CN203883813U - 用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器，属于集成电路设计领域，其特征在于：该逐次逼近模数转换器采用三段式结构数模转换器，设计成适用于红外焦平面读出电路阵列芯片的结构，限制其版图宽度，可以使其被用于红外焦平面读出电路行共享结构中，实现了红外焦平面电路需要的小面积、低功耗以及高速高精度。有助于红外焦平面读出电路和模数转换系统的集成，提高红外成像系统的精度，减少芯片间的噪声干扰，提高系统信噪比并且使得后期信号处理更简易。

Description

用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器

技术领域

本专利涉及集成电路设计技术，具体是指一种具有模数转换功能的集成电路，它用于红外焦平面阵列读出电路中，可以将红外探测器前端的模拟信号转换成数字信号。 

背景技术

高性能的红外焦平面阵列的噪声性能通常受到其信号链性能的限制，这是由于通过串音、时钟干扰、电源噪声、电磁干扰等等，不可避免地要引入不希望的并且可能无法避免的噪声。由于信号链中串行数据率在图像系统中是最高的，因此将由最大带宽引入白噪声，时钟噪声及其他电容耦合噪声也随数据率的提高而增加。红外焦平面电路每列配一个ADC，通过的片上ADC技术可以有效改善这些效应的影响；并且由于不需要片外模拟连线，使干扰和振动的敏感性得以消除。特别是在焦平面上对探测器信号进行采样比片外方式更为有效，片上ADC不仅消除了一些噪声机制，而且可以通过过采样技术增加信噪比SNR。 

红外焦平面数字传输芯片的核心和关键是片上集成的ADC模块，片上ADC的分辨率直接决定了数字传输芯片输出信号的信噪比，ADC的转换速度限制了数字传输芯片信号的读出速度，从而限制了数字红外焦平面器件的最高帧频。因此具有较高分辨率和一定转换速度的ADC算法结构的设计是红外焦平面数字传输芯片研制的关键技术。 

逐次逼近型模数转换器在面积、精度和功耗的折合方面具有一定的优势， 因此研究逐次逼近型模数转换器对实现红外系统的高集成度、高稳定性和高精度等具有实际工程应用价值。 

发明内容

本专利提供一种适用于红外焦平面读出电路的列共享结构的模数转换器电路结构，将红外探测器阵列的光电信号转换成数字信号读出。 

本专利是通过下述技术途径实现的： 

本专利公开了一种用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器，采用0.35um CMOS工艺，经由EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化)设计软件辅助设计，模拟电路采用全定制电路设计方式，数字采用代码编写，软件综合后自动布局布线设计方式，主要实现了对探测器信号的量化和输出其中： 

1这种适用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器是基于普通逐次逼近型模数转换器的改进结构，其结构如图2所示，主要由数模转换器、高精度比较器和数字控制电路组成。其中数模转换器用来将数字控制电路输出的数字信号转换成模拟电压信号，比较器用来比较数模转换器的输出模拟电压和采样信号电压的大小，数字控制电路用于产生数模转换器的输入数字信号同时通过比较器的输出确定最终模数转换器的输出数字信号。 

2逐次逼近型模数转换器的工作模式如下： 

数字控制电路产生首位为“1”其余位为“0”的一串数字信号，通过数模转换器转换为电压信号并与输入的采样信号通过比较器比较大小。比较器的输出结果输入到数字控制电路，用于确定模数转换器的输出信号首位数字码，比较器输出为“1”则首位数字码为“1”，比较器输出为“0”则首位数字码为“0”。一次比较结束后，数字控制电路将次位数字码改为“1”，首位数字码为上一时 钟比较器所确定的数字码，其余位为“0”，将产生的数字信号通过数模转换器转换成模拟信号并与输出采样信号通过比较器比较大小，从而确定数模转换器输出信号次位数字码。依此进行N个时钟周期，就能确定N位模数转换器的数字输出。整个过程结束，即完成了一次模拟量到数字量的转换，N位转换结果存储在寄存器内，这就是最终输出所转化模拟量的数字码。 

3高速比较器的设计： 

高速比较器应尽可能的降低其传输延迟，所以设计的基本原则是采用前置放大器使输入的变化足够大并将其加大锁存器上。这组合了电路的最佳特点：一种是具有负指数响应的前置放大器，另一种是具有正指数响应的锁存器电路。一个遵循上述原则设计的高速比较器如图3。第一级是一个递增益高带宽前置放大器，它驱动锁存器。锁存器的输出用来驱动一个自偏置差分放大器。自偏置差分放大器的输出驱动一个输出驱动器。 

4三段式数模转换器的结构和工作原理： 

三段式数模转换器是由电容和电阻阵列以及控制开关组成，其中数模转换器的分压模式是：电容阵列对高位分压，电阻阵列对低位分压；而高位分压电容阵列又由两个电容阵列组成，中间由一个高精度缩放电容隔开。如图4为本设计的三段式数模转换器(DAC)，它的MSB(最高有效位)子DAC采用电荷按比例缩放，而LSB(最低有效位)子DAC采用电压按比例缩放。其中MSB子DAC采用一个4位电荷按比例缩放子DAC和一个5位电荷按比例缩放子DAC组成，通过在两个子DAC之间加上一个缩放电容Cs实现。电容阵列采用相同大小的电容C₀组成。C_S和LSB子电荷缩放电容阵列的串联组合值必须等于C_C0，C_S的值可以由公式1得出： 

$\frac{C_{C0}}{2}=\frac{1}{\frac{1}{C_{C0}}+\frac{1}{8C_{C0}}}$               (公式1) 

因此缩放电容Cs应为θC_C0/15，C_C0为电容C₀的电容值，C_Cs为电容C_s的电容值。 

LSB子DAC的输出电压，可以用LSB4位控制码L₄L₃L₂L₁表示，如公式2： 

$V_{\mathrm{LSB}}=(\frac{L_4}{2^1}+\frac{L_2}{2^2}+\frac{L_2}{2^3}+\frac{L_1}{2^4})(V_{\mathrm{REF}2}-V_{\mathrm{REF}1})$      (公式2) 

L₄、L₃、L₂、L₁取值分别为0或1，当电阻开关K₁、K₃、K₅、K₇、K₉、K₁₁、K₁₃、K₁₅闭合是L₁取0，否则取1；当电阻开关K₁、K₂、K₅、K₆、K₉、K₁₀、K₁₃、K₁₄闭合时L₂取0，否则取1；当电阻开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂闭合时L₃取0，否则取1；当电阻开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈闭合时L₄取0，否则取1。V_REF2和V_REF1为模数转化器基准电压。 

可以算出DAC的输出电压表达式，如公式3： 

$V_{\mathrm{OUT}}=(\frac{S_9}{2^1}+\frac{S_8}{2^2}+\·\·\·+\frac{S_1}{2^9}+\frac{L_4}{2^{10}}+\frac{L_3}{2^{11}}+\frac{L_2}{2^{12}}+\frac{L_1}{2^{13}})(V_{\mathrm{REF}2}-V_{\mathrm{REF}1})$         (公式3) 

公式3中S₁～S₉表示双向开关的连接关系，S₁～S₉取值为0或者1，当电容开关S₁～S₉连接基准电压V_REF2是取值为1，当连接基准电压V_REF1是，取值为0。 

如上所述，一种用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器的结构包括一个由硬件描述语言代码设计实现的数字控制电路、三段式结构数模转换器以及一个由级联的前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高精度高速比较器，其中：所述的三段式数模转换器是由传统的两段式电荷再分布式数模转换器与电阻分压数模转换器组合而成，两段式电荷再分布数 模转换器的终端电容的一端与电阻分压数模转换器的输出端直接连接。 

本专利的优点是： 

1有利于实现红外焦平面读出电路片山集成数字化功能，可以减少红外系统功耗和面积，减少红外系统中的噪声，提高红外系统的稳定性。同时有利于高集成度的红外成像系统的实现。 

2本专利针对红外焦平面读出电路的特点，设计中取消了采样保持电路，减少了采样保持电路引入的误差，同时采用了三段式的新型DAC结构，使得模数转化器的面积更小，功耗更低，适用于红外焦平面列共享结构。 

附图说明

图1为红外焦平面读出电路的结构框图，它集成了行共享结构的逐次逼近型模数转换器。 

图2为逐次逼近型模数转换器的结构框图。 

图3为高速比较器，由三部分组成，分别是：递增益高带宽前置放大器，锁存器和自偏置差分放大器。自偏置差分放大器的输出驱动一个输出驱动器。 

图4为三段式模数转换器，S₁～S₉为双向开关，K₁～K₁₆为模拟开关，V_ref1、V_ref2为基准电压，C₀为单位电容，C_s为缩放电容，R为单元电阻。 

具体实施方式

模数转换器设计精度12bit，采用0.35umCMOS工艺，版图设计宽度要求60um，使其能够适用于30um中心距的红外焦平面读出电路行共享结构中。模数转化器工作频率为153.8KHz，满足红外焦平面电路512*512阵列100帧频的要求。 

1数字控制电路由编写Verilog代码，经由DC综合之后，由Astro工具产生版图。 

2比较器设计首先需要使其共模输入范围匹配红外焦平面读出电路前置探测器输入级电压范围(本例中1V～3V)。由于本设计的模数转换器精度要求达到12bit，因此比较器的最小分辨电压要小于0.3mV。由红外焦平面阵列规模和读出速度要求结合本设计中模数转化器的特点可以算出比较器的最大延迟要小于250ns，最终选用的高速比较器如图3。 

3三段式数模转换器(DAC)如图4，它的MSB(最高有效位)子DAC采用电荷按比例缩放，而LSB(最低有效位)子DAC采用电压按比例缩放。其中MSB子DAC采用一个4位电荷按比例缩放子DAC和一个5位电荷按比例缩放子DAC组成，通过在两个子DAC之间加上一个缩放电容Cs实现。电容阵列采用相同大小的电容C₀组成。电容C₀大小为1pf，电容C_s大小可以由公式1计算得出为0.5333pf。LSB子DAC为电压按比例缩放形式，由相同阻值电阻组成，电阻阻值为应综合考虑功耗计算得出，本设计取值为2KΩ。 

Claims (1)

1.一种用于红外焦平面读出电路的逐次逼近型模数转换器，它包括一个由硬件描述语言代码设计实现的数字控制电路、三段式结构数模转换器以及一个由级联的前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高精度高速比较器，其特征在于：所述的三段式数模转换器是由传统的两段式电荷再分布式数模转换器与电阻分压数模转换器组合而成，两段式电荷再分布数模转换器的终端电容的一端与电阻分压数模转换器的输出端直接连接。