CN113381763B - 采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路及方法，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，通过保持电容C1、C2与细斜坡信号Ramp_f，产生两路互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2，设置比较器CMP1和CMP2，通过开关电容控制网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。本发明加快了量化速度，达到了更好的性能。

Description

采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路及方法

技术领域

本发明属于模拟数字转换技术领域，具体涉及采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，还涉及采用全并行高速转换的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2^M+2^N，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全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，解决了现有技术中存在的量化速度慢的问题。

本发明的另一个目的是提供采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换方法。

本发明所采用的技术方案是，采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，包括比较器CMP1和比较器CMP2，比较器CMP1和比较器CMP2的正端输入连接输入信号VIN，负端输入连接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端通过第一数字逻辑控制电路分别连接边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2的输入端，边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2的输出端连接第二数字逻辑控制电路，第一数字逻辑控制电路和第二数字逻辑控制电路分别连接计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输入端，计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输出端连接数字求和电路。

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、数字控制开关S3和S4以及保持电容C1和C2，粗斜坡控制开关S1一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S2一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S5一端连接细斜坡信号Ramp_f，另一端连接保持电容C2，细斜坡控制开关S6一端连接细斜坡信号Ramp_f，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，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，另一端连接保持电容C1的下极板。

数字控制开关S4一端连接的基准电压为Vref，数字控制开关S3一端连接的基准电压为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，采用上述单斜模数转换电路，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，通过保持电容C1、C2与细斜坡信号Ramp_f，产生两路互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2，设置比较器CMP1和CMP2，通过开关电容控制网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。

本发明的特点还在于，

互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2由粗量化结束时的电压值上升至粗量化的下一个台阶电压，互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2的电压差值为二分之一个粗量化的台阶电压值。

本发明的有益效果是，本发明通过引入两个比较器及对应的量化信号实现粗细量化的并行，同时通过在量化的最后一个时钟周期内引入精度提升机制，利用一个低频时钟周期的高频时钟信号实现速度与精度的提升。

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为本发明采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路的结构示意图；

图3为本发明采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换方法的原理示意图。

图中，1.开关电容控制网络，2.第一数字逻辑控制电路，3.第二数字逻辑控制电路。

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mΔC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2^M+2^N。

本发明采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，如图2所示，包括比较器CMP1和比较器CMP2、边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2、开关电容控制网络、数字控制逻辑电路、粗斜坡信号Ramp_c和细斜坡信号Ramp_f、配合低频时钟CLK_low的计数器COUNTER1和配合高频时钟信号CLK_high的计数器COUNTER2以及一个数字求和电路；比较器CMP1和比较器CMP2的正端输入连接输入信号VIN，负端输入连接开关电容控制网络1的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端连接第一数字逻辑控制电路2和边沿D触发器DFF1及边沿D触发器DFF2的输入端，边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2的输出端连接第二数字逻辑控制电路3，第一数字逻辑控制电路2和第二数字逻辑控制电路3分别连接计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输入端，计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输出端连接数字求和电路；

开关电容控制网络1包括粗斜坡控制开关S1和S2、细斜坡控制开关S5和S6、数字控制开关S3和S4以及保持电容C1和C2，粗斜坡控制开关S1一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S2一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S5一端连接细斜坡信号Ramp_f，另一端连接保持电容C2；细斜坡控制开关S6一端连接细斜坡信号Ramp_f，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，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，另一端连接保持电容C1的下极板。

本发明采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换方法，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，通过两个保持电容和细斜坡信号Ramp_f,产生两路数值上相差二分之一个粗斜坡信号台阶电压值的互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2，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；互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2由粗量化结束时的电压值上升至粗量化的下一个台阶电压；互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2的电压差值为二分之一个粗量化的台阶电压值；在粗量化与细量化的并行处理时损失的细量化信号，由设置权重后的互补细斜坡对损失信号进行补偿；同时设置一个由低频时钟信号控制的D触发器和一个配合高频时钟信号的计数器；在一次量化结束后，比较器和D触发器的输出信号会存在一个时间上的差值，利用配合高频时钟信号的计数器量化这个时间差，将原有的量化结果与高频时钟信号与低频时钟信号的频率倍数差相乘，并减去配合高频时钟信号的计数器量化的比较器和D触发器输出信号的时间差，得到经过精度提升后的高精度量化结果。

本发明方法将两步式单斜模数转换电路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，量化过程相互独立，并量化结束的最后一个时钟周期内利用高频时钟信号实现量化精度的提升但不增加额外的量化时间。电路的工作过程如下：

粗量化以及两个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、S2开始粗量化，在整个粗量化范围内做步进，粗斜坡信号Ramp_c以ΔV为步长在整个量化区间内寻找信号所处的区间，找到信号所处的区间后，比较器CMP1和CMP2翻转，粗量化完成，粗斜坡控制开关S1、S2关断；此时两个保持电容C1和C2的上极板存储了比较器翻转时刻斜坡的台阶电压值，由于保持电容C1、C2的下极板由数字控制开关S4和S3被分别固定在了一个基准电压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和提供补偿左右的斜坡信号的开始时刻心系；

细斜坡控制开关S5、S6打开，两路细斜坡信号被连接在了保持电容C1、C2的下极板上，根据电荷守恒定律，保持电容C1、C2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，但是可以在相应的互补细斜坡上完成对这个信号的补偿作用。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。如图3所示，可以看出并行结构下细量化区间内丢失的信号在互补斜坡对应的区间上被补偿回来，信号丢失的问题得以解决。

在比较器CMP1和比较器CMP2翻转时。两个比较器的输出端通过数字控制逻辑电路连接了配合高频时钟信号的计数器COUNTER 2，并作为该计数器的开始信号，两个比较器的输出同时连接了两个边沿D触发器，且该触发器的时钟输入端连接了用于实现低精度量化的低频时钟信号CLK_low，因此直到低频时钟信号的下降沿来临时触发器才会将翻转的比较器输出信号传输给两个计数器，同时作为两个计数器的终止信号。至此，配合低频时钟信号的计数器COUNTER 1完成了一次低精度量化，配合高频时钟信号的计数器COUNTER 2完成了自比较器翻转时刻至低精度量化结束时刻的高精度量化。如图3所示，细量化中，两次量化的差值即等效为在高频时钟信号下的高精度量化结果。

本发明提出的采用高速全并行技术的两步式单斜模数转换方法在实现Xbit精度的量化时间为：

T＝max[2^M,2^N-B]×T_{CLK_low}

式中，M为粗量化位数，N为细量化位数，B为精度提升的位数；

M与N+B被约束为：

较现有串行结构量化时间2^M+2^N在量化速度上有显著提升，达到了更好的性能。

Claims (5)

1.采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，其特征在于，包括比较器CMP1和比较器CMP2，所述比较器CMP1和比较器CMP2的正端输入连接输入信号VIN，负端输入连接开关电容控制网络的输出，所述比较器CMP1和比较器CMP2的输出端通过第一数字逻辑控制电路分别连接边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2的输入端，边沿D触发器DFF1和边沿D触发器DFF2的输出端连接第二数字逻辑控制电路，所述第一数字逻辑控制电路和第二数字逻辑控制电路分别连接计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输入端，计数器COUNTER2和计数器COUNTER1的输出端连接数字求和电路；设置一个由低频时钟信号控制的D触发器和一个配合高频时钟信号的计数器；在一次量化结束后，比较器和D触发器的输出信号会存在一个时间上的差值，利用配合高频时钟信号的计数器量化这个时间差，将原有的量化结果与高频时钟信号与低频时钟信号的频率倍数差相乘，并减去配合高频时钟信号的计数器量化的比较器和D触发器输出信号的时间差，得到经过精度提升后的高精度量化结果。

2.根据权利要求1所述的采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，其特征在于，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、数字控制开关S3和S4以及保持电容C1和C2，所述粗斜坡控制开关S1一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S2一端连接粗斜坡信号Ramp_c，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S5一端连接细斜坡信号Ramp_f，另一端连接保持电容C2，所述细斜坡控制开关S6一端连接细斜坡信号Ramp_f，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，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，另一端连接保持电容C1的下极板。

3.根据权利要求2所述的采用全并行高速转换的两步式单斜模数转换电路，其特征在于，所述数字控制开关S4一端连接的基准电压为Vref，所述数字控制开关S3一端连接的基准电压为Vref-1/2LSB。

4.采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其特征在于，采用权利要求3所述的单斜模数转换电路，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，通过保持电容C1、C2与细斜坡信号Ramp_f，产生两路互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2，设置比较器CMP1和CMP2，通过开关电容控制网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。

5.根据权利要求4所述的采用区间细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其特征在于，所述互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2由粗量化结束时的电压值上升至粗量化的下一个台阶电压，互补细量化斜坡信号Ramp_L1和Ramp_L2的电压差值为二分之一个粗量化的台阶电压值。