CN1889626A - 一种模数转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模数转换器，应用于图像传感器，包括采样保持器、模数转换电路、参考电压源、纠正编码电路、时钟产生电路及各级子电路；所述的采样保持器采用可编程增益放大器；所述的参考电压源采用输出可控电压源；所述的模数转换器还包括控制模块：根据图像传感器采集的数据，输出控制信号控制可编程增益放大器与输出可控电压源。保证图像传感器的模拟输出与流水线ADC很好的吻合，提高图像传感器数字输出的动态范围，提高图像质量。

Description

一种模数转换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及微电子学的集成电路设计技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器用的模数转换器及其控制方法。

背景技术

当前数字处理技术蓬勃发展，但自然界存在的都是模拟信号，所以将模拟信号转换成数字信号的ADC被广泛的应用。比如，数码相机中，图像传感器将光信号转换成模拟电信号，然后就需要ADC将模拟电信号转换成数字信号，以供数字图像处理器处理。

常用的ADC根据其结构可分为全并行ADC、半并行ADC、插值ADC、和∑-ΔADC和流水线ADC等。在全并行ADC、半并行ADC、插值ADC的转换速度很高，但转换精度叫低。∑-ΔADC的转换精度最高，但转换的速度较低。流水线ADC具有高速和高精度的特点。图像传感器需要较高的精度和速度，因此流水线ADC被广泛的应用于图像传感器。

一般的流水线ADC的比较范围是固定的，并且不对输入的模拟信号做处理，就直接转换。但在不同的场景，图像传感器的模拟输出有较大的差异。因此不能保证在不同的场景图像传感器的模拟输出都与流水线ADC的比较范围吻合，影响图像传感器数字输出的动态范围，使得图像不饱和。

在普通流水线ADC中，如图1所示由以下模块构成：采样保持器101、各级子电路1021、1022，...102N、模数转换电路104、参考电压源105、纠正编码电路106、时钟产生电路107。子电路1021，1022，...102N的基本功能结构相同，包含三部分电路：模数转换电路(102a，103a，...10Na)、数模转换电路(102b，103b，...10Nb)和采样保持求差放大器(102c，103c，...10Nc)。可以根据不同的要求，可调整每一级子电路的分辨精度。

差分输入信号VS1和VS2被采样保持器101，采样并保持。通用流水线ADC中第一级采样保持器的作用是采集输入模拟信号，并保持差分模拟信号之差，为下一级子电路1021提供模拟输入，不提供放大作用。

在采样保持器101的保持阶段，采样保持器101输出模拟信号(sa1p、sa1n)给模数转换电路102a，模数转换电路102a将模拟信号量化，并将量化后的数字信号输入到纠正编码电路106和数模转化电路102b中。数模转化电路102b将数字信号转化为差分的模拟信号(da1p、da1n)，输入到采样保持求差放大器102c中，与采样保持器101输出的差分模拟输出信号(sa1p、sa1n)求差。采样保持求差放大器102c输出差分模拟信号sa2p-sa2n＝K*((sa1p-da1p)-(sa1n-da1n))。K是采样保持求差放大器102c的放大倍数，K的放大倍数与模数转化电路102a的量化位数有关，假设量化位数是s，则K＝2^s-1。在采样保持求差放大器102c的保持阶段，采样保持求差放大器102c为下一级子电路1022输出差分模拟信号sa2p、sa2n。

以后各级子电路1022，...102N的工作原理与1021相同。

最后一级子电路102N的输出差分模拟信号saNp、saNn给模数转换电路104。模数转换电路104将该差分信号转化成数字信号，提供给纠正编码电路106。

参考电压源105分别给采样保持器101、各级子电路1021、1022、...102N和模数转换电路104提供参考电压。通用流水线ADC结构的参考电压源的结构图如图2所示。带隙基准源电路1051产生1.25V电位，并输入到运算放大器正输入端。在n1点产生电压：

V(n1)＝1.25*(1+R1/R2)

节点n1上的电平通过缓冲器1054传输到n2，然后由分压电阻R3、R4和R5分压，在n3和n4产生所需电平。节点n2、n3和n4的电平通过缓冲器1056、1057和1058输出电平VREFT、VCM和VREFB，分别提供流水线ADC所需的上限电平、共模电平和下限电平。

纠正编码电路106是流水线ADC中的数字模块，它根据各级子电路1021、1022、...102N和模数转换电路104输出的数字信号，进行纠正编码。

上述的通用流水线ADC结构的采样保持器101的增益是固定增益1。图像传感器在不同的场景(白天、夜晚、雪地等)，CDS的输出电平有很大的差异。如果采用通用流水线结构的采样保持器101的结构，将会影响图像传感器输出的动态范围。通用流水线ADC中的参考电压源105为流水线ADC各个部分提供固定的电压。同样CDS的输出电平随场景变化有较大的变化，参考电压源105提供固定电压，不可能与各种场景下的CDS输出都吻合，从而影响图像传感器输出的动态范围，影响图像质量。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种模数转换器及其控制方法，保证图像传感器的模拟输出与流水线ADC很好的吻合，提高图像传感器数字输出的动态范围，提高图像质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模数转换器，应用于图像传感器，包括采样保持器、模数转换电路、参考电压源、纠正编码电路、时钟产生电路及各级子电路；

所述的采样保持器采用可编程增益放大器；

所述的参考电压源采用输出可控电压源；

所述的模数转换器还包括：

控制模块：根据图像传感器采集的数据，输出控制信号控制可编程增益放大器与输出可控电压源。

所述的可编程增益放大器的模拟输入端接模拟差分输入端；模拟输出端接下级子电路的模拟输入端；数字信号控制端接控制模块的输出控制信号。

所述的控制可编程增益放大器的控制模块输出控制信号包括输入电容控制信号和反馈电容控制信号。

所述的可编程增益放大器有采样状态与保持状态两个状态

所述的输出可控电压源控制端接控制模块的输出控制信号。

所述的控制可控电压源的控制模块的输出控制信号包括电压控制信号。

所述的控制模块包括：

数据采集模块：采集图像传感器的数据；

数据判断模块：根据数据采集模块所采集图像传感器的数据是否在合适的范围内；判断控制模块的输出控制信号是否正确；

数据调整模块：根据数据的大小调整控制模块的输出控制信号的大小，直到控制模块的输出控制信号正确。

一种模数转换器的控制方法，包括：

采集一帧图像传感器的数据，并根据该帧数据确定控制模块的输出控制信号是否正确，如正确则保持控制模块的输出控制信号不变，否则调整控制模块的输出控制信号的大小，直到控制模块的输出控制信号正确。

所述的调整控制模块的输出控制信号的大小过程包括：

A、如该帧数据偏小，则判断输入电容控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤B，否则，增加输入电容控制信号的值；

B、判断反馈电容控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤C，否则，减小反馈电容控制信号的值；

C、判断电压控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤D，否则，减小电压控制信号的值；

D、调整可编程增益放大器与输出可控电压源的设计参数。

所述的调整控制模块的输出控制信号的大小过程包括：

E、如该帧数据偏大，则判断输入电容控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤F，否则，减小输入电容控制信号的值；

F、判断反馈电容控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤G，否则，增加反馈电容控制信号的值；

G、判断电压控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤H，否则，增加电压控制信号的值；

H、调整可编程增益放大器与输出可控电压源的设计参数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明在一般流水线ADC的基础上，集成可编程增益放大器(PGA)和输出可控电压源，保证图像传感器的模拟输出与流水线ADC很好的吻合，提高图像传感器数字输出的动态范围，提高图像质量。

附图说明

图1为现有技术的模数转换器结构示意图；

图2为现有技术的模数转换器的参考电压源的结构图；

图3为本发明所述的模数转换器结构示意图；

图4为本发明所述的模数转换器结构的可编程增益放大器结构示意图一；

图5为本发明所述的模数转换器结构的可编程增益放大器结构示意图二；

图6为本发明所述的模数转换器结构的输出可控电压源结构示意图；

图7为本发明所述的控制模块的控制流程图。

具体实施方式

本发明将通用流水线ADC中的采样保持器101改为可编程增益放大器(PGA)，同时将参考电压源105改为输出可控电压源，改善图像传感器的动态范围。

本发明的结构如图3所示，本发明的流水线ADC由以下模块构成：可编程增益放大器(PGA)201、各级子电路2021、2022，...202N(N≥2)、模数转换电路204、输出可控电压源205、纠正编码电路206、时钟产生电路207和控制模块208。子电路2021，2022，...202N的基本功能结构相同，包含三部分电路：模数转换电路(202a，203a，...20Na)、数模转换电路(202b，203b，...20Nb)和采样保持求差放大器(202c，203c，...20Nc)。可以根据不同的要求，调整每一级子电路的分辨精度。采用本发明，能够根据图像传感器拍摄的场景差异，由控制模块208输出相应的数字控制信号输入电容控制信号CTRL1、反馈电容控制信号CTRL2和电压控制信号CTRL3，分别调节可编程增益放大器(PGA)201的放大倍数和输出可控电压源205输出电压，使ADC的转化范围能与CDS的输出范围吻合，从而提高图像传感器输出动态范围。

本发明可编程增益放大器(PGA)201的模拟输入端分别接模拟差分输入VS1和VS2，可编程增益放大器(PGA)201的模拟输出端分别接下级子电路2021的模拟差分输入sa1p和sa1n上，可编程增益放大器(PGA)201的数字控制信号接到控制模块208的输出信号上。

本发明的可编程增益放大器(PGA)201可采用图4的结构。PGA有两个工作状态：1：采样状态，2：保持状态。

在采样状态，开关2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015闭合；开关2013p、2013n和2018断开。差分输入信号VS1和VS2通过开关2011p、2011n分别输入到可变电容2016p和2016n上，给可变电容2016p和2016n充电。同时，可变电容2017p和2017n通过开关2014p和2014n接到VCM点。电容2016p和2017p上存储的电荷量之和为：

Qp＝Cs(VS1-Vincom)+Cf(VCM-Vincom)                (1)

电容2016n和2017n上存储的电荷量之和为：

Qn＝Cs(VS2-Vincom)+Cf(VCM-Vincom)                (2)

进入保持状态，开关2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015断开；开关2013p、2013n和2018闭合。节点n1和n2分别接到运算放大器2019的正、负输入端，运算放大器在闭环放大阶段，正负两端的电平近似相等，所以假设V(n1)＝V(n2)＝VX1。开关2018闭合，开关两端电平相等，设为VX2。

因此保持阶段，存储在电容2016p和2017p上的电荷之和为：

Qp′＝Cs(VX2-VX1)+Cf(Voutp-VX1)                  (3)

电容2016n和2017n上存储的电荷量之和为：

Qn′＝Cs(VX2-VX1)+Cf(Voutn-VX1)                  (4)

由于开关2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015断开。保持阶段和采样阶段，电容2016p和2017p上的电荷之和与电容2016n和2017n上存储的电荷量之和相同，即Qn′＝Qn，Qp′＝Qp

因此，Voutp-Voutn＝(VS1-VS2)Cs/Cf                 (5)

可编程增益放大器(PGA)201的增益G＝(Voutp-Voutn)/(VS1-VS2)＝Cs/Cf，可以通过调节可变电容2016p、2016n、2017p和2017n的值实现。可变电容2016p、2016n、2017p和2017n的电容值由数字信号CTRL1和CTRL2控制

图4中可变电容的电容值由控制模块208输出的数字信号CTRL1和CTRL2控制。可变电容2016p、2016n、2017p和2017n的电路结构相同，如图5所示，它由电容值是二进制权重的电容阵列和与之相连的开关组成。可变电容2016p和2016n的控制端CTRL与CTRL1相连，2017p和2017n的控制端CTRL与CTRL2相连，CTRL1和CTRL2的位数可以根据需要调整，两者位数不必相等。可变电容的控制端CTRL信号分别控制开关sw1_0、sw1_1、sw1_2，...sw1_n和sw2_0、sw2_1、sw2_2，...sw2_n。

输出可控电压源205的结构如图6所示。带隙基准源电路2051产生不随温度和电压变化的电位Vb，并输入到运算放大器正输入端。在n1点的电压V(n1)＝Vb*(1+R1/R2)。节点n1上的电平通过缓冲器2054传输到VCM，作为PGA 201与各级子电路的VCM电平。同时带隙基准源电路2051输出不随温度和电压变化的电流Ib。电流经过由MOS管205M3[0]、205M3[1]、...205M3[n]和开关sw[0]、sw[1]、...sw[n]组成的可编程镜像电流源，产生Io＝(j+k)*Ib，其中k等于MOS管205M2的W/L与MOS管205M1的W/L的比值，j的值由MOS管205M3[0]、205M3[1]、...205M3[n]的W/L与MOS管205M1的W/L的比值和控制信号CTRL3决定。MOS管205M3[0]、205M3[1]、...205M3[n]的W/L与MOS管205M1的W/L的关系可以根据控制的需要确定。假设MOS管205M2、205M3[0]、205M3[1]、...205M3[n]的W/L与MOS管205M1的W/L的比值为别为1、1、2、...2n-1，控制信号CTRL3值是010...0，则Io1＝(j+k)*Ib＝(2+1)*Ib。Io1经过205M7、205M6与205M5，205M3与205M4的镜像产生镜像电流Io，Io＝Io1。节点n2经过缓冲器2055输出电平VREFT，节点n3经过缓冲器205输出电平VREFB。

其中：VREFT＝VCM+Io*R3＝VCM+(j+k)*R3                (6)

VREFB＝VCM-Io*R4＝VCM-(j+k)*R4                      (7)

根据图像传感器拍摄的场景，由控制模块208输出控制信号CTRL3，通过调节调节电流Io，从而得到与CDS输出相吻合的VREFT和VREFB。

控制模块208的结构包括：数据采集模块、数据判断模块与数据调整模块，其中：

数据采集模块：采集图像传感器的数据；

数据判断模块：根据数据采集模块所采集图像传感器的数据是否在合适的范围内；判断控制模块的输出控制信号是否正确；

数据调整模块：根据数据的大小调整控制模块的输出控制信号的大小，直到控制模块的输出控制信号正确。

控制模块208的控制流程如图7所示。首先采集一帧数据(802)，判断这帧数据的范围是否合适(804)，如果合适说明控制模块208输出的控制信号CTRL1、CTRL2和CTRL3是正确的，保持CTRL1、CTRL2和CTRL3不变(805)。并进行下一帧数据采集(820)。

当判断出数据偏小，则需判断CTRL1是否最大值(806)，如果CTRL1不是最大值，控制模块208增加CTRL1的值，并保持CTRL2和CTRL3的值(807)。如果CTRL1是最大值，表明可变电容2011p、2011n的电容值已经最大，再判断CTRL2是否最小值(808)，如果CTRL2不是最小值，则保持CTRL1和CTRL3的值，减小CTRL2的值(809)。如果CTRL2是最小值，表明可变电容2017p和2017n的电容值已经是最小了，这时可编程增益放大器(PGA)201的增益最大，需要调节输出可控电压源205。判断CTRL3是否是最小值(810)，如果不是，则减小CTRL3的值，保持CTRL1和CTRL2的值(811)。如果CTRL3是最小值，调节输出可控电压源205的输出电压VREFT-VREFB已是最小值，说明整个流水线ADC的输出是最大值了，保持CTRL1、CTRL2、CTRL3不变(812)。有两个原因可造成这种状况：1、拍摄的场景非常暗，CDS的输出电平很低，造成输出数据较小，这种情况是正常的；2、可编程增益放大器(PGA)201的增益不够大，输出可控电压源205的输出电压VREFT-VREFB太大，设计合理的可编程增益放大器(PGA)201的增益和输出可控电压源205的输出电压VREFT-VREFB可以解决这个问题。

当判断出数据偏大，则需判断CTRL1是否最小值(813)，如果CTRL1不是最小值，控制模块208减小CTRL1的值，保持CTRL2和CTRL3的值(814)。如果CTRL1是最小值，表明可变电容2011p、2011n的电容值已经最小，再判断CTRL2是否最大值(815)，如果CTRL2不是最大值，则保持CTRL1和CTRL3的值，增加CTRL2的值(816)。如果CTRL2是最大值，表明可变电容2017p和2017n的电容值已经是最大了，这时可编程增益放大器(PGA)201的增益最小，需要调节输出可控电压源205。判断CTRL3是否是最大值(817)，如果不是，则增加CTRL3的值，保持CTRL1和CTRL2的值(818)。如果CTRL3是最大值，调节输出可控电压源205的输出VREFT-VREFB已是最大值，说明整个流水线ADC的输出是最小值了，保持CTRL1、CTRL2、CTRL3不变(819)。这种情况是可编程增益放大器(PGA)201的最小增益太大，输出可控电压源205的输出电压VREFT-VREFB最大值太小，合理设置可编程增益放大器(PGA)201的最小增益和输出可控电压源205的输出电压VREFT-VREFB最大值可以解决这个问题。

控制模块208调节完毕后，再采集数据(820)，并输出数据(821)。

通过调节本发明的可编程增益放大器(PGA)201的增益和输出可控电压源205的输出电压范围，使得ADC可以转换的模拟电路范围很好的与图像传感器拍摄的场景吻合，从而提高了图像传感器的输出动态范围，改善图像质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种模数转换器，应用于图像传感器，包括采样保持器、模数转换电路、参考电压源、纠正编码电路、时钟产生电路及各级子电路；其特征在于：

所述的采样保持器采用可编程增益放大器；

所述的参考电压源采用输出可控电压源；

所述的模数转换器还包括：

控制模块：根据图像传感器采集的数据，输出控制信号控制可编程增益放大器与输出可控电压源。

2、根据权利要求书1所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的可编程增益放大器的模拟输入端接模拟差分输入端；模拟输出端接下级子电路的模拟输入端；数字信号控制端接控制模块的输出控制信号。

3、根据权利要求书1或2所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的控制可编程增益放大器的控制模块输出控制信号包括输入电容控制信号和反馈电容控制信号。

4、根据权利要求书1或2所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的可编程增益放大器有采样状态与保持状态两个状态

5、根据权利要求书1所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的输出可控电压源控制端接控制模块的输出控制信号。

6、根据权利要求书1所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的控制可控电压源的控制模块的输出控制信号包括电压控制信号。

7、根据权利要求书1所述的一种模数转换器，其特征在于，所述的控制模块包括：

数据采集模块：采集图像传感器的数据；

数据判断模块：根据数据采集模块所采集图像传感器的数据是否在合适的范围内；判断控制模块的输出控制信号是否正确；

数据调整模块：根据数据的大小调整控制模块的输出控制信号的大小，直到控制模块的输出控制信号正确。

8、一种模数转换器的控制方法，其特征在于，包括：

采集一帧图像传感器的数据，并根据该帧数据确定控制模块的输出控制信号是否正确，如正确则保持控制模块的输出控制信号不变，否则调整控制模块的输出控制信号的大小，直到控制模块的输出控制信号正确。

9、根据权利要求书8所述的一种模数转换器的控制方法，其特征在于，所述的调整控制模块的输出控制信号的大小过程包括：

A、如该帧数据偏小，则判断输入电容控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤B，否则，增加输入电容控制信号的值；

B、判断反馈电容控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤C，否则，减小反馈电容控制信号的值；

C、判断电压控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤D，否则，减小电压控制信号的值；

D、调整可编程增益放大器与输出可控电压源的设计参数。

10、根据权利要求书8所述的一种模数转换器的控制方法，其特征在于，所述的调整控制模块的输出控制信号的大小过程包括：

E、如该帧数据偏大，则判断输入电容控制信号是否已经为最小值，如是执行步骤F，否则，减小输入电容控制信号的值；

F、判断反馈电容控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤G，否则，增加反馈电容控制信号的值；

G、判断电压控制信号是否已经为最大值，如是执行步骤H，否则，增加电压控制信号的值；

H、调整可编程增益放大器与输出可控电压源的设计参数。

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