CN115037897B - 像素级模数转换电路、模数转换器及红外探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种像素级模数转换电路、模数转换器以及红外探测设备，涉及集成电路领域。包括：振荡单元接收光电流，产生对应的振荡周期信号，时序控制单元接收振荡周期信号和积分信号，产生粗量化采样信号和细量化采样信号；计数单元对振荡次数进行计数，在粗量化采样信号有效时，记录计数器的值，得到粗量化结果并传输至读出单元；同时在细量化采样信号有效时，接收全局格雷码计数器的值，得到细量化结果并传输至读出单元；读出单元将粗量化结果和细量化结果输出至像素外。本发明的摒弃了目前细量化采用的每个像素对应一个细量化单元的结构形式，细量化提高模数转换精度的同时，不以牺牲像素面积为代价。

Description

像素级模数转换电路、模数转换器及红外探测设备

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种像素级模数转换电路、模数转换器以及红外探测设备。

背景技术

红外在军用和民用领域都起着非常重要作用，近年来得到了快速的发展。红外探测系统的发展对红外焦平面的读出电路的性能提出了更高的要求。

目前高帧频红外焦平面的读出电路在高精度需求的同时，对于小型化的需求越发重要。如何在保证高精度的同时，尽可能的缩小像素面积是一个亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以提供解决上述问题或者部分地解决上述问题的一种像素级模数转换电路、模数转换器以及红外探测设备。

本发明实施例第一方面提供一种像素级模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：振荡单元、时序控制单元、计数单元以及读出单元；

所述振荡单元接收光电流，并根据所述光电流的大小，产生对应的振荡周期信号，不同大小的光电流对应的振荡周期信号的振荡频率不同；

所述时序控制单元接收所述振荡周期信号和积分信号，并产生粗量化采样信号和细量化采样信号；

所述计数单元对所述积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数进行计数，且在所述粗量化采样信号有效时，记录计数结果，得到粗量化结果并传至所述读出单元；

所述计数单元在所述细量化采样信号有效时，接收全局格雷码计数器的计数结果，作为细量化结果并传至所述读出单元；

所述读出单元将所述粗量化结果和所述细量化结果输出至像素外。

可选地，所述光电流的大小与所述振荡周期信号的振荡频率f之间的关系为：

f∝kI_s

上式中，I_S表示光电流的大小，k表示正比例系数；

所述振荡周期信号的振荡频率f与所述光电流的大小呈线性关系，根据电荷守恒有下式：

I_s×T＝N×Q_u

上式中，T表示积分信号的有效时长，即积分时间，N表示所述积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数，即所述粗量化结果，Q_u表示所述振荡单元振荡一次所转移的电荷量。

可选地，所述帧周期信号为所述积分信号经过所述振荡周期信号同步之后产生的信号；

所述帧周期信号与所述积分信号之间的差值，表征粗量化的转换误差，定义该粗量化的转换误差为偏差时长；

所述偏差时长的大小，随所述光电流的大小变化。

可选地，所述全局格雷码计数器设置于所述模数转换电路外，全局共用；

所述全局格雷码计数器利用一个高频主时钟作为自身的计数时钟；

所述全局格雷码计数器对所述偏差时长进行计数，并将所述计数结果通过总线传输至所述计数单元。

可选地，在每一个周期开始时，复位信号高电平有效；

所述复位信号变为低电平时，所述积分信号变为高电平，所述振荡单元接收所述光电流，产生所述振荡周期信号并发送至所述时序控制单元；

所述时序控制单元接收所述振荡周期信号和所述积分信号，经逻辑控制，产生所述粗量化采样信号和所述细量化采样信号，且两者均为高电平有效。

可选地，所述积分信号高电平持续时长即为所述积分信号的有效时长，所述积分信号的下降沿即为积分结束；

所述帧周期信号是在经过所述振荡周期信号同步后得到的信号，所述帧周期信号的下降沿与所述振荡周期信号的上升沿对齐。

可选地，所述时序控制单元控制所述粗量化采样信号在所述帧周期信号的下降沿变为高电平，并持续所述振荡周期信号的半个周期时长；

所述时序控制单元控制所述细量化采样信号在所述帧周期信号的下降沿变为高电平，所述细量化采样信号为一个短脉冲。

可选地，基于所述偏差时长，得到所述细量化结果的表达式为：

I_s×(T+ΔT)＝N×Q_u

ΔT＝N_L×T_L

其中，ΔT为偏差时长，N_L细量化结果，T_L为所述全局格雷码计数器的高频时钟周期。

本发明实施例第二方面提供一种像素级模数转换器，所述像素级模数转换器包括如第一方面任一所述的像素级模数转换电路。

本发明实施例第三方面提供一种红外探测设备，所述红外探测设备包括如第一方面任一所述的像素级模数转换电路。

本发明提供的像素级模数转换电路，振荡单元接收光电流，并根据光电流的大小，产生对应的振荡周期信号，时序控制单元接收振荡周期信号和积分信号，并产生粗量化采样信号和细量化采样信号；计数单元对积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数进行计数，且在粗量化采样信号有效时，记录计数结果，得到粗量化结果并传至读出单元；计数单元在细量化采样信号有效时，接收全局格雷码计数器的计数结果作为细量化结果并传至读出单元，最终由读出单元将粗量化结果和细量化结果输出至像素外。

本发明的模数转换电路，采用粗、细两步量化的方式，结合了粗、细两步量化的数据，大大提高了转换的精度，有效位数高，保证了模数转换的高精度。并且由于细量化过程是采用全局共用格雷码计数器，摒弃了目前细量化采用的每个像素对应一个细量化单元的结构形式，细量化在提高模数转换精度的同时，不以牺牲像素面积为代价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例优选的模数转换电路的结构示意图；

图2是本发明实施例中各信号的时序关系示意图。

具体实施方式

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人发现，目前高帧频红外焦平面的读出电路中，大多读出电路只有粗量化结构，转换精度不高；少数具有粗、细量化单元的读出电路中，每个像素需要对应有粗、细量化单元的结构形式，虽然提高了模数转换精度，但这样是以增加像素的面积为代价的。

为了解决上述问题，发明人经过大量研究、实验、仿真，创造性的提出了本发明的像素级模数转换电路，以下对本发明的像素级模数转换电路进行说明。

本发明的模数转换电路包括：振荡单元、时序控制单元、计数单元以及读出单元。其中，振荡单元接收光电流，并根据光电流的大小，产生对应的振荡周期信号，不同大小的光电流对应的振荡周期信号的振荡频率不同。时序控制单元接收振荡周期信号和积分信号，并产生粗量化采样信号和细量化采样信号。

计数单元对积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数进行计数，且在粗量化采样信号有效时，记录计数结果，得到粗量化结果并传至读出单元；计数单元在细量化采样信号有效时，接收全局格雷码计数器的计数结果，作为细量化结果并传至读出单元；由读出单元将粗量化结果和细量化结果输出至像素外。

参照图1，示例性的示出了本发明实施例优选的模数转换电路的结构示意图，图1中目前已知结构相同结构不做具体说明。模数转换电路包括：振荡单元VCO、时序控制单元Control、计数单元Counter以及读出单元Readout；全局格雷码计数器Gray_counter设置于像素外，全局共用。振荡单元VCO接收光电流，光电流是由红外光经过探测器的光电二极管，形成对应的红外光电流。光电流首先经过一个注入管M，在传输至振荡单元VCO。

根据光电流的大小不同，对应的振荡单元VCO产生的振荡周期信号CK的振荡频率f也不同，二者之间满足如下关系：

f∝kI_s

由于振荡周期信号CK的时钟周期与光电流I_S呈线性关系，可利用计数单元Counter可对振荡周期信号CK的振荡次数进行计数，从而根据计数结果和积分周期(一个积分周期即为一个积分信号INT的有效时长)计算出光电流，根据电荷守恒有：

I_s×T＝N×Q_u

上面两式中，I_s为注入振荡单元VCO的光电流，即所求量；k表示正比例系数；T表示积分信号INT的有效时长，即积分时间，为一个固定值；N为积分信号INT有效时的振荡周期信号CK的振荡次数，即粗量化结果；Q_u表示振荡单元VCO振荡一次所转移的电荷量，也是一个固定值。

但在上述过程中，积分信号INT的下降沿即积分结束时，往往不能对准振荡周期信号CK的上升沿，并且粗量化结果N只能是正整数，如果没有细量化这会导致对应光电流的粗量化结果N产生一些偏差。

为了提高模数转换精度，提出利用偏差时长ΔT的时间来弥补这一偏差。帧周期信号CK与积分信号INT之间的差值，表征粗量化的转换误差，定义该粗量化的转换误差为偏差时长ΔT，即偏差时长ΔT为积分信号INT和经过振荡周期信号CK同步之后的帧周期信号INTd之间的差值。

由于不同大小光电流对应的振荡周期信号CK的频率不同，因此导致偏差时长ΔT的时间长度也不同，即偏差时长ΔT的大小，随光电流I_S的大小变化。因此需要对偏差时长ΔT进行量化，将对偏差时长ΔT的量化作为细量化的结果。

考虑到小型化的需求，缩减像素面积，创造性在模数转换电路外部，设置一个全局格雷码计数器Gray_counter，利用一个高频时钟MCK作为全局格雷码计数器Gray_counter的计数时钟，并使其从积分结束即积分信号INT的下降沿到来时开始计数，并将计数结果通过总线传入各像素的计数单元Counter中。

当一个像素的振荡周期信号CK中的一个上升沿即帧周期信号INTd的下降沿到来时，该像素内产生粗量化采样信号SHm和细量化采样信号SHl，采样计数单元Counter的粗、细量化的结果并输出至像素外。由于细量化采样信号SHl为一短脉冲，故全局计数器采用格雷码的结构来防止采样的数据误码。通过粗、细两步量化，可以弥补上述误差，进一步提高精度，所得结果更加准确。此时的表达式变为：

I_s×(T+ΔT)＝N×Q_u

ΔT＝N_L×T_L

其中，N_L为细量化结果，T_L为全局格雷码计数器Gray_counter的高频时钟MCK的时钟周期。

本发明实施例中，时序控制单元Control接收振荡周期信号CK和积分信号INT，经逻辑控制，产生粗量化采样信号SHm和细量化采样信号SHl。

参照图2，示出了本发明实施例中各信号的时序关系示意图。在每一个周期开始时，先进行复位。复位信号RST用于复位，高电平有效。复位信号RST变为低电平时，积分信号INT变为高电平，振荡单元VCO接收光电流I_S，同时产生振荡周期信号CK并发送至时序控制单元Control和计数单元Counter。积分信号INT高电平持续时长即为积分信号INT的有效时长，积分信号INT的下降沿即为积分结束；帧周期信号INTd在经过振荡周期周期信号CK同步后，帧周期信号INTd的下降沿与振荡周期信号CK的上升沿对齐。

时序控制单元Control控制粗量化采样信号SHm在帧周期信号INTd的下降沿变为高电平，并持续振荡周期信号CK的半个周期时长；时序控制单元Control控制细量化采样信号SHl在帧周期信号INTd的下降沿变为高电平，细量化采样信号SHl为一个短脉冲。

计数单元Counter在接收到粗量化采样信号SHm和细量化采样信号SHl时，将粗量化结果D_m和细量化结果D_l传输至读出单元Readout；读出单元Readout将粗、细量化结果输出至像素外。

基于上述像素级模数转换电路，本发明实施例还提出一种像素级模数转换器，所述像素级模数转换器包括如上任一所述的像素级模数转换电路。

基于上述像素级模数转换电路，本发明实施例还提出一种红外探测设备，所述红外探测设备包括如上任一所述的像素级模数转换电路。

通过上述示例，本发明提供的像素级模数转换电路，振荡单元接收光电流，并根据光电流的大小，产生对应的振荡周期信号，时序控制单元接收振荡周期信号和积分信号，并产生粗量化采样信号和细量化采样信号；计数单元对积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数进行计数，且在粗量化采样信号有效时，记录计数结果，得到粗量化结果并传至读出单元；计数单元在细量化采样信号有效时，通过总线接收全局格雷码计数器的计数结果，作为细量化结果并传至读出单元，最终由读出单元将粗量化结果和细量化结果输出至像素外。

本发明的模数转换电路，采用粗、细两步量化的方式，结合了粗、细两步量化的数据，大大提高了转换的精度，有效位数高，保证了模数转换的高精度。并且由于细量化过程是采用全局共用格雷码计数器，摒弃了目前细量化采用的每个像素对应一个细量化单元的结构形式，细量化提高模数转换精度，同时极大的缩减了像素，最终在保证模数转换高精度的同时，还尽可能的缩减了像素面积。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种像素级模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：振荡单元、时序控制单元、计数单元以及读出单元；

所述振荡单元接收光电流，并根据所述光电流的大小，产生对应的振荡周期信号，不同大小的光电流对应的振荡周期信号的频率不同；

所述时序控制单元接收所述振荡周期信号和积分信号，并产生粗量化采样信号和细量化采样信号；

所述计数单元对所述积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数进行计数，且在所述粗量化采样信号有效时，记录计数结果，得到粗量化结果并传至所述读出单元；

所述计数单元在所述细量化采样信号有效时，接收全局格雷码计数器的计数结果，作为细量化结果并传至所述读出单元；

所述读出单元将所述粗量化结果和所述细量化结果输出至像素外；

其中，注入光电流的大小与所述振荡周期信号的振荡频率f之间的关系为：

f∝kI_s

上式中，I_S表示注入光电流的大小，k表示正比例系数；

所述振荡周期信号的频率f与所述光电流的大小呈线性关系，根据电荷守恒有下式：

I_s×T＝N×Q_u

上式中，T表示积分信号的有效时长，即积分时间，N表示所述积分信号有效时的振荡周期信号的振荡次数，即所述粗量化结果，Q_u表示所述振荡单元振荡一次所转移的电荷量；

帧周期信号为所述积分信号经过所述振荡周期信号同步之后产生的信号；所述帧周期信号与所述积分信号之间的差值，表征粗量化的转换误差，定义该粗量化的转换误差为偏差时长；所述偏差时长的大小，随所述光电流的大小变化；

基于所述偏差时长，得到所述细量化结果的表达式为：

I_s×(T+ΔT)＝N×Q_u

ΔT＝N_L×T_L

其中，ΔT为偏差时长，N_L细量化结果，T_L为所述全局格雷码计数器的高频时钟周期。

2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述全局格雷码计数器设置于所述模数转换电路外，全部像素共用；

所述全局格雷码计数器利用一个高频主时钟作为自身的计数时钟；

所述全局格雷码计数器对所述偏差时长进行计数，并将所述计数结果通过总线传输至所述计数单元。

3.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，在每一个周期开始时，复位信号高电平有效；

所述复位信号变为低电平时，所述积分信号变为高电平，所述振荡单元接收所述光电流，产生所述振荡周期信号并发送至所述时序控制单元；

所述时序控制单元接收所述振荡周期信号和所述积分信号，经逻辑控制，产生所述粗量化采样信号和所述细量化采样信号，且两者均为高电平有效。

4.根据权利要求3所述的模数转换电路，其特征在于，所述积分信号高电平持续时长即为所述积分信号的有效时长，所述积分信号的下降沿即为积分结束；

所述帧周期信号是在经过所述振荡周期信号同步后得到的信号，所述帧周期信号的下降沿与所述振荡周期信号的上升沿对齐。

5.根据权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述时序控制单元控制所述粗量化采样信号在所述帧周期信号的下降沿变为高电平，并持续所述振荡周期信号的半个周期时长；

所述时序控制单元控制所述细量化采样信号在所述帧周期信号的下降沿变为高电平，所述细量化采样信号为一个短脉冲。

6.一种像素级模数转换器，其特征在于，所述像素级模数转换器包括如权利要求1-5任一所述的像素级模数转换电路。

7.一种红外探测设备，其特征在于，所述红外探测设备包括如权利要求1-5任一所述的像素级模数转换电路。