[发明专利]一种基于离散时间增量型ΣΔADC的X射线CCD读出系统

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种基于增量型ΣΔADC的X射线CCD读出系统。

技术背景

X射线CCD照相机在近些年来逐渐成为应用于X射线天文望远镜的主流探测器。X射线CCD具有非常高的能量分辨率和角度分辨率。为达到高精度低噪声的要求，传统的X射线CCD读出系统通常是用分立元件所组成的，但是分立元件组成的读出系统重量和功耗非常大，很大程度上增加了火箭发射的成本。此外，由于传统的读出系统的读出速率很低，读出整个CCD平面的一帧图像信号需要几秒钟甚至更长的时间，导致了CCD读出系统的时间分辨率已不足以满足天体物理学等研究的需要。近些年来，专用集成电路芯片(ASIC)正逐渐替代传统的分立器件，成为主流的X射线读出系统的解决方案。专用集成电路芯片可以进行定制电路设计来达到特定的精度、噪声和读出速率的指标。随着集成电路工艺的不断发展，集成电路芯片的面积、速度和功耗不断降低，集成电路相比传统的分立元件的优势愈发显著。通过设计单芯片多通道并行处理CCD信号可以提高整个系统的读出速率。

为消除CCD输出信号中的低频噪声、失调和1/f噪声，通常都需要采用相关双采样技术(CDS)降低噪声。相关双采样技术对浮置电平和信号电平两次采样并相减，一般认为这两次采样中包含相同的低频噪声分量和失调分量，由此实现了降噪的目的。而在实际电路中，还存在白噪声、高频噪声和开关噪声等，这些噪声不能通过CDS技术得到很好的消除，因此在CDS技术的基础上，又发明了积分相关双采样的技术(iCDS)。iCDS通过对浮置电平和信号电平在一定时间内积分，它的传输函数相当于一个带通滤波器，既消除了低频噪声，又可以滤除高频噪声。类似于iCDS的技术是多次采样CDS，这种技术是通过对浮置电平和信号电平进行多次采样求平均值来达到降低噪声的目的。

ΣΔADC适合应用于低噪声X射线读出系统，由于ΣΔADC本身的过采样特性，可以通过对一个像素信号的浮置电平和信号电平进行过采样从而降低读出电路的噪声。但是，传统的ΣΔADC需要非常复杂的数字滤波器，数字滤波器的响应时间很长，数字输出与模拟输入没有一一对应的关系，无法应用于图像信号读出应用。近几年来，一种增量型ΣΔADC架构被提出并在高精度仪器仪表测量领域得到广泛应用。增量型ΣΔADC的优点是具有输入输出的一一对应关系，其数字滤波器具有零延时的输出特性，因此非常适合应用于X射线CCD读出系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于增量型ΣΔADC的低功耗低噪声的X射线读出系统。

本发明提供的低功耗低噪声的X射线CCD读出系统，由前端读出电路（1）、数字控制单元（2）和离散时间增量型ΣΔADC（3）构成。

所述的前端读出电路（1）的Vinp输入端和Vinn输入端分别与外部的模拟输入信号Vinp和Vinn相连；其clamp1输入端，clamp2输入端和DAC_en输入端分别与所述的数字控制单元（2）的clamp1输出端，clamp2输出端和DAC_en输出端相连；其Voutp输出端和Voutn输出端分别与所述的离散时间增量型ΣΔADC（3）的Vinp输入端和Vinn输入端相连；

所述的数字控制单元（2）的CLK输入端与外部的时钟输入信号CLK相连；其RST输入端与外部的CCD复位同步信号RST相连；其CS输入端，SCLK输入端和MOSI输入端分别与外部的SPI写入信号CS，SCLK和MOSI相连；其CLK1输出端，RST1输出端，deint1输出端，int1输出端，post1输出端分别与所述的离散时间增量型ΣΔADC（3）的CLK1输入端，RST1输入端，deint1输入端，int1输入端，post1输入端相连；其CLK2输出端，RST2输出端，deint2输出端，int2输出端，post2输出端分别与所述的离散时间增量型ΣΔADC（3）的CLK2输入端，RST2输入端，deint2输入端，int2输入端，post2输入端相连；

所述的离散时间增量型ΣΔADC（3）的Vcom输入端与外部的模拟共模信号Vcom相连；其输出与Dout输出端相连，输出读出系统的处理结果。