CN101566859B - 参考电压控制装置和方法、参考电压产生装置 - Google Patents

Abstract

一种参考电压控制装置和方法、参考电压产生装置，其中，所述参考电压控制装置包括：电源电压跟踪单元，用于根据使能信号和电源电压，产生至少一个参照电压；比较单元，用于比较所述参照电压和基准电压，并根据比较结果输出控制信号，所述控制信号用于控制参考电压的变化范围。本发明通过对参考电压变化范围进行调整，使得图像传感器能够适应不同的电源电压工作环境，扩大应用的动态范围，并且提高输出图像的质量。

Description

参考电压控制装置和方法、参考电压产生装置

技术领域

本发明涉及模数转换技术，特别是CMOS图像传感器中模数转换器的参考电压控制装置和方法，以及参考电压产生装置。

背景技术

图像传感器被广泛应用于各种领域，例如，消费电子、机器人技术、基于卫星的仪器、交通、导航和制导。在图像传感器中，光信号首先通过像素阵列的曝光过程转变成差分模拟信号，然后通过模数转换器(ADC)采样并转换为数字信号。其中，光信号的强弱，通过由曝光过程所转换的不同模拟信号，然后由ADC转换成的不同的数字信号，在最终形成的图像中体现出来。

常规的ADC按照集成方式，可分为如全并行ADC和流水线ADC的芯片级集成型、如半并行ADC的列级集成型以及如∑-ΔADC的像素级集成型。其中，流水线模数转换器由于转换速度高，并且面积和功耗不是很大，因而被广泛地应用在各种高速数据转换电路和CMOS图像传感器芯片中。

参考图1，常规的流水线模数转换器可分为参考电压模块101、流水线模块102、模数转换模块103和数字校正模块104。流水线模块102又可分为若干级的子模块120，每一级子模块都包括采样保持电路121、低精度的子ADC122、子数模转换电路123和余量增益电路124。正常工作时，前一级子模块中的采样保持电路121对输入的差分模拟信号进行采样，并将样本模拟信号通过子ADC122转化为数字信号，再经过数模转换器123转化为反馈模拟信号，然后由余量增益电路124计算样本模拟信号与反馈模拟信号的差值，并对差值进行放大，送入下一级子模块的采样保持电路。每一级子模块具有与前一级相同的运算和转化过程，最后，将最后一级子模块的输出差分模拟 信号通过模数转换模块103转化成数字信号，并通过数字校正模块104校正后输出。

其中，参考电压模块101为流水线模块102、模数转换模块103和数字校正模块104提供参考电压。对应于输入流水线模块102、模数转换模块103和数字校正模块104的差分模拟信号，参考电压至少也具有与其分别对应的两个电压值V_refp和V_refn，并且V_refp和V_refn之间具有一定的差值。在现有技术中，这个差值，即参考电压的变化范围，保持恒定，不随电源电压等工作条件而变化。然而，在不同的电源条件下，光信号经过曝光所产生的差分模拟信号却不一样。当电源电压发生改变时，即使图像传感器在同样的场景下、并且其它工作条件也一样，输入到流水线模块102、模数转换模块103和数字校正模块104的差分模拟信号也将受到电源电压的影响而发生变化。但是，此时参考电压模块101所提供的参考电压仍旧保持不变，那么由ADC所得到的数字信号的变化将偏离所述差分模拟信号所产生的变化，由数字信号所表现出来的图像画面将发生变化。

申请号为200510126126.4的中国专利申请中公开了一种图像传感器中的可控参考电压源。其中，该专利申请方案采用可编程电流镜像源对参考电压进行调整，扩大了参考电压的变化范围，从而能使图像传感器适应更多工作场景，但是，该方案并不能解决由于电源电压的变化对图像的干扰。

发明内容

本发明解决的技术问题是由于参考电压保持固定的变化范围，图像质量因电源电压的变化而受到影响。

为解决上述问题，本发明提供了一种参考电压控制装置，用于图像传感装置的模数转换装置，包括：电源电压跟踪单元，用于根据使能信号和电源电压，产生至少一个参照电压；比较单元，用于比较所述参照电压和基准电 压，并根据比较结果输出控制信号，所述控制信号用于控制参考电压的变化范围。

可选的，所述比较单元为电压比较器，用于比较所述参照电压和所述基准电压，获得比较结果。

可选的，所述比较单元包括：电压比较器，用于比较所述参照电压和所述基准电压，获得比较结果；锁存单元，用于根据所述使能信号，对所述参照电压和基准电压的比较结果进行锁存。

可选的，所述比较单元还包括：控制单元，用于根据所述参照电压和基准电压的比较结果，产生控制信号。

可选的，所述电源电压跟踪单元包括：开关单元，用于根据使能信号，打开或关闭对电源电压的跟踪；分压单元，用于打开对电源电压的跟踪时，将电源电压分压，获得所述参照电压。

可选的，所述使能信号包括：令所述图像传感装置通电的时候产生的触发信号。

本发明还提供了一种参考电压产生装置，用于图像传感装置的模数转换装置，包括：电压产生单元，用于产生多项参考电压限值，其中至少一项参考电压限值具有多个数值；参考电压控制装置，用于产生随电源电压变化的控制信号，所述控制信号用于确定输出所述参考电压限值的数值，以控制输出参考电压的变化范围。

可选的，所述电压产生单元包括：基准单元，提供基准电压；分段输出单元，根据所述基准电压，输出多项参考电压限值。

可选的，所述电压产生单元包括：限值产生单元，产生至少一项参考电压限值；限值分压单元，对于所述参考电压限值进行分压。

本发明还提供了一种参考电压控制方法，包括：根据使能信号和电源电压，产生至少一个参照电压；比较所述参照电压和基准电压，产生对参考电压变化范围进行控制的控制信号。

可选的，所述根据使能信号和电源电压产生至少一个参照电压包括：当使能信号有效时，将电源电压分压，产生至少一个参照电压。

可选的，根据所述使能信号，对所述比较结果进行锁存。

可选的，所述使能信号包括：令所述图像传感装置通电的时候产生的触发信号。

相较于现有技术，本发明通过电源电压跟踪单元和比较单元，根据电源电压的变化，产生控制信号，控制参考电压的变化范围，当电源电压发生变化时，所述参考电压的变化范围也会随电源电压的变化而变化，以及使图像传感器中的模数转换器在不同的电源电压下都可以进行正常工作，并且具有较大的动态范围，从而使输出图像细节更为丰富，层次感强。

附图说明

图1是常规的流水线模数转换器结构示意图；

图2是本发明参考电压产生装置实施方式的结构示意图；

图3是本发明参考电压产生装置具体实施例的电路示意图；

图4是图3中电压产生单元具体实施方式的结构示意图；

图5是本发明参考电压控制装置实施方式的结构示意图；

图6是图5中电源电压跟踪单元具体实施方式的结构示意图；

图7是图5中比较单元具体实施方式的结构示意图；

图8是本发明参考电压控制装置另一种实施方式的结构示意图；

图9是本发明参考电压控制装置具体实施例的结构示意图；图10是本发明参考电压控制方法实施方式的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所提到，光信号首先通过像素阵列的曝光过程转变成差分模拟信号，然后通过ADC采样并转换为数字信号。在ADC中，对差分模拟信号的模数、数模转换都需要通过将差分模拟信号与参考电压相比较来实现，因此当参考电压模块提供的参考电压保持固定的变化范围，且差分模拟信号受到电源电压变化的影响发生变化时，将会使由ADC所得到的数字信号也相应地发生变化，从而影响到图像质量。本发明实施方式正是考虑到以上缺陷，因而提供了一种参考电压控制装置和方法，通过检测电源电压，对参考电压的变化范围进行调整，从而使得图像传感器能够适应不同的电源电压工作环境，扩大应用的动态范围，并且提高输出图像的质量。

下面即结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参考图2，本发明提供一种参考电压产生装置，用于图像传感装置的模数转换装置，包括：电压产生单元201，用于产生多项参考电压限值，其中至少一项参考电压限值具有多个数值；参考电压控制装置202，用于产生随电源电压变化的控制信号，所述控制信号用于确定所述参考电压限值输出时的数值，以控制输出参考电压的变化范围。

在具体实施例中，参考图3，参考电压产生装置包括电压产生单元201和参考电压控制装置330，其中电压产生单元201包括基准单元310，提供基准电压；分段输出单元320，根据基准电压，输出多项参考电压限值。

其中，基准单元310包括带隙基准源301、基准电阻R1和R2和运算放大器302，分段输出单元320包括缓冲器303和分压电阻R3、R4、R5、R6、R7。

具体地，带隙基准源301输出基准电压V_bg，通过运算放大器302和基准电阻R1、R2，在n1点产生电压： $V\left(n1\right)=V_{\mathrm{bg}}\×\frac{R_1+R_2}{R_2}.$ 接着，通过缓冲器302和分压电阻R3、R4、R5、R6、R7，产生具有不同数值的参考电压V_refp1、V_refp2、V_refp3和V_refn。参考电压控制装置330接收参考电压V_refp1、V_refp2、V_refp3和V_refn，并根据电源电压的变化，产生控制信号，从参考电压V_refp1、V_refp2、V_refp3中选择其一与参考电压V_refn一起输出。当电源电压发生变化时，所选择输出的参考电压也会发生变化。

在其它的实施方式中，参考图4，电压产生单元201可包括：限值产生单元401，产生至少一项参考电压限值；限值分压单元402，对所述参考电压限值进行分压。

参考图5，本发明实施方式提供了一种参考电压控制装置，用于图像传感装置的模数转换装置，包括：电源电压跟踪单元501，用于根据使能信号和电源电压，产生至少一个参照电压；比较单元502，用于比较所述参照电压和基准电压，并根据比较结果输出控制信号。所述控制信号用于控制输出参考电压的变化范围。

具体来说，例如，对应于输入ADC的差分模拟信号，参考电压至少也具有与其分别对应的两个电压值V_refp和V_refn，并且所述参考电压的变化范围，也就是V_refp和V_refn之间的差值。具体来说，所述控制信号可用于通过控制参考电压中的一项限值的值，例如V_refp或V_refn，在另一项，例如V_refn或V_refp，保持不变的情况下，实现对参考电压变化范围的调整。

在具体实施方式中，电源电压跟踪单元501包括：开关单元，用于根据使能信号，打开或关闭对电源电压的跟踪；分压单元，用于打开对电源电压的跟踪时，将电源电压分压，获得所述参照电压。所述使能信号可包括令所 述图像传感装置通电的时候产生的触发信号，也可包括令所述图像传感装置重启的时候产生的重启信号。参考图6，在具体实施例中，所述开关单元为开关601；所述分压单元为电阻分压器602，包括电阻R1、R2和R3。

当开关601打开时，所述电源电压VDD经电阻分压器602分压，获得第一参照电压 $V_1=\mathrm{VDD}\×\frac{R_1}{R_1+R_2+R_3}$ 以及第二参照电压 $V_2=\mathrm{VDD}\×\frac{R_1+R_2}{R_1+R_2+R_3}.$ 其中，电阻R1、R2和R3阻值的比例关系可由所需要的第一参照电压V₁和第二参照电压V₂进行确定。在具体实施例中，电阻R1、R2和R3的阻值可为下述比值关系：R1∶R2∶R3＝25∶4∶31。

在其它实施例中，所述分压单元还可采用电容分压器，或者阻容分压器等其它分压器，所述分压单元还可采用由二极管链接的MOS管进行分压，所采用的分压器形式不应对所述分压单元在电源电压跟踪单元501的实施过程有所限制。

参考图7，具体来说，比较单元502可包括电压比较器701和锁存单元702。其中，电压比较器701用于比较所述参照电压和基准电压，获得参照电压和基准电压的比较结果；锁存单元702，用于根据所述使能信号，对所述参照电压和基准电压的比较结果进行锁存。

当所述参照电压不止一个时，比较单元502可包括不止一个的电压比较器701，每个电压比较器701与其所接收的参照电压相对应。经电压比较器701所获得的比较结果，当使能信号有效时，通过锁存单元702进行保存。

由于锁存单元702对比较结果的锁存，使控制信号保持不变，则在图像处理过程中，基于所述控制信号的所述参考电压也不会出现波动，从而使得图像处理器所输出的图像保持稳定。

在具体实施中，锁存单元702可为D锁存器，也可为SR锁存器。所采用的锁存器形式不应对锁存单元702在实施过程中所起的作用有所限制。当然，在其它的实施方式中，也可以不采用锁存单元702。

参考图8，在其它具体实施方式中，比较单元502还可包括控制单元802，根据由电压分压器701获得的所述参照电压和基准电压的比较结果，产生控制信号。所述控制信号用于控制输出参考电压的变化范围。

具体来说，控制单元803可包括多路开关选通电路，以每个比较结果作为一个控制信号，控制一个开关选通电路，并且每一路开关选通电路用于控制输出一个参考电压。例如，当比较结果为1，控制信号为高电平，指示打开开关，开关选通电路打开，与所述开关选通电路连接的参考电压输出。所述输出的参考电压为参考电压的限值之一，在保持参考电压另一个限值不变的情况下，可实现对参考电压变化范围的调整。

在其它的实施方式中，比较单元502可根据实际需要，采用内部基准电压源，或采用外部基准电压源，用于提供基准电压。在具体实施例中，所述基准电压源可为带隙基准电压源。

在具体实施例中，参考图9，电源电压跟踪单元910包括开关901和分压电阻902、903、904，比较单元920包括比较器905、906和逻辑电路921，控制单元930包括开关电路907、908和909。

使能信号EX为低电平时，开关901被打开，电源电压VDD通过分压电阻902、903和904分为V₁、V₂，其中，V₂＞V₁，分别将V₁和V₂输入比较器905、906。

比较器905将V₁与所接收的基准电压V₀进行比较，当V₁＞V₀时，获得比较结果a为0；当V₁＜V₀时，获得比较结果a为1；在获得并输出比较结果a时，比较器905可同时输出比较结果的反向信号a。同样的，比较器906将V₂与所接收的基准电压V₀进行比较，当V₂＞V₀时，获得比较结果b为0；当V₂＜V₀时，获得比较结果b为1；在获得并输出比较结果b时，比较器906可同时输出比较结果的反向信号b。

将比较器905所输出的比较结果a和906所输出的比较结果的反向信号b输入至逻辑电路921，获得输出结果c，c＝a□b。其中，逻辑电路921用于实现a和b的相与操作，可包括与非门电路和反向器的串联电路。

当V₁＞V₀时，比较结果a为0以及a为1，由于V₂＞V₁，因而V₂＞V₀，比较结果b也为0，此时输出结果c为0；当V₁＜V₀而V₂＞V₀时，比较结果a为1以及a为0，比较结果b为0，此时输出结果c为1；当V₂＜V₀时，比较结果b为1，由于V₂＞V₁，因而V₁＜V₀，比较结果a为1以及a为0，此时输出结果c为0。

以比较结果a作为控制信号a′，以比较结果b作为控制信号b′，以输出结果c作为控制信号c，将控制信号a、b′和c′分别通过开关电路907、开关电路908、开关电路909与对应的参考电压相连接。具体来说，可将比较结果或输出结果的1作为控制信号的高电平，比较结果或输出结果的0作为控制信号的低电平。以控制信号a′的低电平控制开关电路907处于闭合状态，控制信号a′的高电平控制开关电路907处于打开状态；以控制信号b′的低电平控制开关电路908处于闭合状态，控制信号b′的高电平控制开关电路908处于打开状态；以控制信号c′的低电平控制开关电路909处于闭合状态，控制信号c′的高电平控制开关电路909处于打开状态。因此，当a和b都为0时，此时a为1且c为0，与参考电压V_refp3相连的开关电路导通，输出V_refp3；当a为1，b为0时，此时a为0且c为1，与参考电压V_refp2相连的开关电路导通，输出V_refp2；当a和b都为1时，此时，a为0且c为0，与参考电压V_refp1相连的开关电路导通，输出V_refp1。

通过所述参考电压控制装置，具体来说，通过电源电压跟踪单元910，根据电源电压产生参照电压，并通过比较单元920，比较所述参照电压和基准电压，以及通过控制单元930，根据所述比较结果产生控制信号，对参考电压V_refp1、V_refp2、V_refp3进行选择，确定参考电压V_refp具体为V_refp1、或V_refp2、或V_refp3， 从而实现根据电源电压调整参考电压的变化范围。

参考图10，本发明实施方式提供了一种参考电压控制方法，包括：步骤S1，根据使能信号和电源电压，产生至少一个参照电压；步骤S2，比较所述参照电压和基准电压，产生对参考电压变化范围进行控制的控制信号。

具体来说，步骤S1中，所述产生至少一个参照电压，包括：当使能信号有效时，将电源电压分压，产生所述n个参照电压。例如，产生两个参照电压V₁、V₂。在其它实施方式中，n的数目可为其它值，其中，n的取值并不对步骤S1的实施造成限制。

步骤S2中，所述基准电压具体可为1.25V。其中，所述比较参照电压和基准电压，包括：当所述基准电压大于所述参照电压时，比较结果为1；当所述基准电压小于所述参照电压时，比较结果为0。

在其它实施方式中，步骤S2还可包括：根据所述使能信号，对所述比较结果进行锁存。具体来说，可包括：当使能信号有效时，接收所述比较结果，对所述比较结果进行锁存。

由于在图像处理过程中，一般来说电源电压的波动都很小，而且如果在处理过程中，改变所述参考电压，将会影响ADC所输出的数字信号，从而使图像突然地变亮或者变暗，从而影响图像质量。因此对所述比较结果进行锁存，可使参考电压范围保持稳定，进而使图像显示保持稳定。等到使能信号下一次有效时，重新将变化后电源电压的参照电压与基准电压进行比较，获得更新的比较结果，此时才对参考电压的变化范围重新进行调整。

下面结合具体实施例，对本发明参考电压控制方法的实施方式做进一步说明。

本发明具体实施例中，当电源电压为V时，在使能信号有效的情况下，提供两个参照电压V₁、V₂，其中V₁＜V₂＜V，这两个参考电压将电源电压V分 为三个区间：0-V₁、V₁-V₂和V₂-V。将参照电压V₁、V₂分别与基准电压V₀进行比较，可得到00，01和11三种状态。

根据比较状态，输出控制信号，调整参考电压第一限值，参考电压第一限值具有2.6伏、2.8伏和3.3伏三个数值。在参考电压第二限值保持不变的情况下，参考电压第一限值与第二限值之间的差别将随之进行调整。其中，所述参考电压第二限值可为1.8伏。

当所述比较状态为00时，输出控制信号，使所述参考电压第一限值输出为2.6伏；当所述比较状态为01时，输出控制信号，使所述参考电压第一限值为2.8伏；当所述比较状态为11时，输出控制信号，使所述参考电压第一限值为3.0伏。

当电源电压发生了变化时，例如由V变化为V′，所提供的参照电压也将随之发生变化，为V₁′、V₂′，其中V₁′＜V₂′＜V′。将参照电压V₁′、V₂′分别与基准电压V₀进行比较，

如果在电源电压变化前，V₁＜V₂＜V₀，比较状态为11，输出控制信号，使所述参考电压第一限值输出为3.0伏。当电源电压升高时，如果V₁＜V₂＜V₀＜V₁′，比较状态由11变为00，所述参考电压第一限值输出为2.6伏；如果V₁′＜V₀＜V₂′，比较状态由11变为01，所述参考电压第一限值输出为2.8伏。

如果在电源电压变化前，V₁＜V₀＜V₂，比较状态为01，所述参考电压第一限值输出为2.8伏。当电源电压升高时，如果V₀＜V₁′，比较状态由01变为00，所述参考电压第一限值输出为2.6伏；当电源电压降低时，如果V₂′＜V₀，比较状态由01变为11，所述参考电压第一限值输出为3.0伏。

如果在电源电压变化前，V₀＜V₁，比较状态为00，所述参考电压第一限值输出为2.6伏。当电源电压降低时，如果V₂′＜V₀，比较状态由00变为11，所 述参考电压第一限值输出为3.0伏；如果V₁′＜V₀＜V₂′，比较状态由00变为01，所述参考电压第一限值输出为2.8伏。

根据上述分析可见，当电源电压发生变化时，本发明实施例可根据电源电压的变化，调整所述参考电压的变化范围。当所述参考电压的变化范围被用于后续的流水线模块和数字校正模块中时，即使光信号通过曝光所转变成的差分模拟信号受到电源电压变化的影响而发生变化，所述参考电压变化范围随着电源电压而进行的调整，减小了所述差分模拟信号经过模数转换所得到的数字信号受到的电源电压变化的影响。

相对于现有技术，本发明上述实施方式通过电源电压跟踪单元，将电源电压分为若干所述参照电压，当电源电压发生变化时，所述参照电压也会随之变化，通过比较单元获得所述参照电压和所述基准电压的比较结果，并产生控制信号，调整参考电压的变化范围，从而使得参考电压的范围随电源电压的变化而变化，进而使图像传感器中的模数转换器在不同的电源电压下都可以进行正常工作，并且具有较大的动态范围，从而使输出图像细节更为丰富，层次感强。

此外，本发明上述实施方式还通过使能信号对所述电源电压跟踪单元、比较单元以及锁存单元的工作状态进行控制，并且通过锁存单元对所述比较结果进行锁存，从而保证了在处理同一帧画面时，参考电压保持稳定，从而，保证了输出图像的稳定。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

Claims (6)

1.一种参考电压控制装置，用于图像传感装置的模数转换装置，其特征在于，包括：

电源电压跟踪单元，所述电源电压跟踪单元包括分压电阻，用于根据使能信号和电源电压，产生至少两个参照电压，即第一参照电压和第二参照电压；

比较单元，所述比较单元包括：

第一比较器，用于比较所述第一参照电压和基准电压，输出第一比较结果；

第二比较器，用于比较所述第二参照电压和基准电压，输出第二比较结果；

逻辑电路，用于将第一比较器输出的第一比较结果的反向信号和第二比较器输出的第二比较结果的反向信号相与，输出第三比较结果；

锁存单元，用于根据所述使能信号对所述第一、第二和第三比较结果进行锁存；

控制单元，包括三个开关电路，所述第一、第二和第三比较结果分别控制三个开关电路的打开和关闭。

2.如权利要求1所述的参考电压控制装置，其特征在于，所述电源电压跟踪单元包括：

开关单元，用于根据使能信号，打开或关闭对电源电压的跟踪；

分压电阻，用于打开对电源电压的跟踪时，将电源电压分压，获得所述参照电压。

3.如权利要求1所述的参考电压控制装置，其特征在于，所述使能信号包括：

令所述图像传感装置通电的时候产生的触发信号。

4.一种包括权利要求1至3任意一项所述的参考电压控制装置的参考电压产生装置，用于图像传感装置的模数转换装置，其特征在于，包括：

电压产生单元，用于产生多项参考电压限值。

5.如权利要求4所述的参考电压产生装置，其特征在于，所述电压产生单元包括：

基准单元，提供基准电压；

分段输出单元，根据所述基准电压，输出多项参考电压限值。

6.如权利要求4所述的参考电压产生装置，其特征在于，所述电压产生单元包括：

限值产生单元，产生至少一项参考电压限值；

限值分压单元，对于所述参考电压限值进行分压。

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