CN106130559A - 一种高精度列级模数转换器及其模数转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列级模数转换器及转换方法，该转换器包括一个共用电路及至少一个列电路，共用电路用于为各个列电路提供模数换所需的斜坡信号；每个列电路包括一个M位单斜模数转换器列电路(103)和一个N‑M位∑Δ模数转换器(104)，M位单斜模数转换器列电路(103)用于将所述至少一列模拟信号进行粗M位量化，从而转换出M位高位数字码值，∑Δ模数转换器(104)用于将该列模拟信号进行细N‑M位量化，从而转换出N‑M位低位数字码值，并将M位高位数字码值与N‑M位低位数字码值合并为N位数字码值后作为该列模拟信号转换结果输出。本发明具有转换精度高且电路结构简单的优点。
Description
技术领域
本发明属模数转换器技术，尤其涉及一种在图像传感器中应用的高精度列级模数据转换器(ADC)及其模数转换方法。
背景技术
随着数码技术、半导体制造技术的迅速发展，CMOS图像传感器成为当前以及未来市场关注的对象。目前，应用在CMOS图像传感器中的模数转换器(ADC)有三种不同的类型：像素级、列级、芯片级。其中列级ADC与芯片级ADC相比对ADC速度要求不高，因此降低了芯片的功耗和设计难度。同时它与像素级ADC相比，ADC由像素内转移到像素阵列外，这大大提高了填充因子，从而提高了图像传感器的光敏感度。因此列级ADC在图像传感器中有着广泛的应用。
现有的列级ADC中有两种常见的实现方式：奈奎斯特ADC及∑ΔADC。奈奎斯特ADC结构简单，易于实现，但其缺点是奈奎斯特ADC精度依赖于无源器件的匹配，因此其精度被限制在10～12位之间。∑ΔADC由于采用过采样及噪声整形技术可轻易实现12位以上精度，但随着精度位数的增加其数字滤波器设计难度和电路规模增加，导致版图面积非常大，从而阻碍了其作为高精度列级ADC的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是给出一种新的高精度列级ADC及其AD转换方法，以克服奈奎斯特ADC精度不高而高精度∑ΔADC的列电路面积太大的缺点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种列级模数转换器，用于将至少一列模拟信号转换为数字码值，包括一个共用电路及至少一个列电路，其中，所述共用电路用于为各个列电路提供模数换所需的斜坡信号；每个所述列电路包括一个M位单斜模数转换器列电路(103)和一个N-M位∑Δ模数转换器(104)，所述M位单斜模数转换器列电路(103)用于将所述至少一列模拟信号进行粗M位量化，从而转换出M位高位数字码值，所述∑Δ模数转换器(104)用于将该列模拟信号进行细N-M位量化，从而转换出N-M位低位数字码值，并将所述M位高位数字码值与N-M位低位数字码值合并为N位数字码值后作为该列模拟信号转换结果输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。优选地，N＞12。
根据本发明的具体实施方式，所述共用电路提供的斜坡信号包括第一斜坡信号和第二斜坡信号，第一斜坡信号的大小比第二斜坡信号高一个台阶的差值；所述第一斜坡信号作为所述M位单斜模数转换器列电路的参考信号；所述第一斜坡信号和第二斜坡信号共同作为所述∑Δ模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。
根据本发明的具体实施方式，所述M位单斜模数转换器列电路(103)包括一个比较器、一个M位计数器及一个M位寄存器，所述第一斜坡信号连接到该比较器的输入正端，所述列模拟信号连接到该比较器的输入负端，所述M位计数器用于～高M位量化时的计数～，所述M位寄存器用于～存储高M位量化码值～。
根据本发明的具体实施方式，所述第一斜坡信号及第二斜坡信号分别通过第一开关及第二开关为所述N-M位∑Δ模数转换器(104)提供高参考电压信号和低参考电压信号。
根据本发明的具体实施方式，所述第一开关及第二开关与所述N-M位∑Δ模数转换器(104)之间分别通过第一电容及第二电容接地。
本发明还提出一种列级模数转换方法，用于将至少一列模拟信号转换为数字码值，包括如下步骤：采用单斜模数转换器进行所述各列模拟信号的高位数据量化，采用∑Δ模数转换器进行所述各列模拟信号的低位数据量化。
(三)有益效果
本发明与奈奎斯特列级ADC相比，由于采用了∑ΔADC进行低位数据量化，则量化精度不受无源器件匹配精度的限制，从而可实现12位以上量化精度。
本发明与∑ΔADC相比，由于采用了单斜ADC进行高位数据量化，因此∑ΔADC需量化的位数减少，从而大大减少了列电路的设计难度和芯片面积，而单斜ADC所引入的列电路结构简单且消耗面积很小，所以整体列电路面积与∑ΔADC相比仍大大减小。因此本发明可实现高精度小面积列级ADC。
附图说明
图1是本发明提出的列级ADC的一个实施例的结构图；
图2是本发明提出的列级ADC的一个实施例的工作原理表示图。
具体实施方式
总的来说，本发明将单斜ADC与∑ΔADC结合，采用单斜ADC进行高位数据量化，采用∑ΔADC进行低位数据量化。
具体来说，本发明提出的列级模数转换器包括一个共用电路及至少一个列电路，其中共用电路用于为各个列电路提供两个斜坡信号，该两个斜坡信号的大小具有一个台阶的差值，各个列电路分别用于接收各列模拟信号中的一列模拟信号，将其转换为数字码值后输出。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提出的列级ADC的一个实施例的结构图。如图1所示，列级模数转换器包括一个共用电路及至少一个列电路。
所述共用电路包括第一斜坡产生器101及第二斜坡产生器102，第一斜坡产生器101产生的第一斜坡信号Vramp1比第二斜坡产生器102产生的第二斜坡信号Vramp2高一个台阶。
每个列电路包括一个M位单斜模数转换器列电路103、一个N-M位∑Δ模数转换器104、第一开关S1、第二开关S2、第一电容C1及第二电容C2；其中M位单斜模数转换器列电路103包括一个比较器、一个M位计数器及一个M位寄存器。其中M、N均为大于等于1的整数且N＞M。优选的，N＞12。
第一斜坡信号Vramp1及第二斜坡信号Vramp2分别通过第一开关S1及第二开关S2为N-M位∑Δ模数转换器104提供高参考电压信号和低参考电压信号。第一斜坡信号Vramp1连接到M位单斜模数转换器列电路103中比较器的输入正端。列模拟信号Vin连接到M位单斜模数转换器列电路103中比较器的输入负端及N-M位∑Δ模数转换器104的输入端。第一开关S1及第二开关S2与N-M位∑Δ模数转换器104之间分别通过第一电容C1及第二电容C2接地。M位单斜模数转换器列电路103中的M位计数器用于高M位量化时的计数，M位寄存器用于存储高M位量化码值。
图2是本发明提出的列级ADC的一个实施例的的工作原理表示图。本发明的列级模数转换器的的工作原理如下：
第一阶段，由M位单斜模数转换器进行高M位量化：当一个列模拟信号Vin小于第一斜坡信号Vramp1时，比较器翻转，同时M位计数器码值被存入M位寄存器中，即为高M位量化码值。
第二阶段，由N-M位∑Δ模数转换器104进行低N-M位量化：第一阶段比较器翻转的同时第一开关S1及第二开关S2闭合，将第一斜坡信号Vramp1及第二斜坡信号Vramp2保存到第一电容C1及第二电容C2上，为N-M位∑Δ模数转换器104提供高参考电压信号Vrefh及低参考电压信号Vrefl。在参考电压信号Vrefh及Vrefl区间内由N-M位∑Δ模数转换器104完成低N-M位量化，从而产生低N-M位量化码值。
最后，将第一阶段高M位数字码值与第二阶段低N-M位数字码值合并即可产生N位数字码值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种列级模数转换器，用于将至少一列模拟信号转换为数字码值，包括一个共用电路及至少一个列电路，其中，
所述共用电路用于为各个列电路提供模数换所需的斜坡信号；
每个所述列电路包括一个M位单斜模数转换器列电路(103)和一个N-M位∑Δ模数转换器(104)，所述M位单斜模数转换器列电路(103)用于将所述至少一列模拟信号进行粗M位量化，从而转换出M位高位数字码值，所述∑Δ模数转换器(104)用于将该列模拟信号进行细N-M位量化，从而转换出N-M位低位数字码值，并将所述M位高位数字码值与N-M位低位数字码值合并为N位数字码值后作为该列模拟信号转换结果输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
2.如权利要求1所述的列级模数转换器，其特征在于，N＞12。
3.如权利要求1所述的列级模数转换器，其特征在于，
所述共用电路提供的斜坡信号包括第一斜坡信号和第二斜坡信号，第一斜坡信号的大小比第二斜坡信号高一个台阶的差值；
所述第一斜坡信号作为所述M位单斜模数转换器列电路(103)的参考信号；
所述第一斜坡信号和第二斜坡信号共同作为所述∑Δ模数转换器(104)的高参考电压信号和低参考电压信号。
4.如权利要求3所述的列级模数转换器，其特征在于，所述M位单斜模数转换器列电路(103)包括一个比较器、一个M位计数器及一个M位寄存器，所述第一斜坡信号连接到该比较器的输入正端，所述列模拟信号连接到该比较器的输入负端，所述M位计数器用于高M位量化时的计数，所述M位寄存器用于存储高M位量化码值。
5.如权利要求3所述的列级模数转换器，其特征在于，所述第一斜坡信号及第二斜坡信号分别通过第一开关及第二开关为所述N-M位∑Δ模数转换器(104)提供高参考电压信号和低参考电压信号。
6.如权利要求5所述的列级模数转换器，其特征在于，所述第一开关及第二开关与所述N-M位∑△模数转换器(104)之间分别通过第一电容及第二电容接地。
7.一种列级模数转换方法，用于将至少一列模拟信号转换为数字码值，包括如下步骤：
采用单斜模数转换器进行所述各列模拟信号的高位数据量化，采用∑△模数转换器进行所述各列模拟信号的低位数据量化。
8.如权利要求7所述的列级模数转换方法，其特征在于，使用一个共用电路为所述单斜模数转换器和∑△模数转换器提供参考斜坡信号。
9.如权利要求8所述的列级模数转换方法，其特征在于，
所述参考斜坡信号包括第一斜坡信号和第二斜坡信号，第一斜坡信号的大小比第二斜坡信号高一个台阶的差值；
所述第一斜坡信号作为所述单斜模数转换器的参考信号；
所述第一斜坡信号和第二斜坡信号共同作为所述∑△模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。
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