一种两步式读出电路和模数转换器

本发明涉及红外焦平面阵列技术领域，尤其涉及一种两步式读出电路和模数转换器。

背景技术：

红外成像是一种通过探测目标物体的热辐射获得红外成像的探测器技术。其中非制冷红外焦平面阵列探测器在成本、便携性、功耗等方面具有明显优势，因而被广泛应用于夜视、监控、热像测温等军事、民用领域。读出电路的设计一直是非制冷红外焦平面阵列的研究难点和热点，按读出方式可分为模拟读出和数字读出，其中数字读出通过片内集成adc完成模数转换，模拟信号的传输路径更短，损耗更少，因而相比于模拟读出具有更高的性能。红外焦平面探测器对衬底温度的敏感性以及应用场景的便携性，都对读出电路的功耗尤其是adc的功耗提出了相当严格的限制。

常见的低功耗列级adc有单斜率adc、折叠积分adc等方案，单斜率adc的转换时间与精度相关，为2ⁿt，在高精度应用场景需要高时钟频率，而由此引入的时钟树等结构将会增加大阵列芯片的设计难度，并且转换精度受斜坡信号发生器精度的影响。

而传统基于pfm的折叠积分adc，其折叠频率不受主时钟频率限制，可以通过减小每次复位的电荷量来提高折叠频率，从而提高精度。但是更高的折叠频率意味着更多的复位次数和更高的功耗，从而存在精度和功耗之间的折衷问题。因而亟需提出一种既能降低模数转换功耗，又可以实现较高精度模数转换的方案。

技术实现要素：

本发明提供两步式读出电路和模数转换器，提出了一种既能降低模数转换低功耗，又可以实现较高精度模数转换的技术方案。

本发明实施例第一方面提供一种两步式读出电路，所述电路包括：转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化阶梯单元、细量化计数器、时序控制单元以及计数器开关；

所述转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将所述二极管探测器电压与所述盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至所述积分单元；

在粗量化阶段，所述积分单元对所述电流进行折叠积分，同时，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述粗量化计数器之间的回路；

所述粗量化计数器基于所述折叠积分的结果，确定粗量化转换结果，所述粗量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中高m位比特数据；

在细量化阶段，所述积分单元停止对所述电流进行折叠积分，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述细量化计数器之间的回路；

所述细量化计数器基于所述折叠积分后的余量电压和所述细量化阶梯单元，确定细量化转换结果，所述细量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中低n位比特数据；

其中，所述转换单元、所述积分单元、所述比较器、所述粗量化计数器、所述细量化计数器的数量由所述红外焦平面阵列的大小决定，所述红外焦平面阵列共同一个所述细量化阶梯单元和一个时序控制单元。

可选地，所述电路还包括：复位晶体管；所述转换单元包括：跨导放大器；所述积分单元包括：积分晶体管、积分电容；

所述跨导放大器的同相端接收所述二极管探测器电压；

所述跨导放大器的反相端接收所述盲端探测器电压；

所述跨导放大器的输出端与所述积分晶体管的源极连接；

所述积分晶体管的栅极接收控制信号；

所述积分晶体管的漏极与所述积分电容的第一端、所述复位晶体管的漏极、所述比较器的同相端分别连接；

所述复位晶体管的栅极与所述比较器的输出端连接；

所述复位晶体管的源极接收复位电压；

所述比较器的反相端接收参考电压；

所述积分电容的第二端与所述细量化阶梯单元连接。

可选地，所述计数器开关为单刀双掷开关；

所述计数器开关的动端与所述比较器的输出端、所述复位晶体管的栅极分别连接；

所述计数器开关的第一不动端与所述粗量化计数器连接；

所述计数器开关的第二不动端与所述细量化计数器连接。

可选地，所述细量化阶梯单元包括：多个电阻、多个选通开关、运算放大器；

所述多个电阻的数量由所述低n位决定；

所述多个选通开关的数量由所述低n位决定；

所述多个电阻串联在所述积分电容的第二端与所述参考电压端之间，将所述积分电容的第二端上的电压至所述参考电压均匀分为2ⁿ个电压；

所述多个电阻中每一个电阻的两端均连接有一个选通开关；

所述多个选通开关中每一个选通开关的并联端均与所述运算放大器的同相端连接，所述并联端为选通开关不与电阻连接的一端；

所述运算放大器的反相端与自身的输出端连接；

所述多个选通开关受控于所述时序控制开关单元。

可选地，在细量化阶段，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器的输出端和所述细量化计数器之间的回路之后，所述时序控制开关单元按照从所述积分电容的第二端至所述参考电压端的顺序，依次选通串联电阻两端连接的选通开关，使得所述细量化阶梯单元产生阶梯电压。

可选地，所述控制信号为高电平期间，所述积分晶体管导通，所述电路处于所述粗量化阶段；

所述控制信号为低电平期间，所述积分晶体管断开，所述电路处于所述细量化阶段。

可选地，在所述粗量化阶段，所述积分电容的第二端的电压为所述复位电压；

在所述细量化阶段，所述积分电容的第二端的电压从所述复位电压开始阶梯状下降，按序每选通一次选通开关，所述复位电压下降一个所述阶梯电压；

在所述积分电容的第二端的电压从所述复位电压开始阶梯状下降的过程中，所述积分电容的第一端的电压从所述余量电压开始阶梯状下降，直至所述积分电容的第一端的电压低于所述参考电压，所述比较器翻转，输出低电平信号至所述细量化计数器和所述复位晶体管的栅极；

所述细量化计数器接收所述低电平信号后，对从所述余量电压开始阶梯状下降，直至所述比较器翻转期间，所述余量电压下降的阶梯数量进行计数，得到所述低n位比特数据，所述阶梯数量表征所述余量电压下降了多少个阶梯电压，使得所述积分电容的第一端的电压低于所述参考电压；

所述复位晶体管接收所述低电平信号后，对所述积分电容进行复位。

可选地，所述电路完成一次模数转换所需的积分折叠次数为：2^m+1次。

可选地，所述复位电压下降的阶梯数量k2即为所述低n位比特数据，其表达式为：

其中，vr为所述复位电压、vref为所述参考电压、v余量为所述折叠积分后的余量电压。

本发明实施例第二方面提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：如上第一方面任一所述的电路。

本发明提供的两步式读出电路，转换单元将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元；在粗量化阶段，积分单元对电流进行折叠积分，同时，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和粗量化计数器之间的回路；粗量化计数器基于折叠积分的结果，确定表征所需进行模数转换的位数中高m位比特数据的粗量化转换结果。

而在细量化阶段，积分单元停止对电流进行折叠积分，即，此时整个读出电路只进行了2^m次的折叠积分。时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和细量化计数器之间的回路，断开比较器和粗量化计数器之间的回路；细量化计数器基于折叠积分后的余量电压和细量化阶梯单元，确定表征所需进行模数转换的位数中低n位比特数据的细量化转换结果，从而完成一次模数转换。由此可知，完成一次模数转换的过程中，整个读出电路只需要进行了2^m+1次的折叠积分。

相较于目前传统基于pfm的折叠积分adc，假设需要完成k位精度的量化，则基于pfm的折叠积分adc需要在一次模数转换过程中完成2^k次折叠积分。而同等模数转换精度下，本发明的两步式读出电路，对粗量化折叠积分后的余量进行第二步细量化，转换精度为m+n＝k，那么一次模数转换的折叠积分次数为2^m+1次，其远远小于2^k次。折叠积分次数的极大减小，就意味着两步式读出电路功耗的极大减小，实现了既能降低模数转换低功耗，又保持了较高精度模数转换，具有较高的实用性价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种两步式读出电路的模块化示意图；

图2是本发明实施例中一种优选的两步式读出电路的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种优选的细量化阶梯单元fsc的结构示意图；

图4是本发明实施例中两步式读出电路的工作时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人发现，传统的pfm型adc若需要完成k位精度的量化，则需要在一次模数转换过程中完成2^k次折叠积分，即2^k次复位，那么积分电容上极板的总复位电荷为：2^k×δq。由n为折叠积分次数，可知折叠过程中的充放电流i(即adc的功耗)大小正比与折叠积分的次数。即，折叠积分次数越多，adc的功耗越高，精度越高。因此，一般情况下，传统的pfm型adc存在精度和功耗之间的折衷问题。

发明人经过大量研究、实测，提出本发明实施例的两步式读出电路，既能降低模数转换功耗，又可以实现较高精度模数转换。以下，对本发明实施例的两步式电路进行详细解释和说明。

参照图1，示出了本发明实施例一种两步式读出电路的模块化示意图。两步式读出电路包括：转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化阶梯单元、细量化计数器、时序控制单元以及计数器开关。

转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元。一般情况下，转换出来的电流，其方向是从积分电容向转换单元抽取的，所以在折叠积分的过程中，积分电容的上极板电压会下降。

假设所需进行模数转换的位数为k，设定粗量化转换的位数为m，细量化转换的位数为n。那么在粗量化阶段，积分单元对电流进行折叠积分，同时，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和粗量化计数器之间的回路，粗量化计数器基于折叠积分的结果，确定表征所需进行模数转换的位数中高m位比特数据的粗量化转换结果。在细量化阶段，积分单元停止对电流进行折叠积分，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和细量化计数器之间的回路；细量化计数器基于折叠积分后的余量电压和细量化阶梯单元，确定表征所需进行模数转换的位数中低n位比特数据的细量化转换结果。可以理解的是，假若折叠积分后的余量电压为0，那么就相当于细量化转化结果为0，低n位比特数据为0。

本发明实施例中的两步式读出电路，转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化计数器的数量由红外焦平面阵列的大小决定，而整个红外焦平面阵列共同一个细量化阶梯单元和一个时序控制单元。例如：在640×488红外焦平面阵列中，有640个列级模数转换器，那么就有640个转换单元、640个积分单元、640个比较器、640个粗量化计数器、640个细量化计数器，该640×488红外焦平面阵列共同一个细量化阶梯单元和一个时序控制单元，这样共用细量化模块能有效降低芯片的功耗及设计复杂度。

参照图2，示出了本发明实施例中一种优选的两步式读出电路的结构示意图，图2中包括：跨导放大器gm、积分晶体管mn、积分电容c、复位晶体管mp、比较器cmp、粗量化计数器cqc、细量化阶梯单元fsc、细量化计数器fqc、时序控制单元tc以及计数器开关sw。其中，跨导放大器gm、积分晶体管mn、积分电容c、复位晶体管mp、比较器cmp、粗量化计数器cqc、细量化计数器fqc以及计数器开关sw，由于其数量由红外焦平面阵列的大小决定，因此对应每一个像素均设有，图2中为了图示的简洁，以虚框+列级表示红外焦平面阵列中所有的跨导放大器gm、积分晶体管mn、积分电容c、复位晶体管mp、比较器cmp、粗量化计数器cqc、细量化计数器fqc以及计数器开关sw。而细量化阶梯单元fsc、时序控制单元tc是红外焦平面阵列共有，因此以虚框+全局表示。

图2中以跨导放大器gm表示转换单元，其同相端接收二极管探测器电压(图2中vin)，跨导放大器gm的反相端接收盲端探测器电压(图2中vblind)；跨导放大器gm的输出端与积分晶体管mn的源极连接。当然，其他可以实现跨导放大器gm功能的元器件或者电路均可以作为转换单元。

积分晶体管mn的栅极接收控制信号φint；积分晶体管mn的漏极与积分电容c的第一端、复位晶体管mp的漏极、比较器cmp的同相端分别连接。控制信号φint为高电平期间，积分晶体管mn导通，此时两步式读出电路处于粗量化阶段；控制信号φint为低电平期间，积分晶体管mn断开，此时两步式读出电路处于细量化阶段。

复位晶体管mp的栅极与比较器cmp的输出端连接；复位晶体管mp的源极接收复位电压vr；比较器cmp的反相端接收参考电压vref；积分电容c的第二端与细量化阶梯单元fsc连接。

本发明实施例中，计数器开关sw为单刀双掷开关；计数器开关sw的动端与比较器cmp的输出端、复位晶体管mp的栅极分别连接；计数器开关sw的第一不动端与粗量化计数器cqc连接；计数器开关sw的第二不动端与细量化计数器fqc连接。在粗量化阶段，时序控制单元tc将会控制计数器开关sw导通比较器cmp的输出端，与粗量化计数器cqc的回路，即图2中所示的计数器开关sw连接状态；而在细量化阶段，时序控制单元tc将会控制计数器开关sw导通比较器cmp的输出端，与细量化计数器fqc的回路。

在粗量化阶段，φint为高电平，积分晶体管mn导通，积分电容c的下极板设为复位电压vr，积分电容c的上极板电压一直进行下降、复位的折叠积分过程，计数器开关sw导通比较器cmp的输出端与粗量化计数器cqc的回路，粗量化计数器cqc可以将比较器cmp的翻转次数记录下来作为粗量化结果，该结果表征所需进行模数转换的k位数中高m位比特数据。

本发明实施例中，细量化阶梯单元fsc包括：多个电阻、多个选通开关、运算放大器；多个电阻的数量由低n位决定；多个选通开关的数量由低n位决定；参照图3，示出了本发明实施例中一种优选的细量化阶梯单元fsc的结构示意图，图3中包括：n个电阻，图3中用r1、r2、r3…rn表示，2ⁿ个选通开关，图3中用φ<1>、φ<2>、φ<3>、φ<2ⁿ-1>、φ<2ⁿ>表示，以及运算放大器amp。

n个电阻串联在积分电容c的第二端与参考电压端之间，将积分电容的第二端上的电压(即图3中的vr)至参考电压vref均匀分为2ⁿ个电压；每一个电阻的两端均连接有一个选通开关；例如：电阻r1的两端分别连接选通开关φ<1>和接选通开关φ<2>，电阻r2的两端分别连接选通开关φ<2>和接选通开关φ<3>。以此类推，电阻rn的两端分别连接选通开关φ<2ⁿ-1>和接选通开关φ<2ⁿ>。

每一个选通开关的并联端均与运算放大器amp的同相端连接，所谓并联端为选通开关不与电阻连接的一端。例如：选通开关φ<1>不与电阻r1连接的一端，和接选通开关φ<2>不与电阻r1连接的一端并联，再与运算放大器amp的同相端连接。运算放大器amp的反相端与其自身的输出端连接。

本发明实施例中，多个选通开关受控于时序控制开关单元tc。在细量化阶段，时序控制开关单元tc控制计数器开关sw，导通比较器cmp的输出端和细量化计数器fqc之间的回路之后，时序控制开关单元tc按照从积分电容c的第二端至参考电压端的顺序，依次选通串联电阻两端连接的选通开关，使得细量化阶梯单元fsc产生阶梯电压。即，在细量化阶段，时序控制开关单元tc控制计数器开关sw，导通比较器cmp的输出端和细量化计数器fqc之间的回路之后，时序控制开关单元tc依次按序选通选通开关φ<1>，之后再选通选通开关φ<2>，再选通选通开关φ<3>…直至选通选通开关φ<2ⁿ>，其时序如图3中所示。而每选通一个选通开关，都使得细量化阶梯单元fsc产生一个阶梯电压。

因此，在细量化阶段，积分电容c的第二端的电压从复位电压vr开始阶梯状下降，时序控制开关单元tc按序每选通一次选通开关，复位电压vr下降一个阶梯电压；根据电荷守恒，在积分电容c的第二端的电压从复位电压vr开始阶梯状下降的过程中，积分电容c的第一端的电压从余量电压v余量开始阶梯状下降，直至积分电容c的第一端的电压低于参考电压vref，比较器cmp翻转，输出低电平信号至细量化计数器fqc和复位晶体管mp的栅极；复位晶体管mp接收低电平信号后，对积分电容c进行复位。

而细量化计数器fqc接收低电平信号后，对从余量电压v余量开始阶梯状下降，直至比较器翻转期间，余量电压v余量下降的阶梯数量进行计数，得到低n位比特数据，阶梯数量表征复位电压下降了多少个阶梯电压，使得积分电容c的第一端的电压低于参考电压vref。

例如：在细量化阶段，时序控制开关单元tc按序选通选通开关φ<1>，复位电压vr下降一个阶梯电压，积分电容c的第一端的电压从余量电压v余量开始下降一个阶梯电压，此时积分电容c的第一端的电压不低于参考电压vref，比较器cmp不翻转；时序控制开关单元tc按序选通选通开关φ<2>，复位电压vr再下降一个阶梯电压，即复位电压vr从细量化开始下降两个阶梯电压，那么积分电容c的第一端的电压从余量电压v余量开始下降两个阶梯电压，此时积分电容c的第一端的电压依旧不低于参考电压vref，比较器cmp仍不翻转；时序控制开关单元tc按序选通选通开关φ<3>，复位电压vr第三次下降一个阶梯电压，即复位电压vr从细量化开始下降三个阶梯电压，那么积分电容c的第一端的电压从余量电压v余量开始下降三个阶梯电压，此时积分电容c的第一端的电压低于参考电压vref，则比较器cmp翻转，输出低电平信号至细量化计数器fqc和复位晶体管mp的栅极。复位晶体管mp接收低电平信号后，对积分电容c进行复位。而细量化计数器fqc接收低电平信号后，对从余量电压v余量开始阶梯状下降，直至比较器翻转期间，余量电压v余量下降的阶梯数量进行计数，得到低n位比特数据为3。

综上所述，结合图2、图3以及图4所示的两步式读出电路的工作时序图，本发明实施例的两步式读出电路的工作原理为：

当φint为高电平，两步式读出电路工作于粗量化阶段，积分晶体管mn导通，积分电容c的下极板电压vstep大小为vr，计数器开关sw导通比较器cmp输出端与粗量化计数器cqc的回路。由于跨导放大器gm一直在将两个探测器的电压差转换为电流在积分电容c上积分，因此积分电容c的上极板电压vint成斜坡型下降，当上极板电压vint低于参考电压vref时，比较器cmp输出脉冲信号cmpout，由于复位晶体管mp是pmos管，比较器cmp输出的是低电平脉冲，因此复位晶体管mp将积分电容c的上极板电压vint复位至复位电压vr。在粗量化时间段内，积分电容c的上极板总电荷可为(1)式，进而由(2)式可得，比较器cmp的翻转次数k1即为粗量化的高m位比特数据。

k1×c(vr-vref)＝gm×(vin-vblind)×t粗量化(1)

上式(1)、(2)中，gm为跨导放大器gm的增益，t粗量化为粗量化的时间。

在细量化阶段，φint为低电平，积分晶体管mn断开，积分电容c的下极板电压vstep基于细量化阶梯单元fsc和时序控制单元tc，开始阶梯状下降，计数器开关sw导通比较器cmp的输出端与细量化计数器fqc的回路。由于电荷守恒，积分电容c的上极板电压vint将随着下极板电压vstep阶梯状下降，直至低于参考电压vref，比较器cmp翻转。由(3)式可知比较器cmp翻转的时候，对应的下极板电压vstep下降的阶梯数量k2(0≤k2<2ⁿ)，即为细量化的低n位数据。

式(3)中，v余量为折叠积分后的余量电压。

由此可知，两步式读出电路完成一次模数转换所需的积分折叠次数为：2^m+1次，其远远小于2^k次。折叠积分次数的极大减小，就意味着两步式读出电路功耗的极大减小，实现了既能降低模数转换低功耗，又保持了较高精度模数转换，具有较高的实用性价值。。

综上所述，本发明实施例的两步式读出电路，转换单元将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元；在粗量化阶段，积分单元对电流进行折叠积分，同时，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和粗量化计数器之间的回路；粗量化计数器基于折叠积分的结果，确定表征所需进行模数转换的位数中高m位比特数据的粗量化转换结果。

而在细量化阶段，积分单元停止对电流进行折叠积分，即，此时整个读出电路只进行了2^m次的折叠积分。时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和细量化计数器之间的回路，断开比较器和粗量化计数器之间的回路；细量化计数器基于折叠积分后的余量电压和细量化阶梯单元，确定表征所需进行模数转换的位数中低n位比特数据的细量化转换结果，从而完成一次模数转换。由此可知，完成一次模数转换的过程中，整个读出电路只需要进行了2^m+1次的折叠积分。

相较于目前传统基于pfm的折叠积分adc，本发明的两步式读出电路，一次模数转换的折叠积分次数，远远小于传统基于pfm的折叠积分adc的折叠积分次数。折叠积分次数的极大减小，就意味着两步式读出电路功耗的极大减小，实现了既能降低模数转换低功耗，又保持了较高精度模数转换，具有较高的实用性价值。

基于上述电路，本发明实施例还提供模数转换器，所述模数转换器包括：如上任一所述的两步式读出电路。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。