一种测量电流或电容的数字积分电荷-数字转换电路制造技术

本发明专利技术公开了一种数字积分电荷

【技术实现步骤摘要】
一种测量电流或电容的数字积分电荷
‑
数字转换电路


[0001]本专利技术属于电子电路领域，涉及一种测量电流或电容的数字积分电荷
‑
数字转换电路。本专利技术适合应用于包括CMOS图像传感器、红外探测器等光电探测器以及电容传感器等在内的读出电路。

技术介绍

[0002]在图像传感器和红外探测器等光电探测器中，读出电路的像元与光电探测器单元一一对应互连，其主要任务是将探测器产生的光电流提取、放大、积分并转换为电压信号后输出。像元电路的工作原理是信号电流I
p
在积分电容C
int
上积分，经过一定积分时间T
int
，电容两端的电压V
int
经多路开关输出，此时电容内存储的电荷为Q，由下式给出：
[0003][0004]经过像元电路的积分后，信号线性累加，而噪声是均方根累加，输出信号的信噪比与积分时间的平方根成正比。加长积分时间可以提高探测器输出信号的信噪比和动态范围。但积分时间的延长受限于读出电路像元的电荷存储容量Qmax，由下式给出：
[0005]Q
max
＝I
p
T
int_max
＝C
int
V
int_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0006]像元电路的最大输出电压V
int_max
是受限于电源电压的，因此电荷存储容量Q
max
主要由积分电容的容量限制，也即读出电路的动态范围由积分电容的容量限制。要增加探测器输出光电流的积分时间，必须加大积分电容的容量。
[0007]由于积分电容必须集成在每个像元的面积内，目前的硅CMOS工艺条件下可以集成的电容其单位电容值为每平方微米数个fF。假设像元面积为20μm
×
20μm，在像元内可集成的电容最大值仅为2pF。假设积分电容容量为2pF，电源电压为3.3V，像元电路的电荷存储容量约为41Me
‑
。在最大输出电压3.3V，光电流为10nA时，最长积分时间为：
[0008][0009]如果将光电探测器的暗电流及背景电流计入，最长积分时间还将更短。与通常图像传感器或红外探测器的成帧时间20ms相比，只有不到4％的时间用于光电流积分，其余时间都没有得到应用，限制了光电探测器性能的进一步提高。
[0010]随着探测器像元数的进一步增加，像元尺寸不断缩小，在像元内集成的积分电容容量不断减小，导致读出电路电荷存储容量限制成为影响光电探测器性能的最主要因素之一。
[0011]为突破像元电路的电荷存储容量限制，文献[1]利用数字积分技术来增大电荷存储容量。其工作原理是积分电容C
int
上的电压V
int
每达到比较器阈值电压V
th
时就触发自动复位，将积分电容上的电荷清空，同时令计数器加1，在积分时间内多次重复这样的过程。数字积分技术将度量电容上单次积分电压绝对值的方式变为多次积分次数的计数值N，从而避
SPIE,2010,7834:78340J.

技术实现思路

[0030]本专利技术的目的是提供一种测量电流或电容的数字积分电荷
‑
数字转换电路，特别是通过一种增大电荷存储容量、提高线性度的数字积分电荷
‑
数字转换电路，一方面采用数字积分技术克服传统模拟积分存在的电荷存储容量受限问题，另一方面还要解决已有电压复位结构的数字积分技术存在的输出响应非线性缺陷，从而在提高电荷
‑
数字转换的信噪比和动态范围的同时，保证输出线性度，提高光电探测器、电流测量和电容测量传感器的性能。
[0031]本专利技术的总体构思包括：
[0032](1)使用单位电荷存储电容Co和与之相连的两个开关，在电流积分到触发比较器翻转时，用单位电荷Qo补充积分电容上被泄放的电荷，取代传统数字积分对电压复位的方式，避免了比较器判决电压和延迟时间的影响，提高了电荷
‑
数字转换的线性度。
[0033](2)控制单位电荷存储电容或被测电容Co进行存储电荷和转移电荷的开关控制信号S1和S2，其有效电平是非交叠的，以避免电荷泄漏造成误差。
[0034](3)控制信号产生电路和计数器的输入，是由单稳态电路产生，特征在于每一次积分过程中比较器输出发生翻转只产生一个脉冲Vp，且其有效电平宽度是由单稳态电路决定，不受比较器等其他电路影响。目的是避免在一次积分过程中因为供电电压等非理想因素干扰产生错误的多个脉冲，造成计数器误计数和单位电容存储和转移的错误操作。
[0035](4)本专利技术不仅针对图1和图2所示的电流Ip对积分电容放电的积分情况，也适用于电流Ip对积分电容充电的积分情况。
[0036]本专利技术为实现上述目的采用的技术方案为：
[0037]根据第一方面，本专利技术提供一种测量电流的数字积分电荷
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数字转换电路，由注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、控制信号产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容组成，其中：
[0038]所述注入管的一端连接产生被测电流的器件，另一端连接积分电容的上极板和比较器的一个输入端；积分电容的下极板连接公共电压Vcom；比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和控制信号产生电路的输入；控制信号产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；单位电荷存储电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。
[0039]进一步地，通过RST、Vp、S1和S2等信号的时序关系完成电流到数字的积分转换，其中：
[0040]电压VB通过注入管对产生被测电流的器件提供合适的偏置条件；首先复位信号RST有效，打开复位开关，令积分电容Cint上的电压Vint被复位到Vrst，同时计数器复位；然后复位信号RST无效，关断复位开关，开始积分，即待测电流Ip泄放积分电容Cint上的电荷，当积分电压Vint下降到低于比较器判决电压Vth时，比较器输出Vout翻转，经过单稳态电路
产生脉冲信号Vp，计数器输出Do加1；脉冲信号Vp经过控制信号产生电路产生两个控制信号S1和S2，其中S1控制电荷存储开关，S2控制电荷转移开关；在积分电容Cint复位和积分期间，S1有效，闭合电荷存储开关，将单位电荷存储电容Co连接到复位电压Vrst，从而单位电荷Qo储存到电荷存储电容Co上，此期间S2无效，断开电荷转移开关；在单稳态电路输出脉冲信号Vp有效时，S1无效，断开电荷存储开关，经过一定的时间间隔后，S2有效，闭合电荷转移开关，将单位电荷Qo本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量电流的数字积分电荷
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数字转换电路，其特征在于，该电路由注入管、积分电容、复位开关、比较器、单稳态电路、计数器、控制信号产生电路、电荷存储开关、电荷转移开关和单位电荷存储电容组成，其中：所述注入管的一端连接产生被测电流的器件，另一端连接积分电容的上极板和比较器的一个输入端；所述积分电容的下极板连接公共电压Vcom；所述比较器的另一个输入端连接判决电压Vth，其输出端连接单稳态电路的输入，单稳态电路的输出连接计数器的输入和控制信号产生电路的输入；所述控制信号产生电路的第一个输出信号S1控制电荷存储开关，第二个输出信号S2控制电荷转移开关；所述单位电荷存储电容的一个极板连接电荷存储开关和电荷转移开关，另一个极板连接参考电压Vref；所述电荷存储开关的另一端连接复位电压Vrst；所述电荷转移开关的另一端连接积分电容的上极板；所述复位开关的一端连接复位电压Vrst，另一端连接积分电容的上极板。2.根据权利要求1所述的测量电流的数字积分电荷
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数字转换电路，其特征在于：所述控制信号产生电路的输出信号S1和S2的有效电平不产生交叠，即：当S1有效时S2无效，当S2有效时S1无效。3.根据权利要求2所述的测量电流的数字积分电荷
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数字转换电路，其特征在于：所述输出信号S1和S2的有效电平为高电平。4.根据权利要求2所述的测量电流的数字积分电荷
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数字转换电路，其特征在于：所述输出信号S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈楠，姚立斌，张济清，李正芬，李志浩，李珊珊，马伊娜，张娟，
申请(专利权)人：昆明物理研究所，
类型：发明
国别省市：