一种提升复位速度的积分器电路的制作方法

1.本发明涉及信号转化技术领域，具体涉及一种提升复位速度的积分器电路。


背景技术：

2.电流
‑
电压积分器主要被应用在x射线探测器领域，主要作用是将传感器输出的电流信号转化为电压信号。由于被转化的电流可能非常低，所以要求积分器需要拥有极低的噪声，设计者往往通过增大积分器中放大器的密勒补偿电容来降低积分器的带宽从而降低积分器的噪声。但是随着积分器带宽的降低，其在复位阶段需要用来复位的时间也会越长。
3.传统的积分器复位速度主要取决于积分器带宽，积分器带宽越大，复位速度越快，但是积分器在积分过程产生的噪声也越大；积分器带宽越小，复位速度越慢，积分器在积分过程中产生的噪声也越小。出于降低积分器噪声考虑，积分器的带宽一般会设计的很小，但是这也增加了传统积分器复位的时间，增加了探测器的“无用”时间，这会造成时间的浪费。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提升复位速度的积分器电路，通过增加放大器复位端和与复位端相连接的复位信号以及放大器电路结构来减少复位时间，解决传统积分器复位时间长的问题。
5.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.本发明提供一种提升复位速度的积分器电路，所述电路包括：
7.放大器，包括反向输入端、正向输入端、输出端和复位端；
8.积分电容阵列；
9.第一开关；和
10.第二开关；
11.其中，
12.所述积分电容阵列的第一端、第一开关的第一端和第二开关的第二端连接所述反向输入端；
13.所述积分电容阵列的第二端和第一开关的第二端连接所述输出端；
14.所述第二开关的第一端接收电流输入信号；
15.所述正向输入端接收参考电压；
16.在粗复位阶段，所述第一开关接收有效的第一复位信号，所述复位端接收有效的第二复位信号，使得所述输出端输出的电压输出信号接近所述参考电压；
17.在精复位阶段，所述第一开关继续接收所述有效的第一复位信号，所述复位端不再接收所述有效的第二复位信号，使得所述输出端输出的电压输出信号相较于所述粗复位阶段更接近所述参考电压。
18.在一个具体实施例中，在积分阶段，所述第一开关断开，第二开关导通，电流输入信号被输入到所述放大器的反向输入端，从而输出电压输出信号。
19.在一个具体实施例中，所述积分电容阵列的电路包括：
20.并联连接的第一到第n积分电容分支电路，其中，第n积分电容分支电路包括第n电容阵列开关和第n积分电容器，其中，所述第n电容阵列开关的第一端连接到所述积分电容阵列的第一端，所述第n积分电容器的第一电极连接所述第n电容阵列开关的第二端，所述第n积分电容器的第二电极连接所述积分电容阵列的第二端；
21.其中，n取1～n，n为大于等于1的正整数。
22.在一个具体实施例中，所述放大器的电路包括：
23.第一至第十四mos管、反相器和密勒补偿电容器，其中所述第一至第三mos管、第八mos管、第九mos管和第十一至第十四mos管为nmos管，第四到第七mos管和第十mos管为pmos管；
24.其中，所述第一mos管的栅极连接所述放大器的反相输入端；第一mos管的漏极连接第四mos管的漏极；第一mos管的源极连接第三mos管的漏极和第二mos管的源极；
25.所述第二mos管的栅极连接所述放大器的正向输入端；第二mos管的漏极连接所述密勒补偿电容器的第一电极；
26.所述密勒补偿电容器的第二电极连接所述放大器的输出端；
27.所述第三mos管的源极接地；第三mos管的栅极连接第一偏置电压；
28.所述第四mos管的源极连接电源；第四mos管的栅极连接第二偏置电压和第五mos管的栅极；
29.所述第五mos管的源极连接电源；第五mos管的漏极连接所述密勒补偿电容器的第一电极和第七mos管的源极；
30.所述第七mos管的漏极连接第九mos管的漏极、第十一mos管的栅极和第十二mos管的漏极；第七mos管的栅极连接第三偏置电压和第六mos管的栅极；
31.所述第六mos管的源极连接第四mos管的漏极；第六mos管的漏极连接第八mos管的漏极和第八mos管的栅极；
32.所述第八mos管的源极接地；
33.所述第九mos管的栅极连接第八mos管的栅极和第十三mos管的漏极；第九mos管的源极接地；
34.所述第十三mos管的源极连接第十二mos管的栅极和第十四mos管的漏极；
35.所述第十三mos管的栅极连接所述放大器的复位端和反相器的输入端；
36.所述反相器的输出端连接第十四mos管的栅极；
37.所述第十四mos管的源极接地；
38.所述第十二mos管的源极接地；
39.所述第十一mos管的源极接地；第十一mos管的漏极连接所述密勒补偿电容器的第二电极和第十mos管的漏极；
40.所述第十mos管的源极连接电源；第十mos管的栅极连接第二偏置电压。
41.在一个具体实施例中，在粗复位阶段，所述第十三mos管导通，第十四mos管断开，第十二mos管的电流按照预设比例复制第八mos管的电流，从而使得流经第十mos管、密勒补偿电容器和第七mos管通路的电流增加，加速密勒补偿电容器的充电速度；
42.在精复位阶段，所述第十三mos管断开，第十四mos管导通，第十二mos管的栅极电
压被拉到地电平，第十二mos管断开，从而使得所述输出端输出的电压输出信号相较于所述粗复位阶段更接近所述参考电压。
43.在一个具体实施例中，所述第一复位信号和第二复位信号为高电平时有效。
44.在一个具体实施例中，所述放大器的电路包括：
45.第一至第十四mos管、反相器和密勒补偿电容器，其中所述第一至第五mos管和第十mos管为pmos管，第六到第九mos管和第十一mos管到第十四mos管为nmos管；
46.其中，所述第一mos管的栅极连接所述放大器的反相输入端；第一mos管的漏极连接第八mos管的漏极；第一mos管的源极连接第三mos管的漏极和第二mos管的源极；
47.所述第二mos管的栅极连接所述放大器的正向输入端；第二mos管的漏极连接所述密勒补偿电容器的第一电极；
48.所述密勒补偿电容器的第二电极连接所述放大器的输出端；
49.所述第三mos管的源极连接电源；第三mos管的栅极连接第一偏置电压；
50.所述第四mos管的源极连接电源；第四mos管的栅极连接第二偏置电压和第五mos管的栅极；
51.所述第五mos管的源极连接电源；第五mos管的漏极连接第七mos管的漏极和第十一mos管的栅极；
52.所述第七mos管的源极连接第九mos管的漏极、所述密勒补偿电容器的第一电极和第十二mos管的漏极；第七mos管的栅极连接第三偏置电压和第六mos管的栅极；
53.所述第六mos管的漏极连接第四mos管的漏极和第八mos管的栅极；第六mos管的源极连接第八mos管的漏极；
54.所述第八mos管的源极接地；
55.所述第九mos管的栅极连接第八mos管的栅极和第十三mos管的漏极；第九mos管的源极接地；
56.所述第十三mos管的源极连接第十二mos管的栅极和第十四mos管的漏极；
57.所述第十三mos管的栅极连接所述放大器的复位端和反相器的输入端；
58.所述反相器的输出端连接第十四mos管的栅极；
59.所述第十四mos管的源极接地；
60.所述第十二mos管的源极接地；
61.所述第十一mos管的源极接地；第十一mos管的漏极连接所述密勒补偿电容器的第二电极和第十mos管的漏极；
62.所述第十mos管的源极连接电源；第十mos管的栅极连接第二偏置电压。
63.在一个具体实施例中，在粗复位阶段，所述第十三mos管导通，第十四mos管断开，第十二mos管的电流按照预设比例复制第八mos管的电流，从而使得流经第十mos管、密勒补偿电容器和第七mos管通路的电流增加，加速密勒补偿电容器的充电速度；
64.在精复位阶段，所述第十三mos管断开，第十四mos管导通，第十二mos管的栅极电压被拉到地电平，第十二mos管断开，从而使得所述输出端输出的电压输出信号相较于所述粗复位阶段更接近所述参考电压。
65.在一个具体实施例中，所述第一复位信号和第二复位信号为高电平时有效。
66.本发明的有益效果如下：
67.本发明所提供的一种提升复位速度的积分器电路，通过增加放大器复位端和与复位端相连接的复位信号以及放大器电路结构来减少复位时间，保证了加快积分器复位速度的同时不会对偏置电路造成影响，也不会增加电源功耗，解决传统积分器复位时间长的问题。
附图说明
68.为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有的技术方案，下面将对具体实施方式或现有的技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本申请的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
69.图1示出根据本发明一个实施例的传统积分器电路结构图。
70.图2示出根据本发明一个实施例的传统积分器的传统放大器电路结构图。
71.图3示出根据本发明一个实施例的一种提升复位速度的积分器电路结构图。
72.图4示出根据本发明一个实施例的一种提升复位速度的积分器的放大器电路结构图。
73.图5示出根据本发明一个实施例的复位信号的时序图。
74.图6示出根据本发明另一个实施例的一种提升复位速度的积分器的放大器电路结构图。
具体实施方式
75.为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以做出变形与改进，也应视为本发明的保护范围。
76.如图1，图1示出了传统积分器电路结构，所述传统积分器电路包括：
77.传统放大器1、一个容值可配置的积分电容阵列11、第一开关sw1和第二开关sw2；
78.其中第二开关sw2控制电流输入端i
in
输入的电流输入信号是否接入到积分器；
79.第一开关sw1为复位开关，第一复位信号reset控制第一开关sw1的通断；传统积分器在积分过程中第一开关sw1断开，在复位过程中第一开关sw1导通。当传统积分器处于复位状态时，传统放大器1输入端和输出端短接，传统放大器1通过单位负反馈将传统放大器1的输出端v
out
复位到参考电压v
ref
。
80.其中，如图2所示，传统放大器1的电路包括：
81.第一到第十一mos管m1～m11和密勒补偿电容器cm；
82.该传统放大器1其属于共源共栅两级运算放大器；其中第一mos管m1和第二mos管m2为输入管，与第三到第九mos管m3～m9共同组成传统放大器1的第一级；第十mos管m10和第十一mos管m11组成传统放大器1的第二级，由于第二级需要有较高的驱动能力，第十mos管m10和第十一mos管m1上一般拥有较大的电流。但是由于功耗考虑，流过第一级的电流一般远小于第二级的电流。
83.而这种传统的积分器复位速度主要取决于积分器带宽，积分器带宽越大，复位速
度越快，但是积分器在积分过程产生的噪声也越大；积分器带宽越小，复位速度越慢，积分器在积分过程中产生的噪声也越小。出于降低积分器噪声考虑，积分器的带宽一般会设计的很小，但是这也增加了传统积分器复位的时间，增加了探测器的“无用”时间，这会造成时间的浪费。
84.因此，本实施例在上述传统的积分器电路的基础上提供一种提升复位速度的积分器电路，如图3所示，所述一种提升复位速度的积分器电路包括：
85.放大器2，包括反向输入端、正向输入端、输出端v
out
和复位端rst；
86.积分电容阵列11；
87.第一开关sw1和第二开关sw2；
88.其中，
89.所述积分电容阵列11的第一端、第一开关sw1的第一端和第二开关sw2的第二端连接所述反向输入端；
90.所述积分电容阵列11的第二端和第一开关sw1的第二端连接所述输出端v
out
；
91.所述第二开关sw2的第一端接收电流输入端i
in
传输来的电流输入信号；
92.所述正向输入端接收参考电压v
ref
；
93.其中，第一开关sw1响应第一复位信号reset的控制，复位端rst接收第二复位信号frst。
94.积分电容阵列11的电路包括：
95.并联连接的第一到第n积分电容分支电路，其中，第n积分电容分支电路包括第n电容阵列开关sw3_n和第n积分电容器c
intn
，其中，所述第n电容阵列开关的第一端连接到所述积分电容阵列的第一端，所述第n积分电容器的第一电极连接所述第n电容阵列开关的第二端，所述第n积分电容器的第二电极连接所述积分电容阵列的第二端，
96.其中，n取1～n，n为大于等于1的正整数；c
int1
～c
intn
为不同容值的积分电容器，其容值根据实际需要来确定；n根据实际应用中积分器的输入电流范围来确定，例如输入电流范围大，需要的积分电容器就多，n的取值就越大。
97.在一个具体实施例中，上述第一开关sw1、第二开关sw2和第一到第n电容阵列开关sw3_1～sw3_n都选用mos管开关。开关的第一端与第二端分别指mos管的源极和漏极，相应驱动信号给到mos管的栅极。
98.进一步地，如图4所示，放大器2的电路包括：
99.第一到第十四mos管m1～m14、反相器inv、密勒补偿电容器cm；
100.其中，所述第一至第三mos管m1～m3、第八mos管m8、第九mos管m9和第十一至第十四mos管m11～m14为nmos管，第四到第七mos管m4～m7和第十mos管m10为pmos管；
101.所述第一mos管m1的栅极连接所述放大器2的反相输入端vin；第一mos管m1的漏极连接第四mos管m4的漏极；第一mos管m1的源极连接第三mos管m3的漏极和第二mos管m2的源极；
102.所述第二mos管m2的栅极连接所述放大器的正向输入端vip；第二mos管m2的漏极连接所述密勒补偿电容器cm的第一电极；
103.所述密勒补偿电容器cm的第二电极连接所述放大器的输出端v
out
；
104.所述第三mos管m3的源极接地vss；第三mos管m3的栅极连接第一偏置电压vb1；
105.所述第四mos管m4的源极连接电源vdd；第四mos管m4的栅极连接第二偏置电压vb2和第五mos管m5的栅极；
106.所述第五mos管m5的源极连接电源vdd；第五mos管m5的漏极连接所述密勒补偿电容器cm的第一电极和第七mos管m7的源极；
107.所述第七mos管m7的漏极连接第九mos管m9的漏极、第十一mos管m11的栅极和第十二mos管m12的漏极；第七mos管m7的栅极连接第三偏置电压vb3和第六mos管m6的栅极；
108.所述第六mos管m6的源极连接第四mos管m4的漏极；第六mos管m6的漏极连接第八mos管m8的漏极和第八mos管m8的栅极；
109.所述第八mos管m8的源极接地vss；
110.所述第九mos管m9的栅极连接第八mos管m8的栅极和第十三mos管m13的漏极；第九mos管m9的源极接地vss；
111.所述第十三mos管m13的源极连接第十二mos管m12的栅极和第十四mos管m14的漏极；
112.所述第十三mos管m13的栅极连接放大器2的复位端rst和反相器inv的输入端；
113.所述反相器inv的输出端连接第十四mos管m14的栅极；
114.所述第十四mos管m14的源极接地vss；
115.所述第十二mos管m12的源极接地vss；
116.所述第十一mos管m11的源极接地vss；第十一mos管m11的漏极连接所述密勒补偿电容器cm的第二电极和第十mos管m10的漏极；
117.所述第十mos管m10的源极连接电源vdd；第十mos管m10的栅极连接第二偏置电压vb2；
118.其中，
119.与传统放大器1相同，第一到第九mos管m1～m9共同组成所述放大器的第一级；第十mos管m10和第十一mos管m11共同组成所述放大器的第二级。
120.当本实施例所提供的一种提升复位速度的积分器电路电流输入端i
in
接收到的输入电流较大时，积分器从开始积分到结束积分放大器输出端v
out
输出的电压输出信号从参考电压v
ref
下降到0v附近，积分结束，积分器电路进入复位状态，第一复位信号reset和第二复位信号frst的时序如图5所示。
121.所述第一复位信号reset和所述第二复位信号frst同时开始变成有效的复位信号即同时变为高电平，并且第二复位信号frst的脉冲长度小于第一复位信号reset的脉冲长度，所述第二复位信号frst的脉冲长度能够根据需要进行设置。
122.本实施例所提供的一种提升复位速度的积分器电路将复位分为两个阶段：粗复位阶段和精复位阶段。
123.在粗复位阶段，所述第一开关sw1接收有效的第一复位信号reset，所述复位端rst接收有效的第二复位信号frst，使得所述输出端v
out
输出的电压输出信号接近所述参考电压v
ref
；
124.具体为：
125.第一复位信号reset由低电平变为高电平控制第一开关sw1导通，放大器2被接成单位负反馈结构；
126.同时第二复位信号frst也变为高电平，此时放大器2中的第十三mos管m13导通，第十四mos管m14断开，第十二mos管m12的栅极电压等于第八mos管m8和第九mos管m9的栅极电压；这样第十二mos管m12和第八mos管m8就构成了一个电流镜；
127.第十二mos管m12的电流按照预设比例复制第八mos管m8的电流，这样就增加了流过第七mos管m7的总电流，使流经第十mos管m10、密勒补偿电容器cm和第七mos管m7通路的电流增加，加快了复位时密勒补偿电容器cm的充电速度。
128.合理设计第十mos管m10和第八mos管m8的电流以及第十二mos管m12复制第八mos管m8电流的比例，同时满足积分过程中电路的摆率，可以使积分器在第二复位信号frst为高电平脉冲的极短时间内完成粗复位到参考电压v
ref
。
129.例如：密勒补偿电容器cm电容值为30pf，积分器输出摆幅为4v，当积分器积分到0.1v附近，密勒补偿电容器cm第一电极电压在积分和复位过程近似恒定，那么复位过程需要将密勒补偿电容器cm第二电极从0.1v充电到4.1v，若第二复位信号frst高电平脉冲时间为1us，则需要至少将第十mos管m10的电流设置为120ua；考虑到功耗和摆率，第八mos管m8电流设置为30ua，第十二mos管m12复制第八mos管m8电流比例为3：1，则在粗复位阶段中，流过第十二mos管m12的电流为90ua，流过第七mos管m7的电流为第九mos管m9和第十二mos管m12电流的总和，为120ua，这样可以保证在第二复位信号frst高电平1us结束时密勒补偿电容器cm第二电极电压上升4v左右，达到快速复位的目的。
130.由于放大器2接成了单位负反馈的结构，放大器2的输出端v
out
的输出电压在粗复位结束后接近所述参考电压v
ref
，并且在第二复位信号frst为高电平的粗复位阶段，放大器2从电源vdd上汲取的总电流保持恒定，保证了快速复位过程不增加额外的功耗。
131.在粗复位阶段结束后进入精复位阶段，所述第一开关sw1继续接收所述有效的第一复位信号reset，所述复位端rst不再接收所述有效的第二复位信号frst即第二复位信号frst由高电平变为低电平，使得所述输出端v
out
输出的电压输出信号相较于所述粗复位阶段更接近所述参考电压v
ref
。
132.具体为：
133.在粗复位结束后，积分器的第二复位信号frst由高电平变为低电平，第一开关sw1仍为导通的状态，放大器2中的第十三mos管m13断开，第十四mos管m14导通，第十二mos管m12的栅极电压被拉到地，此时第十二mos管m12也为断开状态，此时放大器2与传统放大器1结构相同，则此时本实施例所提供的积分器与传统积分器复位一样，积分器开始进入精复位阶段，最终积分器输出被精细复位后的电压输出信号，该电压输出信号相较于所述粗复位阶段更接近所述参考电压v
ref
。
134.最后完成复位后积分器电路进入积分阶段，所述第一复位信号和第二复位信号都变为低电平，所述第一开关sw1断开，第二开关sw2依旧导通，电流输入信号被输入到所述放大器的反向输入端，从而输出电压输出信号。
135.由于本实施例在复位过程中加快了传统积分器在较低电压复位到参考电压附近的过程，并且复制的是放大器内部电流镜的电流，也没有从电源上新增电流路径，这就保证了加快积分器复位速度的同时不会对偏置电路造成影响，也不会增加电源功耗。
136.在本发明另一个实施例中提供了一种提升复位速度的积分器电路中另一种放大器3的电路，如图6所示，所述放大器3的电路包括：
137.第一至第十四mos管m1～m14、反相器inv、密勒补偿电容器cm；
138.其中，所述第一至第五mos管m1～m5、第十mos管m10为pmos管，第六到第九mos管m6～m9和第十一mos管到第十四mos管m11～m14为nmos管；
139.其中，所述第一mos管m1的栅极连接所述放大器3的反相输入端vin；第一mos管m1的漏极连接第八mos管m8的漏极；第一mos管m1的源极连接第三mos管m3的漏极和第二mos管m2的源极；
140.所述第二mos管m2的栅极连接所述放大器3的正向输入端vip；第二mos管m2的漏极连接所述密勒补偿电容器cm的第一电极；
141.所述密勒补偿电容器cm的第二电极连接所述放大器3的输出端v
out
；
142.所述第三mos管m3的源极连接电源vdd；第三mos管m3的栅极连接第一偏置电压vb1；
143.所述第四mos管m4的源极连接电源vdd；第四mos管m4的栅极连接第二偏置电压vb2和第五mos管m5的栅极；
144.所述第五mos管m5的源极连接电源vdd；第五mos管m5的漏极连接第七mos管m7的漏极和第十一mos管m11的栅极；
145.所述第七mos管m7的源极连接第九mos管m9的漏极、所述密勒补偿电容器cm的第一电极和第十二mos管m12的漏极；第七mos管m7的栅极连接第三偏置电压vb3和第六mos管m6的栅极；
146.所述第六mos管m6的漏极连接第四mos管m4的漏极和第八mos管m8的栅极；第六mos管m6的源极连接第八mos管m8的漏极；
147.所述第八mos管m8的源极接地vss；
148.所述第九mos管m9的栅极连接第八mos管m8的栅极和第十三mos管m13的漏极；第九mos管m9的源极接地vss；
149.所述第十三mos管m13的源极连接第十二mos管m12的栅极和第十四mos管m14的漏极；
150.所述第十三mos管m13的栅极连接所述放大器3的复位端rst和反相器inv的输入端；
151.所述反相器inv的输出端连接第十四mos管m14的栅极；
152.所述第十四mos管m14的源极接地vss；
153.所述第十二mos管m12的源极接地vss；
154.所述第十一mos管m11的源极接地vss；第十一mos管m11的漏极连接所述密勒补偿电容器cm的第二电极和第十mos管m10的漏极；
155.所述第十mos管m10的源极连接电源vdd；第十mos管m10的栅极连接第二偏置电压vb2。
156.本实施例的积分器电路、复位信号时序以及相关的工作原理与上述实施例完全相同，在此不再赘述。
157.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发
明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。