一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其特征在于：該逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用三段式結(jié)構(gòu)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)成適用于紅外焦平面讀出電路陣列芯片的結(jié)構(gòu)，限制其版圖寬度，可以使其被用于紅外焦平面讀出電路行共享結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了紅外焦平面電路需要的小面積、低功耗以及高速高精度。有助于紅外焦平面讀出電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成，提高紅外成像系統(tǒng)的精度，減少芯片間的噪聲干擾，提高系統(tǒng)信噪比并且使得后期信號(hào)處理更簡(jiǎn)易。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，具體是指一種具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的集成電路，它用于紅外焦平面陣列讀出電路中，可以將紅外探測(cè)器前端的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]高性能的紅外焦平面陣列的噪聲性能通常受到其信號(hào)鏈性能的限制，這是由于通過(guò)串音、時(shí)鐘干擾、電源噪聲、電磁干擾等等，不可避免地要引入不希望的并且可能無(wú)法避免的噪聲。由于信號(hào)鏈中串行數(shù)據(jù)率在圖像系統(tǒng)中是最高的，因此將由最大帶寬引入白噪聲，時(shí)鐘噪聲及其他電容耦合噪聲也隨數(shù)據(jù)率的提高而增加。紅外焦平面電路每列配一個(gè)ADC，通過(guò)的片上ADC技術(shù)可以有效改善這些效應(yīng)的影響；并且由于不需要片外模擬連線，使干擾和振動(dòng)的敏感性得以消除。特別是在焦平面上對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行采樣比片外方式更為有效，片上ADC不僅消除了一些噪聲機(jī)制，而且可以通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)增加信噪比SNR。
[0003]紅外焦平面數(shù)字傳輸芯片的核心和關(guān)鍵是片上集成的ADC模塊，片上ADC的分辨率直接決定了數(shù)字傳輸芯片輸出信號(hào)的信噪比，ADC的轉(zhuǎn)換速度限制了數(shù)字傳輸芯片信號(hào)的讀出速度，從而限制了數(shù)字紅外焦平面器件的最高幀頻。因此具有較高分辨率和一定轉(zhuǎn)換速度的ADC算法結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是紅外焦平面數(shù)字傳輸芯片研制的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在面積、精度和功耗的折合方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此研究逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)的高集成度、高穩(wěn)定性和高精度等具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種適用于紅外焦平面讀出電路的列共享結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)，將紅外探測(cè)器陣列的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)讀出。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明公開(kāi)了一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用
0.35um CMOS工藝，經(jīng)由EDA (Electronic Design Automation電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)，模擬電路采用全定制電路設(shè)計(jì)方式，數(shù)字采用代碼編寫(xiě)，軟件綜合后自動(dòng)布局布線設(shè)計(jì)方式，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)器信號(hào)的量化和輸出其中:
[0008]I這種適用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是基于普通逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高精度比較器和數(shù)字控制電路組成。其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器用來(lái)將數(shù)字控制電路輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，比較器用來(lái)比較數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓和采樣信號(hào)電壓的大小，數(shù)字控制電路用于產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號(hào)同時(shí)通過(guò)比較器的輸出確定最終模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字信號(hào)。
[0009]2逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作模式如下:
[0010]數(shù)字控制電路產(chǎn)生首位為“ I ”其余位為“O ”的一串?dāng)?shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并與輸入的采樣信號(hào)通過(guò)比較器比較大小。比較器的輸出結(jié)果輸入到數(shù)字控制電路，用于確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)首位數(shù)字碼，比較器輸出為“I”則首位數(shù)字碼為“1”，比較器輸出為“O”則首位數(shù)字碼為“O”。一次比較結(jié)束后，數(shù)字控制電路將次位數(shù)字碼改為“1”，首位數(shù)字碼為上一時(shí)鐘比較器所確定的數(shù)字碼，其余位為“O”，將產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并與輸出采樣信號(hào)通過(guò)比較器比較大小，從而確定數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)次位數(shù)字碼。依此進(jìn)行N個(gè)時(shí)鐘周期，就能確定N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出。整個(gè)過(guò)程結(jié)束，即完成了一次模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)，這就是最終輸出所轉(zhuǎn)化模擬量的數(shù)字碼。
[0011]3高速比較器的設(shè)計(jì):
[0012]高速比較器應(yīng)盡可能的降低其傳輸延遲，所以設(shè)計(jì)的基本原則是采用前置放大器使輸入的變化足夠大并將其加大鎖存器上。這組合了電路的最佳特點(diǎn):一種是具有負(fù)指數(shù)響應(yīng)的前置放大器，另一種是具有正指數(shù)響應(yīng)的鎖存器電路。一個(gè)遵循上述原則設(shè)計(jì)的高速比較器如圖3。第一級(jí)是一個(gè)遞增益高帶寬前置放大器，它驅(qū)動(dòng)鎖存器。鎖存器的輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)自偏置差分放大器。自偏置差分放大器的輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器。
[0013]4三段式數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理:
[0014]三段式數(shù)模轉(zhuǎn)換器是由電容和電阻陣列以及控制開(kāi)關(guān)組成，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分壓模式是:電容陣列對(duì)高位分壓，電阻陣列對(duì)低位分壓；而高位分壓電容陣列又由兩個(gè)電容陣列組成，中間由一個(gè)高精度縮放電容隔開(kāi)。如圖4為本設(shè)計(jì)的三段式數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，它的MSB (最高有效位)子DAC采用電荷按比例縮放，而LSB (最低有效位)子DAC采用電壓按比例縮放。其中MSB子DAC采用一個(gè)4位電荷按比例縮放子DAC和一個(gè)5位電荷按比例縮放子DAC組成，通過(guò)在兩個(gè)子DAC之間加上一個(gè)縮放電容Cs實(shí)現(xiàn)。電容陣列采用相同大小的電容Ctl組成。Cs和LSB子電荷縮放電容陣列的串聯(lián)組合值必須等于Cai, Cs的值可以由公式I得出:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它包括一個(gè)由硬件描述語(yǔ)言代碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制電路、三段式結(jié)構(gòu)數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)由級(jí)聯(lián)的前置放大器、鎖存器、自偏置差分放大器和輸出驅(qū)動(dòng)器組成的高精度高速比較器，其特征在于:所述的三段式數(shù)模轉(zhuǎn)換器是由傳統(tǒng)的兩段式電荷再分布式數(shù)模轉(zhuǎn)換器與電阻分壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器組合而成，兩段式電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器的終端電容的一端與電阻分壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端直接連接。
【文檔編號(hào)】H03M1/38GK103916128SQ201410121000
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】高磊, 丁瑞軍, 陳洪雷, 張君玲, 馮琪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所