CN110463043A - 低功率模数转换器 - Google Patents
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Abstract
一种单斜率模数转换器，包括具有正输入和负输入以及比较器输出的比较器，计数器以及被连接到计数器的输出并且包括触发器输入的锁存器。还包括耦合到比较器输出的脉冲发生器，每当负输入上的信号从低于正输入上的电压电平的电压电平转变为高于正输入上的电压电平的电压电平时，脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲。
Description
技术领域
本公开涉及模数转换器(ADC)，更具体地涉及低功率ADC。
背景技术
在过去几年中，已经开发出包含越来越高分辨率的电光传感器。这种检测器可以具有需要存储或改变的不同操作模式或设置。
特别地，这种传感器可以包括读出集成电路(ROIC)，其读出由像素阵列接收的信息。
许多ROIC可以用于红外成像并且需要冷却到低温以改善图像质量。ROIC的功耗对于这些应用是非常关键的，因为电流冷却器具有低效率并且整个组件可以是移动的(例如车辆、机载或航天器)，其中系统电力有限。
传统上，许多ROIC使用单斜率(SS)或双斜率(DS)模数转换器。
传统的SS-ADC设计使用比较器输出，其直接将格雷码计数器值锁存到锁存器(例如，存储器)中。比较器的一个输入是电压斜坡，其开始于一个起始值，然后随时间增加。格雷码计数器开始计数并且随着电压的增加递加计数。比较器的另一个输入是需要被转换成数字值的模拟值。当斜坡输入已经越过(即，变得大于)模拟值时，比较器改变格雷码计数器值。该值的变化被直接耦合到锁存器，并用于使格雷码计数器值存储到锁存器中。这种电路通常用于其预定目的，但是如下面更全面地讨论的，当在低功率环境中使用时，这种电路可能具有缺点。
发明内容
根据一个实施方式，公开了单斜率模数转换器(ADC)。该实施方式的单斜率ADC包括具有正输入和负输入以及比较器输出的比较器、计数器以及被连接至计数器的输出包括触发器输入的锁存器。单斜率ADC还包括耦合到比较器输出的脉冲发生器，每当负输入上的信号从低于正输入上的电压电平的电压电平转变为高于正输入上的电压电平的电压电平时，脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲。
根据另一实施方式，单斜率模数转换器(ADC)包括具有正输入和负输入以及第一比较器输出的第一比较器、第一计数器、被连接到第一计数器的输出并且包括第一触发器输入的第一锁存器以及被耦合到第一比较器输出的第一脉冲发生器，每当第一比较器的负输入上的信号从低于第一比较器的正输入上的电压电平转变为高于第一比较器的正输入上的电压电平的电压电平时，第一脉冲发生器产生限定宽度的脉冲。单斜率ADC还包括具有正输入和负输入以及第二比较器输出的第二比较器、第二计数器，被连接到第二计数器的输出并且包括第二触发器输入的第二锁存器，以及被耦合到第二比较器输出的第二脉冲发生器，每当第二比较器的负输入上的信号从低于第二比较器的正输入上的电压电平的电压电平转变为高于第二比较器的正输入上的电压电平的电压电平时，第二脉冲发生器产生限定宽度的脉冲。
根据另一实施方式，公开了一种图像检测器。图像检测器包括检测器单元胞阵列，该检测器单元胞阵列包括第一单元胞，其包括第一单元胞输出和耦合到输出第一单元胞输出的单斜率模数转换器(ADC)。ADC可以是两个前面描述的实施方式中的任何一个的ADC。
通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。本文详细描述了本发明的其它实施方式和方面，并将其视为要求保护的发明的一部分。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述，其中相同的附图标记表示相同的部分：
图1是示出根据实施方式的图像检测器的示意图；
图2是示出根据现有技术的SS-ADC的示意图；
图3示出了图2的SS-ADC的操作期间的时序图；
图4是示出根据一个实施方式的SS-ADC的示意图；
图5示出了图4的SS-ADC的操作期间的时序图；以及
图6示出了可以在本文公开的SS-ADC中使用的脉冲发生器的示例。
具体实施方式
如下面将讨论的，ROIC(或其它电路)可以在其中包括一个或多个SS-ADC。在某些情况下，例如航空航天或外太空应用，需要最小化电力使用，并且现有技术SS-ADC可能在这些应用中使用超过期望的电力。
图1是示出根据实施方式的图像检测器100的示意图。这种检测器100可以部署在例如卫星或其它机载设备(例如飞机)上。图像检测器100可以是焦平面阵列(FPA)、有源像素传感器(APS)或任何其它合适的能量波长感测装置。图像检测器100可以用作摄影和/或图像捕获装置的部件，例如数码相机、摄像机或其它类似设备。图像检测器100可以包括检测装置120和ROIC 140。
检测装置120包括以X×Y矩阵方式布置的光敏/能量波长敏感的检测器单元胞160的阵列。检测器单元胞160中的每个可以响应于入射在检测器单元胞160上的光而累积电荷或产生电流和/或电压，并且可以与捕获的电子图像中的像素相对应。检测器单元胞160中的一个或更多个可包括光伏检测器(例如，光伏单吸收器检测器或光伏多吸收器(多结)检测器)、障碍装置检测器、位置敏感检测器(PSD)或其它合适的检测器。检测器单元胞160可以包括任何合适的材料、掺杂剂浓度、层数，层厚度和/或基于光电检测器的类型选择的其它特性。
ROIC 140可以用于处理入射光(例如，以创建表示入射光的图像)。例如，ROIC 140与检测装置120连接以接收信号，例如响应于入射在检测器单元胞160上的光而产生的累积电荷或电流和/或电压。在一个实施方式中，提供了一种将电流/电压转换成数字值的SS-ADC 200。SS-ADC200可以与检测装置120集成，如图1中所示，与ROIC 140集成，或者可以是图像检测器100内的分立元件。
ROIC 140可以包括图像处理单元，并且可以包括能够进行操作以将接收的信号转换成电子图像的硬件、软件或固件的组合。
ROIC 140可以包括ROIC单元胞阵列，其被布置在与检测器单元胞160的X×Y矩阵的手性取向相对应的X×Y矩阵中。因此，每个ROIC单元胞可以通过一个或多个直接键合互连(例如直接金属至金属互连或铟互连)与相应的检测器单元胞160互连。
图2示出了可以用于从两个不同电压源(例如，两个不同像素或单元胞160)读取值的示例SS-ADC 200。通常，斜坡电压被施加到比较器并且当斜坡电压超过电压源提供的电压时，比较器改变状态(在这种情况下，从高到低)，这使得计数器值被存储在锁存器中。斜坡电压随时间线性增加。因此，计数器或时间值与导致该值被存储的电压之间存在线性关系。以这种方式，输入到比较器的电压(与斜坡电压相反)从模拟值转换成数字值。尽管仅示出了两个ADC，但实际实现方式实现了数千个SS-ADC的并行操作。斜坡(212)和计数器(206)对于所有ADC是公用的，而仅比较器(210)和锁存器(204)是复制的。
更详细地并且参考图2和图3，SS-ADC 200包括第一存储锁存器和第二存储锁存器202、204，其在本文中也可称为锁存器A和锁存器B。这些锁存器202、204可以是任何位长度。锁存器202、204两者都具有耦合到计数器206的输出的输入，在一个实施方式中，计数器206是格雷码计数器。格雷码是二进制数字系统，其中两个连续值仅在一位(二进制数字)上不同。当然，计数器206可以使用其它数字计数方案。如将理解的，计数器206和电压斜坡可以共享公共复位(未示出)以确保它们是同步的。
锁存器202、204中的每个具有触发器输入(分别为224、226)，当其接收特定信号时，使得计数器206的值被存储在其中。在这里所示的特定示例中，第一比较器(或比较器A)208被连接至触发器输入224。当第一比较器208的输出变低(例如，输入212上的斜坡电压超过到第一比较器208的输入214上的电压(电压A))时，计数器206的值被存储在第一锁存器202中。类似地，第二比较器(或比较器B)210被连接至第二锁存器204的触发器输入226。当第二比较器210的输出变低(例如，输入212上的斜坡电压超过到第二比较器210输入216上的电压(电压B))时，计数器206的值被存储在第一锁存器202中。在两种情况下，存储的值保持直到下一次复位，并且可以分别为如输出锁存器A和锁存器B所示的输出。如上所述，可以从第一单元胞160输出到比较器208的输入214上的电压A，并且可以从第二单元胞160输出到比较器210的输入216上的电压B。
在操作中，锁存器202、204中的每个可以存储值，或者通过它传递计数器值。已经发现，当通过值传递时(例如，当锁存器透明时)，它比锁存器模式消耗更多的电力。这在图3中示出，其中信号锁存器B(例如，存储在第二锁存器204中的格雷码值)在第一时间段270期间是“透明的”并且在第二时间段272中被锁存。它是信号Comp B(从比较器210输出)从高到低的转变，这导致从透明模式转变为锁存模式的转变。
在一个实施方式中，现在参考图4和图5，当值没有被存储时，不是将锁存器(第一锁存器和第二锁存器302、304)保持在透明模式，而是小的持续时间脉冲的提供(例如，1ns)足以在锁存器中存储新值。特别地，每个锁存器302、304被馈送脉冲(示为Ping A和PingB)。脉冲Ping A、Ping B的下降沿使得计数器306的值被存储在相应的锁存器302、304中。以这种方式，当没有出现脉冲时，每个锁存器302、304始终保持在“锁存”模式(例如，图3的时间段270、272)。在图5中，该时间段被示为时间段574并且对应于Ping B为高的时间。应当明白，Ping A对第一锁存器302的影响与Ping B对第二锁存器304的影响相同，但出于清楚的原因未在图5中完全示出。以这种方式，SS-ADC 300使用的电力少于图2的SS-ADC 200使用的电力。应当明白，虽然在图中仅示出了两个值被存储(例如，仅示出了2个锁存器)，但是这不是限制性的，并且本文的教导适用于可以将一个或更多个值从模拟转换成数字的任何SS-ADC。
更详细地并且参考图4和图5，SS-ADC 300包括第一存储锁存器302和第二存储锁存器304，这里也可以称为锁存器A和锁存器B。这些锁存器302、304可以具有任何位长度。锁存器302、304分别具有输入324和326，输入324和326被耦合到计数器306的输出，在一个实施方式中，计数器306是格雷码计数器。格雷码是二进制数字系统，其中两个连续值仅在一位(二进制数字)上不同。当然，计数器306可以使用其它数字计数方案。如将理解的，计数器306和施加到如下所述的两个比较器的电压斜坡可以共享共用复位(未示出)，以确保它们是同步的。
锁存器302、304中的每个具有触发器输入(分别为324、326)，当其接收特定信号时，使得计数器206的值被存储在其中。
在本文所示的特定示例中，第一比较器(或比较器A)308经由脉冲发生器320a被连接到第一锁存器302的触发器输入324。当第一比较器308的输出变低(例如，输入312上的斜坡电压超过到第一比较器308的输入314上的电压(电压A))时，脉冲发生器320a生成脉冲(Ping A)。脉冲被提供给触发器输入324以使计数器306的值被存储在第一锁存器302中。类似地，第二比较器(或比较器B)310经由脉冲发生器320b被连接到第二锁存器304的触发器输入326。当第二比较器310的输出变低(例如，输入312上的斜坡电压超过到第二比较器310的输入316上的电压(电压B))时，第二脉冲发生器320b生成Ping B和计数器306的值。在两种情况下，保持存储的值直到下一次复位，并且可以分别如输出锁存器A和锁存器B所示输出。如上所述，到比较器308的输入314上的电压A可以从第一单元胞160输出，并且到比较器310的输入316上的电压B可以从第二单元胞160输出。如在图4中在其上用(+)和(-)符号所示出的，第一比较器308和第二比较器310两者都包括正输入和负输入。
在操作中，锁存器302、304中的每个可以存储值，或者通过它传递计数器值。已经发现，当通过值传递时(例如，当锁存器透明时)，它比锁存器模式消耗更多的电力。
在图4中所示的实施方式中(并且也参考图5)，锁存器302、304仅在短时间内接收高脉冲(Ping A或B)。因此，在时间帧570和572中(当Ping A和Ping B两者均为低时)，锁存器302、304处于锁存模式。与图2的实施方式相比，处于锁存模式的时间更长，图4的实施方式将使用更少的电力。也就是说，第二锁存器304在时间段574期间仅处于通过模式(例如，当Ping B为高时)。虽然没有单独描述，但是应该明白，第一锁存器302发生类似的操作(例如，它仅在Ping A为高时被锁存)。
图6示出了脉冲发生器320的一个示例的示意图。脉冲发生器320接收比较信号Comp作为来自比较器的输入，并产生显示为Ping的输出脉冲。对于每个单独的通道(例如，Comp A和Ping A等)，Comp和Ping与上面图5中所示的相同。
脉冲发生器320包括具有两个输入的NOR门344。输入中的一个(输入360)与输入Comp连接(在这种情况下是直接连接)。另一个(输入362)被连接到Comp的延迟且反相的版本。这可以通过将延迟元件340与输入comp和NOR门344的输入362之间的反相器342串联连接来实现。可以通过形成延迟元件340来选择延迟量。延迟元件通常是逻辑反相器的序列，其可以被设计成具有预定长传播延迟。半导体代工厂提供的一些标准胞库包括特定的延迟缓冲器，它将在输入转换后提供1ns、2ns或3ns的输出转换。延迟还可能被通过反相器342的延迟所稍微影响，但是在某些情况下可以忽略这一点。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本发明的描述，但是并不旨在穷举或将本发明限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述实施方式是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本发明的各种实施方式，其具有适合于预期的特定用途的各种修改。
虽然已经描述了本发明的优选实施方式，但是应该明白，本领域技术人员现在和将来都可以进行各种改进和增强，这些改进和增强都落入所附权利要求的范围内。这些权利要求应被解释为保持对首先描述的本发明的适当保护。
Claims (18)
1.一种单斜率模数转换器(ADC)，包括：
比较器，其具有正输入和负输入以及比较器输出；
计数器；
锁存器，其被连接到所述计数器的输出，并包括触发器输入；以及
脉冲发生器，其被耦合到所述比较器输出，每当所述负输入上的信号从低于所述正输入上的电压电平的电压电平转变为高于所述正输入上的电压电平的电压电平时，所述脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲。
2.根据权利要求1所述的ADC，其中所述脉冲发生器包括耦合到所述触发器输入的脉冲发生器输出，并且其中所述脉冲发生器包括具有第一逻辑门输入和第二逻辑门输入的门，所述第一逻辑门输入被耦合到所述比较器输出，并且所述第二逻辑门输入被耦合到所述比较器输出的延迟版本。
3.根据权利要求2所述的单斜率ADC，其中所述比较器输出的所述延迟版本被反相。
4.根据权利要求3所述的单斜率ADC，其中所述脉冲发生器具有第一脉冲发生器输入，并且还包括：
延迟元件；以及
与所述延迟元件串联连接的反相器；
其中所述反相器和所述延迟元件被连接在所述第一脉冲发生器输入和所述第二逻辑门输入之间。
5.根据权利要求1所述的单斜率ADC，其中所述计数器是格雷码计数器。
6.根据权利要求1所述的单斜率ADC，其中所述比较器包括：
第一比较器，其具有第一正输入和第一负输入以及第一比较器输出；
第二比较器，其具有第二正输入和第二负输入以及第二比较器输出；
其中所述第二负输入被连接到所述第一负输入。
7.一种单斜率模数转换器(ADC)，包括：
第一比较器，其具有正输入和负输入以及第一比较器输出；
第一计数器；
第一锁存器，其被连接到所述第一计数器的输出，并包括第一触发器输入；以及
第一脉冲发生器，其被耦合到所述第一比较器输出，每当所述第一比较器的所述负输入上的信号从低于所述第一比较器的所述正输入上的电压电平的电压电平转变为高于所述第一比较器的所述正输入上的所述电压电平的电压电平时，所述第一脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲；
第二比较器，其具有正输入和负输入以及第二比较器输出；
第二计数器；
第二锁存器，其被连接到所述第二计数器的输出，并包括第二触发器输入；以及
第二脉冲发生器，其被耦合到所述第二比较器输出，每当所述第二比较器的所述负输入上的信号从低于所述第二比较器的所述正输入上的电压电平的电压电平转变为高于所述第二比较器的所述正输入上的所述电压电平的电压电平时，所述第二脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲。
8.根据权利要求7所述的ADC，其中所述第一脉冲发生器包括被耦合到所述第一锁存器的所述触发器输入的第一脉冲发生器输出，并且其中所述第一脉冲发生器包括具有第一逻辑门输入和第二逻辑门输入的门，所述第一逻辑门输入被耦合到所述第一比较器输出，并且所述第二逻辑门输入被耦合到所述第一比较器输出的延迟版本。
9.根据权利要求8所述的单斜率ADC，其中所述比较器输出的所述延迟版本被反相。
10.根据权利要求9所述的单斜率ADC，其中所述第一脉冲发生器包括第一脉冲发生器输入，并且还包括：
延迟元件；以及
与所述延迟元件串联连接的反相器；
其中所述反相器和所述延迟元件被连接在所述第一脉冲发生器输入和所述第二逻辑门输入之间。
11.根据权利要求7所述的单斜率ADC，其中所述计数器是格雷码计数器。
12.根据权利要求7所述的单斜率ADC，其中所述第二比较器的所述负输入被连接到所述第一比较器的所述负输入。
13.一种图像检测器，包括：
检测器单元胞阵列，其包括第一单元胞，所述第一单元胞包括第一单元胞输出；以及
单斜率模数转换器(ADC)，其被耦合到所述输出第一单位胞输出，所述ADC包括：
比较器，其具有被连接到所述第一单元胞输出的正输入、负输入和比较器输出；
计数器；
锁存器，其被连接到所述计数器的输出，并包括触发器输入；以及
脉冲发生器，其被耦合到所述比较器输出，每当所述负输入上的信号从低于所述正输入上的电压电平的电压电平转变到高于所述正输入的所述电压电平的电压电平时，所述脉冲发生器产生具有限定宽度的脉冲。
14.根据权利要求13所述的图像检测器，其中所述脉冲发生器包括被耦合到所述触发器输入的脉冲发生器输出，并且其中所述脉冲发生器包括具有第一逻辑门输入和第二逻辑门输入的门，所述第一逻辑门输入被耦合到所述比较器输出，并且所述第二逻辑门输入被耦合到所述比较器输出的延迟版本。
15.根据权利要求14所述的图像检测器，其中所述比较器输出的所述延迟版本被反相。
16.根据权利要求13所述的图像检测器，其中所述脉冲发生器具有第一脉冲发生器输入，并且还包括：
延迟元件；以及
与所述延迟元件串联连接的反相器；
其中所述反相器和所述延迟元件被连接在所述第一脉冲发生器输入和所述第二逻辑门输入之间。
17.根据权利要求13所述的图像检测器，其中所述计数器是格雷码计数器。
18.根据权利要求13所述的图像检测器，其中所述比较器包括：
第一比较器，其具有第一正输入和第一负输入以及第一比较器输出；
第二比较器，其具有第二正输入和第二负输入以及第二比较器输出；
其中所述第二负输入被连接到所述第一负输入。
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