CN104767526A - 一种应用于红外焦平面阵列数字化读出电路的比较器 - Google Patents

Abstract

本发明中公开了一种应用于红外焦平面阵列读出电路的列集成SAR ADC中的新型低功耗、低面积、混合电压域设计的比较器，随着红外焦平面数字化读出电路向低功耗、大规模、更小的像素间距尺寸、更高集成度发展，对于集成电路的要求也越来越严格，一种低功耗、低面积的比较器对于未来的发展意义较为重大，该比较器在比较过程中实现了高电压到低电压的转换，初始复位至中间态，比较过程断开复位开关，根据输入电压的差异造成的通路电流的差异导致上拉、下拉的能力不同得出正确的比较结果，这不仅降低了功耗，也降低了面积，通过时钟控制，将比较器的结果锁存，下一次的比较不会对这次比较器的结果造成影响。

Description

一种应用于红外焦平面阵列数字化读出电路的比较器

技术领域

本发明属于微电子和光电子技术领域，是一种应用于红外焦平面数字化读出电路的列集成SAR ADC中的新型低功耗、低面积比较器。

背景技术

红外成像技术在军事、科研和民用领域有着重要的应用。红外焦平面阵列(IRFPA：InfraredFocal Plane Array)是红外成像系统的核心组件，IRFPA包括了红外探测器阵列和焦平面阵列读出电路(ROIC：Readout Integrated Circuit)两部分：探测器的作用是实现光电信号之间的转换，读出电路的作用是完成像素信号的处理以及读出。今后，红外探测器将随着探测器技术的成熟以及市场的需求而迅速发展，而红外焦平面读出电路的发展趋势将向着大规模化、数字化读出、更小像素间距、更高集成度等几个方面发展，而且分辨率也会越来越高，灵敏度会增强，会向着3D成像技术进行发展。随着技术的发展，对于高分辨率，便携式成像系统的需求越来越大，为满足这一要求，低功耗设计显得尤为重要。

红外焦平面读出电路列集成模数转换器的研究也日益成熟，但是将模数转换器(ADC)集成到读出电路的同时，必然带来功耗的上升，所以对于ADC的设计要求，低功耗是一个非常重要的参数，对于逐次逼近模数转换器的设计，比较器和数模转换器是两个重要的模块，因此一个低功耗的比较器对于ADC特别重要。伴随读出电路规模的提高，越来越小的像素间距尺寸，对于ADC的要求也是非常严格，低面积的比较器将大大减小整列的面积。

本文中提出了一种新型的低功耗低面积比较器，对于红外焦平面读出电路的数字化、大规模化、更高集成度的意义较为重大。

发明内容

本发明针对红外焦平面读出电路低功耗、更小的像素间距尺寸发展，提出了一种新型的低功耗、低面积、高电压向低电压转换的比较器。可以降低列集成模数转换器带来的更大的功耗，同时减小列级电路的面积，适用于更小的像素间距尺寸。

比较器主要由两个重要部分组成，比较器的比较部分和锁存部分，比较器的前两级主要是将比较器的输入信号进行初步的预防大及比较，然后通过一个时钟控制的反相器进行整形，最后将比较器的结果存在Latch中。

红外焦平面读出电路中的像素部分将红外信号经过积分、放大，为了提高信号的准确性，放大后的模拟信号的摆幅在0～V_DD1之间，这意味着输入给模数转换器的信号在0～V_DD1之间，为了降低功耗，我们将转换后的结果用V_DD2电压的数字码流输出(其中V_DD1＞V_DD2)。

本文中提出的新型比较器不仅功耗低、低面积，而且在比较过程中实现了高电压到低电压的转换，比较器的比较部分主要有两级模块，比较器的第一级预防大电源电压是V_DD1，第二级电源电压是V_DD2。

该比较器是一种低功耗、低噪声的比较器，功耗主要来源于动态比较过程中，本系统中SAR ADC是单端输入结构的模数转换器，则该比较器是单端输入结构，一端输入接入共模电压V_CM，另一端输入来自DAC的输出，如上图可知，比较器的第一级类似一个五管运放，第二级类似反相器结构，中间用一个复位开关控制比较器的比较过程。

动态比较器是使用时钟信号来控制比较器的工作状态，这种模式必定会带来时钟回踢效应，从来导致输入信号的扰动，从而影响整个比较器的精度，开关M5的闭合和断开，必然带来A点电压的变化，由于时钟回踢效应，A点电压必须会出现波动，从而影响到输入端Vip的变化，为了降低其影响，将输入端Vip接入共模电压V_CM固定，DAC的输出接入比较器的另一端输入Vin，远离开关，从而降低由于时钟回踢带来的影响。

比较器的两种工作模式从以下来说明：初始，比较器的复位开关处于闭合状态，比较器处于复位状态，一种处于中间的亚稳态，然后，开关断开，比较器进入比较过程，由于电流的差异导致上拉和下拉能力的差异，从而让输入进入高电平或者低电平，然后经过反相器整形得到最终结果，到此比较器比较阶段结束。

本发明中提出的新型比较器，其优点在于：

(1)本发明中提出的低功耗、低面积比较器不仅降低了电路的功耗，而且减小了版图的面积，这是未来集成电路发展的趋势，本发明中实现了比较过程中高电压向低电压的转换，这是该种结构的一大特点。

(2)本发明中提出的结构简单，而且该比较器是一种混合电压域设计的结构，通过合理地选择晶体管的尺寸，可以实现输入级的较好的匹配，并且该种比较器可以应用在现在很多模数转换器中。

附图说明

图1是红外焦平面读出电路列集成ADC架构图；

图2是新型低功耗、低面积比较器的前三级电路图。

图3是新型低功耗、低面积比较器的控制时序图。

具体实施方式

下面通过实施方式详细说明本发明，该具体设计中V_DD1是5V，V_DD2是1.8V。

该比较器的工作原理从以下展开：为了保证比较器在复位阶段，比较器处于一种中间态，第一级尾电流为2I₁，第二级尾电流为I₂，当比较器输入相同时，比较器处于一种稳定态，A点无电流流过，比价器输入有差异时，通过M1和M2的电流出现差异，假设通过M1的电流是I₁-Δ，则通过M2的电流是I₁+Δ，通过A点的电流是2A，此时比较器处于这种亚稳态，当比较器的复位开关断开时，通过M2和M4的电流大小不一致，从而导致A点上拉和下拉能力不一致，当复位时A点的电压处于中间电平，此时由于上拉、下拉能力差异导致A电压变化，而此时比较过程电路的第二级可以看做一个反相器，当A点的电压大于或者小于翻转电平，从而让第二级出入快速上拉或者下拉，然后经过反相器整形得到结果，同时，当复位开关断开后，第二级上下电流也有差异，所以电流的充放电能力让Vo电压上升或者下降。

控制比较器的时序设计在于，时序S1进行闭合复位断开开始比较，当得到正确的比较结果后，S2为高电平，将比较器的结果锁存在寄存器中，然后变为低电平，结果将保持在寄存器中，这时比较器可以开始下一次比较，并且这次比较器的结果不会受到下次比较的影响。

比较器的复位时间决定了比较器的速度，当输入差异越小时，复位所需要的时间就越大，M7的跨导gm7决定复位阶段的时间。因为低功耗设计，电流不能很大，gm7不能非常大。如果Vin变为很大上导致A点电压改变很大的电压，以大约1V时，将在复位阶段需要大量时间用于稳定状态A处的节点。

在设计比较器的复位开关时，开关管M6的设计也是不可忽视的，开关尺寸的大小决定开关的速度，开关断开后A点的电压会出现波动，超过1.8V，所以M6必须要选用5V的管子，如果选用1.8V的管子作为开关管，否则管子可能被烧坏。

从噪声和失调电压方面考虑，输入对管M1、M2的尺寸取得大，从而减小1/f噪声和输入对管的失配，为了减小比较器的噪声，电流源复制管M3、M4的尺寸不能很大。M5和M8管子的Vdsat较大，增强其电流的复制能力和降低噪声。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种新型的低功耗、低面积比较器，应用于红外焦平面数字化读出电路中的列集成模数转换器，其特征在于：该比较器是一种新型的混合电压域设计的低功耗、低面积比较器，时钟S1控制比较，S2控制锁存，比较器锁存的结果不会受到下次比较的影响，作为尾电流管的晶体管M5、M8，作为输入管的晶体管M1和M2，作为电流镜复制的晶体管M3和M4，作为开关的晶体管M6，作为负载的晶体管M7，当S1为电源电压时比较器是复位阶段，此时比较器处于一种中间态，S1为零电压时，比较器开始比较，而当S2是电源电压时锁存器将结果锁存，S2为零电压时保持比较后的结果。

2.如权利1中所述的方法，其特征在于，输入对管M1、M2的W、L尺寸很大，降低其1/f噪声和减小其失配，M5和M8管子的Vdsat较大，增强其电流的复制能力和降低噪声，电流源复制管M3、M4的尺寸不能很大，A点看到的寄生电容不能很大，否则会影响复位的时间，当输入差异越小时，复位所需要的时间就越大，M7的跨导gm7决定复位阶段的时间。

3.如权利1中所述的新型低功耗、低面积比较器，其特征在于单端输入结构，靠近复位点的输入端Vip接入共模电平，另一输入端Vin接入来自数模转换器的输出，可以减小时钟回踢对输入造成的影响。

4.如权利1中所述的方法，其特征在于，M6是开关管，连接第一级和第二级之间，通过开关M6的闭合，将比较器的状态复位至中间态，开关管的尺寸一般较小，而且M6管必须是高电压的MOS晶体管，否则可能会被击穿。