一种斜坡式模数转换电路的制作方法

本实用新型属于导体和集成电路技术领域，更具体地，涉及一种斜坡式模数转换电路。

背景技术：

模数转换电路是模拟和数字电路接口的关键部分，用于将模拟信号转换为数字信号。在应用了数字化输出的成像系统中，模数转换电路分为：面阵级、列级以及像素级。其中，列级是指整个图像传感器每列共用一个模数转换电路，面阵图像逐行积分，通过行选择器切换到模数转换电路输入端。其中，流水型模数转换电路他逐次逼近型(SAR型)模数转换电路由于面积和功耗限制，不适用以列级AD方式应用于面阵图像系统中，只能以面阵级AD方式使用，而该方式会随着面阵中像素、帧频增加而线性增加，列级面阵图像系统采用斜坡式模数转换电路。

斜坡式模数转换电路采用卷帘式快门逐行积分，其结构示意图如图1 所示。第一开关S₁的第一端作为模数转换电路的输入端，第一开关S₁的第二端连接积分电容C₁的第一端、第二开关S₂的第一端以及第三开关S₃的第一端，积分电容C₁的第二端与第三开关S₃的第二端共地，第二开关S₂的第二端连接比较器103的第一输入端，斜坡发生器101的输出端连接比较器103的第二输入端，比较器103的输出端连接锁存器104的第一输入端，计数器102的第一输出端连接锁存器的第二输入端，锁存器的输出端作为所述模数转换电路的输出端；同时，该模数转换电路还包括用于控制开关的切换矩阵，切换矩阵的输入端连接计数器的第二输出端，计数器每过一个计时周期2ⁿ(n为计数器的位数)，都向切换矩阵发出一个切换信号，切换矩阵根据该切换信号进行开关的控制。该模数转换电路一个完整的工作周期包括积分阶段以及比较阶段。积分阶段的初始，第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2断开，积分电容C1放电；然后第三开关S3迅速断开，待测电流从第一开关S1流入积分电容C1转换为积分电容C1两端的积分电压，且该积分电压与积分电流的大小成正比；在比较阶段，第二开关S2闭合，第三开关S3和第一开关S1断开，积分电容两端的积分电压输入比较器的第一端；在此同时，斜坡发生器产生一个根据比较时间t线性增长的斜坡电压V_c·t，且计数器的计数N以时钟周期t₀为间隔从1计数至 2ⁿ(n为计数器的位数，t＝t₀·N)；当斜坡电压V_c·t大于积分电压的瞬间，比较器输出一控制信号，触发锁存器记录下计数器的当前计数N，在比较阶段的结尾输出作为模数转换电路输出的数字信号，完成模数转换过程；然后返回放电阶段如此循环往复。

该模数转换电路在卷帘式面阵图像传感器类应用中广泛使用，然而其最大的缺点是，每一次模数转换的时间＝2×2ⁿ个时钟周期。在列级面阵图像系统中，随着面阵逐渐增大，帧频逐渐加快，最大行周期也逐渐缩短。由于模数转换的时间必须要小于行周期，则必须降低计数器的位数n或者减小时间周期才能满足要求。而降低计数器的位数n必然影响模数转换电路的分辨率；因此，在分辨率不受到影响的情况下必须减小时间周期，这就造成了计数器需要高速时钟用于计数，从而给计数器和后续的数字电路设计带来极大的挑战。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种斜坡式模数转换电路，其目的在于通过设置多个积分电容，从而缩短模数转换电路的工作周期，从而使得模数转换电路能应用于高帧频大面阵列级的图像传感器。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种斜坡式模数转换电路，包括模数转换装置、切换矩阵、第一积分电容至第M积分电容，第一开关至第2M开关，M为大于等于2的任意整数；

所述切换矩阵的第i输出端连接第i开关的控制端，第i+M输出端连接第i+M开关的控制端，所述第i开关的第一端共同作为所述模数转换电路的输入端，第i开关的第二端连接第i积分电容的第一端以及第i+M开关的第一端，第i积分电容的第二端共地，所述第i+M开关的第二端连接模数转换装置的第i输入端，所述模数转换装置的输出端作为所述模数转换电路的输出端，i为1～M的任意整数；

所述切换矩阵用于控制第一开关至第2M开关的开合，使第一积分电容至第M积分电容依次获得待测电流信号，且在第i积分电容获得待测电流信号时，除第i积分电容外的积分电容与模数转换装置相连；所述第i积分电容用于将待测电流信号转换为电压信号；所述模数转换装置用于依次通过第一积分电容至第N积分电容的电压信号，获得与待测电流信号对应的数字信号。

优选地，所述模数转换装置包括一个至多个转换单元，所述转换单元包括比较器、斜坡发生器、计数器以及锁存器；所述比较器的第一输入端作为所述转换单元的输入端，所述斜坡发生器的输出端连接比较器的第二输入端，所述比较器的输出端连接锁存器的第一输入端，所述计数器的输出端连接锁存器的第二输入端，所述锁存器的输出端作为所述转换单元的输出端。

作为进一步优选地，所述转换单元包括第一转换单元、第二转换单元…、以及第M转换单元，所述第i转换单元的输入端作为所述模数转换装置的第i输入端，输出端共同作为所述模数转换装置的输出端。

作为进一步优选地，M为偶数，所述转换单元包括第一转换单元、第二转换单元…、以及第M/2转换单元，所述第j转换单元的第一输入端作为所述模数转换装置的第j输入端，第二输入端作为所述模数转换装置的第j+M/2输入端，输出端共同作为所述模数转换装置的输出端，j为1～M/2的任意整数。

作为进一步优选地，所述斜坡发生器包括串联的电流源、斜坡放电开关以及斜坡电容，所述斜坡电容的第一端作为所述斜坡发生器的输出端；所述电流源用于获得恒定电流I₀，所述斜坡放电开关用于在所述斜坡发生器处于非工作状态时闭合放电，使斜坡电容两端电压归零，所述斜坡电容用于根据恒定电流I₀，获得斜坡电压U₀＝I₀t/C，t为斜坡电容积分的时间， C为斜坡电容的电容值。

优选地，所述斜坡式模数转换电路还包括放电开关，所述放电开关的第一端连接第i开关的第一端，第二端与第i积分电容的第二端共地，所述切换矩阵的第2M+1输出端连接放电开关的控制端；所述放电开关用于在第i积分电容获得输入信号时迅速闭合后断开，使得第i积分电容的电压归零。

按照本实用新型的另一个方面，还提供了一种斜坡式模数转换电路，包括第一转换单元、第二转换单元、第三转换单元、切换矩阵、第一积分电容、第二积分电容、第三积分电容，第一开关至第七开关；

所述切换矩阵的第一输出端至第七输出端分别连接第一开关至第七开关的控制端，所述第一开关、第二开关、第三开关以及第七开关的第一端共同作为所述模数转换电路的输入端，第一开关的第二端连接第一积分电容的第一端以及第四开关的第一端，第二开关的第二端连接第二积分电容的第一端以及第五开关的第一端，第三开关的第二端连接第三积分电容的第一端以及第六开关的第一端，第七开关、第一积分电容、第二积分电容以及第三积分电容的第二端共地，第四开关的第二端连接第一转换单元的输入端，第五开关的第二端连接第二转换单元的输入端，第六开关的第二端连接第三转换单元的输入端，第一转换单元、第二转换单元以及第三转换单元的输出端共同作为所述模数转换电路的输出端；

所述切换矩阵用于控制第一开关至第六开关的开合，使第一积分电容至第三积分电容依次获得待测电流信号，且在某一积分电容获得输入信号时，其它两个积分电容都与对应的转换单元相连；所述切换矩阵还用于控制第七开关的开合，使第一积分电容至第三积分电容在获得待测电流信号之前闭合，使积分电容放电。

第一积分电容至第三积分电容用于将待测电流信号转换为电压信号，第一转换单元以及第三转换单元分别用于依次通过第一积分电容至第三积分电容的电压信号，获得与电流信号对应的模拟信号。

优选地，所述模数转换装置包括比较器、斜坡发生器、计数器以及锁存器；所述比较器的第一输入端作为所述转换单元的输入端，所述斜坡发生器的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接锁存器的第一输入端，计数器的输出端连接锁存器的第二输入端，锁存器的输出端作为所述转换单元的输出端。

作为进一步优选地，所述斜坡发生器包括并联的电流源、斜坡电容以及放电开关，所述积分电容的第一端作为斜坡发生器的输出端；所述电流源用于获得稳定的直流电流，所述斜坡电容用于将稳定的电流转换为线性增生的电压信号，所述放电开关用于在所述斜坡发生器处于非工作状态时闭合，使斜坡电容放电。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过多个积分电容轮流对电流积分并转换为电压信号，在不改变元件型号的情况下，减少了转换周期，能够提高斜坡比较模数转换电路的极限分辨率，或者提高转换速率。

附图说明

图1为现有技术的斜坡式模数转换电路；

图2为本实用新型实施例1的斜坡式模数转换电路；

图3为本实用新型实施例1的模数转换装置；

图4为本实用新型实施例2的斜坡式模数转换电路；

图5为本实用新型实施例3的斜坡式模数转换电路；

图6为本实用新型实施例1的斜坡式模数转换电路的工作时序图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：各标号所代表的部件列表如下：101-斜坡发生器，102-计数器，103-比较器， 104-锁存器，105-切换矩阵，106-积分保持电路，107-模数转换流水组件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供了一种斜坡式模数转换电路，包括模数转换装置、切换矩阵、第一积分电容至第M积分电容，第一开关至第2M开关，M为大于等于2的任意整数；

所述切换矩阵的第i输出端连接第i开关的控制端，第i+M输出端连接第i+M开关的控制端，用于控制第一开关至第2M开关的开合，使第一积分电容至第M积分电容依次获得待测电流信号，且在第i积分电容获得待测电流信号时，除第i积分电容外的其他积分电容均与模数转换装置相连；

所述第i开关的第一端共同作为所述模数转换电路的输入端，第i开关的第二端连接第i积分电容的第一端以及第i+M开关的第一端，i为1～M 的任意整数；所述第i开关用于改变第i积分电容与输入信号(即待测电流信号)之间的连接状态；

所述第i积分电容的第二端共地，第i积分电容用于在积分阶段将待测电流信号转换为电压信号，并在比较阶段将该电压信号输出；

所述第i+M开关的第二端连接模数转换装置的第i输入端，用于改变第i积分电容与模数转换装置的连接状态；即当第i开关闭合、第i+M开关断开时，第i积分电容即处于积分阶段，否则处于比较阶段。

所述模数转换装置的输出端作为所述模数转换电路的输出端，用于依次通过第一积分电容至第N积分电容的电压信号，获得与电压信号对应的数字信号。

其中，所述模数转换装置包括一至多个转换单元，每个转换单元均包括比较器、斜坡发生器、计数器以及锁存器；所述比较器的第一输入端作为所述转换单元的输入端，所述斜坡发生器的输出端连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接锁存器的第一输入端，计数器的输出端连接锁存器的第二输入端，锁存器的输出端作为所述转换单元的输出端；其中，所述斜坡发生器包括串联的电流源、斜坡放电开关以及斜坡电容，所述斜坡电容的第一端作为所述斜坡发生器的输出端；所述电流源用于获得恒定电流I₀，所述斜坡放电开关用于在所述斜坡发生器处于非工作状态时闭合放电，使斜坡电容两端电压归零，所述斜坡电容用于根据恒定电流I₀，获得斜坡电压U₀＝I₀t/C，t为斜坡电容积分的时间，C为斜坡电容的电容值；每个转换单元可以独立工作，将电压信号转换为数字信号。

可以为每个积分电容配置一一对应的转换单元，此时，所述转换单元包括第一转换单元、第二转换单元…、第M转换单元，所述第i转换单元的输入端作为所述模数转换装置的第i输入端，输出端共同作为所述模数转换装置的输出端；也可以让多个积分电容共用转换单元，例如当M为偶数时，可以让每两个积分电容共用一个转换单元，此时所述转换单元包括第一转换单元、第二转换单元…、第M/2转换单元，所述转换单元的第一输入端作为所述模数转换装置的第j输入端，第二输入端作为所述模数转换装置的第j+M/2输入端，j为1～M/2的任意整数，这样当第j积分电容处于积分阶段时，第j+M/2积分电容即处于比较阶段，当第j+M/2积分电容处于积分阶段时，第j积分电容即处于比较阶段，从而可以充分利用转换单元的转换时间。

切换矩阵通常跟某一转换单元的计数器相连，由于计数器通常以时钟周期t₀为间隔从1计数至2ⁿ(n为计数器的位数，t＝t₀·N)，则可以切换矩阵的发出信号设置为与计数器的位数相关，从而在相应的时间点发出切换信号，对开关进行控制。

所述模数转换电路还包括放电开关，所述放电开关的第一端连接第i 开关的第一端，第二端与第i积分电容的第二端共地，所述切换矩阵的第 2M+1输出端连接放电开关的控制端；所述放电开关用于在第i积分电容在积分阶段的初始时间迅速闭合后断开(闭合的时间设置为一个转换周期)，使得第i积分电容的电压归零。

实施例1

实施例1的模数转换电路如图2所示，包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，第一积分电容，第二积分电容，第一模数转换装置，第二模数转换装置以及切换矩阵；第一开关S11以及第二开关S21的第一端共同作为模数转换电路的输入端，第一开关S11的第二端连接第三开关 S12的第一端以及第一积分电容C1的第一端，第二开关S21的第二端连接第四开关S22的第一端以及第二积分电容C2的第一端，第一积分电容C1 以及第二积分电容C2的第二端共地，切换矩阵的输出端连接第一开关S11、第二开关S21、第三开关S12以及第四开关S22的控制端，第三开关S12 的第二端连接第一模数转换装置L1的输入端，第四开关S22的第二端连接第一模数转换装置L2的输入端，第一模数转换装置L1以及第二模数转换装置L2的输出端共同作为模数转换电路的输出端。

每个模数转换装置包括比较器103、斜坡发生器101、计数器102和锁存器104；所述比较器103的第一输入端作为所述模数转换流水组件的输入端，所述斜坡发生器101的输出端连接比较器103的第二输入端，比较器 103的输出端连接锁存器104的第一输入端，计数器102的输出端连接锁存器104的第二输入端，锁存器104的输出端作为所述数转换流水组件的输出端，如图3所示；为了保持转换精度和时序的一致性，同类型的元件最好选用同一型号。模数转换装置中设置有最高位为n的时钟，其输出端连接转换矩阵和计数器，以保证所有开关能准时切换。

该模数转换电路的一个转换周期为2ⁿ时钟周期，在第一个转换周期， S11和S22闭合，第一积分电容处于积分状态，第二积分电容处于模数转换状态，第二模数转换装置将第二积分电容的电压信号转换为数字信号，在第二个转换周期，S12和S21闭合，第一积分电容处于模数转换状态，第二积分电容处于积分状态，第一模数转换装置将第一积分电容的电压信号转换为数字信号，如此循环往复；该模数转换电路比现有技术的转换周期缩短了1/2。

实施例2

实施例2的模数转换电路如图4所示，包括第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，第一积分电容，第二积分电容，第一模数转换装置以及切换矩阵；第一开关S11以及第二开关S21的第一端共同作为模数转换电路的输入端，第一开关S11的第二端连接第三开关S12的第一端以及第一积分电容C1的第一端，第二开关S21的第二端连接第四开关S22的第一端以及第二积分电容C2的第一端，第一积分电容C1和第二积分电容C2 的第二端共地，切换矩阵的输出端连接第一开关S11、第二开关S21、第三开关S12以及第四开关S22的控制端，第三开关S12和第四开关S22的第二端共同连接第一模数转换装置L1的输入端，第一模数转换装置L1的输出端共同作为模数转换电路的输出端。

与实施例1的区别在于，斜坡发生器101中的放电开关，会在每一个转换周期的初始阶段闭合后断开，以将斜坡电容放电，而实施例1可在非转换阶段一直保持闭合。

在第一个转换周期，S11和S22闭合，第一积分电容处于积分状态，第二积分电容处于模数转换状态，第一模数转换装置将第二积分电容的电压信号转换为数字信号，在第二个转换周期，S12和S21闭合，第一积分电容处于模数转换状态，第二积分电容处于积分状态，第一模数转换装置将第一积分电容的电压信号转换为数字信号，如此循环往复。由于减少了一个模数转换装置，在该模数转换电路功能保持不变的情况下，减少了电路的复杂度和制造成本。

实施例3

实施例3的模数转换电路包括：6个开关，三个积分电容以及三个流水转换组件以及一个切换矩阵，切换矩阵的输出端连接第一开关S11、第二开关S12、第三开关S21、第四开关S22、第五开关S31以及第六开关S32的控制端，第一开关S11、第三开关S21以及第五开关S31的第一端共同作为模数转换电路的输入端，第一开关S11的第二端连接第二开关S12的第一端以及第一积分电容C1的第一端，第二开关S12的第二端连接第一模数转换流水组件L1的输入端，第三开关S21的第二端连接第四开关S22的第一端以及第二积分电容C2的第一端，第四开关S22的第二端连接第二模数转换流水组件L2的输入端，第五开关S31的第二端连接第六开关S32的第一端以及第三积分电容C3的第一端，第六开关S32的第二端连接第三模数转换流水组件L3的输入端，第一积分电容C1、第二积分电容C2、第三积分电容C3的第二端共地，第一模数转换流水组件L1、第二模数转换流水组件L2以及第三模数转换流水组件L3的输出端共同作为模数转换电路的输出端，如图5所示。

其中，每个模数转换流水组件的结果与实施例1相同；为了保持转换精度和时序的一致性，同类型的元件最好选用同一型号。

一个周期的模数据转换过程为：输入信号积分电流流入S/H积分电容 (S/H积分电容为用于采样保持的积分电容)组中一只积分电容进行积分，同时切换矩阵会通过对第一开关至第六天关的控制，将其余已完成积分的S/H积分电容分别接入模数转换流水组件，模数转换流水组件中的斜坡发生器序列依次产生斜坡电压，当斜坡电压提升至超过S/H积分电容内保持的积分电压时，比较器翻转，锁存器记录这一时刻计数器的计数作为输出信号，完成转换过程。

转换矩阵控制第一开关至第六天关的时序如图6所示；其中，方波的波谷表示开关断开，波峰表示开关闭合。模数转换电路的转换过程包括启动阶段以及工作阶段，图6上的第二采样序列及之前的采样序列都为启动阶段，从第二采样序列开始为工作阶段。

启动阶段：在第一采样序列之前，所有开关均断开；在第一采样序列，仅第一开关S11闭合，则此时的积分电流的流向经过第一开关S11流入第一积分电容C1获得第一积分电压V1；在第二采样序列，仅第二开关S12 和第三开关S21闭合，第一积分电压V1经过S12输出至第一模数转换流水组件L1的同时，积分电流经过S21流入第二积分电容C2获得第二积分电压V2；在第三采样序列，第五开关S31、第二开关S12和第三开关S21闭合，积分电流通过第五开关S31流入第三积分电容C3，第一积分电压V1 仍然经过第四开关S12输出至第一模数转换流水组件L1并完成一个比较周期，输出一个模数转换值；同时，第二积分电容C2内积累的电压V2通过第二开关S22和第二模数转换流水组件L2比较，积分电流通过第五开关 S31流入第三积分电容C3；在第四采样序列，第一开关S11、第六开关S32 和第四开关S22闭合，积分电流通过开关S11流入积分电容C1，积分电压 V2仍然经过第四开关S22输出至模数转换流水组件L2并完成一个比较周期，输出一个模数转换值；同时，积分电容C3内积累的电压V3通过第二开关S32和第三模数转换流水组件L3比较；在第五采样序列，第一开关 S21、第二开关S12和第六开关S32闭合，积分电流通过开关S11流入积分电容C1，积分电压V2仍然经过第四开关S22输出至第二模数转换流水组件L2并完成一个比较周期，输出一个模数转换值；同时，积分电容C1内积累的电压V1通过第二开关S12和第一模数转换流水组件L1比较；在第六采样序列，第五S31、第二开关S12和第四开关S22闭合，积分电流通过开关S31流入积分电容C3，积分电压V1仍然经过第四开关S12输出至模数转换流水组件L1并完成一个比较周期，输出一个模数转换值；同时，积分电容C2内积累的电压V2通过第二开关S22和模数转换流水组件L2 比较；第七采样序列与第四采样序列相同，而第八采样序列与第五采样序列相同，第九采样序列与第六采样序列相同；后续操作一直在第四采样序列与第六采样序列之间往复进行。

切换矩阵将开关电容与模数转换流水组件连接时序如表1所示。在每个采样时刻都有一个独立的积分电容对积分电流进行采样积分。由于在本实施例中，将比较阶段的时间2ⁿ个时钟周期设计为电容积分时间的两倍，每个积分电容完成积分后都有2倍于积分时间的模数转换时间进行模数转换，与此同时，另外两个积分电容都各自完成了一次比较工作，从而在一个转换周期能输出三次模数转换值。在模数转换时间开始时，斜坡发生器和计数器同时开始工作，斜坡发生器产生斜坡电压，计数器进行计数，当斜坡电压超过当前积分电容的电压时，比较器翻转，锁存器记录该时刻计数数值，并在模数转换时间结束时输出模数转换结果。由此每个积分时间都有S/H积分电容进行采样积分，同时也有模数转换结果进行数字输出，模数转换时间是积分时间的2倍，而由于斜坡转换器中的斜坡电容在两倍的时间内需要获得模数转换电路的最大电流检测上限Imax，在斜坡电容和积分电容相同的情况下，电流源的电流大小为Imax/2。

表1第一积分电容至第三积分电容在第一至第十采样序列时的连接关系

通过使用流水积分型斜坡比较模数转换电路，可以成倍的提升积分模数转换时间，提高斜坡比较模数转换电路的极限分辨率和速率。如模数转换电路需对输入信号进行10μs一次的采样，信号分辨率达到14，用图1的斜坡比较模数转换电路，需要分割该信号为5μs的积分时间和5μs的模数转换时间，通过时钟频率f＝2ⁿ/T(n为计数器的位数，T为转换阶段的时间) 的公式计算，可算得需要3.28GHz的时钟输入，此时的时钟频率对CMOS 电路设计提出了极高的要求，仅从时钟考虑，现有技术的斜坡比较模数转换电路需要至少28nm或更先进的工艺制程，也为实际生产带来了很大的成本负担。而使用本实施例的流水积分型斜坡比较模数转换电路时，由于使用了流水型的积分器，加倍了可用于模数转换的时间，可以将时钟降低至 819MHz，仅从时钟考虑，130nm或更新的工艺制程即可完成该设计目标，可以有效控制生产成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。