[发明专利]一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路

说明书

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列技术领域，尤其是涉及一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路。

背景技术

随着CMOS超大规模集成电路技术、红外焦平面技术以及数字集成电路技术的不断发展，人们逐渐意识到将红外焦平面的模拟输出信号转变为数字信号输出，可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力，提高信号的信噪比，同时这也是第三代红外焦平面技术不断小型化、不断提高集成度的发展趋势。

红外焦平面片上模数转换器（ADC）技术是实现将红外焦平面模拟信号输出转变为数字信号输出的一项非常关键的技术，读出电路的片上ADC是红外焦平面读出电路数字化中非常关键的器件，对于红外焦平面数字化后的最终性能起着决定性的影响。ADC的种类和架构比较多，使得读出电路的设计过程中往往遇到多种选择。

目前ADC的种类大体可以分为快闪式（flash）ADC、Two-step ADC、流水线（Pipeline）ADC、Σ-Δ ADC、逐次逼近（Successive Approximation，SAR）ADC、单斜率（single slope）ADC等等。对于ADC的设计而言，其一个难点是低功耗、速度和精度的折中。

目前，从速度的角度考虑，flash ADC的速度最快，但是flash ADC比较器的数量随着精度的增加而指数增加，从而限制了量化精度。故其一般用于高速低精度场合。

Two-step ADC是速度仅次于flash ADC的ADC，但是由于应用了两步比较法，所以可以提高比特率和精度。

Σ-Δ ADC其精度最高，其是用数字方法量化模拟信号，故对模拟器件的要求较低，一般可达到较高精度，目前已达到24位，但信号带宽较低，故一般用于低信号带宽高精度的场合，如精密仪表。

SAR ADC是逐次量化的ADC，故只用少量的比较器，降低了芯片的面积与功耗，但一个模拟信号数字化需要数个量化周期，以致于速度降低，一般应用于精度要求不是太高的移动设备中。

Pipeline ADC在空间上逐级量化，因此可以得到较高的精度与速度，但需要额外模拟器件，导致了消耗了较大的功耗与面积。其主要应用于精度在10到16位，速度在10M到500M的采样率（Sample Per Second，SPS）的场合。

单斜率ADC的优点是工作简单，缺点是其性能受斜坡信号发生器误差的影响，并且是单极性的。另一个缺点是如果输入电压接近VREF，则需要很长的转换时间。最坏情况的转换时间为2NT，其中T是时钟周期。主时钟的频率是由单斜率ADC的计数器确定的。

非制冷红外焦平面探测器在室温下工作，具有低成本、低功耗、小型化和高可靠性等优点，被广泛应用于军事和民用领域。但是随着非制冷红外焦平面阵列的增大，对AD转换时钟的频率要求越来越高。在0.5CMOS工艺下要实现这么小的时钟周期是很困难的。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够降低单斜率模数转换器的控制时钟频率的红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种红外焦平面阵列读出电路的模数转换电路，所述模数转换电路用于接收读出电路输出的读出信号并将所述读出信号转换成数字信号，其特征在于，所述模数转换电路包括：最高比特位产生电路，所述最高比特位产生电路接收所述读出信号，并基于所述读出信号产生所述数字信号的最高比特位和残差信号；低比特位产生电路，所述低比特位产生电路接收所述残差信号，并基于所述残差信号产生所述数字信号的除了所述最高比特位之外的低比特位。

本发明一个实施例中，所述最高比特位产生电路包括： 第一比较器，所述第一比较器比较参考信号和所述读出信号，并根据比较的结果生成所述最高比特位；子数模转换器，所述子数模转换器接收所述最高比特位，并将所述最高比特位转换成最高比特位模拟信号；加法器，所述加法器接收所述读出信号和所述最高比特位模拟信号，并且将所述读出信号与所述最高比特位模拟信号进行加权，获得加权信号；乘法器，所述乘法器接收所述加权信号，并将所述加权信号乘以预定参数值，获得所述残差信号。

本发明一个实施例中，所述第一比较器的第一输入端连接到所述读出信号，所述第一比较器的第二输入端连接到参考信号，所述第一比较器的输出端连接到所述子数模转换器的输入端；所述子数模转换器的输出端连接到所述加法器的第一输入端；所述加法器的第二输入端连接到所述读出信号，并且所述加法器的输出端连接到所述乘法器的输入端；所述乘法器的输出端输出所述残差信号。