一种宽动态范围高精度的像素级时间幅度转换器
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种像素级时间幅度转换器TAC。
背景技术
从人类探知世界开始，时间间隔测量技术便应运而生，在人类上千年的文明史中，人们不断探寻并不断改进时间间隔测量的新方法。在如今人们日常生活中，钟表、手机等便捷工具已成功满足了大部分人对时间测量的需求，然而在一些新兴领域，比如三维成像技术，传统的时间计数方式已经远远不能满足要求，为了尽可能的还原出清晰的三维图像，不仅需要时间间隔测量的结果有很高的精度，而且还需要具有较宽的动态范围，这对传统的时间间隔测量技术带来极大的挑战。
时间幅度转换器(Time-to-Amplitude Converter，TAC)是集成电路领域中一种测量时间间隔的方法。传统像素级时间幅度转换器TAC如图1所示，包括斜坡信号产生模块和像素模块，其基本原理是在像素模块外产生一斜坡信号，推送到像素模块内，当像素模块内的停止信号STOP来临时，像素模块内的采样保持电路采样此时斜坡信号对应电压，然后用采样电压的大小量化时间隔的长短。显然斜坡信号的摆幅受限于电源电压，这种情况下，时间幅度转换器TAC的动态范围和精度难以平衡，若想实现高精度的时间幅度转换器TAC，那么斜坡电压的积分时间必须很短，时间幅度转换器TAC的动态范围就会很窄；若想实现宽动态范围的时间幅度转换器TAC，那么斜坡的积分时间就会很长，时间幅度转换器TAC的精度就会很低。因此，对于宽动态范围高精度的应用场合，比如三维成像技术，传统像素级时间幅度转换器TAC是远远不能满足要求的。
发明内容
针对传统像素级时间幅度转换器TAC在动态范围和精度之间存在难以平衡的不足之处，本发明提出一种新型的像素级时间幅度转换器TAC，在实现高精度和宽动态范围的同时又具备功耗低和芯片面积小的优点。
本发明的技术方案是：
一种宽动态范围高精度的像素级时间幅度转换器，包括多个像素模块组成的像素阵列、斜坡信号产生模块和三角波信号产生模块，
所述斜坡信号产生模块用于产生斜坡信号RAMP并输出到所述像素模块的第一输入端，所述三角波信号产生模块用于产生三角波信号TRIANGLE并输出到所述像素模块的第二输入端，所述像素模块用于采样并得到斜坡电压和三角波电压；
所述像素模块包括第一源随器、第二源随器、第一开关S1、第二开关S2、第一电容C1和第二电容C2，
所述第一源随器的输入端作为所述像素模块的第一输入端，第一开关S1和第一电容C1串联，其串联点作为所述像素模块的第一输出端输出所述斜坡电压，第一开关S1的另一端接所述第一源随器的输出端，第一电容C1的另一端接地；
所述第二源随器的输入端作为所述像素模块的第二输入端，第二开关S2和第二电容C2串联，其串联点作为所述像素模块的第二输出端输出所述三角波电压，第二开关S2的另一端接所述第二源随器的输出端，第二电容C2的另一端接地。
具体的，所述第一源随器和第二源随器为n型源随器，
所述第一源随器包括第一NMOS管MN1和第一电流源IB1，所述第一NMOS管MN1的栅极作为所述第一源随器的输入端，其漏极接电源电压，其源极作为所述第一源随器的输出端并通过第一电流源IB1后接地；
所述第二源随器包括第二NMOS管MN2和第二电流源IB2，所述第二NMOS管MN2的栅极作为所述第二源随器的输入端，其漏极接电源电压，其源极作为所述第二源随器的输出端并通过第二电流源IB2后接地。
具体的，所述斜坡信号产生模块包括第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2、第三电容C3、第三开关S3、第四开关S4和第三电流源IB3，
第一运算放大器AMP1的同相输入端连接基准电压VREF，其反相输入端通过第三开关S3后连接第三电流源IB3的负极，第三电流源IB3的正极接地；
第三电容C3和第四开关S4并联并接在第一运算放大器AMP1的反相输入端和输出端之间；
第二运算放大器AMP2的同相输入端连接第一运算放大器AMP1的输出端，其输出端连接其反相输入端并作为所述斜坡信号产生模块的输出端输出所述斜坡信号RAMP。
具体的，所述三角波信号产生模块包括第三运算放大器AMP3、第四运算放大器AMP4、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第四电流源IB4、第五电流源IB5、第五开关S5、第六开关S6、第四电容C4、控制开关和RS触发器，
第四电流源IB4的负极接电源电压，其正极接控制开关的一端；
第五电流源IB5的负极接控制开关的另一端并通过第五开关S5后连接第三运算放大器AMP3的反相输入端，其正极接地；
第三运算放大器AMP3的同相输入端连接基准电压VREF，其输出端连接第一比较器COMP1的反相输入端、第二比较器COMP2的同相输入端和第四运算放大器AMP4的同相输入端；
第六开关S6和第四电容C4并联并接在第三运算放大器AMP3的反相输入端和输出端之间；
第一比较器COMP1的同相输入端连接上限电压VH，其输出端连接RS触发器的R输入端；
第二比较器COMP2的反相输入端连接下限电压VL，其输出端连接RS触发器的S输入端；
RS触发器的Q输出端连接控制开关的控制端；
第四运算放大器AMP4的输出端连接其反相输入端并作为所述三角波信号产生模块的输出端输出所述三角波信号TRIANGLE。
具体的，所述第四电流源IB4的电流值是第五电流源IB5的电流值的两倍。
具体的，所述下限电压VL的电压值等于所述基准电压VREF的电压值。
具体的，所述第三开关S3和第五开关S5由时间起始信号START控制，所述第四开关S4和第六开关S6又复位信号RESET控制，所述第一开关S1和第二开关S2由时间终止信号STOP控制。
具体的，所述第一源随器和第二源随器为p型源随器，
所述第一源随器包括第一PMOS管MP1和第六电流源IB6，所述第一PMOS管MP1的栅极作为所述第一源随器的输入端，其漏极接地，其源极作为所述第一源随器的输出端并通过第六电流源IB6后接电源电压；
所述第二源随器包括第二PMOS管MP2和第七电流源IB7，所述第二PMOS管MP2的栅极作为所述第二源随器的输入端，其漏极接地，其源极作为所述第二源随器的输出端并通过第七电流源IB7后接电源电压。
本发明的工作原理为：
当时间起始信号START来临时，在像素模块外分别产生斜坡信号RAMP和三角波信号TRIANGLE，然后分别通过缓冲器推送到每个像素模块内。像素模块内是两个采样保持电路，当时间终止信号STOP来临时，两个采样保持电路分别采样时间终止信号STOP时刻对应的斜坡信号RAMP和三角波信号TRIANGLE的电压。而后根据采样得到的斜坡电压和三角波电压的电压值的大小判断时间间隔，其中采样的斜坡电压用于判断时间的高位，采样的三角波电压用于判断时间的低位，即可实现宽动态范围时间间隔的精确测量。
本发明的有益效果为：提出了一种新型的宽动态范围高精度像素级时间幅度转换器TAC，实现了精确测量时间的同时，又能测量宽动态范围内的时间间隔；且像素模块内的电路比较简单，每个像素模块的面积并不大，便于在同一芯片上大规模的集成时间幅度转换器TAC。
附图说明
图1为传统像素级时间幅度转换器TAC的结构示意图；
图2为本发明提供的一种宽动态范围高精度的像素级时间幅度转换器TAC的结构示意图；
图3为实施例中斜坡发生器结构示意图；
图4为实施例中斜坡发生器的信号时序控制图；
图5为实施例中三角波发生器的结构示意图；
图6为实施例中三角波发生器的时序控制图；
图7为实施例中采用n型源随器的像素模块的结构示意图；
图8为实施例中像素模块的时序控制图；
图9为实施例中采用p型源随器的像素模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
如图2所示为本发明提供的一种宽动态范围高精度的像素级时间幅度转换器TAC的结构示意图，和传统像素级时间幅度转换器TAC相比，本发明用采样的斜坡电压量化时间的高位，以判断时间处于那一区间，采样的三角波电压用来量化时间的低位。由于只是用斜坡电压判断时间处于哪一区间，并不需要其精确量化时间，这样便可以把斜坡电压的积分时间变得很长，以实现大的动态范围；同时采样的三角波电压可以使得时间量化的精度变得很高，这样便解决了传统像素级时间幅度转换器TAC所遇到的问题，下面详细介绍本发明的每一模块。
本实施例中的斜坡信号产生模块采用斜坡发生器，图3和图4分别是斜坡发生器的结构示意图和时序控制图，斜坡发生器包括第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2、第三电容C3、第三开关S3、第四开关S4和第三电流源IB3，第一运算放大器AMP1的同相输入端连接基准电压VREF，其反相输入端通过第三开关S3后连接第三电流源IB3的负极，第三电流源IB3的正极接地；第三电容C3和第四开关S4并联并接在第一运算放大器AMP1的反相输入端和输出端之间；第二运算放大器AMP2的同相输入端连接第一运算放大器AMP1的输出端，其输出端连接其反相输入端并作为所述斜坡信号产生模块的输出端输出所述斜坡信号RAMP。
斜坡发生器的基本原理如下，当复位信号RESET有效时，第三电容C3被短路，第一运算放大器AMP1接成单位增益负反馈的形式，此时第一运算放大器AMP1的输出端置位到基准电压VREF。
在复位信号RESET由高变为低的同时，时间起始信号START从低变为高，此时第一运算放大器AMP1和第三电容C3形成一个第一积分器，若运放的增益和带宽足够大，那么此时第一积分器输出端将产生一个理想的斜坡，其电压V(t)随时间t的变化关系是：
其中I1是第三电流源IB3的电流值，当时间起始信号START由高变位低时，此时不再有电流流过第三电容C3，第一积分器输出端电压将保持不变，若时间起始信号START为高电平时间长度为T，即第一积分器充电的有效时间是T，那么第一积分器输出端稳定后的电压为：
由于斜坡发生器的驱动能力不够强，无法驱动很大的容性负载，因此需要第二运算放大器AMP2作缓冲器，匹配前后级的负载。第二运算放大器AMP2接成单位增益负反馈的形式，输出端电压跟随输入端电压变化而变化，若第二运算放大器AMP2的增益和带宽足够高，那么输出端电压可以和输入端电压完全一致，因此，第二运算放大器AMP2可以完整地将前级电路产生的斜坡推送到像素模块内。
本实施例中三角波信号产生模块采用三角波发生器，图5和图6分别是三角波发生器的结构示意图和时序控制图，三角波发生器包括第三运算放大器AMP3、第四运算放大器AMP4、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第四电流源IB4、第五电流源IB5、第五开关S5、第六开关S6、第四电容C4、控制开关和RS触发器，第四电流源IB4的负极接电源电压，其正极接控制开关的一端；第五电流源IB5的负极接控制开关的另一端并通过第五开关S5后连接第三运算放大器AMP3的反相输入端，其正极接地；第三运算放大器AMP3的同相输入端连接基准电压VREF，其输出端连接第一比较器COMP1的反相输入端、第二比较器COMP2的同相输入端和第四运算放大器AMP4的同相输入端；第六开关S6和第四电容C4并联并接在第三运算放大器AMP3的反相输入端和输出端之间；第一比较器COMP1的同相输入端连接上限电压VH，其输出端连接RS触发器的R输入端；第二比较器COMP2的反相输入端连接下限电压VL，其输出端连接RS触发器的S输入端；RS触发器的Q输出端连接控制开关的控制端；第四运算放大器AMP4的输出端连接其反相输入端并作为所述三角波信号产生模块的输出端输出所述三角波信号TRIANGLE。其中第四电流源IB4的电流值是第五电流源IB5的电流值的两倍，使得三角波充电时间和放电时间相等。
三角波信号发生器的基本原理如下，当复位信号RESET有效的同时，时间起始信号START为低电平，此时与斜坡的原理类似，第三运算放大器AMP3接成电位增益负反馈的形式，其输出端电压被置位到基准电压VREF。
与斜坡类似，第三运算放大器AMP3和第四电容C4形成一个第二积分器，复位信号RESET和时间起始信号START同时反转，此时由于RS触发器的Q输出为低电平，那么此时第四电流源IB4的电流2I不会流过第二积分器，只有第五电流源IB5的电流I抽取电流，第二积分器输出端将产生向上的斜波，即此时第二积分器输出电压为
其中，I2是第五电流源IB5的电流值，当输出端电压达到上限电压VH时，此时第一比较器COMP1输出端将从高电平反转到低电平，即RS触发器的R＝0，由于第二比较器COMP2的输出端电压维持高电平不变，即RS触发器的S＝1，那么RS触发器的Q输出端将反转为高电平，即Q＝1，此时，第四电流源IB4的电流也开始流过第二积分器，两股电流同时流过第二积分器，由于第四电流源IB4的电流是第五电流源IB5电流的两倍，因此等效的总电流是向下灌入，大小为I的电流，此时第二积分器输出电压不断下降，产生向下的斜波，则有
当第二积分器输出电压再次低于上限电压VH，第一比较器COMP1输出端电压由低电平翻转为高电平，此时RS触发器的R＝1，S＝1，RS触发器处于保持状态，Q输出端保持为高电平不变，由于转换过程时间很短，第一比较器COMP1输出电压的翻转表现为一窄脉冲信号。
当第二积分器输出端电压下降到下限电压VL时，第二比较器COMP2输出端翻转到低电平，即RS触发器的S＝0，由于第一比较器COMP1的输出端电压维持高电平不变，即RS触发器的R＝1，那么RS触发器Q输出端将翻转为低电平，即Q＝0，此时，第四电流源IB4的电流2I关断，不再流过第二积分器，此时只有第五电流源IB5的电流I抽取电流，第二积分器输出端将产生向上的斜波，即此时第二积分器输出电压
类似的，三角波输出电压会再次高于下限电压VL，第二比较器COMP2输出端电压由低电平翻转为高电平，此时RS触发器的R＝1，S＝1，RS触发器处于保持状态，Q输出端保持为低电平不变，由于转换过程时间很短，第二比较器COMP2输出电压的翻转也表现为一窄脉冲信号。
第三运算放大器AMP3的偏置电压VREF和第二比较器COMP2的偏置电压级下限电压VL为同一值，即
VREF＝VL(6)
那么此时便重复上一积分上升的过程，如此重复下去，便产生了三角波。
当时间起始信号START由高变为低时，不再有电流流过第四电容C4，第二积分器输出端维持为某一电压并保持不变。
第四运算放大器AMP4的作用与斜波发生器的类似，匹配前后级的负载，将产生的三角波推送到每一个像素内。
图7为采用n型源随器的像素模块的电路结构图，第一源随器包括第一NMOS管MN1和第一电流源IB1，所述第一NMOS管MN1的栅极作为所述第一源随器的输入端，其漏极接电源电压，其源极作为所述第一源随器的输出端并通过第一电流源IB1后接地；所述第二源随器包括第二NMOS管MN2和第二电流源IB2，所述第二NMOS管MN2的栅极作为所述第二源随器的输入端，其漏极接电源电压，其源极作为所述第二源随器的输出端并通过第二电流源IB2后接地。
图9为采用p型源随器的像素模块的电路结构图，第一源随器包括第一PMOS管MP1和第六电流源IB6，第一PMOS管MP1的栅极作为第一源随器的输入端，其漏极接地，其源极作为第一源随器的输出端并通过第六电流源IB6后接电源电压；第二源随器包括第二PMOS管MP2和第七电流源IB7，第二PMOS管MP2的栅极作为第二源随器的输入端，其漏极接地，其源极作为第二源随器的输出端并通过第七电流源IB7后接电源电压。
图8像素模块内的时序控制图，源随器的作用是隔离后级电路的开关切换时对前级电路的影响，开关和电容构成一简单的采样保持电路，当时间终止信号STOP为高电平时，电容上电压不断跟随斜波和三角波的电压，当时间终止信号STOP由高电平切换到低电平的瞬间，电容上的电压不再随斜波信号RAMP和三角波信号TRIANGLE对应的的电压而变化，也即采样保持电路采样时间终止信号STOP切换时刻斜波信号RAMP和三角波信号TRIANGLE对应的电压，对采样电容上的电压分别量化，便可得到时间起始信号START和时间终止信号STOP的时间间隔，这样时间量化的结果不但具有很高的精度，同时又具备很宽的动态范围。像素模块内的电路只是由源随器和简单的采样保持电路组成，这样每个像素模块只需要较低的功耗和芯片面积便可实现。
本发明针对传统高精度时间幅度转换器TAC实现不了宽的动态范围，而宽动态范围的时间幅度转换器TAC实现不了高精度，提出了一种用采样的斜波电压量化时间的高位，用采样的三角波电压量化时间的低位的宽动态范围高精度的时间幅度转换器TAC，这样便在实现时间测量高精度的同时，又可以实现大的动态范围，同时，由于像素模块内的电路比较简单，每个像素模块的面积并不大，便于在同一芯片上大规模的集成TAC，这样便可实现宽动态范围高精度像素级TAC。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
