[发明专利]一种电流-电压积分器、电流数字转换器及其工作方法

说明书

本发明公开了一种电流‑电压积分器、电流数字转换器及其工作方法，本发明的积分器包括运算放大器和采样保持电容Cs，所述积分器还包括buffer和反馈电容Cint，其中，所述运算放大器和buffer级联构成两级放大器，所述运算放大器的反相输入端作为电流输入端，所述buffer输出端的电压为积分输出电压，所述反馈电容Cint连接在所述buffer的输出端与所述运算放大器的反相输入端之间，所述采样保持电容Cs一端与buffer输入端连接，另一端接地。本发明的积分器电路结构简单，功耗更低，噪声更低，失调更小。

技术领域

本发明涉及数字转换技术领域，具体涉及一种电流-电压积分器、电流数字转换器及其工作方法。

背景技术

光电成像阵列：光敏二极管是由N型半导体和P型半导体构成的PN结，工作时加反向偏压，在光照下产生电荷，产生的电荷量和入射的光强成正比。由多个光敏二极管构成的阵列结构可用于成像。阵列曝光后，二极管上产生的电荷量反映图像的信息。

读出电路：二极管阵列的电荷信息采用逐行读出方式，每一列二极管共用一个读出电路。首先通过积分器将二极管中的电荷转换成电压，再通过ADC转换成数字信号，经过数字信号处理重建出图像的信息。

读出电路中ADC要求16位以上的精度，如果每个积分器都用一个ADC，整体的功耗和芯片面积都将显著增大。采用多个积分器复用一个ADC的方案在功耗、面积、速度上都可以获得平衡的性能，附图1给出多个积分器复用一个ADC的电路框图。为了提高读出速率，积分器完成积分后首先将其输出电压采样保持，再经过MUX buffer驱动ADC，在当前行积分的同时对前一行积分结果进行AD转换。

积分时进行AD转换：在读出电路中，积分器的积分和AD转换两个过程不能同时进行，而且两个过程都需要较长时间。如果积分完成后再对积分器的输出进行AD转换，会降低读出电路的速率。已有的实现方式是在当前积分周期的同时对上一次的积分结果进行AD转换，附图1中的S/H电路的实现方式可以采用附图2的结构，其中包含A、B两组采样保持电路，SW_A开关开启，A组采样电容和积分器输出连接，在积分结束后将积分输出采样到CHA电容上。所有通道的MUX_SW_A开关和SW_B断开。在积分的同时MUX_SW_B开关在时序控制下，依次开启和MUX BUFFER连接，将CHB电容上保持的上一次的积分输出电压输出到ADC。在下一个周期，则用CHB作为采样保持电容，用CHA电容和MUX buffer连接，如此交替进行。

因为用集成电路工艺实现的开关和电容存在失配，SW_A和SW_B开关的电荷注入不一致，CHA、CHB和MUX BUFFER的增益也不一致，即使积分器的输出相同，相邻两次AD输出也会产生不一致。除此之外，每个通道的S/H电路也是不一致，通道之间也会有偏差。采用附图2中的AB组结构会导致图像上出现固定的失调，严重影响图像质量。

MUX buffer：一般采用开关电容电路，在时序控制下依次将多个采样保持电压输出，并为ADC输入提供足够的驱动能力，MUX buffer电路结构如附图3所示，CH为积分器输出端的采样保持电容，CS为反馈电容。其中stage1提供高增益，stage2提供强驱动能力并满足高输出范围要求。MUX buffer的设计存在以下的限制：

ADC的精度为高于16位，MUX buffer的环路增益大于65536，也就是96dB。在大输出电压范围下获得高增益，至少需要采用两级放大器结构，增加了电路结构的复杂度和功耗。

假设ADC的采样时钟周期为T，在T/2时间内MUX buffer的输出要稳定到16位精度以上，假设MUX buffer为单极点，其时间常数为τ，则需要满足τ0.045T，低时间常数导致较大的功耗。

由于积分器的输出电压范围大，MUX buffer在大信号瞬态响应时需要具备良好的摆率性能，输出端才能快速稳定，这也需要增大放大器的偏置电流，导致功耗增大。