一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，包括：最高比特位產(chǎn)生電路和低比特位產(chǎn)生電路。最高比特位產(chǎn)生電路基于讀出信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的最高比特位和殘差信號(hào)；低比特位產(chǎn)生電路基于殘差信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的低比特位。本發(fā)明的實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以降低單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)鐘頻率，可有效的提高讀出電路的比特率，提高工作效率，提高轉(zhuǎn)換精度，還可降低對(duì)比較器的要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。能夠很好地滿足非制冷紅外焦平面讀出電路對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。
【專利說明】—種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外焦平面陣列【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)、紅外焦平面技術(shù)以及數(shù)字集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到將紅外焦平面的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出，可以提高信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾能力，提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)這也是第三代紅外焦平面技術(shù)不斷小型化、不斷提高集成度的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]紅外焦平面片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)將紅外焦平面模擬信號(hào)輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，讀出電路的片上ADC是紅外焦平面讀出電路數(shù)字化中非常關(guān)鍵的器件，對(duì)于紅外焦平面數(shù)字化后的最終性能起著決定性的影響。ADC的種類和架構(gòu)比較多，使得讀出電路的設(shè)計(jì)過程中往往遇到多種選擇。
[0004]目前ADC的種類大體可以分為快閃式(flash) ADC、Two-step ADC、流水線(Pipeline) ADC、Σ-Δ ADC、逐次逼近(Successive Approximation, SAR) ADC、單斜率(single slope)ADC等等。對(duì)于ADC的設(shè)計(jì)而言,其一個(gè)難點(diǎn)是低功耗、速度和精度的折中。
[0005]目前，從速度的角度考慮，flashADC的速度最快，但是flash ADC比較器的數(shù)量隨著精度的增加而指數(shù)增加，從而限制了量化精度。故其一般用于高速低精度場(chǎng)合。
[0006]Two-step ADC是速度僅次于flash ADC的ADC,但是由于應(yīng)用了兩步比較法,所以可以提聞比特率和精度。
[0007]Σ-Δ ADC其精度最高，其是用數(shù)字方法量化模擬信號(hào)，故對(duì)模擬器件的要求較低，一般可達(dá)到較高精度，目前已達(dá)到24位，但信號(hào)帶寬較低，故一般用于低信號(hào)帶寬高精度的場(chǎng)合，如精密儀表。
[0008]SAR ADC是逐次量化的ADC，故只用少量的比較器，降低了芯片的面積與功耗，但一個(gè)模擬信號(hào)數(shù)字化需要數(shù)個(gè)量化周期，以致于速度降低，一般應(yīng)用于精度要求不是太高的移動(dòng)設(shè)備中。
[0009]Pipeline ADC在空間上逐級(jí)量化，因此可以得到較高的精度與速度，但需要額外模擬器件，導(dǎo)致了消耗了較大的功耗與面積。其主要應(yīng)用于精度在10到16位，速度在IOM到 500M 的米樣率(Sample Per Second, SPS)的場(chǎng)合。
[0010]單斜率ADC的優(yōu)點(diǎn)是工作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是其性能受斜坡信號(hào)發(fā)生器誤差的影響，并且是單極性的。另一個(gè)缺點(diǎn)是如果輸入電壓接近VREF，則需要很長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。最壞情況的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2NT，其中T是時(shí)鐘周期。主時(shí)鐘的頻率是由單斜率ADC的計(jì)數(shù)器確定的。
[0011]非制冷紅外焦平面探測(cè)器在室溫下工作，具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。但是隨著非制冷紅外焦平面陣列的增大，對(duì)AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的頻率要求越來越高。在0.5CM0S工藝下要實(shí)現(xiàn)這么小的時(shí)鐘周期是很困難的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠降低單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)鐘頻率的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
[0013]本發(fā)明公開的技術(shù)方案包括:
提供了一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于接收讀出電路輸出的讀出信號(hào)并將所述讀出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括:最高比特位產(chǎn)生電路，所述最高比特位產(chǎn)生電路接收所述讀出信號(hào)，并基于所述讀出信號(hào)產(chǎn)生所述數(shù)字信號(hào)的最高比特位和殘差信號(hào)；低比特位產(chǎn)生電路，所述低比特位產(chǎn)生電路接收所述殘差信號(hào)，并基于所述殘差信號(hào)產(chǎn)生所述數(shù)字信號(hào)的除了所述最高比特位之外的低比特位。
[0014]本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述最高比特位產(chǎn)生電路包括:第一比較器，所述第一比較器比較參考信號(hào)和所述讀出信號(hào)，并根據(jù)比較的結(jié)果生成所述最高比特位；子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收所述最高比特位，并將所述最高比特位轉(zhuǎn)換成最高比特位模擬信號(hào)；加法器，所述加法器接收所述讀出信號(hào)和所述最高比特位模擬信號(hào)，并且將所述讀出信號(hào)與所述最高比特位模擬信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，獲得加權(quán)信號(hào)；乘法器，所述乘法器接收所述加權(quán)信號(hào)，并將所述加權(quán)信號(hào)乘以預(yù)定參數(shù)值，獲得所述殘差信號(hào)。
[0015]本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述第一比較器的第一輸入端連接到所述讀出信號(hào)，所述第一比較器的第二輸入端連接到參考信號(hào)，所述第一比較器的輸出端連接到所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端；所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到所述加法器的第一輸入端；所述加法器的第二輸入端連接到所述讀出信號(hào)，并且所述加法器的輸出端連接到所述乘法器的輸入端；所述乘法器的輸出端輸出所述殘差信號(hào)。
[0016]本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述低比特位產(chǎn)生電路包括:斜坡信號(hào)發(fā)生器，所述斜坡信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡信號(hào)；第二比較器，所述第二比較器比較所述殘差信號(hào)和所述斜坡信號(hào)；計(jì)數(shù)器，所述計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)；寄存器，所述寄存器存儲(chǔ)所述最高比特位，并且所述寄存器還根據(jù)所述殘差信號(hào)與所述斜坡信號(hào)的比較結(jié)果和所述計(jì)數(shù)信號(hào)生成所述低比特位，并且輸出所述最高比特位和所述低比特位。
[0017]本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述第二比較器的第一輸入端連接到所述殘差信號(hào)，所述第二比較器的第二輸入端連接到所述斜坡信號(hào)發(fā)生器的輸出端，所述第二比較器的輸出端連接到所述寄存器；所述計(jì)數(shù)器的輸出端連接到所述寄存器。
[0018]本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，所述第一比較器的輸出端連接到所述寄存器。
[0019]本發(fā)明的實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，可以降低單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)鐘頻率，可有效的提高讀出電路的比特率，提高工作效率，提高轉(zhuǎn)換精度，還可降低對(duì)比較器的要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。能夠很好地滿足非制冷紅外焦平面讀出電路對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)框圖不意圖。
[0021]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖示意圖。?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的具體結(jié)構(gòu)。
[0023]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)框圖示意圖。本發(fā)明的實(shí)施例中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于接收讀出電路輸出的讀出信號(hào)(即讀出電路從紅外焦平面陣列中讀出的信號(hào))，并且將該讀出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而完成該讀出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，該紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括兩部分，即最高比特位產(chǎn)生電路10和低比特位產(chǎn)生電路20。
[0025]本發(fā)明的實(shí)施例中，最高比特位產(chǎn)生電路10接收前述的讀出信號(hào)，并基于該讀出信號(hào)產(chǎn)生前述的數(shù)字信號(hào)(即最終的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字信號(hào))的最高比特位和殘差信號(hào)。這里，產(chǎn)生最高比特位是指產(chǎn)生或者確定作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果的數(shù)字信號(hào)的最高一位的值。
[0026]本發(fā)明的實(shí)施例中，低比特位產(chǎn)生電路20接收最高比特位產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的殘差信號(hào)，并基于該殘差信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的除了最高比特位之外的低比特位。同樣地，這里，產(chǎn)生低比特位是指產(chǎn)生或者確定數(shù)字信號(hào)中除了最高一位之外的其它低比特位的值。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，最高比特位產(chǎn)生電路10可以包括:第一比較器101、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器102、加法器103和乘法器105。
[0028]如圖1所示，第一比較器101的第一輸入端連接到讀出信號(hào)Vint，第一比較器101的第二輸入端連接到參考信號(hào)VKEF/2，第一比較器101的輸出端連接到子數(shù)模轉(zhuǎn)換器102的輸入端；子數(shù)模轉(zhuǎn)換器102的輸出端連接到加法器103的第一輸入端；加法器103的第二輸入端連接到讀出信號(hào)Vint，并且加法器103的輸出端連接到乘法器105的輸入端；乘法器105的輸出端輸出殘差信號(hào)Vras。
[0029]本發(fā)明的實(shí)施例中，第一比較器101比較參考信號(hào)VKEF/2和讀出信號(hào)Vint，并根據(jù)比較的結(jié)果生成前述的數(shù)字信號(hào)的最高比特位D〈n-1> (η為數(shù)字信號(hào)的位數(shù)或者比特?cái)?shù)，也即模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的位寬)；子數(shù)模轉(zhuǎn)換器102接收該最高比特位D〈n-1>，并將該最高比特位D〈n-1>轉(zhuǎn)換成最高比特位模擬信號(hào)；加法器103接收讀出信號(hào)Vint和最高比特位模擬信號(hào)，并且將該讀出信號(hào)Vint與最高比特位模擬信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，獲得加權(quán)信號(hào)；乘法器105接收該加權(quán)信號(hào)，并將加權(quán)信號(hào)乘以預(yù)定參數(shù)值(例如，圖1的實(shí)施例中，顯示該預(yù)定參數(shù)值為2),獲得殘差信號(hào)Vrestl
[0030]本發(fā)明的實(shí)施例中，第一比較器101獲得的最高比特位D〈n_l>還輸出到低比特位產(chǎn)生電路20的寄存器205 (下文中詳述)并存儲(chǔ)在該寄存器205中。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，低比特位產(chǎn)生電路20包括:第二比較器201、斜坡信號(hào)發(fā)生器202、計(jì)數(shù)器203和寄存器205。
[0032]如圖1所示，第二比較器201的第一輸入端連接到殘差信號(hào)V_，即連接到最高比特位產(chǎn)生電路10中的乘法器105的輸出端，第二比較器201的第二輸入端連接到斜坡信號(hào)發(fā)生器202的輸出端，第二比較器201的輸出端連接到寄存器205 ;計(jì)數(shù)器203的輸出端連接到寄存器205。[0033]此外，最高比特位10中的第一比較器101的輸出端也連接到該寄存器205。
[0034]本發(fā)明的實(shí)施例中，斜坡信號(hào)發(fā)生器202用于產(chǎn)生斜坡信號(hào)。這里，斜坡信號(hào)發(fā)生器202可以是本領(lǐng)域內(nèi)常用的斜坡信號(hào)發(fā)生器，在此不再詳述其具體結(jié)構(gòu)。
[0035]第二比較器201比較最高比特位產(chǎn)生電路10產(chǎn)生的殘差信號(hào)Nres和斜坡信號(hào)發(fā)生器202產(chǎn)生的斜坡信號(hào)。
[0036]計(jì)數(shù)器203對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。本發(fā)明的實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器203可以是本領(lǐng)域內(nèi)常用的計(jì)數(shù)器，在此不再詳述其結(jié)構(gòu)。
[0037]本發(fā)明的實(shí)施例中，寄存器205根據(jù)前述的殘差信號(hào)Vms與斜坡信號(hào)的比較結(jié)果和計(jì)數(shù)器203產(chǎn)生的計(jì)數(shù)信號(hào)，產(chǎn)生前述的數(shù)字信號(hào)的各個(gè)低比特位D〈n-2:0>。
[0038]如前文所述，最高比特位產(chǎn)生電路10中產(chǎn)生的最高比特位D〈n_l>也存儲(chǔ)于寄存器205中。這樣，最高比特位D〈n-1>和低比特位D〈n-2:0>—起，即構(gòu)成了所需要的數(shù)字信號(hào)D〈n-1:0>，也即本發(fā)明實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0039]寄存器205可以將該最高比特位D〈n_l>和低比特位D〈n_2:0>輸出，也即輸出作為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字信號(hào)D〈n-1: 0>。
[0040]下面對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器說明本發(fā)明實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作原理和優(yōu)點(diǎn)。
[0041]圖2是現(xiàn)有的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]現(xiàn)有的這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)斜坡信號(hào)發(fā)生器、一個(gè)比較器、一個(gè)寄存器組和一個(gè)產(chǎn)生輸出碼字的計(jì)數(shù)器。轉(zhuǎn)換周期開始時(shí)，紅外焦平面陣列讀出電路的積分輸出信號(hào)(即讀出信號(hào))Vint被采樣、保持并送到比較器的同相端。計(jì)數(shù)器被復(fù)位，時(shí)鐘同時(shí)加到計(jì)數(shù)器。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，斜坡信號(hào)發(fā)生器開始對(duì)第一基準(zhǔn)電壓Vkef進(jìn)行積分。如果Vint比斜坡信號(hào)發(fā)生器的初始輸出大，則連到比較器反相端的斜坡信號(hào)發(fā)生器的輸出開始上升。因?yàn)閂int比斜坡信號(hào)發(fā)生器的輸出大，比較器輸出高電平，并且引起輸出端的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。最后，當(dāng)斜坡信號(hào)發(fā)生器的輸出等于Vint時(shí)，比較器的輸出降為低電平，輸出計(jì)數(shù)器被禁止。代表此時(shí)可以獲得所需數(shù)字碼。
[0043]對(duì)于一個(gè)M行N列的非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，在一行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)單斜率轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘大小確定為:讀出陣列的每一行進(jìn)行一次Α/D轉(zhuǎn)換，可得:
【權(quán)利要求】
1.一種紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于接收讀出電路輸出的讀出信號(hào)并將所述讀出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括: 最高比特位產(chǎn)生電路，所述最高比特位產(chǎn)生電路接收所述讀出信號(hào)，并基于所述讀出信號(hào)產(chǎn)生所述數(shù)字信號(hào)的最高比特位和殘差信號(hào)； 低比特位產(chǎn)生電路，所述低比特位產(chǎn)生電路接收所述殘差信號(hào)，并基于所述殘差信號(hào)產(chǎn)生所述數(shù)字信號(hào)的除了所述最高比特位之外的低比特位。
2.如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述最高比特位產(chǎn)生電路包括: 第一比較器，所述第一比較器比較參考信號(hào)和所述讀出信號(hào)，并根據(jù)比較的結(jié)果生成所述最聞比特位； 子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收所述最高比特位，并將所述最高比特位轉(zhuǎn)換成最高比特位模擬信號(hào)； 加法器，所述加法器接收所述讀出信號(hào)和所述最高比特位模擬信號(hào)，并且將所述讀出信號(hào)與所述最高比特位模擬信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，獲得加權(quán)信號(hào)； 乘法器，所述乘法器接收所述加權(quán)信號(hào)，并將所述加權(quán)信號(hào)乘以預(yù)定參數(shù)值，獲得所述殘差號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于: 所述第一比較器的第一輸入端連接到所述讀出信號(hào)，所述第一比較器的第二輸入端連接到參考信號(hào)，所述第一比較器的輸出端連接到所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端； 所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到所述加法器的第一輸入端； 所述加法器的第二輸入端連接到所述讀出信號(hào)，并且所述加法器的輸出端連接到所述乘法器的輸入端； 所述乘法器的輸出端輸出所述殘差信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述低比特位產(chǎn)生電路包括: 斜坡信號(hào)發(fā)生器，所述斜坡信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生斜坡信號(hào)； 第二比較器，所述第二比較器比較所述殘差信號(hào)和所述斜坡信號(hào)； 計(jì)數(shù)器，所述計(jì)數(shù)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)； 寄存器，所述寄存器存儲(chǔ)所述最高比特位，并且所述寄存器還根據(jù)所述殘差信號(hào)與所述斜坡信號(hào)的比較結(jié)果和所述計(jì)數(shù)信號(hào)生成所述低比特位，并且輸出所述最高比特位和所述低比特位。
5.如權(quán)利要求4所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于: 所述第二比較器的第一輸入端連接到所述殘差信號(hào)，所述第二比較器的第二輸入端連接到所述斜坡信號(hào)發(fā)生器的輸出端，所述第二比較器的輸出端連接到所述寄存器； 所述計(jì)數(shù)器的輸出端連接到所述寄存器。
6.如權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于:所述第一比較器的輸出端連接到所述寄存器。
【文檔編號(hào)】H03M3/04GK103840833SQ201410061426
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】呂堅(jiān), 闕隆成, 牛潤(rùn)梅, 劉慧芳, 周云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)