本技术总体上涉及过采样转换器,更具体地涉及采用电荷域组件的过采样转换器。
背景技术:
1、过采样转换器对模拟信号进行采样和数字化。过采样转换器存在多种实施方案。但一般而言,量化器输出转换为模拟信号并与输入的模拟信号相减,此后对结果进行积分,用于驱动量化器进行下一次减法。在某些领域(如图像传感器)已经开发出可以高效收集、操纵和移动电荷的器件,但目前只能用在图像传感器等特定器件中。迄今为止,过采样转换器皆用晶体管构建而成,但本技术却不用晶体管,而是用更常用的图像处理(即电荷域)相关组件来实现过采样转换器的通用功能。这种过采样转换器的优势在于,可以直接耦合至像素(pin型光电二极管)等器件,相比基于晶体管的实施方案,既能实现更高的信噪比,又能提高执行转换任务所需的性能和功率。
技术实现思路
1、根据某一实施例,公开了一种电荷耦合组合器。所述电荷耦合组合器中,提供输入电荷源极,提供输出存储器节点,提供减法存储器节点。提供转移凹栅,由三个元件组成:(i)能够升降的势垒;(ii)同样能够升降的凹陷,所述凹陷在降低时电势低于所述势垒;(iii)不会降低的固定势垒。该转移凹栅可以在第一元件和第二元件之上使用植入区和组合栅极来实施其功能所需的电势,也可以在转移凹栅的第一元件和第二元件中每个元件之上使用单独的受控栅极来控制所述功能。在组合器中,转移凹栅耦合至输入电荷源极与输出存储器节点之间。第二转移凹栅耦合至减法存储器节点与输出存储器节点之间。每个转移凹栅的凹陷电平可以根据凹陷深度来进行编程,以添加或移除可编程的电荷量。例如,双电容电荷乘法器可用于对凹陷深度进行编程,以设定要添加或移除的电荷量,如下详述。信号耦合至两个转移栅极中的一个或另一个以向输出存储器节点添加电荷或从输出存储器节点移除电荷。
2、根据某一实施例,公开了一种过采样转换器。所述过采样转换器具有输入电荷源极。组合器接收输入电荷,并根据量化器输出信号从输入电荷添加或移除电荷。提供由一个或多个组合器以及一个或多个电荷域移位寄存器实现的噪声传递函数,使之耦合至所述第一组合器。量化器耦合至所述噪声传递函数输出并生成量化器输出信号,该量化器输出信号耦合至所述第一组合器以判定下一个周期内是否添加或移除电荷。有线器件和电荷耦合移位寄存器可用在所述h(z)内以允许存储前一周期电荷值,或者输入组合器可产生其输出的两个以上副本并将这些副本移位到h(z)的一个或多个电荷域移位寄存器。更具体地,所述σ-δ转换器是采用电荷域组件来实现,包括组合器、电荷域移位寄存器、电荷域量化器以及高增益驱动器。第一组合器的凹陷深度可由双电容电荷乘法器来进行编程,如下详述。电容乘法器用于根据+qref/2或-qref/2设定组合器凹栅深度,以便可从输入电荷中减去。创建离散延时滤波器,如延时积分器,其中通过让移位寄存器和另一个组合器将先前的延时滤波器输出电荷添加到第一组合器(用作减法器)的当前周期δ输出。量化器是通过建立高度对应于阈值的势垒来创建。这也可通过双电容乘法器控制势垒高度而非凹陷深度来建立(通过反转端子)。如果延时滤波器输出电荷超过势垒高度,则晶闸管等高增益驱动器将驱动第一组合器中一个转移栅极的栅部,否则将驱动另一个转移栅极。这会在下一个δ运算期间向输入电荷添加电荷或从输入电荷减去电荷。为了允许从输入电荷减去电荷而不产生破坏,可以使用有线器件来创建副本,或替代地,电荷域移位寄存器可以产生输入值的多个副本并在每个周期将这些副本提供给组合器。可以从第一组合器输出或移位寄存器内完成类似的复制,以使先前的周期值可用于延时滤波器功能。
3、根据某一实施例,公开了一种提高单晶体管乘法器(single transistormultiplier,stm)mac输入上累积电荷精度的方法。这个构思是使用一个或多个σ-δ转换器,每次电荷输入各一个,与电荷移动器件的量级保持一致,并将stm输出与输入u(n)进行比较。输入u(n)可以作为脉冲提供,误差为输入脉冲与stm创建脉冲之间的差值。替代地,stm的输出可用于设定转移凹栅中的凹陷深度,从作为输入电荷提供的u(n)中减去。针对每次电荷输入,过采样数字输出存储在电荷耦合移位寄存器(charge coupled shiftregister,ccsr)中。一旦所有输入都如此校准,输入电荷便耦合至stm栅极节点。
4、根据某一实施例,公开了一种使用悬浮电容器将电荷引入电荷域的方法。所述方法包括:将悬浮电容器连接至转移凹栅的第一控制栅极与第二控制栅极之间,以调节凹陷深度;在一个周期内通过电流源向悬浮电容馈电,其中,凹陷在另一个周期内根据其凹陷深度将电荷转移到存储器节点(memory node,mn)。因此,由存储器节点(mn)引入的电荷与由电流源引入的电荷成正比。
5、根据某一实施例,公开了一种控制转移凹栅中凹陷深度的方法。在此情况下,使用双电容电荷乘法器电路来控制凹陷深度,从而控制凹栅转移的电荷。所述电路具有一对串联电容器,该对串联电容器包括第一电容器和第二电容器,第一电容器具有第一端子和第二端子,第一电容器的第二端子耦合至第二电容器的第一端子,第一电容器和第二电容器皆为悬浮电容器。第一电流源耦合至第一电容器的第一端子,第一电流源提供电荷输入。第一开关耦合接地并耦合至第一电容器的第一端子。第二电流源耦合至第一电容器的第二端子和第二电容器的第一端子。第二开关耦合至第二电流源并耦合接地。第三电流源耦合至第二电容器的第二端子。第三开关耦合至第三电流源并耦合接地。提供共源自然场mosfet(vth=0以开关)作为比较器,其栅极端子耦合至第一电容器的第二端子和第二电容器的第一端子,其漏极端子耦合至有源负载并耦合至第二电流源和第三电流源的驱动器,并且其源极端子耦合接地。共源mosfet在0v附近充当比较器,与有源负载相结合,如果输出低于0v则使第二电流源和第三电流源提供电荷。事实上,本发明不是依赖跳变点为0v的自然场mosfet,而是添加初始周期,期间闭合所有三个开关以使电容器放电,然后释放第二开关和第三开关,电流源比较器仅驱动第二电流源(而非第三电流源)。这样通过cds方式将比较器开关点位负向加载到第一电容器中。随着加载跳变点,则可像自然场mosfet那样工作。为了简便起见,继续以vth=0进行类比解释。在第一周期内,第二开关闭合且所有其他开关断开时,使用第一电流源向第一电容器添加电荷。在第二周期中,第一电流源关闭而第一开关开启。这使共源mosfet栅极推向低于0v的值,从而开启第二电流源和第三电流源,直到共源mosfet栅极返回0v,通过关闭第二电流源和第三电流源来停止充电。通过控制第二电流源与第三电流源的比例,可以对电荷被乘数进行编程。使用所有三个开关可以对电容器进行放电。通过将连接两个电容器的端子耦合至转移凹栅中的第一栅极并且将第二电容器的第二端子耦合至转移凹栅的第二栅极,双电容电荷乘法器可用于对凹栅深度进行编程。
6、根据某一实施例,公开了一种σ-δ转换器。σ-δ转换器使用双电容电荷乘法器和新颖的开关方式来实现模数转换过采样功能。第一电容器c1的第二端子(求和节点)耦合至基于双级电荷的量化器的输出并耦合至第二接地开关sw2。量化器由量化器比较器、锁存器和电流脉冲发生器组成,以基于先前σ-δ周期延时滤波器的输出值来启用从求和节点添加或减去qref/2。第一电容器c1的第一端子耦合至接地开关sw1,并耦合至第一电流源isrc1或跨导器gm1之一。第一电容器c1保持先前周期延时滤波器的输出,其中延时滤波器允许信号(stf)通过并阻止噪声(ntf),例如离散延时积分器。在第一周期内,第二开关sw2闭合时通过所述第一电流源isrc1,或者例如响应fd电势而通过跨导器gm1,将输入电荷添加到第一电容器c1中已有的来自先前σ-δ周期的延时滤波器电荷输出。在第二周期内,第二开关sw2断开而第一开关sw1闭合。于是,启用二级量化器的脉冲发生器,并根据来自先前σ-δ周期的延时积分器输出值(通过锁存器保持),添加或减去对应于+qref/2或-qref2的电荷。在第三周期内,启用差分比较器或启用带有源负载的自然场(大约0v)共源mosfet作为比较器,开启耦合至所述第二电容器c2的第二端子的电流源isrc3,这会抵消所述第一电容器c1上的电荷(此时所述共源比较器输入返回0v),通过串联的第一电容器c1和第二电容器c2进行充电,从而产生δ和σ运算并将延时滤波器输出留在第二电容器c2上。然后,第二开关sw2闭合,量化器比较器使用第二电容器c2上的电压或电荷来锁存当前周期的量化器输出值,以将其用作下一个σ-δ周期的量化器结果。然后,第二开关sw2断开而第三开关sw3闭合,启用第一电流源isrc1将第二电容器c2中的电荷转移到第一电容器c1,作为下一个σ-δ周期的延时积分器输出。量化器的比较器输出还代表过采样的数字值,该数字值存储在移位寄存器中以供稍后滤波。为了简化叙述,上述内容建议使用自然场mosfet,但实际上自然场mosfet的跳变点仍有变化,因而最好是在额外的cds周期内将公共源比较器的跳变点(无论是否自然均可)存储在第一电容器c1中。为此,本发明引入第二电流源isrc2。cds周期发生在任何其他操作之前,每个σ-δ多周期过采样活动期间不再重复。在此情况下,禁用第三电流源isrc3,而是带有源负载iload的公共源比较器驱动第二电流源isrc2。最初,第三开关sw3与第二开关sw2和第一开关sw1一样开启,使第一电容器c1和第二电容器c2放电。然后,第二开关sw2和第三开关sw3释放,启用第二电流源isrc2。第二电流源isrc2将会对第一电容器c1的第二端子充电,直至达到共源mosfet的开关点位。然后,第一开关sw1断开,开关点位相关电荷将会保留在第一电容器c1上,以便在多周期σ-δ过采样操作期间存储开关点位偏移量。替代地,可以用差分比较器代替共源比较器。如果采用这种考虑共源比较器跳变点的cds方法,则量化器的比较器在选择量化器输出时还须考虑共源比较器的跳变点,原因是将延时积分器输出存储在第二电容器c2中时,第二电容器c2将加载这个偏移量。完成这一过程是通过使用与共源mosfet几何结构相同的串联二极管mosfet与量化器基准电平串联,并考虑mosfet的适当匹配程序。
1.一种电荷耦合组合器,包括:
2.根据权利要求1所述的电荷耦合组合器,其中,所述第一转移栅极和所述第二转移栅极是转移凹栅。
3.根据权利要求2所述的电荷耦合组合器,其中,所述第二转移凹栅包括至少一种植入区或间隔区与该转移栅极的固定势垒部的组合,所述植入区或间隔区形成于该转移栅极的栅部下方以形成能够升降的势垒和能够升降的电荷凹陷,所述固定势垒部不位于该转移栅极的栅部下方。
4.一种过采样转换器,包括:
5.根据权利要求4所述的过采样转换器,其中,所述滤波器包括电荷耦合移位寄存器。
6.根据权利要求5所述的过采样转换器,包括:组合器,耦合至所述移位寄存器。
7.根据权利要求4所述的过采样转换器,包括:电荷耦合移位寄存器,制作电荷输入的多个副本以供过采样期间使用。
8.根据权利要求4所述的过采样转换器,包括:有线器件,制作电荷输入的输入二极管副本以供过采样期间使用。
9.根据权利要求4所述的过采样转换器,其中,所述量化器包括:
10.根据权利要求9所述的过采样转换器,其中,通过在其表面使用至少一种植入区或间隔区来形成所述势垒。
11.根据权利要求9所述的过采样转换器,其中,所述高增益或正反馈器件是晶闸管。
12.根据权利要求9所述的过采样转换器,其中,p型植入区用于收集从衬底耦合至存储器节点的杂散载流子。
13.一种提高单晶体管乘法器mac输入上累积电荷精度的方法,包括:
14.一种通过设定转移凹栅的凹陷深度来控制加载到存储器节点中电荷量的方法,包括:
15.根据权利要求14所述的方法,其中,通过在多个周期上运算所述转移凹栅的设定凹陷深度来建立受控的电荷移动速率。
16.一种将电荷引入电荷域存储器节点的电路,包括:
17.根据权利要求16所述的电路,其中,所述第二电容器控制电荷域结构的凹陷深度,从而如果所述第二电流源未从所述第一电容器与第二电容器之间的节点移除电荷,则共源比较器返回其开关点位后定义单位电荷,此后通过所述第二电流源与所述第三电流源的比例,根据所述单位电荷来定义固定增益,以根据所述单位电荷按比例进一步调整所述凹陷深度。
18.根据权利要求16所述的电路,其中,所述第一电容器和所述第二电容器是使用mim电容器或via电容器来创建。
19.一种σ-δ转换器,包括:
20.一种stm与双电容电荷乘法器中的共源mosfet元件,其中,所述共源mosfet替换为高增益元件,所述高增益元件是mos控制晶闸管或门极可关断晶闸管。
21.一种stm输入电荷周期控制,其中,所述控制创建正弦滤波器陷波来优化热噪声和闪烁噪声响应。