CN111431532B - 一种宽输出范围高精度的积分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽输出范围高精度的积分器，运算放大器的反相输入端连接第一开关的一端、积分电流源的一端、积分电容的一端、复位开关的一端，第一开关的另一端连接第一电流源的一端，积分电容的另一端连接所述运算放大器的输出端，复位开关的另一端连接所述第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接运算放大器的输出端，运算放大器的正相输入端连接参考信号VCM；积分电流源和第一电流源的电流方向相反，且第一电流源输出的电流值大于积分电流源输出的电流值。本发明使得积分器处于复位状态时的输出电压可以灵活设置，有利于灵活采用运算放大器结构以提升整体电路性能，且有利于积分电流源产生电路性能提升。

Description

一种宽输出范围高精度的积分器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种宽输出范围高精度的积分器。
背景技术
积分器的功能是在积分阶段通过积分电流对电容充放电来实现输出一个随时间变化的电压信号。积分器广泛应用于模拟电路芯片中，例如积分型模数转换器(ADC)电路和Sigma_Delta型模数转换器电路。而积分型ADC由于其结构简单，精度高，易于实现多列ADC并行处理等优点广泛应用于现在的CMOS图像传感器芯片中，因而积分器也广泛应用于CMOS图像传感器芯片中。
CIS(CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器)中通常需要在感光单元(pixel)将光信号转换成电压信号后接PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)将电压信号放大，然后再接ADC(Analog Digital Converter，模拟数字转换器)电路将模拟电压信号转换为数字信号，最终将转换得到的数字信号传输到芯片外。由于感光单元通常为阵列形式，为提高帧率，通常每一列感光单元同时连接一列由PGA和ADC组成的读出电路。单积分型ADC(single slope ADC)由于其结构简单，精度高，易于实现多列ADC并行处理等优点常用作CIS中多列ADC的实现方案。而积分器作为为积分型ADC提供参考信号的电路，其输出建立时间和线性度等指标直接影响了ADC电路的性能指标。因此，一个输出电压范围宽、精度高的积分器电路对于积分型ADC电路，乃至整个CIS芯片有着非常重要的实用价值。
然而，传统的积分器结构存在输出电压范围受限、运算放大器输入端直流工作点电压受限等问题，导致积分电流源电路设计受到很大限制，性能难以提升。如附图1所示的传统的积分器结构示意图，由运算放大器OTA、积分电容Ct、复位开关S2、积分电流源It组成。附图2为其工作原理示意图，一个完整的时序周期通常称为Trow，分为复位阶段和积分阶段。t0时刻时序周期开始，RST_INT信号变为高电平，控制复位开关S2导通，积分器电路处于复位状态，运算放大器处于单位增益负反馈状态，假设运算放大器为理想运算放大器，此时输出端VOUT电压V2跟运算放大器反相输入端VN节点电压V1相等，且均等于运算放大器正相输入端的输入电压VCM。t1时刻，RST_INT信号由高变为低，其控制的复位开关S2断开，积分器电路进入积分状态，积分电流It给积分电容Ct充电，输入电压随时间以特定斜率下降，由于环路负反馈作用，此时运算放大器反相输入端VN节点电压V1仍热等于VCM。可见，在整个工作周期中，VN节点电压一直等于VCM。当需要输出VOUT在复位状态的电压V2较高时，则VCM同样需要设计为较高电压，增加了参考信号VCM电压的设计难度，同时，积分器中运算放大器只能选择NMOS晶体管作为输入级，无法采用噪声性能更好地PMOS晶体管，非常不利于整个积分器的性能提升。同时，由于积分电流源的输出端接VN节点，其电压较高，大大增加了积分电流源的设计难度。为保证积分电流的精度，其最后的输出级如图一所示，通常为共源共栅结构，且为减小噪声，M1、M3管宽长比通常很小，甚至为倒比管，过驱动电压较大。为保证积分电流源正常工作，其输出端的电压需要低于电源电压减去两个MOS管M3和M4的过驱动电压，从而限制了VN节点电压，也即限制了输出VOUT在复位状态的最高电压。由此可见，积分器的输出电压范围和精度有很强的限制关系，若需要保证输出范围，则运算放大器和积分电流源设计受很大限制，导致输出电压精度下降，若需要保证精度，则输出电压范围受到限制。
附图3所示为积分器在积分节点输出电压斜率为正时的结构示意图，与图1相比，由于输出电压随时间上升，所以积分电流方向为流入积分电流源电路。其存在问题的原理同图一所示的积分器结构，只是此时是输出电压精度跟输出在复位状态时的最低电压有很大的相互制约的关系。
综上所述，宽输出范围高精度的积分器在模拟电路设计中有着非常实际的应用需求，特别是在广泛使用列级单积分型ADC的图像传感器芯片设计领域，有利于芯片的性能提升，提升芯片竞争力。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽输出范围高精度的积分器，使得积分器处于复位状态时的输出电压可以灵活设置，扩展了积分器的输出电压范围，有利于灵活采用运算放大器结构以提升整体电路性能，且有利于积分电流源产生电路性能提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种宽输出范围高精度的积分器，包括积分电流源、第一电流源、第一开关、复位开关、运算放大器、第一电阻和积分电容，其中，所述运算放大器的反相输入端同时连接第一开关的一端、积分电流源的一端、积分电容的一端、复位开关的一端，所述第一开关的另一端连接第一电流源的一端，所述积分电容的另一端连接所述运算放大器的输出端，所述复位开关的另一端连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的正相输入端连接参考信号VCM；所述运算放大器的输出端输出所述积分器的输出信号；
所述积分电流源和第一电流源的电流方向相反，且所述第一电流源输出的电流值大于积分电流源输出的电流值。
进一步地，所述第一开关和复位开关的控制信号相同，均为复位信号RST_INT。
进一步地，所述积分电流源的另一端接电源，所述第一电流源的另一端接地，所述积分器在积分阶段输出电压斜率为负。
进一步地，所述复位信号RST_INT为高时，所述第一开关和复位开关闭合，所述运算放大器的反相输入端和正相输入端电压均为VCM，所述运算放大器的输出端电压为V2，且VCM＝V2-(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源输出的电流值，It表示积分电流源输出的电流值，R1表示第一电阻的阻值。
进一步地，所述积分电流源的另一端接地所述第一电流源的另一端接电压源，所述积分器在积分阶段输出电压斜率为正。
进一步地，所述复位信号RST_INT为高时，所述第一开关和复位开关闭合，所述运算放大器的反相输入端和正相输入端电压均为VCM，所述运算放大器的输出端电压为V2，且VCM＝V2+(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源输出的电流值，It表示积分电流源输出的电流值，R1表示第一电阻的阻值。
进一步地，所述第一电流源可以为第二电阻。
进一步地，所述积分器还包括负载电容，所述负载电容的一端连接所述运算放大器的输出端，另一端接地。
进一步地，所述运算放大器为基于折叠型共源共栅结构的运算放大器或者基于两级结构的运算放大器或者简单差分运算放大器。
本发明具有如下有益效果：本发明提供的一种宽输出范围高精度的积分器，使得运算放大器反相输入端可以灵活设置，有利于灵活采用运算放大器结构以提升整体电路性能，且有利于积分电流源产生电路性能提升；本发明使得积分器处于复位状态时的输出电压可以灵活设置，扩大了积分器的输出电压范围；本发明积分器只需要在传统的积分器结构上进行简单的开关和电阻添加，结构简单，制作工艺方便快捷。
附图说明
附图1为现有的输出电压斜率为负的积分器电路结构示意图；
附图2为现有的积分器电路工作时序图；
附图3为现有的输出电压斜率为正的积分器电路结构示意图；
附图4为本发明提出的输出电压斜率为负的积分器电路结构示意图；
附图5为本发明提出的输出电压斜率为负的积分器电路的工作时序图；
附图6为是本发明提出的输出电压斜率为正的积分器电路结构示意图；
附图7为本发明提出的输出电压斜率为正的积分器电路的工作时序图；
附图8为本发明提出的积分器电路的一种运算放大器为简单五管运算放大器的实施例；
附图9为本发明提出的积分器电路的一种运算放大器为折叠型共源共栅结构的实施例；
附图10为本发明提出的积分器电路的一种运算放大器为两级结构的实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图4和附图6所示，本发明提供的一种宽输出范围高精度的积分器，包括积分电流源It、第一电流源I1、第一开关S1、复位开关S2、运算放大器OTA、第一电阻R1、积分电容Ct和负载电容CL，其中，运算放大器OTA的反相输入端同时连接第一开关S1的一端、积分电流源It的一端、积分电容Ct的一端、复位开关S2的一端，第一开关S1的另一端连接第一电流源I1的一端，积分电容Ct的另一端连接运算放大器OTA的输出端，复位开关S2的另一端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接运算放大器OTA的输出端，运算放大器的正相输入端连接参考信号VCM；负载电容CL的一端连接运算放大器的输出端，另一端接地；运算放大器的输出端VOUT输出积分器的输出信号。本发明中积分电流源It和第一电流源I1的电流方向相反，且第一电流源I1输出的电流值大于积分电流源It输出的电流值。本发明可以使得第一开关S1和复位开关S2的控制信号相同，均为复位信号RST_INT。
请参阅附图4和附图5，积分电流源It的另一端接电源，第一电流源I1的另一端接地，积分器在积分阶段输出电压斜率为负。在复位阶段，复位信号RST_INT为高，第一开关和复位开关闭合，由于环路负反馈作用，运算放大器的反相输入端，即附图4中VN节点和正相输入端电压相同均为VCM，VCM表示参考信号VCM的电压值；运算放大器的输出端电压为V2，根据节点电流定律，得出It+(V2-VCM)/R1＝I1；即VCM＝V2-(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源I1输出的电流值，It表示积分电流源It输出的电流值，R1表示第一电阻R1的阻值。附图5中V1表示VN节点的电压值，V2表示运算放大器输出端的电压值。
通常运算放大器的输出端电压V2由系统需求决定，由上述公式可知，可以通过更改新增的I1和R1参数，灵活设置参考信号VCM的电压大小，参考信号VCM的电压值可以小于V2，避免了传统电路中VCM需要等于V2的限制。这样，参考信号VCM可以灵活选取后，运算放大器OTA和积分电流源It的设计更容易，有利于提升整个积分器输出电压的精度。反过来，由于不需要考虑参考信号VCM电压值的选取，运算放大器的输出端电压可以设计得更大，扩展了输出范围。
请参阅附图6和附图7，积分电流源It的另一端接地，第一电流源I1的另一端接电压源，积分器在积分阶段输出电压斜率为正。在复位阶段，复位信号RST_INT为高时，第一开关S1和复位开关S2闭合，由于环路负反馈作用，运算放大器的反相输入端和正相输入端电压相同均为VCM，运算放大器的输出端电压为V2，根据节点电流定律，得出It+(VCM-V2)/R1＝I1；即VCM＝V2+(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源输出的电流值，It表示积分电流源输出的电流值，R1表示第一电阻的阻值。
同样，参考信号VCM的电压值可以灵活设置，可以大于运算放大器的输出端电压V2。参考信号VCM可以灵活选取后，运算放大器OTA和积分电流源It的设计更容易，有利于提升整个积分器输出电压的精度。反过来，由于不需要考虑参考信号VCM电压值的选取，运算放大器的输出端电压可以设计得更小，扩展了输出范围。
现有技术中积分器中运算放大器只能选择NMOS晶体管作为输入级，无法采用噪声性能更好地PMOS晶体管，非常不利于整个积分器的性能提升。而采用本发明结构的积分器，有利于灵活采用运算放大器结构以提升整体电路性能，运算放大器可以采用简单差分运算放大器，即五管运算放大器，例如附图8中所示，包括晶体管M10-M14，运算放大器还可以采用基于折叠型共源共栅结构的运算放大器，例如附图9所示，包括晶体管M20-M31；运算放大器还可以采用基于两级结构的运算放大器，例如附图10所示，包括晶体管M40-M46。本发明中由于参考信号VCM电压值的选取较为灵活，积分电流源的具体结构也可以灵活设置，可以如现有技术所述，将积分电流源最后输出级结构设置为共源共栅结构，本发明中VN节点电压并不会限制积分器输出VOUT在复位状态的最高电压。本发明中第一电流源还可以替换为电阻R2，当然，第一电流源也可以使用电流源电路实现，类似于积分电流源It的实现方式。
本发明比较适宜应用在需要宽输出范围、高性能的积分器电路的集成电路芯片内。本发明提出的积分器电路结构在传统的积分器电路结构基础上，在复位开关和运算放大器输出节点间增加了第一电阻，在运算放大器反相输入端和地或者电源之间增加了第一电流源和第一开关串接的结构。通过使得积分器复位阶段时，第一电阻上通过电流，产生电压差，从而使得积分电容两端存在电压差，由此，运算放大器输入端电压大小跟复位阶段积分器输出端电压大小可以灵活设置。相较于传统的积分器电路结构，本发明提出的电路结构使得运算放大器反相输入端电压可以灵活设置，有利于灵活采用运算放大器结构以提升整体电路性能，例如输出电压噪声指标，有利于积分电流源产生电路性能提升。积分器处于复位状态时的输出电压可以灵活设置，扩展了积分器电路的输出电压范围。相比于传统积分器结构，本发明最少只需增加两个电阻和一个开关，或者一个开关、一个电流源和一个电阻，面积消耗少。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，包括积分电流源、第一电流源、第一开关、复位开关、运算放大器、第一电阻和积分电容，其中，所述运算放大器的反相输入端同时连接第一开关的一端、积分电流源的一端、积分电容的一端、复位开关的一端，所述第一开关的另一端连接第一电流源的一端，所述积分电容的另一端连接所述运算放大器的输出端，所述复位开关的另一端连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的正相输入端连接参考信号VCM；所述运算放大器的输出端输出所述积分器的输出信号；
所述积分电流源和第一电流源的电流方向相反，且所述第一电流源输出的电流值大于积分电流源输出的电流值；所述第一开关和复位开关的控制信号相同，均为复位信号RST_INT。
2.根据权利要求1所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述积分电流源的另一端接电源，所述第一电流源的另一端接地，所述积分器在积分阶段输出电压斜率为负。
3.根据权利要求2所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述复位信号RST_INT为高时，所述第一开关和复位开关闭合，所述运算放大器的反相输入端和正相输入端电压均为VCM，所述运算放大器的输出端电压为V2，且VCM＝V2-(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源输出的电流值，It表示积分电流源输出的电流值，R1表示第一电阻的阻值。
4.根据权利要求1所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述积分电流源的另一端接地所述第一电流源的另一端接电压源，所述积分器在积分阶段输出电压斜率为正。
5.根据权利要求4所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述复位信号RST_INT为高时，所述第一开关和复位开关闭合，所述运算放大器的反相输入端和正相输入端电压均为VCM，所述运算放大器的输出端电压为V2，且VCM＝V2+(I1-It)×R1，其中，I1表示第一电流源输出的电流值，It表示积分电流源输出的电流值，R1表示第一电阻的阻值。
6.根据权利要求1所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述第一电流源为第二电阻。
7.根据权利要求1所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述积分器还包括负载电容，所述负载电容的一端连接所述运算放大器的输出端，另一端接地。
8.根据权利要求1所述的一种宽输出范围高精度的积分器，其特征在于，所述运算放大器为基于折叠型共源共栅结构的运算放大器或者基于两级结构的运算放大器或者简单差分运算放大器。
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