CN113285714B - 采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路及方法，具体为：通过引入粗细量化斜坡Ramp_f和Ramp_c，设置两个基准电压VRef‑1/2LSB和Vref，设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。在粗量化与细量化并行时保证了量化的稳定和准确。由于粗细量化通过并行方法来实现，本发明的量化速度对比传统两步式单斜模数转换器有了显著的提升。
Description
技术领域
本发明属于模拟数字转换技术领域，具体涉及采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，还涉及采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法。
背景技术
由于CMOS图像传感器具有功耗低和成像速度快，获得了大量的关注。随着图像传感器的广泛发展，在部分高速摄像中，对传感器的帧率提出了较大的要求。传统的单斜式模数转换电路已经无法满足要求。在此基础上技术人员提出了两步式的单斜模数转换电路，该转换电路先进行粗量化操作，再进行细量化操作，一次量化的时间为 2M+2N，这种串行的结构存在量化速度较慢的问题。
发明内容
本发明的目的是提供采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，利用区间调制和对应增加的比较器，实现了粗细量化的并行处理。
本发明的另一个目的是提供采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，提高了量化速度。
本发明所采用的技术方案是，采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，包括比较器CMP1，比较器CMP2，开关电容控制网络，数字逻辑控制电路和两路斜坡信号；比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和CMP2的输出接数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路与计数器连接，两路斜坡信号分别为粗斜坡信号和细斜坡信号。
本发明的特点还在于，
开关电容控制网络包括粗斜坡控制开关S1和S2，细斜坡控制开关S5和S6，以及数字控制开关S3和S4；粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S1另一端连接比较器 CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器 CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容 C2；细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；数字控制开关S3一端连接基准电压VRef-1/2LSB，数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板。
保持电容C1下极板所接的基准电压为Vref，保持电容C2的下极板所接基准电压为VRef-1/2LSB。
本发明所采用的另一技术方案是，采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，具体为：设置粗斜坡信号Ramp_f，引入细斜坡信号Ramp_c，设置两个基准电压VRef-1/2LSB和Vref，设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理；细斜坡信号Ramp_c由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号 Ramp_f的一个台阶电压。
本发明的有益效果是，采用并行结构显著减少了两步式单斜模数转换方法的量化时间。将2M+2N有效缩短至max[2M，2N]，实现了更快的量化速度。
附图说明
图1为现有技术的两步式单斜模数转换电路示意图；
图2为本发明采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路的结构示意图；
图3为本发明并行结构的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
传统两步式的单斜模数转换方法，如图1所示，包括多级比较器、开关电容电路、数字控制逻辑。像素信号VPIX_SF作为多级比较器的输入之一，比较器的输出端接数字控制逻辑的输入端，数字控制逻辑的输出端接开关控制电路中开关SH的控制端，开关控制电路的输出端VC接多级比较器的输入正端。斜坡电压VR连接到开关电容控制电路的输入端。
在上述的两步式单斜模拟数字转换器中，先进行粗量化，在开关电容控制电路中，控制开关SC和SH为导通状态，VR此时为粗斜坡电压，从0开始，步进到粗斜坡电压的满摆幅电压VFS，每一次的步进值为粗斜坡电压的一个台阶值ΔC。比较器对正端输入信号VC和负端输入信号VIN进行比较，粗斜坡电压VR每步进增加ΔC，比较器便会比较一次，若经过m次步进，比较器的输出变为高电平，则表明输入信号在mΔC<VIN<(m+1)ΔC这个粗量化区间内，就找到了 VIN所在的粗量化区间，此时关断开关SH，电容CH就存储了此时的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，电容CH的上下极板电压差为(m+1)ΔC –Vref，Vref为一固定电平。粗斜坡电压VR步进到满摆幅电压VFS 之后，开关SC关断，粗量化过程结束。
然后进行细量化操作，此时在开关电容电路中，开关SF为导通状态，VR此时为细斜坡电压，接到开关电容电路中电容CH的下极板，由于电容CH存储了之前的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，则比较器的正输入端VC为VR+(m+1)ΔC，细斜坡电压VR从-ΔC步进变化到 Vref，每一次的步进值为细斜坡电压的一个台阶值ΔF。VC就从mΔ C变化到(m+1)ΔC，即对VIN所在的粗量化区间进行细量化。比较器对正端输入信号VC和负端输入信号VIN进行比较，若细斜坡电压VR经过n次步进，比较器的输出变为高电平，则表明输入信号在 mΔC+(n-1)ΔF<VIN<mΔC+nΔF这个细量化区间内。一个完整的量化周期结束。对于上述的两步式单斜模拟数字转换器，可以看出，一次量化的时间为2M+2N。
本发明采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，如图2 所示，包括比较器CMP1，比较器CMP2，开关电容控制网络，数字逻辑控制电路和两路斜坡信号；比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和CMP2的输出接数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路与计数器连接；
开关电容控制网络包括粗斜坡控制开关S1和S2，细斜坡控制开关S5和S6，以及数字控制开关S3和S4。粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S1另一端连接比较器 CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器 CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；
细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容C2；细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；数字控制开关S3一端连接基准电压VRef-1/2LSB，数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板。
保持电容C1下极板所接的基准电压为Vref，保持电容C2的下极板所接基准电压为VRef-1/2LSB，两个基准电压差值为粗斜坡的半个台阶电压。
本发明采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，两步式单斜模数转换方法的粗量化与细量化并行处理。两个量化过程的开始时刻相同，但量化过程相互独立。
具体为：设置粗斜坡信号Ramp_f，以ΔV为步长在整个量化区间内寻找信号所处的区间，找到信号所处的细量化区间后，粗量化对应的比较器翻转，粗量化完成。在粗量化进行时，细量化同时开始，通过引入细量化斜坡信号Ramp_c，设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。
细斜坡信号由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号 Ramp_f的一个台阶电压；由于保持电容C1和C2下极板所接基准电压不同。实际接入两个比较器的细斜坡的起始电压相差粗斜坡信号的半个台阶电压。在粗量化与细量化的并行处理时损失的细量化信号，由设置权重后的细斜坡对损失信号进行补偿。
本发明采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其电路的工作过程如下：
粗量化以及细量化的斜坡信号于同一时刻开始作用。打开粗斜坡控制开关S1和S2，开始粗量化。在粗量化范围内做步进，直至寻找到信号所处的区间。找到信号所处的区间后，比较器CMP1和CMP2 翻转，粗量化完成，粗斜坡控制开关S1和S2关断。此时两个保持电容的上极板存储了比较器翻转时刻斜坡的台阶电压值，由于两个保持电容的下极板由数字控制开关S4和S3分别被固定在了基准电压Vref 和VRef-1/2LSB上。所以电容上存储了比较器翻转时刻的电压信息。
细量化过程，打开细斜坡控制开关S5和S6。细斜坡信号被连接在了保持电容的下极板上。由于根据电荷守恒定律。保持电容的上极板会从之前存储的电压信息上开始上升。相当于细量化的开始，是从粗量化寻找的区间点开始的。由于并行结构原本系量化的一部分，信号在这里是丢失掉的。但是由于保持电容C1和C2下极板所接基准电压相差粗斜坡的半个台阶电压，即通过区间调制可以完成对这个信号的补偿。通过设置权重。使得在并行结构下，细量化区间内不会存在信号丢失的现象。图3给出了这种结构的具体解释。可以看出并行结构下细量化区间内丢失的信号被补偿回来。信号丢失的问题得以解决。
通过设置两个比较器的权重，当两个比较器同时翻转时，系统会默认采用正常细量化斜坡对应的比较器的时间信息。
Claims (2)
1.采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，其特征在于，包括比较器CMP1，比较器CMP2，开关电容控制网络，数字逻辑控制电路和两路斜坡信号；所述比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，所述比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，所述比较器CMP1和CMP2的输出接数字逻辑控制电路，所述数字逻辑控制电路与计数器连接，所述两路斜坡信号分别为粗斜坡信号和细斜坡信号；
所述开关电容控制网络包括粗斜坡控制开关S1和S2，细斜坡控制开关S5和S6，以及数字控制开关S3和S4；所述粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，所述粗斜坡控制开关S1另一端连接比较器CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；所述粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，所述粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；所述细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，所述细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容C2；所述细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号Ramp_c，所述细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；所述数字控制开关S3一端连接基准电压VRef-1/2LSB，所述数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；所述数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，所述数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板；
所述采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，具体为：设置粗斜坡信号Ramp_f，引入细斜坡信号Ramp_c，设置两个基准电压VRef-1/2LSB和Vref，设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理；所述细斜坡信号Ramp_c由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压。
2.根据权利要求1所述的采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，其特征在于，所述保持电容C1下极板所接的基准电压为Vref，所述保持电容C2的下极板所接基准电压为VRef-1/2LSB。
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