[發明專利]一種應用于紅外焦平面陣列數字化讀出電路的比較器

在審

• 申請號: 201510192140.8
• 申請日: 2015-04-21
• 公開（公告）號: CN104767526A
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發明（設計）人: 梁杰;魯文高;朱華兵;劉大河;張璐雅;陳中建;張雅聰
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微電子和光電子技術領域，是一種應用于紅外焦平面數字化讀出電路的列集成SAR?ADC中的新型低功耗、低面積比較器。

背景技術

紅外成像技術在軍事、科研和民用領域有著重要的應用。紅外焦平面陣列(IRFPA：Infrared?Focal?Plane?Array)是紅外成像系統的核心組件，IRFPA包括了紅外探測器陣列和焦平面陣列讀出電路(ROIC：Readout?Integrated?Circuit)兩部分：探測器的作用是實現光電信號之間的轉換，讀出電路的作用是完成像素信號的處理以及讀出。今后，紅外探測器將隨著探測器技術的成熟以及市場的需求而迅速發展，而紅外焦平面讀出電路的發展趨勢將向著大規模化、數字化讀出、更小像素間距、更高集成度等幾個方面發展，而且分辨率也會越來越高，靈敏度會增強，會向著3D成像技術進行發展。隨著技術的發展，對于高分辨率，便攜式成像系統的需求越來越大，為滿足這一要求，低功耗設計顯得尤為重要。

紅外焦平面讀出電路列集成模數轉換器的研究也日益成熟，但是將模數轉換器(ADC)集成到讀出電路的同時，必然帶來功耗的上升，所以對于ADC的設計要求，低功耗是一個非常重要的參數，對于逐次逼近模數轉換器的設計，比較器和數模轉換器是兩個重要的模塊，因此一個低功耗的比較器對于ADC特別重要。伴隨讀出電路規模的提高，越來越小的像素間距尺寸，對于ADC的要求也是非常嚴格，低面積的比較器將大大減小整列的面積。

本文中提出了一種新型的低功耗低面積比較器，對于紅外焦平面讀出電路的數字化、大規模化、更高集成度的意義較為重大。

發明內容

本發明針對紅外焦平面讀出電路低功耗、更小的像素間距尺寸發展，提出了一種新型的低功耗、低面積、高電壓向低電壓轉換的比較器。可以降低列集成模數轉換器帶來的更大的功耗，同時減小列級電路的面積，適用于更小的像素間距尺寸。

比較器主要由兩個重要部分組成，比較器的比較部分和鎖存部分，比較器的前兩級主要是將比較器的輸入信號進行初步的預防大及比較，然后通過一個時鐘控制的反相器進行整形，最后將比較器的結果存在Latch中。

紅外焦平面讀出電路中的像素部分將紅外信號經過積分、放大，為了提高信號的準確性，放大后的模擬信號的擺幅在0～V_DD1之間，這意味著輸入給模數轉換器的信號在0～V_DD1之間，為了降低功耗，我們將轉換后的結果用V_DD2電壓的數字碼流輸出(其中V_DD1＞V_DD2)。

本文中提出的新型比較器不僅功耗低、低面積，而且在比較過程中實現了高電壓到低電壓的轉換，比較器的比較部分主要有兩級模塊，比較器的第一級預防大電源電壓是V_DD1，第二級電源電壓是V_DD2。

該比較器是一種低功耗、低噪聲的比較器，功耗主要來源于動態比較過程中，本系統中SAR?ADC是單端輸入結構的模數轉換器，則該比較器是單端輸入結構，一端輸入接入共模電壓V_CM，另一端輸入來自DAC的輸出，如上圖可知，比較器的第一級類似一個五管運放，第二級類似反相器結構，中間用一個復位開關控制比較器的比較過程。

動態比較器是使用時鐘信號來控制比較器的工作狀態，這種模式必定會帶來時鐘回踢效應，從來導致輸入信號的擾動，從而影響整個比較器的精度，開關M5的閉合和斷開，必然帶來A點電壓的變化，由于時鐘回踢效應，A點電壓必須會出現波動，從而影響到輸入端Vip的變化，為了降低其影響，將輸入端Vip接入共模電壓V_CM固定，DAC的輸出接入比較器的另一端輸入Vin，遠離開關，從而降低由于時鐘回踢帶來的影響。

比較器的兩種工作模式從以下來說明：初始，比較器的復位開關處于閉合狀態，比較器處于復位狀態，一種處于中間的亞穩態，然后，開關斷開，比較器進入比較過程，由于電流的差異導致上拉和下拉能力的差異，從而讓輸入進入高電平或者低電平，然后經過反相器整形得到最終結果，到此比較器比較階段結束。

本發明中提出的新型比較器，其優點在于：

(1)本發明中提出的低功耗、低面積比較器不僅降低了電路的功耗，而且減小了版圖的面積，這是未來集成電路發展的趨勢，本發明中實現了比較過程中高電壓向低電壓的轉換，這是該種結構的一大特點。