CN103414472B - 一种n位数模转换器及其红外焦平面阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了提供了一种N位数模转换器，包括：M比特可控分压电路，M比特可控分压电路包括第一选通电路和第二选通电路，两个选通电路的输出端之间串联至少2^K+2^M‑1个等值电阻，每个等值电阻的一端是M比特可控分压电路的一个输出端；N比特开关电路，包括至少一个K比特子数模转换器和至少2K个M比特子模数转换器，每个M比特子模数转换器包括至少2M个输入端，其中，第i个M比特子模数转换器的第j个输入端连接到M比特可控分压电路的第i+j个输出端。该N位数模转换器中，可以通过M位二进制代码控制2M个精度和范围不同的电压区域，使得整个N位数模转换器的精度和范围可以调节。

Description

一种N位数模转换器及其红外焦平面阵列读出电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面读出电路技术领域，尤其是涉及一种用于红外焦平面阵列读出电路的N位数模转换器及其红外焦平面阵列读出电路。

背景技术

红外焦平面阵列是获取景物红外光辐射信息的重要光电器件。微测辐射热计探测器是应用最广泛的一种红外焦平面阵列，它是一种热敏电阻性探测器。微测辐射热计焦平面阵列是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作绝热结构，并在其上面形成作为探测器单元的微测辐射热计，从而实现单片结构。以微测辐射热计焦平面阵列为核心制作的非制冷红外成像***与制冷红外成像***相比具有体积小、功耗低的优点，并且使***的性能价格比大幅度提高，极大地促进了红外成像***在许多领域中的应用。

读出电路是一种专用的数模混合信号集成处理电路，在读出集成电路(ROIC)出现以前，前置放大器的混合电路是由分立的电阻、电容和晶体管组成。诸如光伏型的、非本征硅的、铂硅的和许多光电导型的高阻抗探测器对电磁干扰(EMI) 非常敏感，要求放在非常接近前置放大器的地方以减少EMI的影响。使用分立元件要求大量的面积，并且在一个给定的光学视场中对实现的通道数目提出了苛刻的限制。读出集成电路帮助减少了EMI问题。读出集成电路(ROIC)方法还提供探测器热学/机械接口、信号处理和包括像电荷转换和增益、频带限制以及多路转换和输出驱动的功能。随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是MOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。

读出电路的功能是提取探测器热敏材料的电阻变化，转换成电信号并进行前置处理(如积分、放大、滤波和采样/保持等)及信号的并/串行转换。随着CMOS工艺的不断成熟、完善和发展，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。

读出电路中对数模转换器的精度要求高，但所需电压大小集中。传统数模转换器是等间距的，其精度越小，所需要的比特数越大。比特数越大，MOS管的开关损耗和导通损耗越大，误差也就越大。且只取某一集中的小范围的电压，会造成比特数以及其他电压的浪费。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种精度和范围可调的N位数模转换器及其红外焦平面阵列读出电路。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种N位数模转换器，其特征在于，包括：M比特可控分压电路，所述M比特可控分压电路包括：第一选通电路，所述第一选通电路用于从2^M条通路中选通一条通路；第二选通电路，所述第二选通电路用于从2^M条通路中选通一条通路；所述第一选通电路的输出端和所述第二选通电路的输出端之间串联至少2^K+2^M-1个等值电阻；所述M比特可控分压电路包括2^K+2^M-1个输出端，其中每个所述等值电阻的一端是所述M比特可控分压电路的一个输出端；其中N为所述数模转换器的位数，M为小于N的自然数，K=N-M；

N比特开关电路，所述N比特开关电路包括：至少一个K比特子数模转换器，所述K比特子模数转换器包括2^K个输入端；至少2^K个M比特子模数转换器，每个所述M比特子模数转换器包括至少2^M个输入端；每个所述M比特子模数转换器的输出端分别连接到所述K比特子模数转换器的一个输入端；

其中，第i个所述M比特子模数转换器的第j个输入端连接到所述M比特可控分压电路的第i+j个输出端，其中i为整数，j为整数，且0 ≤ i ≤ 2^K-1，0 ≤ j ≤ 2^M-1。

进一步地，所述第一选通电路包括2^M条通路和M个控制输入端，所述2^M条通路并联连接到所述第一选通电路的输出端，所述2^M条通路中的每条通路包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且所述至少一个通路电阻与所述M个控制开关串联，所述M个控制开关的控制端分别连接到所述M个控制输入端。

进一步地，所述第二选通电路包括2^M条通路和M个控制输入端，所述2^M条通路并联连接到所述第一选通电路的输出端，所述2^M条通路中的每条通路包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且所述至少一个通路电阻与所述M个控制开关串联，所述M个控制开关的控制端分别连接到所述M个控制输入端。

进一步地，所述第一选通电路的输出端和所述2^K+2^M-1个等值电阻之间串联第一连接电阻。

进一步地，所述第二选通电路的输出端和所述2^K+2^M-1个等值电阻之间串联第二连接电阻。

本发明的实施例还提供了一种红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：包括前述的任意一种N位数模转换器。

本发明的实施例的N位数模转换器中，可以通过M位二进制代码控制2^M个精度和范围不同的电压区域，使得整个N位数模转换器的精度和范围可以调节，从而实现在一定的动态范围中适当的改变精度；通过有效利用N比特中的M个比特调节精度及范围，节约了比特数；本发明实施例中电压范围和精度的改变，可以随着电路需求，通过改变每条支路中的电阻阻值以及选取合适的M和K值实现，适用范围广。

附图说明

图1是本发明一个实施例的N位数模转换器的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的5位数模转换器的结构示意图。

图3是本发明一个实施例的N比特开关电路的结构示意图。

图4是本发明一个实施例的N位数模转换器的精度调节的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的N位数模转换器及其红外焦平面阵列读出电路。

图1是本发明一个实施例的N位数模转换器的电路结构示意图。如图1所示，本实施例中，一种N位数模转换器可以包括M比特可控分压电路和N比特开关电路。本文中，这里的“N”是指本发明的实施例的数模转换器的位数，“M”是小于N的自然数。

如图1所示，M比特可控分压电路可以包括第一选通电路和第二选通电路。其中第一选通电路用于从2^M条通路（例如，图1中的R0、R1、……R2^M-2、R2^M-1）中选通一条通路，第二选通电路也用于从2^M条通路（例如，图1中的r0、r1、……r2^M-2、r2^M-1）中选通一条通路。

本发明的实施例中，第一选通电路可以包括2^M条通路（例如，图1中的R0、R1、……R2^M-2、R2^M-1）和M个控制输入端（例如，图1中的a<M-1:0>），2^M条通路并联连接到第一选通电路的输出端A₀，2^M条通路中的每条通路包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且该至少一个通路电阻与M个控制开关串联，也就是说该至少一个通路电阻和M个控制开关都串联连接。每条通路的M个控制开关的控制端分别一一对应连接到第一选通电路的M个控制输入端。

本发明的实施例中，第一选通电路中的M个控制开关可以是任何可控的开关元件，例如MOS管。

本发明的实施例中，通过控制第一选通电路的M个控制输入端的输入（例如，图1中的a<M-1:0>），可以从该2^M条通路中选通特定的一条通路。

本发明的实施例中，类似地，第二选通电路也可以包括2^M条通路（例如，图1中的r0、r1、……r2^M-2、r2^M-1）和M个控制输入端（例如，图1中的a<M-1:0>），2^M条通路并联连接到第二选通电路的输出端B₀，2^M条通路中的每条通路也包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且该至少一个通路电阻与M个控制开关串联，也就是说该至少一个通路电阻和M个控制开关都串联连接。每条通路的M个控制开关的控制端分别一一对应连接到第二选通电路的M个控制输入端。

本发明的实施例中，第二选通电路中的M个控制开关也可以是任何可控的开关元件，例如MOS管。

本发明的实施例中，通过控制第二选通电路的M个控制输入端的输入（例如，图1中的a<M-1:0>），可以从该2^M条通路中选通特定的一条通路。

本发明的实施例中，第一选通电路的输出端A₀和第二选通电路的输出端B₀之间串联至少2^K+2^M-1个等值电阻。这里，K=N-M。

这里，M比特可控分压电路可以包括2^K+2^M-1个输出端，其中每个前述的等值电阻的一端是该M比特可控分压电路的一个输出端。这样，在每个等值电阻的一端处即可产生分压，由此，该M比特可控分压电路的即可产生2^K+2^M-1个分压。在图1中，该M比特可控分压电路产生的2^K+2^M-1个分压即为V< 0 >、V<1>、……、V<2^M + 2^K - 2>。本文中，，该M比特可控分压电路2^K+2^M-1个输出端按照顺序编号，从0开始，依次编号为0、1、2、……、直至2^M + 2^K – 2。本文中，也可以用分压即V< 0 >、V<1>、……、V<2^M + 2^K - 2>来表示该M比特可控分压电路的输出端。

本发明的实施例中，第一选通电路的输出端A₀和2^K+2^M-1个等值电阻之间可以串联第一连接电阻R_P。第二选通电路的输出端B₀和2^K+2^M-1个等值电阻之间可以串联第二连接电阻R_Q。

如图1所示，本发明的实施例中，N比特开关电路可以包括至少一个K比特子数模转换器和至少2^K个M比特子模数转换器，其中K比特子模数转换器包括2^K个输入端；每个M比特子模数转换器包括至少2^M个输入端；每个M比特子模数转换器的输出端分别连接到K比特子模数转换器的一个输入端，即，2^K个M比特子模数转换器的2^K个输出端与该K比特子模数转换器的2^K个输入端一一对应连接。

本文中，每个M比特子模数转换器的2^M个输入端按顺序编号，从0开始，依次编号为0、1、2、……、直至2^M – 1。

由此，本发明的实施例中，第i个M比特子模数转换器的第j个输入端连接到M比特可控分压电路的第i+j个输出端，其中i为整数，j为整数，且0 ≤ i ≤ 2^K-1，0 ≤ j ≤ 2^M-1。

例如，第0个M比特子模数转换器的第0输入端至第2^M -1输入端分别依次连接到M比特可控分压电路的输出端V<0>至V<2^M-1>；第2^K-1个M比特子数模转换器的第0输入端至第2^M-1输入端分别依次连接到M比特可控分压电路的输出端V<2^K-1>至V<2^M+2^K-2>；等等。

本发明的实施例中，前述的N、M的值以及第一连接电阻R_P、第二连接电阻R_Q、各选通电路中的通路电阻和两个选通电路之间串联的等值电阻等等电阻的阻值均可以根据实际情况而灵活选择。

下面以一个具体的实例为例进行说明。

例如，当N=5、M=2、K=3时，则2^K=2³=8；2^M=2²=4；2^M-1=2²-1=3；2^K+2^M-1=2³+2²-1=11；2^K+2^M-2=2³+2²-2=10。

因此获得一种5位数模转换器，包括一个2比特可控分压电路和一个5比特MOS管开关电路，如图2所示。2比特可控分压电路中， 4选一电路A（第一选通电路）、B（第二选通电路）由2位二进制码（a0、a1）控制。在此以由MOS管构成的4选一电路为例，情况如下：

4选一电路A（第一选通电路），2位二进制码分别控制两个串联的PMOS管，并连接一电阻构成一条通路，2位二进制码的四种组合分别组成四条这样的通路；这些通路相互并联连接到A₀点，其中串接的通路电阻阻值的大小可以是随着二进制码的增大而减小，即R3 >R2 > R1>R0。

4选一电路B（第二选通电路），由2位二进制码控制的2个串联的NMOS管也构成4条串接一半导体电阻的通路，连接在B₀点，其中串接的通路电阻阻值的大小可以是随着二进制码的增大而增大，即r3 > r2 > r1> r0。

A₀点处连接电阻R_P，B₀点处连接电阻R_Q，R_P、R_Q的值根据实际需求的大致范围确定，例如，需要的电压上限很小，那么R_P的值需要很大。电阻R_P、R_Q的另一端分别连接A、B两点，这两点之间连接10个等值电阻，将A、B两点之间的电压分成11个等差分压，分别用V<0>至V<10>表示。

5比特MOS管开关电路包括8个精度为2比特的子DAC和1个精度为3比特的子DAC，其中2比特的子DAC由控制2比特可控分压电路的二进制代码控制。

2比特可控分压电路产生的11个等差分压，按相邻4个为一组，依次分成8组输入到8个精度为2比特的子DAC中。连接方法为：

第i个M比特的子DAC的第j输入端输入电压V（i+j），其中，0≤i≤7，0≤j≤3。例如，第2个M比特的子DAC的第3输入端的电压为V（2+3）=V（5）。具体连接方式如图3所示（其中虚线框内为8个2比特的子DAC，其余部分为一个3比特的子DAC）。

下面结合图2和图3具体分析如何使精度和范围可调：

如图2所示，2比特可控分压电路中，二进制码a1 a0的4种组合分别为a1 a0、a1a0b、a1b a0、a1b a0b。这里，a0b是指a0的反码，a1b是指a1的反码。

由于 PMOS开关的栅极接低电平时，PMOS管导通；NMOS开关的栅极接高电平时，NMOS管导通。确定2位二进制码后，4条并联支路中有且仅有一条导通，其中控制2个PMOS管的二进制码是控制2个NMOS管的二进制码的反码。

因此，当a1 a0=00时，a1 a0=00，a1b a0b=11；2比特可控分压电路的第1条通路导通，如图2所示。同时如图3中虚线框内部分所示，输入到第0个2比特子DAC的四个电压中，V<0>导通；第1个2比特子DAC：V<1>导通；第2个2比特子DAC：V<2>导通；第3个2比特子DAC：V<3>导通；第4个2比特子DAC：V<4>导通；第5个2比特子DAC：V<5>导通；第6个2比特子DAC：V<6>导通；第7个2比特子DAC：V<7>导通。精度为3比特的子DAC的输入IN<0>至IN<7>依次为V<0>至V<7>，最终输出由高位二进制代码a4 a3 a2确定。至此，可以得到，二进制代码a1 a0=00时，3比特子DAC的输入范围为V<0>至V<7>。

同理，a1 a0=01时，3比特子DAC的输入范围为V<1>至V<8>；a1 a0=10时，3比特子DAC的输入范围为V<2>至V<9>；a1 a0=11时，3比特子DAC的输入范围为V<3>至V<10>。所以，通过调节5位数模转换器的最低两位，可以调节电压范围。

5位数模转换器的精度，与2比特可控分压电路中PMOS管和NMOS管相串接的电阻大小有关。其中，电阻R3 > R2 > R1> R0，r3 > r2 > r1> r0。加在第1条通路中的电阻为R3、r3，那么4条通路中电流I4 > I3 > I2 > I1。10个分压电阻阻值相等，因此4条通路的精度依次增大，第1条通路的精度最小，第4条通路的精度最大。如此，便通过调节数模转换器的最低两位，以选个相应阻值的电阻，改变通路电流，从而实现了精度可调。

综合起来，二进制代码a1 a0=00时，3比特子DAC的输入范围为V<0>至V<7>，精度最小；a1 a0=01时，3比特子DAC的输入范围为V<1>至V<8>，精度较小；a1 a0=10时，3比特子DAC的输入范围为V<2>至V<9>，精度较大；a1 a0=11时，3比特子DAC的输入范围为V<3>至V<10>，精度最大。示意图如图4所示。因此，通过调节5位数模转换器的最低两位，可以调节电压范围以及数模转换器的精度。当5比特DAC中的最低两位确定时，依然还有8个电压可供选择。中间电压V<3>至V<7>出现的概率较大。与需要得到相对集中的电压的目的相吻合。

上文中参考附图对本发明的实施例的N位数模转换器进行了详细的说明。本发明另外的实施例中，还可以包括红外焦平面阵列读出电路，该红外焦平面阵列读出电路中可以包括前述的任一个实施例中的N位数模转换器。该红外焦平面阵列读出电路的其他结构可以与常用的红外焦平面阵列读出电路相同，在此不再详述。

本发明的实施例的N位数模转换器中，可以通过M位二进制代码控制2^M个精度和范围不同的电压区域，使得整个N位数模转换器的精度和范围可以调节，从而实现在一定的动态范围中适当的改变精度；通过有效利用N比特中的M个比特调节精度及范围，节约了比特数；本发明实施例中电压范围和精度的改变，可以随着电路需求，通过改变每条支路中的电阻阻值以及选取合适的M和K值实现，适用范围广。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (6)

1.一种N位数模转换器，其特征在于，包括：

M比特可控分压电路，所述M比特可控分压电路包括：

第一选通电路，所述第一选通电路用于从2^M条通路中选通一条通路；

第二选通电路，所述第二选通电路用于从2^M条通路中选通一条通路；

所述第一选通电路的输出端和所述第二选通电路的输出端之间串联至少2^K+2^M-1个等值电阻；

所述M比特可控分压电路包括2^K+2^M-1个输出端，其中每个所述等值电阻的一端是所述M比特可控分压电路的一个输出端；

其中M为小于N的自然数，K=N-M；

N比特开关电路，所述N比特开关电路包括：

至少一个K比特子数模转换器，所述K比特子模数转换器包括2^K个输入端；

至少2^K个M比特子模数转换器，每个所述M比特子模数转换器包括至少2^M个输入端；

每个所述M比特子模数转换器的输出端分别连接到所述K比特子模数转换器的一个输入端；

其中，第i个所述M比特子模数转换器的第j个输入端连接到所述M比特可控分压电路的第i+j个输出端，其中i为整数，j为整数，且0 ≤ i ≤ 2^K-1，0 ≤ j ≤ 2^M-1。

2.如权利要求1所述的N位数模转换器，其特征在于：

所述第一选通电路包括2^M条通路和M个控制输入端，所述2^M条通路并联连接到所述第一选通电路的输出端，所述2^M条通路中的每条通路包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且所述至少一个通路电阻与所述M个控制开关串联，所述M个控制开关的控制端分别连接到所述M个控制输入端。

3.如权利要求1所述的N位数模转换器，其特征在于：

所述第二选通电路包括2^M条通路和M个控制输入端，所述2^M条通路并联连接到所述第一选通电路的输出端，所述2^M条通路中的每条通路包括串联的M个控制开关和至少一个通路电阻，并且所述至少一个通路电阻与所述M个控制开关串联，所述M个控制开关的控制端分别连接到所述M个控制输入端。

4.如权利要求1所述的N位数模转换器，其特征在于：所述第一选通电路的输出端和所述2^K+2^M-1个等值电阻之间串联第一连接电阻。

5.如权利要求1所述的N位数模转换器，其特征在于：所述第二选通电路的输出端和所述2^K+2^M-1个等值电阻之间串联第二连接电阻。

6.一种红外焦平面阵列读出电路，其特征在于：包括如权利要求1至5中任意一项所述的N位数模转换器。