CN114245984B - 模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置。模拟数字转换单元包含斜坡信号发生电路、遮蔽信号发生器、MSB计数器以及至少一(m+n)位列模数转换器。其中遮蔽信号发生器用来依据MSB时钟生成遮蔽信号，其中所述遮蔽信号用来指示多个遮蔽时段，所述多个遮蔽时段出现的频率和所述MSB时钟的频率相同。(m+n)位列模数转换器包括比较器、遮蔽单元、锁存器以及LSB计数器，其中遮蔽单元用来依据所述遮蔽信号来调整所述比较器输出信号，并输出遮蔽后比较器输出信号，其中所述遮蔽后比较器输出信号的电压电平在第三时间点改变，所述第三时间点等于或晚于所述第二时间点，且所述第三时间点不落在所述多个遮蔽时段。

Description

模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置。
背景技术
随着技术的进步，CMOS图像传感器除了需具备大规模像素阵列的同时，还要求具备较高的信号处理速度，但随着像素阵列规模的增大，像素阵列中单个像素的尺寸却在不断缩小，导致单个模数转换电路设计难以实现，基于列的模数转换器便因此产生。然而，现有的用于CMOS图像传感器的列模数转换器的高耗电量是一个为人诟病的问题，但为了降低功耗，往往会增加列模数转换器的差分非线性(differential nonlinearity,DNL)误差，因此如何解决上述问题，已成为本领域亟需解决的问题之一。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种模拟数字转换单元，包括：斜坡信号发生电路，用来生成斜坡信号，所述斜坡信号至少从第一时间点开始发生变化；遮蔽信号发生器，用来依据MSB时钟生成遮蔽信号，其中所述遮蔽信号用来指示多个遮蔽时段，所述多个遮蔽时段出现的频率和所述MSB时钟的频率相同；MSB计数器，用来依据所述MSB时钟进行计数操作，并输出MSB计数结果；以及至少一(m+n)位列模数转换器，其中m和n为正整数，各(m+n)位列模数转换器包括：比较器，用来比较像素输出信号以及所述斜坡信号，并输出比较器输出信号，其中所述像素输出信号以及所述斜坡信号的大小关系在第二时间点改变，使所述比较器输出信号的电压电平在所述第二时间点改变；遮蔽单元，用来依据所述遮蔽信号来调整所述比较器输出信号，并输出遮蔽后比较器输出信号，其中所述遮蔽后比较器输出信号的电压电平在第三时间点改变，所述第三时间点等于或晚于所述第二时间点，且所述第三时间点不落在所述多个遮蔽时段；锁存器，用来依据所述遮蔽后比较器输出信号采样所述MSB计数结果在所述第三时间点的值，以得到MSB转换结果；以及LSB计数器，其中所述MSB时钟中，对应所述第三时间点的时钟周期的结束时间点为第四时间点，所述LSB计数器用来依据所述LSB时钟在所述第三时间点到所述第四时间点之间进行计数操作，以得到LSB转换结果；其中所述MSB计数器为m位计数器，所述LSB计数器为n位计数器，所述m、n为正整数，所述LSB时钟的频率为所述MSB时钟的频率的2n倍。
本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括：像素阵列，包括至少一像素列；上述的模拟数字转换单元，耦接所述像素阵列；行解码器，用来控制所述至少一像素列输出所述像素输出信号。
本申请的一实施例公开了一种电子装置，包括：上述的图像传感器。
相较于现有技术，本申请的模拟数字转换单元及相关图像传感器及电子装置在功耗、面积以及DNL误差之间能够实现更好的平衡。
附图说明
图1为本申请的图像传感器的实施例的示意图。
图2为本申请的图像传感器的模拟数字转换单元在第一种情况下的操作时序图。
图3为本申请的图像传感器的模拟数字转换单元在第二种情况下的操作时序图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
图1为本申请的图像传感器的实施例的示意图。图像传感器100包括像素阵列102、行解码器104以及模拟数字转换单元106。像素阵列102包括多列像素列以及多行像素行，模拟数字转换单元106包括多列(m+n)位列模数转换器(即列模数转换器输出的模拟数字转换结果为(m+n)位数字信号)，对应地耦接到多列像素列，其中其中m和n为正整数。应注意的是，图1中绘示了多列像素列以及多列列模数转换器仅为示意用途，本申请不以此为限，实际上图像传感器100也可以仅包含一列像素列以及一列模数转换器。
行解码器104用来控制像素阵列102中的各像素列输出像素输出信号。以像素阵列102的最左边的像素列以及模数转换电路106中的列模数转换器130为例，输出的像素输出信号PXO以及斜坡信号发生电路108产生的斜坡信号Vramp会通过比较器114进行比较，并输出比较器输出信号Scmp。后续的电路主要用来计算斜坡信号Vramp经历了多长的时间后与像素输出信号PXO达到相同的大小，藉此来估计出像素输出信号PXO的大小。
本申请中，将列模数转换器130输出的(m+n)位模拟数字转换结果分为两部分，即第0位至第(n-1)位以本地计数器实现，第n位至第(m-1)位以全域计数器实现。换句话说，(m+n)位模拟数字转换结果中的m位MSB的产生需要依赖各列模数转换器所共用的m位MSB计数器112来提供计数；(m+n)位模拟数字转换结果中的n位LSB的产生需要依赖各列模数转换器各自拥有的n位LSB计数器120来提供计数。这样做的好处在于，将(m+n)位模拟数字转换结果中的一部分以全域计数器实现，可以降低功耗并节省面积。由于在模拟数字转换结果中的n位LSB的产生过程的误差很容易对模拟数字转换结果贡献DNL，因此，在本地计数器架构相较全域计数器架构一般来说贡献较低的DNL的前提下，本申请选择保留其中n位LSB来以本地计数器实现，以尽可能地抑制模拟数字转换单元106的DNL特性。其中MSB计数器112用来依据MSB时钟CKMSB进行计数操作，LSB计数器用来依据LSB时钟CKLSB进行计数操作。且LSB时钟CKLSB的频率为MSB时钟CKMSB的频率的2n倍。
然而，各列模数转换器难免有些微差异，不可能百分之百匹配，特别是在MSB计数器112输出的MSB计数结果CMSB在切换的当下，比较器输出信号Scmp的电压电平刚好改变的情况下，可能会使锁存器118的采样发生一个比特的误差。这里的一个比特是m位MSB的最低位，即(m+n)位模拟数字转换结果中的第n位，也就是误差大小实为列模数转换器130的2n个码的误差，而非单单一个码的误差。这样的误差结果是不可能接受的，因此本申请还提出了以遮蔽单元116来将可能发生误差的时间点遮蔽起来(下称遮蔽时段)。以下针对比较器输出信号Scmp落入遮蔽时段(第一种情况)以及比较器输出信号Scmp不落入遮蔽时段(第二种情况)的两种情况分别做说明。
图2为本申请的图像传感器的模拟数字转换单元在第一种情况下的操作时序图。斜坡信号Vramp在第一时间点T1开始由上往下变化，MSB计数器也在第一时间点T1开始，依据MSB时钟CKMSB进行计数操作，并输出MSB计数结果。由图2可以看出，此时LSB计数器尚未启动。
遮蔽信号发生器110用来依据MSB时钟CKMSB生成遮蔽信号Sm，如图2所示，其中遮蔽信号Sm用来指示多个遮蔽时段TM，多个遮蔽时段TM出现的频率和MSB时钟CKMSB的频率相同。在本实施例中，各遮蔽时段TM的时间长度相同，且由于MSB时钟CKMSB的各上升沿时会触发中MSB计数器112输出的MSB计数结果CMSB切换到下一数值，因此各遮蔽时段TM对应地重叠MSB时钟CKMSB的各上升沿。在本实施例中，各遮蔽时段TM的中心对齐MSB时钟CKMSB的各上升沿。遮蔽信号发生器110的实现方式在本申请不多做限制，只要能够依据MSB时钟CKMSB产生符合上述的原则的遮蔽信号Sm即可。
在第二时间点T2开始，斜坡信号Vramp和像素输出信号PXO之间的大小关系由斜坡信号Vramp大于像素输出信号PXO改变为斜坡信号Vramp小于像素输出信号PXO。因此比较器输出信号Scmp在第二时间点T2由高电压电平转变为低电压电平。由于第二时间点T2落在遮蔽时段TM的范围之内，换句话说，第二时间点T2邻近MSB时钟CKMSB的上升沿，若锁存器118以及LSB计数器120直接采用比较器输出信号Scmp来进行操作上的判断依据，则锁存器118很有可能因为各种的误差导致最终对MSB计数器112的采样结果存在高度的不确定性，例如对MSB计数结果的m位数字皆可能采样在相邻的两个MSB时钟周期的任一个；LSB计数器120也有可能在相邻的两个LSB时钟周期的任一个开始计数，再加上各列模数转换器的行为可能也不一致，因此会造成无法预期的误差。
所以，本申请的遮蔽单元116可以依据遮蔽信号Sm来调整比较器输出信号Scmp，并输出遮蔽后比较器输出信号Smc，使遮蔽后比较器输出信号Smc的电压电平的改变时间延后到第三时间点T3。具体来说，当比较器输出信号Scmp发生变化的时间点落在遮蔽时段TM之内，遮蔽单元116便等待遮蔽时段TM结束后，才切换遮蔽后比较器输出信号Smc的值。如图2所示，遮蔽单元116将遮蔽后比较器输出信号Smc由高电压电平切换至低电压电平的动作延后到遮蔽时段TM结束时才发生，以避免锁存器118以及LSB计数器120在遮蔽时段TM内可能发生的误动作。遮蔽单元116的实现方式在本申请不多做限制，只要能够依据遮蔽信号Sm以及比较器输出信号Scmp产生符合上述的原则的遮蔽后比较器输出信号Smc即可。因此，在图2的情况下，为了使第三时间点T3不落在遮蔽时段TM之内，第三时间点T3会晚于第二时间点T2。
锁存器118在遮蔽后比较器输出信号Smc为高电压电平时被使能，在遮蔽后比较器输出信号Smc为低电压电平时被禁能。锁存器118在被使能时，会持续地对MSB计数结果CMSB进行采样，因此最终锁存器118的采样结果停留在MSB计数结果CMSB在第三时间点T3的值，并得到MSB转换结果SMSB。其中MSB时钟CKMSB中，对应第三时间点T3的时钟周期的结束时间点为第四时间点T4。LSB计数器120依据LSB时钟CKLSB在第三时间点T3到第四时间点T4之间进行计数操作，以得到LSB转换结果SLSB。
由于MSB转换结果SMSB得到的数值实质上是第一时间点T1到第四时间点T4的计数结果，因此使用分辨率更高的LSB计数器120来得到第三时间点T3到第四时间点T4之间的LSB转换结果SLSB，再将LSB转换结果SLSB从MSB转换结果SMSB中扣除。所以最后图像传感器100将MSB转换结果SMSB乘上2n后，扣除LSB转换结果SLSB以生成像素输出信号PXO的模拟数字转换结果。图2的情况下，可以得到像素输出信号PXO的模拟数字转换结果为2*2n-3，例如m为2以及n为3，则像素输出信号PXO的模拟数字转换结果为13。应注意的是，对MSB转换结果SMSB以及LSB转换结果SLSB进行运算来得到像素输出信号PXO的模拟数字转换结果的操作，也可以在图像传感器100之外得电路，或是以软件或固件的方式来实现。
应注意的是，在本实施例中，由于MSB计数器112作为全局计数器使用，因此被设置为m位格雷码计数器，使每个周期切换的比特数目不超过1个。LSB计数器120作为本地计数器使用，因此被设置为n位二进制计数器。所以，需要先对MSB转换结果SMSB进行格雷码至二进制码转换的操作后，再乘上2n并扣除LSB转换结果SLSB，以生成像素输出信号PXO的模拟数字转换结果。
此外，图2及图3的操作时序图也可能通过调整得到不同的态样，但应仍属本申请的范围。例如斜坡信号Vramp可以是由下往上变化，使得当斜坡信号Vramp由小于像素输出信号PXO改变为大于于所述像素输出信号时，比较器输出信号Scmp由高电压电平落至低电压电平。或是MSB计数器112可以是由MSB时钟CKMSB的下降沿触发，及/或LSB计数器120可以是由LSB时钟CKLSB的下降沿触发。相似的变化不一一赘述。
图3为本申请的图像传感器的模拟数字转换单元在第二种情况下的操作时序图。和图2的差异在于，斜坡信号Vramp和像素输出信号PXO之间的大小关系发生改变的第二时间点T2落在遮蔽时段TM的范围之外，换句话说，不接近MSB时钟CKMSB的上升沿，即使锁存器118以及LSB计数器120直接采用比较器输出信号Scmp来进行操作上的判断依据，仍有足够的安全裕度，不会造成无法预期的误差。
所以，本申请的遮蔽单元116将比较器输出信号Scmp直接输出为遮蔽后比较器输出信号Smc，使遮蔽后比较器输出信号Smc的电压电平改变时的第三时间点T3重叠第二时间点T2，如图3所示。
最后，将MSB转换结果SMSB乘上2n后，扣除LSB转换结果SLSB以生成像素输出信号PXO的模拟数字转换结果。图3的情况下，可以得到像素输出信号PXO的模拟数字转换结果为2*2n-2，例如m为2以及n为3，则像素输出信号PXO的模拟数字转换结果为14。
上述的遮蔽时段TM的时间长度相较于整个MSB时钟CKMSB的周期以及LSB时钟CKLSB周期来说，仅占很小的一部分，因此对DNL影响相当有限，但却可以避免发生大误差的风险，使本申请得以用全域计数器112来计算(m+n)位模拟数字转换结果中的m位MSB，并搭配采用本地计数器120来计算(m+n)位模拟数字转换结果中的n位LSB，以降低模拟数字转换单元106的功耗并节省面积，以及较低的DNL特性。
本申请还提出一种包含图像传感器100的电子装置。具体的，所述电子装置包括但不限于移动通信设备、超移动个人计算机设备、便携式娱乐设备和其他具有数据交互功能的电子设备。移动通信设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。超移动个人计算机设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。便携式娱乐设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims (13)

1.一种模拟数字转换单元，其特征在于，包括：
斜坡信号发生电路，用来生成斜坡信号，所述斜坡信号至少从第一时间点开始发生变化；
遮蔽信号发生器，用来依据MSB时钟生成遮蔽信号，其中所述遮蔽信号用来指示多个遮蔽时段，所述多个遮蔽时段出现的频率和所述MSB时钟的频率相同；
MSB计数器，用来依据所述MSB时钟进行计数操作，并输出MSB计数结果；以及
至少一(m+n)位列模数转换器，其中m和n为正整数，各(m+n)位列模数转换器包括：
比较器，用来比较像素输出信号以及所述斜坡信号，并输出比较器输出信号，其中所述像素输出信号以及所述斜坡信号的大小关系在第二时间点改变，使所述比较器输出信号的电压电平在所述第二时间点改变；
遮蔽单元，用来依据所述遮蔽信号来调整所述比较器输出信号，并输出遮蔽后比较器输出信号，其中所述遮蔽后比较器输出信号的电压电平在第三时间点改变，所述第三时间点等于或晚于所述第二时间点，且所述第三时间点不落在所述多个遮蔽时段；
锁存器，用来依据所述遮蔽后比较器输出信号采样所述MSB计数结果在所述第三时间点的值，以得到MSB转换结果；以及
LSB计数器，其中所述MSB时钟中，对应所述第三时间点的时钟周期的结束时间点为第四时间点，所述LSB计数器用来依据LSB时钟在所述第三时间点到所述第四时间点之间进行计数操作，以得到LSB转换结果；
其中所述MSB计数器为m位计数器，所述LSB计数器为n位计数器，所述m、n为正整数，所述LSB时钟的频率为所述MSB时钟的频率的2n倍。
2.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，当所述第二时间点落在所述多个遮蔽时段的其中之一时，所述第三时间点为所述多个遮蔽时段的所述其中之一遮蔽时段结束的时间点。
3.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，当所述第二时间点不落在所述多个遮蔽时段的其中之一时，所述第三时间点与所述第二时间点重叠。
4.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，各所述遮蔽时段的时间长度相同，且所述MSB时钟的各上升沿触发所述MSB计数器输出的所述MSB计数结果切换到下一数值，且各所述遮蔽时段的中心对应所述MSB时钟的各上升沿。
5.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述MSB计数器依据所述MSB时钟从所述第一时间点开始进行计数操作，并输出MSB计数结果。
6.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述锁存器在被使能时，持续地对所述MSB计数结果进行采样，且所述遮蔽后比较器输出信号用来在所述第三时间点之前使能所述锁存器，以及在所述第三时间点开始停止使能所述锁存器。
7.如权利要求1所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述模拟数字转换单元依据所述MSB转换结果及所述LSB转换结果生成所述像素输出信号的模拟数字转换结果。
8.如权利要求7所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述模拟数字转换单元将所述MSB转换结果乘上2n后，扣除所述LSB转换结果以生成所述像素输出信号的模拟数字转换结果。
9.如权利要求8所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述MSB计数器为m位格雷码计数器。
10.如权利要求9所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述LSB计数器为n位二进制计数器。
11.如权利要求10所述的模拟数字转换单元，其特征在于，所述模拟数字转换单元将所述MSB转换结果由格雷码转换为二进制码后，再乘上2n后，扣除所述LSB转换结果以生成所述像素输出信号的模拟数字转换结果。
12.一种图像传感器，其特征在于，包括：
像素阵列，包括至少一像素列；
如权利要求1至11中任一项所述的模拟数字转换单元，耦接所述像素阵列；
行解码器，用来控制所述至少一像素列输出所述像素输出信号。
13.一种电子装置，其特征在于，包括：
如权利要求12所述的图像传感器。
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