一种基于时间粗细量化的模数转换电路和红外成像仪的制作方法

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于时间粗细量化的模数转换电路和红外成像仪。

背景技术：

1、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。读出电路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。对于红外焦平面阵列，尤其是长波红外，采用像素级模数转换器(adc)可以显著提升电荷处理能力。

2、目前传统的基于pfm的像素级模数转化器通常由pfm环路及n位计数器组成，信号电流在积分电容上进行折叠积分，通过多次计数实现信号量化，但由于像素面积限制了积分电容的大小，其精度和线性度之间存在折衷。

3、这种两级模数转换结构在折叠积分过程中采用电压复位的方式，积分结束后将积分电容上的残余电压采样至列级电路中进行二级量化。为了提高电荷处理能力，传统电路通常采用单位面积电容值大的mos积分电容。另外，为了保证残余电压量化的准确性，传统像素级电路要求mos积分电容工作在单位面积电容值较大且基本不变的有限区间内。

4、正因为如此，在对mos积分电容进行复位时，每次都会注入一个与复位时电容大小成正比的ktc热噪声电荷。同时mos积分电容两端压差变化有限，因此积分电压的摆幅受限。因此，传统的像素级电路存在信噪比难以提高和电荷处理能力较弱问题。此外，残余电压在像素级电路和列级电路之间转移的过程中会发生偏差，导致非线性问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于时间粗细量化的模数转换电路和红外成像仪。

2、本发明实施例第一方面提供一种基于时间粗细量化的模数转换电路，所述模数转换电路包括：积分模块、数字处理模块、电荷复位模块、计数存储模块；

3、所述积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于所述积分电压产生翻转信号，所述翻转信号经或门运算后得到脉冲信号并传输至所述数字处理模块和所述计数存储模块，其中所述或门的另一个输入信号为来自于像素外控制单元的控制信号；

4、所述数字处理模块对所述脉冲信号进行处理得到两个电荷注入信号并传输至所述电荷复位模块；

5、所述电荷复位模块根据两个所述电荷注入信号，向所述积分模块中的积分电容注入电荷，复位所述积分电容；

6、所述计数存储模块基于所述脉冲信号进行计数并存储，得到对应所述光电流的量化结果；

7、其中，所述计数存储模块包括：计数器、高位存储模块以及低位存储模块；

8、所述计数器在所述固定积分时间内，以所述脉冲信号作为时钟信号进行计数，且将计数结果传输至所述高位存储模块进行存储，之后自身进行复位；

9、所述光电流在所述固定积分时间结束之后，依旧在所述积分电容上进行积分，完成最后一次翻转；

10、在所述最后一次翻转开始时，所述像素外控制单元变更所述控制信号为时钟信号，并经所述或门运算后得到新脉冲信号传输至所述计数器；

11、所述计数器对所述新脉冲信号进行计数，直至所述最后一次翻转结束时计数停止，得到计数结果并传输至所述低位存储模块进行存储，之后自身进行复位；

12、所述高位存储模块中存储的高位计数结果与所述低位存储模块中存储的低位计数结果之和即为所述量化结果。

13、可选地，所述高位存储模块和所述低位存储模块布置于像素内；或者，

14、所述高位存储模块和所述低位存储模块布置于列级内；

15、在所述高位存储模块和所述低位存储模块均布置于像素内的情况下，所述模数转换电路为完全像素集成电路，一个像素对应一个完全像素集成电路；

16、在所述高位存储模块和所述低位存储模块均布置于列级内的情况下，所述模数转换电路为非完全像素集成电路，一个像素对应一个非完全像素集成电路，一列像素对应一个高位存储模块和一个低位存储模块。

17、可选地，所述高位存储模块与所述计数器之间设有第一控制开关，所述第一控制开关受控于来自所述像素外控制单元的高位计数信号；

18、所述低位存储模块与所述计数器之间设有第二控制开关，所述第二控制开关受控于来自所述像素外控制单元的低位计数信号；

19、其中，所述第一控制开关闭合时，所述高位存储模块接收并存储所述高位计数结果；

20、所述第二开关闭合时，所述低位存储模块接收并存储所述低位计数结果。

21、可选地，所述数字处理模块包括：逻辑单元；

22、所述逻辑单元与所述或门和所述电荷复位模块分别连接；

23、所述逻辑单元接收所述或门输出的脉冲信号，产生两个所述电荷注入信号，并传输至所述电荷复位模块。

24、可选地，所述逻辑单元包括：与门、第一非门、第二非门、第一或非门以及第二或非门；

25、所述与门的两个输入端分别接收脉冲信号和积分信号；

26、所述与门的输出端与所述第一非门的输入端、所述第二或非门的第二输入端分别连接；

27、所述第一非门的输出端与所述第一或非门的第一输入端连接；

28、所述第一或非门的第二输入端与所述第二或非门的输出端连接；

29、所述第一或非门的输出端与所述第二非门的输入端、所述第二或非门的第一输入端分别连接；

30、所述第二非门的输出端输出两个所述电荷注入信号中的第一电荷注入信号；

31、所述第二或非门的输出端输出两个所述电荷注入信号中的第二电荷注入信号。

32、可选地，所述电荷注入单元包括：第一mos管、第二mos管、第三mos管；

33、所述第一mos管的第二端受控于第一固定电压；

34、所述第一mos管的第一端接收所述第一电荷注入信号；

35、所述第一mos管的第三端与所述第二mos管的第一端连接；

36、所述第二mos管的第二端受控于所述第二固定电压；

37、所述第二mos管的第三端与所述第三mos管的第一端连接；

38、所述第三mos管的第二端受控于所述第二电荷注入信号；

39、所述第三mos管的第三端与所述积分模块连接。

40、可选地，所述积分模块包括：探测器、mos管开关、积分电容、总复位开关以及比较器；

41、所述探测器的一端接地，另一端与所述mos管开关的第一端连接；

42、所述mos管开关的第二端受控于外部开关信号；

43、所述mos管开关的第三端与所述第三mos管的第三端、所述总复位开关的第二端、所述积分电容的第一端以及所述比较器的第一输入端分别连接；

44、所述总复位开关的第一端接收总复位电压；

45、所述积分电容的第二端接地；

46、所述比较器的第二输入端接收参考电压；

47、所述比较器的输出端输出所述翻转信号。

48、可选地，在所述固定积分时间内，所述积分信号为高电平；

49、在所述固定积分时间结束后，所述积分信号为低电平。

50、可选地，两个所述电荷注入信号中第一电荷注入信号的低电平持续时间，大于两个所述电荷注入信号中第二电荷注入信号的低电平持续时间。

51、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：如第一方面任一所述的基于时间粗细量化的模数转换电路。

52、本发明提供的基于时间粗细量化的模数转换电路，积分模块在固定积分时间内，对光电流进行积分得到积分电压，并基于积分电压产生翻转信号，该翻转信号经或门运算后得到脉冲信号并传输至数字处理模块和计数存储模块；数字处理模块对脉冲信号进行处理得到两个电荷注入信号并传输至电荷复位模块；电荷复位模块根据两个电荷注入信号，向积分模块中的积分电容注入电荷，复位积分电容；计数存储模块基于脉冲信号进行计数并存储，得到对应光电流的量化结果。

53、这其中，计数器在固定积分时间内，以脉冲信号作为时钟信号进行计数，且将计数结果传输至高位存储模块进行存储，之后自身进行复。区别于传统的固定积分时间结束后光电流不会再在积分电容上翻转的方式，本发明的光电流在固定积分时间结束之后，依旧在积分电容上进行积分，完成最后一次翻转。

54、而在最后一次翻转开始时，像素外控制单元变更控制信号为时钟信号，并经或门运算后得到新脉冲信号传输至计数器；计数器对新脉冲信号进行计数，直至最后一次翻转结束时计数停止，得到计数结果并传输至低位存储模块进行存储，之后自身进行复位。高位存储模块中存储的高位计数结果与低位存储模块中存储的低位计数结果之和即为最终的量化结果。

55、本发明的光电流最终的量化结果，仅仅与两次量化的数字量：高位计数结果、低位计数结果相关，与积分电容的大小无关，即所提出的电路对积分电容的工作区间没有要求。因此，在采用单位面积电容值较大的mos电容为积分电容时，积分电容两端压差可以从单位面积电容值较大的稳定工作区间变化到单位面积电容值较小的工作区间。从而，所提出的电路中mos积分电容上的电压摆幅远大于传统电路中mos积分电容上的电压摆幅，同时，像素级电路的电荷处理能力也得到明显提高。

56、此外，在像素级电路内部对光电流进行量化，减小了像素内部的电压信号转移到列级电路时带来的电压偏差，从而减小了非线性。同时消除了像素级电路与列级电路信号传输过程中引入的噪声和非线性，最终提高了读出电路的信噪比和线性度，降低了读出电路的功耗。