CN117879601A - 非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，通过在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性模数转换电路校准参数的变化，提高模数转换电路的稳定性和精度。

Description

非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路

技术领域

本发明涉及一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路。

背景技术

模数转换器又称A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件，目前已广泛应用于工业、医疗、通信等领域，以满足各种数据采集应用的需求。

在图像传感器中，随着像素单元阵列规模的不断扩大，传统的芯片级模数转换器（Chip Level Analog to Digital Converter）已经不能满足高帧率的要求，所以高帧率图像传感器通常采用列级模数转换器。列级模数转换器（Column Level Analog to DigitalConverter）具有只需小的面积和功耗就能实现高精度的特点，被广泛应用在高像素高帧率的图像传感器中。

模数转换器主要由比较器和存储单元或者计数单元组成，并且需要一个斜坡（VRAMP）信号作为比较器的比较电平，斜坡信号的精度直接影响到ADC的输出精度；另外，高帧率图像传感器的应用场景需要对应的高速的斜坡信号，因此如何产生高速高精度的斜坡信号是一个非常重要的研究课题。

传统做法，斜坡信号是线性的，达到相同的有效精度需要更长的时间或是更快的速度，或是相同的速度和时间下，能达到的有效精度就小。

由于在所有的图像传感器中都存在光子散粒噪声（photon shot noise），它会随着输入信号的增加而增加。而ADC的量化噪声，不随输入信号变化。所以在信号比较大的时候，光子散粒噪声将占主导地位，此时模数转换器的性能高于所要求的值，可以降低精度。在斜坡信号上的表现就是：大信号时的斜率可以大于小信号时的斜率。这样对于相同的有效输出精度，可以缩短ADC的转换时间，提高帧率；或是对于相同的帧率，可以提高ADC的有效输出精度。因此，采用多斜率非线性斜坡信号的非线性ADC可以更好地适应图像传感器的高速高精度应用。

然而，如果采用了多斜率非线性斜坡信号的非线性ADC，必须要加入校准步骤，把非线性输出转换成线性输出，数字模块才能进行后续的图像处理。如果非线性ADC采用后验的方法进行校准，即使采用每一颗芯片标定校准参数的方法也没办法覆盖住所有复杂的应用环境，进而可能出现各种图像质量问题，比如分层，偏色等，影响非线性ADC的稳定性和精度。因此需要一种可以实时校准非线性ADC输出的非线性变化的校准方法及电路结构，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性ADC校准参数的变化，提高非线性ADC的稳定性和精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性ADC校准参数的变化，提高非线性ADC的稳定性和精度。

基于以上考虑，本发明的一个方面提供一种非线性模数转换电路的校准方法，包括：提供非线性模数转换电路；提供基准电压产生电路；在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以提高非线性模数转换电路的稳定性和精度。

优选的，所述基准电压产生电路包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源；所述用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压包括：当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

优选的，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述基准电压产生电路提供相同的基准电压；所述第一选择开关闭合时，所述基准电压产生电路提供不同的基准电压。

优选的，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线，以使得所述不同的基准电压为等间距变化的电压。

优选的，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述第二选择开关闭合；所述第一选择开关闭合时，所述第二选择开关断开。

优选的，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同，以使得所述电压源的输出负载一致。

优选的，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

优选的，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

优选的，定期对每帧或多帧图像进行校准；或者当工作环境或工作参数变化达到预设阈值时进行校准。

优选的，将多个所述校准行同一列输出的校准信号电压对应的数字码取平均值后用于形成所述非线性输出曲线。

优选的，通过调节所述电流源的电流来调节所述校准行输出的校准电压信号范围。

本发明的另一方面提供一种用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源，当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图形传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

优选的，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源。

优选的，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线。

优选的，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源。

优选的，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同。

优选的，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

优选的，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

优选的，多个所述校准行连接同一个电流源。

优选的，多个所述校准行连接同一个电压源。

与现有技术相比，本发明的非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，通过在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性模数转换电路校准参数的变化，提高模数转换电路的稳定性和精度。

附图说明

通过参照附图阅读以下所做的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为采用本发明非线性模数转换电路的校准方法的图像传感器的结构示意图；

图2为常规行像素单元的电路示意图；

图3为根据本发明实施例一的基准电压产生电路的示意图；

图4为电压源的一种实施例的示意图；

图5为电流源的一种实施例的示意图；

图6为根据本发明实施例一的控制信号时序图；

图7为根据本发明实施例二的基准电压产生电路的示意图；

图8为根据本发明实施例二的控制信号时序图；

图9为根据本发明实施例三的基准电压产生电路的示意图；

图10为根据本发明实施例三的控制信号时序图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。

具体实施方式

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路。

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

本发明的一个方面提出一种非线性模数转换电路的校准方法，包括：提供非线性模数转换电路；提供基准电压产生电路；在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以提高非线性模数转换电路的稳定性和精度。

本发明提出的非线性模数转换电路的校准方法，不局限于某个特殊领域，也不局限于某种特定的ADC架构，可以用于任意一个带有ADC的电路中，不仅能够校准人为加进去的非线性，也能够校准ADC自身非理想因素带来的非线性。后续为了说明方便，以图像传感器的列处理非线性ADC作为例子。

图1示出采用本发明非线性模数转换电路的校准方法的图像传感器的结构框图。该图像传感器除了包含像素阵列101，行控制模块102，列处理阵列103，电压电流产生电路104，控制信号产生电路105，以及数字处理模块106之外，还包含用于非线性ADC校准的基准电压产生电路107。

其中，像素阵列101包括多个常规行像素单元，单个的像素单元的电路示意图（结构不限于此，只是为了便于说明）如图2所示，该像素单元具有常规的像素单元结构，具体包含复位晶体管MRST，传输晶体管MTX<0>到MTX<M>（其中M为大于等于0的整数），与传输晶体管一一对应的感光单元PD<0>到PD<M>，源极跟随晶体管MSF，以及行选择晶体管MRSEL。

电压电流产生电路104用于给行控制模块102和列处理阵列103提供电压和电流，其中也包括斜坡信号产生电路（未示出）。和传统的斜坡信号产生电路相比，为了提高图像传感器的帧率和精度，此处的斜坡信号产生电路输出的斜坡信号是非线性的，因此，列处理阵列103中的ADC（未示出）可以理解为非线性模数转换电路。非线性斜坡信号产生电路的实现方式已经在我司其他专利中有提到，列处理阵列也为图像传感器中常规的列级ADC的架构，所以在此不再赘述。

基准电压产生电路107结构不限，只要能够用于产生多个基准电压信号的电路即可，这些基准电压信号的输出范围可达到非线性ADC满量程（也就是图像传感器像素阵列的信号输出范围），在非线性ADC正常工作之前或工作过程中，将这些基准电压给到列处理阵列103中的非线性ADC进行模数转换，获得一条线性输入非线性输出的ADC转换曲线，数字处理模块106根据这条转换曲线，计算出非线性ADC的校准参数，用于校准图像传感器正常工作时ADC的输出。

本发明的非线性模数转换电路的校准方法能够根据需要定期工作，实时更新由于图像传感器工作环境变化或是参数设置变化带来的非线性ADC的校准参数的变化，提高非线性模数转换电路的稳定性和精度，从而获得优秀的图像传感器性能。

下面结合具体实施例详细阐述基准电压产生电路107的结构及作用原理。

实施例一

图3示出一种可用于本发明非线性模数转换电路校准方法的基准电压产生电路的优选实施例。该基准电压产生电路包括至少一个校准行109，以及电压源108、电流源110，所述电压源108、电流源110位于像素阵列101外部，所述校准行109可以位于像素阵列101内部也可以位于像素阵列101外部，可以为一行或多行，具体可以根据需要进行设置。作为示例，虚线框109中示出一个标准行的电路结构，其包括串联的电阻模块113，本领域技术人员可以理解，电阻模块也可以使用电容模块代替，该串联的电阻模块113的第一端连接电压源108，第二端连接电流源110。

当选中一个所述校准行109时，所述电压源108、电流源110通过串联的电阻模块113提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

具体的，串联的电阻模块113包括并联的第一金属线111、第二金属线112，第一金属线111的第一端（图3中左端）连在电压源108的输出Vcal上，第二端（图3中右端）通过第一选择开关sw1连接到电流源110，同样的，第二金属线112的第一端（图3中左端）连在电压源108的输出Vcal上，第二端（图3中右端）通过第二选择开关sw2连接到电流源110。第一金属线111、第二金属线112上分别有很多串联的电阻R，可以是金属线本身的电阻也可以是外加电阻，优选的，每个R的电阻值相等，相当于把金属线上的电阻分成了（N-1）个等分，N为该图像传感器中像素单元的列数。当R为金属线本身的电阻时，一个电阻R的电阻值对应于一个像素单元宽度对应的金属线的电阻值。于是，可以利用电流流过金属线电阻，在金属线电阻上实现电压均匀变化，然后在金属线上等间隔设置电压输出点，提供给非线性ADC进行量化，获得非线性ADC的校准参数，用于校准正常像素单元的非线性ADC的输出值。

每个所述校准行109还包括多个校准行像素单元114，其中每个校准行像素单元114包括源跟随晶体管MSF和行选择晶体管MRSEL，也就是说，相对于图2的常规行像素单元，校准行像素单元114仅保留源跟随晶体管MSF和行选择晶体管MRSEL部分。像素阵列101中的常规行像素单元有多少列，基准电压产生电路107中的校准行像素单元也有多少列，像素阵列101和基准电压产生电路107的每列对应的输出接在一起，分别为pxda<0>到pxda<N-1>，N为该图像传感器中像素单元的列数。同一行的每个源跟随晶体管MSF的栅极都连接到第一金属线111，优选的，所述源跟随晶体管MSF的栅极等间距地连接到所述第一金属线111，以等分第一金属线111本身的电阻。每个行选择晶体管MRSEL的栅极连接到同一个行控制线，控制信号RSEL来自图1中的行控制模块102。基准电压产生电路107和常规的像素阵列101相比，除了输入信号来源不一样以外，其他的操作和信号处理路径都是一样的。用基准电压产生电路107的可控的源跟随晶体管的栅极电压来模拟真正的像素感光单元的整个信号输出范围。

电压源108可以是一个简单的电压源，也可以是一个复杂的电压源产生电路。图4仅为电压源产生电路一种实施例的示意图，它的工作原理为：电流源的电流流过可变电阻R2来产生输出电压Vr，采样电路把电压Vr采样到电容C上，然后再经过单位增益负反馈电路获得输出电压Vcal。也可以把图4中的虚线框部分的电路关掉，打开上拉管swpu，把输出电压Vcal拉到电源电压。因为电路比较常见，所以不再详细展开讲述。

电流源110可以是一个简单的电流源，也可以是一个复杂的电流源产生电路。图5仅为电流源产生电路一种实施例的示意图。它的输入电流Iin来源于非线性斜坡信号产生电路，是一个和非线性斜坡信号产生电路中的电流源单元相关的电流。这样的话，当非线性斜坡信号产生电路的电流源单元的电流发生变化的时候，基准电压产生电路也可以实时的跟随变化，可以更好的匹配非线性ADC的量程。晶体管M2可调，可以用来匹配利用非线性斜坡信号产生电路输出电阻实现模拟增益，非线性斜坡信号输出电压幅值发生变化的情况。虽然图5示例的比较简单，但是实际电路可以做的更加复杂。

下面结合图3的结构图以及图6的时序图具体说明非线性ADC校准方法的工作原理。

当行控制模块102选中像素阵列101中的常规行时，基准电压产生电路107不工作。基准电压产生电路107中的行选择晶体管MRSEL的控制信号RSEL为低，行选择晶体管MRSEL处于关断状态。为了节省功耗，可以把电压源108的虚线框部分和电流源110都关闭。控制信号pu为高，图4中的上拉管swpu打开，把输出电压Vcal拉到电源电压。两根金属线右端连接的选择开关sw1和sw2的控制信号sel1和sel2都为低，开关断开。第一金属线111、第二金属线112左端接到电源电压，右端处于悬空状态，由于没有电流流过金属线111和112，不存在压降，从而使得基准电压产生电路107中的源跟随晶体管MSF的栅极的电压固定为电源电压，即模拟像素单元不选中时的状态，以免对像素单元的正常操作产生影响。

当行控制模块102选中基准电压产生电路107中的一个校准行109时，电压源108的虚线框部分和电流源110开启，同时控制信号pu变低，上拉开关swpu断开，输出电压Vcal由图4虚线框中部分决定。第一金属线111、第二金属线112的左端始终接在输出电压Vcal上，第二金属线112右端连接的第二选择开关sw2控制信号sel2为高，开关sw2导通，把第二金属线112的右端接到电流源110上。第一金属线111右端连接的第一选择开关sw1控制信号sel1为低，开关sw1断开，处于悬空状态。此时，该校准行109中的源跟随晶体管MSF栅极上获得的电压满足以下等式：

这个相同的基准电压用来模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压，分别在此电压下，进行参考信号的模数转换，获得每一列的参考信号对应的数字输出码

参考信号的模数转换完成后，第二金属线112右端连接的第二选择开关sw2控制信号sel2变为低，开关sw2断开，第二金属线112右端处于悬空状态。第一金属线111右端连接的第一选择开关sw1控制信号sel1变为高，开关sw1导通，第一金属线111右端连接到电流源110上。此时，由于第一金属线111上有电流流过，所以会产生从左到右的压降，均匀的给到该校准行109的源跟随晶体管MSF的栅极上。源跟随晶体管MSF栅极上的电压满足以下等式：

其中，I为电流源的输出电流值，R为第一金属线上相邻两个源跟随晶体管MSF栅极之间的等效电阻。

这些不同的基准电压到/>用来模拟图像传感器像素阵列输出的图像信号电压，分别在此电压下，进行图像信号的模数转换，获得每一列的图像信号对应的数字输出码

从左到右，校准行109中的源跟随晶体管MSF的栅极输入信号电压，以为间隔线性变化，源跟随晶体管MSF的栅极输入的参考信号电压与图像信号电压的差值即为校准行输出的校准信号电压，于是相应的，校准信号电压变化范围为0~/>，可以通过调节电流源的电流I的大小，来调节校准行输出的校准信号电压的范围，从而匹配图像传感器的整个图像信号电压输出范围。由于ADC是非线性的，所以基准电压产生电路的数字输出从左到右也是非线性变化的，可以获得一条从左到右的线性输入非线性输出的曲线，数字模块可以以这条曲线作为参考，计算出非线性ADC的校准参数，然后对常规行像素单元的输出进行线性拉直，获得高精度的图像。

可以看出，校准行109中如果只包含一根第一金属线111，电路也是可以正常工作的，那么为什么要额外增加一根第二金属线112呢。假设校准行109中没有第二金属线112，选中该校准行109的时候，由于所有列中的源跟随晶体管MSF需要获得相同的基准电压来模拟参考信号，所以第一金属线111的右端电流源的第一选择开关sw1控制信号必须为低，处于悬空状态，第一金属线111上没有电流流过。而参考信号完成模数转换后，为了产生从左到右的线性变化的压差，需要把第一选择开关sw1的控制信号变为高，然后进行图像信号的模数转换，此时第一金属线111上有电流流过。这样会导致在量化参考信号和量化图像信号的时候，电压源108的输出负载不一致，输出电压Vcal发生变化，从而导致图像信号的起始值（电压最大值）和参考信号之间有偏差，底段信号缺失，不利于数字模块校准。当并联有与第一金属线111阻值相同的第二金属线112后，在整个行时间内，电压源108的输出负载是一致的，输出电压Vcal也比较稳定，底段信号不会丢失，有效的输出校准信号电压从0开始，图像信号的起始值（电压最大值）和参考信号之间不再有偏差，有利于数字模块计算出合理的非线性校准参数，获得高质量的图像。

实施例二

对于规模较小的像素阵列，当基准电压产生电路107中存在多个校准行109时，每个校准行109的设置可以都如图3的实施例所示，是完全相同的。

对于规模较大的像素阵列，由于信号驱动，电源系统等存在左右差异，所以可能会导致图像传感器的信号处理存在左右差异。为了避免左右差异对非线性ADC校准的影响，校准行可以做成两个方向不同的设置，如图7所示。和图3相比，本实施例中的基准电压产生电路107中包括两个校准行109a、109b，每个校准行内的结构一致，区别在于上面一行109a的左端接电压源108，右端接选择开关和电流源110；下面一行109b的右端接电压源108，左端接选择开关和电流源110。

也就是说，当基准电压产生电路107中存在多个校准行时，可以交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端（用于连接电压源的一端）位于所述校准行的左端且第二端（用于连接电流源的一端）位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端（用于连接电压源的一端）位于非所述校准行的右端且第二端（用于连接电流源的一端）位于所述校准行的左端。

图8是对应的操作时序图，当选择上面一行109a的时候，用来模拟像素单元输出的校准信号电压从左到右逐渐变大，对应图8中校准行<0>；当选择下面一行109b时，用来模拟像素单元输出的校准信号电压从右到左逐渐变大，对应图8中校准行<1>。工作原理及过程和实施例一一致，这里不再赘述。通过上述方法，分别获得从左到右和从右到左两条转换曲线，包含左右差异信息，经过数字处理，可以消除左右差异对非线性ADC校准的影响。

图7中可以看出，虽然基准电压产生电路107中包含了至少两个校准行，但是电压源108和电流源110都只用了一个，也就说，可以将多个校准行连接于同一个电压源或同一个电流源，其目的第一是为了节省功耗，第二是为了保证多个校准行获得相同的输入信号，避免输入信号斜率不一致带来校准偏差。

实施例三

图9是消除左右差异的另一种实施例。和图7相比，它不需要新增额外的校准行就可以实现左右差异的消除，但是相对来说开关增加，控制比较复杂。

本实施例中，基准电压产生电路107除了包含电压源108、电流源110、第一金属线111、第二金属线112、校准行像素单元114以外，左边还包含两个电压源选择开关swv0和swv1, 两个电流源选择开关swi0和swi1，金属线短路开关swv4，右边还包含两个电压源选择开关swv2和swv3，两个电流源选择开关swi2和swi3，金属线短路开关swv5。

下面结合图9的结构图和图10的时序图，具体阐述本实施例的电路工作原理。

当行控制模块102选中像素阵列101中的常规行时，和图3一样，电压源108的虚线框部分和电流源110关闭，电压源产生电路被上拉开关swpu拉到电源电压，节省功耗。图9中的电压选择开关swv0到swv3，以及金属线短路开关swv4和swv5的控制selv<0>到selv<5>都为高，开关导通，电流选择开关swi<0>到swi<1>的控制seli<0>到seli<1>都为低，开关断开，校准行109’中源跟随晶体管MSF栅极电压都被拉到电源电压。

当行控制模块102选中基准电压产生电路107中的校准行109’时，上拉开关swpu关断，电压源108的虚线框部分和电流源110开启。

首先，可以先选择校准信号电压从左到右变化，要求校准行109’的左端通过开关连接到电压源108，右端通过开关连接到电流源110。行起始的时候，左边的电压源选择开关swv0和金属线短路开关swv4的控制信号selv<0>和selv<4>为高，其他的开关的控制为低，右边的电流源选择开关swi2的控制信号seli<2>为高，其他的开关的控制为低。此时，源跟随晶体管MSF栅极电压满足以下等式

其中，I为电流源的输出电流值，为电压源选择开关swv0的导通电阻。

参考信号的模数转换完成后，左边的电压源选择开关swv0的控制信号selv<0>变为低，电压源选择开关swv1的控制信号selv<1>变为高，其他的开关保持不变，右边的电流源选择开关swi2的控制信号seli<2>变为低，电流源选择开关swi3的控制信号seli<3>变为高，其他的开关的控制保持不变。此时，源跟随晶体管MSF栅极电压满足以下等式

其中，为电压源选择开关swv1的导通电阻。/>和/>的大小可以做成一样，和图3相比，只是参考信号的起始电压减小了/>，从左到右获得的真正的有效的输出校准信号电压还是从0开始，间隔为/>的线性输入。起始电压的整体偏差/>会被行处理阵列中的隔直电容隔掉，不会影响非线性ADC的校准。

处理完校准信号电压从左到右变化后，行地址不变，校准信号电压变成从右到左变化。要求校准行109’的右端通过开关连接电压源108，左端通过开关连接到电流源110。方法和上面描述的一致，只是开启和关闭的开关换成另外一组，在这就不再赘述。

也就是说，在一个校准行109’中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行109’的左端连接所述电压源108且右端连接所述电流源110，或者，所述校准行109’的右端连接所述电压源108且左端连接所述电流源110，从而分别获得从左到右和从右到左两条转换曲线，包含左右差异信息，经过数字处理，可以消除左右差异对非线性ADC校准的影响。

虽然上述实施例为了讲述方便，基准电压产生电路107中都只采用了1到2行校准行，但是实际上可以采用多行，进一步优选的，可以将多个校准行同一列输出的校准信号电压对应的数字码取平均值后再用于形成非线性输出曲线，如此可以消除噪声的影响，提高非线性ADC校准参数的计算准确性。

最后，本发明的非线性ADC校准方法可以定期工作，也可以采用触发机制工作，用来实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性ADC参数的变化，提高非线性ADC输出的稳定性和精度。以图像传感器为例，非线性ADC校准电路可以设置定期对每帧或多帧图像进行校准一次或多次，也可以在监测到工作温度或工作参数变化达到预设阈值时进行校准一次或多次。

综上所述，本发明的非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，通过在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性模数转换电路校准参数的变化，提高模数转换电路的稳定性和精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (20)

1.一种非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，包括：

提供非线性模数转换电路；

提供基准电压产生电路；

在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以提高非线性模数转换电路的稳定性和精度。

2.如权利要求1所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，

所述基准电压产生电路包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源；

所述用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压包括：当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

3.如权利要求2所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述基准电压产生电路提供相同的基准电压；所述第一选择开关闭合时，所述基准电压产生电路提供不同的基准电压。

4.如权利要求3所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线，以使得所述不同的基准电压为等间距变化的电压。

5.如权利要求3所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述第二选择开关闭合；所述第一选择开关闭合时，所述第二选择开关断开。

6.如权利要求5所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同，以使得所述电压源的输出负载一致。

7.如权利要求5所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

8.如权利要求5所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

9.如权利要求2所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，定期对每帧或多帧图像进行校准；或者当工作环境或工作参数变化达到预设阈值时进行校准。

10.如权利要求2所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，将多个所述校准行同一列输出的校准信号电压对应的数字码取平均值后用于形成所述非线性输出曲线。

11.如权利要求2所述的非线性模数转换电路的校准方法，其特征在于，通过调节所述电流源的电流来调节所述校准行输出的校准信号电压范围。

12.一种用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源，当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图形传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

13.如权利要求12所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源。

14.如权利要求13所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线。

15.如权利要求13所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源。

16.如权利要求15所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同。

17.如权利要求15所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

18.如权利要求15所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

19.如权利要求12所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，多个所述校准行连接同一个电流源。

20.如权利要求12所述的用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，其特征在于，多个所述校准行连接同一个电压源。