低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換方法及轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)領(lǐng)域，為加快單斜ADC的轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換方法及轉(zhuǎn)換器，由斜坡發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、比較器、多路選擇開關(guān)、寄存器組成，斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個(gè)參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。本發(fā)明主要應(yīng)用于數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。
【專利說明】低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換方法及轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換方法及轉(zhuǎn)換器。
技術(shù)背景
[0002]CMOS圖像傳感器具有集成度高、功耗低及成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于圖像采集領(lǐng)域。ADC是CMOS圖像傳感器的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能。目前應(yīng)用在CMOS圖像傳感器中的ADC有三種類型:像素級(jí)ADC、列級(jí)ADC和芯片級(jí)ADC。列級(jí)ADC與芯片級(jí)ADC相比，對(duì)ADC速度要求較低，降低了設(shè)計(jì)難度；與像素級(jí)ADC相比，提高了填充因子，從而提高了圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率，因此列級(jí)ADC得到了廣泛應(yīng)用。但列級(jí)ADC也面臨著一些挑戰(zhàn):列級(jí)ADC在列寬上受限于像素尺寸；列與列之間的失調(diào)會(huì)引入列級(jí)固定模式噪聲。
[0003]對(duì)于CMOS圖像傳感器中的列級(jí)ADC，現(xiàn)有的主要實(shí)現(xiàn)方式有單斜ADC、逐次逼近ADC和循環(huán)ADC等。其中，單斜ADC應(yīng)用最為廣泛。因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每列只需要一個(gè)比較器和寄存器，占用面積??；各列共用一個(gè)斜坡，列間一致性好。圖1所示為CMOS圖像傳感器中的單斜ADC的結(jié)構(gòu)框圖及工作過程。轉(zhuǎn)換開始時(shí)，模擬輸入信號(hào)Vin被采樣保持，然后計(jì)數(shù)器控制斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp,并與Vin進(jìn)行比較。當(dāng)Vramp大于Vin時(shí)，比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，控制寄存器將此時(shí)的計(jì)數(shù)器值保存下來，即為量化的結(jié)果。
[0004]但單斜ADC有個(gè)重要缺點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)換速率慢，N位的單斜ADC至少需要2N個(gè)時(shí)鐘周期才能完成一次轉(zhuǎn)換。該缺點(diǎn)限制了單斜ADC在大像素陣列或者高幀頻等場(chǎng)合的應(yīng)用。為了提高其轉(zhuǎn)換速率，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)有的技術(shù)有:
[0005]I)斜坡步長(zhǎng)改變的單斜ADC，其根據(jù)像素信號(hào)噪聲與光強(qiáng)成正比理論，將斜坡電壓改為步長(zhǎng)隨電壓升高而增大，即產(chǎn)生了一個(gè)非線性的類似于指數(shù)增長(zhǎng)的斜坡，縮短了轉(zhuǎn)換時(shí)間，且沒有降低圖像傳感器的性能。
[0006]2)兩步單斜ADC。該結(jié)構(gòu)將量化過程分為粗量化和細(xì)量化兩步。其將粗量化時(shí)的斜坡電壓存儲(chǔ)在電容上，用于進(jìn)一步細(xì)量化。但MOS開關(guān)的電荷注入會(huì)引入較大的誤差。
[0007]3)多斜坡ADC。顧名思義，其采用多個(gè)不同區(qū)間的斜坡電壓來同時(shí)進(jìn)行量化，可成倍增快量化速率。但需要多個(gè)斜坡發(fā)生器，且功耗會(huì)增加很多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，加快單斜ADC的轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換器，由斜坡發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、比較器、多路選擇開關(guān)、寄存器組成，斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK，K = 1，2，3，…，!^冰個(gè)參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。[0009]使斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK，K = I, 2，3，…，k ;k個(gè)參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器；其中，工作過程分為粗量化和細(xì)量化兩個(gè)階段:
[0010]粗量化階段:k個(gè)參考電壓VrefK連接的開關(guān)SI~Sk按順序依次閉合，使各列比較器的Vinl-端依次連接至參考電壓Vrefl、Vref2、…Vrefk,形成k個(gè)臺(tái)階電壓，同時(shí)Vramp輸出最高電平Vrefp,因而各列比較器的Vinl+端也一直為Vrefp,則Vinl+與Vinl-的差VR為遞減的臺(tái)階信號(hào)；各列比較器的Vin2+/_端輸入一個(gè)差分信號(hào)Vsig，并將Vsig與VR進(jìn)行比較，開始時(shí)Vsig〈VR，比較器輸出為0，當(dāng)Vsig>VR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)為1，同時(shí)將粗量化計(jì)數(shù)器的值存到存儲(chǔ)器中；
[0011]細(xì)量化階段:整個(gè)量化范圍Vref = Vrefp-Vrefn被分為k個(gè)細(xì)量化區(qū)間，各列根據(jù)粗量化的結(jié)果，控制各模擬開關(guān)使比較器連接到正確的參考電壓，從而選擇了對(duì)應(yīng)的細(xì)量化區(qū)間，若粗量化結(jié)果為K，那么開關(guān)SK導(dǎo)通，比較器Vinl-端連接到VrefK ;即選擇了(k-K) /kVref至(k-K-1) /kVref細(xì)量化區(qū)間；Vramp產(chǎn)生斜坡電壓提供給各列比較器的Vinl+端，其范圍為V,rfp-VMf/k到V_ ;因此Vinl+與Vinl-的差VR即為經(jīng)過平移的斜坡電壓，且與Vsig在同一細(xì)量化區(qū)間，將信號(hào)Vsig與斜坡VR進(jìn)行比較，當(dāng)二者幾乎相等時(shí)，比較器輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，并將細(xì)量化計(jì)數(shù)器的值存入存儲(chǔ)器中；將粗量化結(jié)果為高位，細(xì)量化結(jié)果作為低位，即可合成得到最終的量化結(jié)果。
[0012]與已有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0013]通過分成粗細(xì)兩步量化，可以大大提高單斜ADC的轉(zhuǎn)換速率。對(duì)于N位的單斜ADC，每次量化至少需要2N時(shí)鐘周期；而對(duì)于m位粗量化，η位細(xì)量化的本結(jié)構(gòu)m+n = N,則需要至少2-+211個(gè)時(shí)鐘周期。
[0014]與現(xiàn)有的的多斜坡結(jié)構(gòu)相比，本技術(shù)功耗降低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。多斜坡結(jié)構(gòu)需要產(chǎn)生多個(gè)斜坡，因此斜坡產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而本技術(shù)只需要產(chǎn)生一個(gè)斜坡。另外，每個(gè)產(chǎn)生的斜坡需要經(jīng)過一個(gè)很大的緩沖器來驅(qū)動(dòng)所有列的比較器，因此采用多個(gè)斜坡時(shí)，這些緩沖器會(huì)大大增加功耗。而本技術(shù)采用單個(gè)斜坡，雖然每個(gè)參考電壓也需要接緩沖器，但因?yàn)槠錇橹绷麟娖?，所以?duì)緩沖器的速度要求低，功耗也隨之降低。因此可以選用更多的參考電壓來加快轉(zhuǎn)換速率，且不會(huì)導(dǎo)致緩沖器功耗過分增加。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的單斜ADC的結(jié)構(gòu)框架及工作過程示意圖，
[0016]圖2是本發(fā)明提供的多參考電壓?jiǎn)涡盇DC的架構(gòu)圖，
[0017]圖3是本發(fā) 明提供的斜坡電壓及多參考電壓的示意圖，
[0018]圖4是本發(fā)明提供的多參考電壓?jiǎn)涡盇DC工作過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明對(duì)多斜坡ADC進(jìn)行了改進(jìn)，提出了單個(gè)斜坡，多個(gè)參考電壓的結(jié)構(gòu)。其能大大加快單斜ADC的轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。
[0020]本發(fā)明采用單個(gè)斜坡、多個(gè)參考電壓的結(jié)構(gòu)來改進(jìn)單斜ADC，結(jié)構(gòu)如圖2所示。斜坡及參考電壓產(chǎn)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK (K = 1，2，3，…，k)，提供給各列使用。其波形如圖3所示,斜坡電壓的范圍為量化范圍(Vref = Vrefp-Vrefn)的I/k，各個(gè)參考電壓將量化范圍等分為k個(gè)細(xì)量化區(qū)間。每一列電路包括比較器、多路選擇開關(guān)、邏輯電路及存儲(chǔ)電路。附圖2中為簡(jiǎn)略起見只畫出兩列電路，對(duì)于每一列，其結(jié)構(gòu)與工作原理均相同。其工作過程分為粗量化和細(xì)量化兩個(gè)階段:
[0021]粗量化階段:各列的模擬開關(guān)SI~Sk按順序依次閉合，使比較器的Vinl-端依次連接至參考電壓Vrefl、Vref2、…Vrefk,形成k個(gè)臺(tái)階電壓，同時(shí)Vramp輸出最高電平Vrefp，因而Vinl+端也一直為Vrefp，電壓波形如圖4(a)所示。那么Vinl+與Vinl-的差VR為遞減的臺(tái)階信號(hào)，圖4(b)所示。比較器的Vin2+/_端輸入差分信號(hào)Vsig，并將Vsig與VR進(jìn)行比較，開始時(shí)Vsig〈VR，比較器輸出為0，當(dāng)Vsig>VR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)為1，如圖4(c)所示，同時(shí)將粗量化計(jì)數(shù)器的值存到存儲(chǔ)器中。
[0022]細(xì)量化階段:整個(gè)量化范圍(Vref = Vrefp-Vrefn)被分為k個(gè)細(xì)量化區(qū)間。根據(jù)粗量化的結(jié)果，控制各模擬開關(guān)使比較器連接到正確的參考電壓，從而選擇了對(duì)應(yīng)的細(xì)量化區(qū)間，如圖4(a)所示，開關(guān)S2導(dǎo)通，比較器Vinl-端連接到Vref2，即選擇了(k_2)/k.Vref至(k-l)/k.Vref細(xì)量化區(qū)間。Vramp產(chǎn)生斜坡電壓提供給比較器的Vinl+端,其范圍為V__VMf/k到VMfp。因此Vinl+與Vinl-的差VR即為經(jīng)過平移的斜坡電壓，且與Vsig在同一細(xì)量化區(qū)間，如圖4(b)所示。將信號(hào)Vsig與斜坡VR進(jìn)行比較，當(dāng)二者幾乎相等時(shí)，比較器輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)， 并將細(xì)量化計(jì)數(shù)器的值存入存儲(chǔ)器中。將粗量化結(jié)果DCoarse作為高位，細(xì)量化結(jié)果DFine作為低位，即可合成得到最終的量化結(jié)果。
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面將結(jié)合實(shí)例給出本發(fā)明實(shí)施方式的具體描述。首先以一個(gè)12位的多參考電壓為例說明。采用單個(gè)斜坡、八個(gè)參考電壓的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)量化范圍分為了 8個(gè)細(xì)量化區(qū)間。在粗量化階段可以得到3位粗量化結(jié)果，根據(jù)此結(jié)果選擇細(xì)量化區(qū)間，然后進(jìn)行細(xì)量化，得到9位細(xì)量化結(jié)果，最后即可合成為12位量化結(jié)果。一個(gè)量化周期需要至少23+29時(shí)鐘周期，而若采用傳統(tǒng)單斜ADC結(jié)構(gòu)，則需要至少212時(shí)鐘周期，可見量化速率可提高將近8倍。
[0024]下面結(jié)合一個(gè)CMOS圖像傳感器的實(shí)例來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:CM0S圖像傳感器像素陣列共1024列，每列讀出電路可用的Layout寬度為30 μ m。其中列級(jí)ADC要求12位精度，量化周期為64us。多參考電壓?jiǎn)涡盇DC采用八個(gè)參考電壓，可滿足速度與精度的要求，且不會(huì)過分增加功耗。根據(jù)該實(shí)例對(duì)緩沖器帶寬的要求可以得到如下估算:單個(gè)斜坡緩沖器功耗8mW，單個(gè)參考電壓緩沖器功耗為1.2mW，若采用現(xiàn)有技術(shù)提供的八個(gè)斜坡的多斜坡ADC結(jié)構(gòu)，則緩沖器總功耗高達(dá)65.2mff,而多參考電壓ADC結(jié)構(gòu)的緩沖器總功耗僅為17.6mff0
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換器，其特征是，由斜坡發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、t匕較器、多路選擇開關(guān)、寄存器組成，斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK，K= 1,2, 3，…，k ；k個(gè)參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。
2.一種低功耗列級(jí)多參考電壓?jiǎn)涡蹦?shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征是，包括下列步驟: 使斜坡發(fā)生器產(chǎn)生斜坡電壓Vramp及k個(gè)參考電壓VrefK，K = 1,2, 3，…，k ;k個(gè)參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器；其中，工作過程分為粗量化和細(xì)量化兩個(gè)階段: 粗量化階段:k個(gè)參考電壓VrefK連接的開關(guān)SI~Sk按順序依次閉合，使各列比較器的Vinl-端依次連接至參考電壓Vrefl、Vref2、…Vrefk,形成k個(gè)臺(tái)階電壓，同時(shí)Vramp輸出最高電平Vrefp,因 而各列比較器的Vinl+端也一直為Vrefp,則Vinl+與Vinl-的差VR為遞減的臺(tái)階信號(hào)；各列比較器的Vin2+/_端輸入一個(gè)差分信號(hào)Vsig，并將Vsig與VR進(jìn)行比較，開始時(shí)Vsig〈VR，比較器輸出為O，當(dāng)Vsig>VR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)為1，同時(shí)將粗量化計(jì)數(shù)器的值存到存儲(chǔ)器中； 細(xì)量化階段:整個(gè)量化范圍Vref = Vrefp-Vrefn被分為k個(gè)細(xì)量化區(qū)間，各列根據(jù)粗量化的結(jié)果，控制各模擬開關(guān)使比較器連接到正確的參考電壓，從而選擇了對(duì)應(yīng)的細(xì)量化區(qū)間，若粗量化結(jié)果為K，那么開關(guān)SK導(dǎo)通，比較器Vinl-端連接到VrefK ；即選擇了(k_K) /kVMf至(k-K-1) /kVMf細(xì)量化區(qū)間；Vramp產(chǎn)生斜坡電壓提供給各列比較器的Vinl+端，其范圍為V__VMf/k到V_ ;因此Vinl+與Vinl-的差VR即為經(jīng)過平移的斜坡電壓，且與Vsig在同一細(xì)量化區(qū)間，將信號(hào)Vsig與斜坡VR進(jìn)行比較，當(dāng)二者幾乎相等時(shí)，比較器輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，并將細(xì)量化計(jì)數(shù)器的值存入存儲(chǔ)器中；將粗量化結(jié)果為高位，細(xì)量化結(jié)果作為低位，即可合成得到最終的量化結(jié)果。
【文檔編號(hào)】H04N5/3745GK103986470SQ201410213571
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】徐江濤, 呂濤, 姚素英, 史再峰, 高靜, 聶凱明, 高志遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)