基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路制造技术

一种基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路，包括前级电压存储结构、前置放大器及开环比较器。其中前级电压存储结构由电阻、电容、开关组成，可拓宽比较器输入范围，进而拓宽RAMP ADC量化范围；前置放大器负载对管栅漏两极之间分别接入两个开关，栅源两极之间分别接入两个用于存储失调电压的容值相同的电容，用于校准失调电压，进而增加RAMP ADC精度；开环比较器采用两级放大器结构，利用鱼群优化算法对电路参数进行优化，以达到低功耗、高增益及高速等特点。本发明专利技术对电路结构进行设计，具有低失调电压，宽比较范围的特点，同时利用鱼群算法对电路进行参数设计，避免了以往电路设计中手动调节参数带来的不便。

【技术实现步骤摘要】
基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路
本专利技术属于模拟集成电路设计领域，涉及一种对单端输入信号进行比较的比较器电路设计方法，具体涉及一种用于图像传感器列级模数转换器的具有低失调电压及宽比较范围特点的比较器电路设计方法。
技术介绍
近年来，CMOS图像传感器因其集成度高及低成本等特点被广泛地应用到人们的生活中。而模数转换器(Analog/DigitalConverter，ADC)是CMOS图像传感器中的重要组成部分，实现像素输出的模拟电压信号与数字信号的转换，它对CMOS图像传感器的性能有着至关重要的影响。CMOS图像传感器中，依据ADC的应用可以分为像素级ADC、列级ADC以及芯片级ADC。其中，列级斜坡模数转换器(RAMPADC)因其在图像传感器速度、设计复杂度以及功耗等方面良好的平衡，已经成为目前CMOS图像传感器的主流ADC结构。比较器电路是RAMPADC中的一个重要组成部分。比较器的性能直接影响着RAMPADC的精度和功耗。比较器的两个重要性能参数是失调电压及比较器输入电压范围。比较器失调电压过大将直接导致RAMPADC的精度下降。而在RAMPADC中输入模拟信号经过采样后直接输入到比较器中，如果输入电压过小，无法达到比较器输入管的阈值电压，比较器将不能正常工作，进一步导致RAMPADC产生错误的数字信号输出。所以比较器的输入电压范围对RAMPADC的量化范围有着至关重要的影响。已有文献表明，目前RAMPADC中常用的比较器采用的具有失调校准结构比较器电路，尽管其降低了失调电压，提高了比较器精度，然而存在比较范围低的问题。此外，随着集成电路规模的增大，元件显著增多，因此传统先初步计算再手动调节元件参数的方式不利于比较器电路中参数的有效调节，从而导致整体电路的性能不能达到最优。因此针对以上两个问题，提出一种面向大规模图像传感器的高精度高量化范围RAMPADC中的低失调宽范围的比较器电路设计方法，具有重要的工程意义
技术实现思路
针对现有设计图像传感器RAMPADC过程中存在的问题，本专利技术提出了一种基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路设计方法。本专利技术首先对RAMPADC中的比较器电路进行设计，电路结构包括前级电压存储结构、前置放大器及开环比较器。其中前级电压存储结构由电阻、电容、开关组成，可拓宽比较器输入范围，进而拓宽RAMPADC量化范围；前置放大器负载对管栅漏两极之间分别接入两个开关，栅源两极之间分别接入两个用于存储失调电压的容值相同的电容，用于校准失调电压，进而增加RAMPADC精度使比较器电路同时具有低失调电压，高量化范围的特点。进一步，为了避免了手动调节电路参数带来的不便，采用基于人工鱼群算法的群体智能优化算法对开环比较器参数进行优化，该算法对初值与参数选择不敏感，鲁棒性强。本专利技术的设计方法可有效降低比较器失调电压，提高CMOS图像传感器列级RAMPADC的精度，进而提升CMOS图像传感器性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提出一种基于鱼群算法的低失调宽范围的比较器电路的设计方法。本专利技术所设计的电路结构包括电压存储结构、带有失调校准的前置放大器以及开环比较器结构。电压存储结构包括两个阻值相同的第一电阻、第二电阻、第一开关至第六开关以及两个容值相同第三电容、第四电容。第一电阻及第二电阻串联接在比较器的两个输入端。第二开关的一端与第一开关的一端分别接比较器的两个输入端，另一端分别接第三电容上极板及第四电容上极板。第三开关及第四开关串联在第三电容上极板及第四电容上极板之间。第五开关一端及第六开关一端接到外部输入共模电压VCM，另一端分别接第三电容下极板及第四电容下极板。具有失调校准功能的前置放大器两个输入端分别接到第三电容下极板及第四电容下极板。前置放大器采用五管差分运放的电路结构，其中输入对管为M2、M3管，尾电流管为M1管，M1、M2、M3均为n型管。负载管为M4、M5管，均为p型管。M1管源极接地，漏极接M2管、M3管源极，M2管、M3管漏极接M4管、M5管漏极，同时作为前置放大器的输出点。M4管、M5管源极接电源电压。第一电容和第二电容容值相等，上极板均接电源电压，下极板分别接M4管、M5管栅极。第七开关接在M4管栅极及漏极之间，第八开关接在M5管栅极及漏极之间。推导开环比较器功耗、增益以及压摆率之间的关系，并设计目标函数，采用鱼群算法对开环比较器的目标函数的寻优操作，得到开环比较器达到最佳性能的电路参数。前置放大器两个输出端直接与两级静态比较器输入端相连。第一开关与第二开关由第一信号控制，第三至第八开关由第二信号控制。本专利技术的有益效果为：通过增加电压存储结构拓宽比较器输入电压范围，进而拓宽了RAMPADC的量化范围；与普通失调校准结构相比，将信号通路上的失调电压存储电容转移到前置放大器电路内部，并在比较阶段用开关将其隔离在通路之外，既降低了失调电压，提高了RAMPADC的精度，又避免了失调存储电容对前置放大器输出端极点及带宽的影响；采用鱼群算法对开环比较器进行设计，既使电路在功耗、增益以及压摆率之间得到了良好的平衡，又避免了手动设计电路参数带来的不便。附图说明图1为本专利技术提出的低失调宽范围比较器电路结构图；图2为本专利技术提出的低失调宽范围比较器工作在失调电压校准阶段的等效电路；图3为本专利技术提出的低失调宽范围比较器工作在电压比较阶段的等效电路；图4为本专利技术提出的低失调宽范围比较器控制第一开关至第八开关的两个信号的工作时序图；图5为本专利技术提出的低失调宽范围比较器中开环比较器的电路图；图6为本专利技术采用的鱼群算法流程图；图7为目标函数的优化曲线；图8为参数优化后的低失调宽范围比较器电路仿真结果曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行详细的描述：本实施例中，将本专利技术提出的电路设计方法用于CMOS图像传感器中RAMPADC比较器电路设计，所设计的电路结构如图1。其中，第一电阻与第二电阻阻值相同，第一电容与第二电容阻值相同，第三电容与第四电容阻值相同。VCM为可使前置放大器工作的外部输入共模电压。利用本专利技术提出的设计方法设计的比较器电路工作在两个阶段，分别为失调电压校准阶段及电压比较阶段，分别由第一信号及第二信号控制，他们的时序如图4所示。当第二信号为高电平时，第三开关至第八开关闭合，比较器工作在失调电压校准阶段，此时等效电路如图2所示。X点电压VX为：其中Vin+与Vin-分别为比较器两端输入信号。此时第三电容C3与第四电容C4中存储的电荷Q3、Q4分别为：Q3＝C3(VCM-VX)(2)Q4＝C4(VCM-VX)(3)因为第三电容与第四电容容值相等，所以C3＝C4，即Q3＝Q4。当比较器中前置放大器工作在失调电压校准阶段时，此时第七开关与第八开关闭合，第一电容与第二电容分别接在M4管与M5管的源漏两端。此时，前置放大器输入对管的失调电压Vout1储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路，其特征在于，该低失调宽范围比较器电路包括电压存储结构、带有失调校准的前置放大器以及开环比较器结构；/n电压存储结构包括两个阻值相同的第一电阻、第二电阻、第一开关至第六开关以及两个容值相同第三电容、第四电容；第一电阻及第二电阻串联接在开环比较器的两个输入端；第二开关的一端与第一开关的一端分别接开环比较器的两个输入端，第二开关的另一端与第一开关的另一端分别接第三电容上极板及第四电容上极板；第三开关及第四开关串联在第三电容上极板及第四电容上极板之间；第五开关一端及第六开关一端接到外部输入共模电压V

【技术特征摘要】
1.一种基于鱼群算法的低失调宽范围比较器电路，其特征在于，该低失调宽范围比较器电路包括电压存储结构、带有失调校准的前置放大器以及开环比较器结构；
电压存储结构包括两个阻值相同的第一电阻、第二电阻、第一开关至第六开关以及两个容值相同第三电容、第四电容；第一电阻及第二电阻串联接在开环比较器的两个输入端；第二开关的一端与第一开关的一端分别接开环比较器的两个输入端，第二开关的另一端与第一开关的另一端分别接第三电容上极板及第四电容上极板；第三开关及第四开关串联在第三电容上极板及第四电容上极板之间；第五开关一端及第六开关一端接到外部输入共模电压VCM，另一端分别接第三电容下极板及第四电容下极板；
带有失调校准的前置放大器两个输入端分别接到第三电容下极板及第四电容下极板；带有失调校准的前置放大器采用五管差分运...

【专利技术属性】
技术研发人员：马艳华，李纪桐，常玉春，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21