红外成像读出专用集成电路和红外成像仪

1.本发明涉及专用集成电路领域，尤其涉及一种红外成像读出专用集成电路和红外成像仪。


背景技术：

2.红外成像是通过探测物体所发出的红外辐射来识别物体的技术，目前被广泛应用于军事、空间技术、医学等领域。红外焦平面阵列组件是红外成像系统的主体，该组件由红外探测器和红外焦平面读出电路组成。红外读出专用集成电路(application specific integrated circuit缩写asic)是将红外探测器产生的电信号进行转换并输出给片外的信号处理系统。数字化读出方案因为具有噪声低、精度高的特点，受到越来越多的研究关注，而模数转换器是数字化读出asic的关键技术。
3.目前基于环形振荡器的adc(模数转换器)架构，其基本原理是利用环形振荡器的振荡频率与控制电压(或者电流)成正比的特性，通过检测环形振荡器的频率(或者相位)得到数字码，该数字码即为模数转换的结果。在整个模数转换过程中，环形振荡器代替了传统adc结构中的电容，充当着积分器的作用，结构更为简洁，并且振荡器的尺寸可以随着工艺节点的缩小而缩小，相比于电容积分而言更适用于先进工艺，因此可以用于实现低功耗、小面积、高精度adc。
4.但目前环形振荡器只检测振荡器某一点的振荡频率，将损失精度；如果通过倍频的方式将n级振荡器的频率增大n倍，那么计数器的功耗也会增大n倍。同时由于需要倍频，还需要额外增加实现倍频功能的电路，间接增加了设备的复杂度、面积开销和功耗，不利于adc的小型化。


技术实现要素：

5.本发明提供一种红外成像读出专用集成电路和红外成像仪，提出了一种不降低量化精度的同时，有效减小模数转换电路面积开销和功耗的技术方案。
6.本发明实施例第一方面提供一种红外成像读出专用集成电路，所述专用集成电路包括：环形振荡器、采样单元以及计数器；
7.所述环形振荡器包括：多级反相器；
8.所述环形振荡器接收信号电流，产生脉冲信号，并将所述脉冲信号传输至所述计数器，所述计数器对所述脉冲信号进行计数，得到振荡次数；
9.所述采样单元与所述多级反相器连接，用于采样所述多级反相器的相位，并传输至数字寄存器；
10.其中，在每个模数转换周期结束时，基于采样信号，将所述多级反相器的相位以及所述振荡次数存储于所述数字寄存器中，并通过所述数字寄存器输出。
11.可选地，所述采样单元包括：多个采样子单元；
12.所述多级反相器中每级反相器的输出端，均连接有一个采样子单元；
13.每个采样子单元采样与其连接的反相器的相位，并在接收到所述采样信号时，输出所述相位。
14.可选地，所述计数器与所述多级反相器中第一级反相器的输入端，以及一个采样子单元分别连接；
15.所述采样子单元的数量大于所述环形振荡器的级数。
16.可选地，若所述多级反相器的级数为n，则所述环形振荡器具有2n个相位，所述环形振荡器在一个模数转换周期内，基于所述2n个相位进行周期循环。
17.可选地，所述环形振荡器基于所述信号电流开始振荡时，所述计数器记录所述第一级反相器输入端的振荡次数；
18.在每个模数转换周期结束时，控制器发送所述采样信号，与每一级反相器输出端连接的采样子单元将与其连接的反相器的相位存储于所述数字寄存器中，与所述计数器连接的采样子单元将所述振荡次数存储于所述数字寄存器中，所述相位和所述振荡次数作为模数转换的结果，均通过所述数字寄存器输出。
19.可选地，所述每一级反相器的振荡频率与所述信号电流大小的关系根据以下方式得到：
20.对所述每级反相器的电容与所述环形振荡器振荡的电压幅度进行乘积运算，得到第一乘积结果；
21.以所述信号电流的大小为被除数，以所述第一乘积结果为除数，对两者进行相除运算，得到所述每一级反相器的振荡频率。
22.可选地，每个模数转换周期结束时，模数转换的结果根据以下方式得到：
23.对所述振荡次数与所述环形振荡器的级数进行乘积运算，得到第二乘积结果；
24.对所述多级反相器的相位与所述第二乘积结果进行求和运算，得到所述模数转换的结果。
25.本发明实施例第二方面提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括：光电流探测器以及如第一方面任一所述的红外成像读出专用集成电路。
26.本发明提供的红外成像读出专用集成电路，环形振荡器接收信号电流，产生脉冲信号，并将脉冲信号传输至计数器，计数器对脉冲信号进行计数，得到振荡次数；采样单元与多级反相器连接，用于采样多级反相器的相位，并传输至数字寄存器。在每个模数转换周期结束时，基于采样信号，将多级反相器的相位以及振荡次数存储于数字寄存器中，并通过数字寄存器输出。
27.基于该种结构，没有倍频操作，仅在每次积分结束之后获取相位的信息和振荡器的振荡次数即可实现与倍频操作一样的精度，大大降低计数器和采样电路的功耗和复杂度。在不降低精度的前提下，有效地减小了模数转换电路的面积开销和功耗，极为适合在小像元、先进工艺下实现列级或者像素级adc。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例一种优选的红外成像读出专用集成电路的结构示意图；
30.图2是本发明实施例另一种优选的红外成像读出专用集成电路的结构示意图；
31.图3是本发明实施例中3级反相器的环形振荡器的时序示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明实施例的红外成像读出专用集成电路包括：环形振荡器、采样单元以及计数器；环形振荡器包括：多级反相器；环形振荡器接收信号电流，产生脉冲信号，该脉冲信号即为环形振荡器的振荡频率的信号。将该脉冲信号传输至计数器，计数器对脉冲信号进行计数，得到振荡次数。
34.采样单元与多级反相器连接，用于采样多级反相器的相位，并传输至数字寄存器；其中，在每个模数转换周期结束时，基于采样信号，将多级反相器的相位以及振荡次数存储于数字寄存器中，并通过数字寄存器输出。
35.具体的，采样单元包括：多个采样子单元；多级反相器中每级反相器的输出端，均连接有一个采样子单元；每个采样子单元采样与其连接的反相器的相位，并在接收到采样信号时，输出相位。计数器与多级反相器中第一级反相器的输入端，以及一个采样子单元分别连接；可以理解的是，采样子单元的数量大于环形振荡器的级数。由于计数器连接了一个采样子单元，而每级反相器各连接有一个采样子单元，因此实质上，采样子单元的数量比环形振荡器的级数多一。例如：环形振荡器的级数为3级，那么采样子单元的数量就为4，以此类推。
36.基于上述结构，若多级反相器的级数为n，则环形振荡器具有2n个相位，环形振荡器在一个模数转换周期内，基于2n个相位进行周期循环。环形振荡器基于信号电流开始振荡时，计数器记录第一级反相器输入端的振荡次数；在每个模数转换周期结束时，控制器发送采样信号，与每一级反相器输出端连接的采样子单元将与其连接的反相器的相位存储于数字寄存器中，与计数器连接的采样子单元将振荡次数存储于数字寄存器中，相位和振荡次数作为模数转换的结果，均通过数字寄存器输出。
37.为了更清楚的说明上述红外成像读出专用集成电路，参照图1，示出了一种优选的红外成像读出专用集成电路的结构示意图，该优选的专用集成电路是以列级读出专用集成电路为例示意。图1中包括：盲元blind、感光像元px、跨导放大器gm、开关管m、环形振荡器vco、多个采样子单元sh、计数器counter、数字寄存器register。
38.环形振荡器vco包括：多级反相器q1、q2、q3…qn
。第一级反相器q1的输出端连接一个采样子单元sh，第二级反相器q2的输出端也连接一个采样子单元sh，第三级反相器q3的输出端也连接一个采样子单元sh，以此类推，第n级反相器qn的输出端也连接一个采样子单元sh。
39.计数器counter与第一级反相器q1的输入端，以及一个采样子单元sh分别连接。
级，采样子单元sh的数量为n 1个。
40.图1红外成像读出专用集成电路的工作原理为：任一积分量化周期开始时，开关管m接收导通信号int导通。跨导放大器gm将感光像元px和盲元blind的电压差，即v
in
和v
blind
的电压差转为信号电流i
sig
，该信号电路i
sig
即为流入环形振荡器vco的电流。环形振荡器vco开始振荡。
41.由于环形振荡器vco中每级反相器的振荡频率相同，因此，计数器counter仅需要对第一级反相器q1输入端的振荡频率进行计数，即可得到振荡次数，同时，与每级反相器连接的采样子单元sh均各自采样对应反相器的相位。在该积分量化周期结束的时候，控制器发送一个采样信号φ
sh
，所有采样子单元sh同时将计数器counter得到的振荡次数以及每级反相器的相位记录下来，存储于数字寄存器register中，并通过数字寄存器register输出，振荡次数以及每级反相器的相位即作为此次积分量化周期内的模数转换的结果。
42.由于本发明的红外成像读出专用集成电路还可以应用在像素级的adc，因此参照图2，示出了另一种优选的红外成像读出专用集成电路的结构示意图，图2中包括：电路探测器cdr、开关管m、环形振荡器vco、多个采样子单元sh、计数器counter、数字寄存器register。像素级模数转换电路在任一积分量化周期开始时，是由电路探测器cdr直接产生信号电流i
sig
，其余工作原理与列级模数转换电路相同，不再赘述。
43.对于相位分布，以3级反相器的环形振荡器的6个相位分布为例，下表1给出了相位分布，p0～p5分布表示不同的相位分布，每个相位为60度。
[0044][0045]
表1
[0046]
结合图3所示的3级反相器的环形振荡器的时序示意图，开始时，复位信号φ
rst
将环形振荡器复位到p0相位，复位结束之后，环形振荡器开始振荡，计数器counter记录第一
级反相器q1输入端的振荡次数，在积分量化周期t的末尾，发出采样信号φ
sh
，将3级反相器q1、q2、q3以及计数器counter的振荡次数存储在数字寄存器register中，随后输出。
[0047]
根据环形振荡器自身的特性，每一级反相器的振荡频率f
cco，q
与信号电流大小的关系根据以下方式得到：
[0048]
对每级反相器的电容与环形振荡器振荡的电压幅度进行乘积运算，得到第一乘积结果；
[0049]
以信号电流的大小为被除数，以第一乘积结果为除数，对两者进行相除运算，得到每一级反相器的振荡频率。
[0050]
用公式表达为：
[0051][0052]
其中，f
cco
，q表示每一级反相器的振荡频率，i
sig
表示信号电流大小，n表示多级反相器的级数，c
cco
表示每级反相器的电容，u表示环形振荡器振荡的电压幅度。
[0053]
那么对于列级模数转换电路来说，跨导放大器gm将电压差转为信号电流，环形振荡器频率和电压差的关系为：
[0054][0055]
其中，gm表示跨导放大器gm的跨导，v
in
表示感光像元px的电压，v
blind
表示盲元blind的电压。
[0056]
每个模数转换周期结束时，模数转换的结果根据以下方式得到：
[0057]
对振荡次数与环形振荡器的级数进行乘积运算，得到第二乘积结果；
[0058]
对多级反相器的相位与第二乘积结果进行求和运算，得到模数转换的结果。
[0059]
用公式表达为：
[0060]
dout＝n
·
k1 k2[0061]
其中，dout表示模数转换的结果，k1表示振荡次数，k2表示多级反相器的相位。
[0062]
基于上述红外成像读出专用集成电路，本发明实施例还提供一种红外成像仪，所述红外成像仪包括如上任一所述的红外成像读出专用集成电路。
[0063]
通过上述示例，本发明红外成像读出专用集成电路，环形振荡器接收信号电流，产生脉冲信号，并将脉冲信号传输至计数器，计数器对脉冲信号进行计数，得到振荡次数；采样单元与多级反相器连接，用于采样多级反相器的相位，并传输至数字寄存器。在每个模数转换周期结束时，基于采样信号，将多级反相器的相位以及振荡次数存储于数字寄存器中，并通过数字寄存器输出。
[0064]
基于该种结构，没有倍频操作，仅在每次积分结束之后获取相位的信息和振荡器的振荡次数即可实现与倍频操作一样的精度，大大降低计数器和采样电路的功耗和复杂度。在不降低精度的前提下，有效地减小了模数转换电路的面积开销和功耗，极为适合在小像元、先进工艺下实现列级或者像素级adc。
[0065]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而
且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0066]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。