一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器，屬于集成電路設計領域，其特征在于：該逐次逼近模數轉換器采用三段式結構數模轉換器，設計成適用于紅外焦平面讀出電路陣列芯片的結構，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構中，實現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轉換系統的集成，提高紅外成像系統的精度，減少芯片間的噪聲干擾，提高系統信噪比并且使得后期信號處理更簡易。
【專利說明】—種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路設計技術，具體是指一種具有模數轉換功能的集成電路，它用于紅外焦平面陣列讀出電路中，可以將紅外探測器前端的模擬信號轉換成數字信號。
【背景技術】
[0002]高性能的紅外焦平面陣列的噪聲性能通常受到其信號鏈性能的限制，這是由于通過串音、時鐘干擾、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法避免的噪聲。由于信號鏈中串行數據率在圖像系統中是最高的，因此將由最大帶寬引入白噪聲，時鐘噪聲及其他電容耦合噪聲也隨數據率的提高而增加。紅外焦平面電路每列配一個ADC，通過的片上ADC技術可以有效改善這些效應的影響；并且由于不需要片外模擬連線，使干擾和振動的敏感性得以消除。特別是在焦平面上對探測器信號進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制，而且可以通過過采樣技術增加信噪比SNR。
[0003]紅外焦平面數字傳輸芯片的核心和關鍵是片上集成的ADC模塊，片上ADC的分辨率直接決定了數字傳輸芯片輸出信號的信噪比，ADC的轉換速度限制了數字傳輸芯片信號的讀出速度，從而限制了數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換速度的ADC算法結構的設計是紅外焦平面數字傳輸芯片研制的關鍵技術。
[0004]逐次逼近型模數轉換器在面積、精度和功耗的折合方面具有一定的優勢，因此研究逐次逼近型模數轉換器對實現紅外系統的高集成度、高穩定性和高精度等具有實際工程應用價值。

【發明內容】

[0005]本發明提供一種適用于紅外焦平面讀出電路的列共享結構的模數轉換器電路結構，將紅外探測器陣列的光電信號轉換成數字信號讀出。
[0006]本發明是通過下述技術途徑實現的:
[0007]本發明公開了一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器，采用
0.35um CMOS工藝，經由EDA (Electronic Design Automation電子設計自動化)設計軟件輔助設計，模擬電路采用全定制電路設計方式，數字采用代碼編寫，軟件綜合后自動布局布線設計方式，主要實現了對探測器信號的量化和輸出其中:
[0008]I這種適用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器是基于普通逐次逼近型模數轉換器的改進結構，其結構如圖2所示，主要由數模轉換器、高精度比較器和數字控制電路組成。其中數模轉換器用來將數字控制電路輸出的數字信號轉換成模擬電壓信號，比較器用來比較數模轉換器的輸出模擬電壓和采樣信號電壓的大小，數字控制電路用于產生數模轉換器的輸入數字信號同時通過比較器的輸出確定最終模數轉換器的輸出數字信號。
[0009]2逐次逼近型模數轉換器的工作模式如下:
[0010]數字控制電路產生首位為“ I ”其余位為“O ”的一串數字信號，通過數模轉換器轉換為電壓信號并與輸入的采樣信號通過比較器比較大小。比較器的輸出結果輸入到數字控制電路，用于確定模數轉換器的輸出信號首位數字碼，比較器輸出為“I”則首位數字碼為“1”，比較器輸出為“O”則首位數字碼為“O”。一次比較結束后，數字控制電路將次位數字碼改為“1”，首位數字碼為上一時鐘比較器所確定的數字碼，其余位為“O”，將產生的數字信號通過數模轉換器轉換成模擬信號并與輸出采樣信號通過比較器比較大小，從而確定數模轉換器輸出信號次位數字碼。依此進行N個時鐘周期，就能確定N位模數轉換器的數字輸出。整個過程結束，即完成了一次模擬量到數字量的轉換，N位轉換結果存儲在寄存器內，這就是最終輸出所轉化模擬量的數字碼。
[0011]3高速比較器的設計:
[0012]高速比較器應盡可能的降低其傳輸延遲，所以設計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:一種是具有負指數響應的前置放大器，另一種是具有正指數響應的鎖存器電路。一個遵循上述原則設計的高速比較器如圖3。第一級是一個遞增益高帶寬前置放大器，它驅動鎖存器。鎖存器的輸出用來驅動一個自偏置差分放大器。自偏置差分放大器的輸出驅動一個輸出驅動器。
[0013]4三段式數模轉換器的結構和工作原理:
[0014]三段式數模轉換器是由電容和電阻陣列以及控制開關組成，其中數模轉換器的分壓模式是:電容陣列對高位分壓，電阻陣列對低位分壓；而高位分壓電容陣列又由兩個電容陣列組成，中間由一個高精度縮放電容隔開。如圖4為本設計的三段式數模轉換器(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4位電荷按比例縮放子DAC和一個5位電荷按比例縮放子DAC組成，通過在兩個子DAC之間加上一個縮放電容Cs實現。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組合值必須等于Cai, Cs的值可以由公式I得出:
[0015]
【權利要求】
1.一種用于紅外焦平面讀出電路的逐次逼近型模數轉換器，它包括一個由硬件描述語言代碼設計實現的數字控制電路、三段式結構數模轉換器以及一個由級聯的前置放大器、鎖存器、自偏置差分放大器和輸出驅動器組成的高精度高速比較器，其特征在于:所述的三段式數模轉換器是由傳統的兩段式電荷再分布式數模轉換器與電阻分壓數模轉換器組合而成，兩段式電荷再分布數模轉換器的終端電容的一端與電阻分壓數模轉換器的輸出端直接連接。
【文檔編號】H03M1/38GK103916128SQ201410121000
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】高磊, 丁瑞軍, 陳洪雷, 張君玲, 馮琪 申請人:中國科學院上海技術物理研究所