CN111355907B - 一种用于cmos图像传感器的列级adc及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的列级ADC及其实现方法，属于CMOS图像传感器的模拟数字转换器领域。本发明的列级ADC，比较器第一级负端输入为光电信号Vin，其正端输入为斜坡参考信号，比较器第一级的输出端与比较器第二级的输入端相连，比较器第二级的输出端通过补偿电容与比较器第一级的正端相连接，比较器第二级的输出端还提供有外部输出；比较器第一级和比较器第二级的翻转方向相反。本发明可有效抑制斜坡信号畸变，提升转换精度。

Description

一种用于CMOS图像传感器的列级ADC及其实现方法

技术领域

本发明属于CMOS图像传感器的模拟数字转换器领域，尤其是一种用于CMOS图像传感器的列级ADC及其实现方法。

背景技术

CMOS图像传感器广泛应用于军事和民用领域。数字输出CMOS图像传感器便于实现后续数据处理，成为当今的CMOS图像传感器的主流方向。CMOS图像传感器的ADC集成技术主要包括：像素集成ADC技术、列集成ADC技术和芯片集成ADC技术。如图2（a）所示，像素集成ADC技术的特点是采用每个光电检测器使用一个低速ADC转换器，大量低速ADC转换器并行工作达到一个高速ADC转换器的效果。如图2（b）所示，列集成是每个ADC转换器只完成对一列像元的转换来实现对整个图像传感器模数转换的功能。如图2（c）所示，芯片级模数转换器是将整个像元阵列所采集的模拟信号通过行列选通读出给芯片级ADC电路进行处理。列级ADC实现了良好的速度和精度折衷，为当今主流的CMOS图像传感器集成技术。

列级ADC主要包含两种架构：单斜式ADC架构和多斜式ADC架构。多斜式ADC可优化ADC转换速率，但是高匹配性斜坡难以实现，成为主要制约因素。单斜式ADC无需进行斜坡匹配，可以提供良好的转换精度，被广泛使用。图3为列级单斜式ADC架构，主要组成结构包括：光电信号采样保持电路20，ADC比较器21，ADC计数器22，数字存储23，斜坡参考24。列级单斜式ADC的工作过程为，采样保持电容20实现对光电信号的采样保持，斜坡参考模块24产生斜坡参考信号，通过ADC比较器21检测需量化信号和斜坡参考信号差异情况，当二者接近或相等时产生翻转信号。由于ADC计数器23在斜坡上升过程中计数，ADC计数器23对斜坡上升幅值进行标定，计数时间长度和斜坡上升高度，也即和光电信号幅值成正比，由此实现模拟数字转换，将转换结果保存于数据存储模块23。

列级单斜式ADC输入信号相互独立，斜坡产生信号共享。因此，ADC比较器的翻转信号会通过栅漏寄生电容耦合到斜坡参考信号中，令斜坡参考信号出现和翻转信号同向的畸变。斜坡参考信号作为ADC转换的重要参考信号，如果产生畸变，必将影响ADC的转换精度。此外，两级ADC比较器架构，由于比较器翻转前后功耗差异，造成电源负载不稳定，导致电源幅值波动影响转换精度。在低功耗应用中，ADC功耗过大无法满足系统性能要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的列级单斜式ADC转换精度不高的缺点，提供一种用于CMOS图像传感器的列级ADC及其实现方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于CMOS图像传感器的列级ADC，包括比较器第一级、比较器第二级和补偿电容；

所述比较器第一级的正端输入为光电信号Vin，其负端输入为斜坡参考信号Vramp，所述比较器第一级的输出端与比较器第二级的输入端相连，所述比较器第二级的输出端通过补偿电容与比较器第一级的负端相连接，所述比较器第二级的输出端还提供有外部输出VCOMP；

所述比较器第一级和比较器第二级的翻转方向相反。

进一步的，还包括负载均衡器，负载均衡器的一个输入端与比较器第二级输出端相连接，另一个输入端为ADC-Lowpower；

当负载均衡器的ADC-Lowpower输入为低电平时，比较器第二级（16）其所在支路的电流和负载均衡器（17）所在支路的电流一个为0，一个不为0；

当负载均衡器的ADC-Lowpower输入为高电平时，负载均衡器（17）所在支路的电流均为0。

进一步的，比较器第一级包括NMOS M1、NMOS M2、PMOS M3、PMOS M4和第二NMOS，比较器第二级包括PMOS M5和第三NMOS；

PMOS M3、PMOS M4 和PMOS M5的S极均接入VDD，PMOS M3的G极、PMOS M3的D极、PMOS M4的G极均与NMOS M1的D极相连，NMOS M1的G极接光电信号Vin，PMOS M4的D极、NMOSM2的D极与PMOS M5的G极相连，NMOS M2的S极与PMOS M1的S极相连后接入第二NMOS的D极，第二NMOS的G极接有偏置电流，第二NMOS的S极接地，PMOS M2的G极接斜坡参考信号Vramp；

PMOS M5的D极同时接第三NMOS的D极、补偿电容（15）并提供外部输出VCOMP，补偿电容（15）的另一端与NPMOS M2的G极相连，第三NMOS的G极接有偏置电流，第三NMOS的S极接地。

进一步的，负载均衡器包括PMOS M6、第一PMOS、PMOS M7和第四NMOS；

PMOS M6的S极接入VDD，NMOS M6的G极接ADC-Lowpower，PMOS M6的D极与第一PMOS的S极相连接，第一PMOS的D极与G极相连后与PMOS M7的S极相连接，PMOS M7的G极与NMOSM5的D极相连，NMOS M7的D极与第四NMOS的D极相连，第四NMOS的G极接有偏置电流，第四NMOS的S极接地。

一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，利用本发明的列级ADC提高其转换线性度，具体操作为：

1）输入的斜坡参考信号Vramp接近光电信号Vin时，比较器第一级和比较器第二级（16）均进行翻转；

2）由于比较器第一级中的MOS管的栅漏寄生电容存储的电荷不能突变，比较器第一级翻转引起斜坡参考信号Vramp畸变，所述畸变方向与比较器第一级的翻转方向相同；

同时补偿电容中的存储的电荷不能突变，比较器第二级翻转也引起斜坡参考信号Vramp畸变，所述畸变方向与比较器第二级的翻转方向相同；

上述两个畸变方向相反，从而减小斜坡参考信号Vramp畸变，提升转换精度。

一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，利用本发明的列级ADC实现均衡负载，具体操作为：

将负载均衡器的ADC-Lowpower输入低电平，若比较器第一级的输出端为高电平，则比较器第二级的输出为低电平，其所在支路电流为0，此时，负载均衡器所在支路电流不为0；

将负载均衡器的ADC-Lowpower输入低电平，若比较器第一级的输出端为低电平，则比较器第二级的输出为高电平，其所在支路电流不为0，此时，负载均衡器所在支路电流为0。

一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，利用本发明所述的列级ADC实现低功耗，具体操作为：

将负载均衡器的ADC-Lowpower输入低电平，负载均衡器所在支路电流为0，从而降低功耗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于CMOS图像传感器的列级ADC，为提高比较器增益和进行斜坡畸变补偿，采用两级型ADC比较器架构，随着斜坡参考信号上升比较器第一级向下翻转引起斜坡参考信号向下畸变，由于比较器第二级和比较器第一级翻转方向相反引起斜坡参考信号向上畸变，通过优化补偿电容的容值，能够有效抵消由于比较器翻转而引起的斜坡畸变，由于所有列共用斜坡发生器产生的斜坡参考信号，畸变的斜坡参考信号会引起尚未翻转比较器的翻转误差，从而降低列级ADC的精度问题。

进一步的，负载均衡器能够效抑制电源负载显著变换，提升CMOS图像传感器整体性能，保证比较器翻转前后电源负载电流恒定。

进一步的，通过控制负载均衡器的输入还可保持负载均衡器所在之路的电流为0，从而降低功耗。

附图说明

图1为本发明列级ADC的功能方块图；

图2为用于CMOS图像传感器的现有ADC架构，其中，图2（a）为像素集成ADC原理图；图2（b）为列集成原理图；图2（c）为芯片级模数转换器；

图3为现有的列级单斜式ADC架构图；

图4为本发明列级ADC的电路图；

图5为斜坡误差补偿的时序图；

图6为负载均衡模式下比较器翻转前示意图；

图7为负载均衡模式下比较器翻转后示意图；

图8为负载均衡模式的时序图；

图9为低功耗模式比较器翻转前示意图；

图10为低功耗模式下比较器翻转后示意图；

图11低功耗模式的时序图。

其中：10-电流偏置，11-光电信号输入，12-比较器第一级，13-比较器第一级输出，14-斜坡参考，15-补偿电容，16-比较器第二级，17-负载均衡器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提出一种用于CMOS图像传感器的列级单斜式ADC及其实现方法，针对系统高线性度，低功耗，和电源负载恒定的需求，提出ADC实现方式，可有效提升列级单斜式 ADC的线性度，具备低功耗和电源负载恒定可配置功能。

针对列级单斜式ADC，单列使用独立的ADC比较器，所有列共用斜坡发生器，随着斜坡上升逐渐接近待量化光电信号，ADC比较器翻转。由于MOS管的栅漏寄生电容存储的电荷不能突变，比较器翻转引起斜坡信号畸变，比较器翻转方向和斜坡畸变方向相同。由于所有列共用斜坡发生器产生的斜坡信号，已经畸变的斜坡信号会引起尚未翻转比较器的翻转误差，从而降低列级ADC的精度。比较器翻转斜坡误差补偿技术可有效抑制斜坡信号畸变，提升转换精度。

图4所示为比较器翻转斜坡误差补偿的示意图，图5所示为斜坡误差补偿技术时序图，随着斜坡上升比较器第一级向下翻转引起斜坡信号向下畸变，由于比较器第二级和比较器第一级翻转方向相反引起斜坡信号向上畸变，通过优化比较器翻转误差补偿电容容值，可有效抵消由于比较器翻转而引起的斜坡畸变。

为提高比较器增益和进行斜坡畸变补偿，采用两级型ADC比较器架构。在无负载均衡设计的架构中，比较器第二级在翻转前后功耗变化显著。第一级比较翻转前，比较器第二级关断无电流，相反，比较器第一级翻转后，比较器第二级有一路电流流过。对于大面阵CMOS图像传感器通常包含万列级别ADC比较器，负载电流在比较器翻转前后变化显著，会引起有限驱动能力的电压源电压幅值跳动，造成CMOS图像传感器中高精度模数转换误差。本发明负载均衡技术有效抑制电源负载显著变换，提升CMOS图像传感器整体性能。图6所示为负载均衡模式比较器翻转前示意图，在ADC比较器翻转前负载均衡器17消耗一路电流，比较器第二级16不消耗电流。图7所示为负载均衡模式比较器翻转后示意图，在ADC比较器翻转后负载均衡器17不消耗电流，比较器第二级16消耗一路电流。图8负载均衡模式时序图。采用负载均衡器，比较器翻转前后电源负载电流恒定。

为满足低功耗应用需求，本发明的列级单斜式ADC具有低功耗的可配置功能。在电源驱动能力较强，低功耗的应用环境中，本发明低功耗设计满足应用需求。图9所示为低功耗模式比较器翻转前示意图，仅比较器第一级消耗一路电流，图10所示为低功耗模式比较器翻转后示意图，比较器第一级和比较器第二级各消耗一路电流。由于在比较器翻转前低功耗模式下不消耗电流，可有效降低ADC功耗。

本发明所描述的斜坡误差补偿、负载均衡、低功耗主要针对集成于CMOS图像传感器的ADC性能优化。通过斜坡误差的补偿电容15，负载均衡器17，低功耗开关M6等关键电路实现斜坡参考线性度提升，负载均衡和低功耗模式可选功能。

斜坡误差补偿的原理为：图4和图5所示，在VRAMP_EN为高期间，斜坡参考信号使能，斜坡参考信号Vramp逐渐增大，当接近光电信号Vin时，ADC比较器第一级12的输出节点13发生翻转，由于M2管的栅漏寄生电容，输出节点13的跳变信号会耦合到斜坡参考Vramp，造成斜坡参考波形畸变。斜坡参考畸变方向和比较器翻转方向一致。ADC比较器第二级16的翻转方向和比较器第一级12翻转方向相反，引入斜坡误差的补偿电容15，将第二级的翻转耦合到斜坡参考波形中，造成斜坡参考波形畸变。通过优化斜坡误差的补偿电容15，实现两次引入的斜坡参考波形畸变大小接近，幅值相反，斜坡畸变有效消除，转换精度大幅提升。

负载均衡器的工作原理为：如图6所示，ADC比较器第一级12的输出节点13为高电平，比较器第二级16的M5管关断，其支路不消耗电流，负载均衡器17的M6管配置为导通，比较器第二级16的输出节点VCOMP为低，负载均衡器17的M7管导通，其支路消耗一路电流。如图7所示，ADC比较器第一级12的输出节点13为低电平，比较器第二级16的M5管导通，其支路消耗一路电流。负载均衡器17的M6管配置为导通，比较器第二级16的输出节点VCOMP为高，负载均衡器17的M7管关断，其支路不消耗电流。采用负载均衡技术，与ADC比较器第一级翻转状态无关，ADC比较器第二级和负载均衡器17固定消耗一路电流，实现电源负载稳定。

低功耗技术的工作原理为：负载均衡器17的M7管控制信号ADC_Lowpower为高，进入低功耗状态。在低功耗状态下，与比较器第一级12翻转状态无关，载均衡电路17支路无电流。如图9和图11所示，ADC比较器第一级12输出节点13为高，比较器第二级16的M5管关断，其支路无电流。图10和图11所示，ADC比较器第一级12输出节点13为低，比较器第二级16的M5管导通，其支路消耗一路电流。比较器第二级16仅在部分时刻消耗电流，有效降低功耗。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于CMOS图像传感器的列级ADC，其特征在于，包括比较器第一级（12）、比较器第二级（16）和补偿电容（15）；

所述比较器第一级（12）的正端输入为光电信号Vin，其负端输入为斜坡参考信号Vramp，所述比较器第一级（12）的输出端与比较器第二级（16）的输入端相连，所述比较器第二级（16）的输出端通过补偿电容（15）与比较器第一级（12）的负端相连接，所述比较器第二级（16）的输出端还提供有外部输出VCOMP；

所述比较器第一级（12）和比较器第二级（16）的翻转方向相反；

还包括负载均衡器（17），负载均衡器（17）的一个输入端与比较器第二级（16）输出端相连接，另一个输入端为ADC-Lowpower；

当负载均衡器（17）的ADC-Lowpower输入为低电平时，比较器第二级（16）其所在支路的电流和负载均衡器（17）所在支路的电流一个为0，一个不为0；

当负载均衡器（17）的ADC-Lowpower输入为高电平时，负载均衡器（17）所在支路的电流均为0。

2.根据权利要求1所述的用于CMOS图像传感器的列级ADC，其特征在于，所述比较器第一级（12）包括NMOS M1、NMOS M2、PMOS M3、PMOS M4和第二NMOS，比较器第二级（16）包括PMOS M5和第三NMOS；

PMOS M3、PMOS M4 和PMOS M5的S极均接入VDD，PMOS M3的G极、PMOS M3的D极、PMOS M4的G极均与NMOS M1的D极相连，NMOS M1的G极接光电信号Vin，PMOS M4的D极、NMOS M2的D极与PMOS M5的G极相连，NMOS M2的S极与PMOS M1的S极相连后接入第二NMOS的D极，第二NMOS的G极接有偏置电流，第二NMOS的S极接地，PMOS M2的G极接斜坡参考信号Vramp；

PMOS M5的D极同时接第三NMOS的D极、补偿电容（15）并提供外部输出VCOMP，补偿电容（15）的另一端与NPMOS M2的G极相连，第三NMOS的G极接有偏置电流，第三NMOS的S极接地。

3.根据权利要求2所述的用于CMOS图像传感器的列级ADC，其特征在于，负载均衡器（17）包括PMOS M6、第一PMOS、PMOS M7和第四NMOS；

PMOS M6的S极接入VDD，NMOS M6的G极接ADC-Lowpower，PMOS M6的D极与第一PMOS的S极相连接，第一PMOS的D极与G极相连后与PMOS M7的S极相连接，PMOS M7的G极与NMOS M5的D极相连，NMOS M7的D极与第四NMOS的D极相连，第四NMOS的G极接有偏置电流，第四NMOS的S极接地。

4.一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一项所述的列级ADC提高其转换线性度，具体操作为：

1）输入的斜坡参考信号Vramp接近光电信号Vin时，比较器第一级（12）和比较器第二级（16）均进行翻转；

2）由于比较器第一级（12）中的MOS管的栅漏寄生电容存储的电荷不能突变，比较器第一级（12）翻转引起斜坡参考信号Vramp畸变，参考信号Vramp畸变的畸变方向与比较器第一级（12）的翻转方向相同；

同时补偿电容（15）中的存储的电荷不能突变，比较器第二级（16）翻转也引起斜坡参考信号Vramp畸变，参考信号Vramp畸变的方向与比较器第二级（16）的翻转方向相同；

上述两个的畸变方向相反，从而减小斜坡参考信号Vramp畸变，提升转换精度。

5.一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一项所述的列级ADC实现其均衡负载，具体操作为：

将负载均衡器（17）的ADC-Lowpower输入低电平，若比较器第一级（12）的输出端为高电平，则比较器第二级（16）的输出为低电平，其所在支路电流为0，此时，负载均衡器（17）所在支路电流不为0；

将负载均衡器（17）的ADC-Lowpower输入低电平，若比较器第一级（12）的输出端为低电平，则比较器第二级（16）的输出为高电平，其所在支路电流不为0，此时，负载均衡器（17）所在支路电流为0。

6.一种用于CMOS图像传感器的列级ADC的实现方法，其特征在于，利用权利要求1-3任一项所述的列级ADC实现其低功耗，具体操作为：

将负载均衡器（17）的ADC-Lowpower输入低电平，负载均衡器（17）所在支路电流为0，从而降低功耗。

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