CN105100657A - 一种带基线调整的可变增益相关双采样电路 - Google Patents

一种带基线调整的可变增益相关双采样电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电荷耦合器件信号读出技术领域以及集成电路技术领域，具体涉及一种带基线调整的可变增益相关双采样电路。包括：第一开关电容网络和一个放大器；所述第一开关电容网络的电荷保持节点与所述放大器的负向输入端连接，所述第一开关电容网络的输出节点与所述放大器的输出端连接，所述放大器的正向输入端连接输入共模电平。本发明提供的带基线调整的可变增益相关双采样电路，能够在只使用一个放大器的情况下，同时实现相关双采样、基线调整和增益可变功能。具有电路结构简单、功耗小、配置灵活以及应用性强等优点，进一步简化了外围与后续处理电路，有效利用了后续模数转换器的动态范围，其全差分实现形式提高了共模干扰抑制能力。

Description

一种带基线调整的可变增益相关双采样电路
技术领域
本发明涉及电荷耦合器件(Charge-coupledDevice，简称CCD)信号读出技术领域以及集成电路技术领域，具体涉及一种带基线调整的可变增益相关双采样电路。
背景技术
电荷耦合器件是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术。CCD信号的读出，一般需要一个相关双采样电路，用于去除复位毛刺、减小KT/C噪声，抑制1/f噪声。
传统的相关双采样电路如图1所示，包含了两个放大器，驱动放大器和高阻放大器，且高阻放大器一般采用以结型场效应晶体管作为输入管的放大器实现。该电路的两种工作模式：单独采样模式与相减采样模式，分别对应S1与S2两个不交叠的时钟相位。在单独采样模式期间，钳位电容C1采样CCD输出信号的悬置电平，在相减采样模式期间，采样电容C2采样CCD输出信号的信号电平(信号电平1或信号电平2)，并完成相减，输出CCD信号，从而实现相关双采样功能。该电路通过驱动放大器外围的两个电阻R1与R2实现固定增益。
对于传统的相关双采样电路由于需要两个放大器，而且其中一个为输入高阻放大器，为防止在单独采样模式下电容上的电荷泄露，必须采用以结型场效应晶体管体管作为输入管的放大器实现。同时，为了有效利用后续模数转换器的输入动态范围，需要尽可能多地去除CCD输出信号中的暗电流信号成分，进而引入额外的阈值比较与基线调整电路。
因此传统的相关双采样电路不但结构较为复杂、功耗较大，而且抗共模干扰能力弱，后续模数转换器输入动态范围利用率低等。另一方面，在相减采样模式下，由于采样开关位于信号通路上，因此还将会引入新的KT/C噪声。
发明内容
针对传统的相关双采样电路存在的上述缺陷，本发明提供了一种带基线调整的可变增益相关双采样电路。
本发明提供的一种带基线调整的可变增益相关双采样电路，包括：第一开关电容网络和一个放大器；
所述第一开关电容网络的电荷保持节点与所述放大器的负向输入端连接，所述第一开关电容网络的输出节点与所述放大器的输出端连接，所述放大器的正向输入端连接输入共模电平。
进一步地，所述第一开关电容网络包括：两个固定值电容、一个可变值反馈电容和三个开关；其中，
第一固定值电容的底极板接入电荷耦合器件CCD的输出信号、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
第二固定值电容的底极板接入基线调整信号、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
所述可变值反馈电容的底极板分别与第一开关的一端和第二开关的一端连接、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
所述第一开关的另一端与所述放大器的输出共模电平连接，所述第二开关的另一端为所述第一开关电容网络的输出节点；
第三开关的一端与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接、另一端与所述放大器的输入共模电平连接。
进一步地，所述可变值反馈电容的值由数字信号控制。
进一步地，所述可变值反馈电容包括多个固定值电容和多个开关，其中，所述开关的数量比所述固定值电容的数量少一个；
每一个所述开关与一个所述固定值电容串联，然后作为一个整体并联在一个单独的固定值电容两端。
进一步地，所述基线调整信号由数模转换器产生，其中，所述基线调整信号的高电平为所述放大器的输入共模电平，所述基线调整信号的低电平为基线电平，且所述基线调整信号的低电平持续时间与CCD的输出信号的低电平持续时间一致。
进一步地，所述三个开关分别由三个相位的时序控制且仅在高电平时闭合，所述三个开关的频率与CCD的输出信号的频率保持一致。
进一步地，所述三个开关中，
第一开关与第二开关为两项非交叠时钟的两个相位，它们的高电平不会发生交叠；
第一开关的下降沿比CCD输出信号的下降沿略提前，第二开关的下降沿比CCD输出信号复位脉冲的上升沿略提前；
第三开关的上升沿与第一开关保持一致，且高电平持续时间比第一开关略短。
进一步地，所述电路还包括第二开关电容网络，且所述第二开关电容网络与所述第一开关电容网络结构相同，所述放大器为全差分放大器；其中，
所述第一开关电容网络的电荷保持节点与所述全差分放大器的负向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器的正向输出端连接；
所述第二开关电容网络的电荷保持节点与所述全差分放大器的正向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器的负向输出端连接。
本发明提供的一种带基线调整的可变增益相关双采样电路，能够在只使用一个放大器的情况下，同时实现相关双采样、基线调整和增益可变功能。具有电路结构简单、功耗小、配置灵活以及应用性强等优点，进一步简化了外围与后续处理电路，有效利用了后续模数转换器的动态范围，其全差分实现形式提高了共模干扰抑制能力。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点；附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，附图中：
图1为本发明实施例中传统相关双采样电路结构示意图；
图2为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路结构示意图；
图3为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路中开关控制时序示意图；
图4为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路中可变值反馈电容结构示意图；
图5为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路的全差分形式结构示意图；
图6为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路的全差分形式中全差分放大器的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细阐述。
图2为本发明实施例中一种带基线调整的可变增益相关双采样电路结构示意图，如图2所示，为本实施例公开了一种带基线调整的可变增益相关双采样电路，包括：第一开关电容网络1和一个放大器2；
所述第一开关电容网络1的电荷保持节点101与所述放大器2的负向输入端连接，所述第一开关电容网络1的输出节点102与所述放大器2的输出端连接，所述放大器2的正向输入端连接输入共模电平。
进一步地，所述第一开关电容网络1包括：两个固定值电容、一个可变值反馈电容和三个开关；其中，所述第一开关电容网络1中的各元器件的连接关系如下：
第一固定值电容CS1的底极板接入电荷耦合器件CCD的输出信号VCCD、顶极板与所述第一开关电容网络1的电荷保持节点101连接；
第二固定值电容CS2的底极板接入基线调整信号VBL、顶极板与所述第一开关电容网络1的电荷保持节点101连接；
所述可变值反馈电容Cf的底极板分别与第一开关CK1的一端和第二开关CK2的一端连接、顶极板与所述第一开关电容网络1的电荷保持节点101连接；
所述第一开关CK1的另一端与所述放大器2的输出共模电平连接，所述第二开关CK2的另一端为所述第一开关电容网络1的输出节点102；
第三开关CK1P的一端与所述第一开关电容网络1的电荷保持节点101连接、另一端与所述放大器2的输入共模电平连接。
如图3所示，分别给出了本实施例中CCD输出信号VCCD的波形与时序、基线调整信号VBL的波形与时序以及开关CK1、CK2和CK1P的时钟控制信号。
所述基线调整信号VBL由数模转换器产生，可以调节，其中，所述基线调整信号VBL的高电平为所述放大器2的输入共模电平，所述基线调整信号VBL的低电平为基线电平，且所述基线调整信号VBL的低电平持续时间与CCD的输出信号VCCD的低电平持续时间一致。
开关CK1、CK2和CK1P分别由三个相位的时序控制，仅在这三个时钟相位的高电平时闭合，且所述三个开关的频率与CCD的输出信号VCCD的频率保持一致。第一开关CK1与第二开关CK2为两项非交叠时钟的两个相位，它们的高电平不会发生交叠；第一开关CK1的下降沿比CCD输出信号VCCD的下降沿(除复位脉冲以外)略提前，第二开关CK2的下降沿比CCD输出信号VCCD复位脉冲的上升沿略提前；第三开关CK1P的上升沿与第一开关保持一致，且为了缓解第三开关CK1P在断开瞬间引入的沟道电荷注入问题，第三开关CK1P需要比第一开关CK1提前断开，即第三开关CK1P的高电平持续时间比第一开关CK1略短。
进一步地，所述可变值反馈电容Cf的值由数字信号控制，用于实现相关双采样电路的可变增益。
具体的，如图4所示，所述可变值反馈电容Cf包括多个固定值电容和多个开关，其中，所述开关的数量比所述固定值电容的数量少一个；每一个所述开关与一个所述固定值电容串联，然后作为一个整体并联在一个单独的固定值电容两端。
本实施例提供的一种基线调整的可变增益相关双采样电路有两种工作模式：单独采样模式CK1与CK1p，相减采样模式CK2。
在单独采样模式期间，CCD输出信号采样电容CS1采样CCD输出信号VCCD的悬置电平。基线调整信号采样电容CS2采样基线调整信号VBL的高电平，即放大器2的输入共模电平。放大器2的负输入端与输出端分别位于输入共模电平与输出共模电平上，处于待机状态。
在相减采样模式期间，CCD输出信号采样电容CS1采样CCD输出信号VCCD的信号电平1(对应只有暗电流信号的情况)或信号电平2(对应有CCD信号的情况)。基线调整信号采样电容CS2采样基线调整信号VBL的低电平，即基线电平。放大器2处于工作状态，输出有效信号。
通过上述工作模式，一方面通过信号电平(信号电平1或信号电平2)与悬置电平相减，提取CCD信号电平，即实现相关双采样功能。另一方面，通过CCD信号电平(CCD信号电平定义为信号电平2减去悬置电平，见图3)与基线调整信号电平(基线调整信号电平定义为基线电平减去输入共模电平，见图3)乘上一个比例因子(比例因子定义为可变值反馈电容Cf与基线调整信号采样电容VBL的比值)后的电平相减，去除暗电流噪声信号电平(暗电流噪声信号电平定义为信号电平1减去悬置电平，见图3)，提取净信号电平(净信号电平定位为信号电平2减去信号电平1，也即CCD信号电平减去暗电流噪声信号电平，见图3)，而且，通过调节反馈电容的大小，实现对相关双采样电路的增益(相关双采样电路的增益定义为CCD输出信号采样电容CS1与可变值反馈电容Cf的比值)调节，从而提高后续模数转换器电路输入动态范围的利用效率。
在具体实施过程中，本实施例所提供的带基线调整的可变增益相关双采样电路采用全差分形式的电路，具体的，如图5所示，所述电路还包括第二开关电容网络3，且所述第二开关电容网络3与所述第一开关电容网络1结构相同，所述放大器2为全差分放大器；其中，
所述第一开关电容网络1的电荷保持节点与所述全差分放大器2的负向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器2的正向输出端连接；所述第二开关电容网络3的电荷保持节点与所述全差分放大器2的正向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器2的负向输出端连接。两个开关电容网络的CCD输出信号VCCDp与VCCDn为差分信号，基线调整信号VBLp与VBLn为差分信号；全差分放大器2的输出信号Voutn与Voutp为差分信号。
进一步地，如图6所示，全差分形式的相关双采用电路中全差分放大器2可以采用两级改进Ahuja补偿的套筒式运算跨导放大器，其中四个频率补偿电容可采用上述可变值反馈电容Cf的实现形式。补偿电容虽相关双采样电路增益的增大而变小。该电路在可以应用于电源电压不太低，输出动态范围要求不高但是增益要求较大的应用中。
本实施例提供的一种带基线调整的可变增益相关双采样电路，能够在只使用一个放大器的情况下，同时实现相关双采样、基线调整和增益可变功能。具有电路结构简单、功耗小、配置灵活以及应用性强等优点，进一步简化了外围与后续处理电路，利用了后续模数转换器的动态范围，有效提高了共模干扰抑制能力。可以应用与针对CCD类探测器的读出电路中，特别适用于X射线多路读出的CCD类探测器的读出电路中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种带基线调整的可变增益相关双采样电路，其特征在于，包括：第一开关电容网络和一个放大器；
所述第一开关电容网络的电荷保持节点与所述放大器的负向输入端连接，所述第一开关电容网络的输出节点与所述放大器的输出端连接，所述放大器的正向输入端连接输入共模电平。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关电容网络包括：两个固定值电容、一个可变值反馈电容和三个开关；其中，
第一固定值电容的底极板接入电荷耦合器件CCD的输出信号、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
第二固定值电容的底极板接入基线调整信号、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
所述可变值反馈电容的底极板分别与第一开关的一端和第二开关的一端连接、顶极板与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接；
所述第一开关的另一端与所述放大器的输出共模电平连接，所述第二开关的另一端为所述第一开关电容网络的输出节点；
第三开关的一端与所述第一开关电容网络的电荷保持节点连接、另一端与所述放大器的输入共模电平连接。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述可变值反馈电容的值由数字信号控制。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述可变值反馈电容包括多个固定值电容和多个开关，其中，所述开关的数量比所述固定值电容的数量少一个；
每一个所述开关与一个所述固定值电容串联，然后作为一个整体并联在一个单独的固定值电容两端。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述基线调整信号由数模转换器产生，其中，所述基线调整信号的高电平为所述放大器的输入共模电平，所述基线调整信号的低电平为基线电平，且所述基线调整信号的低电平持续时间与CCD的输出信号的低电平持续时间一致。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述三个开关分别由三个相位的时序控制且仅在高电平时闭合，所述三个开关的频率与CCD的输出信号的频率保持一致。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述三个开关中，
第一开关与第二开关为两项非交叠时钟的两个相位，它们的高电平不会发生交叠；
第一开关的下降沿比CCD输出信号的下降沿略提前，第二开关的下降沿比CCD输出信号复位脉冲的上升沿略提前；
第三开关的上升沿与第一开关保持一致，且高电平持续时间比第一开关略短。
8.根据权利要求1至7任一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第二开关电容网络，且所述第二开关电容网络与所述第一开关电容网络结构相同，所述放大器为全差分放大器；其中，
所述第一开关电容网络的电荷保持节点与所述全差分放大器的负向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器的正向输出端连接；
所述第二开关电容网络的电荷保持节点与所述全差分放大器的正向输入端连接、输出节点与所述全差分放大器的负向输出端连接。
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