CN110418082A - 列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法 - Google Patents

列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法 Download PDF

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CN110418082A CN201810403976.1A CN201810403976A CN110418082A CN 110418082 A CN110418082 A CN 110418082A CN 201810403976 A CN201810403976 A CN 201810403976A CN 110418082 A CN110418082 A CN 110418082A
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Abstract

本公开涉及一种列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法，属于电子技术领域，能够增大动态范围并提高图像质量，以及提高输入信号小的情况下的分辨率以及图像清晰度。该列级模数转换器包括：非线性斜坡电压发生器，该非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，其中，所述电流单元中的电流单元的电流具有从左至右或者从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及比较器，用于将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。

Description

列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法
技术领域
本公开涉及电子技术领域，具体地，涉及一种列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法。
背景技术
常规的单斜率列级模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)的结构如图1所示。每列输入信号分别接到对应的列比较器输入端，并与线性斜坡电压发生器输出的随时间变化的线性斜坡电压Vramp进行比较，线性斜坡电压发生器和计数器使用同一频率的时钟信号Clock。
图2以10位常规单斜率列级ADC为例，示出了其中的线性斜坡电压发生器的结构。其中，所有电流单元idac0的电流均相同，使得线性斜坡电压发生器输出线性的斜坡电压，如图3所示。
常规单斜率列级ADC的缺点包括：(1)动态范围小，使得使用该列级ADC的传感器可以探测的场景照度的范围窄、图像细节少，最终得到的图像质量差；(2)在列级ADC的输入信号小的时候，分辨率低，图像不够清晰。
发明内容
本公开的目的是提供一种列级模数转换器和应用于列级模数转换器的模数转换方法，能够增大动态范围并提高图像质量，以及提高输入信号小的情况下的分辨率以及图像清晰度。
为了实现上述目的，本公开提供一种列级模数转换器，该列级模数转换器包括：
非线性斜坡电压发生器，该非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，其中，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及
比较器，用于将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。
可选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
可选地，所述第二电流为所述第一电流的2倍，所述第三电流为所述第二电流的2倍，所述第四电流为所述第三电流的2倍。
可选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。
可选地，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。
本公开还提供一种应用于列级模数转换器的模数转换方法，该方法包括：
非线性斜坡电压发生器向比较器输出非线性的斜坡电压，其中所述非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及
所述比较器将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。
可选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
可选地，所述第二电流为所述第一电流的2倍，所述第三电流为所述第二电流的2倍，所述第四电流为所述第三电流的2倍。
可选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。
可选地，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。
通过采用上述技术方案，由于所述非线性斜坡电压发生器的电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或者从上至下逐渐增大的趋势，使得非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压，因此能够增大动态范围，使得使用该列级模数转换器的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而产生更多细节的图像，提高图像质量，以及能够在输入信号比较低的情况增大分辨率，输出的数据多(同样ΔVin的情况下)，使得图像暗处更加清晰。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是现有的常规单斜率列级ADC的结构示意图。
图2以10位常规单斜率列级ADC为例示出了其中的线性斜坡电压发生器的结构。
图3示出了线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压随时间的变化。
图4示出了根据本公开一种实施方式的列级模数转换器的示意框图。
图5示意性地示出了根据本公开实施例的列级模数转换器的结构示意图。
图6以10位列级模数转换器为例示意性地示出了根据本公开实施例的列级模数转换器中的电流单元阵列的示意框图。
图7示意性地示出了电流单元的一种示例性电路结构图。
图8示出了在采用图6所示的电流单元阵列的情况下根据本公开实施例的列级模数转换器中的非线性斜坡电压发生器输出的非线性斜坡电压随时间变化的示意图。
图9示出了在采用图6所示的电流单元阵列的情况下根据本公开实施例的例如10位列级模数转换器的工作时序图。
图10示出了根据本公开一种实施例的应用于列级模数转换器的模数转换方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图4示出了根据本公开一种实施方式的列级模数转换器的示意框图，如图4所示，该列级模数转换器1包括：非线性斜坡电压发生器11，该非线性斜坡电压发生器11包括电流单元阵列，其中，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或者从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器11在所述列级模数转换器1的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器1的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及比较器12，用于将所述列级模数转换器1的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器11输出的斜坡电压进行比较。
通过采用上述技术方案，由于所述非线性斜坡电压发生器11的电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或者从上至下逐渐增大的趋势，使得非线性斜坡电压发生器11在所述列级模数转换器1的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器1的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压，因此能够增大动态范围，使得使用该列级模数转换器1的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而产生更多细节的图像，提高图像质量，以及能够在输入信号比较低的情况增大分辨率，输出的数据多(同样ΔVin的情况下)，使得图像暗处更加清晰。
优选地，根据本公开实施例的列级模数转换器1以及非线性斜坡电压发生器11的框架结构与现有技术中的列级模数转换器和线性斜坡电压发生器的框架结构是相同的，区别在于电流单元阵列，也即在现有技术中，线性斜坡电压发生器的电流单元阵列中的所有电流单元的电流均是相同的，而在本公开中，非线性斜坡电压发生器11的电流单元阵列中的电流单元的电流不是完全相同的。图5示意性地示出了根据本公开实施例的列级模数转换器的结构示意图。通过如此设置，没有过多的增加列级模数转换器1的电路结构复杂度。
在一种可能的实施方式中，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
图6以10位列级模数转换器为例示意性地示出了电流单元阵列的示意框图。在图6中，电流单元idac0和idac1的电路结构是一样的，只是镜像电流不一样，使得电流单元idac1的电流是电流单元idac0的电流的一半。例如，图7示意性地示出了电流单元的一种示例性电路结构图。本领域技术人员应当理解的是，图7仅是示例，其并不构成对本公开实施例的限制。另外，在图6中，idac0<3:0>表示有4个电流单元idac0，其它类推。表1示出了图6所示的电流单元阵列的电流步长和跨越的电压范围。在表1中，i是电流单元idac0的电流，则电流单元idac1的电流就是i/2；周期数＝行数*列数32；R表示图6中的电阻器的电阻值；Vref表示输入电压范围中的最大电压。从表1可以看出，假如Vin<1/4Vref，则计数器的计数范围在0-511。
行 电流步长 周期数 跨越的电压范围 Vin范围 数据
1-16行 i/2 512 512*i/2*R＝256iR 0-0.25Vref 0-511
17-24行 i 256 256*i*R＝256iR 0.25-0.50vref 512-767
25-28行 2*i 128 128*2i*R＝256iR 0.5-0.75vref 768-895
29-30行 4*i 64 64*4i*R＝256iR 0.75-1vref 896-960
表1
图8示出了在采用图6所示的电流单元阵列的情况下非线性斜坡电压发生器11输出的非线性斜坡电压随时间变化的示意图。
下面结合图7所示的电流单元电路结构示意图来描述根据本公开实施例的非线性斜坡电压发生器11的工作原理如下：(1)首先，通过使能信号ENP有效来使得所有电流单元idac0、idac1的电流都流向gnd(因为ENP有效，所以K2为低，K2控制开关导通，如图7所示)，这样产生的斜坡电压Vramp被拉到最低点。(2)然后，当使能信号RampEn有效时，产生温度码式的行选信号Row_En(Row_En逐行导通)；列选信号Col也是一列一列地逐列选通，直至最后一列，如此重复，也即先是第一行的逐列选通，然后是第二行的逐列选通，以此类推。总的输出电流逐渐增加，每一步的电流增加量是电流单元的输出电流，最终输出端Vramp的电压也是逐步增加，其中，非线性斜坡输出电压Vramp的增加步长ΔV＝单个电流单元的输出电流*电阻器的电阻。另外，ENN使能信号的作用是设置斜坡电压Vramp的初始电压；ENP使能信号用于复位斜坡电压Vramp，ENP有效会使得斜坡电压Vramp为最低值0。另外，斜坡电压Vramp可以是正斜率(逐步增加的)，也可以是负斜率的(逐步减小的)，这通过调节col和coln来实现。
图9示出了在采用图6所示的电流单元阵列的情况下根据本公开实施例的例如10位列级模数转换器1的工作时序图。列级模数转换器1的工作过程如下：(1)一开始复位，Ramp_En和Counter_En复位为低，Cmp_out复位为低。(2)Ramp_En翻转高有效时，非线性斜坡电压Vramp开始随时钟周期慢慢增大。当Vin比Vramp初始值大时，所有列比较器输出翻转置为1，Counter_En翻转高有效，计数器开始计数。(3)当Vramp的电压值比Vin1值大时，对应的比较器Comp_1的输出翻转为低，对应控制信号Counter_En翻转变低，这列的计数器就停止计数，得到data_1。(4)当Vramp的电压值比Vin2值大时，对应的比较器Comp_2的输出翻转为低，对应控制信号Counter_En翻转变低，这列的计数器也停止计数，得到data_2。其它类推，都在Vramp大于Vin值时对应的比较器的输出翻转为低，对应控制信号Counter_En翻转变低，对应列的计数器就停止计数。
在一种可能的实施方式中，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。优选地，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。通过如此设置电流单元阵列，也能够使得非线性斜坡电压发生器11输出非线性的斜坡电压Vramp，以便增大动态范围，使得使用该列级模数转换器1的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而产生更多细节的图像，提高图像质量，以及能够在输入信号比较低的情况增大分辨率，输出的数据多(同样ΔVin的情况下)，使得图像暗处更加清晰。另外，电流单元的电路结构已经在前面进行了详细描述，此处不再赘述。
图10示出了根据本公开另一实施例的应用于列级模数转换器的模数转换方法的流程图，如图10所示，该方法包括：
在步骤S1001中，非线性斜坡电压发生器向比较器输出非线性的斜坡电压，其中所述非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及
在步骤S1002中，所述比较器将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。
通过采用上述技术方案，由于所述非线性斜坡电压发生器的电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或者从上至下逐渐增大的趋势，使得非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压，因此能够增大动态范围，使得使用该列级模数转换器的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而产生更多细节的图像，提高图像质量，以及能够在输入信号比较低的情况增大分辨率，输出的数据多(同样ΔVin的情况下)，使得图像暗处更加清晰。
优选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
优选地，所述第二电流为所述第一电流的2倍，所述第三电流为所述第二电流的2倍，所述第四电流为所述第三电流的2倍。
优选地，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。
优选地，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。
根据本公开实施例的应用于列级模数转换器的模数转换方法的各个操作步骤的具体实施方式已经在根据本公开实施例的列级模数转换器中进行了详细描述，此处不再赘述。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种列级模数转换器，其特征在于，该列级模数转换器包括：
非线性斜坡电压发生器，该非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，其中，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及
比较器，用于将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。
2.根据权利要求1所述的列级模数转换器，其特征在于，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
3.根据权利要求2所述的列级模数转换器，其特征在于，所述第二电流为所述第一电流的2倍，所述第三电流为所述第二电流的2倍，所述第四电流为所述第三电流的2倍。
4.根据权利要求1所述的列级模数转换器，其特征在于，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。
5.根据权利要求4所述的列级模数转换器，其特征在于，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。
6.一种应用于列级模数转换器的模数转换方法，其特征在于，该方法包括：
非线性斜坡电压发生器向比较器输出非线性的斜坡电压，其中所述非线性斜坡电压发生器包括电流单元阵列，所述电流单元阵列中的电流单元的电流具有从左至右或从上至下逐渐增大的趋势，使得所述非线性斜坡电压发生器在所述列级模数转换器的输入电压较小时输出较小步长的斜坡电压并在所述列级模数转换器的输入电压较大时输出较大步长的斜坡电压；以及
所述比较器将所述列级模数转换器的输入电压与所述非线性斜坡电压发生器输出的斜坡电压进行比较。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至n行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第一电流，第n+1至n+i行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第二电流，第n+i+1至n+i+j行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第三电流，第n+i+j+1至N行、第1至M列中的所述电流单元的电流为第四电流，而且第一电流<第二电流<第三电流<第四电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二电流为所述第一电流的2倍，所述第三电流为所述第二电流的2倍，所述第四电流为所述第三电流的2倍。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流单元阵列包括N*M个电流单元，N为所述电流单元阵列的行数，M为所述电流单元阵列的列数，其中，第1至m列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第五电流，第m+1至m+l列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第六电流，第m+l+1至m+l+k列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第七电流，第m+l+k+1至M列、第1至N行中的所述电流单元的电流为第八电流，而且第五电流<第六电流<第七电流<第八电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第六电流为所述第五电流的2倍，所述第七电流为所述第六电流的2倍，所述第八电流为所述第七电流的2倍。
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