一种斜坡电压产生电路及波形数字化系统技术方案

本技术涉及波形数字化定时技术领域，提供一种斜坡电压产生电路及波形数字化系统，斜坡电压产生电路包括：参考电流源I<subgt;REF</subgt;、运算放大器OPA、积分电容C<subgt;F</subgt;、复位开关SW和基线电压V<subgt;BASE</subgt;；所述运算放大器OPA的正相输入端与基线电压V<subgt;BASE</subgt;相连，负相输入端与参考电流源I<subgt;REF</subgt;相连；所述积分电容C<subgt;F</subgt;的一端连接至运算放大器OPA的负相输入端，另一端连接至运算放大器OPA的输出端V<subgt;RAMP</subgt;；所述复位开关SW的一端连接至运算放大器OPA的负相输入端，另一端连接至运算放大器OPA的输出端V<subgt;RAMP</subgt;，控制端连接至时钟ADC_ENB。本技术电路结构简单，降低设计复杂度，减小面积开销，提高波形数字化技术的性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及波形数字化定时技术及其集成电路领域，尤其涉及一种斜坡电压产生电路及波形数字化系统。

技术介绍

1、对间歇性瞬发信号的高速采样与模数转换，在汽车雷达、核医学成像、粒子物理等领域有着广泛的应用前景。波形数字化技术是近年来针对这一问题的一种比较重要的解决方案。同时，相比单阈值前沿定时、多阈值前沿定时、恒比定时等常用定时技术，波形数字化定时技术被普遍认为具备更为优良的时间分辨性能。

2、随着采样率的提高，对模拟前端的精度和功耗越来越成为制约该技术应用的瓶颈，特别是随着供电电压的降低，该技术越来越难以进行大规模像素化应用。因此，降低模拟电路的复杂度，同时通过数字辅助技术和片外校准等方法弥补简化后模拟电路的精度缺陷，可以在很大程度上缓解该技术发展面临的困境，使得高速、大采样深度、大规模像素阵列同时低功耗、低成本的像素化波形数字化成为可能。

3、斜坡电压产生电路是波形数字化系统的重要组成部分，传统的斜坡电压产生电路包含一个参考电流源(iref)，一个运算放大器(opa)、一个积分电容(cf)、三个控制开关(sw1～3)、一个基线电压(vbase)和一个偏置电压vbias。其中，复位开关(sw1～3)分别受复位时钟(reset)、停止时钟(stop)和启动时钟(start)控制。启动时钟和停止时钟用于切换参考电流源。当启动时钟有效时，停止时钟失效，参考电流对积分电容充电，产生斜坡电压vramp，且随时间线性增大，量化(即模拟信号转数字信号)开始。当停止时钟有效时，启动时钟失效，参考电流与积分电容断开，并且连接至偏置电压vbias，量化停止。且在量化信号再次有效之前，让复位时钟有效，对积分电容清零复位，使得斜坡电压vramp恢复到基线电压vbase。

4、传统的斜坡电压产生电路，存在以下技术问题：

5、(1)总共包含三个开关，电路结构相对复杂，面积开销较大。

6、(2)开关sw3直接与运放的负向输入端，即虚地点，相连，开关切换过程中会引入失调电压，时钟馈通等问题，影响精度，电路存在较大的输入误差。

7、(3)由于参考电流源通过sw2和sw3切换，如果vbias和vbase两个电平不一致，就会给参考电流的稳定输出带来延时作用，进而应引入斜坡电压失调，

8、输出电压精度受参考电流开关切换影响。

9、(4)共需要3个控制时钟，即复位时钟reset，启动时钟start和停止时钟stop。且一般不能复用典型的波形数字化系统资源，控制时钟较复杂。

10、(5)需要额外的偏置电压vbias，且噪声性能较差。

技术实现思路

1、本技术主要解决传统的斜坡电压产生电路的上述技术问题，提出一种斜坡电压产生电路及波形数字化系统，电路结构简单，降低设计复杂度，节省面积开销，提高波形数字化技术的性能。

2、本技术提供了一种斜坡电压产生电路，包括：参考电流源iref、运算放大器opa、积分电容cf、复位开关sw和基线电压vbase；

3、所述运算放大器opa的正相输入端与基线电压vbase相连，负相输入端与参考电流源iref相连；

4、所述积分电容cf的一端连接至运算放大器opa的负相输入端，另一端连接至运算放大器opa的输出端vramp；

5、所述复位开关sw的一端连接至运算放大器opa的负相输入端，另一端连接至运算放大器opa的输出端vramp，控制端连接至时钟adc_enb。

6、优选的，所述运算放大器opa的一种实现形式，包括：第一差分输入管m1a、第二差分输入管m1b、第一p型偏置管m2、第一n型偏置管m3a、第二n型偏置管m3b、第一n型共栅管m4a、第二n型共栅管m4b、第二p型共栅管m5a、第三p型共栅管m5b、第四p型偏置管m6a、第五p型偏置管m6b、放大管m7、第六p型偏置管m8、电阻rz和电容cc；

7、所述第一差分输入管m1a、第二差分输入管m1b的源极短接，所述第一差分输入管m1a的栅极连接至第一差分输入信号vinp，所述第二差分输入管m1b的栅极连接至第二差分输入信号vinn；

8、所述第一p型偏置管m2的漏极连接至第一差分输入管m1a和第二差分输入管m1b的源极，栅极连接至第一偏置电平vbp1，源极连接至电源电压vdd；

9、所述第一n型偏置管m3a、第二n型偏置管m3b的源极均连接至地，所述第一n型偏置管m3a的漏极与第一n型共栅管m4a的源极、第一差分输入管m1a的漏极相连；

10、所述第二n型偏置管m3b的漏极与第二n型共栅管m4b的源极、第二差分输入管m1b的漏极相连，所述第二n型偏置管m3b的栅极连接至第二偏置电平vbn1；

11、所述第一n型共栅管m4a、第二n型共栅管m4b的栅极分别连接至第三偏置电平vbn2；

12、所述第二p型共栅管m5a的源极与第四p型偏置管m6a的漏极相连；所述第三p型共栅管m5b的源极与第五p型偏置管m6b的漏极相连；所述第二p型共栅管m5a、第三p型共栅管m5b的栅极分别连接至第四偏置电平vbp2；

13、所述第四p型偏置管m6a和第五p型偏置管m6b的栅极分别与第三p型共栅管m5b的漏极、第二n型共栅管m4b的漏极相连；

14、所述放大管m7的栅极与第二p型共栅管m5a的漏极、第一n型共栅管m4a的漏极相连，源极连接至地，漏极连接至输出端vout；

15、所述第六p型偏置管m8的源极连接至电源电压vdd，栅极连接至第一偏置电平vbp1，漏极连接至输出端vout；

16、所述电阻rz和电容cc串联，所述电阻rz的另一端连接至所述放大管m7的栅极，所述电容cc的另一端连接至输出端vout。

17、对应的，本技术还提供一种波形数字化系统，包括：开关电容采样阵列、格雷码计数器、写电路、读电路以及本技术任意实施例提供的斜坡电压产生电路。

18、优选的，还包括：外围电路。

19、优选的，还包括：时钟adc_en；

20、所述时钟adc_en经过反相之后形成adc_enb用来控制复位开关sw。

21、本技术提供的一种斜坡电压产生电路及波形数字化系统，与现有技术相比具有以下优点：

22、1、将参考电流源直接与运放的负向端相连，除了开关sw2和sw3，只使用一个开关，从而消除了与开关相关的非理想效应。可以采用比较常用的运放结构，电路结构简单，降低设计复杂度。

23、2、将量化相位时钟直接控制复位开关，同时也减小了布线复杂度，因此，控制逻辑简单。

24、3、面积开销较小。减少开关数量直接减小了面积，尤其在大规模像素化应用是，由此带来的面积减小量是非常可观的。

25、4、可以在低电源电压下工作。例如，在1.2v供电条件下，斜坡电压的最大摆幅可以达到1vpp，很好地解决了大动态范围与低供本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种斜坡电压产生电路，其特征在于，包括：参考电流源IREF、运算放大器OPA、积分电容CF、复位开关SW和基线电压VBASE；

2.根据权利要求1所述的斜坡电压产生电路，其特征在于，所述运算放大器OPA的一种实现形式，包括：第一差分输入管M1a、第二差分输入管M1b、第一p型偏置管M2、第一n型偏置管M3a、第二n型偏置管M3b、第一n型共栅管M4a、第二n型共栅管M4b、第二p型共栅管M5a、第三p型共栅管M5b、第四p型偏置管M6a、第五p型偏置管M6b、放大管M7、第六p型偏置管M8、电阻Rz和电容Cc；

3.一种波形数字化系统，其特征在于，包括：开关电容采样阵列、格雷码计数器、写电路、读电路以及权利要求1或2所述的斜坡电压产生电路。

4.根据权利要求3所述的波形数字化系统，其特征在于，还包括：外围电路。

5.根据权利要求3所述的波形数字化系统，其特征在于，还包括：时钟ADC_EN；

【技术特征摘要】

1.一种斜坡电压产生电路，其特征在于，包括：参考电流源iref、运算放大器opa、积分电容cf、复位开关sw和基线电压vbase；

2.根据权利要求1所述的斜坡电压产生电路，其特征在于，所述运算放大器opa的一种实现形式，包括：第一差分输入管m1a、第二差分输入管m1b、第一p型偏置管m2、第一n型偏置管m3a、第二n型偏置管m3b、第一n型共栅管m4a、第二n型共栅管m4b、第二p型共栅管m5a、第三p型共栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆波，朱潇挺，
申请(专利权)人：上海矽飞士微电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：