CN112332842B - 一种电流-电压积分器、电流数字转换器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流‑电压积分器、电流数字转换器及其工作方法，本发明的积分器包括运算放大器和采样保持电容Cs，所述积分器还包括buffer和反馈电容Cint，其中，所述运算放大器和buffer级联构成两级放大器，所述运算放大器的反相输入端作为电流输入端，所述buffer输出端的电压为积分输出电压，所述反馈电容Cint连接在所述buffer的输出端与所述运算放大器的反相输入端之间，所述采样保持电容Cs一端与buffer输入端连接，另一端接地。本发明的积分器电路结构简单，功耗更低，噪声更低，失调更小。

Description

一种电流-电压积分器、电流数字转换器及其工作方法

技术领域

本发明涉及数字转换技术领域，具体涉及一种电流-电压积分器、电流数字转换器及其工作方法。

背景技术

光电成像阵列：光敏二极管是由N型半导体和P型半导体构成的PN结，工作时加反向偏压，在光照下产生电荷，产生的电荷量和入射的光强成正比。由多个光敏二极管构成的阵列结构可用于成像。阵列曝光后，二极管上产生的电荷量反映图像的信息。

读出电路：二极管阵列的电荷信息采用逐行读出方式，每一列二极管共用一个读出电路。首先通过积分器将二极管中的电荷转换成电压，再通过ADC转换成数字信号，经过数字信号处理重建出图像的信息。

读出电路中ADC要求16位以上的精度，如果每个积分器都用一个ADC，整体的功耗和芯片面积都将显著增大。采用多个积分器复用一个ADC的方案在功耗、面积、速度上都可以获得平衡的性能，附图1给出多个积分器复用一个ADC的电路框图。为了提高读出速率，积分器完成积分后首先将其输出电压采样保持，再经过MUX buffer驱动ADC，在当前行积分的同时对前一行积分结果进行AD转换。

积分时进行AD转换：在读出电路中，积分器的积分和AD转换两个过程不能同时进行，而且两个过程都需要较长时间。如果积分完成后再对积分器的输出进行AD转换，会降低读出电路的速率。已有的实现方式是在当前积分周期的同时对上一次的积分结果进行AD转换，附图1中的S/H电路的实现方式可以采用附图2的结构，其中包含A、B两组采样保持电路，SW_A开关开启，A组采样电容和积分器输出连接，在积分结束后将积分输出采样到CHA电容上。所有通道的MUX_SW_A开关和SW_B断开。在积分的同时MUX_SW_B开关在时序控制下，依次开启和MUX BUFFER连接，将CHB电容上保持的上一次的积分输出电压输出到ADC。在下一个周期，则用CHB作为采样保持电容，用CHA电容和MUX buffer连接，如此交替进行。

因为用集成电路工艺实现的开关和电容存在失配，SW_A和SW_B开关的电荷注入不一致，CHA、CHB和MUX BUFFER的增益也不一致，即使积分器的输出相同，相邻两次AD输出也会产生不一致。除此之外，每个通道的S/H电路也是不一致，通道之间也会有偏差。采用附图2中的AB组结构会导致图像上出现固定的失调，严重影响图像质量。

MUX buffer：一般采用开关电容电路，在时序控制下依次将多个采样保持电压输出，并为ADC输入提供足够的驱动能力，MUX buffer电路结构如附图3所示，CH为积分器输出端的采样保持电容，CS为反馈电容。其中stage1提供高增益，stage2提供强驱动能力并满足高输出范围要求。MUX buffer的设计存在以下的限制：

ADC的精度为高于16位，MUX buffer的环路增益大于65536，也就是96dB。在大输出电压范围下获得高增益，至少需要采用两级放大器结构，增加了电路结构的复杂度和功耗。

假设ADC的采样时钟周期为T，在T/2时间内MUX buffer的输出要稳定到16位精度以上，假设MUX buffer为单极点，其时间常数为τ，则需要满足τ<0.045T，低时间常数导致较大的功耗。

由于积分器的输出电压范围大，MUX buffer在大信号瞬态响应时需要具备良好的摆率性能，输出端才能快速稳定，这也需要增大放大器的偏置电流，导致功耗增大。

为了获得更快的速度，需要减小采样保持电容，导致KT/C噪声增加，另外MUXbuffer的放大器也会贡献热噪声和1/f噪声，增加了信号链路的总噪声。增大电容可以减小噪声，但是也需要增大功耗

不同积分器的采样保持的开关电荷注入误差，以及运放的失调电压都会导致MUXbuffer的输出存在失调，即使采用auto-zeroing技术也并不能完全消除通道之间的失调误差，导致信号链路的精度下降。

综上所述，要设计一个满足16位以上ADC精度要求的MUX buffer电路，会产生非常大的功耗、增加了读出电压的失调电压、增加读出电路的噪声，读出电路的线性度也较差。MUX buffer电路成为瓶颈，限制了读出电路的性能。

发明内容

为了解决现有AB两组采样保持电容交替对积分器输出采样产生失调的技术问题，本发明提供了一种电流-电压积分器，本发明的积分器电路结构简单，功耗更低，噪声更低，失调更小。

本发明通过下述技术方案实现：

一种电流-电压积分器，包括运算放大器和采样保持电容Cs，所述积分器还包括buffer和反馈电容Cint，其中，所述运算放大器和buffer级联构成两级放大器，所述运算放大器的反相输入端作为电流输入端，所述buffer输出端的电压为积分输出电压，所述反馈电容Cint连接在所述buffer的输出端与所述运算放大器的反相输入端之间，所述采样保持电容Cs一端与buffer输入端连接，另一端接地。

本发明通过对积分器进行改进，将buffer移植到积分器中，利用积分器自带的buffer驱动ADC，且buffer与运算放大器构成的反馈环路中，积分输出电压和buffer的失调电压采样到环路中的采样保持电容上，不需要AB组采样保持，电路结构简化，性能更优。

优选的，本发明的积分器还包括buffer1，通过buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压。

本发明中，如果直接将采样保持电容Cs和运算放大器输出端连接，当CS上保持的电压和积分器输出电压差异较大时，放大器输出端会产生较大的电压跳变，影响光电二极管的反向偏置电压，因此本发明通过设置buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压，避免产生大的电压跳变。

优选的，本发明的积分器还包括电容CL，所述运算放大器的反相输入端连接开关SW1，所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端与buffer1的输入端连接，所述buffer1的输出端通过开关SW3与buffer输入端连接，所述buffer输出端通过开关SW5与反馈电容Cint一端连接，反馈电容Cint另一端与运算放大器输入端连接；所述电容CL一端与buffer1输入端连接，另一端接地；所述运算放大器的输出端通过开关SW2连接在开关SW5与反馈电容Cint的公共连接端上，所述运算放大器的输出端通过开关SW4连接在开关SW3与buffer输入端的公共连接端上。

优选的，所述反馈电容Cint两端并联有RST复位电路，所述RST复位电路用于将反馈电容Cint两端电压复位到参考电压。

优选的，所述buffer采用由一个NMOS管和一个PMOS管构成的源极跟随电路。本发明中的buffer电路可以采用MUX buffer中的stage2来实现，该电路只需要采用源级跟随电路来实现，结构简单，驱动能力强，功耗低。

优选的，所述源极跟随电路采用单电源或正负电源实现。

优选的，所述采样保持电容Cs采用大电容值电容。本发明中，环路稳定后，buffer输出端的电压即为积分输出电压，buffer的失调电压存储在采样保持电容Cs上，不影响输出，增大Cs电容值可以减小采样保持噪声，也可以减小电荷注入噪声和失调电压误差，因此本发明的采样保持电容Cs优选为大电容值电容。

另一方面，本发明还提出了一种电流数字转换器，包括多个本发明所述的积分器、MUX开关和ADC；多个积分器的输出端均与MUX开关的输入端连接，所述MUX开关的输出端与ADC输入端连接，每一个积分器输入一路电流信号，每一个积分器输出都由自带的buffer来驱动ADC。

优选的，所述MUX开关为多选一开关。

本发明的电流数字转换器，采用上述自带buffer电路的积分器，buffer为积分器的一部分，MUX电路只需要采用MUX开关即可，而不需要采用MUX buffer。由积分器自带的buffer来驱动ADC，在积分结束后，buffer和积分器的运算放大器构成两级放大器结构，积分电容为反馈电容。环路稳定后，buffer输出端的电压即为积分输出电压，buffer的失调电压存储在Cs电容上，不影响输出。增大Cs电容值，可以减小采样保持噪声，也可以减小电荷注入噪声和失调电压误差，buffer可以用一个简单的源级跟随电路实现，电路结构简单，功耗低。即克服了现有采用MUX buffer将多路积分器的采样保持电压输出驱动ADC，功耗过大且引入额外的噪声和失调的技术问题。

另外，本发明还提出了上述电流数字转换器的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)将反馈电容的两端电压复位到参考电压；

(2)复位结束后，控制运算放大器对输入的电流进行积分，在积分的同时，采样保持电容Cs上保持的上一次积分电压经过buffer驱动ADC，多个buffer输出经过MUX开关顺序被ADC转换成数字信号；

(3)所有通道的buffer输出都经过AD转换后，通过控制buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压；

(4)控制实现采样保持电容Cs上的电压跟踪运算放大器输出端的电压；

(5)积分结束后，控制buffer的输入电压保持在采样保持电容Cs上，等待下一次AD转换；

(6)每个积分器通道依次通过MUX开关和ADC连接，采样保持电容Cs上保持的电压通过buffer驱动ADC，实现AD转换。

本发明具有如下的优点和有益效果：

相较于现有的电流数字转换器，本发明将MUX buffer中的stage2移到积分器反馈环路中，积分器的OP(运算放大器)和buffer构成一个两级放大器结构，则积分器中的OP相当于MUX buffer中的stage1，buffer相当于MUX buffer中的stage2；则MUX电路只需要采用MUX开关即可，消除了MUX buffer电路对读出电路的各种限制，不需要AB组采样保持，电路结构简化，性能更优。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有的电流读出电路结构示意图。

图2为现有电流读出电路中的A、B两组采样保持电路结构示意图。

图3为现有电流读出电路中的MUX buffer电路结构示意图。

图4为本发明的电流读出电路中的积分器结构示意图。

图5为本发明的积分器中的buffer电路结构示意图。

图6为本发明的电流数字转换器结构示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了一种电流-电压积分器，本实施例的电流-电压积分器通过将buffer移植到积分器中，利用积分器自带的buffer驱动ADC，且buffer与运算放大器构成的反馈环路中，积分输出电压和buffer的失调电压采样到环路中的采样保持电容Cs上，不需要AB组采样保持，电路结构简化，性能更优。

本实施例中，如果将采样保持电容Cs一端与运算放大器的输出端直接连接会产生较大的电压跳变，影响光电二极管的反向偏置电压，因此本实施例通过设置buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压，避免产生大的电压跳变。

具体如图4所示，本实施例的电流-电压积分器包括运算放大器、采样保持电容Cs、buffer、反馈电容Cint，buffer1和电容CL。

其中，所述运算放大器和buffer级联构成两级放大器，所述运算放大器的反相输入端作为电流输入端，所述buffer输出端的电压为积分输出电压。

所述运算放大器的反相输入端连接开关SW1的一端，开关SW1的另一端连接一路电流输出端，所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端与buffer1的输入端连接，所述buffer1的输出端通过开关SW3与buffer输入端连接，所述buffer输出端通过开关SW5与反馈电容Cint一端连接，反馈电容Cint另一端与运算放大器输入端连接；所述电容CL一端与buffer1输入端连接，另一端接地；所述采样保持电容Cs一端与buffer输入端连接，另一端接地；所述运算放大器的输出端通过开关SW2连接在开关SW5与反馈电容Cint的公共连接端上，所述运算放大器的输出端通过开关SW4连接在开关SW3与buffer输入端的公共连接端上。

环路稳定后，buffer输出端的电压即为积分输出电压，buffer的失调电压存储在Cs电容上，不影响输出。

增大Cs电容值，可以减小采样保持噪声，也可以减小电荷注入噪声和失调电压误差，因此本实施例中采样保持电容Cs优选大电容值电容。

Buffer可以直接采用现有电流读出模块中MUX buffer中的stage2模块，可以用一个简单的源级跟随电路实现，电路结构简单，功耗低。具体如图5所示，buffer电路采用由一个NMOS管和一个PMOS管构成的源极跟随电路，该电路可以采用单电源或正负电源实现。

实施例2

本实施例提出来了一种电流数字转换器，如图6所示，该电流数字转换器包括：包括多个上实施例1提出的电流-电压积分器、一个MUX开关和一个ADC；多个积分器的输出端均与MUX开关的输入端连接，所述MUX开关的输出端与ADC输入端连接，每一个积分器输入一路电流信号，每一个积分器输出都由自带的buffer来驱动ADC。

本实施例中的MUX开关采用但不限于多选一开关。

本实施例将MUX buffer中的stage2移到积分器反馈环路中，积分器的OP(运算放大器)和buffer构成一个两级放大器结构，则积分器中的OP相当于MUX buffer中的stage1，buffer相当于MUX buffer中的stage2；则MUX电路只需要采用MUX开关即可，消除了MUXbuffer电路对读出电路的各种限制，不需要AB组采样保持，电路结构简化，性能更优。

本实施例的电流数字转换器具体工作过程如下：

(a)复位：此时SW1-SW5开关全部断开，RST电路将反馈电容Cint的两端电压复位到参考电压，复位结束时积分电容的上极板电压为0，下极板电压为参考电压。

(b)积分：复位结束后，SW1、SW2开关闭合，SW3、SW4、SW5开关断开，对PD中的电流积分。在积分的同时，Cs上保持的上一次积分电压经过buffer驱动ADC，多个buffer输出经过MUX开关顺序被ADC转换成数字信号。

(c)采样保持电容Cs预充电：所有通道的buffer输出都经过AD转换后，SW1、SW2、SW3开关闭合，SW4、SW5开关断开，由于Cs电容较大，上一次的积分结果和本次积分结果不一样，直接将Cs电容和积分器OP输出端连接会产生较大的电压跳变，影响光电二极管的反向偏置电压，通过buffer1预先将Cs充电到接近积分器输出端的电压。

(d)跟踪：SW1、SW2、SW4开关闭合，SW3、SW5开关断开，此时Cs上的电压跟踪积分器输出端的电压。

(e)采样保持：积分结束后，SW1、SW2、SW3断开，SW4、SW5闭合，时序上控制SW1最先断开，积分电压保持在积分电容上。积分器OP和buffer构成两级放大器，积分电容Cint为反馈电容，环路稳定后，buffer输出端为积分输出电压，buffer的失调电压存储在Cs电容上。当SW4开关断开后，buffer的输入电压保持在Cs电容上，输出端即为精确的积分电压，等待下一次AD转换。

(f)AD转换：每个积分器通道依次通过MUX_SWITCH和ADC连接，Cs上保持的电压通过buffer驱动ADC，该通道完成AD转换后，可以关闭buffer中的偏置电流，减小整个读出电路的功耗。

积分器由于积分时间较长，对速度的要求不高，在输出端可以采用大电容减小噪声，因此不需要通过增大功耗来减小噪声。积分器中的OP满足在大输出范围下具备高增益即可。失调电压存储在图4中的大电容Cs上。buffer电路可以采用MUX buffer中的stage2来实现，一种实现电路为如图5所示的源级跟随电路，该电路只需要一个NMOS管和一个PMOS管构成源级跟随器电路，结构简单，驱动能力强，功耗低。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流-电压积分器，包括运算放大器和采样保持电容Cs，其特征在于，所述积分器还包括缓冲器buffer和反馈电容Cint，其中，所述运算放大器和缓冲器buffer级联构成两级放大器，所述运算放大器的反相输入端作为电流输入端，所述缓冲器buffer输出端的电压为积分输出电压；所述积分器还包括缓冲器buffer1，通过缓冲器buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压；所述积分器还包括电容CL，所述运算放大器的反相输入端连接开关SW1，所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端与缓冲器buffer1的输入端连接，所述缓冲器buffer1的输出端通过开关SW3与缓冲器buffer输入端连接，所述缓冲器buffer输出端通过开关SW5与反馈电容Cint一端连接，反馈电容Cint另一端与运算放大器的反相输入端连接；所述电容CL一端与缓冲器buffer1输入端连接，另一端接地；所述运算放大器的输出端通过开关SW2连接在开关SW5与反馈电容Cint的公共连接端上，所述运算放大器的输出端通过开关SW4连接在开关SW3与缓冲器buffer输入端的公共连接端上；所述采样保持电容Cs一端连接在开关SW3与缓冲器buffer输入端的公共连接端上，另一端接地；开关SW1一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接输入的电流。

2.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于，所述反馈电容Cint两端并联有RST复位电路，所述RST复位电路用于将反馈电容Cint两端电压复位到参考电压。

3.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于，所述缓冲器buffer采用由一个NMOS管和一个PMOS管构成的源极跟随电路。

4.根据权利要求3所述的积分器，其特征在于，所述源极跟随电路采用单电源或正负电源实现。

5.根据权利要求1-4任一项所述的积分器，其特征在于，所述保持电容Cs采用大电容值电容。

6.一种电流数字转换器，其特征在于，包括多个上述权利要求1-5任一项所述的积分器、MUX开关和ADC；多个积分器的输出端均与MUX开关的输入端连接，所述MUX开关的输出端与ADC输入端连接，每一个积分器输入一路电流信号，每一个积分器输出都由自带的缓冲器buffer来驱动ADC。

7.根据权利要求6所述的电流数字转换器，其特征在于，所述MUX开关为多选一开关。

8.权利要求6-7任一项所述的电流数字转换器的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将反馈电容的两端电压复位到参考电压；

（2）复位结束后，控制运算放大器对输入的电流进行积分，在积分的同时，采样保持电容Cs上保持的上一次积分电压经过缓冲器buffer驱动ADC，多个缓冲器buffer输出经过MUX开关顺序被ADC转换成数字信号；

（3）所有通道的缓冲器buffer输出都经过AD转换后，通过控制缓冲器buffer1预先将采样保持电容Cs充电到接近运算放大器输出端的电压；

（4）控制实现采样保持电容Cs上的电压跟踪运算放大器输出端的电压；

（5）积分结束后，控制缓冲器buffer的输入电压保持在采样保持电容Cs上，等待下一次AD转换；

（6）每个积分器通道依次通过MUX开关和ADC连接，采样保持电容Cs上保持的电压通过缓冲器buffer驱动ADC，实现AD转换。