CN111787249A - 一种32通道电荷采集读出电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种32通道电荷采集读出电路及其控制方法，包含32个电荷采集通道、第一CHO模块和第二CHO模块，32个电荷采集通道按顺序进行编号，其中奇数编号的16个奇数电荷采集通道的输出端连接第一CHO模块的输入端，偶数编号的16个偶数电荷采集通道的输出端连接第二CHO模块的输入端，每个电荷采集通道包含光电转换电路和电荷电压转换电路，光电转换电路的输出端与电荷电压转换电路的输入端连接，第一CHO模块对奇数电荷采集通道进行数据采样时，第二CHO模块完成相关双采样并输出数据，第二CHO模块对偶数电荷采集通道进行数据采样时，第一CHO模块完成相关双采样并输出数据。本发明电路规模大大简化，芯片面积大幅下降，并且芯片功耗和噪声可以得到最大限度的抑制。

Description

一种32通道电荷采集读出电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电荷采集读出电路及其控制方法，特别是一种32通道电荷采集读出电路及其控制方法，属于CMOS集成电路领域。

背景技术

光电二极管是目前比较成熟的光电转换器件。通过可见光或非可见光的照射，光电二极管可以根据光照的强弱感应出强弱变化的电流（电荷），采用一定的读出电路将电流（电荷）进行采集并转换成模数转换器能够处理的电压信号，就能够识别出光照的强弱。因此光电二极管广泛应用于许多光感设备上，例如X光机，CT机，红外成像仪等仪器中。

光电二极管产生的电流(电荷)十分微弱，并且电流（电荷）信号不易被处理器处理，所以需要读出电路对其电流（电荷）进行采集并转换成电压信号进行输出。由于电流（电荷）信号比较微弱，读出电路通常采用积分器将电流（电荷）信号进行积分来转换成电压信号并输出。光电二极管本身存在一定的噪声，同时采用CMOS工艺制造的读出电路本身也存在热噪声和闪烁噪声。噪声的存在对于所要采样的信号造成很大的干扰，所以读出电路一个很重要的功能就是滤除信号中的噪声，并且尽量降低本身电路的噪声。同时低频的KTC噪声和闪烁噪声需要用相关双采样技术来滤除，因此读出电路还应该包括实现相关双采样功能的结构。另外，读出电路输出的电压信号通常采用全差分模数转换器来读取，所以读出电路要同时兼具将单端信号转换成差分信号的功能。

对于应用于光电成像的设备来说，一个光电二极管通常代表一个像素。因此应用于成像的光电二极管通常是以组的形式进行排列，一组光电二极管的数目根据应用场景的不同，通常是16到128个，每一个光电二极管对应一套读出电路，被称为一个通道。本发明采用的是32通道的设计，之所以没有采用更多地通道设计是因为随着通道数的增加，芯片面积会成倍的增大，同时芯片本身的功耗也会随着增加。在实际应用中如何降低芯片的面积以降低生产成本也成为了一个重要的考量因素。

为了实现上述需求，通常电荷采集读出电路单个通道包含三个部分，即：电荷-电压转换部分（电荷积分器），相关双采样模块和采样保持电路（每个通道同时积分，顺序输出）。32个通道每通道各自独立的使用一个电荷-电压转换器，一个相关双采样模块和一个采样保持模块。32通道共需要32×3个模块。如图5所示，由于每一个模块都需要运算放大器和若干电容，会造成电路面积过大，电路消耗功耗过多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种32通道电荷采集读出电路及其控制方法，解决现有技术中芯片面积过大和功耗过大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：包含32个电荷采集通道、第一CHO模块和第二CHO模块，32个电荷采集通道按顺序进行编号，其中奇数编号的16个奇数电荷采集通道的输出端连接第一CHO模块的输入端，偶数编号的16个偶数电荷采集通道的输出端连接第二CHO模块的输入端，每个电荷采集通道包含光电转换电路和电荷电压转换电路，光电转换电路的输出端与电荷电压转换电路的输入端连接，第一CHO模块对奇数电荷采集通道进行数据采样时，第二CHO模块完成相关双采样并输出数据，第二CHO模块对偶数电荷采集通道进行数据采样时，第一CHO模块完成相关双采样并输出数据。

进一步地，所述光电转换电路包含二极管D1，二极管D1的阳极为光电转换电路的输出端，二极管D1的阴极接地。

进一步地，所述电荷电压转换电路包含积分电容CM1和运算放大器A1，开关S1的一端为电荷电压转换电路的输入端，开关S1的另一端连接积分电容CM1的一端、运算放大器A1的反相输入端和开关S2的一端，开关S2的另一端和运算放大器A1的同相输入端接地，积分电容CM1的另一端连接开关S3的一端和开关S4的一端，开关S3的另一端连接基准电压Vref，开关S4的另一端连接运算放大器A1的输出端和开关S5的一端，开关S5的另一端为电荷电压转换电路的输出端。

进一步地，所述第一CHO模块和第二CHO模块分别包含相关双采样模块和信号转差分信号模块，相关双采样模块的输出端与信号转差分信号模块的输入端连接。

进一步地，所述相关双采样模块包含运算放大器A2，运算放大器A2的同相输入端接地，运算放大器A2的反相输入端连接电容C1的一端、开关S6一端和电容C2一端，电容C1另一端为相关双采样模块的输入端，运算放大器A2的输出端与开关S6另一端和电容C2另一端相互连接并且作为相关双采样模块的输出端。

进一步地，所述信号转差分信号模块包含运算放大器A3和运算放大器A4，运算放大器A3的同相输入端和电阻R1的一端连接并且作为信号转差分信号模块的输入端，运算放大器A3的反向输入端连接运算放大器A3的输出端并作为信号转差分信号模块的负输出端，电阻R1的另一端连接电阻R2一端和运算放大器A4的反相输入端，运算放大器A4的同相输入端连接基准电压Vref，电阻R2的另一端连接运算放大器A4的输出端并作为信号转差分信号模块的正输出端。

进一步地，所述第一CHO模块的正输出端与第二CHO模块的正输出端连接并作为32通道电荷采集读出电路的正输出端，第一CHO模块的负输出端与第二CHO模块的负输出端连接并作为32通道电荷采集读出电路的负输出端。

一种32通道电荷采集读出电路的控制方法，其特征在于包含以下步骤：首先在上电后的第一个时钟高电平，第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进行复位；跟着第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进入积分状态，第2组电荷采集通道开始复位；跟着第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第3组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第2组电荷采集通道进入积分状态，第3组电荷采集通道开始复位；以此类推直到第32组电荷采集通道进行积分；

第1组电荷采集通道积分的最后半个周期S5开关关上，第1组电荷采集通道将结果输出到第一CHO模块，同时第一CHO模块开始采样工作；跟着第1组电荷采集通道的S5开关打开，第2组电荷采集通道的S5开关关上，第2组电荷采集通道将结果输出到第二CHO模块，同时第一CHO模块输出第1组电荷采集通道结果；以此类推，直到第一CHO模块和第二CHO模块输出第32组电荷采集通道的结果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过奇偶通道的划分和乒乓时序的设计，使得32个通道可以共用两个CHO模块；采用顺序积分，顺序读出的方式，不需要再使用采样保持电路。电路规模大大简化，芯片面积大幅下降，并且芯片功耗和噪声可以得到最大限度的抑制。

附图说明

图1是本发明的一种32通道电荷采集读出电路的模块连接图。

图2是本发明的电荷采集通道的电路图。

图3是本发明的CHO模块的电路图。

图4是本发明实施例的时序图。

图5是现有技术的示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种32通道电荷采集读出电路，包含32个电荷采集通道、第一CHO模块和第二CHO模块，32个电荷采集通道按顺序进行编号，其中奇数编号的16个奇数电荷采集通道的输出端连接第一CHO模块的输入端，偶数编号的16个偶数电荷采集通道的输出端连接第二CHO模块的输入端，每个电荷采集通道包含光电转换电路和电荷电压转换电路，光电转换电路的输出端与电荷电压转换电路的输入端连接，第一CHO模块对奇数电荷采集通道进行数据采样时，第二CHO模块完成相关双采样并输出数据，第二CHO模块对偶数电荷采集通道进行数据采样时，第一CHO模块完成相关双采样并输出数据。

通过奇偶通道的划分，顺序积分，顺序输出时序的采用，以及电压采样及电压输出的相互切换，实现了32通道只需共用两个通道选择及输出模块（CHO）的设计。实际上将32×3个模块缩减为32+4个模块。提出顺序积分，顺序输出的方法，即1通道首先积分，半个周期之后2通道再开始积分，（32-1）/2个周期之后32通道才开始积分的方法。使得电路不再需要采样保持电路。

如图2所示，光电转换电路包含二极管D1，二极管D1的阳极为光电转换电路的输出端，二极管D1的阴极接地。当光线照射到发光二极管上时，发光二极管根据光照的大小产生感应电流(电荷)并输出。

电荷电压转换电路包含积分电容CM1和运算放大器A1，开关S1的一端为电荷电压转换电路的输入端，开关S1的另一端连接积分电容CM1的一端、运算放大器A1的反相输入端和开关S2的一端，开关S2的另一端和运算放大器A1的同相输入端接地，积分电容CM1的另一端连接开关S3的一端和开关S4的一端，开关S3的另一端连接基准电压Vref，开关S4的另一端连接运算放大器A1的输出端和开关S5的一端，开关S5的另一端为电荷电压转换电路的输出端。当时钟为高电平时，开关S3和开关S2关上，其余开关打开；此时电荷-电压转换模块处于复位模式，电容左极板被复位到零电位，电容右极板被复位到Vref电位。当时钟为低电平时，开关S4，S1关上，其余开关打开，电荷-电压转换模块处于积分模式。当积分快结束的最后半个周期S5关上，积分结果输出到第一CHO模块。对于偶数通道来说，当时钟为低电平时，开关S3和开关S2关上，其余开关打开；此时电荷-电压转换模块处于复位模式，电容左极板被复位到零电位，电容右极板被复位到Vref电位。当时钟为高电平时，开关S4，S1关上，其余开关打开，电荷-电压转换模块处于积分模式。当积分快结束的最后半个周期S5关上，积分结果输出到第二CHO模块。通道选择及输出转换模块CHO，该模块共有两个，分别是第一CHO模块用于偶数通道选择及输出，第二CHO模块用于奇数通道选择及输出，两个模块的工作模式为当第一CHO模块采样信号时，第二CHO模块对信号进行输出，当第二CHO模块采样信号时，第一CHO模块对信号进行输出。

如图3所示，第一CHO模块和第二CHO模块分别包含相关双采样模块和信号转差分信号模块，相关双采样模块的输出端与信号转差分信号模块的输入端连接。

相关双采样模块包含运算放大器A2，运算放大器A2的同相输入端接地，运算放大器A2的反相输入端连接电容C1的一端、开关S6一端和电容C2一端，电容C1另一端为相关双采样模块的输入端，运算放大器A2的输出端与开关S6另一端和电容C2另一端相互连接并且作为相关双采样模块的输出端。当复位开关S6关上时，采样电容C1完成对输入电压的采样，同时转换电容C2上的电荷被复位到零。当复位开关S6打开时，相关双采样电路完成相关双采样并输出信号。

信号转差分信号模块包含运算放大器A3和运算放大器A4，运算放大器A3的同相输入端和电阻R1的一端连接并且作为信号转差分信号模块的输入端，运算放大器A3的反向输入端连接运算放大器A3的输出端并作为信号转差分信号模块的负输出端，电阻R1的另一端连接电阻R2一端和运算放大器A4的反相输入端，运算放大器A4的同相输入端连接基准电压Vref，电阻R2的另一端连接运算放大器A4的输出端并作为信号转差分信号模块的正输出端。运算放大器A3通过运算网络将输入为Vref-ΔV的信号转换为Vref-ΔV的信号由Vo-输出，运算放大器A4通过运算网络将输入为Vref-ΔV的信号转换为Vref+ΔV的信号由Vo+输出。

所述第一CHO模块的正输出端与第二CHO模块的正输出端连接并作为32通道电荷采集读出电路的正输出端，第一CHO模块的负输出端与第二CHO模块的负输出端连接并作为32通道电荷采集读出电路的负输出端。

图4是本发明的时序图，从时序图可以看到各开关的切换模式。首先是第1组电荷采集通道进行复位，复位半个时钟周期之后进行积分。然后是第2组电荷采集通道进行复位，复位半个时钟周期之后开始积分。第32组电荷采集通道是在第1组电荷采集通道复位（32-1）/2个时钟周期之后复位。同时输出亦然，首先是第1组电荷采集通道进行输出，输出半个时钟周期之后马上复位。半个时钟周期之后第2组电荷采集通道进行输出，输出半个时钟周期之后马上复位。第32组电荷采集通道是在第1组电荷采集通道输出（32-1）/2个时钟周期之后输出。

图4还描述了S3，S2和 S4，S1的时序，S3，S2时序相同，并且在复位阶段的半个时钟周期电压为高，其余时间电压为低。S4，S1时序相同，在积分阶段电压为高，其余时间电压为低。

图4还描述了第一CHO模块和第二CHO模块的正负输出的时序，第一CHO模块的正负输出在奇数通道复位时关上，将奇数通道的数据输出，第二CHO模块的正负输出在偶数通道复位时关上，将偶数通道的数据输出。第一CHO模块和第二CHO模块的输出控制信号是一对相位相反的时钟信号，第一CHO模块输出控制信号为高电平时，第二CHO模块输出控制信号为低电平。

图4还描述了32组电荷采集通道的S5的时序，S5在第1组电荷采集通道积分的最后半个周期关上，将第1组电荷采集通道的数据输出到第一CHO模块，同理第n组电荷采集通道的S5在第n组电荷采集通道积分的最后半个周期关上，将第n组电荷采集通道的数据输出到对应CHO模块，其中n=1,2…32。

图4还描述了S6的时序，S61表示第一CHO模块中的开关，S62表示第二CHO模块中的开关。S61在奇数通道输出时关上，进入采样模式，在奇数通道复位时打开，进入相关双采样及输出模式。S62在偶数通道输出时关上，进入采样模式，在偶数通道复位时打开，进入相关双采样及输出模式。

一种32通道电荷采集读出电路的控制方法，包含以下步骤：首先在上电后的第一个时钟高电平，第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进行复位；跟着第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进入积分状态，第2组电荷采集通道开始复位；跟着第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第3组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第2组电荷采集通道进入积分状态，第3组电荷采集通道开始复位；以此类推直到第32组电荷采集通道进行积分；

第1组电荷采集通道积分的最后半个周期S5开关关上，第1组电荷采集通道将结果输出到第一CHO模块，同时第一CHO模块开始采样工作；跟着第1组电荷采集通道的S5开关打开，第2组电荷采集通道的S5开关关上，第2组电荷采集通道将结果输出到第二CHO模块，同时第一CHO模块输出第1组电荷采集通道结果；以此类推，直到第一CHO模块和第二CHO模块输出第32组电荷采集通道的结果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过奇偶通道的划分和乒乓时序的设计，使得32个通道可以共用两个CHO模块；采用顺序积分，顺序读出的方式，不需要再使用采样保持电路。电路规模大大简化，芯片面积大幅下降，并且芯片功耗和噪声可以得到最大限度的抑制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：包含32个电荷采集通道、第一CHO模块和第二CHO模块，32个电荷采集通道按顺序进行编号，其中奇数编号的16个奇数电荷采集通道的输出端连接第一CHO模块的输入端，偶数编号的16个偶数电荷采集通道的输出端连接第二CHO模块的输入端，每个电荷采集通道包含光电转换电路和电荷电压转换电路，光电转换电路的输出端与电荷电压转换电路的输入端连接，第一CHO模块对奇数电荷采集通道进行数据采样时，第二CHO模块完成相关双采样并输出数据，第二CHO模块对偶数电荷采集通道进行数据采样时，第一CHO模块完成相关双采样并输出数据。

2.按照权利要求1所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述光电转换电路包含二极管D1，二极管D1的阳极为光电转换电路的输出端，二极管D1的阴极接地。

3.按照权利要求1所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述电荷电压转换电路包含积分电容CM1和运算放大器A1，开关S1的一端为电荷电压转换电路的输入端，开关S1的另一端连接积分电容CM1的一端、运算放大器A1的反相输入端和开关S2的一端，开关S2的另一端和运算放大器A1的同相输入端接地，积分电容CM1的另一端连接开关S3的一端和开关S4的一端，开关S3的另一端连接基准电压Vref，开关S4的另一端连接运算放大器A1的输出端和开关S5的一端，开关S5的另一端为电荷电压转换电路的输出端。

4.按照权利要求1所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述第一CHO模块和第二CHO模块分别包含相关双采样模块和信号转差分信号模块，相关双采样模块的输出端与信号转差分信号模块的输入端连接。

5.按照权利要求4所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述相关双采样模块包含运算放大器A2，运算放大器A2的同相输入端接地，运算放大器A2的反相输入端连接电容C1的一端、开关S6一端和电容C2一端，电容C1另一端为相关双采样模块的输入端，运算放大器A2的输出端与开关S6另一端和电容C2另一端相互连接并且作为相关双采样模块的输出端。

6.按照权利要求5所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述信号转差分信号模块包含运算放大器A3和运算放大器A4，运算放大器A3的同相输入端和电阻R1的一端连接并且作为信号转差分信号模块的输入端，运算放大器A3的反向输入端连接运算放大器A3的输出端并作为信号转差分信号模块的负输出端，电阻R1的另一端连接电阻R2一端和运算放大器A4的反相输入端，运算放大器A4的同相输入端连接基准电压Vref，电阻R2的另一端连接运算放大器A4的输出端并作为信号转差分信号模块的正输出端。

7.按照权利要求6所述的一种32通道电荷采集读出电路，其特征在于：所述第一CHO模块的正输出端与第二CHO模块的正输出端连接并未作为32通道电荷采集读出电路的正输出端，第一CHO模块的负输出端与第二CHO模块的负输出端连接并未作为32通道电荷采集读出电路的负输出端。

8.一种权利要求1-7任一项所述的一种32通道电荷采集读出电路的控制方法，其特征在于包含以下步骤：首先在上电后的第一个时钟高电平，第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进行复位；跟着第1组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第1组电荷采集通道进入积分状态，第2组电荷采集通道开始复位；跟着第2组电荷采集通道的开关S3和开关S2打开，开关S4、开关S1关上，与此同时第3组电荷采集通道的开关S3和开关S2关上，开关S4、开关S1打开，第2组电荷采集通道进入积分状态，第3组电荷采集通道开始复位；以此类推直到第32组电荷采集通道进行积分；

第1组电荷采集通道积分的最后半个周期S5开关关上，第1组电荷采集通道将结果输出到第一CHO模块，同时第一CHO模块开始采样工作；跟着第1组电荷采集通道的S5开关打开，第2组电荷采集通道的S5开关关上，第2组电荷采集通道将结果输出到第二CHO模块，同时第一CHO模块输出第1组电荷采集通道结果；以此类推，直到第一CHO模块和第二CHO模块输出第32组电荷采集通道的结果。

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