CN108988862A - 模数转换器及模数转换方法 - Google Patents

Abstract

一种模数转换器，包括共用电路和至少一个列电路，其中，所述共用电路包括斜坡产生器，所述斜坡产生器用于为所述列电路提供模数转换所需的斜坡信号；每个所述列电路包括：M位的单斜模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和N‑M位的循环结构模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N‑M位量化，以转换为低N‑M位量化码值，并将所述高M位量化码值与低N‑M位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。本发明将单斜模数转换器与循环结构模数转换器相结合，可实现高速低功耗的列级ADC。

Description

模数转换器及模数转换方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种模数转换器及模数转换方法。

背景技术

随着半导体制造技术的迅速发展，模数转换器(ADC)已广泛应用于各个领域，以将模拟信号转换为数字信号。目前，应用于CMOS图像传感器中的ADC有三种不同的类型：像素级ADC、列级ADC和芯片级ADC。其中列级ADC相比于芯片级ADC对速度要求不高，因此降低了芯片的功耗和设计难度；同时列级ADC相比于像素级ADC，提高了CMOS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：单路斜坡ADC(简称单斜ADC)及循环结构(Cyclic)ADC。单斜ADC结构简单，易于实现，功耗低，但其缺点是转换周期长，N位的单斜ADC需要2N-1个时钟周期才能完成一次转换。相对地，N位Cyclic ADC只需要N个时钟周期即可完成一次转换，但由于其采用乘2电路及码值校正技术，随着精度位数的增加其功耗非常大，从而阻碍了其作为高速列级ADC的应用。

发明内容

针对上述问题，为了克服单斜ADC速度不高而高速Cyclic ADC的功耗太大的缺点，本发明一方面提供了一种模数转换器，包括共用电路和至少一个列电路，其中，

所述共用电路包括斜坡产生器，所述斜坡产生器用于为所述列电路提供模数转换所需的斜坡信号；

每个所述列电路包括：

M位的单斜模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和

N-M位的循环结构模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以转换为低N-M位量化码值，并将所述高M位量化码值与低N-M位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。

在一些实施例中，所述共用电路包括第一斜坡产生器和第二斜坡产生器，所述第一斜坡产生器用于产生第一斜坡信号，所述第二斜坡产生器用于产生第二斜坡信号，所述第一斜坡信号的大小比所述第二斜坡信号高一个台阶；

所述第一斜坡信号作为所述单斜模数转换器的参考电压信号；

所述第一斜坡信号和第二斜坡信号分别作为所述循环结构模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。

在一些实施例中，其特征在于，所述单斜模数转换器包括比较器、M位计数器和M位寄存器，

所述第一斜坡信号输入到所述比较器的正输入端，待转换的模拟信号输入到所述比较器的负输入端；所述M位计数器用于高M位量化时的计数；所述比较器和所述M位计数器的输出结果均输入到所述M位寄存器中存储。

在一些实施例中，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循环结构模数转换器提供高参考电压信号和低参考电压信号。

在一些实施例中，其特征在于，所述第一开关及第二开关与所述循环结构模数转换器之间分别通过第一电容及第二电容接地。

本发明另一方面提供了一种模数转换方法，其特征在于，包括：

提供M位的单斜模数转换器，对输入的模拟信号进行高M位量化，以将模拟信号转换为高M位量化码值；

提供N-M位的循环结构模数转换器，对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以将模拟信号转换为低N-M位量化码值；

将所述高M位量化码值与低N-M位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。

在一些实施例中，使用一个共用电路为所述单斜模数转换器和循环结构模数转换器提供模数转换所需的斜坡信号。

在一些实施例中，所述共用电路包括第一斜坡产生器和第二斜坡产生器，所述第一斜坡产生器用于产生第一斜坡信号，所述第二斜坡产生器用于产生第二斜坡信号，所述第一斜坡信号的大小比所述第二斜坡信号高一个台阶；

所述第一斜坡信号作为所述单斜模数转换器的参考电压信号；

所述第一斜坡信号和第二斜坡信号分别作为所述循环结构模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。

基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：

本发明提供的模数转换器和模数转换方法将单斜ADC与Cyclic ADC相结合，与单斜ADC相比，由于采用了Cyclic ADC进行低位数据量化，使得量化速度大大加快；与CyclicADC相比，由于采用了单斜ADC进行高位数据量化，使得Cyclic ADC需要量化的位数减少，从而大大减少了功耗。因此本发明提供的方案可实现高速低功耗的列级ADC。

附图说明

图1为本发明的实施例中的模数转换器的结构示意图；

图2为本发明的实施例中的模数转换器的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

图1为本发明的一个实施例的模数转换器的结构示意图，如图1所示，包括共用电路和至少一个列电路。其中共用电路包括斜坡产生器，斜坡产生器用于为列电路提供模数转换所需的斜坡信号。

每个列电路包括：M位的单斜ADC103和N-M位的Cyclic ADC104(M、N均为大于等于1的整数且N＞M)。单斜ADC103用于对输入的模拟信号Vin进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；Cyclic ADC104用于对输入的模拟信号Vin进行低N-M位量化，以转换为低N-M位量化码值，并将高M位量化码值与低N-M位量化码值合并为N位数字信号后输出。

根据一些实施例，单斜ADC103对模拟信号Vin的量化为粗量化，Cyclic ADC104对模拟信号Vin的量化为细量化。

本发明的实施例提供了一种列级ADC，包括至少一个作为ADC主体的列电路和各个列电路共用的共用电路。本发明的实施例提供的列级ADC将单斜ADC与Cyclic ADC结合，采用单斜ADC进行高位数据量化，采用Cyclic ADC进行低位数据量化。该方案克服了单斜ADC速度不高而高速Cyclic ADC的功耗太大的缺点，可实现高速低功耗的列级ADC。

优选地，共用电路包括第一斜坡产生器101和第二斜坡产生器102。第一斜坡产生器101用于产生第一斜坡信号Vramp1，第二斜坡产生器102用于产生第二斜坡信号Vramp2。第一斜坡信号Vramp1作为单斜ADC103的参考电压信号；同时，第一斜坡信号Vramp1和第二斜坡信号Vramp2分别作为Cyclic ADC104的高参考电压信号和低参考电压信号。进一步参照图2，第一斜坡信号Vramp1的大小比第二斜坡信号Vramp2高一个台阶。

根据一些实施例，单斜ADC103包括比较器、M位计数器和M位寄存器。第一斜坡信号Vramp1输入到比较器的正输入端，待转换的模拟信号Vin输入到比较器的负输入端；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；比较器和M位计数器的输出结果均输入到M位寄存器中存储。

根据一些实施例，列电路中还包括第一开关S1和第二开关S2。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Cyclic ADC104提供高参考电压信号和低参考电压信号。

根据一些实施例，列电路中还包括第一电容C1和第二电容C2。第一开关S1及第二开关S2与Cyclic ADC104之间分别通过第一电容C1及第二电容C2接地。

本发明的实施例通过上述设置，实现了高速低功耗的列级ADC，与单斜ADC相比，由于采用了Cyclic ADC进行低位数据量化，使得量化速度大大加快；与Cyclic ADC相比，由于采用了单斜ADC进行高位数据量化，使得Cyclic ADC需要量化的位数减少，从而大大减少了功耗。

本发明还提供了一种模数转换方法，包括：

提供M位的单斜ADC103，对输入的模拟信号Vin进行高M位量化，以将模拟信号转换为M位高位数字信号；

提供N-M位的Cyclic ADC104，对输入的模拟信号Vin进行低N-M位量化，以将模拟信号转换为N-M位低位数字信号；

将M位高位数字信号与N-M位低位数字信号合并为N位数字信号后输出。M、N均为大于等于1的整数且N＞M。

根据一些实施例，使用一个共用电路为单斜ADC103和Cyclic ADC104提供模数转换所需的斜坡信号。

优选地，共用电路包括第一斜坡产生器101和第二斜坡产生器102。第一斜坡产生器101用于产生第一斜坡信号Vramp1，第二斜坡产生器102用于产生第二斜坡信号Vramp2。第一斜坡信号Vramp1作为单斜ADC103的参考电压信号；同时，第一斜坡信号Vramp1和第二斜坡信号Vramp2分别作为Cyclic ADC104的高参考电压信号和低参考电压信号。进一步参照图2，第一斜坡信号Vramp1的大小比第二斜坡信号Vramp2高一个台阶。

本发明实施例中的模数转换器的工作原理如下：

第一阶段，由M位单斜ADC103进行高M位量化：当一个模拟信号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Cyclic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Cyclic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Cyclic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位量化码值与第二阶段低N-M位量化码值合并即可得到需要的模数转换后的N位数字信号。

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 (8)

1.一种模数转换器，包括共用电路和至少一个列电路，其中，

所述共用电路包括斜坡产生器，所述斜坡产生器用于为所述列电路提供模数转换所需的斜坡信号；

每个所述列电路包括：

M位的单斜模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和

N-M位的循环结构模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以转换为低N-M位量化码值，并将所述高M位量化码值与低N-M位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述共用电路包括第一斜坡产生器和第二斜坡产生器，所述第一斜坡产生器用于产生第一斜坡信号，所述第二斜坡产生器用于产生第二斜坡信号，所述第一斜坡信号的大小比所述第二斜坡信号高一个台阶；

所述第一斜坡信号作为所述单斜模数转换器的参考电压信号；

所述第一斜坡信号和第二斜坡信号分别作为所述循环结构模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。

3.如权利要求2所述的模数转换器，其中，所述单斜模数转换器包括比较器、M位计数器和M位寄存器，

所述第一斜坡信号输入到所述比较器的正输入端，待转换的模拟信号输入到所述比较器的负输入端；所述M位计数器用于高M位量化时的计数；所述比较器和所述M位计数器的输出结果均输入到所述M位寄存器中存储。

4.如权利要求2所述的模数转换器，其中，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循环结构模数转换器提供高参考电压信号和低参考电压信号。

5.如权利要求4所述的模数转换器，其中，所述第一开关及第二开关与所述循环结构模数转换器之间分别通过第一电容及第二电容接地。

6.一种模数转换方法，其特征在于，包括：

提供M位的单斜模数转换器，对输入的模拟信号进行高M位量化，以将模拟信号转换为高M位量化码值；

提供N-M位的循环结构模数转换器，对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以将模拟信号转换为低N-M位量化码值；

将所述高M位量化码值与低N-M位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。

7.如权利要求6所述的模数转换方法，其特征在于，使用一个共用电路为所述单斜模数转换器和循环结构模数转换器提供模数转换所需的斜坡信号。

8.如权利要求7所述的模数转换方法，其特征在于，所述共用电路包括第一斜坡产生器和第二斜坡产生器，所述第一斜坡产生器用于产生第一斜坡信号，所述第二斜坡产生器用于产生第二斜坡信号，所述第一斜坡信号的大小比所述第二斜坡信号高一个台阶；

所述第一斜坡信号作为所述单斜模数转换器的参考电压信号；

所述第一斜坡信号和第二斜坡信号分别作为所述循环结构模数转换器的高参考电压信号和低参考电压信号。