TWI473436B - 具有多種類比數位轉換器模式之混合類比數位轉換器 - Google Patents

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Description

具有多種類比數位轉換器模式之混合類比數位轉換器
本發明一般而言係關於混合類比數位轉換器，且特定而言(而非排他地)係關於在一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器之讀出電路中所使用之彼等混合類比數位轉換器。
影像感測器係普遍存在的。其廣泛用於數位靜態相機、數位視訊攝影機、蜂巢式電話、安全攝影機、醫療裝置、汽車及其他應用中。
諸多影像感測器應用受益於一經增加高動態範圍(HDR)。一種增加斜波類比數位轉換器(ADC)電路之解析度之方式係藉由增加計數器解析度。此將增加計數器時間或將來自像素陣列之類比輸出電壓轉換成用於構建一數位影像之數位值所需之時間，此又將降低圖框速率。舉例而言，為將一斜波ADC解析度自10個位元增加至13個位元將使得計數器時間增加8倍且可將圖框速率減少幾乎八分之一。
在一斜波ADC中達成一經增加高動態範圍之另一方式係藉由減少斜波產生器上之雜訊。然而，此將增加電力消耗且需要矽面積以增加一影像感測器之高動態範圍。
可藉由參考以下說明及用於圖解說明實施例之隨附圖式來理解本發明。
在以下說明中，陳述眾多特定細節，諸如(舉例而言)，特定讀出電路，電壓斜波信號，校準電路操作次序等。然而，應理解，可在沒有此等特定細節之情形下實踐實施例。在其他例項中，為不使對此說明之理解模糊，尚未詳細地展示眾所周知之電路、結構及技術。
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之具有多個混合ADC 118之影像感測器100之一方塊圖。影像感測器100包含像素陣列110、控制電路120、讀出電路130及選用數位處理邏輯150。為使圖解簡明起見，所圖解說明之像素陣列110之實施例僅展示各自具有四個像素單元114之兩個行112。然而，應瞭解，實際影像感測器通常包含自數百至數千個行，且每一行通常包含自數百至數千個像素。此外，所圖解說明之像素陣列110係規則形狀的(例如，每一行112具有相同數目個像素)，但在其他實施例中，陣列可具有不同於所展示之一規則或不規則配置且可包含多於或少於所展示之像素、列及行。此外，在不同實施例中，像素陣列110可係經設計以在光譜之可見部分中擷取影像的包含紅色、綠色及藍色像素之一彩色影像感測器，或可係一黑白影像感測器及/或經設計以在光譜之非可見部分(諸如，紅外線或紫外線)中擷取影像之一影像感測器。在一項實施例中，影像感測器100係一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
在使用期間，在像素單元114已獲取其影像資料或電荷之後，可經由行讀出線或位元線116將類比影像資料(例 如，類比信號)或電荷自像素單元讀出至讀出電路130。經由位元線116將來自每一行112之像素單元114之類比影像資料一次一個像素地讀出至讀出電路130且然後將其轉移至混合ADC 118。
混合ADC 118係多模式ADC。具體而言，所圖解說明之混合ADC 118之實施例係雙模式ADC，該雙模式ADC具有：(1)逐次近似暫存器(SAR)ADC模式；及(2)斜波ADC模式。因此，每一ADC 118可使用SAR類比數位轉換來轉換類比影像資料之一部分，同時同一ADC 118使用斜波類比數位轉換來轉換該類比影像資料之另一部分。在一項實施例中，當在一SAR ADC模式中時，由混合ADC 118提供數位信號之M數目個最高有效位元(MSB)，而當在斜波ADC模式中時，由混合ADC 118提供數位信號之其餘N數目個最低有效位元(LSB)。來自讀出電路130之所得數位信號輸出可係一(M+N)位元數位輸出。在所圖解說明之實施例中，混合行ADC 118用於一影像感測器100中。然而，在其他實施例中，混合行ADC 118可用於其他半導體電路中。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例之混合ADC 200之一實例之一方塊圖。所圖解說明之混合ADC 200之實例包含取樣級202、比較器204、斜波信號產生器206、偏移級208、暫存器210、計數器212、控制電路214及選用記憶體220。混合ADC 200係圖1之混合ADC 118之一項可能實施方案。
如圖2中所展示，取樣級202經耦合以接收一類比輸入，在一項實例中該類比輸入可係來自一CMOS影像感測器之一行位元線之類比影像資料。一旦經取樣，開關218即可閉合以便取樣級202可提供一經取樣類比信號至比較器204之輸入205。因此，比較器204具有經耦合以接收該經取樣類比信號之一個輸入205及經耦合以接收一參考電壓VREF之另一輸入207。在一項實例中，參考電壓VREF係用於正取樣之當前像素之黑色位準電壓。如依據下文進一步說明將變得更清晰，混合ADC 200包含當在SAR ADC模式中時排他地使用之某些組件，及當在斜波ADC模式中時排他地使用之其他組件。然而，在兩種模式中使用比較器204以用於比較經取樣類比信號與參考電壓VREF。具有在類比數位轉換之模式之間共用之比較器204可減少積體電路之總體組件計數且因此減少裝置之製造成本及/或電力消耗。
圖2中亦展示偏移級208及暫存器210。偏移級208經耦合以選擇性地提供一可變偏移電壓VOFFSET 至比較器204之輸入205，而暫存器210經耦合以控制偏移級208以回應於比較器204之輸出209而設定偏移電壓VOFFSET 之一量值。因此，當混合ADC 200在SAR ADC模式中時，比較器204、暫存器210及偏移級208一起工作以提供數位信號之至少一個位元。當在SAR ADC模式中時，混合ADC 200自最高有效位元開始一次一個位元地逐次近似數位輸出值。當獲得每一數位輸出值時，將其寫入至記憶體220中。當在SAR ADC模式中時產生數位信號之M數目個位元之一混合ADC可花費大約M個時脈循環來完成其對M數目個位元之轉換。在一項實施例中，M數目個位元係數位信號之最高有效位元。
圖2進一步圖解說明斜波信號產生器206，斜波信號產生器206經耦合(藉助於電容器216)以提供一斜波信號VRAMP 至比較器204之輸入。當混合ADC 200在斜波ADC模式中時，斜波信號產生器206與計數器212及比較器204一起工作以提供數位信號之至少一個位元。舉例而言，在一項實施例中，計數器212經觸發以在斜波信號VRAMP 之一循環之開始時開始計數。斜波信號在比較器204之輸入205處使電壓變化。一旦輸入205處之電壓達到輸入207上之參考電壓VREF，比較器205之輸出209即觸發計數器212以停止其計數。然後，計數器212上之所得計數可讀出至記憶體220或以其他方式作為數位信號之一或多個位元之表示。在一項實施例中，混合ADC 200進入SAR ADC模式以產生數位信號之M數目個MSB，且然後進入至斜波ADC模式中以產生該數位信號之N數目個LSB。
在一項實施例中，舉例而言，VRAMP 可以具有每一循環下降至一最終電壓(例如，0 V)之一初始全比例電壓(VFS )之一鋸齒電壓斜波形式斜降。如所展示，計數器212之輸出耦合至記憶體220。計數器212可在VRAMP 斜降時遞增。以實例方式，計數器212可係一N位元計數器，其中N表示當在斜波ADC模式中時混合ADC之位元中之解析度。在每 一類比數位轉換期間，該N位元計數器可自0遞增至2N -1。以實例方式，在一8位元ADC電路之特定情形中，計數器可自0遞增至255，其中每一不同計數可表示在類比數位轉換期間來自類比輸入(例如，來自像素單元之類比影像資料)之電壓映射至之一不同數位位準。計數器212可在時脈循環期間遞增以使得一N位元類比數位轉換可花費大約2N 個時脈循環來完成。
當比較器204之輸入205及輸入207處之電壓匹配時，對應記憶體220可鎖存計數器212之輸出。計數器212之經鎖存輸出可表示在類比數位轉換期間來自像素單元之經放大類比輸入電壓已映射至之數位位準。然後，計數器212之經鎖存輸出可自記憶體220讀出至數位處理邏輯150。
因此，圖2中所展示之實例性混合ADC 200之實施例包含控制電路214，當在類比數位轉換之模式之間轉變時，控制電路214經組態以控制混合ADC 200之各種態樣。舉例而言，當在SAR ADC模式中時，控制電路214可經組態以停用斜波信號產生器206以使得不將斜波信號VRAMP 提供至比較器204之輸入205。控制電路214可進一步停用計數器212以停止計數，且可啟用暫存器210以回應於比較器204之輸出209而開始控制偏移級以設定偏移電壓VOFFSET 之一量值，這些全部係在SAR ADC模式中時進行。在一項實施例中，當斜波信號產生器206停用時，斜波信號產生器206經組態以提供一恆定非零電壓至比較器204之輸入205。
當在斜波ADC模式中時，控制電路214可經組態以啟用斜波信號產生器206來開始提供斜波信號VRAMP 至比較器204之輸入205且亦啟用計數器212以與斜波信號VRAMP 之一循環之開始同步地開始計數。控制電路214亦可停用暫存器210以使得偏移級208回應於比較器204之輸出209而不正提供偏移電壓VOFFSET 。
在一項實施例中，如受益於本發明之熟習此項技術者將明瞭，控制電路214包含一或多個邏輯電路、處理器及/或離散電路組件。在另一實施例中，控制電路214可包含於圖1之控制電路120中。
圖3A係圖解說明根據本發明之一實施例之混合ADC 300A之一更詳細實例之一方塊圖。所圖解說明的混合ADC 300A之實例包含比較器204A、斜波信號產生器206、暫存器210、計數器212、控制電路214、電容器216A、開關218A、取樣級302、偏移級308、行放大器310、回饋電容器312、等化器開關314、開關316A、電容器318A、記憶體320、325、330及335以及共同參考342。取樣級302之實例展示為包含開關336及取樣電容器338，而偏移級308之實例展示為包含偏移電容器C1、C2及C3以及互補開關對S1/、S2/及S3/。混合ADC 300A可係先前所提及之包含圖1之混合ADC 118及圖2之混合ADC 200之混合ADC中之任一者之一項實施方案。
在操作中，開關336將類比輸入選擇性地耦合至取樣電容器338之一個側，在一項實施例中，取樣電容器338具有 係回饋電容器312之彼電容之2M (例如，23 =8)倍之一電容。當開關336閉合時，類比輸入(例如，影像資料)取樣至取樣電容器338中。開關340將取樣電容器338之一個側選擇性地耦合至共同參考342(例如，接地電壓位準)以重設取樣電容器338。取樣電容器338之另一側耦合至行放大器310之輸入。
行放大器310之輸入經耦合以接收經取樣類比輸入以提供一恆定增益至輸入信號。在所圖解說明之實施例中，行放大器310之增益保持恆定為2M 倍(例如，8倍)。回饋電容器312耦合於行放大器310之輸入與輸出之間以形成一閉環增益。等化器開關314將行放大器310之輸入與輸出選擇性地耦合在一起以用於放大器偏移消除。開關218A將行放大器310之輸出選擇性地耦合至比較器204A之一第一輸入。
電容器216A耦合於比較器204A之第一輸入與由斜波產生器206產生之電壓斜波信號(VRAMP_A )之間。在SAR ADC模式期間，VRAMP_A 可保持在正非零電壓VFS 處。在斜波ADC模式期間，VRAMP_A 鋸齒自VFS 降至一最終電壓(例如，0 V)。在此期間，開關216A可斷開或閉合。
比較器204A之一第二輸入耦合至電容器318A之一個側。電容器318A之另一側耦合至共同參考342。開關316A將比較器204A之第二輸入與輸出選擇性地耦合在一起。在其中混合ADC 300A包含於一CMOS影像感測器之讀出電路中之實施例中，開關316A閉合以允許將一像素單元之重設或黑色位準取樣至電容器318A中。因此，在此實例中，與 經取樣類比影像資料比較之參考電壓表示彼像素單元之一重設或黑色位準。
偏移級308包含M(例如，3)數目個偏移電容器C1、C2及C3以及M(例如，3)對互補偏移開關S1/、S2/及S3/。控制偏移開關S1/、S2/及S3/之信號表示數位輸出之三個位元，其中控制偏移開關S3/之信號係該三個位元中之最高有效者，且控制偏移開關S1/之信號係該三個位元中之最低有效者。偏移電容器C1、C2及C3之電容經二進制加權，其中偏移電容器C2具有係C1之彼電容兩倍之一電容，且偏移電容器C3具有係C2之彼電容兩倍之一電容。
比較器204A之輸出耦合至暫存器210之輸入。暫存器210經組態以將每一對偏移開關選擇性地耦合至共同參考342或耦合至一參考電壓VREF 以提供各別偏移電壓至行放大器310之輸入。舉例而言，當開關S3閉合且開關斷開時，偏移電容器C3耦合至參考電壓VREF ，且提供一偏移電容至行放大器310之輸入處之信號。當開關S3斷開且開關閉合時，偏移電容器C3耦合至共同參考342且偏移電容器C3將對在行放大器310之輸入處之信號不具有一電容效應。由於控制偏移開關S1/、S2/及S3/之信號係彼此之補體，因此在任一既定時間，每一對開關中之僅一者將閉合。
當在SAR ADC模式中時，在達成M數目個位元(在此情形中，M=3)所需之M個時脈循環中之每一者期間，由控制 電路214提供之控制信號SIG3控制暫存器210以將偏移電容器C1、C2及C3中之每一者-一次一個-選擇性地耦合至VREF 。比較器204A將判定類比數位轉換之彼特定位元(例如，三個位元中之最高有效者)係一「1」還是一「0」。在SAR ADC模式期間由此轉換產生之數位值儲存於M位元記憶體330或335中。回應於比較器204A之輸出係一「1」還是「0」，暫存器210將藉此經由寫入控制信號SIG3而閉合或斷開各別偏移開關。
舉例而言，在三個時脈循環中之一第一者期間，判定三個位元中之最高有效者之數位輸出。控制信號SIG3可閉合偏移開關S3且斷開偏移開關，將參考信號VREF 耦合至偏移電容器C3之一個側。此將使在行放大器310之輸入處之類比信號偏移達二分之一VREF ，此乃因偏移電容器C3具有係取樣電容器338之彼電容之二分之一之一電容。比較器204A將比較行放大器310之輸出與由電容器318A提供之參考電壓(例如，重設/黑色位準信號)。若類比信號大於參考電壓，則比較器204A將輸出一「1」。若類比信號不大於參考電壓，則比較器204A將輸出一「0」。在此第一時脈循環中，比較器204A之輸出係混合ADC 300A之數位輸出之最高有效位元之數位表示。比較器204A之此輸出寫入至暫存器210中且將斷開或閉合偏移開關S3及。
在偏移開關S3及在先前時脈循環中設定之情形下，判定三個位元中之下一最高有效者之數位輸出。在一第二時脈循環期間，控制信號SIG3將偏移電容器C2選擇性地耦合 至參考信號VREF ，且比較器204A將判定下一數位位元係一「1」還是一「0」-此數位值儲存於M位元記憶體330或335以及暫存器210中。比較器204A之輸出「1」或「0」將經由寫入控制信號SIG3而分別閉合或斷開偏移開關S2-且將此值輸入至暫存器210。在一第三時脈循環期間，可使用此邏輯來獲得SAR ADC之最後數位MSB，此將完成混合ADC 300A之SAR ADC模式。
以實例方式，在一項實施例中，若經取樣類比輸入大於二分之一VREF ，則行放大器310之輸出將大於由電容器318A提供之參考電壓(例如，重設/黑色位準信號)，且比較器204A將輸出一「1」。然後，S3將由暫存器210保持閉合，且類比輸入之其餘部分(亦即，類比輸入減去二分之一VREF )係用於下一時脈循環之輸入。否則，當經取樣類比輸入小於二分之一VREF 時，比較器204A將輸出一「0」。此將致使暫存器210斷開開關S3，且將共同參考342耦合至偏移電容器C3。行比較器310之輸入將返回至原始經取樣類比輸入以用於下一時脈循環。
一旦MSB之數位輸出儲存於記憶體330或335中且3對偏移開關將一偏移電容設定為行放大器310之輸入，控制電路214即可將混合ADC 300A轉變為斜波ADC模式以獲得數位信號之LSB。
在斜波ADC模式期間，比較偏移且經取樣類比影像資料(例如，行放大器310之輸出)與參考電壓(例如，經取樣重設之信號)。當至比較器204A之兩個輸入係相等時，一寫 入信號可發送至N位元LSB記憶體320或325中之一者，在此時計數器212之當前值寫入至N位元LSB記憶體320或325中之一者。
在所圖解說明之實施例中，混合ADC 300A包含兩個N位元LSB記憶體320及325以及兩個M位元MSB記憶體330及335。藉由具有兩個N位元記憶體及兩個M位元記憶體可增加一影像感測器之圖框速率。可自一組N位元LSB記憶體及M位元MSB記憶體讀取來自圖1之數位處理邏輯150，同時讀出電路130使用混合ADC來判定來自位元線116之下一類比影像資料之M+N位元數位輸出。在另一實施例中，讀出電路130可包括一個N位元LSB記憶體及一個M位元MSB記憶體。
在一項實施例中，混合ADC之數位輸出係M+N個位元，或如在先前實例中，14個位元，其中SAR ADC模式提供該14個位元中之3個最高有效者，且斜波ADC模式提供其餘11個位元。在另一實施例中，可與本文中之教示一致地提供一Z位元混合ADC(其中Z係任一既定整數)。在又一實施例中，一SAR ADC模式可提供2個至5個位元，較佳地2個至4個位元，且斜波ADC模式可提供6個至12個位元，較佳地8個至11個位元。SAR ADC模式之範圍可受行放大器310之增益限制，而斜波ADC之範圍可受斜波類比數位轉換所需之時脈循環之指數增加數目限制。
在其中混合ADC 300A包含於一影像感測器(例如，圖1之影像感測器100)中之實施例中，像素陣列110之每一行 112可耦合至混合ADC 300A以使得SAR ADC模式及斜波ADC模式連續地執行。亦即，當在SAR ADC模式中時，混合ADC 300A可首先產生數位信號之MSB，退出該SAR ADC模式，且然後轉變為其中然後產生數位信號之LSB之斜波ADC模式。然而，在其他實施例中，一像素陣列之兩個單獨行可分時一個混合ADC。
以實例方式，圖3B係圖解說明根據本發明之一實施例之用於並行類比數位轉換之包含一額外比較器204B之一實例性混合ADC 300B之一方塊圖。混合ADC 300B亦展示為包含開關218B、電容器216B、開關316B及電容器318B。比較器204B經組態以與比較器204A類似地操作。然而，斜波信號產生器206經組態以產生一第二斜波信號VRAMP_B 且計數器212可包含數個內部獨立計數器(未展示)。
比較器204B之添加允許混合ADC 300B執行並行類比數位轉換。舉例而言，在SAR ADC模式中混合ADC 300B可開始使用比較器204A以用於產生數位信號之MSB，而在斜波ADC模式中仍使用比較器204B以用於產生一先前數位信號之LSB。亦即，在混合ADC 300B已完成產生先前數位信號之LSB之前，混合ADC 300B可開始產生一當前數位信號之MSB。此外，在混合ADC 300B已完成產生先前數位信號之LSB之前，混合ADC 300B亦可開始產生當前數位信號之LSB。
在一項實施例中，數位信號表示自一個行112取樣之影像資料，而先前數位信號表示自一不同行112取樣之影像 資料。在另一實施例中，數位信號與先前數位信號表示自同一行112但自彼單個行內之不同像素114取樣之影像資料。顯而易見，此並行類比數位轉換(亦即，產生MSB而亦同時產生LSB及/或產生一數位信號之LSB而亦同時產生一先前數位信號之LSB)可增加ADC 300B以其執行轉換之速率。舉例而言，如上文所提及，所揭示之混合ADC之斜波ADC模式可花費大約2N 個時脈循環來完成其對具有N數目個位元之一解析度之LSB之類比數位轉換，而SAR ADC模式可僅花費M個時脈循環來完成對M數目個MSB之類比數位轉換。因此，混合ADC之解析度可係M+N個位元，而僅花費大約2N 個時脈循環來完成對類比輸入之轉換。以圖解方式，包含於一影像感測器中之一3+10(亦即，M+N)混合ADC可提供13個位元之解析度，而圖框速率相當於具有僅10個位元之解析度之一斜波ADC之彼圖框速率。
此外，本發明之實施例可允許一影像感測器之電路設計者保持10個位元中所使用之相同斜波產生器，同時在一SAR ADC模式中藉由再使用行增益電容器(如偏移電容器)、比較器及僅添加一3位元暫存器(例如，暫存器210)來產生一額外3位元。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之使用一混合ADC之一實例性類比數位轉換程序400之一流程圖。將參考圖1、圖2及圖4至圖6闡述程序400。在程序方塊405中開始，取樣級202對經由行位元線116自像素單元114接收之類比影像資料(亦即，類比輸入)進行取樣。接下來，在視 情況放大經取樣信號(圖3A中所展示)之後，比較器204A在輸入205處接收類比影像資料。
然後，控制電路214致使混合ADC 200進入SAR ADC模式以用於產生數位影像資料(亦即，數位信號)之M數目個MSB。圖5之程序500圖解說明程序方塊415之一項可能實施方案。如圖5中所展示，程序方塊505包含經由一控制信號(例如，圖3A之SIG1)停用斜波信號產生器206之控制電路214。如上文所論述，當停用時，斜波信號產生器206可停止提供斜波信號VRAMP ，且替代地提供一恆定、正、非零電壓至比較器204A之輸入205。接下來，在程序方塊510中，控制電路214藉助於諸如圖3A之SIG2之一控制信號停用計數器212以停止計數。在程序方塊515中，控制電路214啟用SAR 210以開始控制偏移級208以回應於比較器204A之輸出209而提供偏移電壓VOFFSET 。程序方塊520圖解說明當在SAR ADC模式中時使用逐次近似來產生M數目個MSB之混合ADC 200。
現在返回至圖4，程序400繼續進行至程序方塊420，其中所產生之所得MSB儲存於記憶體220中或輸出以用於數位處理(例如，數位處理邏輯150)。接下來，在程序方塊425中，控制電路214致使混合ADC 200進入至斜波ADC模式中以用於產生數位影像資料之N數目個LSB。圖6之程序600圖解說明程序方塊425之一項可能實施方案。如圖6中所展示，程序方塊605包含控制電路214，控制電路214停用斜波信號產生器206以開始提供斜波信號VRAMP 至比較器 204A之輸入205。在一程序方塊610中，控制電路214啟用計數器212以開始計數。如上文所論述，在一項實施例中，由計數器212計數之開始可與斜波信號VRAMP 之每一循環之開始同時。程序方塊615圖解說明停用SAR 210之控制電路214。在一項實施例中，暫存器210之停用防止偏移級208回應於比較器204A之輸出209而產生偏移電壓VOFFSET 。程序方塊620圖解說明當在斜波ADC模式中時使用斜波類比數位轉換來產生N數目個LSB之混合ADC 200。然後，圖4之程序方塊420圖解說明儲存或寫入於記憶體220中或輸出以用於數位處理(例如，數位處理邏輯150)之所產生之所得MSB。可使用所得(M+N)位元數位輸出來增加一影像感測器之高動態範圍。
本文中所揭示之影像感測器可包含於一數位靜態相機、數位視訊攝影機、攝影機電話、圖片電話、視訊電話、攝錄影機、網路攝影機、一電腦系統中之攝影機、安全攝影機、醫療成像裝置、光學滑鼠、玩具、遊戲、掃描器、汽車影像感測器或其他類型之電子影像及/或視訊獲取裝置中。取決於實施方案，電子影像及/或視訊獲取裝置亦可包含其他組件，諸如(舉例而言)，用以發射光之一光源、以光學方式耦合以將光聚焦於像素陣列上之一或多個透鏡、以光學方式耦合以允許光通過一或多個透鏡之一快門、用以處理影像資料之一處理器及用以儲存影像資料之一記憶體，此處僅列舉幾個實例。
在說明及申請專利範圍中，可使用術語「經耦合」及 「經連接」連同其衍生詞。應理解，此等術語並非意欲作為彼此之同義詞。而是，在特定實施例中，「經連接」可用於指示兩個或兩個以上元件彼此直接實體或電接觸。 「經耦合」可意謂兩個或兩個以上元件直接實體或電接觸。然而，「經耦合」亦可意謂兩個或兩個以上元件並不彼此直接接觸，但仍彼此協作或相互作用。舉例而言，一校準電路可經由一介入開關與一行ADC電路耦合。
在上文說明中，出於闡釋之目的，已陳述眾多特定細節以便提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，可在沒有此等特定細節中之某些細節之情形下實踐一或多項其他實施例。提供所闡述之特定實施例並非為了限制本發明而是為了對其進行圖解說明。本發明之範疇將不由上文所提供之特定實例判定而是僅由下文申請專利範圍判定。在其他例項中，已以方塊圖形式或未詳細展示眾所周知之電路、結構、裝置及操作以便避免使對說明之理解模糊。
熟習此項技術者亦應瞭解，可對本文中所揭示之實施例(諸如(舉例而言)，對實施例之組件之組態、功能及操作方式以及使用)做出修改。等效於圖式中所圖解說明及說明書中所闡述之彼等關係之所有關係囊括於實施例內。進一步地，在認為適當之處，已在圖當中重複元件符號或元件符號之末端部分以指示對應或類似元件，該等對應或類似元件可視情況具有類似特徵。
已闡述各種操作及方法。雖然已在流程圖中以一基本形 式闡述該等方法中之某些方法，但可視情況將操作添加至該等方法及/或自該等方法移除。另外，雖然流程圖展示根據實例性實施例之操作之一特定次序，但應理解，彼特定次序係例示性的。替代實施例可視情況以不同次序執行操作、組合某些操作、重複某些操作等。可對該等方法做出諸多修改及改動且本發明涵蓋此諸多修改及改動。
一或多項實施例包含一製造物件(例如，一電腦程式產品)，該製造物件包含一機器可存取及/或機器可讀媒體。該媒體可包含提供(舉例而言，儲存)呈可由機器存取及/或讀取之一形式之資訊之一機構。該機器可存取及/或機器可讀媒體可提供或其上儲存有一或多個指令及/或資料結構或者一指令及/或資料結構序列，若由一機器執行該一或多個指令及/或資料結構或者該指令及/或資料結構序列則致使或導致機器執行及/或致使機器執行本文中所揭示之圖中所展示之操作或方法或技術中之一或多者或一部分。
在一項實施例中，機器可讀媒體可包含一有形非暫時機器可讀儲存媒體。舉例而言，該有形非暫時機器可讀儲存媒體可包含一軟磁碟、一光學儲存媒體、一光碟、一CD-ROM、一磁碟、一磁光碟、一唯讀記憶體(ROM)、一可程式化ROM(PROM)、一可抹除且可程式化ROM(EPROM)、一電子可抹除且可程式化ROM(EEPROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一靜態RAM(SRAM)、一動態RAM(DRAM)、一快閃記憶體，一相變記憶體或其一組 合。有形媒體可包含一或多個固體或有形實體材料，諸如(舉例而言)，一半導體材料、一相變材料、一磁性材料等。
適合機器之實例包含但不限於：數位相機、數位視訊攝影機、蜂巢式電話、電腦系統、具有像素陣列之其他電子裝置及能夠擷取影像之其他電子裝置。此等電子裝置通常包含與一或多個其他組件(諸如一或多個儲存裝置(非暫時機器可讀儲存媒體))耦合之一或多個處理器。因此，一既定電子裝置之儲存裝置可儲存用於在彼電子裝置之一或多個處理器上執行之碼及/或資料。另一選擇係，一實施例之一或多個部分可使用軟體、韌體及/或硬體之不同組合來實施。
亦應瞭解，在此說明書通篇中對「一項實施例」、「一實施例」或「一或多項實施例」之提及(舉例而言)意謂一特定特徵可包含於本發明之實踐中。類似地，應瞭解，出於簡化本發明及幫助理解各種發明性態樣之目的，在說明中有時將各種特徵一起組合於一單個實施例、圖或其說明中。然而，本發明之此方法不應解釋為反映本發明需要比明確陳述於每一請求項中之特徵多特徵的一意圖。而是，如以下申請專利範圍反映：發明性態樣可在於少於單項所揭示實施例之所有特徵。因此，藉此將跟在實施方式後面的申請專利範圍明確併入至此實施方式中，其中每一請求項獨立地作為一單獨實施例。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧像素陣列
112‧‧‧行
114‧‧‧像素單元/像素
116‧‧‧位元線
118‧‧‧混合類比數位轉換器/混合行類比數位轉換器
120‧‧‧控制電路
130‧‧‧讀出電路
150‧‧‧選用數位處理邏輯/數位處理邏輯
200‧‧‧混合類比數位轉換器
202‧‧‧取樣級
204‧‧‧比較器
204A‧‧‧比較器
204B‧‧‧比較器/額外比較器
205‧‧‧輸入
206‧‧‧斜波信號產生器/斜波產生器
207‧‧‧輸入
208‧‧‧偏移級
209‧‧‧輸出
210‧‧‧暫存器/逐次近似暫存器
212‧‧‧計數器
214‧‧‧控制電路
216‧‧‧電容器
216A‧‧‧電容器
216B‧‧‧電容器
218‧‧‧開關
218A‧‧‧開關
218B‧‧‧開關
220‧‧‧選用記憶體/記憶體
300A‧‧‧混合類比數位轉換器
300B‧‧‧混合類比數位轉換器
302‧‧‧取樣級
308‧‧‧偏移級
310‧‧‧行放大器
312‧‧‧回饋電容器
314‧‧‧等化器開關
316A‧‧‧開關
316B‧‧‧開關
318A‧‧‧電容器
318B‧‧‧電容器
320‧‧‧記憶體/N位元最低有效位元記憶體
325‧‧‧記憶體/N位元最低有效位元記憶體
330‧‧‧記憶體/M位元記憶體/M位元最高有效位元記憶體
335‧‧‧記憶體/M位元記憶體/M位元最高有效位元記憶體
336‧‧‧開關
338‧‧‧取樣電容器
340‧‧‧開關
342‧‧‧共同參考
C1‧‧‧偏移電容器
C2‧‧‧偏移電容器
C3‧‧‧偏移電容器
S1‧‧‧開關/偏移開關
‧‧‧開關/偏移開關
S2‧‧‧開關/偏移開關
‧‧‧開關/偏移開關
S3‧‧‧開關/偏移開關
‧‧‧開關/偏移開關
SIG1‧‧‧控制信號
SIG2‧‧‧控制信號
SIG3‧‧‧控制信號
VOFFSET ‧‧‧可變偏移電壓/偏移電壓
VRAMP ‧‧‧斜波信號
VRAMP_A ‧‧‧電壓斜波信號
VRAMP_B ‧‧‧第二斜波信號
VREF ‧‧‧參考信號
VREF‧‧‧參考電壓
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之具有多個混合ADC之一影像感測器之一方塊圖。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例之一實例性混合ADC之一方塊圖。
圖3A係圖解說明根據本發明之一實施例之一混合ADC之一更詳細實例之一方塊圖。
圖3B係圖解說明根據本發明之一實施例之用於並行類比數位轉換之包含一額外比較器之一實例性混合ADC之一方塊圖。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之使用混合ADC之一實例性類比數位轉換程序之一流程圖。
圖5係圖解說明當在逐次近似暫存器ADC模式中時用於使用一混合ADC之類比數位轉換之一程序之一流程圖。
圖6係圖解說明當在斜波ADC模式中時用於使用一混合ADC之類比數位轉換之一程序之一流程圖。
200‧‧‧混合類比數位轉換器
202‧‧‧取樣級
204‧‧‧比較器
205‧‧‧輸入
206‧‧‧斜波信號產生器/斜波產生器
207‧‧‧輸入
208‧‧‧偏移級
209‧‧‧輸出
210‧‧‧暫存器/逐次近似暫存器
212‧‧‧計數器
214‧‧‧控制電路
216‧‧‧電容器
218‧‧‧開關
220‧‧‧選用記憶體/記憶體
SIG1‧‧‧控制信號
SIG2‧‧‧控制信號
SIG3‧‧‧控制信號
VOFFSET ‧‧‧可變偏移電壓/偏移電壓
VRAMP ‧‧‧斜波信號
VREF‧‧‧參考電壓

Claims (26)

  1. 一種混合類比數位轉換器(ADC)，其具有用於產生一數位信號之至少一個位元之一逐次近似暫存器(SAR)ADC模式及用於產生該數位信號之至少一個額外位元之一斜波ADC模式，該混合ADC包括：一取樣級，其經耦合以接收一類比輸入並對該類比輸入進行取樣；一比較器，其具有一輸入，該比較器經耦合以比較該取樣級之一輸出與一第一參考電壓；一斜波信號產生器，其經耦合以選擇性地提供一斜波信號至該比較器之該輸入；一偏移級，其經耦合以選擇性地提供一可變偏移電壓至該比較器之該輸入；一暫存器，其經耦合以控制該偏移級以回應於該比較器之一輸出而設定該偏移電壓之一量值；一計數器，其耦合至該比較器之該輸出以當該ADC在該斜波ADC模式中時提供一數位計數；及一控制電路，其經耦合以控制該斜波信號產生器及該暫存器，其中，當在該SAR ADC模式中時，該控制電路經組態以啟用該暫存器來控制該偏移級以回應於該比較器之該輸出而設定該偏移電壓之該量值；及當在該斜波ADC模式中時，該控制電路經組態以，啟用該斜波信號產生器以提供該斜波信號至該比較 器之該輸入；及啟用該計數器以回應於該比較器之該輸出而開始提供該數位計數。
  2. 如請求項1之混合ADC，其中，當在該SAR ADC模式中時，該控制電路進一步經組態以，停用該斜波信號產生器；及停用該計數器，及當在該斜波ADC模式中時，該控制電路進一步經組態以停用該暫存器以便該偏移級回應於該比較器之該輸出而不正提供該偏移電壓。
  3. 如請求項1之混合ADC，其中該偏移級包含複數個二進制加權電容器，該複數個二進制加權電容器經耦合以回應於由該暫存器對該等二進制加權電容器中之一或多者之選擇性啟用而提供該偏移電壓。
  4. 如請求項3之混合ADC，其中該偏移級進一步包含用於該等二進制加權電容器中之每一者之至少兩個互補開關，其中當該至少兩個互補開關中之一第一者閉合以將一個二進制加權電容器耦合至一第二參考電壓時啟用該二進制加權電容器，且其中當該至少兩個互補開關之一第二者閉合以將該二進制加權電容器耦合至一共同參考時停用該二進制加權電容器。
  5. 如請求項1之混合ADC，其中該斜波信號產生器經組態以當該斜波信號產生器停用時提供一恆定非零電壓至該 比較器之該輸入。
  6. 如請求項1之混合ADC，其中該混合ADC當在該SAR ADC模式中時產生該數位信號之一或多個最高有效位元，且當在該斜波ADC模式中時產生該數位信號之一或多個最低有效位元。
  7. 如請求項6之混合ADC，其進一步包括具有一輸入之一第二比較器，該第二比較器經耦合以比較該取樣級之一第二輸出與一第三參考電壓，其中該混合ADC經組態以在該混合ADC已完成產生一先前數位信號之該等最低有效位元之前開始產生該數位信號之該一或多個最高有效位元。
  8. 如請求項7之混合ADC，其中該混合ADC經組態以在該混合ADC已完成產生該先前數位信號之該一或多個最低有效位元之前開始產生數位信號之該一或多個最低有效位元。
  9. 如請求項1之混合ADC，其中當在該SAR ADC模式中時由該混合ADC產生之位元之一數目小於當在該斜波ADC模式中時由該混合ADC產生之位元之數目。
  10. 一種用於產生數位影像資料之影像感測器，該影像感測器包括：一像素陣列，其包含配置成列及行以用於擷取類比影像資料之複數個像素單元；一位元線，其耦合至在該像素陣列之一行內之像素中之至少一者；及 讀出電路，其耦合至該位元線以自該至少一個像素讀出該類比影像資料，該讀出電路包含一混合類比數位轉換器(ADC)，該混合ADC具有用於產生該數位影像資料之至少一個位元之一逐次近似暫存器(SAR)ADC模式及用於產生該數位影像資料之至少一個額外位元之一斜波ADC模式，該混合ADC包含：一取樣級，其經耦合以接收該類比影像資料並對該類比影像資料進行取樣；一比較器，其具有一輸入，該比較器經耦合以比較該取樣級之一輸出與一第一參考電壓；一斜波信號產生器，其經耦合以選擇性地提供一斜波信號至該比較器之該輸入；一偏移級，其經耦合以選擇性地提供一可變偏移電壓至該比較器之該輸入；一暫存器，其經耦合以控制該偏移級以回應於該比較器之一輸出而設定該偏移電壓之一量值；一計數器，其耦合至該比較器之該輸出以當該ADC在該斜波ADC模式中時提供一數位計數；及一控制電路，其經耦合以控制該斜波信號產生器及該暫存器，其中，當在該SAR ADC模式中時，該控制電路經組態以啟用該暫存器來控制該偏移級以回應於該比較器之該輸出而設定該偏移電壓之該量值；及當在該斜波ADC模式中時，該控制電路經組態以， 啟用該斜波信號產生器以提供該斜波信號至該比較器之該輸入；啟用該計數器以回應於該比較器之該輸出而開始提供該數位計數。
  11. 如請求項10之影像感測器，其中，當在該SAR ADC模式中時，該控制電路進一步經組態以，停用該斜波信號產生器；及停用該計數器；及當在該斜波ADC模式中時，該控制電路進一步經組態以停用該暫存器以便該偏移級回應於該比較器之該輸出而不正提供該偏移電壓。
  12. 如請求項10之影像感測器，其中該偏移級包含複數個二進制加權電容器，該複數個二進制加權電容器經耦合以回應於由該暫存器對該等二進制加權電容器中之一或多者之選擇性啟用而提供該偏移電壓。
  13. 如請求項12之影像感測器，其中該偏移級進一步包含用於該等二進制加權電容器中之每一者之至少兩個互補開關，其中當該至少兩個互補開關中之一第一者閉合以將一個二進制加權電容器耦合至一第二參考電壓時啟用該二進制加權電容器，且其中當該至少兩個互補開關中之一第二者閉合以將該二進制加權電容器耦合至一共同參考時停用該二進制加權電容器。
  14. 如請求項10之影像感測器，其中該斜波信號產生器經組 態以當該斜波信號產生器停用時提供一恆定非零電壓至該比較器之該輸入。
  15. 如請求項10之影像感測器，其中該第一參考電壓係該至少一個像素之一黑色位準電壓。
  16. 如請求項10之影像感測器，其中該混合ADC當在該SAR ADC模式中時產生該數位影像資料之一或多個最高有效位元，且當在該斜波ADC模式中時產生該數位影像資料之一或多個最低有效位元。
  17. 如請求項16之影像感測器，其中該混合ADC進一步包括具有一輸入之一第二比較器，該第二比較器經耦合以比較該取樣級之一第二輸出與一第三參考電壓，其中該混合ADC經組態以在該混合ADC已完成產生一先前數位影像資料之該等最低有效位元之前開始產生該數位影像資料之該一或多個最高有效位元。
  18. 如請求項17之影像感測器，其中該混合ADC經組態以在該混合ADC已完成產生該先前數位影像資料之該一或多個最低有效位元之前開始產生數位影像資料之該一或多個最低有效位元。
  19. 如請求項10之影像感測器，其中當在該SAR ADC模式中時由該混合ADC產生之位元之一數目小於當在該斜波ADC模式中時由該混合ADC產生之位元之數目。
  20. 一種藉助一混合類比數位轉換器(ADC)將類比影像資料轉換成數位影像資料之方法，該方法包括：對自一影像感測器之一行位元線接收之該類比影像資 料進行取樣；在該混合ADC之一比較器之一輸入處接收該經取樣類比影像資料，其中該比較器經耦合以比較該類比影像資料與一第一參考電壓；當該混合ADC在一逐次近似暫存器(SAR)類比數位轉換器(ADC)模式中時藉助該混合ADC產生該數位影像資料之一或多個最高有效位元(MSB)；及當該混合ADC在一斜波ADC模式中時藉助該混合ADC產生該數位影像資料之一或多個最低有效位元。
  21. 如請求項20之方法，其中該SAR ADC模式包含：停用該混合ADC之一斜波信號產生器；停用該混合ADC之一計數器；及啟用該ADC之一暫存器以回應於該比較器之一輸出而設定提供至該比較器之該輸入之一偏移電壓之一量值。
  22. 如請求項21之方法，其中該斜波ADC模式包含：啟用該混合ADC之該斜波信號產生器；啟用該混合ADC之該計數器；及停用該ADC之該暫存器以便回應於該比較器之該輸出而不提供該偏移電壓至該比較器之該輸入。
  23. 如請求項20之方法，其中該第一參考電壓係該至少一個像素之一黑色位準電壓。
  24. 如請求項20之方法，其中當在該SAR ADC模式中時由該混合ADC產生之該等MSB之一數目小於當在該斜波ADC模式中時由該混合ADC產生之LSB之數目。
  25. 如請求項20之方法，其進一步包括在完成一先前數位影像資料之該等LSB之一產生之前開始該產生該數位影像資料之該一或多個MSB。
  26. 如請求項25之方法，其進一步包括在完成該先前數位影像資料之該等LSB之該產生之前開始該產生該數位影像資料之該一或多個LSB。
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