CN104716934A - 基于锁存器的单调斜坡信号发生装置及方法 - Google Patents

基于锁存器的单调斜坡信号发生装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种CMOS领域的基于锁存器的单调斜坡信号发生装置及方法，该装置包括：电流单元模块、负载模块和控制模块，斜坡电压发生器的VRAMP输出端分别与电流单元模块和负载模块相连，控制模块接收控制信号并分别向电流单元模块和负载模块输出电流单元模块控制信号和负载控制信号；本发明通过逻辑均匀分布的基础电流单元使用锁存器去传输启动信号进而产生一单调斜坡信号，且其斜率、周期和单调斜坡信号的偏移量可以被编程，调整和通过外部信号所控制。

Description

基于锁存器的单调斜坡信号发生装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种固态集成电路设计领域中的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的技术，具体是一种使用锁存器去传输启动信号进而产生单调斜坡信号的装置及方法。
背景技术
在常规的CMOS图像传感器中，VRAMP(单调斜坡电压信号)通常被用作读出电路的比较基准电压。VRAMP信号常常必须横跨整个芯片，以便提供必要的参考电压给所有的读出电路。所以斜坡讯号产生电路模块需要被用来生成一个通用的VRAMP信号。该VRAMP信号发生器的性能是至关重要的，因为VRAMP信号的质量直接影响的CMOS图像传感器的性能。一个线性度差的VRAMP信号会造成CMOS图像传感器非线性的增益，而一个具有较强的电源干扰毛刺的VRAMP信号将导致图像丢失位效果，既极大地影响了CMOS图像传感器的图像质量。
在固态集成电路，制造面积和功耗是关键。具有低功耗，小的版图设计区域的VRAMP信号发生器是自然需要的。此外，实现低噪音，低干扰毛刺和良好线性度但是同时拥有小的版图区域或功率消耗的VRAMP信号发生器难度更高。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101179272公开(公告)日2008.05.14，公开了一种斜坡波发生电路和AD变换器，该技术包含：在每个一定时间中发生一定电荷的电荷供给部；蓄积从上述电荷供给部发生的电荷并变换为电压的积分电路；以及将衰减了上述积分电路的输出电压的噪声值的电压输出到输出端子的衰减部。但该技术由于采用了使用放大器积分器，使得其噪声较大；相应为了减低噪音，该技术需要适配体积较大的积分器电容，从而导致整体器件的体积以及非均匀的压降难以满足工业需要。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于锁存器的单调斜坡信号发生装置及方法，通过逻辑均匀分布的基础电流单元使用锁存器去传输启动信号进而产生一单调斜坡信号，且其斜率、频率和单调斜坡信号的偏移量可以被编程，调整和通过外部信号所控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于锁存器的单调斜坡信号发生装置，具体为斜坡电压发生器，包括：电流单元模块、负载模块和控制模块，其中：斜坡电压发生器的VRAMP输出端分别与电流单元模块和负载模块相连，控制模块接收控制信号并分别向电流单元模块和负载模块输出电流单元模块控制信号和负载控制信号。
所述的电流单元模块包括若干电流源区块构成的斜坡生成部分和偏移量生成部分。
所述的斜坡生成部分包括一电流单元阵列，该电流单元阵列包括基本电流单元阵列和锁存器链，其中：每个基本电流单元有两个输入端，分别接收电流单元使能信号和电流单元偏置信号；锁存器链中除了第一级锁存器之外，每个锁存器的输入即为前一级锁存器的输出。
用于对VRAMP输出端施加偏移的偏移量生成部分中包括一个由若干基础电流单元组成的电流单元阵列，该偏移量生成部分中的电流单元使能信号和电流单元偏置信号均可由电流单元模块控制信号独立控制。
所述的电流单元模块中所有基础电流单元均由电流单元模块控制信号单独控制且输出端与VRAMP输出端相连。
本发明涉及上述斜坡电压发生器的斜坡信号发生方法，包括：
1)通过锁存器在斜坡生成部分中传输斜坡使能信号，从而在所述斜坡电压发生器的输出端调整单调斜坡信号的斜率；
2)调整所述斜坡电压发生器的输出端的输出信号的偏置大小或偏置类型。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2是电流单元模块的结构示意图。
图3是基础电流单元的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例斜坡电压发生器10包括：电流单元模块12、负载模块14和控制模块16，其中：斜坡电压发生器10的VRAMP输出端11分别与电流单元模块12和负载模块14相连，该斜坡电压发生器由控制信号13实现对其内部所有的功能模块的控制。
所述的电流单元模块12包括若干电流源区块，这些电流源区块为了不同的目的，分为两种类型的：分别是斜坡生成部分15和偏移量生成部分18。在电流单元模块12中所有的电流区段应是逻辑上的均匀分布的，但在物理性质上在电流单元模块12电源流单元链段可以是以任何顺序或排列。
所述的负载模块14的总的等效电阻负载可以通过改变负载控制信号19实现。负载变化可以是二进制加权的变化，并且可以使用负载控制信号19来编程调整。
所述的控制信号13包含模拟和/或数字形式的控制指令并作为控制模块16的输入，该控制模块16分别输出电流单元模块控制信号17和负载控制信号19，对应控制电流单元模块12和负载模块14。
所述的电流单元模块控制信号17和负载控制信号19可以是任何模拟和/或数字形式的控制指令。
如图2所示，斜坡生成部分15中包括了一个电流单元阵列21，该电流单元阵列21包括基础电流单元22阵列和锁存器链23。
每个基础电流单元22有两个输入端：电流单元使能信号28和电流单元偏置信号27。
在锁存器链23中，除了第一级锁存器29之外，每个锁存器29的输入即为前一级锁存器29的输出26。
斜坡初始信号25输入到第一级锁存器29中，每级锁存器29均由斜坡时钟信号24控制。
所述的锁存器链23中的锁存器29可采用任何具有两个稳定状态并可以保持和储存当前状态的器件。
所述的锁存器29可以是单边或双边取样锁存器29，也可以是上升沿或下降沿触发。
所述的斜坡生成部分15中的电流单元阵列21的每个电流单元使能信号28即为锁存器链23的每级锁存器的对应输出。
用于对VRAMP输出端11施加偏移的偏移量生成部分18中包括一个由若干基础电流单元22组成的电流单元阵列21，该偏移量生成部分18由于没有锁存器链，因此其中的电流单元使能信号28和电流单元偏置信号27均可由电流单元模块控制信号17分别单独控制，故而可以通过调整偏移量生成部分18中的电流单元使能信号28和电流单元偏置信号27实现对所生成偏移量的幅值和时序的控制。
上述电流单元模块12中所有基础电流单元22均由电流单元模块控制信号17单独控制且输出端与VRAMP输出端11相连。
此外，如图3所示，为基础电流单元22的具体结构。本实施例为简化起见，采用PMOS晶体管作为电流单元偏压晶体管31和电流单元选择晶体管32。在不同的应用和用途情况下，电流单元偏压晶体管31和电流单元选择晶体管32的类型和尺寸可以相应调整。
为实现进一步抑制噪音，上述基础电流单元22中可以进一步增加串联的晶体管，并构成共源共栅电流镜结构。
所述的电流单元偏压晶体管31的源极与电源电压36相连，电流单元偏压晶体管31的漏极与电流单元选择晶体管32的源极相连，电流单元选择晶体管32的漏极与VRAMP输出端11相连，电流单元偏压晶体管31和电流单元选择晶体管32的栅极分别通过电流单元偏置信号27和电流单元使能信号28控制。
更详细地，如图1、图2和图3所示，通过调节从VRAMP输出端11流过负载模块14的电流大小可以实现对VRAMP输出端11的电压电平的控制，即增大流过负载模块14的电流将抬高VRAMP输出端11的电压电平，反之减小流过负载模块14的电流将降低VRAMP输出端11的电压电平。因此VRAMP输出端11的单调斜坡信号可以通过逐渐增大或减小从VRAMP输出端11流至负载模块14的电流实现。
所述的逐渐增大或减小从VRAMP输出端11流至负载模块14的电流通过增大或减小连接到节点VRAMP输出端11的基础电流单元22数目来实现，具体地，本实施例中是通过在斜坡生成部分15中的锁存器链23传输斜坡初始信号25得以实现：通过斜坡初始信号25在锁存器链23中逐级传输，并对每一级锁存器29中基础电流单元22内的电流单元使能信号28进行设置/取消，从而使得电流单元阵列21中连接到节点VRAMP输出端11的基础电流单元22的个数的单调递增或减少、线性或非线性。
通过锁存器在斜坡生成部分15中传输斜坡初始信号25而在VRAMP输出端11的单调斜坡信号的斜率可以由以下诸多因素来调整：
1)调整在斜坡生成部分15的电流单元阵列21中基础电流单元22的基极电流，具体通过以下任意一种方式：
a.通过调节斜坡生成部分15里的电流单元偏置信号27的电压电平；
b.通过改变斜坡生成部分15中电流单元偏压晶体管31的大小。
c.通过改变在斜坡生成部分15中每级所存器29里连通的基础电流单元22的数目。
2)变更VRAMP信号的时长，具体通过以下任意一种方式：
a.通过调整在锁存器链23内信号的传输速度，即：
i.调整斜坡时钟信号24的频率，或
ii.调整斜坡初始信号25的时长。
b.通过改变斜坡生成部分15的电流单元阵列21中基础电流单元22的数目。
3)变更负载模块14的等效总电阻值。
上述VRAMP信号的斜率是对于许多应用是重要的。例如，在CMOS图像传感器中的应用，VRAMP信号的斜率可以决定模拟到数字信号的转换倍数，其等于信号的增益。
根据不同的应用场合，VRAMP输出端11的输出信号的偏置可以由以下诸多因素来调整：
1)偏置的大小可以通过下列任意一种方式调整：
a.通过改变在偏移量生成部分18中连接的基础电流单元22数目。
b.通过调整在偏移量生成部分18中电流单元偏置信号27的电压电平。
c.通过改变偏移量生成部分18中电流单元偏压晶体管31的器件尺寸。
d.通过改变在斜坡生成部分15中连接的基础电流单元22数目。
2)偏置的类型可以通过下列任意一种方式调整：
a.静态偏移
i.施加直流电平偏置到VRAMP输出端11。
b.动态偏移
i.基于不同的应用场合，在特定时间段动态施加偏置到VRAMP输出端11。
c.无偏移
i.不施加任何偏置。
在一种应用场合下，可以通过调节偏移量生成部分18中电流单元偏置信号27生成一种偏置，其幅值值为VRAMP信号中每个电平阶的一半。进一步地，以锁存器的采样率的一半动态施加此偏置至VRAMP输出端11。该方法能够生成一个在VRAMP信号中的两个相邻电平阶之间的一半的偏移。作为结果，VRAMP信号的电压分辨率增大了一倍且能够显着降低斜坡生成部分15中基础电流单元22的数目，此方法不仅可以提高斜坡电压发生器10的电压分辨率，同时也降低了设计的复杂性，并不会以牺牲任何斜坡电压发生器10的性能优点为代价。
在另一种应用场合下，可以使用一个斜坡生成部分15在任一特定的时间产生多个单调斜坡信号。根据应用场合和系统的需要，可以通过在VRAMP输出端11上叠加斜坡信号而使其产生偏移。在不受任何限制的情况下，该方法不仅实现在斜坡电压发生器10中无需使用任何偏移量生成部分18也能在VRAMP输出端11上产生偏移，进而能够在模数转换过程中同时使用两个斜坡信号，从而减小在CMOS图像传感器中应用的固定噪声。
与现有技术相比，本发明在以下方面均具有技术进步：
电压毛刺功率：本发明不需要大电流交换点，也没有多位控制信号造成不同的传输延迟。本发明的电压毛刺功率是类似于一个1比特位电流导引数字到模拟转换器。
毛刺功率的依赖性：本发明不需要复杂的行/列/单元译码器逻辑电路，只需要一个控制位与采样时钟来启动斜坡电压发生器。没有多位控制的号码，也没有由于控制位的各种信号传输延时而引起的毛刺功率变化。换句话说，本发明的毛刺功率与版图设计，制程/电压/温度变化有很小的依赖性。此外，因为本发明已经逻辑性均匀分布电流单元模块中的电流单元，并且可以与目标接收电路相邻。由供电干扰造成的毛刺可以被最小化。在某些情况下，也可以通过增加电容以过滤不需要的噪音毛刺以输出一平滑的单调斜坡。
不均匀的IR电压降：由于本发明已经均匀地分布电流单元模块中的电流单元。横跨VRAMP信号的不均匀IR压降被最小化。更进一步降低IR压降，还可以使用两个斜坡段从电流单元模块的两个端部或中央传导RampEN，以减小横跨VRAMP信号的IR压降。
版图设计的物理区域：由于只需要一个比特能够与采样时钟的控制，本发明版图设计的物理面积减小。本发明并且不需要复杂的列/行译码器和锁存缓冲器。而且，均匀分布电流单元模块增大电路的物理版图设计分享掺杂井的可能性。另外，本发明没有使用运算放大器和切换电容电路。因此，本发明不要大尺寸的晶体管/滤波电容，以降低噪声水平。
设计的灵活性：本发明使用动态偏移显着降低电流单元模块中电流单元的数量，并提高VRAMP信号电压分辨率。本发明可以很方便地调整为以最小的设计工作提供10位、12位、14位传统数模转换器的分辨率。这一结果大大提高了斜坡电压发生器的灵活度。

Claims (16)

1.一种基于锁存器的单调斜坡信号发生装置，其特征在于，具体为斜坡电压发生器，包括：电流单元模块、负载模块和控制模块，其中：斜坡电压发生器的VRAMP输出端分别与电流单元模块和负载模块相连，控制模块接收控制信号并分别向电流单元模块和负载模块输出电流单元模块控制信号和负载控制信号；
所述的电流单元模块包括若干电流源区块构成的斜坡生成部分和偏移量生成部分。
2.根据权利要求1所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的斜坡生成部分包括一电流单元阵列，该电流单元阵列包括基本电流单元阵列和锁存器链，其中：每个基本电流单元有两个输入端，分别接收电流单元使能信号和电流单元偏置信号；锁存器链中除了第一级锁存器之外，每个锁存器的输入即为前一级锁存器的输出。
3.根据权利要求2所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的第一级锁存器接收斜坡使能信号，每级锁存器均由斜坡时钟信号控制。
4.根据权利要求2或3所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的锁存器采用具有两个稳定状态并保持和储存当前状态的器件。
5.根据权利要求2所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的斜坡生成部分中的电流单元阵列的每个基础电流单元使能信号即为锁存器链的每级锁存器的对应输出。
6.根据权利要求1所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，用于对VRAMP输出端施加偏移的偏移量生成部分中包括一个由若干基础电流单元组成的电流单元阵列，该偏移量生成部分中的电流单元使能信号和电流单元偏置信号均可由电流单元模块控制信号独立控制。
7.根据权利要求5或6所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的基础电流单元包括：电流单元偏压晶体管和电流单元选择晶体管，其中：电流单元偏压晶体管的源极与电源电压相连，电流单元偏压晶体管的漏极与电流单元选择晶体管的源极相连，电流单元选择晶体管的漏极与VRAMP输出端相连，电流单元偏压晶体管和电流单元选择晶体管的栅极分别通过电流单元偏置信号和电流单元使能信号控制。
8.根据权利要求7所述的单调斜坡信号发生装置，其特征是，所述的基础电流单元中通过增加串联的晶体管并构成共源共栅电流镜结构以抑制噪音。
9.一种根据上述任一权利要求所述斜坡电压发生器的斜坡信号发生方法，其特征在于，包括：
1)通过锁存器在斜坡生成部分中传输斜坡使能信号，从而在所述斜坡电压发生器的输出端调整单调斜坡信号的斜率；
2)调整所述斜坡电压发生器的输出端的输出信号的偏置大小或偏置类型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的步骤1)包括以下任一一种方式：
1.1)调整在斜坡生成部分的电流单元阵列中基础电流单元的基极电流；
1.2)变更VRAMP信号的时长；
1.3)变更负载模块的等效总电阻值。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的调整在斜坡生成部分的电流单元阵列中基础电流单元的基极电流，具体通过以下任意一种方式：
a.通过调节斜坡生成部分里的电流单元偏置信号的电压电平；
b.通过改变斜坡生成部分中电流单元偏压晶体管的大小；
c.通过改变在斜坡生成部分中每级所存器里连通的基本电流单元的数目。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的变更VRAMP信号的时长，具体通过以下任意一种方式：
a.通过调整在锁存器链内信号的传输速度，即：
i.调整斜坡时钟信号的频率，或
ii.调整斜坡使能信号的时长；
b.通过改变斜坡生成部分的电流单元阵列中基础电流单元的数目。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的步骤2)中的偏置大小通过以下任一一种方式进行调整：
a.通过改变在偏移量生成部分中连接的基本电流单元数目；
b.通过调整在偏移量生成部分中电流单元偏置信号的电压电平；
c.通过改变偏移量生成部分中电流单元偏压晶体管的器件尺寸；
d.通过改变在斜坡生成部分中连接的基本电流单元数目。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的步骤2)中的偏置类型通过以下任一一种方式进行调整：
a.静态偏移：施加直流电平偏置到VRAMP输出端。
b.动态偏移：在特定时间段动态施加偏置到VRAMP输出端。
c.无偏移:不施加任何偏置。
15.根据权利要求9或13或14所述的方法，其特征是，所述的步骤2具体为：通过调节偏移量生成部分中电流单元偏置信号生成一种偏置，其幅值值为每步长VRAMP电压电平的一半，即以锁存器的采样率的一半动态施加此偏置至VRAMP输出端。
16.根据权利要求9或13或14所述的方法，其特征是，所述的步骤2具体为：采用一个斜坡生成部分在任一特定的时间产生多个单调斜坡信号，通过在VRAMP输出端上产生斜坡而引入VRAMP输出端上的偏移。
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