CN103618860B - 一种用于图像传感器的模数转换器 - Google Patents

一种用于图像传感器的模数转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于图像传感器的模数转换器，主要包括像元模块、相关双采样模块、可变增益放大模块、第一比较器、多路选择器模块、余量产生模块、第二比较器以及数字合成等主要模块。本发明一方面对传统的单斜式模数转换器进行了改进，另一方面对多斜式模数转换器的斜坡数量进行了精简，因此缩短了模数转换器的时间消耗，减小了图像传感器读出电路的面积，提高了读出图像信息的速度，加快了图像传感器的帧频，以满足更高场合的应用。此发明可以广泛地应用于大面阵高帧频的图像传感器产品中。

Description

一种用于图像传感器的模数转换器
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种用于图像传感器的模数转换器。
背景技术
随着现代计算机技术以及信息处理技术的发展，智能系统正在越来越多地帮助人类处理外界的各种复杂信息，这些信息包括自然界的声、光、温度、压力以及气味等等。人类通过五官接受获取外界信息，其中人眼通过获取图像得到的信息量最大，据统计，人类获取信息的75%是通过视觉器官得到的。基于视觉图像巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智能系统的重要组成部分。
图像传感器是图像获取设备的核心，目前主流的固态图像传感器主要包括CCD和CMOS两种图像传感器，CCD图像传感器由于其较高的填充因子和较低的固定模式噪声已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，不易于CMOS集成等缺点，限制了它的应用。CMOS图像传感器正是解决了CCD存在的问题而得到了越来越多的关注，特别是近几年来，随着CMOS工艺的发展，系统集成度越来越高，对CMOS图像传感器的速度与帧频也越来越苛刻，列读出电路的速度是限制其速度与帧频的主要因素之一，其中模数转换器的转换时间在列读出电路中占据相当大的比例，因此有必要提高模数转换器的速度，以满足图像传感器对整体性能提升的需求。
如图1所示传统的单斜式模数转换器，像元模块将光信号转换为电信号后，经过相关双采样和可变增益放大后实现对像元电信号的采样和放大，其中的量化过程仅采用了一个比较器与一个单斜坡实现，因此如果采样一个主时钟周期比较一次，则对于P+Q位的量化精度，需要2P+Q个主时钟周期,该转换过程需要的时间在整个列读出电路中所占比例较大，严重制约列读出电路的速度，必然影响图像传感器的帧频。
如图2所示多斜坡模数转换器，同样像元模块将光信号转换为电信号后，经过相关双采样和可变增益放大后实现对像元电信号的采样和放大，其中的量化过程分为两个阶段，第一阶段，将图像信号与粗分的台阶信号进行比较，该台阶信号消耗的时间为2P个主时钟周期，从而实现高P位数据的转换，同时该粗分比较的结果决定列比较器下一阶段的斜坡信号范围，可选的斜坡信号数量为2P个，幅度VR/2P，时间消耗为2Q个主时钟周期；第二阶段比较器根据第一阶段选取的斜坡区间对保持的图像信号进行细分比较，实现低Q位的量化；最后通过数字合成实现P+Q位数字信号的完整输出。该方案中两个阶段共需2P+1种斜坡，斜坡数量较多，互相之间的干扰加大，布线难度增大，且互相之间的衔接精度很难保证，因此在高性能图像传感器中的实现较为困难。
发明内容
针对当前图像传感器对大面阵、高帧频与读出速度的更高要求，本发明提出了一种用于图像传感器的模数转换器。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种用于图像传感器的模数转换器，包括：
像元模块，将光信号转换为电信号后输送至相关双采样；
相关双采样模块，采样图像信号并消除像素级固定模式噪声，将所采集的信号输出至可变增益放大模块；
可变增益放大模块，对图像信号进行可配置增益的放大，输出信号保持输出送至第一比较器和余量产生模块；
第一比较器，将可变增益放大模块输出信号与多路选择器模块发送来的信号进行多次比较，直到第一比较器输出信号翻转，并将所对应的数字信号发送给数字合成模块；
多路选择器模块，在主时钟的控制下依次向第一比较器输出参考电压信号，并将触发第一比较器翻转的电压信号发送给余量产生模块；
余量产生模块，在第一比较器输出信号翻转后，将多路选择器模块发送的电压信号与可变增益放大模块发送来的信号做差，得到余量信号并将其发送给第二比较器；
第二比较器，将余量产生模块的输出信号与固定的斜坡信号进行比较，直到第二比较器输出信号翻转，并将对应的数字信号发送给数字合成模块；
数字合成模块，第一比较器的翻转信号触发数字合成模块产生对应的高P位数字信号，第二比较器的翻转信号触发数字合成模块产生相应的低Q位数字信号，数字合成模块合成产生完整的P+Q位数字信号输出。
所述的可变增益放大的信号通过第一比较器实现对模拟信号区间的第一次定位，同时经余量产生模块使得所有的余量均处于同样的范围，再通过第二比较器继续进行比较，最后通过数字合成模块将第一比较器与第二比较器的结果合成为转换后的数字信号。
所述的可变增益放大模块输出的信号通过第一比较器进行2P-1次比较，其中P为数字信号高P位的宽度，且比较的参考电压在主时钟的切换下依次选通其中VR为模数转换器的量化范围，直到第一比较器翻转，将第一比较器的结果送入数字合成模块，同时将翻转点的参考电压送入余量产生电路，实现对图像信号的高P位数字信号转换。
所述余量产生模块的输出信号在之间；
第二比较器将余量产生模块输出的信号与之间的基准信号比较，直到第二比较器输出发生跳变。
所述的第一比较器在进行比较时，多路选择器发送来的信号首先与0做比较，如果比较器未翻转，则继续比较，直到第i列在多路选择器输出为nVR/2P翻转，此时的翻转信号会触发余量产生模块进行减法运算，将nVR/2P与可变增益放大模块发送的需要量化的信号进行做差计算，得到余量信号；同时，第一比较器的翻转点会触发数字合成模块产生对应的高P位数字信号。
所述的第二比较器在进行比较时，所有余量产生模块的输出信号与固定的斜坡信号0-VR/2P进行比较，步长为VR/(2Q2P)，直到第二比较器翻转；第二比较器的翻转信号将触发数字合成模块产生相应的低Q位数字信号。
所述第一比较器在翻转后处于闲置状态，则将处于闲置状态的第一比较器在此阶段复用。
所述第一比较器在翻转后处于闲置状态，则将第一比较器与第二比较器的处理过程实现流水线输出，提高列读出电路的速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的用于图像传感器的模数转换器，像元模块得到的电信号信息经过相关双采样与增益放大后，在第一阶段，第一比较器在多路选择器的控制下依次与各个基准电压进行比较，主要是实现对模拟信号的区间定位，或称之为对模拟信号的高P位转换，由于每列图像信号的差异性，因此每列信号的第一比较器翻转点会有差异，该差异将导致后续的余量产生模块输入端所选参考电压的差异，同时该翻转点对应的数字信号将会输出到数字合成模块；在第二阶段，将第一比较器翻转点之前对应的参考电压从最初的模拟信号中减去，使得所有列余量产生模块的结果均会出现在同一区间，这也就避免了多斜坡结构引入较多斜坡的问题，使得所有列可以统一用一个斜坡来作比较。第三步通过第二比较器实现对余量产生模块输出结果与固定斜坡的比较，从而达到低Q位数据的转换。最后将高P位数据与低Q位数据合成后得到总的P+Q位数字信号输出。
本发明提供的用于图像传感器的模数转换器，通过高位和低位转换两步式技术，大大提高了模数转换器的速度，从而提高了图像传感器中列读出电路的速度，可以提升图像传感器的帧频和速度特性。与传统的单斜式模数转换器相比，时间消耗大大降低；与多斜坡模数转换器相比，无需采用多种斜坡，降低了设计的复杂性，提高了可靠性，有效拟制了多种斜坡之间的噪声干扰与不匹配问题。通过此项技术，在确保单斜式模数转换器自身优势的同时，提高了读出电路的处理速度，提高了图像处理系统的速度，同时简化了设计，降低了干扰与不匹配问题。
本发明提供的用于图像传感器的模数转换器，一方面对传统的单斜式模数转换器进行了改进，另一方面对多斜式模数转换器的斜坡数量进行了精简，因此缩短了模数转换器的时间消耗，减小了图像传感器读出电路的面积，提高了读出图像信息的速度，加快了图像传感器的帧频，以满足更高场合的应用。此发明可以广泛地应用于大面阵高帧频的图像传感器产品中。
附图说明
图1为传统的单斜式模数转换器的示意图。
图2为多斜坡模数转换器的示意图。
图3为本发明的模数转换器的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图3所示，本发明提供的模数转换器，包括：
像元模块，将光信号转换为电信号后输送至相关双采样；
相关双采样模块，采样图像信号并消除像素级固定模式噪声，将所采集的信号输出至可变增益放大模块；
可变增益放大模块，对图像信号进行可配置增益的放大，输出信号保持输出送至第一比较器和余量产生模块；
第一比较器，将可变增益放大模块输出信号与多路选择器模块发送来的信号进行多次比较，直到第一比较器输出信号翻转，并将所对应的数字信号发送给数字合成模块；
多路选择器模块，在主时钟的控制下依次向第一比较器输出参考电压信号，并将触发第一比较器翻转的电压信号发送给余量产生模块；
余量产生模块，在第一比较器输出信号翻转后，将多路选择器模块发送的电压信号与可变增益放大模块发送来的信号做差，得到余量信号并将其发送给第二比较器；
第二比较器，将余量产生模块的输出信号与固定的斜坡信号进行比较，直到第二比较器输出信号翻转，并将对应的数字信号发送给数字合成模块；
数字合成模块，第一比较器的翻转信号触发数字合成模块产生对应的高P位数字信号，第二比较器的翻转信号触发数字合成模块产生相应的低Q位数字信号，数字合成模块合成产生完整的P+Q位数字信号输出。
具体的，像元模块10将光信号转换为电信号90后，输送至相关双采样模块20，消除列FPN和复位噪声的采样结果100输出到可变增益放大模块30，实现对像元电信号可编程增益控制，并将其输出信号110保持送至第一比较器40与余量产生模块50，此后分为两个阶段作具体分析：
第一阶段，第一比较器40将可变增益放大模块30输出保持的信号110与多路选择器模块80发出的信号120进行多次比较，比较的次数为2P-1,即取决于高P位的宽度，所比较的参考电压通过多路选择器模块80在主时钟的控制下依次输出，首先与0做比较，如果比较器未翻转，则继续比较，假设第i列在多路选择器输出为nVR/2P翻转，此时的翻转信号130会触发余量产生电路进行减法运算，将nVR/2P与需要量化的信号110进行做差计算，得到余量信号140；同时，第一比较器的翻转点会触发数字合成模块70在第一阶段产生对应的高P位数字信号；
具体的，可变增益放大模块输出的信号通过第一比较器进行2P-1次比较，其中P为数字信号高P位的宽度，且比较的参考电压在主时钟的切换下依次选通其中VR为模数转换器的量化范围，直到第一比较器翻转；将第一比较器的结果送入数字合成模块，同时将翻转点的参考电压送入余量产生电路，实现对图像信号的高P位数字信号转换；余量产生模块的输出信号在之间；
第二阶段，第二比较器60对所有列的余量产生模块50的输出信号140与固定的斜坡信号150（0-VR/2P）进行比较，步长为VR/(2Q2P)，第二比较器60的翻转信号160将触发数字合成模块70产生相应的低Q位数字信号，最后合成产生完整的P+Q位数字信号输出170。
上述方案中，所述第一比较器使用的多种参考电压需要在主时钟的控制下依次选通预先设置的参考电压，该多路选择器模块可以使用列共用技术，减小芯片面积。第二比较器使用的固定斜坡也是采用列共用技术以减小面积。
进一步的，上述方案还可以有以下几种变化：
（1）第一比较器在第二阶段处于闲置状态，因此可以将第一比较器在第二阶段复用，这样可以将比较器的数量减少，以减小面积开销；
（2）第一比较器在第二阶段处于闲置状态，因此可以将第一比较器与第二比较器的处理过程实现流水线输出，这样可以更进一步提高列读出电路的速度；
假设对于十位精度的模数转换器，如果采用单斜式结构，则需要1024个时钟周期才可以转换完成；如果采用本发明提出的快速单斜式结构，选取P=Q=5，则最多只需64个时钟周期即可完成全部转换；如果采用第一比较器与第二比较器流水线模式，则只需32个时钟周期，相比于单斜式结构和多斜坡结构，本发明的优势明显，且工程实现性较强。
综上所述，本发明对图像传感器中列读出电路中的模数转换器结构进行了改进，使传统的单斜式模数转换器的时间消耗大大降低，而且避免了使用多斜坡技术带来的干扰问题以及斜坡间的无缝切换问题，实现架构简单，工程可行性较高，将大大提升大面阵高性能图像传感器的整体性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种用于图像传感器的模数转换器，其特征在于，包括：
像元模块，将光信号转换为电信号后输送至相关双采样；
相关双采样模块，采样图像信号并消除像素级固定模式噪声，将所采集的信号输出至可变增益放大模块；
可变增益放大模块，对图像信号进行可配置增益的放大，输出信号保持输出送至第一比较器和余量产生模块；
第一比较器，将可变增益放大模块输出信号与多路选择器模块发送来的信号进行多次比较，直到第一比较器输出信号翻转，并将所对应的数字信号发送给数字合成模块；
多路选择器模块，在主时钟的控制下依次向第一比较器输出参考电压信号，并将触发第一比较器翻转的电压信号发送给余量产生模块；
余量产生模块，在第一比较器输出信号翻转后，将多路选择器模块发送的电压信号与可变增益放大模块发送来的信号做差，得到余量信号并将其发送给第二比较器；
第二比较器，将余量产生模块的输出信号与固定的斜坡信号进行比较，直到第二比较器输出信号翻转，并将对应的数字信号发送给数字合成模块；
数字合成模块，第一比较器的翻转信号触发数字合成模块产生对应的高P位数字信号，第二比较器的翻转信号触发数字合成模块产生相应的低Q位数字信号，数字合成模块合成产生完整的P+Q位数字信号输出；
所述的可变增益放大的信号通过第一比较器实现对模拟信号区间的第一次定位，同时经余量产生模块使得所有的余量均处于同样的范围，再通过第二比较器继续进行比较，最后通过数字合成模块将第一比较器与第二比较器的结果合成为转换后的数字信号。
2.如权利要求1所述的用于图像传感器的模数转换器，其特征在于，所述的可变增益放大模块输出的信号通过第一比较器进行2P-1次比较，其中P为数字信号高P位的宽度，且比较的参考电压在主时钟的切换下依次选通其中VR为模数转换器的量化范围，直到第一比较器翻转，将第一比较器的结果送入数字合成模块，同时将翻转点的参考电压送入余量产生电路，实现对图像信号的高P位数字信号转换。
3.如权利要求1所述的用于图像传感器的模数转换器，其特征在于，余量产生模块的输出信号在之间；
第二比较器将余量产生模块输出的信号与之间的基准信号比较，直到第二比较器输出发生跳变。
4.如权利要求1所述的用于图像传感器的模数转换器，其特征在于，所述的第一比较器在进行比较时，多路选择器发送来的信号首先与0做比较，如果比较器未翻转，则继续比较，直到第i列在多路选择器输出为nVR/2P翻转，此时的翻转信号会触发余量产生模块进行减法运算，将nVR/2P与可变增益放大模块发送的需要量化的信号进行做差计算，得到余量信号；同时，第一比较器的翻转点会触发数字合成模块产生对应的高P位数字信号。
5.如权利要求1所述的用于图像传感器的模数转换器，其特征在于，所述的第二比较器在进行比较时，所有余量产生模块的输出信号与固定的斜坡信号0-VR/2P进行比较，步长为VR/(2Q2P)，直到第二比较器翻转；第二比较器的翻转信号将触发数字合成模块产生相应的低Q位数字信号。
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