，设计时需要在电压翻转时间之差和比较电压失调之间进行折中考虑。

下面分析输出电压OUT从低到高过程中，电路的工作过程。

首先，输出电压OUT要升高，必须向负载电容Cload充电。固定比较器电路的inp电压（例如同相端电压），inn电压（例如反相端电压）从高到低变化。当inn电压刚开始下降时，这时第二MOS管M2工作在三极管区，输出电压OUT不会变化，仍为低电平（这个低电平不会是接近地（GND）的值，大概在1V到2.2V之间）。则此时负载电容Cload不会被充电，抽电流电路30没有电流，只有灌电流电路20的电流流向第二MOS管M2。

随后，当inn电压下降到接近inp电压的时候，输出电压OUT开始上升。此时，开始对负载电容Cload充电，灌电流电路20开关断开，抽电流电路30开始导通。这时，从第四MOS管M4流下的电流对负载电容Cload进行充电。由于抽电流电路30导通，其会分走少部分由第四MOS管M4流向负载电容Cload的充电电流。对于不同的inp，在比较时刻，由第四MOS管M4流出的电流大小是一样的，由抽电流电路30的分流过后，对负载电容Cload的充电电流会相对的减少。这样对于不同的inp电压，负载电容Cload的充电时间变化就相对更加的平缓了，同时，充电时间会有一定的增加。

最后，在输出电压OUT到底高电平时，抽电电路30的电流还是存在，这也和灌电流电路20的电流工作是一样的，也会增加比较器比较电压之间的失配，需要在比较翻转时间之差和失配中折中考虑。

本发明的一个实施例中，还可以提供一种红外焦平面阵列读出电路，该红外焦平面阵列读出电路可以包括前文所述的根据本发明的任何一个实施例的比较器。

本发明的实施例中提供的比较器中，包含灌电流电路和抽电流电路，可以使较大输入和较小输入的信号比较的翻转时间基本相同，从而降低比较时间上的误差，而且可适用于单斜率ADC中对比较时间恒定的要求，能够得到比传统结构更好的性能。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (3)

1.一种红外焦平面阵列读出电路的比较器，其特征在于，包括：

比较器电路（10）；

灌电流电路（20），所述灌电流电路（20）一端连接到系统电源（VDD），另一端连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT），用于减小所述比较器电路（10）的输出端（OUT）的输出电压由高到低翻转过程中所述比较器电路（10）的比较时间的差异；

抽电流电路（30），所述抽电流电路（30）一端连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT），另一端接地，用于减小所述比较器电路（10）的输出端（OUT）的输出电压由低到高翻转过程中所述比较器电路（10）的比较时间的差异；

其中：

所述灌电流电路（20）包括第一PMOS管（PM1）和第一NMOS管（NM1），其中：所述第一PMOS管（PM1）的源极连接到系统电源（VDD），漏极连接到所述第一NMOS管（NM1）的漏极；所述第一NMOS管（NM1）的漏极连接到所述第一NMOS管（NM1）的栅极；所述第一NMOS管（NM1）的源极连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT）；或者，所述灌电流电路（20）包括第一PMOS管（PM1）和第一二极管，其中：所述第一PMOS管（PM1）的源极连接到系统电源（VDD），漏极连接到所述第一二极管的正极；所述第一二极管的负极连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT）；

以及其中：

所述抽电流电路（30）包括第二PMOS管（PM2）和第二NMOS管（NM2），其中：所述第二PMOS管（PM2）的源极连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT）；所述第二PMOS管（PM2）的漏极连接到所述第二PMOS管（PM2）的栅极，并且连接到所述第二NMOS管（NM2）的漏极；所述第二NMOS管（NM2）的源极接地；或者，所述抽电流电路（30）包括第二NMOS管（NM2）和第二二极管，其中：所述第二二极管的正极连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT）；所述第二二极管的负极连接到所述第二NMOS管（NM2）的漏极；所述第二NMOS管（NM2）的源极接地。

2.如权利要求1所述的比较器，其特征在于：所述比较器电路（10）包括第一MOS管（M1）、第二MOS管（M2）、第三MOS管（M3）、第四MOS管（M4）和第五MOS管（M5），其中：

所述第一MOS管（M1）的源极连接到所述第二MOS管（M2）的源极，并且连接到所述第五MOS管（M5）的漏极；

所述第一MOS管（M1）的栅极连接到所述比较器电路（10）的第一输入端（inp），漏极连接到所述第三MOS管（M3）的漏极；

所述第三MOS管（M3）的源极连接到所述系统电源（VDD），栅极连接到所述第四MOS管（M4）的栅极并且连接到所述第三MOS管（M3）的漏极；

所述第四MOS管（M4）的源极连接到所述系统电源（VDD），漏极连接到所述第二MOS管（M2）的漏极并且连接到所述比较器电路（10）的输出端（OUT）；

所述第二MOS管（M2）的栅极连接到所述比较器电路（10）的第二输入端（inn）；

所述第五MOS管（M5）的源极接地。

3.一种红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：包括如权利要求1至2中任意一项所述的比较器。