CN103840833B - 一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路,包括:最高比特位产生电路和低比特位产生电路。最高比特位产生电路基于读出信号产生数字信号的最高比特位和残差信号;低比特位产生电路基于残差信号产生数字信号的低比特位。本发明的实施例的模数转换电路可以降低单斜率模数转换器的控制时钟频率,可有效的提高读出电路的比特率,提高工作效率,提高转换精度,还可降低对比较器的要求,且结构简单,易于实现。能够很好地满足非制冷红外焦平面读出电路对时钟频率的要求。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面阵列技术领域,尤其是涉及一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路。
背景技术
随着CMOS超大规模集成电路技术、红外焦平面技术以及数字集成电路技术的不断发展,人们逐渐意识到将红外焦平面的模拟输出信号转变为数字信号输出,可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力,提高信号的信噪比,同时这也是第三代红外焦平面技术不断小型化、不断提高集成度的发展趋势。
红外焦平面片上模数转换器(ADC)技术是实现将红外焦平面模拟信号输出转变为数字信号输出的一项非常关键的技术,读出电路的片上ADC是红外焦平面读出电路数字化中非常关键的器件,对于红外焦平面数字化后的最终性能起着决定性的影响。ADC的种类和架构比较多,使得读出电路的设计过程中往往遇到多种选择。
目前ADC的种类大体可以分为快闪式(flash)ADC、Two-step ADC、流水线(Pipeline)ADC、Σ-Δ ADC、逐次逼近(Successive Approximation,SAR)ADC、单斜率(single slope)ADC等等。对于ADC的设计而言,其一个难点是低功耗、速度和精度的折中。
目前,从速度的角度考虑,flash ADC的速度最快,但是flash ADC比较器的数量随着精度的增加而指数增加,从而限制了量化精度。故其一般用于高速低精度场合。
Two-step ADC是速度仅次于flash ADC的ADC,但是由于应用了两步比较法,所以可以提高比特率和精度。
Σ-Δ ADC其精度最高,其是用数字方法量化模拟信号,故对模拟器件的要求较低,一般可达到较高精度,目前已达到24位,但信号带宽较低,故一般用于低信号带宽高精度的场合,如精密仪表。
SAR ADC是逐次量化的ADC,故只用少量的比较器,降低了芯片的面积与功耗,但一个模拟信号数字化需要数个量化周期,以致于速度降低,一般应用于精度要求不是太高的移动设备中。
Pipeline ADC在空间上逐级量化,因此可以得到较高的精度与速度,但需要额外模拟器件,导致了消耗了较大的功耗与面积。其主要应用于精度在10到16位,速度在10M到500M的采样率(Sample Per Second,SPS)的场合。
单斜率ADC的优点是工作简单,缺点是其性能受斜坡信号发生器误差的影响,并且是单极性的。另一个缺点是如果输入电压接近VREF,则需要很长的转换时间。最坏情况的转换时间为2NT,其中T是时钟周期。主时钟的频率是由单斜率ADC的计数器确定的。
非制冷红外焦平面探测器在室温下工作,具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等优点,被广泛应用于军事和民用领域。但是随着非制冷红外焦平面阵列的增大,对AD转换时钟的频率要求越来越高。在0.5CMOS工艺下要实现这么小的时钟周期是很困难的。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够降低单斜率模数转换器的控制时钟频率的红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路。
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模数转换电路,所述模数转换电路用于接收读出电路输出的读出信号并将所述读出信号转换成数字信号,其特征在于,所述模数转换电路包括:最高比特位产生电路,所述最高比特位产生电路接收所述读出信号,并基于所述读出信号产生所述数字信号的最高比特位和残差信号;低比特位产生电路,所述低比特位产生电路接收所述残差信号,并基于所述残差信号产生所述数字信号的除了所述最高比特位之外的低比特位。
本发明一个实施例中,所述最高比特位产生电路包括: 第一比较器,所述第一比较器比较参考信号和所述读出信号,并根据比较的结果生成所述最高比特位;子数模转换器,所述子数模转换器接收所述最高比特位,并将所述最高比特位转换成最高比特位模拟信号;加法器,所述加法器接收所述读出信号和所述最高比特位模拟信号,并且将所述读出信号与所述最高比特位模拟信号进行加权,获得加权信号;乘法器,所述乘法器接收所述加权信号,并将所述加权信号乘以预定参数值,获得所述残差信号。
本发明一个实施例中,所述第一比较器的第一输入端连接到所述读出信号,所述第一比较器的第二输入端连接到参考信号,所述第一比较器的输出端连接到所述子数模转换器的输入端;所述子数模转换器的输出端连接到所述加法器的第一输入端;所述加法器的第二输入端连接到所述读出信号,并且所述加法器的输出端连接到所述乘法器的输入端;所述乘法器的输出端输出所述残差信号。
本发明一个实施例中,所述低比特位产生电路包括:斜坡信号发生器,所述斜坡信号发生器用于产生斜坡信号;第二比较器,所述第二比较器比较所述残差信号和所述斜坡信号;计数器,所述计数器产生计数信号;寄存器,所述寄存器存储所述最高比特位,并且所述寄存器还根据所述残差信号与所述斜坡信号的比较结果和所述计数信号生成所述低比特位,并且输出所述最高比特位和所述低比特位。
本发明一个实施例中,所述第二比较器的第一输入端连接到所述残差信号,所述第二比较器的第二输入端连接到所述斜坡信号发生器的输出端,所述第二比较器的输出端连接到所述寄存器;所述计数器的输出端连接到所述寄存器。
本发明一个实施例中,所述第一比较器的输出端连接到所述寄存器。
本发明的实施例的模数转换电路中,可以降低单斜率模数转换器的控制时钟频率,可有效的提高读出电路的比特率,提高工作效率,提高转换精度,还可降低对比较器的要求,且结构简单,易于实现。能够很好地满足非制冷红外焦平面读出电路对时钟频率的要求。
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模数转换电路的结构框图示意图。
图2是现有技术的单斜率模数转换器的结构框图示意图。。
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模数转换电路的具体结构。
图1为本发明一个实施例的红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路的结构框图示意图。本发明的实施例中,该模数转换电路用于接收读出电路输出的读出信号(即读出电路从红外焦平面阵列中读出的信号),并且将该读出信号转换成数字信号,从而完成该读出信号的模数转换。
如图1所示,本发明一个实施例中,该红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路包括两部分,即最高比特位产生电路10和低比特位产生电路20。
本发明的实施例中,最高比特位产生电路10接收前述的读出信号,并基于该读出信号产生前述的数字信号(即最终的模数转换结果的数字信号)的最高比特位和残差信号。这里,产生最高比特位是指产生或者确定作为模数转换的结果的数字信号的最高一位的值。
本发明的实施例中,低比特位产生电路20接收最高比特位产生电路10产生的残差信号,并基于该残差信号产生数字信号的除了最高比特位之外的低比特位。同样地,这里,产生低比特位是指产生或者确定数字信号中除了最高一位之外的其它低比特位的值。
如图1所示,本发明的一个实施例中,最高比特位产生电路10可以包括:第一比较器101、子数模转换器102、加法器103和乘法器105。
如图1所示,第一比较器101的第一输入端连接到读出信号Vint,第一比较器101的第二输入端连接到参考信号VREF/2,第一比较器101的输出端连接到子数模转换器102的输入端;子数模转换器102的输出端连接到加法器103的第一输入端;加法器103的第二输入端连接到读出信号Vint,并且加法器103的输出端连接到乘法器105的输入端;乘法器105的输出端输出残差信号Vres。
本发明的实施例中,第一比较器101比较参考信号VREF/2和读出信号Vint,并根据比较的结果生成前述的数字信号的最高比特位D<n-1>(n为数字信号的位数或者比特数,也即模数转换电路的位宽);子数模转换器102接收该最高比特位D<n-1>,并将该最高比特位D<n-1>转换成最高比特位模拟信号;加法器103接收读出信号Vint和最高比特位模拟信号,并且将该读出信号Vint与最高比特位模拟信号进行加权,获得加权信号;乘法器105接收该加权信号,并将加权信号乘以预定参数值(例如,图1的实施例中,显示该预定参数值为2),获得残差信号Vres。
本发明的实施例中,第一比较器101获得的最高比特位D<n-1>还输出到低比特位产生电路20的寄存器205(下文中详述)并存储在该寄存器205中。
如图1所示,本发明的一个实施例中,低比特位产生电路20包括:第二比较器201、斜坡信号发生器202、计数器203和寄存器205。
如图1所示,第二比较器201的第一输入端连接到残差信号Vres,即连接到最高比特位产生电路10中的乘法器105的输出端,第二比较器201的第二输入端连接到斜坡信号发生器202的输出端,第二比较器201的输出端连接到寄存器205;计数器203的输出端连接到寄存器205。
此外,最高比特位10中的第一比较器101的输出端也连接到该寄存器205。
本发明的实施例中,斜坡信号发生器202用于产生斜坡信号。这里,斜坡信号发生器202可以是本领域内常用的斜坡信号发生器,在此不再详述其具体结构。
第二比较器201比较最高比特位产生电路10产生的残差信号Vres和斜坡信号发生器202产生的斜坡信号。
计数器203对时钟信号进行计数,产生计数信号。本发明的实施例中,计数器203可以是本领域内常用的计数器,在此不再详述其结构。
本发明的实施例中,寄存器205根据前述的残差信号Vres与斜坡信号的比较结果和计数器203产生的计数信号,产生前述的数字信号的各个低比特位D<n-2:0>。
如前文所述,最高比特位产生电路10中产生的最高比特位D<n-1>也存储于寄存器205中。这样,最高比特位D<n-1>和低比特位D<n-2:0>一起,即构成了所需要的数字信号D<n-1:0>,也即本发明实施例的模数转换电路的转换结果。
寄存器205可以将该最高比特位D<n-1>和低比特位D<n-2:0>输出,也即输出作为模数转换结果的数字信号D<n-1:0>。
下面对比现有技术的单斜率模数转换器说明本发明实施例的模数转换电路的工作原理和优点。
图2是现有的单斜率模数转换器的电路结构示意图。
现有的这种模数转换器包括一个斜坡信号发生器、一个比较器、一个寄存器组和一个产生输出码字的计数器。转换周期开始时,红外焦平面阵列读出电路的积分输出信号(即读出信号)Vint被采样、保持并送到比较器的同相端。计数器被复位,时钟同时加到计数器。在第一个时钟脉冲到来时,斜坡信号发生器开始对第一基准电压VREF进行积分。如果Vint比斜坡信号发生器的初始输出大,则连到比较器反相端的斜坡信号发生器的输出开始上升。因为Vint比斜坡信号发生器的输出大,比较器输出高电平,并且引起输出端的计数器计数。最后,当斜坡信号发生器的输出等于Vint时,比较器的输出降为低电平,输出计数器被禁止。代表此时可以获得所需数字码。
对于一个M行N列的非制冷红外焦平面阵列读出电路,在一行时间内实现单斜率转换的时钟大小确定为:读出阵列的每一行进行一次A/D转换,可得:
(1)。
其中:n为数字信号的位数或者比特数,clk为计数器时钟,f为时钟频率,N为红外焦平面阵列的列数。
图2中的这种单斜率模数转换器的缺点是其性能受斜坡信号发生器误差的影响,并且是单极性的。另一个缺点是如果输入电压接近VREF,则需要很长的转换时间,最坏情况的转换时间为2nT,其中T是时钟周期。
而如图1所示的本发明一个实施例的模数转换电路中,包括最高比特位产生电路和低比特位产生电路两个部分。首先,将读出信号Vint与最高比特位产生电路的第二基准电压(即前文中参考图1描述的实施例中的基准电压)VREF/2比较,比较器输出结果有两种情况,如公式(2):
(2)。
即若Vint大于VREF/2,则最高比特位D<n-1>为0,D<n-1>此时寄存到寄存器205的最高位寄存端口,同时,D<n-1>经子数模转换器102处理,转换为模拟信号,此信号与输入的读出信号Vint通过加法器103加权,加权后的信号通过2倍乘法器105放大,最终输出残差信号Vres为(2Vint-VREF);同理,若Vint小于VREF/2,则最高比特位D<n-1>为1,D<n-1>此时寄存到寄存器205的最高位寄存端口,同时,D<n-1>经子数模转换器102处理,转换为模拟信号,此信号与输入的读出信号Vint通过加法器103加权,加权后的信号通过2倍乘法器105放大,最终输出残差信号Vres为2Vint。得到的残差信号Vres做为低比特位产生电路20中的第二比较器201的正端输入。
这样,斜坡信号发生器202的范围可以减半,则相对于单斜率模数转换器步长减半,则公式(1)变为:
(3)。
其中,m为最高比特位产生电路中的第一比较器101、子数模转换器102和加法器103处理信号时共需时钟周期的个数。
比较式(1)和式(3),可知,本发明实施例中的模数转换电路的时钟频率是单斜率模数转换器的将近一半,即本发明降低了模数转换器的时钟频率。
可见,本发明的实施例中,模数转换电路包括最高比特位产生电路和低比特为产生电路两个部分,用了两步比较法来降低单斜率模数转换器(single slope ADC)的控制时钟频率。最高比特位产生电路实现两步比较法的第一步,输入信号是,输出信号是最高比特D<n-1>和残差信号Vres,完成最高位的转换。即Vint与VREF/2比较,若Vint大于VREF/2,则输出残差信号Vres为(2Vint-VREF),若Vint小于VREF/2,则输出残差信号Vres为2Vint。该残差信号Vres输入低比特位产生电路完成其余各位的转换,即D<n-2:0>,最终输出n比特模数转换结果D<n-1:0>。因此,在大规模非制冷红外焦平面读出电路的应用中,可有效的提高读出电路的比特率,提高工作效率,提高转换精度,还可降低对比较器的要求,且结构简单,易于实现。
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 (4)
1.一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路,所述模数转换电路用于接收读出电路输出的读出信号并将所述读出信号转换成数字信号,其特征在于,所述模数转换电路包括:
最高比特位产生电路,所述最高比特位产生电路接收所述读出信号,并基于所述读出信号产生所述数字信号的最高比特位和残差信号;所述最高比特位产生电路包括:第一比较器,所述第一比较器比较参考信号和所述读出信号,并根据比较的结果生成所述最高比特位;子数模转换器,所述子数模转换器接收所述最高比特位,并将所述最高比特位转换成最高比特位模拟信号;加法器,所述加法器接收所述读出信号和所述最高比特位模拟信号,并且将所述读出信号与所述最高比特位模拟信号进行加权,获得加权信号;乘法器,所述乘法器接收所述加权信号,并将所述加权信号乘以预定参数值,获得所述残差信号;
低比特位产生电路,所述低比特位产生电路接收所述残差信号,并基于所述残差信号产生所述数字信号的除了所述最高比特位之外的低比特位;所述低比特位产生电路包括:斜坡信号发生器,所述斜坡信号发生器用于产生斜坡信号;第二比较器,所述第二比较器比较所述残差信号和所述斜坡信号;计数器,所述计数器产生计数信号;寄存器,所述寄存器存储所述最高比特位,并且所述寄存器还根据所述残差信号与所述斜坡信号的比较结果和所述计数信号生成所述低比特位,并且输出所述最高比特位和所述低比特位;
其中最高比特位产生电路和低比特位产生电路用了两步比较法来降低单斜率模数转换器的控制时钟频率。
2.如权利要求1所述的模数转换电路,其特征在于:
所述第一比较器的第一输入端连接到所述读出信号,所述第一比较器的第二输入端连接到参考信号,所述第一比较器的输出端连接到所述子数模转换器的输入端;
所述子数模转换器的输出端连接到所述加法器的第一输入端;
所述加法器的第二输入端连接到所述读出信号,并且所述加法器的输出端连接到所述乘法器的输入端;
所述乘法器的输出端输出所述残差信号。
3.如权利要求1所述的模数转换电路,其特征在于:
所述第二比较器的第一输入端连接到所述残差信号,所述第二比较器的第二输入端连接到所述斜坡信号发生器的输出端,所述第二比较器的输出端连接到所述寄存器;
所述计数器的输出端连接到所述寄存器。
4.如权利要求3所述的模数转换电路,其特征在于:所述第一比较器的输出端连接到所述寄存器。
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Granted publication date: 20170718 |
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