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制造方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】—种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】
[0001]本发明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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]本发明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。
[0006]本发明是通过下述技术途径实现的:
[0007]本发明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:
[0008]I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。
[0009]2逐次逼近型模数转换器的工作模式如下:
[0010]数字控制电路产生首位为“ I ”其余位为“O ”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“I”则首位数字码为“1”，比较器输出为“O”则首位数字码为“O”。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“O”，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。
[0011]3高速比较器的设计:
[0012]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。
[0013]4三段式数模转换器的结构和工作原理:
[0014]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Ctl组成。Cs和LSB子电荷缩放电容阵列的串联组合值必须等于Cai, Cs的值可以由公式I得出:
[0015]
【权利要求】
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。
【文档编号】H03M1/38GK103916128SQ201410121000
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】高磊, 丁瑞军, 陈洪雷, 张君玲, 冯琪 申请人:中国科学院上海技术物理研究所