模擬數(shù)字的轉換方法及其相關模擬數(shù)字轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬數(shù)字轉換的方法及其模擬數(shù)字轉換器，尤其涉及一種利用多重參考電壓以及單一斜波產(chǎn)生器實現(xiàn)兩階式模擬數(shù)字的轉換方法及其模擬數(shù)字轉換器。
【背景技術】
[0002]圖像感應器演變成速度越來越快，且能更精確地捕捉各種實物(例如，可見光，紅外線，...)的圖像。例如，以1M畫素以上捕捉每秒120張圖的手持相機已經(jīng)成為日常生活商品。同樣地，極快速(每秒10，000張圖)以及超準確的科學感應器以用來發(fā)展生命科學、機器人、建筑等。為了市場的需求，不斷改善這些影像，需要從系統(tǒng)的設計和技術創(chuàng)新著手。例如，提高速度和感應器質量，多個整合電路互相堆棧，以實現(xiàn)的簡潔影像器。此外，新的讀出架構開發(fā)，以實現(xiàn)更高的讀取速度。然而，這需要模擬數(shù)字轉換器(analog-to-digitalconverters, ADC)的設計創(chuàng)新,減少面積和功耗，同時提高速度和分辨率。
[0003]隨著集成電路制程技術的進步，模擬數(shù)字轉換器輸出的一數(shù)字信號的位數(shù)越來越高。也就是說，數(shù)字信號代表的量值與輸入的模擬信號越來越接近。當然，數(shù)字信號的位數(shù)提高亦表示模擬數(shù)字轉換器的電路復雜度上升、布局面積增加與噪聲抵抗需求提高。下述的專利文件教導模擬數(shù)字轉換器及其相關的方法。
[0004]美國專利號US20120025062公開一種混合式模擬數(shù)字轉換器、一影像感應器以及用來提供多個數(shù)字碼的方法。然而，實現(xiàn)所述專利需要大量的電容必須利用較大的像素感應器。因此，難以實現(xiàn)小體積的影像感應器。
[0005]IEEE 文件 “Multiple-Ramp Column-ParalIel ADC Architectures for COMSImage Sensor”公開一種影像器，其具有平行處理模擬數(shù)字，并根據(jù)根據(jù)一多重斜波單一斜率模擬數(shù)字轉換器。其缺點在于需要多組斜波產(chǎn)生器，導致耗電問題。
[0006]歐洲專利號EP1351490公開一種改善讀取電路的影像感應器。以及美國專利號US6670904公開一種用于互補式金屬氧化物半導體的雙斜波模擬數(shù)字轉換器。然而，上述專利的實現(xiàn)方式僅局限于一線性法(Linear search)。

【發(fā)明內容】

[0007]因此，本發(fā)明的主要目的即在于公開一種模擬數(shù)字的轉換方法，以達到減省電源消耗以及縮短轉換時間。
[0008]本發(fā)明公開一種模擬數(shù)字的轉換方法。所述轉換方法包含有通過所述模擬信號對一電容充電，以取樣所述模擬信號的電壓；在所述電容的電壓等于所述模擬信號的電壓時，耦接所述電容以及多個參考電壓至一比較器，以比較所述電容的電壓與所述多個參考電壓并產(chǎn)生一第一比較結果；在所述第一比較結果的狀態(tài)改變時，耦接所述電容至一斜波產(chǎn)生器，以比較所述斜波產(chǎn)生器的一斜波信號與所述多個參考電壓的一第一參考電壓以及所述電容的電壓間的一壓差并產(chǎn)生一第二比較結果；在所述第二比較結果的狀態(tài)改變時，取得所述斜波信號的一第一電壓值；以及根據(jù)所述第一參考電壓以及所述斜波信號的所述第一電壓值，取得所述模擬信號的所述數(shù)字碼。
[0009]本發(fā)明還公開一種模擬數(shù)字轉換器。所述模擬數(shù)字轉換器包含有復數(shù)平行處理列、一參考電壓產(chǎn)生器以及一斜波產(chǎn)生器。所述復數(shù)平行處理列用來同時輸入多個模擬信號。其中，每一平行處理列包含有一電容、一第一開關、一第二開關以及一比較器。所述電容用來根據(jù)所述多個模擬信號的一模擬信號取樣所述模擬信號的電壓。所述第一開關耦接于所述電容的一第一端，用來控制所述電容的耦接關系。所述第二開關耦接于所述電容的一第二端，用來控制所述電容的耦接關系。所述比較器具有一第一輸入端耦接于所述參考電壓產(chǎn)生器、一第二輸入端I禹接于所述每一第二開關以及一輸出端用來產(chǎn)生一第一比較結果以及一第二比較結果。所述參考電壓產(chǎn)生器用來產(chǎn)生多個參考電壓。所述斜波產(chǎn)生器耦接于所述第一開關，用來產(chǎn)生一斜波信號。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例一模擬數(shù)字轉換器的示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明圖1的模擬數(shù)字轉換器10的一時序圖。
[0012]圖3為本發(fā)明實施例另一模擬數(shù)字轉換器的示意圖。
[0013]圖4為本發(fā)明實施例一流程的示意圖。
[0014]其中，附圖標記說明如下:
[0015]10,30模擬數(shù)字轉換器
[0016]100參考電壓產(chǎn)生器
[0017]120斜波產(chǎn)生器
[0018]130計數(shù)器
[0019]140電容
[0020]160比較器
[0021]180邏輯記憶單元
[0022]40流程
[0023]400、402、404、406、408、410、412 步驟
[0024]S1、S2開關
[0025]V、V’電壓
[0026]T_V+、T_V-輸入端
[0027]Rmp斜波信號
[0028]P、Q、N數(shù)字碼
[0029]Vinp_l、Vinp_2、...、Vinp_n模擬信號
[0030]Colmn_l、Colmn_2、…、Colmn_n平行處理列
[0031]rv_l> rv_2> …、rv_n、rv_p、rv_p_l 參考電壓
【具體實施方式】
[0032]請參考圖1，圖1為本發(fā)明實施例一模擬數(shù)字轉換器10的示意圖。模擬數(shù)字轉換器10可平行處理模擬信號Vinp_l、Vinp_2、…、Vinp_n。模擬數(shù)字轉換器10包含有平行處理列Colmn_l、Colmn_2、…、Colmn_n、一參考電壓產(chǎn)生器100、一斜波產(chǎn)生器120以及一計數(shù)器130。參考電壓產(chǎn)生器100用來產(chǎn)生參考電壓rv_l、rv_2、....、rv_n，以對模擬信號Vinp_l、Vinp_2、...、Vinp_n 執(zhí)行一粗部比較(coarse convers1n)。平行處理列 Colmn_l、Colmn_2、…、Colmn_n,用來同時輸入模擬信號Vinp_l、Vinp_2、…、Vinp_n,并平行輸出相對應的數(shù)字碼。平行處理列Colmn_l、Colmn_2、…、Colmn_n的每一平行處理列包含有一電容140、開關SI以及S2、一比較器160以及一邏輯記憶單元180。電容140用來取樣模擬信號Vinp_l、Vinp_2、…、Vinp_n的一模擬信號的電壓。開關SI f禹接于電容140的一第一端，用來控制電容140的耦接關系。開關S2耦接于電容140的一第二端，用來控制電容140的率禹接關系。比較器160具有一第一輸入端T_V-稱接于參考電壓產(chǎn)生器100、一第二輸入端丁—乂+耦接于開關S2以及一輸出端用來產(chǎn)生比較結果cmpr_l以及比較結果cmpr_2。斜波產(chǎn)生器120,稱接于開關SI,用來產(chǎn)生一斜波信號Rmp,以對所述模擬信號執(zhí)行一細部轉換(fine convers1n)。
[0033]為了方便說明，僅以平行處理列colmn_l為例。當開關SI為“I”且開關S2為“I”時，電容140的一端耦接至模擬信號Vinp_l，電容140的另一端接地，模擬信號Vinp_l對電容140進行充電。當開關SI為“I”且開關S2為“O”時，電容140耦接至比較器160的第二輸入端T_V+，而比較器160的第一輸入端T_V-耦接至參考電壓產(chǎn)生器100。此時，電容140的電壓被充到模擬信號Vinp_l的電壓，比較器160開始比較電容140的電壓(SP，模擬信號Vinp_l的電壓)以及參考電壓rv_l、rv_2、....、rv_n,并產(chǎn)生比較結果cmpr_l。比較器140可采用一二分法(Binary search)或一線性法(Linear search)比較電容140的電壓與參考電壓rv_l、rv_2、….、rv_n。若采用二分法時,邏輯記憶單元180還包含有一循序漸進緩存器(Successive Approximate Register, SAR)。較佳地，參考電壓 rv_l、rv_2、....、rv_n可以二進制的方式由小到大遞增。若電容140的電壓較參考電壓大時，比較結果cmpr_l為“I”。若電容140的電壓較參考電壓小時，比較結果cmpr_l為“O”。一參考電壓rv_p與電容140的電壓進行比較時，使得比較結果的狀態(tài)改變(從“O”到“I”)。其代表，電容140的電壓(即，模擬信號Vinp_l的電壓)介于一參考電壓rv_p_l與參考電壓rv_p之間。由于參考電壓rv_p-l可由一數(shù)字碼P表示，模擬數(shù)字轉換器10取得粗部轉換的數(shù)字碼(即，較高有效位(More Significant Bit，MSB))。而比較器160的第一輸入端T_V-耦接至參考電壓rv_p-l，以進一步執(zhí)行細部轉換。
[0034]當執(zhí)行細部轉換時，開關SI切換至“O”且開關S2切換至“O”。此時，電容140耦接至比較器160的第二輸入端T_V+以及斜波產(chǎn)生器120，且比較器160的第一輸入端T_V-耦接至參考電壓rv_p-l。比較器160開始比較第一輸入端T_V-的電壓(B卩，參考電壓rv_p_l)以及第二輸入端T_V+的電壓(B卩，電容140的電壓加上斜波信號Rmp)。換句話說，比較器160比較斜波信號Rmp與參考電壓rv_p-l與電容140的電壓間的一壓差V，并產(chǎn)生比較結果cmpr_2。較佳地，斜波信號Rmp具有一負斜率或一正斜率。計數(shù)器130耦接于斜波產(chǎn)生器120，用來在斜波信號Rmp每遞減/遞增(取決于負斜率或正斜率)一階時隨之遞增一位。當斜波信號Rmp遞減/遞增至電壓值V’(略小于參考電壓rv_p-l與電容140的電壓間的壓差V)時，比較結果cmpr_2的狀態(tài)改變。舉例來說，電容的電壓為0.35伏特，而參考電壓rv_p-l為0.30伏特。比較器160比較參考電壓rv_p-l (0.30伏特)與電容140的電壓(0.35伏特)以及斜波信號Rmp的加總。由于斜波信號Rmp具有負斜率，其使得比較器160的