CN104852738B

CN104852738B - 参考电压自适应调整的sigma‑delta ADC

Info

Publication number: CN104852738B
Application number: CN201510237389.6A
Authority: CN
Inventors: 高静; 尹昭杨; 李国超; 徐江涛; 曾新吉
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-05-09
Filing date: 2015-05-09
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2035-05-09
Also published as: CN104852738A

Abstract

本发明涉及模拟集成电路设计领域，为提供一种用于图像传感器的根据光照强度自适应调整参考电压sigma‑delta ADC，实现在低光照条件下的高精度量化，同时不需增加额外功耗和转换周期数。为此，本发明采取的技术方案是，参考电压自适应调整的sigma‑delta ADC，由一个前端比较器模块，sigma‑delta ADC主体模块，4个sigma‑delta ADC的参考电压控制开关，以及数字滤波器模块四部分构成；其中输入信号V_in连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp。本发明主要应用于形貌和机械特性测量。

Description

参考电压自适应调整的sigma-delta ADC

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及图像传感器在不同光照条件下工作时，模数转换器的精度变换问题。具体讲，涉及参考电压自适应调整的sigma-delta ADC。

背景技术

近年来，图像传感器发展的越来越迅速，在消费电子，汽车电子，智能监控，军事侦察等领域的应用越来越广泛。在图像传感器的读出电路中，为了提高量化的精度，常采用sigma-delta ADC。但是其存在速度慢的缺点。

为了满足目前图像传感器朝着高速低功耗方面发展的需求。可以根据光照的强弱来调节ADC的精度，因为像素噪声随光强的变化规律，在光强很低的时候，噪声较小，ADC精度应该较高，在光强较高的时候，噪声增大，ADC精度应该较低，此过程可通过改变sigma-delta ADC中的反馈电压来实现，使得在低光照时，不需要增加ADC的量化周期就可以达到提高精度的目的，从而提高了图像传感器的速度，降低了功耗，同时提高对输入光信号强弱的辨认程度。

发明内容

为克服技术的不足，提供一种用于图像传感器的根据光照强度自适应调整参考电压sigma-delta ADC，在强光照下，采用高参考电压；在弱光照下，采用低参考电压，从而可以实现在低光照条件下的高精度量化，同时不需增加额外功耗和转换周期数。为此，本发明采取的技术方案是，参考电压自适应调整的sigma-delta ADC，由一个前端比较器模块，sigma-delta ADC主体模块，4个sigma-delta ADC的参考电压控制开关，以及数字滤波器模块四部分构成；其中输入信号V_in连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp；前端比较器的输出连接sigma-delta ADC主体模块的参考电压的控制开关1和2，前端比较器将V_in与一个参考电平V_comp进行比较，如果光照比较强，输入的V_in比较大，比较器输出高电平，使得开关1闭合，开关2打开，否则相反；输入信号同时还连接sigma-delta ADC主体模块的输入端，sigma-delta ADC主体模块的输出端连数字滤波器的输入端并连接参考电压的控制开关3和4，数字滤波器输出端输出量化的数字码值；控制开关1的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的高反馈电压V_H，控制开关2的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的反馈电压V_M；控制开关1和2的输出端都连接控制开关3的输入端；控制开关4的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的低反馈电压V_L；控制开关3和4的输出端都连接sigma-delta ADC的另外一个输入端V_FB。

sigma-delta ADC主体模块由加法器1、加法器2、两个积分器和一位内量化器组成，输入信号Vin连接加法器1正输入端和加法器2的输入端1，加法器1的输出端连积分器1的输入端，积分器1的输出端连积分器2的输入端和加法器2的输入端2，积分器2的输出端连加法器的输入端3，加法器的输出端连一位内量化器的输入端，一位内量化器的输出端输出一位数字码流Di，时钟CLK1信号对一位内量化器进行控制，Sigma-delta ADC的另外一个输入端VFB连接加法器1的负输入端。

采用VH和VL作为反馈电压时，量化的步长为：

其中N表示sigma-delta ADC的量化周期。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明通过根据光照强度来调整参考电压，在低光照下，不需要增加ADC的量化周期就提高了ADC的精度，从而提高ADC以及图像传感器的速度。

在图像传感器中，由于提高了ADC的精度而不需要增加量化周期或者改变时钟的频率，从而降低了图像传感器的整体功耗。

附图说明

图1自适应调整参考电压sigma-delta ADC整体结构图。

图2sigma-delta ADC结构图。

具体实施方式

为达本发明目的，本发明采用的技术方案是：

如图1所示，这种自适应调整参考电压sigma-delta ADC由一个前端比较器模块，sigma-delta ADC主体模块，sigma-delta ADC的参考电压控制开关(4个)以及数字滤波器模块四部分构成。其中输入信号(V_in)连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp。前端比较器的输出连接sigma-delta ADC的参考电压的控制开关1和2。输入信号同时还连接sigma-delta ADC的输入端，sigma-delta ADC的输出端连数字滤波器的输入端并连接参考电压的控制开关3和4，数字滤波器输出端输出量化的数字码值。控制开关1的输入端连接sigma-delta ADC的高反馈电压(V_H)，控制开关2的输入端连接sigma-delta ADC的反馈电压(V_M)。控制开关1和2的输出端都连接控制开关3的输入端。控制开关4的输入端连接sigma-delta ADC的低反馈电压V_L。控制开关3和4的输出端都连接sigma-delta ADC的另外一个输入端V_FB。

这种自适应调整参考电压的sigma-delta ADC工作方式与传统的sigma-deltaADC的工作方式比较类似。输入信号(V_in)是前级像素输出的电压值，先将V_in通过一个比较器与一个阈值电压(V_comp)进行比较。如果光照比较强，输入的V_in比较大，比较器输出高电平，使得开关1闭合，开关2打开，此时sigma-delta ADC在工作时采用的反馈电压是V_H和V_L。量化的精度较低。当光照比较弱的时候，V_in小于V_comp，比较器输出低电平，开关1打开，开关2闭合，此时sigma-delta ADC工作时采用的反馈电压是V_M和V_L。量化的精度较高。

采用的sigma-delta ADC为二阶的，结构图如图2。整体结构由加法器1、加法器2、两个积分器和一位内量化器组成。输入信号Vin连接加法器1正输入端加法器2的输入端1，加法器1的输出端连积分器1的输入端，积分器1的输出端连积分器2的输入端和加法器2的输入端2，积分器2的输出端连加法器2的输入端3，加法器的输出端连一位内量化器的输入端，一位内量化器的输出端输出一位数字码流Di，CLK1信号对一位内量化器进行控制。Sigma-delta ADC的另外一个输入端VFB即为图1中的VFB，连接加法器1的负输入端。

对于这种sigma-delta ADC，假设采用VH和VL作为反馈电压时，量化的步长为：

其中N表示sigma-delta ADC的量化周期。

在弱光时，采用VM和VL作为反馈电压时，量化的步长为：

我们设定VM<VH，那么弱光时，不需要增加量化周期，量化的步长就可以变小，则量化的精度就可以得到提高。

采用的sigma-delta ADC为二阶的，结构图如图2。整体结构由加法器1、加法器2、两个积分器和一位内量化器组成。输入信号Vin连接加法器1正输入端和加法器2的输入端1，加法器1的输出端连积分器1的输入端，积分器1的输出端连积分器2的输入端和加法器2的输入端2，积分器2的输出端连加法器的输入端3，加法器的输出端连一位内量化器的输入端，一位内量化器的输出端输出一位数字码流Di，CLK1信号对一位内量化器进行控制。Sigma-delta ADC的另外一个输入端VFB即为图1中的VFB。

本文设计的sigma-delta ADC通过改变反馈电压的值来改变精度。若强光下，sigma-delta ADC的反馈电压VH为1.6V，VL为0V。弱光下，sigma-delta ADC的反馈电压为VM和VL。设定VM为0.8V时，弱光下精度比强光下提高了1bit，VM为0.4V时，弱光下精度比强光下提高了2bit，VM为0.2V时，弱光下精度比强光下提高了3bit，VM为0.1V时，弱光下精度比强光下提高了4bit。

在实际使用时，若需要设计的sigma-delta ADC在强光下达到9bit的精度，弱光下达到12bit的量化精度，量化的周期为40个。设定前端比较器的阈值电压Vcomp为0.5V。sigma-delta ADC的反馈电压VH为1.6V，VL为0V，VM为0.2V。

Claims

1.一种参考电压自适应调整的sigma-delta ADC，其特征是，由一个前端比较器模块，

sigma-delta ADC主体模块，4个sigma-delta ADC的参考电压控制开关，以及数字滤波器模块四部分构成；其中输入信号V_in连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp；前端比较器的输出连接sigma-delta ADC主体模块的参考电压的控制开关1和2，前端比较器将V_in与一个参考电平V_comp进行比较，如果光照比较强，输入的V_in比较大，比较器输出高电平，使得开关1闭合，开关2打开，否则相反；输入信号同时还连接sigma-delta ADC主体模块的输入端，sigma-delta ADC主体模块的输出端连数字滤波器的输入端并连接参考电压的控制开关3和4，数字滤波器输出端输出量化的数字码值；控制开关1的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的高反馈电压V_H，控制开关2的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的反馈电压V_M；控制开关1和2的输出端都连接控制开关3的输入端；控制开关4的输入端连接sigma-delta ADC主体模块的低反馈电压V_L；控制开关3和4的输出端都连接sigma-delta ADC的另外一个输入端V_FB。

2.如权利要求1所述的参考电压自适应调整的sigma-delta ADC，其特征是，sigma-delta ADC主体模块由加法器1、加法器2、两个积分器和一位内量化器组成，输入信号Vin连接加法器1正输入端和加法器2的输入端1，加法器1的输出端连积分器1的输入端，积分器1的输出端连积分器2的输入端和加法器2的输入端2，积分器2的输出端连加法器2的输入端3，加法器2的输出端连一位内量化器的输入端，一位内量化器的输出端输出一位数字码流Di，时钟CLK1信号对一位内量化器进行控制，Sigma-delta ADC的另外一个输入端VFB连接加法器1的负输入端。

3.如权利要求1所述的参考电压自适应调整的sigma-delta ADC，其特征是，采用V_H和V_L作为反馈电压时，量化的步长为：

其中N表示sigma-delta ADC的量化周期。