CN105245229A - 用于单斜adc的高线性度电压-时间转换方法及转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属电学领域，针对基于TDC的单斜ADC，为提高前端ATC的线性度，最终提高整体ADC的量化精度。为此，本发明采取的技术方案是，用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器，由Clk1、Clk1a、Clk2和Clk2a四个采样开关、电流源、电容和放大器构成，输入信号经Clk1连接到点Vp，点Vp连接到放大器反相输入端，点Vp还连接由电流源与Clk2串接形成的高阻抗电流源；点Vp经电容、Clk2a连接放大器同相端；点Vp经电容、Clk1a接地；放大器同相端接偏置电压。本发明主要应用于单斜ADC设计制造场合。

Description

用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换方法及转换器

技术领域

本发明属电学领域，涉及一种电压-时间转换方法，尤其涉及一种用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器的实现方法。

背景技术

现有的列级ADC中常见的实现方式有：逐次逼近ADC(SARADC)、循环ADC(CyclicADC)和单斜ADC(SSADC)。对于大像素阵列的CIS，每列SARADC处理电路中都需要引入一个DAC，以致芯片面积较大。CyclicADC虽然在转换速率和面积上优于SARADC，但每列转换电路中都需引入一个高速运算放大器，导致了功耗和列级间失配的增加。SSADC通过共用斜坡发生器，每列只需要一个比较器和一个计数器进行数据处理，因此设计简单、功耗低、每列版图面积小且易于实现。此外，单斜ADC相对简单地确保列级间的一致性，电路中只有比较器需要补偿，并可通过自动补偿技术完成。因此，单斜ADC被广泛应用于列级架构的CIS中。

对于N位精度的模数转换，逐次逼近ADC和循环ADC只需要N个周期即可完成，而单斜ADC需要2N个周期完成。可见，随着转换精度的提高，转换时间呈指数趋势增长，这极大地限制了CMOS图像传感器的读出速率。在单斜ADC中引入TDC技术可以在几乎不增加面积和功耗的前提下提升转换速率，因此可以很好的解决单斜ADC速度的缺陷。

传统的单斜ADC中斜坡发生器一般采用DAC实现，然而对于采用TDC技术实现的单斜ADC而言，其整体的时间精度将被DAC限制于时钟周期。因此，为了避免这一问题，本发明设计的斜坡发生器是采用电流源对电容充放电的结构实现的。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对基于TDC的单斜ADC，提高前端ATC的线性度，最终提高整体ADC的量化精度。为此，本发明采取的技术方案是，用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器，由Clk1、Clk1a、Clk2和Clk2a四个采样开关、电流源、电容和放大器构成，输入信号经Clk1连接到点Vp，点Vp连接到放大器反相输入端，点Vp还连接由电流源与Clk2串接形成的高阻抗电流源；点Vp经电容、Clk2a连接放大器同相端；点Vp经电容、Clk1a接地；放大器同相端接偏置电压。

所述的高阻抗电流源结构为：NMOS管M1-M9构成双共源共栅结构，通过短接M4的漏极和M6的栅极来对M3供电，通过短接M7的漏极和M8的栅极来对M2供电，通过短接M9的漏和栅极来对M1供电，参考电流Iref分别流入M4、M7、M9漏极。这样的结构使得电流源的输出电阻大大增加，输出电流的稳定性得到提升。

用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换方法，首先将采样开关Clk1与Clk1a关断，使输入信号Vin对电容开始充电；然后先将Clk1a断开再将Clk1断开，从而实现下极板采样以消除电荷注入；电容一端通过Clk2a连接放大器同相端，同相端接偏置电压；电容另一端连接放大器反相端，使采样开关Clk2a先于Clk2闭合，使得在电容开始放电前放大器反相端被抬高到Vin+Vth，Vth为偏置电压；随后，Clk2的闭合使得串接的Clk2、电流源、电容结构开始对电容放电，

电流源I，放大器反相端电压Vp(t)与时间t的关系可以表述如下：

$V_p\left(t\right)=V_{in}+V_{th}-\frac{It}{C}---\left(1\right)$

因此，比较器输出翻转的时间t0为：

$V_p\left(t_0\right)=V_{th}\⇒t_0=\frac{V_{in}C}{I}---\left(2\right).$

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出了一种用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器用以提高ATC线性度及最终ADC量化精度。

附图说明：

图1基于TDC的单斜ADC整体结构图。

图2传统ATC结构图。

图3高线性度ATC的结构图。

图4高线性度ATC的时序图。

具体实施方式

本发明的基本思想是采用双共源共栅结构形成高阻抗电流源，再经过适当的开关操作消除开关电荷注入以达到提升ATC模块线性度的目的。图1是一种基于TDC技术的单斜ADC基本结构。第一部分为ATC模块，实现由模拟量到时间量的转换；第二部分为TDC模块，完成对时间间隔的数字量化。本发明主要针对ATC模块。

ATC由采样保持电路和比较器组成，如图2所示，用来产生一个与模拟输入电压成正比例关系的时间信号。作为整个ADC转换的前端，其线性度的好坏将直接影响整个ADC的转换精度。本发明提出一种高线性度的ATC结构，用以解决传统ATC线性度受限的问题。

传统的ATC结构如图2所示，由采样保持电路、电流源和一个比较器构成。当电流源断开时，采样保持电路将采样电容充电至输入电压；当电流源开关接入时，电容开始放电，直至下降到比较器阈值电压，比较器翻转完成电压到时间的转换。在这个过程当中保持高线性度的关键是当电容放电时其放电电流必须保持恒定，这就要求电流源的输出阻抗越高越好。本发明中的双共源共栅高阻抗电流源如图3所示。由于采用了共源共栅结构，它不可避免的限制了电流源的输出摆幅。但是，在本发明中，电流源高输出阻抗仅仅在高于比较器阈值电压的部分才真正需要，低于阈值电压的部分并不影响最终的结果输出。由于电流源部分全部采用了NMOS，因此比较器阈值电压的值只需保证能使共源共栅晶体管都工作在饱和区即可。

本发明中的ATC整体结构如图3所示，结合图4的时序图可以更好的说明其工作原理。首先将采样开关Clk1与Clk1a关断，使Vin对电容开始充电。当采样结束后，为了避免采样开关带来的沟道电荷注入，需先将Clk1a断开再将Clk1断开，从而实现下极板采样以消除电荷注入。为了保证比较器能够输出一个上升沿，Clk2a先于Clk2闭合，使得在电容开始放电前Vp被抬高到Vin+Vth，从而使比较器输出处于低电平状态。其中，偏置电压Vth为一个固定的直流电压，用于保证电流源与比较器中的MOS管能够正常工作。随后，Clk2的闭合使得电流源开始对电容放电，且对于本发明中的电流源I，电压Vp与时间t的关系可以表述如下：

$V_p\left(t\right)=V_{in}+V_{th}-\frac{It}{C}---\left(1\right)$

因此，比较器输出翻转的时间t0为：

$V_p\left(t_0\right)=V_{th}\⇒t_0=\frac{V_{in}C}{I}---\left(2\right)$

从上式可以看出，比较器的翻转时间与输入电压呈线性关系。因此，所设计的ATC实现了模拟电压到时间间隔的转化。

对于TDC而言，其输入一般分为两个脉冲信号，即代表时间间隔开始的start信号和代表时间间隔终止的stop信号。从上述的ATC工作原理可知，当闭合Clk电流源开始对电容放电时，即为时间间隔Tin的开始，对于TDC而言即为start信号。当比较器输出翻转时，即代表所要测量时间间隔Tin的终止，因此比较器的输出Vout为所要输入TDC的stop信号。

本发明提出了一种用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器用以提高ATC线性度及最终ADC量化精度。

设电流源的有限输出阻抗为R，则Vp与时间t的关系应为

$V_p\left(t\right)=V_{in}+V_{th}-\frac{It}{C}+RI\underset{n=2}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^n\frac{t^n}{{\left(RC\right)}^{n}n!}---\left(3\right)$

此时，比较器输出翻转的时间t0为

$t_0=\left(V_{in}+RI\underset{n=2}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^n\frac{t^n}{{\left(RC\right)}^{n}n!}\right)\·C/I---\left(4\right)$

而当R足够大时，t0为

$t_0=\frac{V_{in}C}{I}.---\left(5\right)$

高阻抗电流源结构为：NMOS管M1-M9构成双共源共栅结构，通过短接M4的漏极和M6的栅极来对M3供电，通过短接M7的漏极和M8的栅极来对M2供电，通过短接M9的漏和栅极来对M1供电，参考电流Iref分别流入M4、M7、M9漏极。这样的结构使得电流源的输出电阻大大增加，输出电流的稳定性得到提升。

最佳实施方式如下：首先将采样开关Clk1与Clk1a关断，使Vin对电容开始充电。当采样结束后，为了避免采样开关带来的沟道电荷注入，需先将Clk1a断开再将Clk1断开，从而实现下极板采样以消除电荷注入。为了保证比较器能够输出一个上升沿，Clk2a先于Clk2闭合，使得在电容开始放电前Vp被抬高到Vin+Vth，从而使比较器输出处于低电平状态。其中，偏置电压Vth为一个固定的直流电压，用于保证电流源与比较器中的MOS管能够正常工作。随后，Clk2的闭合使得电流源开始对电容放电，放电至比较器阈值电压后比较器翻转，最终比较器的翻转时间与输入电压呈线性关系。ATC的设计中还需要一个高速高精度的比较器。由于通过级联多个低增益的运放的建立时间比单级高增益运放的建立时间小很多，因此所采用的比较器通过三级级联实现。

Claims (4)

1.一种用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器，其特征是，由Clk1、Clk1a、Clk2和Clk2a四个采样开关、电流源、电容和放大器构成，输入信号经Clk1连接到点Vp，点Vp连接到放大器反相输入端，点Vp还连接由电流源与Clk2串接形成的高阻抗电流源；点Vp经电容、Clk2a连接放大器同相端；点Vp经电容、Clk1a接地；放大器同相端接偏置电压。

2.如权利要求1所述的用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换器，其特征是，所述的高阻抗电流源结构为：NMOS管M1-M9构成双共源共栅结构，通过短接M4的漏极和M6的栅极来对M3供电，通过短接M7的漏极和M8的栅极来对M2供电，通过短接M9的漏和栅极来对M1供电，参考电流Iref分别流入M4、M7、M9漏极。这样的结构使得电流源的输出电阻大大增加，输出电流的稳定性得到提升。

3.一种用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换方法，其特征是，首先将采样开关Clk1与Clk1a关断，使输入信号Vin对电容开始充电；然后先将Clk1a断开再将Clk1断开，从而实现下极板采样以消除电荷注入；电容一端通过Clk2a连接放大器同相端，同相端接偏置电压；电容另一端连接放大器反相端，使采样开关Clk2a先于Clk2闭合，使得在电容开始放电前放大器反相端被抬高到Vin+Vth，Vth为偏置电压；随后，Clk2的闭合使得串接的Clk2、电流源、电容结构开始对电容放电。

4.如权利要求3所述的用于单斜ADC的高线性度电压-时间转换方法，其特征是，电流源I，放大器反相端电压Vp(t)与时间t的关系可以表述如下：

$V_p\left(t\right)=V_{in}+V_{th}-\frac{It}{C}---\left(1\right)$

因此，比较器输出翻转的时间t0为：

$V_p\left(t_0\right)=V_{th}\⇒t_0=\frac{V_{in}C}{I}---\left(2\right).$