CN1697321A - 共享运算放大器及其应用的增益电路与模拟/数字转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共享运算放大器，应用于管线式架构的电路中。此管线式架构的各级电路依预定时序轮流使用此共享运算放大器。共享运算放大器包含运算放大电路、多工电路以及解多工电路。由多工电路决定哪一个级电路的欲放大讯号组可以耦接至运算放大电路，而由解多工电路将放大后的讯号组送回对应的级电路。

Description

共享运算放大器及其应用的增益电路与模拟/数字转换电路

技术领域

本发明涉及一种运算放大器，且特别涉及一种管线式(pipeline)架构的共享运算放大器。

背景技术

在许多电子电路中常常应用到管线(pipeline)架构的技术，以便逐级处理讯号。部分管线式电路中需于各级电路分别配置一个运算放大电路以增益讯号。若分析各个运算放大电路的使用率往往可以发现只有在部分时间中才使用运算放大电路，而其它时间则是闲置状态。为更清楚说明前述情形，以下将以影像传感器(image sensor)为例。

越来越多电子产品内建摄影功能，例如移动电话、个人数字助理(PDA)及玩具等。为适应各种不同需求，尤其是针对行动装置的需求，我们需要低耗电及高画质的影像传感器。图1A是典型影像传感器的方框图。请参照图1A，典型影像传感器包括像素阵列(pixel array)110、列驱动器及电压产生器(row driver & voltage reference)120、像素取样电路(sample & hold column circuit)130、增益电路(gain stage)140以及模拟/数字转换电路(pipeline A/D converter)150。列驱动器及电压产生器120提供各列驱动讯号121以及各种参考电压122及参考电压VCL。像素阵列110中各列电极(未绘示)分别接收对应的列驱动讯号121，像素阵列感测影像后依列驱动讯号121的时序输出各行(column)的像素讯号(pixel signal)111。像素取样电路130同时接收、取样(sample)并保持(hold)各行的像素讯号111，然后依序将保持其中的各像素讯号以串行形式(cascade)输出像素讯号131。增益电路140接收并放大像素讯号131后产生像素讯号141。模拟/数字转换电路150通常为管线式模拟/数字转换电路，依参考电压122将模拟形式的像素讯号141转换为数字形式的像素讯号151，以利后续电路(图中仅以控制逻辑电路160代表)处理及运用。

通常如图1A的影像传感器中，其增益电路140以及模拟/数字转换电路150即为管线式电路，在此以增益电路140为例。图1B是公知管线式增益电路。请参照图1B，图中所示即以图1A中增益电路140，其中例如包含前级增益器142以及后级增益器143。每一级增益器皆有取样电路(144或146)及放大电路(145或147)，先将讯号取样并保持(sample and hold)于取样电路中，然后以放大电路增益该讯号。也就是说，当增益电路140欲放大像素讯号131时，前级增益器142即进入取样期间(又称为重置期间，reset phase)而将像素讯号131保持于电容C1～C2中，此时后级增益器143则进入增益期间(gainphase)而由取样电路146提供先前保持于电容C5～C6的像素讯号148且经由运算放大电路OP2增益输出像素讯号141。上述动作若以电路图说明，即为感控开关SW1～SW6导通并且使感控开关SW7～SW12断路，此时运算放大电路OP1为闲置状态。当前级增益器142的取样电路144已经将像素讯号131取样并保持于其中后，前级增益器142即进入增益期间而由取样电路146提供像素讯号131经由运算放大电路OP1增益输出像素讯号148，此时后级增益器143则进入重置期间(取样并保持像素讯号148)。上述动作若以电路图说明，即为感控开关SW1～SW6断路并且使感控开关SW7～SW12导通，此时运算放大电路OP2为闲置状态。重复上述动作，增益电路140即可将像素讯号131增益输出为像素讯号141。

由上述可知，当使用运算放大电路OP1时运算放大电路OP2则闲置不用，反之，当使用运算放大电路OP2时则运算放大电路OP1则闲置不用。一般而言，为维持运算放大器的高增益特性，运算放大器通常具有一定大小的直流电源，在模拟电路中，放大器为电路耗电的一大来源。以互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器为例，一般使用管道式模拟数字转换器以及增益电路，每级均具备一运算放大电路，使用运算放大电路数量甚多。但实际上由于电路操作上取样及维持时序中，运算放大电路实际上只使用半周期，故多了半周期耗电。所以前述运算放大电路闲置不用将形成电源的浪费。再者，管线式电路中每一级电路均需配置一个运算放大电路亦影响电路面积与成本。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种共享运算放大器以应用于管线式电路中，提供管线式电路中多个级电路依预定时序轮流共享此共享运算放大器，而节省电力消耗、缩小电路面积并降低生产成本。

本发明的再一目的是提供一种管线式增益电路，应用前述的共享运算放大器而达成节省电力消耗、缩小电路面积并降低生产成本的功效。

本发明的又一目的是提供一种管线式模拟/数字转换电路，应用前述的共享运算放大器而达成节省电力消耗、缩小电路面积并降低生产成本的功效。

本发明提出一种共享运算放大器，应用于管线式架构的电路中。此管线式架构包含多个级电路，各级电路依预定时序轮流使用此共享运算放大器。共享运算放大器包括运算放大电路、多工电路以及解多工电路。运算放大电路接收并放大第一讯号组，并输出对应的第二讯号组。多工电路具有多个输入端组与一输出端组，依预定时序轮流选择各输入端组其中之一并将被选择的输入端组耦接至输出端组，每一输入端组分别耦接至对应的各级电路其中之一以接收每一级电路的第三讯号组，输出端组耦接至运算放大电路以输出第一讯号组。解多工电路具有输入端组与多个输出端组，依预定时序轮流选择输出端组其中之一并将输入端组耦接至被选择的输出端组，输入端组更耦接至运算放大电路以接收第二讯号组，每一输出端组分别耦接对应的各级电路其中之一以输出多个第四讯号组。

本发明所述共享运算放大器，可以应用于影像传感器的读出电路。此影像传感器例如为互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

本发明另提出一种具有一管线式架构的增益电路，用以接收并放大第一讯号组，且输出第二讯号组，此增益电路包括前级增益器、后级增益器以及共享运算放大器。前级增益器包含前级取样电路与前级放大电路。前级取样电路于第一期间接收并取样第一讯号组，进而保持取样结果为第三讯号组。前级放大电路于第二期间接收并放大第三讯号组，并输出第四讯号组。后级增益器耦接至前级增益器，后级增益器包括后级取样电路以及后级放大电路。后级取样电路于第二期间接收并取样第四讯号组，进而保持取样结果为第五讯号组。后级放大电路于第一期间接收并放大第五讯号组，并输出第二讯号组。共享运算放大器包括运算放大电路、多工电路以及解多工电路。运算放大电路接收并放大第六讯号组，并输出对应的第七讯号组。多工电路耦接至运算放大电路、前级放大电路以及后级放大电路，用以接收第三讯号组以及第五讯号组，于第一期间与第二期间分别选择第五讯号组与第三讯号，并输出为第六讯号组。解多工电路耦接至运算放大电路、前级放大电路以及后级放大电路，用以接收第七讯号组并于第一期间与第二期间分别切换提供为第二讯号组与第四讯号组。

本发明又提出一种具有管线式架构的模拟/数字转换电路，用以接收第一模拟讯号，并输出对应的第一数字讯号，此模拟/数字转换电路包括前级模拟/数字转换器、后级模拟/数字转换器以及共享运算放大器。前级模拟/数字转换器包括前级取样暨转换电路与前级放大电路。前级取样暨转换电路于第一期间接收并取样/保持第一模拟讯号为第二模拟讯号，将第二模拟讯号转换产生对应的第二数字讯号，并依第二数字讯号转换产生对应的第三模拟讯号，进而将第二模拟讯号与第三模拟讯号相减后获得并输出第四模拟讯号；其中第二数字讯号是第一数字讯号的部分位讯号。前级放大电路于第二期间接收并放大第四模拟讯号，并输出第五模拟讯号。后级模拟/数字转换器耦接至前级模拟/数字转换器，后级模拟/数字转换器包括后级取样暨转换电路和后级放大电路。后级取样暨转换电路于第一期间接收并取样/保持第五模拟讯号为第六模拟讯号，将第六模拟讯号转换产生对应的第三数字讯号，并依第三数字讯号转换产生对应的第七模拟讯号，进而将第六模拟讯号与第七模拟讯号相减后获得并输出第八模拟讯号；其中第三数字讯号系第一数字讯号的部分位讯号。后级放大电路于第一期间接收并放大第八模拟讯号，并输出第九模拟讯号。共享运算放大器，包括运算放大电路、多工电路以及解多工电路。运算放大电路接收并放大第十模拟讯号，并输出对应的第十一模拟讯号。多工电路耦接至运算放大电路、前级放大电路以及后级放大电路，用以接收第四模拟讯号以及第八模拟讯号，于第一期间与第二期间分别选择第八模拟讯号与第四模拟讯号，并输出为第十模拟讯号。解多工电路耦接至运算放大电路、前级放大电路以及后级放大电路，用以接收第十一模拟讯号并于第一期间与第二期间分别切换提供为第九模拟讯号与第五模拟讯号。

本发明因使管线式电路中各级电路共享运算放大器，例如于相邻两级增益电路共享一个运算放大器，因此可以大幅减少运算放大器的使用量。在提高每一运算放大器利用效益的同时，更可以大幅减少耗电，亦省下电路布局面积(降低成本)。

附图说明

图1A是典型影像传感器的方框图；

图1B是公知管线式增益电路；

图2是本发明一较佳实施例的一种共享运算放大器的方框图；

图3是本发明另一较佳实施例的一种具有共享运算放大器的管线式增益电路。

图4是本发明的较佳实施例的另一种具有共享运算放大器的管线式增益电路；

图5是一般管线式模拟/数字转换电路的方框图；

图6是本发明较佳实施例的一种具有共享运算放大器的管线式模拟/数字转换电路。

110：像素阵列

111：行(column)像素讯号

120：列驱动器与电压产生器

121：列驱动讯号

122、VCL：参考电压

130：像素取样电路

131、141、148：像素讯号

140、142、143、350、360：增益电路/增益器

144、146、351、361、451、461：取样电路

145、147、352、362、452、462：放大电路

150：模拟/数字转换电路

151：数字像素讯号

160：控制逻辑电路

201～204：讯号组

210、330、611：多工电路

220、320、OP1～OP2：运算放大电路

230、340、613：解多工电路

306+、306-、307-、307+、614+、614-、615-、615+、in1+、in1-、in2+、in2-、out1+、out1-、out2+、out2-：讯号

310、410、612：共享运算放大器

330a、330b：多工器

340a、340b：解多工器

510：各级转换电路

511：数字讯号

520：数字修正电路

620、630、ADC1、ADC2：模拟/数字转换器

C1～C8、C31～C38、C61～C68：电容

D1～D4：数字讯号

DAC1、DAC2：数字/模拟转换器

SW1～SW12、SW301～SW312、SW601～SW618：感控开关

Vin1+、Vin1-、Vin2+、Vin2-、Vref1+、Vref1-、Vref2+、Vref2-：模拟讯号

具体实施方式

图2是依照本发明一较佳实施例绘示的一种共享运算放大器的方框图。请参照图2，此共享运算放大器应用于管线式(pipeline)架构的电路中。一般而言，管线式架构包含多个级(stage)电路，这些级电路依预定时序轮流使用此共享运算放大器。图中多个讯号组203分别表示各级电路中欲放大的原始讯号组。多工电路210依预定时序轮流选择各讯号组203其中之一并将被选择的讯号组203耦接并输出为讯号组201。运算放大电路220接收并放大讯号组201，并输出对应的讯号组202。解多工电路230依预定时序(对应于多工电路210)轮流选择其输出端组其中之一，并将讯号组202耦接至被选择的输出端组而输出讯号组204。图中多个讯号组204分别由解多工电路230的各输出端组提供，耦接至各对应级电路以达成放大讯号的功能。

上述的共享运算放大器，于本实施例中譬如应用于影像传感器的读出电路。而此影像传感器例如是互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

为更清楚说明本发明，在此另举一较佳实施例。图3是依照本发明另一较佳实施例绘示的一种管线式增益电路。请参照图3。本实施例以CMOS影像传感器中增益电路(例如图1A的增益电路140)为本发明的实施对象，然而熟悉此技术者应可轻易类推并应用于其它具有管线式及放大器的电路，其结果亦属本发明的范畴。CMOS影像传感器中增益电路例如包含前级增益器350以及后级增益器360。每一级增益器皆有取样电路(351或361)及放大电路(352或362)，先将讯号取样并保持(sample and hold)于取样电路中，然后以放大电路增益该讯号。也就是说，当欲放大像素讯号131以获得增益后的像素讯号141时，前级增益器350先进入取样期间(又称为重置期间，reset phase)而将像素讯号131保持于电容C31～C32中，此时后级增益器360则先进入增益期间(gain phase)。

当前级增益器350进入重置期间(亦即后级增益器360进入增益期间)时，共享运算放大器310中多工电路330选择将讯号in2+与讯号in2-分别耦接至讯号306+与讯号306-，解多工电路340选择将讯号out2-与讯号out2+分别耦接至讯号307-与讯号307+。感控开关SW301～SW306导通并且使感控开关SW307～SW312断路。前级增益器350的取样电路351接收像素讯号131并取样/保持于电容C31～C32中。后级增益器360由取样电路361提供先前保持像素讯号148于电容C35～C36中并输出为讯号in2+与讯号in2-，经由运算放大电路320增益并输出获得像素讯号141。

当前级增益器350进入增益期间(此时后级增益器360进入重置期间)时，共享运算放大器310中多工电路330选择将讯号in1+与讯号in1-分别耦接至讯号306+与讯号306-，解多工电路340选择将讯号out1-与讯号out1+分别耦接至讯号307-与讯号307+。感控开关SW301～SW306断路，并且使感控开关SW307～SW312导通。由取样电路351提供先前取样的像素讯号经由讯号端in1+与in1-传送至共享运算放大器310，经增益并输出为像素讯号148。此时后级增益器360以取样电路361取样像素讯号148。重复上述动作，增益电路140即可利用本发明将像素讯号131增益并输出为像素讯号141。

本实施例中多工电路330譬如包含多工器330a与多工器330b，而解多工电路340譬如包含解多工器340a与解多工器340b。多工器330a选择讯号in1+与讯号in2+并切换耦接至讯号306+。多工器330b选择讯号in1-与讯号in2-并切换耦接至讯号306-。解多工器340a选择讯号out1-与讯号out2-并切换耦接至讯号307-。解多工器340b选择讯号out1+与讯号out2+并切换耦接至讯号307+。

本实施例中感控开关譬如以传输闸(transmission gate)实施。图4是依照本发明较佳实施例绘示的另一种管线式增益电路。请参照图4，此图将图3的感控开关改以传输闸实施并完成管线式增益电路。其中取样电路451、放大电路452、取样电路461、放大电路462、共享运算放大器410分别对应于第3图之取样电路351、放大电路352、取样电路361、放大电路362、共享运算放大器310。于图4左侧中取样电路451的部分电路与前一级的像素取样电路(请参考图1A)相整合，因而减少组件数量。图4的电路架构类似于图3的电路架构，熟悉此技术者均可轻易类推，故其余未述及的部分在此不再赘述。

图5是一般管线式模拟/数字转换电路的方框图。管线式模拟/数字转换电路由多级转换电路510(例如有9级转换电路)所串接而成，每一级将模拟讯号中部分信息转换为较少位数(在此例如2位)的数字讯号511，而将原模拟讯号扣除已转换的部分后所剩余的模拟讯号加以放大并传递至下一级转换电路510。各级转换电路510所输出的数字讯号511皆耦接至数字修正电路520。数字修正(digital correction)电路520接收各级转换电路510所输出的数字讯号511(例如共有12位)，将所接收的数字讯号予以数字错误修正(digital error correction)并转换成最终的数字讯号(例如为10位的数字讯号)后输出。因为此管线式模拟/数字转换电路每一级皆具有取样/保持以及增益输出的特征，所以可以应用本发明以减少运算放大器的数量。

在此依照本发明再例举一较佳实施例，以说明本发明应用于管线式模拟/数字转换电路的实施范例。图6是依照本发明较佳实施例绘示的一种具有共享运算放大器的管线式模拟/数字转换电路。请参照图6，其中模拟/数字转换器620以及模拟/数字转换器630表示管线式模拟/数字转换电路中相邻二级转换电路，并且模拟/数字转换器620为模拟/数字转换器630的前级转换电路。每一级模拟/数字转换器皆有取样暨转换电路(如图中取样暨转换电路621或631)及放大电路(如图中放大电路622或632)。取样暨转换电路于取样期间(samplingphase)取样(自前一级电路)模拟讯号并保持于其中，同时将此模拟讯号转换并输出数字讯号。放大电路则于增益期间(gain phase)将取样暨转换电路所保持的模拟讯号减去已转换的部分后所剩余的模拟讯号增益输出。而当模拟/数字转换器620进入取样期间时，模拟/数字转换器630则于增益期间，反之，当模拟/数字转换器620进入增益期间时，模拟/数字转换器630则于取样期间。

当模拟/数字转换器620进入取样期间(亦即模拟/数字转换器630进入增益期间)时，于共享运算放大器610中，多工电路611选择讯号in2+与讯号in2-分别耦接至讯号614+与讯号614-，解多工电路613选择讯号out2-与讯号out2+分别耦接至讯号615-与讯号615+。感控开关SW601～SW609导通并且使感控开关SW610～SW618断路。此时模拟讯号(Vin1+，Vin1-)即被取样并保持于电容C61与C62中。模拟/数字转换器ADC1将模拟讯号(Vin1+，Vin1-)转换为，譬如说，二位数字讯号(D1，D2)。数字/模拟转换器DAC1则将数字讯号(D1，D2)转换为模拟讯号(Vref1+，Vref1-)，此模拟讯号(Vref1+，Vref1-)将于增益期间提供电容C61与C62的参考电压。模拟/数字转换器630由取样暨转换电路631提供先前保持于电容C65～C66中的模拟讯号(in2+，in2-)，经由运算放大电路612增益并输出获得模拟讯号(out2-，out2+)。

当模拟/数字转换器620进入增益期间(亦即模拟/数字转换器630进入取样期间)时，于共享运算放大器610中，多工电路611选择讯号in1+与讯号in1-分别耦接至讯号614+与讯号614-，解多工电路613选择讯号out1-与讯号out1+分别耦接至讯号615-与讯号615+。感控开关SW601～SW609断路并且使感控开关SW610～SW618导通。此时模拟/数字转换器620由取样暨转换电路621提供先前保持于电容C61～C62中的模拟讯号(in1+，in1-)，经由运算放大电路612增益并输出获得模拟讯号(Vin2+，Vin2-)。而模拟/数字转换器630即接收模拟讯号(Vin2+，Vin2-)并且取样/保持于电容C65与C66中。模拟/数字转换器ADC2将模拟讯号(Vin2+，Vin2-)转换为，譬如说，二位的数字讯号(D3，D4)。数字/模拟转换器DAC2则将数字讯号(D3，D4)转换为模拟讯号(Vref2+，Vref2-)，此模拟讯号(Vref2+，Vref2-)将于增益期间提供电容C65与C66的参考电压。

本实施例中共享运算放大器610与前一实施例的共享运算放大器310相似，因此不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内所作些许更动与润饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种共享运算放大器，应用于一管线式架构的电路中，该管线式架构包含多数个级电路，该些级电路依一预定时序轮流共享该共享运算放大器，该共享运算放大器包括：

一运算放大电路，用以接收并放大一第一讯号组，并输出对应的一第二讯号组；

一多工电路，具有多数个输入端组与一输出端组，依该预定时序轮流选择该些输入端组其中之一并将被选择的该输入端组耦接至该输出端组，每一该些输入端组分别耦接至对应的该些级电路其中之一以接收每一该些级电路的一第三讯号组，该输出端组耦接至该运算放大电路以输出该第一讯号组；

一解多工电路，具有一输入端组与多数个输出端组，依该预定时序轮流选择该些输出端组其中之一并将该输入端组耦接至被选择的该输出端组，该输入端组耦接至该运算放大电路以接收该第二讯号组，每一该些输出端组分别耦接对应的该些级电路其中之一以输出多数个第四讯号组。

2.根据权利要求1所述的共享运算放大器，其特征在于：是应用于一影像传感器的读出电路。

3.根据权利要求2所述的共享运算放大器，其特征在于：该影像传感器为互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

4.一种增益电路，具有一管线式架构，用以接收并放大一第一讯号组，且输出一第二讯号组，该增益电路包括：

一前级增益器，包括：

一前级取样电路，用以于一第一期间接收并取样该第一讯号组，进而保持取样结果为一第三讯号组；

一前级放大电路，用以于一第二期间接收并放大该第三讯号组，并输出一第四讯号组；

一后级增益器，耦接至该前级增益器，该后级增益器包括：

一后级取样电路，用以于该第二期间接收并取样该第四讯号组，进而保持取样结果为一第五讯号组；

一后级放大电路，用以于该第一期间接收并放大该第五讯号组，并输出该第二讯号组；

一共享运算放大器，包括：

一运算放大电路，用以接收并放大一第六讯号组，并输出对应的一第七讯号组；

一多工电路，耦接至该运算放大电路、该前级放大电路以及该后级放大电路，用以接收该第三讯号组以及该第五讯号组，于该第一期间与该第二期间分别选择该第五讯号组与该第三讯号，并输出为该第六讯号组；

一解多工电路，耦接至该运算放大电路、该前级放大电路以及该后级放大电路，用以接收该第七讯号组并于该第一期间与该第二期间分别切换提供为该第二讯号组与该第四讯号组。

5.根据权利要求4所述的增益电路，其特征在于：是应用于一影像传感器的读出电路。

6.根据权利要求5所述的增益电路，其特征在于：该影像传感器为互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

7.一种模拟/数字转换电路，具有一管线式架构，用以接收一第一模拟讯号，并输出对应的一第一数字讯号，该模拟/数字转换电路包括：

一前级模拟/数字转换器，包括：

一前级取样暨转换电路，用以于一第一期间接收并取样/保持该第一模拟讯号为一第二模拟讯号，将该第二模拟讯号转换产生对应的一第二数字讯号，并依该第二数字讯号转换产生对应的一第三模拟讯号，进而将该第二模拟讯号与该第三模拟讯号相减后获得并输出一第四模拟讯号，其中该第二数字讯号系该第一数字讯号的部分位讯号；

一前级放大电路，用以于一第二期间接收并放大该第四模拟讯号，并输出一第五模拟讯号；

一后级模拟/数字转换器，耦接至该前级模拟/数字转换器，该后级模拟/数字转换器包括：

一后级取样暨转换电路，用以于该第一期间接收并取样/保持该第五模拟讯号为一第六模拟讯号，将该第六模拟讯号转换产生对应的一第三数字讯号，并依该第三数字讯号转换产生对应的一第七模拟讯号，进而将该第六模拟讯号与该第七模拟讯号相减后获得并输出一第八模拟讯号，其中该第三数字讯号是该第一数字讯号的部分位讯号；

一后级放大电路，用以于该第一期间接收并放大该第八模拟讯号，并输出一第九模拟讯号；

一共享运算放大器，包括：

一运算放大电路，用以接收并放大一第十模拟讯号，并输出对应的一第十一模拟讯号；

一多工电路，耦接至该运算放大电路、该前级放大电路以及该后级放大电路，用以接收该第四模拟讯号以及该第八模拟讯号，于该第一期间与该第二期间分别选择该第八模拟讯号与该第四模拟讯号，并输出为该第十模拟讯号；

一解多工电路，耦接至该运算放大电路、该前级放大电路以及该后级放大电路，用以接收该第十一模拟讯号并于该第一期间与该第二期间分别切换提供为该第九模拟讯号与该第五模拟讯号。

8.根据权利要求7所述的模拟/数字转换电路，其特征在于：是应用于一影像传感器的读出电路。

9.根据权利要求8所述的模拟/数字转换电路，其特征在于：该影像传感器为互补式金氧半场效晶体管(CMOS)影像传感器。

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