摘 要: 介绍了一种利用格雷码在焦平面CMOS读出电路中实现灵活读出方式,并且改善芯片整体性能的设计思想,采用的仿真设计工具是Cadence IC 5.0。在分析格雷码特征的基础上,利用格雷码的反射性和单步循环特性设计了一种不同于传统结构的新型读出电路,并给出了相应的仿真波形。该读出电路以较简单的结构实现了四种顺序的读出方式,同时降低了芯片功耗并提高了稳定性。
0 引言
焦平面阵列主要由探测器阵列和读出电路(ROIC)阵列组成。探测器的作用是将光信号转换成电信号;读出电路的主要功能是对探测器输出的微弱信号进行预处理和阵列信号的并/串行转换,以便为焦平面阵列和随后的信号处理级之间提供一个好的接口。由此可见焦平面读出电路是焦平面探测器的重要组成部分。焦平面读出电路直接参与探测信号的传输过程,因此针对二维的焦平面探测器阵列,与之互联的读出电路必须能够完成探测器阵列的信号的扫描、积分、处理和传输。与CCD读出电路相比,CMOS读出电路有成本低、抗辐射能力强、功耗低,以及读出方式灵活等优点[1]。CMOS读出电路正逐渐成为焦平面读出电路结构的主流技术。高性能的CMOS读出电路,可实现开窗,读出顺序可选等功能,用户可根据不同的应用场合进行合适的功能选择,以达到最佳的成像效果。要以较简单的结构实现上述灵活的读出方式,并且兼顾其他性能指标,CMOS读出电路中行列扫描的编码方式是关键。研究发现,格雷码因其自身的反射特性,配合电路结构的设计,能成功实现读出顺序可选;格雷码的误码率较低,能实现准确开窗;格雷码任意相邻代码直接只有一位数码不同,即任意相邻码组之间的码距恒为1,因此采用格雷码作为读出电路中的计数方式可使逻辑门翻转次数减少,芯片整体功耗降低。为此,本文给出了格雷码在焦平面CMOS读出电路中应用的实例。
1 格雷码编码技术
1.1 格雷码简述
格雷码是一种无权码,采用绝对编码方式。典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码。反射特性是指将格雷码组对半折叠,只有最高位上下两部分不同(上半部分为0,下半部分为1),折叠处如同一个镜面。因此利用它的反射特性,实现电路中的求反非常方便。单步特性是指它的任意两个码组之间码距为1,循环特性是指最后一个码组与第一个码组的码距也为1,它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能,提高了电路的可靠性[2-3]。例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变,使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点,它是一种数字排序系统,其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的代码之间转换时,只有一位数码发生变化。这大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。表1为几种自然二进制码与格雷码的对照表。
1.2 二进制到格雷码的转换
格雷码在工程中应用广泛,但不便于运算,因此有时需要与二进制码进行相互转换。在CMOS读出电路中,要实现各种灵活的读出方式,一般需要外部输入用户预期的窗口大小和位置等控制字。为了方便用户计算和识别,此类控制字一般为较常用的自然二进制代码,而读出电路内部功能由格雷码编码方实现,因此这就要求将从外部读入的二进制代码控制字转化为格雷码形式的控制字。自然二进制码转换成二进制格雷码,其法则是保留自然二进制码的最高位作为格雷码的最高位,而次高位格雷码为二进制码的高位与次高位相异或,而格雷码其余各位与次高位的求法相类似[2-3]。如自然二进制数定义为Bn-1Bn-2…B2B1B0,其对应的格雷码定义为Gn-1Gn-2…G2G1G0。其中,最高位保留Gn-1=Bn-1,其余各位Gi=Bi+1 Bi(i=0,1,2,…,n-2)。
2 格雷码在焦平面CMOS读出电路中的实现及应用
2.1 焦平面CMOS读出电路结构及工作原理简述
本文设计的焦平面CMOS读出电路的基本结构如下:首先根据外部输入的控制字设置好读出电路的工作模式以及行列窗口的大小和起始地址。积分采样单元在积分和采样过程完毕以后,行窗口控制(HWC)和列窗口控制(VWC)模块将根据自然二进制编码的控制字进行计数并转换成格雷码进行处理,确定行列窗口的起始地址和大小。公共放大器(CAO,Common Amplifer Output)根据行列窗口地址将对应单元的信号进行放大,并缓冲输出[4]。行窗口控制电路的作用是将二进制的行地址转换成格雷码的行地址进行计数,并进行行窗口大小的计数,直到计数满足窗口大小时结束行窗口选择。产生的计数脉冲按格雷码规律进行变化,在选定的窗口范围内单元电路被逐行选通。列窗口控制电路的作用是将二进制的列地址转换成格雷码的列地址进行计数,并进行列窗口大小的计数,直到计数到满足窗口大小时结束该行的列窗口选择。产生的计数脉冲按格雷码规律进行变化,在选定的行内单元电路被逐个选通。
通过格雷码在上述电路中的巧妙应用,不仅可以按正常的满窗口读出图像,也可以通过用户人为设置起始位置和窗口大小进行开窗读出,更重要的是,由于格雷码的反射特性,该电路轻松实现了四种读出方向可选和溢出控制功能。四种读出方向分别为:Default默认顺序读出,即行正向,列正向;Reverted反向读出,即行正向,列反向;Inverted翻转读出,即行翻转,列正向;Reverted and Inverted反向翻转读出,即行翻转,列反向。四种读出顺序示意图如图2。
2.2 格雷码在焦平面CMOS读出电路中的实现
在行列窗口控制电路中,首先要实现自然二进制控制字到格雷码控制字的转换。以128×128的读出电路的行窗口控制部分为例,满窗口大小为128,因此需要7位格雷码控制位。根据已知的转换法则,设计二进制到格雷码的转换电路如图3。
2.2 格雷码在焦平面CMOS读出电路中的实现
在行列窗口控制电路中,首先要实现自然二进制控制字到格雷码控制字的转换。以128×128的读出电路的行窗口控制部分为例,满窗口大小为128,因此需要7位格雷码控制位。根据已知的转换法则,设计二进制到格雷码的转换电路如图3。
在行选通信号HS的有效时间内,行地址选择电路接受外部输入的控制窗口地址的YY0-YY5,通过异或门转化成6位格雷码形式的计数初值,以行时钟HCLK为出发信号进行计数,7位格雷码H6-H0计数产生128种计数状态,通过Candence的数字仿真软件VerilogXL得到仿真波形,如图4。由图4可见,7位格雷码除了最高位H6外均成镜像对称分布,且相邻状态之间仅有一位跳变。
在行选通信号HS的有效时间内,行地址选择电路接受外部输入的控制窗口地址的YY0-YY5,通过异或门转化成6位格雷码形式的计数初值,以行时钟HCLK为出发信号进行计数,7位格雷码H6-H0计数产生128种计数状态,通过Candence的数字仿真软件VerilogXL得到仿真波形,如图4。由图4可见,7位格雷码除了最高位H6外均成镜像对称分布,且相邻状态之间仅有一位跳变。
2.3 格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用
利用所产生的128位格雷码计数状态,配合反相控制单元可实现对积分单元阵列的四种不同顺序的扫描。将7位格雷码H6-H0产生的128种计数状态作为行接口或列接口的选通脉冲,即可实现对行列的顺向扫描。利用一控制信号产生H6的方向信号,即使最高位取反,由于格雷码状态的对称分布,128种状态反向,由此将H6取反后的7位格雷码H6-H0产生的128种计数状态作为行接口或列接口的选通脉冲,即可实现对行列的反向扫描。以行窗口控制为例,通过Candence的数字仿真软件VerilogXL对行顺反向扫描进行仿真得到选通脉冲的波形如图5。仿真结果表明,利用格雷码可准确实现读出电路积分单元的顺反向扫描功能。
2.3 格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用
利用所产生的128位格雷码计数状态,配合反相控制单元可实现对积分单元阵列的四种不同顺序的扫描。将7位格雷码H6-H0产生的128种计数状态作为行接口或列接口的选通脉冲,即可实现对行列的顺向扫描。利用一控制信号产生H6的方向信号,即使最高位取反,由于格雷码状态的对称分布,128种状态反向,由此将H6取反后的7位格雷码H6-H0产生的128种计数状态作为行接口或列接口的选通脉冲,即可实现对行列的反向扫描。以行窗口控制为例,通过Candence的数字仿真软件VerilogXL对行顺反向扫描进行仿真得到选通脉冲的波形如图5。仿真结果表明,利用格雷码可准确实现读出电路积分单元的顺反向扫描功能。
3 结论
焦平面CMOS读出电路的基本结构不变,以本设计提出的基于格雷码扫描的行列窗口控制单元代替传统读出电路中的自然二进制计数器构成的行列移位寄存器,可轻松实现多种灵活的扫描读出方式。该设计结构简单,仅增加一反相器即可实现反向输出,节约了读出电路芯片的面积和成本,尤其适合在大面阵的焦平面中使用。另外,基于格雷码自身的误码率低,单步循环等特点,整个芯片的功耗和稳定性均得到了优化。因此,推广格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用,将对研制新结构高性能的读出电路具有现实意义。
参考文献:
[1] 王庆有.图像传感器技术[M].北京:电子工业出版社,2003.
[2] Hsieh C C,Wu C Y,Jih F W,et al.Focal-plane arraysand CMOS readout techniques of infrared imagingsystems[J].IEEE Trans. on Circuits and System forVideo Technol., 1997,7(4):594-605.
[3] Eminoglu I S, Tanrikulu M Y, Akin T. Low-cost,small-pixel uncooled infrared detector for large focalplane arrays using a standard CMOS process[J].Proc.SPIE,2002,4721:111-121.
[4] 毕查德.拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2003.
作者简介:祝晓笑(1984-),女,2006年毕业于哈尔滨工程大学通信工程专业,助理工程师,主要从事图像传感器设计及应用研究。
