一種應(yīng)用于紅外焦平面陣列數(shù)字化讀出電路的比較器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域，是一種應(yīng)用于紅外焦平面數(shù)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(shù)】
[0002]紅外成像技術(shù)在軍事、科研和民用領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。紅外焦平面陣列(IRFPA:Infrared Focal Plane Array)是紅外成像系統(tǒng)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(xiàn)光電信號之間的轉(zhuǎn)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(shù)的成熟以及市場的需求而迅速發(fā)展，而紅外焦平面讀出電路的發(fā)展趨勢將向著大規(guī)?；?shù)字化讀出、更小像素間距、更高集成度等幾個方面發(fā)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(shù)進行發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展，對于高分辨率，便攜式成像系統(tǒng)的需求越來越大，為滿足這一要求，低功耗設(shè)計顯得尤為重要。
[0003]紅外焦平面讀出電路列集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研宄也日益成熟，但是將模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計要求，低功耗是一個非常重要的參數(shù)，對于逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)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(guī)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(yán)格，低面積的比較器將大大減小整列的面積。
[0004]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(shù)字化、大規(guī)?；⒏呒啥鹊囊饬x較為重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)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(fā)展，提出了一種新型的低功耗、低面積、高電壓向低電壓轉(zhuǎn)換的比較器?？梢越档土屑赡?shù)轉(zhuǎn)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。
[0006]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(yù)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(jié)果存在Latch中。
[0007]紅外焦平面讀出電路中的像素部分將紅外信號經(jīng)過積分、放大，為了提高信號的準(zhǔn)確性，放大后的模擬信號的擺幅在O?Vddi之間，這意味著輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號在O?Vddi之間，為了降低功耗，我們將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果用Vdd2電壓的數(shù)字碼流輸出(其中VDD1>
VDD2)。
[0008]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(xiàn)了高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換，比較器的比較部分主要有兩級模塊，比較器的第一級預(yù)防大電源電壓是
Vddi，第二級電源電壓是Vdd2。
[0009]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(tài)比較過程中，本系統(tǒng)中SAR ADC是單端輸入結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則該比較器是單端輸入結(jié)構(gòu)，一端輸入接入共模電壓Vcjr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(jié)構(gòu)，中間用一個復(fù)位開關(guān)控制比較器的比較過程。
[0010]動態(tài)比較器是使用時鐘信號來控制比較器的工作狀態(tài)，這種模式必定會帶來時鐘回踢效應(yīng)，從來導(dǎo)致輸入信號的擾動，從而影響整個比較器的精度，開關(guān)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(yīng)，A點電壓必須會出現(xiàn)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Vai固定，DAC的輸出接入比較器的另一端輸入Vin，遠(yuǎn)離開關(guān)，從而降低由于時鐘回踢帶來的影響。
[0011]比較器的兩種工作模式從以下來說明:初始，比較器的復(fù)位開關(guān)處于閉合狀態(tài)，比較器處于復(fù)位狀態(tài)，一種處于中間的亞穩(wěn)態(tài)，然后，開關(guān)斷開，比較器進入比較過程，由于電流的差異導(dǎo)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(jīng)過反相器整形得到最終結(jié)果，到此比較器比較階段結(jié)束。
[0012]本發(fā)明中提出的新型比較器，其優(yōu)點在于:
[0013](I)本發(fā)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(fā)展的趨勢，本發(fā)明中實現(xiàn)了比較過程中高電壓向低電壓的轉(zhuǎn)換，這是該種結(jié)構(gòu)的一大特點。
[0014](2)本發(fā)明中提出的結(jié)構(gòu)簡單，而且該比較器是一種混合電壓域設(shè)計的結(jié)構(gòu)，通過合理地選擇晶體管的尺寸，可以實現(xiàn)輸入級的較好的匹配，并且該種比較器可以應(yīng)用在現(xiàn)在很多模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。
【附圖說明】
[0015]圖1是紅外焦平面讀出電路列集成ADC架構(gòu)圖；
[0016]圖2是新型低功耗、低面積比較器的前三級電路圖。
[0017]圖3是新型低功耗、低面積比較器的控制時序圖。
【具體實施方式】
[0018]下面通過實施方式詳細(xì)說明本發(fā)明，該具體設(shè)計中Vddi是5V，Vdd2是1.8V。
[0019]該比較器的工作原理從以下展開:為了保證比較器在復(fù)位階段，比較器處于一種中間態(tài)，第一級尾電流為2L，第二級尾電流為I2，當(dāng)比較器輸入相同時，比較器處于一種穩(wěn)定態(tài)，A點無電流流過，比價器輸入有差異時，通過Ml和M2的電流出現(xiàn)差異，假設(shè)通過Ml的電流是Ι「Δ，則通過M2的電流是I1+Δ，通過A點的電流是2A，此時比較器處于這種亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)比較器的復(fù)位開關(guān)斷開時，通過M2和M4的電流大小不一致，從而導(dǎo)致A點上拉和下拉能力不一致，當(dāng)復(fù)位時A點的電壓處于中間電平，此時由于上拉、下拉能力差異導(dǎo)致A電壓變化，而此時比較過程電路的第二級可以看做一個反相器，當(dāng)A點的電壓大于或者小于翻轉(zhuǎn)電平，從而讓第二級出入快速上拉或者下拉，然后經(jīng)過反相器整形得到結(jié)果，同時，當(dāng)復(fù)位開關(guān)斷開后，第二級上下電流也有差異，所以電流的充放電能力讓Vo電壓上升或者下降。
[0020]控制比較器的時序設(shè)計在于，時序SI進行閉合復(fù)位斷開開始比較，當(dāng)?shù)玫秸_的比較結(jié)果后，S2為高電平，將比較器的結(jié)果鎖存在寄存器中，然后變?yōu)榈碗娖?，結(jié)果將保持在寄存器中，這時比較器可以開始下一次比較，并且這次比較器的結(jié)果不會受到下次比較的影響。
[0021]比較器的復(fù)位時間決定了比較器的速度，當(dāng)輸入差異越小時，復(fù)位所需要的時間就越大，M7的跨導(dǎo)gm7決定復(fù)位階段的時間。因為低功耗設(shè)計，電流不能很大，gm7不能非常大。如果Vin變?yōu)楹艽笊蠈?dǎo)致A點電壓改變很大的電壓，以大約IV時，將在復(fù)位階段需要大量時間用于穩(wěn)定狀態(tài)A處的節(jié)點。
[0022]在設(shè)計比較器的復(fù)位開關(guān)時，開關(guān)管M6的設(shè)計也是不可忽視的，開關(guān)尺寸的大小決定開關(guān)的速度，開關(guān)斷開后A點的電壓會出現(xiàn)波動，超過1.8V，所以M6必須要選用5V的管子，如果選用1.8V的管子作為開關(guān)管，否則管子可能被燒壞。
[0023]從噪聲和失調(diào)電壓方面考慮，輸入對管Ml、M2的尺寸取得大，從而減小Ι/f噪聲和輸入對管的失配，為了減小比較器的噪聲，電流源復(fù)制管M3、M4的尺寸不能很大。M5和M8管子的Vdsat較大，增強其電流的復(fù)制能力和降低噪聲。
[0024]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種新型的低功耗、低面積比較器，應(yīng)用于紅外焦平面數(shù)字化讀出電路中的列集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該比較器是一種新型的混合電壓域設(shè)計的低功耗、低面積比較器，時鐘SI控制比較，S2控制鎖存，比較器鎖存的結(jié)果不會受到下次比較的影響，作為尾電流管的晶體管M5、M8，作為輸入管的晶體管Ml和M2，作為電流鏡復(fù)制的晶體管M3和M4，作為開關(guān)的晶體管M6，作為負(fù)載的晶體管M7，當(dāng)SI為電源電壓時比較器是復(fù)位階段，此時比較器處于一種中間態(tài)，SI為零電壓時，比較器開始比較，而當(dāng)S2是電源電壓時鎖存器將結(jié)果鎖存，S2為零電壓時保持比較后的結(jié)果。
2.如權(quán)利I中所述的方法，其特征在于，輸入對管Ml、M2的W、L尺寸很大，降低其1/f噪聲和減小其失配，M5和M8管子的Vdsat較大，增強其電流的復(fù)制能力和降低噪聲，電流源復(fù)制管M3、M4的尺寸不能很大，A點看到的寄生電容不能很大，否則會影響復(fù)位的時間，當(dāng)輸入差異越小時，復(fù)位所需要的時間就越大，M7的跨導(dǎo)gm7決定復(fù)位階段的時間。
3.如權(quán)利I中所述的新型低功耗、低面積比較器，其特征在于單端輸入結(jié)構(gòu)，靠近復(fù)位點的輸入端Vip接入共模電平，另一輸入端Vin接入來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出，可以減小時鐘回踢對輸入造成的影響。
4.如權(quán)利I中所述的方法，其特征在于，M6是開關(guān)管，連接第一級和第二級之間，通過開關(guān)M6的閉合，將比較器的狀態(tài)復(fù)位至中間態(tài)，開關(guān)管的尺寸一般較小，而且M6管必須是高電壓的MOS晶體管，否則可能會被擊穿。
【專利摘要】本發(fā)明中公開了一種應(yīng)用于紅外焦平面陣列讀出電路的列集成SAR ADC中的新型低功耗、低面積、混合電壓域設(shè)計的比較器，隨著紅外焦平面數(shù)字化讀出電路向低功耗、大規(guī)模、更小的像素間距尺寸、更高集成度發(fā)展，對于集成電路的要求也越來越嚴(yán)格，一種低功耗、低面積的比較器對于未來的發(fā)展意義較為重大，該比較器在比較過程中實現(xiàn)了高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換，初始復(fù)位至中間態(tài)，比較過程斷開復(fù)位開關(guān)，根據(jù)輸入電壓的差異造成的通路電流的差異導(dǎo)致上拉、下拉的能力不同得出正確的比較結(jié)果，這不僅降低了功耗，也降低了面積，通過時鐘控制，將比較器的結(jié)果鎖存，下一次的比較不會對這次比較器的結(jié)果造成影響。
【IPC分類】H03M1-12
【公開號】CN104767526
【申請?zhí)枴緾N201510192140
【發(fā)明人】梁杰, 魯文高, 朱華兵, 劉大河, 張璐雅, 陳中建, 張雅聰
【申請人】北京大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月21日