格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用

　　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)。