CN112446183A - 一种两步单斜坡模数转换器 - Google Patents

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聂凯明
查万斌
徐江涛
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    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/124—Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters
    • H03M1/1245—Details of sampling arrangements or methods
    • H03M1/126—Multi-rate systems, i.e. adaptive to different fixed sampling rates

Abstract

一种两步单斜坡模数转换器，其中
Figure 233114DEST_PATH_IMAGE001
接输入电压信号，
Figure 474713DEST_PATH_IMAGE002
接斜坡信号，
Figure 570976DEST_PATH_IMAGE003
接参考电压；
Figure 878591DEST_PATH_IMAGE004
为开关；
Figure 161936DEST_PATH_IMAGE005
为电容；COMP为电压比较器；Vin接电容C1的左极板，电容C1的右极板接比较器的反向输入端，开关S1将比较器的输出与反向输入端相连，斜坡信号Vramp通过开关SC接电容CH的左极板，斜坡信号Vramp通过开关SF接电容CH的右极板，电容CH的左极板与比较器同向输入端相连，电容CH的右极板通过开关SH与参考电平Vref相连，开关SH由寄存器及控制电路进行控制，比较器的输入连接寄存器及控制电路。通过对输入电压信号进行两次量化，缩短单斜坡ADC的比较周期，提高ADC的转换速度，进而提升CMOS图像传感器的成像帧率。

Description

一种两步单斜坡模数转换器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及CMOS图像传感器读出电路应用即一种两步单斜坡模数转换器。
背景技术
CMOS图像传感器因为其具有功耗低、面积小、价格低等优势，已经基本取代传统CCD图像传感器，成为民用和军用领域的主流产品。ADC是CMOS图像传感器读出电路的核心，ADC的性能直接影响了传感器的成像质量及速度。应用于CMOS图像传感器的ADC分为像素级、列级、芯片级三种。其中列级ADC相较于像素级ADC和芯片级ADC，在芯片面积、功耗、读出速度等方面都能达到适中的性能，因此被广泛应用于CMOS图像传感器的读出电路当中。
常用的列级ADC有单斜ADC、循环ADC、逐次逼近型ADC三种。循环ADC面积小，但是电路复杂程度高，功耗大；逐次逼近型ADC速度快，但是占用芯片面积较大。这两种结构的ADC只适用于高帧率相机；相比之下，单斜ADC结构简单、功耗低、面积小，是目前图像传感器领域应用最为广泛的ADC结构。但是传统N位单斜ADC至少需要
Figure 212727DEST_PATH_IMAGE001
个时钟周期才能完成一次比较过程，转换速度较慢。因此，对传统单斜ADC结构和工作时序进行改进，在提升单斜ADC的转换速度的同时，保留其结构简单、功耗低、面积小的优点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种两步单斜坡模数转换器，通过对输入电压信号进行两次量化，缩短单斜坡ADC的比较周期，提高ADC的转换速度，进而提升CMOS图像传感器的成像帧率。
一种两步单斜坡模数转换器，如图1所示，其中
Figure 417312DEST_PATH_IMAGE002
接输入电压信号，
Figure 963743DEST_PATH_IMAGE003
接斜坡信号，
Figure 339099DEST_PATH_IMAGE004
接参考电压；
Figure 521687DEST_PATH_IMAGE005
为开关；
Figure 643096DEST_PATH_IMAGE006
为电容；COMP为电压比较器；Vin接电容C1的左极板，电容C1的右极板接比较器的反向输入端，开关S1将比较器的输出与反向输入端相连，斜坡信号Vramp通过开关SC接电容CH的左极板，斜坡信号Vramp通过开关SF接电容CH的右极板，电容CH的左极板与比较器同向输入端相连，电容CH的右极板通过开关SH与参考电平Vref相连，开关SH由寄存器及控制电路进行控制，比较器的输入连接寄存器及控制电路。
图2为该两步单斜ADC的工作过程分为粗量化和细量化两个阶段。在粗量化阶段，开关
Figure 465073DEST_PATH_IMAGE007
断开；
Figure 108150DEST_PATH_IMAGE008
闭合，
Figure 100289DEST_PATH_IMAGE003
接一个台阶高度为
Figure 872942DEST_PATH_IMAGE009
的斜坡信号。此时电容
Figure 817633DEST_PATH_IMAGE010
两端的电压值即为
Figure 308526DEST_PATH_IMAGE003
。若输入信号
Figure 374528DEST_PATH_IMAGE002
大小为
Figure 532846DEST_PATH_IMAGE011
，则当
Figure 914017DEST_PATH_IMAGE003
上升至
Figure 423365DEST_PATH_IMAGE012
时，比较器输出发生翻转，计数器输出m，并被保存至寄存器作为粗量化结果。开关
Figure 298917DEST_PATH_IMAGE013
断开，当前的斜坡信号被储存在电容
Figure 317601DEST_PATH_IMAGE010
中，即
Figure 604094DEST_PATH_IMAGE014
然后计数器复位，开始细量化过程。开关
Figure 600738DEST_PATH_IMAGE007
闭合，
Figure 279981DEST_PATH_IMAGE008
断开。此时比较器正端电压为
Figure 961628DEST_PATH_IMAGE015
其中斜坡信号
Figure 465028DEST_PATH_IMAGE003
的范围是：–ΔC~0，变化的步长为ΔF。因此将
Figure 762017DEST_PATH_IMAGE016
会变为一个从mΔC到(m+1) ΔC的斜坡信号。当
Figure 765657DEST_PATH_IMAGE016
超过输入信号
Figure 34965DEST_PATH_IMAGE017
时，比较器输出变为高电平，计数器值n被存储到列寄存器中作为细量化结果。
将粗量化和细量化的结果合成，即可得到最终的量化结果：
Figure 663261DEST_PATH_IMAGE018
其中N为细量化的位数。
与多斜坡ADC相比，该结构仅需要一个斜坡信号，因此粗量化的位数不会受到限制，量化速度得到大大提高。将单斜ADC的量化时间从
Figure 837759DEST_PATH_IMAGE019
个时钟周期降低到
Figure 842493DEST_PATH_IMAGE020
个时钟周期（P=m+n）。
附图说明
图1是两步单斜ADC电路原理图；
图2是两步单斜ADC工作过程示意图。
具体实施方式
以下根据附图和具体实施例对本发明做详细说明。
图2为该两步单斜ADC的工作过程分为粗量化和细量化两个阶段。在粗量化阶段，开关
Figure 491606DEST_PATH_IMAGE007
断开，
Figure 759645DEST_PATH_IMAGE008
闭合，
Figure 952598DEST_PATH_IMAGE003
接一个台阶高度为
Figure 761023DEST_PATH_IMAGE009
的斜坡信号。此时电容
Figure 739343DEST_PATH_IMAGE010
两端的电压值即为
Figure 777618DEST_PATH_IMAGE003
。若输入信号
Figure 457867DEST_PATH_IMAGE017
大小为
Figure 289557DEST_PATH_IMAGE011
，则当
Figure 637231DEST_PATH_IMAGE003
上升至
Figure 591280DEST_PATH_IMAGE012
时，比较器输出发生翻转，计数器输出m，并被保存至寄存器作为粗量化结果。开关
Figure 494512DEST_PATH_IMAGE013
断开，当前的斜坡信号被储存在电容
Figure 379161DEST_PATH_IMAGE010
中，即
Figure 649517DEST_PATH_IMAGE014
然后计数器复位，开始细量化过程。开关
Figure 40047DEST_PATH_IMAGE007
闭合，
Figure 226047DEST_PATH_IMAGE008
断开。此时比较器正端电压为
Figure 586490DEST_PATH_IMAGE015
其中斜坡信号
Figure 908755DEST_PATH_IMAGE003
的范围是：–ΔC~0，变化的步长为ΔF。因此将
Figure 729907DEST_PATH_IMAGE016
会变为一个从mΔC到(m+1) ΔC的斜坡信号。当
Figure 622776DEST_PATH_IMAGE016
超过输入信号
Figure 177123DEST_PATH_IMAGE017
时，比较器输出变为高电平，计数器值n被存储到列寄存器中作为细量化结果。
将粗量化和细量化的结果合成，即可得到最终的量化结果：
Figure 545042DEST_PATH_IMAGE018
其中N为细量化的位数。
CMOS图像传感器读出电路的的工作电压范围一般为0-3.3V，ADC精度P取11位即可满足要求，其中粗量化精度取8位，细量化精度取3位。则粗量化斜坡的步长
Figure 198747DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 801416DEST_PATH_IMAGE021
，约为12.80mV；细量化斜坡的步长
Figure 34820DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 816831DEST_PATH_IMAGE023
，约为1.611 mV。

Claims (2)

1.一种两步单斜坡模数转换器，其特征在于：
Figure 600746DEST_PATH_IMAGE001
接输入电压信号，
Figure 587025DEST_PATH_IMAGE002
接斜坡信号，
Figure 562941DEST_PATH_IMAGE003
接参考电压；
Figure 970614DEST_PATH_IMAGE004
为开关；
Figure 133611DEST_PATH_IMAGE005
为电容；COMP为电压比较器；Vin接电容C1的左极板，电容C1的右极板接比较器的反向输入端，开关S1将比较器的输出与反向输入端相连，斜坡信号Vramp通过开关SC接电容CH的左极板，斜坡信号Vramp通过开关SF接电容CH的右极板，电容CH的左极板与比较器同向输入端相连，电容CH的右极板通过开关SH与参考电平Vref相连，开关SH由寄存器及控制电路进行控制，比较器的输入连接寄存器及控制电路。
2.根据权利要求1所述一种两步单斜坡模数转换器，其特征在于：工作过程分为粗量化和细量化两个阶段：
在粗量化阶段，开关
Figure 861264DEST_PATH_IMAGE006
断开，
Figure 363790DEST_PATH_IMAGE007
闭合，
Figure 213803DEST_PATH_IMAGE002
接一个台阶高度为
Figure 807638DEST_PATH_IMAGE008
的斜坡信号；此时电容
Figure 73404DEST_PATH_IMAGE009
两端的电压值即为
Figure 492752DEST_PATH_IMAGE002
；若输入信号
Figure 44825DEST_PATH_IMAGE010
大小为
Figure 651256DEST_PATH_IMAGE011
，则当
Figure 535028DEST_PATH_IMAGE002
上升至
Figure 808883DEST_PATH_IMAGE012
时，比较器输出发生翻转，计数器输出m，并被保存至寄存器作为粗量化结果；
开关
Figure 610486DEST_PATH_IMAGE013
断开，当前的斜坡信号被储存在电容
Figure 235371DEST_PATH_IMAGE009
中，即
Figure 374098DEST_PATH_IMAGE014
然后计数器复位，开始细量化过程；开关
Figure 768039DEST_PATH_IMAGE006
闭合，
Figure 215244DEST_PATH_IMAGE007
断开；此时比较器正端电压为
Figure 858584DEST_PATH_IMAGE015
其中斜坡信号
Figure 941946DEST_PATH_IMAGE002
的范围是：–ΔC~0，变化的步长为ΔF，因此将
Figure 987131DEST_PATH_IMAGE016
会变为一个从mΔC到(m+1) ΔC的斜坡信号；当
Figure 192854DEST_PATH_IMAGE016
超过输入信号
Figure 261173DEST_PATH_IMAGE001
时，比较器输出变为高电平，计数器值n被存储到列寄存器中作为细量化结果；
将粗量化和细量化的结果合成，即可得到最终的量化结果：
Figure 407946DEST_PATH_IMAGE017
其中N为细量化的位数。
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