CN116318161A - 用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路，包括粗斜坡发生器、细斜坡发生器、混合型比较器、开关采样模块、译码器、计数器；粗斜坡发生器、细斜坡发生器分别与开关采样模块连接；混合型比较器的同相输入端与反相输入端分别与开关采样模块的输出端V+和V‑相连接；混合型比较器输出端与计数器相连接；计数器输出端分别与开关采样模块、译码器、外接电路相连，译码器与开关采样模块相连接。采用本发明所述的多步式单斜模数转换电路与控制方法能够大幅度降低转换步数，显著提高转换速率，并且，保证比较器的共模电压稳定。此外，所设计的混合型比较器电路能够降低模数转换器功耗；采用的斜坡校准技术能够提高模数转换器的线性度。

Description

用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路及控制方法

技术领域

本发明涉及模数转换器电路领域，尤其涉及一种用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路及控制方法。

背景技术

在图像传感器中，模数转换器(ADC)被广泛用于实现模拟信号到数字信号的转换。图像传感器中的ADC可以被设计成像素级、列级或芯片级。单斜(SS)ADC是一种广泛采用的列级ADC，其电路面积小、列间一致性高。然而，对于K bit精度的SS ADC，传统的单步式架构需要2^K步转换，转换步骤过多导致转换速度低。

针对转换步数过多的问题，研究者们提出了多种结构，主要是两步式(TS)SS ADC。基于多斜坡(MR)TS SS ADC将转化过程分为粗细两步转换，但对于M位的粗ADC，则需要2^M个粗斜坡发生器，增加了大量的面积与功耗，同时不同斜坡信号之间的一致性难以保证，导致ADC线性度变差。较为主流的TS SS ADC采用带保持电容的结构，将K bit的量化分为M bit粗斜坡转换和N bit细斜坡转换(K＝M+N)。这种方案将转换步数从2^K步减少到2^M+2^N步。在这种架构中，在每个粗斜坡转换的边缘都会存在非线性，因此需要设计校准算法使得粗斜坡的台阶电压和细斜坡的总电压保持一致，保障ADC线性度。此外，ADC的转换步数可以在TSSS ADC的基础上进一步降低，来匹配更高帧率图像传感器对ADC转换速率的要求。同时，比较器是ADC的核心模块，现有SS ADC大多数采用多级静态预放大的比较器结构，这种方式比较器的失调可以很好的控制，对ADC输入范围的影响会更小，但这种结构比较器的缺点是功耗很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有的单斜模数转换器转换步数过多的问题，提供一种新型用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路，包括：粗斜坡发生器、细斜坡发生器、混合型比较器、开关采样模块、译码器、计数器；

所述粗斜坡发生器、细斜坡发生器分别与所述开关采样模块连接；所述混合型比较器的同相输入端与反相输入端分别与开关采样模块的输出端V+和V-相连接；所述混合型比较器输出端与所述计数器相连接；所述计数器输出端分别与开关采样模块、译码器、外接电路相连，译码器与开关采样模块相连接；

其中，所述多步式单斜模数转换电路包括半区间判断、粗量化过程、细量化过程三个流程：

半区间判断包括：输入电压由所述开关采样模块传输至所述混合型比较器反相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第一数据后存储，并将第一数据传输至开关采样模块；

粗量化过程包括：所述粗斜坡发生器产生的参考粗斜坡电压通过所述开关采样模块处理后，传输至所述混合型比较器同相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第二数据后存储，并将第二数据传输至译码器译码，所述译码器将译码后数据传输至所述开关采样模块，确定所述粗斜坡发生器产生的粗斜坡台阶电压；

细量化过程包括：所述粗斜坡台阶电压和所述细斜坡发生器产生参考细斜坡电压的通过所述开关采样模块处理后，分别传输至所述混合型比较器同相输入端与反相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第三数据后存储，并最后将所述第一数据、第二数据、第三数据合并为最终数据。

优选的，所述开关采样模块包括：S_ready、S_rst、S_CR、S_half、S_FR、S_{half_r}、S_CR+rst七种开关，第一电容，第二电容和选择器；所述第一电容、第二电容右极板分别与所述开关采样模块的输出端V+和V-相连接；所述S_ready开关用于控制所述粗斜坡台阶电压传输至所述第一电容下极板；所述S_rst开关用于控制所述输入电压传输至所述第一电容左极板；所述S_CR开关用于控制参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板和细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；所述S_half开关用于控制第一参考电压与所述输入电压分别传输至开关采样模块的输出端V+和V-；所述S_FR用于控制参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板；所述S_{half_r}开关用于控制第一参考电压、第二参考电压传输至所述第一电容右极板；所述S_CR+rst开关用于控制第一参考电压传输至第二电容右极板。

优选的，所述混合型比较器包括依次排列的静态预放大电路、输出失调存储电路、动态预放大电路和锁存器；所述静态预放大电路、动态预放大电路用于通过输出电压的高低反应输入两端电压的大小；所述输出失调存储电路用于存储静态预放大电路的失调电压；所述锁存器用于锁存混合型比较器的输出结果。

优选的，所述输出失调存储电路包括第三电容、第四电容和S_OS开关；所述第三电容、第四电容左极板与所述静态预放大电路输出端相连，所述第三电容、第四电容右极板与所述动态预放大电路输入端相连；所述S_OS开关用于控制第一参考电压传输至所述第三电容、第四电容右极板。

优选的，所述粗斜坡发生器包括第一开关(S_CRP)、第二开关(S_CRN)、第三开关(S_CR[I])；所述粗斜坡发生器通过电阻串对第一参考电压、第二参考电压进行分压得到所述粗斜坡台阶电压；所述S_CRP开关、S_CRN开关、S_CR[I]开关依次控制所述第一参考电压、第二参考电压、粗斜坡台阶电压传输至所述开关采样模块形成参考粗斜坡电压；其中分压得到粗斜坡台阶电压个数为2^N-1个，N为电阻型粗斜坡发生器的bit位数。

优选的，所述计数器包括半区间计数器，粗量化计数器和细量化计数器；所述半区间计数器与所述开关采样模块相连，用于存储并传输第一数据；所述粗量化计数器于所述译码器相连，用于存储并传输所述第二数据；所述细量化计数器用于存储第三数据。

优选的，所述单斜模数转换电路还包括斜坡校准电路，所述斜坡校准电路用于实现粗斜坡台阶电压和细斜坡输出电压范围的校准；所述斜坡校准电路包括细斜坡发生器偏置电路、校准比较器和校准逻辑电路；所述校准比较器与所述粗斜坡发生器、细斜坡发生器相连接；所述校准逻辑电路与所述校准比较器输出端相连接；所述细斜坡发生器偏置电路由所述校准逻辑电路控制；所述细斜坡发生器偏置电路控制所述细斜坡发生器输出电压范围。

优选的，所述细斜坡发生器偏置电路包括校准电流源阵列和偏置电流源；所述校准电流源阵列用于控制所述偏置电流源输出电流，所述偏置电流源与所述细斜坡发生器相连，进而控制所述细斜坡发生器输出电压范围。

对此，本发明还提供了一种多步式单斜模数转换电路控制方法，应用于上述单斜模数转换电路；所述方法包括：

S1：半区间判断：将S_half开关闭合，混合型比较器的同相输入端和反相输入端分别接收第一参考电压和输入电压，实现二者的比较，计数器存储第一数据，并根据第一数据选择第一参考电压或第二参考电压，完成后S_half开关断开；

S2：复位：将S_rst开关、S_CR+rst开关、S_{half_r}开关闭合，输入电压传输至第一电容左极板，第一参考电压传输至第二电容右极板；第一参考电压或第二参考电压传输至第一电容右极板，完成后S_rst开关、S_{half_r}开关断开；

S3：粗量化阶段：细斜坡发生器不工作，将S_CR开关闭合，参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板，细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；当开关采样模块输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，混合型比较器锁存当前的计数值，计数器存储第二数据；完成后S_CR开关、S_CR+rst开关断开；

S4：台阶电压选择阶段：第二数据通过译码器译码后传输至选择器中，选择需要的粗斜坡台阶电压，将S_ready开关闭合，粗斜坡台阶电压传输至第一电容左极板；

S5：细量化阶段：粗斜坡发生器不工作，将S_FR开关闭合，参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板，当输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，计数器存储第三数据，完成后S_ready开关、S_FR开关断开。

优选的，所述S1阶段之前还有失调存储阶段，将S_OS开关闭合，输出失调存储电路中的两个电容上极板将被传输第一参考电压，第三电容、第四电容左极板将采集、存储静态预放大电路的失调电压，完成后S_OS开关断开。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

(1)发明所提供的多步式单斜模数转换电路，通过使用粗斜坡发生器、细斜坡发生器、混合型比较器、开关采样模块、译码器、计数器的协调配合；将模数转换分为半区间判断、粗量化过程、细量化过程三个流程，进行三步转换，减少SS ADC的转换步数；将转换步数从传统SS ADC的2^M+N，和两步式ADC的2^M+2^N，进一步减少至2+2^M-1+2^N，显著提高转换速率。

(2)本发明所提供的多步式单斜模数转换电路，通过合理的结构-时序设计，能够保证比较器输入端共模电平稳定，仅在一个粗斜坡台阶电压范围内变化，保证了比较器失调电压稳定，提高了模数转换器的线性度。

(3)本发明所提供的多步式单斜模数转换电路，通过斜坡校准电路校准粗斜坡发生器和细斜坡发生器的误差，使细斜坡发生器的总电压等于粗斜坡台阶电压，保证粗斜坡台阶边缘位置的线性度。

(4)本发明所提供的多步式单斜模数转换电路，通过设计混合型比较器电路，能够在保证模数转换器性能的前提下，显著降低比较器模块的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的多步式单斜模数转换电路结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的斜坡校准电路结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的多步式单斜模数转换电路控制方法；

图4是本发明第二实施例提供的多步式单斜模数转换电路时序图结构示意图；

图5是本发明第二实施例提供的核心信号仿真波形图；

图6是本发明第二实施例提供的粗细斜坡未校准时细斜坡范围蒙特卡洛仿真结果图；

图7是本发明第二实施例提供的粗细斜坡校准后细斜坡范围蒙特卡洛仿真结果图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，本发明及附图中的术语“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。

实施例一

请参见图1，本发明第一实施例提供了一种多步式单斜模数转换电路。所述单斜模数转换电路包括粗斜坡发生器10(R-DAC)、细斜坡发生器20(I-DAC)、斜坡校准电路60、开关采样模块30、混合型比较器40、计数器50和译码器70。所述粗斜坡发生器10用于产生粗量化阶段所需的参考粗斜坡电压(V_CR[i])和对应的粗斜坡台阶电压(V_CR[I])。所述细斜坡发生器20用于产生细量化阶段所需的参考细斜坡电压(V_{FR_b}+V_FR[i])和细斜坡初始电压(V_{FR_b})。所述开关采样模块30用于将电压信号选择性传输至混合型比较器的输入端进行比较。所述混合型比较器40，通过输出电压的高低反应输入两端电压的大小。所述计数器50用于将所述混合型比较器40输出电压处理后存储并反馈至所述开关采样模块30与译码器70。所述斜坡校准电路60用于实现粗斜坡台阶电压和细斜坡输出电压范围的校准。所述译码器70用于接收所述计数器50传输的数据，并译码传输至所述开关采样模块30确定需要的粗斜坡台阶电压。

所述粗斜坡发生器10、细斜坡发生器20分别与所述开关采样模块30连接；所述混合型比较器40的同相输入端与反相输入端分别与开关采样模块30的输出端V+和V-相连接；所述混合型比较器40输出端与所述计数器50相连接；所述计数器50输出端分别与所述开关采样模块30、译码器70、外接电路相连；所述译码器70输出端与所述开关采样模块30相连；所述斜坡校准电路60与所述粗斜坡发生器10、细斜坡发生器20相连。

其中，所述多步式单斜模数转换电路包括半区间判断、粗量化过程、细量化过程三个流程：半区间判断包括：输入电压(V_in)由所述开关采样模块30传输至所述混合型比较器40反向输入端进行比较，所述混合型比较器40将输出结果至所述计数器50，所述计数器50将处理为第一数据后存储，并将第一数据传输至开关采样模块30；

粗量化过程包括：所述粗斜坡发生器10产生的参考粗斜坡电压通过所述开关采样模块处理后，分别传输至所述混合型比较器40同相输入端进行比较，所述混合型比较器40将输出结果至所述计数器50，所述计数器50将处理为第二数据后存储，并将第二数据传输至译码器70译码，所述译码器70将译码后数据传输至所述开关采样模块30，确定所述粗斜坡发生器10产生的粗斜坡台阶电压；

细量化过程包括：所述粗斜坡台阶电压和所述细斜坡发生器20产生参考细斜坡电压的通过所述开关采样模块30处理后，分别传输至所述混合型比较器40同相输入端与反相输入端进行比较，所述混合型比较器40将输出结果至所述计数器50，所述计数器50将处理为第三数据后存储，并最后将所述第一数据、第二数据、第三数据合并为最终数据(D_out)传输至外接电路。

所述粗斜坡发生器10为4bit电阻型DAC，顶部电压为第一参考电压即共模电压(V_CM)，底部电压为第二参考电压(V_REFN)，输出范围为ADC满量程电压的1/2。所述电阻型粗斜坡发生器10通过电阻串对第一参考电压、第二参考电压进行分压得到粗斜坡台阶电压，其中分压得到粗斜坡台阶电压个数为2^N-1个，N为电阻型粗斜坡发生器的bit位数。所述电阻型粗斜坡发生器10包括第一开关(S_CRP)、第二开关(S_CRN)、第三开关(S_CR[I])；所述S_CRP开关、S_CRN开关、S_CR[I]开关依次控制所述第一参考电压、第二参考电压、粗斜坡台阶电压传输至所述开关采样模块形成参考粗斜坡电压。所述粗斜坡台阶电压还需要直接传输至所述开关采样模块30，通过译码器70传输的数据，选择细量化阶段需要的粗斜坡台阶电压。

所述细斜坡发生器20为1bit冗余位的8bit电流舵型的DAC，可以是二进制码电流舵型DAC，温度计码电流舵型DAC，分段式电流舵型DAC等。

所述开关采样模块30包括选择器301、第一电容(C_p)、第二电容(C_n)和S_ready、S_rst、S_CR、S_half、S_FR、S_{half_r}、S_CR+rst七种开关。所述选择器301用于选择细量化阶段需要的粗斜坡台阶电压，与译码器70相连接。所述S_ready开关用于控制所述粗斜坡台阶电压传输至所述第一电容下极板；所述S_rst开关用于控制输入电压传输至所述第一电容左极板；所述S_CR开关用于控制参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板和细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；所述S_half开关用于控制第一参考电压与所述输入电压分别传输至开关采样模块的输出端V+和V-；所述S_FR开关用于控制参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板；所述S_{half_r}开关用于控制第一参考电压、第二参考电压传输至所述第一电容右极板；所述S_CR+rst开关用于控制第一参考电压传输至第二电容右极板；所述第一电容、第二电容右极板分别与所述开关采样模块的输出端V+和V-相连接。

所述混合型比较器40包括静态预放大电路401、输出失调存储电路402、动态预放大电路403和锁存器404。所述静态预放大电路401可以是单级静态预放大电路、套筒式静态预放大电路、两级静态预放大电路等。所述动态预放大电路403为无静态功耗的放大电路。所述静态预放大电路401和动态预放大电路403通过输出电压的高低反应输入两端电压的大小。所述输出失调存储电路402第三电容(C_OS)、第四电容(C_OS)和S_OS开关；所述第三电容、第四电容下极板与静态预放大电路输出端相连，所述S_OS开关用于控制第一参考电压传输至所述第三电容、第四电容上极板。所述锁存器404用于锁存混合型比较器40输出结果。

所述计数器50为1+4+8bit大小，依次包括半区间计数器501，粗量化计数器502和细量化计数器503；所述半区间计数器501在S_half闭合时启动；所述粗量化计数器502在所述电阻型粗斜坡发生器10启动时启动；所述细量化计数器在所述电流舵型细斜坡发生器20启动时启动。所述半区间计数器501用于存储第一数据并传输第一数据至所述S_{half r}开关处，控制S_{half r}开关选择第一参考电压或第二参考电压传输至所述第一电容右极板。所述粗量化计数器502用于存储第二数据并传输第二数据至所述译码器70译码，所述译码器70将译码结果传输至所述选择器301，选择出需要的粗斜坡台阶电压。所述细量化计数器503用于存储第三数据。所述计数器50合并第一数据、第二数据、第三数据，并输出为最终数据。

参见图2，所述斜坡校准电路60包括细斜坡发生器偏置电路601、校准比较器603和校准逻辑电路602。所述细斜坡发生器偏置电路601包括校准电流源阵列6011和偏置电流源6012。所述校准比较器603与所述粗斜坡发生器10、细斜坡发生器20相连接；所述校准逻辑电路602与所述校准比较器603输出端相连接；所述细斜坡发生器偏置电路601由所述校准逻辑电路602控制；所述细斜坡发生器偏置电路601控制所述电流舵型细斜坡发生器输出电压范围。所述校准比较器603接收粗斜坡发生器10的第一参考电压和细斜坡发生器20的R_cal电阻顶部电压，输出比较结果至所述校准逻辑电路602中。所述校准逻辑电路602控制所述校准电流源阵列6011中偏置校准电流I_ADJ的大小，所述偏置校准电流I_ADJ改变偏置电流源6012电流；所述偏置电流源6012与所述细斜坡发生器20相连接，从而改变细斜坡发生器20中总输出电流；实现R_cal顶部电压逐次逼近第一参考电压，实现粗斜坡发生器10台阶电压和细斜坡发生器20输出电压范围的校准。其中所述细斜坡发生器偏置电路601输出端V_B1与V_B2分别提供电流源阵列中共源共栅电流源的共源管及共栅管的栅极电压。所述校准电流源阵列6011由电流源管M_cal7～M_cal0组成，并由8bit开关控制电流源管的关断(0)与导通(1)。在校准开始前，校准电流阵列控制字Con_7:0状态为1000 0000，若比较器输出结果为高，则增加偏置校准电流I_ADJ，若比较器输出结果为低，则减小偏置校准电流I_ADJ。

实施例二

参见图3，本发明还提供了一种全差分多步式单斜模数转换电路控制方法，应用于上述多步式单斜模数转换电路。所述控制方法包括：

S1：半区间判断：将S_half开关闭合，混合型比较器的同相输入端和反相输入端分别接收第一参考电压和输入电压，实现二者的比较，计数器存储第一数据，并根据第一数据选择第一参考电压或第二参考电压，完成后S_half开关断开；

S2：复位：将S_rst开关、S_CR+rst开关、S_{half r}开关闭合，输入电压传输至第一电容左极板，第一参考电压传输至第二电容右极板；第一参考电压或第二参考电压传输至第一电容右极板，完成后S_rst开关、S_{half_r}开关断开；

S3：粗量化阶段：细斜坡发生器不工作，将S_CR开关闭合，参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板，细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；当开关采样模块输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，混合型比较器锁存当前的计数值，计数器存储第二数据；完成后S_CR开关、S_CR+rst开关断开；

S4：台阶电压选择阶段：第二数据通过译码器译码后传输至选择器中，选择需要的粗斜坡台阶电压，将S_ready开关闭合，粗斜坡台阶电压传输至第一电容左极板；

S5：细量化阶段：粗斜坡发生器不工作，将S_FR开关闭合，参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板，当输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，计数器存储第三数据，完成后S_ready开关、S_FR开关断开。

其中所述S1阶段之前还有失调存储阶段，将S_OS开关闭合，输出失调存储电路中的两个电容上极板将被传输第一参考电压，第三电容、第四电容左极板将采集、存储静态预放大电路的失调电压，完成后S_OS开关断开。

参见图4，所述全差分多步式单斜模数转换电路依次按照此时序图所述S_ready、S_rst、S_CR、S_half、S_FR、S_OS六种控制信号控制所述S_ready、S_rst、S_CR、S_half、S_FR、S_OS六种开关。其中所述S_CR+rst开关由S_rst控制信号与S_CR控制信号共同控制，S_halfr开关受S_rst控制信号与第一数据协同控制。

其中所述步骤S1中，混合型比较器的输出结果传输至1bit半区间计数器，处理后形成第一数据(D₁₂)，当输入电压小于第一参考电压时，D₁₂＝0，当输入电压大于第一参考电压时，D₁₂＝1。

所述步骤S2中，当D₁₂＝0，第一参考电压传输至第一电容左极板，当D₁₂＝1，第二参考电压传输至第一电容左极板。

所述步骤S3中，所述第一电容右极板即所述开关采样模块的输出端V+电压为：

V₊＝V_CM(or V_REFP)+V_CR[i]–V_in

随着V_CR[i]电压的上升，当V₊>V_-时，混合型比较器的输出翻转，锁存器锁存输出结果并传输至4bit粗量化计数器，所述粗量化计数器处理后，形成第二数据(D_11-8)。

所述步骤S4中，所述第一电容右极板即所述开关采样模块的输出端V+电压为：

V₊＝V_CM(or V_REFP)+V_CR[I]-V_in

所述步骤S5中，第二电容左极板电压从细斜坡初始电压切换至参考细斜坡电压。混合型比较器输入端V+的电压保持上式计算的结果，混合型比较器输入端V-的电压为：

V_-＝V_CM+V_FR[i]

当V₊>V_-时，比较器输出翻转，锁存器锁存比较器输出结果，并传输至8bit细量化计数器，所述细量化计数器处理后形成第三数据(D_7-0)。

由于在细斜坡发生器中设计了1位冗余，因此总的12bit最终数据由计数器中的13bit锁存的D₁₂、D_11-8、D_7-0合并计算得到，可以表示为：

D_out＝D₁₂×2¹¹+(D_11-8-1)×2⁷+D_7-0

总的来说，本发明所提供的控制方法将12bit的模数转换过程分为1+4+8共3个阶段，分别为半区间判断，粗量化过程和细量化过程。总的有效转化步数为276，包括在失调存储阶段、半区间判断、复位和台阶电压选择阶段阶段的4步，粗量化阶段的16步和细量化阶段的256步，相比于传统的SS ADC所需要的4096步和5+8分布的TS SS ADC所需的288步，本发明转化步数更少，显著提高转换速率。

在上述的模数转换过程中，混合型比较器的输入共模电压在半区间判断，粗量化和细量化阶段中分别为V_CM、V_CM和V_CM+△C，△C为粗斜坡台阶电压值，因此混合型比较器的共模电压稳定，仅在一个粗斜坡台阶电压范围内波动。稳定的比较器共模电压能够保障比较器电路的输入失调电压基本不变，保证了在不同输入信号时比较器翻转点的一致，从而保障了模数转换器的线性度。而传统的SS ADC或者TS SS ADC中，比较器的共模电压在整个量化范围内变化，会导致比较器输入失调变化，降低模数转换器的线性度。

参见图5，图5为本发明实施例中斜坡发生器在输入电压为0.4V，小于第一参考电压情况下模数转换器的工作仿真波形图，和输入电压为1V，大于第一参考电压情况下模数转换器的工作仿真波形图。实施例电路依次经历输出失调存储阶段、半区间判断、复位、粗量化阶段、台阶电压选择阶段和细量化阶段六个工作阶段，最后得到模数转换器的转换结果。表明了模数转换器对于不同输入信号的响应情况以及转换过程，通过模数转换器的转换结果，可以对模数转换器线性度等指标进行测试分析。

参见图6、图7，在本发明实施例中，细斜坡发生器输出范围应为62.25mV。图6所示为校准前细斜坡发生器输出电压范围，其正态分布均值为62.29mV，标准差为2.4mV，严重影响了斜坡发生器的线性度。在图7中，经过粗细斜坡校准后的细斜坡发生器输出范围正态分布均值为62.31mV，标准差为179.85μV，极大减小了粗细斜坡发生器之间的误差，提高了斜坡发生器线性度。此外，由于使用了混合型比较器，混合型比较器功耗仅为23.5μW，比传统静态预放大型比较器降低了40％以上。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于图像传感器的多步式单斜模数转换电路，其特征在于，包括：粗斜坡发生器、细斜坡发生器、混合型比较器、开关采样模块、译码器、计数器；

所述粗斜坡发生器、细斜坡发生器分别与所述开关采样模块连接；所述混合型比较器的同相输入端与反相输入端分别与开关采样模块的输出端V+和V-相连接；所述混合型比较器输出端与所述计数器相连接；所述计数器输出端分别与开关采样模块、译码器、外接电路相连，译码器与开关采样模块相连接；

其中，所述多步式单斜模数转换电路包括半区间判断、粗量化过程、细量化过程三个流程：

半区间判断包括：输入电压由所述开关采样模块传输至所述混合型比较器反相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第一数据后存储，并将第一数据传输至开关采样模块；

粗量化过程包括：所述粗斜坡发生器产生的参考粗斜坡电压通过所述开关采样模块处理后，传输至所述混合型比较器同相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第二数据后存储，并将第二数据传输至译码器译码，所述译码器将译码后数据传输至所述开关采样模块，确定所述粗斜坡发生器产生的粗斜坡台阶电压；

细量化过程包括：所述粗斜坡台阶电压和所述细斜坡发生器产生参考细斜坡电压的通过所述开关采样模块处理后，分别传输至所述混合型比较器同相输入端与反相输入端进行比较，所述混合型比较器将输出结果至所述计数器，所述计数器将处理为第三数据后存储，并最后将所述第一数据、第二数据、第三数据合并为最终数据。

2.根据权利要求1所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述开关采样模块包括：S_ready、S_rst、S_CR、S_half、S_FR、S_{half_r}、S_CR+rst七种开关，第一电容，第二电容和选择器；所述第一电容、第二电容右极板分别与所述开关采样模块的输出端V+和V-相连接；所述S_ready开关用于控制所述粗斜坡台阶电压传输至所述第一电容下极板；所述S_rst开关用于控制所述输入电压传输至所述第一电容左极板；所述S_CR开关用于控制参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板和细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；所述S_half开关用于控制第一参考电压与所述输入电压分别传输至开关采样模块的输出端V+和V-；所述S_FR用于控制参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板；所述S_{half_r}开关用于控制第一参考电压、第二参考电压传输至所述第一电容右极板；所述S_CR+rst开关用于控制第一参考电压传输至第二电容右极板。

3.根据权利要求1所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述混合型比较器包括依次排列的静态预放大电路、输出失调存储电路、动态预放大电路和锁存器；所述静态预放大电路、动态预放大电路用于通过输出电压的高低反应输入两端电压的大小；所述输出失调存储电路用于存储静态预放大电路的失调电压；所述锁存器用于锁存混合型比较器的输出结果。

4.根据权利要求3所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述输出失调存储电路包括第三电容、第四电容和S_OS开关；所述第三电容、第四电容左极板与所述静态预放大电路输出端相连，所述第三电容、第四电容右极板与所述动态预放大电路输入端相连；所述S_OS开关用于控制第一参考电压传输至所述第三电容、第四电容右极板。

5.根据权利要求1所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述粗斜坡发生器包括第一开关(S_CRP)、第二开关(S_CRN)、第三开关(S_CR[I])；所述粗斜坡发生器通过电阻串对第一参考电压、第二参考电压进行分压得到所述粗斜坡台阶电压；所述S_CRP开关、S_CRN开关、S_CR[I]开关依次控制所述第一参考电压、第二参考电压、粗斜坡台阶电压传输至所述开关采样模块形成参考粗斜坡电压；其中分压得到粗斜坡台阶电压个数为2^N-1个，N为电阻型粗斜坡发生器的bit位数。

6.根据权利要求1所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述计数器包括半区间计数器，粗量化计数器和细量化计数器；所述半区间计数器与所述开关采样模块相连，用于存储并传输第一数据；所述粗量化计数器于所述译码器相连，用于存储并传输所述第二数据；所述细量化计数器用于存储第三数据。

7.根据权利要求1所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述单斜模数转换电路还包括斜坡校准电路，所述斜坡校准电路用于实现粗斜坡台阶电压和细斜坡输出电压范围的校准；所述斜坡校准电路包括细斜坡发生器偏置电路、校准比较器和校准逻辑电路；所述校准比较器与所述粗斜坡发生器、细斜坡发生器相连接；所述校准逻辑电路与所述校准比较器输出端相连接；所述细斜坡发生器偏置电路由所述校准逻辑电路控制；所述细斜坡发生器偏置电路控制所述细斜坡发生器输出电压范围。

8.根据权利要求7所述的单斜模数转换电路，其特征在于，所述细斜坡发生器偏置电路包括校准电流源阵列和偏置电流源；所述校准电流源阵列用于控制所述偏置电流源输出电流，所述偏置电流源与所述细斜坡发生器相连，进而控制所述细斜坡发生器输出电压范围。

9.一种多步式单斜模数转换电路控制方法，使用权利要求1-8所述的任意一种多步式单斜模数转换电路，其特征在于，包括：

S1：半区间判断：将S_half开关闭合，混合型比较器的同相输入端和反相输入端分别接收第一参考电压和输入电压，实现二者的比较，计数器存储第一数据，并根据第一数据选择第一参考电压或第二参考电压，完成后S_half开关断开；

S2：复位：将S_rst开关、S_CR+rst开关、S_{half_r}开关闭合，输入电压传输至第一电容左极板，第一参考电压传输至第二电容右极板；第一参考电压或第二参考电压传输至第一电容右极板，完成后S_rst开关、S_{half_r}开关断开；

S3：粗量化阶段：细斜坡发生器不工作，将S_CR开关闭合，参考粗斜坡电压传输至所述第一电容左极板，细斜坡初始电压传输至所述第二电容左极板；当开关采样模块输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，混合型比较器锁存当前的计数值，计数器存储第二数据；完成后S_CR开关、S_CR+rst开关断开；

S4：台阶电压选择阶段：第二数据通过译码器译码后传输至选择器中，选择需要的粗斜坡台阶电压，将S_ready开关闭合，粗斜坡台阶电压传输至第一电容左极板；

S5：细量化阶段：粗斜坡发生器不工作，将S_FR开关闭合，参考细斜坡电压传输至所述第二电容左极板，当输出端V+电压大于所述输出端V-时，混合型比较器的输出翻转，计数器存储第三数据，完成后S_ready开关、S_FR开关断开。

10.据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述S1阶段之前还有失调存储阶段，将S_OS开关闭合，输出失调存储电路中的两个电容上极板将被传输第一参考电压，第三电容、第四电容左极板将采集、存储静态预放大电路的失调电压，完成后S_OS开关断开。

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