TWI489786B - 類比至數位轉換的假多取樣方法系統及裝置 - Google Patents

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Description

類比至數位轉換的假多取樣方法系統及裝置
本發明是有關於電子電路以及方法，且特別是有關於類比至數位轉換器系統、方法以及裝置。
類比至數位轉換器(analog－to－digital converter，ADC)被廣泛使用在將連續訊號轉換為離散數位碼(discrete digital number)的電子裝置。典型的是，類比至數位轉換器是將輸入類比電壓或電流轉換為數位碼的電子裝置。類比至數位轉換器的解析度(resolution)指出離散值(discrete value)的數量可以提供大於類比電壓或電流值的範圍。離散值一般以二進位元表格(binary form)形式被電子化存儲。因此，解析度通常被表示為許多的位元，因為可得到的離散值的數量(量子化位準(quantization levels))通常是2的乘方。例如，具有8位元的解析度的類比至數位轉換器可以將類比輸入編譯為256個不同的量子化位準中的一個。
一個被廣泛使用的類比至數位轉換器是生成鋸齒訊號的斜波比較(ramp－compare)類比至數位轉換器，此鋸齒訊號斜升然後快速地降至0。當斜波開始時，計時器開始計數。當斜波電壓與類比輸入訊號相比較時，比較器工作，然後計時器的值被記錄。斜波比較類比至數位轉換器在許多應用中被廣泛使用，例如，在互補金屬氧化物半導體影像感測器(CMOS Image Sensors，CIS)中其被廣泛 使用在，例如，小巧的數位相機(compact digital cameras)。互補式金屬半導體影像感測器被高度地集成並且可以提供平行列像素讀出裝置(column－parallel pixel read－out)，所以平行列類比至數位轉換器可以被提供。在這些平行列類比至數位轉換器中，藉由使用普通的斜波電壓發生器以及控制器，可以提供多個斜波比較類比至數位轉換器。
在類比至數位轉換器中，雜訊可能是個問題。雜訊也許在類比輸入訊號中、在數位輸出訊號中和/或在類比至數位轉換器本身中被產生。為人所熟知的是藉由使用多取樣技術來減少雜訊，其中類比訊號被轉換為數位值多次然後被轉換的值的平均數被用作最終輸出。因為雜訊一般是無關聯的，所以在進行多取樣的更長的類比至數位轉換時間和/或存儲多個數位值然後平均此值的額外記憶體的額外硬體的複雜性的潛在的消耗方面，多取樣加上取平均值可以減少雜訊。
根據本發明的各種實施例，藉由在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣類比訊號，類比訊號被轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值。重複地取樣包括預定數量的位元的預定量子化位準。因此獲得多個更低的解析度取樣結果。多個更低的解析度取樣結果被合計以獲得具有預定數量的位元的數位值。重複地更低的解析度取樣以及合計可以被稱作“假多取樣(pseudo－multiple sampling)”，因為多取樣在比被預定 數量的位元規定的解析度低的解析度下進行，以及重複地更低的解析度取樣的結果被合計，而不是被平均，因而更低的解析度取樣結果的總數提供出數位值。
在一些實施例中，重複地取樣類比訊號包括藉由使用一系列斜升以及斜降取樣電壓重複地取樣類比訊號。系列的斜升以及斜降取樣電壓可以包括一系列樓梯、安定坡(constant slope)和/或多種斜率(非樓梯)的斜升以及斜降取樣電壓。此外，重複地取樣可以藉由在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣類比訊號並使用在重複地取樣中的相互偏移的量子化位準而進行。量子化位準可以被均等地隔開和/或被不均等地隔開。
在一些實施例中，類比訊號藉由使用2N /M量子化位準被重複地取樣，其中N是預定數量的位元。此外，在一些實施例中，量子化位準可以在重複地取樣中以至少一個相當於數位值的最低有效位元(Least Significant Bit，LSB)的量子化位準相互偏移。在其他的實施例中，一系列的具有斜升以及斜降電壓總數為M的斜波電壓(例如，M/2斜升以及M/2斜降電壓)被生成，其中各個斜升以及斜降電壓包括大小為M的2N /M斜波電壓階躍。在其他的實施例中，直接隨後(即，緊接在後的)的斜波電壓結束時的電壓與直接前面(即，在前的)的斜波電壓開始時的電壓不同。在其他的實施例中，系列的斜波電壓的開始電壓以及結束電壓包括預定數量的位元的全部的量子化位準。
在其他的實施例中，當斜波電壓相當於類比訊號時，在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣類比訊號包括重複地將類比訊號與一系列斜波電壓相比較以及重複地識別更低的解析度數位值。然後合計可以藉由合計被識別的更低的解析度數位值進行。在其他的實施例中，類比訊號與系列的斜波電壓的總和可以被比作是參考電壓(reference voltage)。在其他的實施例中，重複地將類比訊號與系列的斜波電壓相比較可以與解釋偏移原因同時進行。在其他的實施例中，一系列的具有斜升以及斜降電壓總數為M的斜波電壓可以被生成，其中斜波電壓每單位時間增加或減少相當於預定量子化位準的電壓達M次。
根據本發明的其他實施例，影像感測方法可以包括對電磁能(諸如光線)入射做出反應以感測像素的方式從影像生成類比訊號以及將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值。轉換可以藉由在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣類比訊號來進行，以使重複地取樣包括預定數量的位元的預定量子化位準，以獲得多個更低的解析度取樣結果。多個更低的解析度取樣結果被合計，以獲得具有預定數量的位元的數位值。在一些實施例中，重複地取樣包括藉由使用一系列樓梯、安定坡和/或多種斜率的斜升以及斜降取樣電壓重複地取樣類比訊號。在其他的實施例中，藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣類比訊號M次，其中N是預 定數量的位元，以及在重複地取樣中的量子化位準相互偏移。在此所描述的任何或全部的其他實施例可以在通過影像感測器/方法被使用的類比至數位轉換器/方法中被使用。
根據本發明的其他實施例，將類比訊號轉換為具有預定數量的位元的數位值的方法包括重複地將類比訊號轉換為具有比預定數量的位元少的位元的數位值，以獲得多個具有比預定數量的位元少的位元的數位值。多個具有比預定數量的位元少的位元的數位值被合計以獲得具有預定數量的位元的數位值。
根據本發明的一些實施例，用於將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量化間距(quantization step)的位元的數位值的類比至數位轉換器包括斜波發生器(ramp generator)、比較器(comparator)以及計數器(counter)。斜波發生器被設置用於生成一系列具有至少一個斜升以及至少一個斜降電壓的斜波電壓，其中斜升以及斜降電壓每單位時間以多個(大於一個)的預定量化間距增加或減少。比較器被設置用於當至少一個斜升電壓以及至少一個斜降電壓相當於類比訊號時重複地將類比訊號與系列的斜波電壓相比較以識別多次。計數器支援比較器並且當至少一個斜升電壓以及至少一個斜降電壓相當於類比訊號時被配置用於重複地合計單位時間的數位值多次，以獲得數位值。在一些實施例中，斜波發生器此外被配置用於生成至少一個第二斜波電壓；當此至少一個第二斜波電壓相當於偏移 電壓(offset voltage)時比較器此外被配置用於將此至少一個第二斜波電壓與此偏移電壓相比較以識別至少一次以及當此至少一個第二斜波電壓相當於此偏移電壓時計數器被配置用於減去至少一次的數位值。偏移補償可因此被獲得。在此所描述的任何或全部的實施例也可以在這些類比至數位轉換器和/或對應的方法中被使用，以及也可以通過影像感測器/方法被使用。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
通過參考展示本發明的實施例的附圖，本發明在下文中被更詳細地描述。然而，本發明可以以許多不同的方式被體現並且不應該解釋為限定在此所展示的實施例。在一定程度上，提供這些實施例以使本揭露徹底和完全，並且為熟習此技藝者更充分地表達本發明的範疇。
可以理解的是，當元件涉及諸如在另一個元件(以及其變體(variants))之上、與另一個元件(以及其變體)連接、連接另一個元件(以及其變體)或響應(responsive to)另一個元件(以及其變體)時，此元件可以直接地在另一個元件之上、與另一個元件連接、連接另一個元件或支援另一個元件或者可以有插入的元件存在。相比之下，當元件涉及諸如直接地在與另一個元件(以及其變體)上、直接地與與另一個元件(以及其變體)連接、直接地連接 與另一個元件(以及其變體)或直接地響應與另一個元件(以及其變體)時，沒有插入的元件存在。相同的標號自始至終地代表相同的元件。正如於此所使用的，術語“和/或”包括一個或更多的關聯列出的專案的任何以及全部組合物以及可以縮簡為“/”。
可以理解的是，雖然術語第一、第二等等可以於此使用以描述各種元件(elements)、組分(components)、區域(regions)、層(layers)和/或部分(sections)，但是這些元件、組分、區域、層和/或部分不應該被這些術語限定。這些術語只是用以區別一個元件、組分、區域、層或部分與另一個元件、組分、區域、層和/或部分。因此，在不脫離本發明之精神和範圍內，以下所述的第一元件、組分、區域、層或部分可以被稱為第二元件、組分、區域、層或部分。
於此所使用的術語只是為了描述特定的實施例而並非用以限定本發明。正如於此所使用的，單數形式"一"、"一個"、以及"這個"也可以用來包括複數形式，除非上下文另外有明確的提示。此外可以理解的是，術語"包括,""包含,""包括,""包含"以及其變體，當在此說明書中被使用時，詳細說明規定的特徵(features)、整體(integers)、步驟(steps)、操作(operations)、元件(elements)和/或組分(components)的存在，但在其中並不排除一個或更多其他的特徵、整體、步驟、操作、元件、組分和/或其族群的存在或增加。
除非另外定義，於此所使用的所有術語(包括技術的以及科學的術語)具有如一般理解一個本發明所屬專業的普通技術相同的意思。此外，需要理解的是術語，例如在常用詞典裡定義的那些術語，應該解釋為具有與相關專業上下文意思相一致的意思以及不會被理想化地或過度正式地理解，除非於此有明確定義。
可以理解的是，正如於此所使用的，術語“行(row)”或“平行的”以及“列(column)”或“垂直的”提示兩個可能相互直角的相對的非平行的方向。然而，這些術語也被用於包括不同的方向。
根據本發明的實施例，參考方法、系統以及電腦程式產品(computer program product)的方塊圖以及流程圖本發明在以下部分地被描述。可以理解的是，在方塊圖或流程圖中方塊圖或流程圖的區塊(block)以及區塊的組合通過電腦程式指令(computer program instruction)至少可以部分地被執行。這些電腦程式指令可以被提供給一個或更多的公司、應用、個人的、普遍的和/或嵌入式電腦系統，以便於指令，通過電腦系統產生用於執行在方塊圖區塊或多個區塊被指定的功能/行動的手段(means)、單元(modules)、裝置或方法而生效。一般用途電腦系統和/或專用設備的組合物也可以在其他的實施例中被使用。
這些電腦程式指令也可以被存儲在電腦系統的記憶體中並且可以管理電腦系統以特別的方式工作，以便被存儲在記憶體中的指令可以提供包括電腦讀出程式碼 (computer－readable program code)的產品，此電腦讀出程式碼執行在區塊或多個區塊中被指定的功能/行動。電腦程式指令也可以被裝載進電腦系統以生成一系列可被電腦系統執行以生成電腦執行工序的操作步驟，以使在處理器上執行的指令提供用於執行在區塊或多個區塊中指定的功能/行動的步驟。因此，方塊圖和/或流程圖的規定的區塊或多個區塊提供對方法、電腦程式產品和/或系統(結構的和/或方式加功能(means－plus－function))的支援。
同樣應該注意的是，在一些交替的執行中，被記錄在流程圖中的功能/行動可以不按照被記錄在流程圖中的順序發生。例如，圖示接連的兩個區塊可能實質上被同時執行或者多個區塊可能有時依相反的順序被執行，這取決於複雜的功能/行動。最後，一個或更多區塊的功能可以是單獨的和/或與其他區塊的功能聯合。同樣應該理解的是，在許多已經裝備一些基於微處理器計算能力(microprocessor－based computational capability)的系統中，方塊圖的區塊可以被植入在微處理器上執行的操作和/或應用程式。
圖1是根據本發明的一些實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。如圖1所示，這些實施例將類比輸入訊號112轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值122。如在圖1所示，取樣在區塊110在比被數位值122的預定數量的位元規定的解析度低的解析度下進行。比被預定數量的位元規定的解析度低的解析 度可以於此被稱作“更低的解析度”。區塊110的重複地更低的解析度取樣來獲得多個更低的解析度取樣結果114。控制器130被配置用以控制取樣110以在112在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下提供類比訊號的重複地取樣。在一些實施例中，重複地取樣被配置以便重複地取樣包括預定數量的位元的預定量子化位準。通過不同的規定，在一些實施例中，重複地取樣進行足夠多的次數以使預定數量的位元的所有量子化位準被包括在重複地取樣中。加法器(summer)120響應更低的解析度取樣區塊110以及控制器130以合計多個更低的解析度取樣結果來獲得具有預定數量的位元的數位值122。
根據本發明的各種實施例，圖2是將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的操作的流程圖。如在圖2所示，在區塊210，類比訊號的取樣在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下進行，以便重複地取樣包括預定數量的位元的預定量子化位準。多個更低的解析度取樣結果被獲得。在區塊220，結果被合計。在區塊230，決定是否需要更多的取樣以及如果是的話，重複區塊210以及220的操作。因此，重複地取樣以及合計因而被提供。
根據本發明的各種實施例，許多重複地取樣以及合計的詳細的實施例在下面被描述。然而，一般而言，預定的量子化位準可以被均等地隔開和/或被不均等地隔開。此外，在區塊110/210的重複地取樣期間，被使用的量子化 位準可以相互偏移。此外，在區塊110/210取樣進行的解析度可以是在區塊130/230取樣進行的次數的函數(function)。尤其是，如果想要取樣訊號M次以及預定數量的位元是N然後在區塊110/210進行的取樣的更低的解析度可以使用2N /M量子化位準。此外，在一些實施例中，量子化位準可以相互逐個地偏移。在其他的實施例中，它們可以以至少一個相當於數位值的最低有效位元的量子化位準偏移。
圖3是根據本發明的其他實施例的類比至數位轉換器的方塊圖。在這些實施例中，更低的解析度取樣可以藉由使用斜波發生器314以及比較器312在區塊310進行。斜波發生器314可以被配置用以生成一系列具有至少一個斜升電壓以及至少一個斜降電壓的斜波電壓，其中斜升電壓以及斜降電壓每單位時間以多個(大於一個)預定量化間距(quantization step)增加或減少，以因此提供多個更低的解析度斜升以及斜降電壓。比較器312被配置用以重複地將類比輸入訊號112與系列的斜波電壓相比較，以當斜升電壓以及斜降電壓相當於類比訊號時識別多次。先前的實施例的加法器120可以被計數器(counter)320包括，此計數器320響應比較器312以及當斜升電壓以及斜降電壓相當於類比訊號時此計數器320被配置用以重複地合計多次的單位時間的數位值，以獲得數位值。控制器330可以通過發生器控制多個更低的解析度斜升以及斜降電壓的生成以及通過計數器320控制計數。
因此，圖3展示可以藉由使用一系列斜升以及斜降取樣電壓進行重複地取樣的本發明的實施例。正如將要於此更詳細描述的是，斜升以及斜降電壓可以包括一系列樓梯、安定坡(constant slope)和/或多種斜率(非樓梯)的斜升以及斜降取樣電壓。此外，在一些實施例中，藉由生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降電壓(例如，M/2斜升電壓以及M/2斜降電壓)的斜波電壓藉由使用2N /M量子化位準類比訊號被重複地取樣M次，其中各個的斜升以及斜降電壓包括大小為M的2N /M斜波電壓階躍。在其他的實施例中，直接隨後的斜波(例如，緊隨其後的下降斜波)結束時的電壓與直接前面的斜波開始時的電壓不同。在其他的實施例中，系列的斜波電壓的開始電壓以及結束電壓包括預定數量的位元的所有量子化位準。在其他的實施例中，M斜升以及斜降電壓每單位時間以相當於預定量子化位準的電壓增加或減少M次。此外，重複地取樣藉由重複地將類比訊號與系列的斜波電壓相比較以及當斜波電壓相當於類比訊號時重複地識別數位值而進行。合計可以藉由合計被識別的數位值而進行。
圖3展示本發明的其他的實施例，其藉由重複地將類比訊號轉換為具有比預定數量少的位元的數位值而將類比訊號轉換為具有預定數量的位的數位值，以獲得多個具有比預定數量少的位的數位值。多個具有比預定數量少的位的數位值被合計，以獲得具有預定數量的位的數位值。
圖4以及5分別是相當於圖1以及3的本發明的其他 的實施例的方塊圖，但包括提供類比輸入訊號112的影像感測器410。影像感測器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器、電荷耦合組件(charge coupled device)、光電二極體(photodiode)和/或任何其他的習知的影像感測器。
根據本發明的各種實施例，在比被預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣類比訊號以獲得多個更低的解析度取樣結果，然後合計多個更低的解析度取樣結果以獲得數位值的許多實施例可以被提供。一些實施例將被介紹並且也有關於圖3以及5的方塊圖，其中有多個更低的解析度斜升以及斜降電壓發生器314存在。
尤其是，圖6展示M次的提供具有N位元解析度的數位值的假多取樣。第一(左側)列M＝1展示藉由在每次使用N位元解析度的習成的單次取樣或習成的多取樣。在圖6圖解的意圖，N＝4，即，4位元解析度，提供24 或16量子化位準階躍(Quantization Level Steps，QLS)。如在M＝1(第一)列所示，訊號可以在4位元量子化被取樣一次。此外在習知的多取樣中，在N位元解析度中訊號可以被取樣多次，以及可以取得平均值。
圖6，M＝2的中心列展示根據本發明的一些實施例的假多取樣，其中兩個取樣(M＝2)藉由使用2N /M或8量子化位準而進行，其中在兩個量子化位準之間有一個1位元的偏移。由於不同的規定，兩個量子化位準以至少一個相當於數位值的最低有效位元(LSB)的量子化位準偏移。 同樣，圖6(M＝4)的右側列展示4次多取樣以及24 /4的量子化位準或4量子化位準。此外，在取樣中在量子化位準之間有1位元的偏移存在。由於中間的列(M＝2)以及右側的列(M＝4)，最後的輸出是各個取樣結果的總數。根據本發明的各種實施例，圖6(M＝4)的右側列也展示4斜波電壓U1、U2、D1以及D2，其分別代表第一升斜波、第二升斜波、第一降斜波以及第二降斜波電壓並可以被提供用於在減少的解析度下進行多取樣。這些斜波將在圖8B被更詳細地描述。因為輸出雜訊一般是無關聯的，所以每次A/D轉換的輸出雜訊可以被減少至1/M位準。減少的輸出雜訊可以因此由在一定程度上類似於多取樣的本發明的實施例而提供。然而，中間結果(intermediate results)以及圓周平場法(averaging circuit)的存儲不需要被提供。
根據本發明的各種其他實施例，圖7展示習知的多取樣以及假多取樣的結果的實施例。尤其是，圖7展示將類比輸入1以及類比輸入2轉換為數位的結果，其中類比輸入1相當於13數位，以及類比輸入2相當於4數位。參考展示習知的單次取樣或習知的多取樣的M＝1的左側列，N位元的二進位數字(binary number)具有2N 量子化位準。因此，在圖7，N＝4，0－15的值被包括。如果0－15V的輸入訊號範圍被提供，量子化位準的數量是16所以量子化位準階躍(Quantization Level Step，QLS)是M＝1的1伏特。藉由使用16量子化位準，訊號輸入1被轉換為13的輸出碼1以及訊號輸入2被轉換為4的輸出碼2。
參考圖7的中間列，如果假取樣的數量是2(M＝2)，那麼16/2或8量子化位準被用於每個取樣，其中量子化位準以1位元的值(即，以1伏特在本實施例)相互偏移。兩個取樣的結果被合計以便用於輸出碼1，6加7合計得出13的正確值(correct value)以及用於輸出碼2，2加2合計得出4的正確值。
最後，參考圖7的右側列，4次假取樣(M＝4)，4量子化位準圖案被使用，參考在圖7如QLP1－QLP4。如在圖7所示，展示更低的解析度的QLP1－QLP4之間具有4V的差距。此外，在QLP1與QLP2之間的電壓差距是1V，QLP1與QLP3之間的電壓差距是2V，以及QLP1與QLP4之間的電壓差距是3V。同樣要注意的是，只要圖案相互不同取樣的順序並不要緊。圖7的底部右側也展示正確輸出碼被接收。尤其是，類比輸入1的輸入碼的四次更低的解析度取樣提供3＋3＋3＋4或13的輸出碼1，以及類比輸入2的四次更低的解析度取樣提供1＋1＋1＋1 or 4的輸出碼2。
圖7的實施例在2的乘方(即，M＝2以及M＝4)使用重複地取樣。然而，M可以是任何整數以及不一定是2的乘方。例如，圖8展示M＝2以及M＝4正如在圖7的示例，但也展示藉由使用類比輸入的相同實施例是如何獲得M＝3以及M＝5時的正確結果。
根據本發明的各種實施例，圖9A以及9B藉由使用假多取樣展示類比至數位轉換器。如在圖9A所示，類比 至數位轉換器包括可以包括使用數位至類比轉換器的多個更低的解析度斜波發生器314。斜波發生器314生成應用於比較器312的多個升以及降斜波316。比較器312重複地將斜波316與類比輸入訊號112相比較然後提供計數器啟動訊號(counter enable signal，CNT_ENb)912，此計數器啟動訊號用於允許計數器320對計數器時鐘訊號(counter clock signal，CNT_CLK)914作出反應並計算以生成數位值122的計數器輸出，此計數器輸出相當於具有預定數量的位元的數位值。各種斜波也在圖9A裡被展示。斜波1是習知的鋸齒斜波，當單次取樣(M＝1)被執行或當習知的具有平均的多取樣被執行時此鋸齒斜波可以被使用。圖9B(1)展示M＝1時的取樣同時展示鋸齒斜波、計數器啟動訊號以及10的計數器輸出。相等的安定坡(constant slope)斜波被圖示為虛線。
圖9A的第二斜波，參考如斜波2，相當於具有M＝2以及4位元的解析度的假多取樣。因此，一個升斜波以及一個降斜波如在圖9B(2)中所示被使用。5和5的取樣被獲得以致10的計數器輸出也被提供。也如在圖9B(2)所示，升斜波以及降斜波之間以一個量子化位準相距。
圖9B(3)展示假多取樣4次，其相當於圖9A的斜波3。升以及降斜波U1、D1、U2以及D2相當於圖6的升以及降斜波。同樣如圖所示，在鄰近斜波之間有至少一個如在圖9B(3)所示的被圈出的偏移的最低有效位元偏移存在。10的正確結果通過計數器輸出被展示。最終，圖 9B(4)相當於M＝8的圖9A的斜波4。此外，10的正確結果通過計數器輸出被展示。
對於熟習此技藝者，可以理解的是，斜波電壓316可以是具有分立級(discrete level)的樓梯電壓950a、960b或可以是同樣圖示為虛線的安定/多斜率非樓梯斜波950c、950d。斜波950c、950d可以具有如圖9B的升斜波950c所示的安定坡或可以在其中部分具有如斜波950d所示的不同斜率。尤其是，降斜波950d包括在其中兩個不同的部分的兩個不同的斜率以適應量子化位準偏移。同樣在圖10中展示不同的斜率以適應不同的偏移，其中可以在規定的斜波中使用單一的升斜率US3，或可以在規定的斜波使用多斜率DS3、DS4、US4、US5、DS5、DS6。注意到，圖10相當於圖9B(3)的實施例，但更詳細地展示不同的斜率。
在本發明的各種實施例中，只要總數為M的斜升以及斜降電壓被使用，被使用的系列的斜升以及斜降電壓可以相當地變化，其中M是大於1的以及斜波電壓每單位時間以多個(大於1)量子化位準增加或減少。由於不同的規定，斜波電壓在每個計數器的時鐘週期(clock cycle)增加或減少一個以上的量子化位準。例如，圖9A的計數器時鐘訊號914如在圖9B(2)－(4)所示增加計數器輸出。在習知的多取樣中，如在圖9B(1)中所示，樓梯鋸齒斜波增加每單位時間的量子化位準的數量。相比之下，根據在圖9B(2)－(4)所示的本發明的實施例，斜波電壓每單位時 間(即，計數器時鐘的每一單位)以多個(大於1)量子化位準增加或減少。
圖11A－11F展示當4位元解析度(N＝4)以及重複地取樣(M)被使用時可以被提供的斜波電壓的一些變化。在圖11A－11E，除安定坡以及多斜率非樓梯電壓(虛線)以外，樓梯斜波電壓被展示(實線)。
參考圖11A，除在每一個方向第一時鐘在斜率上改變以外，所示的M＝4以及斜波電壓具有完全相同的斜率。每一個第一時鐘上升的斜率(除第一上升斜率之外)在M/2－1或1是相同的以及每一個第一下降時鐘的斜率在－M/2也是相同的。
在圖11B，除每個方向的第一時鐘改變斜率以外，M＝4以及完全相同的斜率也被提供。換句話說，方向改變的每一個第一時鐘的斜率是不同的。圖11B展示只要獲得足夠的轉換結果量子化的順序並不緊要。此外，圖11B的實施例可以具有如圖11A的實施例相同的雜訊抑制能力(suppression capability)。
圖11C展示斜波甚至不需要從最低的量子化位準開始。在圖11C中，M＝8。同樣，量子化的順序不緊要。
圖11D展示每次上升或下降斜波的任意的非樓梯斜率，但是在上升以及下降的相同時期。在圖11D中，M＝4。11D的實施例與圖11A的實施例相比較具有更低的雜訊抑制。然而，如在圖11D的底部所示，正確的類比至數位轉換結果被獲得。
圖11E展示每次上升以及下降斜波的任意的非樓梯斜率以及每次上升以及下降斜波的不同時期。同樣，M＝4。這些實施例與圖11A相比較可能具有相對地更低的雜訊抑制能力，但提供正確的類比至數位轉換結果。
圖11F展示另一個實施例其中M＝16，以便多取樣的次數與量子化的位準相同。因此，在圖11F中，每一次上升以及下降開始的量子化位準包括正常的A/D轉換的全部量子化位準。同樣，獲得正確的結果。
因此，根據本發明的各種實施例，圖11A－11F的實施例展示量子化位準可以被均等地隔開或不均等地隔開；斜波可以是一系列樓梯、安定坡和/或多種斜率非樓梯的斜升以及斜降電壓；量子化位準可以相互偏移；量子化位準可以以至少1位元相互偏移；大小為M的階躍的M斜波電壓可以被提供；直接隨後的斜波結束時的電壓與直接之前的斜波開始時的電壓不同；系列的斜波電壓的開始電壓以及結束電壓可以包括預定數量的位元的全部量子化位準；以及斜波電壓可以每單位時間以多個(大於1)量子化位準大小增加或減少。
根據本發明的其他實施例，圖12A是組合電路以及類比至數位轉換器的方塊圖而圖12B是其中的時序圖。在圖12A的實施例，從影像感測器410輸出的類比訊號112被加進由多個低解析度斜波發生器314生成的多個低解析度斜波電壓316並且與在比較器312中的偏壓(bias voltage)Vb相比較。使用習知的鋸齒斜波發生器的圖12A的實施 例被描述在題為“A 60 mW 10b CMOS Image Sensor With Column－To－Column FPN Reduction”的刊物中，由Sugiki 等人在IEEE International Solid－State Circuits Conference 108－109(2000)上發表，公開的內容已經結合在本申請中。因此，詳細的操作不需要在此被描述。圖12B的時序圖展示用於M＝4的取樣的斜波電壓x2。
圖13A以及13B展示其他實施例其中斜波訊號以及輸入訊號在比較器中被直接地比較。降以及升斜波次序x2在圖13B的時序圖中被展示。圖12A以及13A的實施例可以在類比至數位轉換器自身中減少雜訊並且由於功率波動(power fluctuation)也可以抑制雜訊
圖14A以及14B展示藉由並聯電容器至地以及從圖13A的儀器中消除S1開關也可以減少訊號相位(signal phase)的像素雜訊的其他實施例。圖14A以及14B的實施例可以抑制訊號相位的像素雜訊。然而，重置相位(reset phase)的像素雜訊不可能被多取樣抑制，因為當開關S3被關時重置訊號的雜訊被取樣。
相比之下，圖15A/B以及16A/B的實施例也可以通過偏移相減(offset subtraction)以及多取樣取樣重置相位的像素雜訊以及減少或消除雜訊以抑制偏移取樣相位並因此增加偏移類比至數位轉換結果的準確性。尤其是，圖15A展示本發明的其他實施例，其中像素以及類比至數位轉換器雜訊可以被減少。尤其是，如在圖15A以及15B所示，在應用系列的升以及降斜波1510a之前一小規模系列的偏 移補償斜波(offset compensating ramp)1510b被應用。此外，在圖15B中由被圈出的in1所示的起始偏移電壓可以被用於補償比較器的偏移電壓的損失。升/降計數器1520被使用。使用習知的鋸齒樓梯斜波的圖15A的實施例被描述在由Yoshihara等人在IEEE Journal of Solid－State Circuits 41(12)：2998－3006(2006)發表的題為"A 1/1.8－inch 6.4 Mpixel 60 frames/s CMOS Image Sensor With Seamless Mode Change"；由Nitta等人在IEEE International Solid－State Circuits Conference(2006)發表的題為"High－Speed Digital Double Sampling with Analog CDS on Column Parallel ADC Architecture for Low－Noise Active Pixel Sensor"；由Muramatsu發明的美國專利7,129,883號；以及Muramatsu等人發明的美國專利7,088,279號，公開的內容已經結合在本申請中。因此，這些實施例不需要在此被詳細地描述。
圖16A以及16B展示使用補數計數器(complement counter)1620而不是升/降計數器1520的本發明的其他實施例。使用鋸齒樓梯斜波電壓的具有補數計數器的DAC被描述在由Ham等人發明的美國專利申請號第11/887,027標題為"Digital Double Sampling Method,a Related CMOS Image Sensor,and a Digital Camera Comprising the CMOS Image Sensor"，此專利已指定給本發明的代理人，公開的內容已經結合在本申請中。因此，圖16A以及16B的實施例不需要在此被詳細地描述。
根據本發明的各種實施例，圖17是使用假多取樣類比至數位轉換器1740的互補金屬氧化物半導體影像感測器系統的方塊圖。如在圖17所示，假多取樣類比至數位轉換器1740包括比較器312、計數器320以及存儲結果以提供感測器輸出的記憶體裝置1710。這些裝置被控制器控制，此控制器可以包括計時控制器(timing controller)1730a、資料匯流排控制邏輯(DBUS control logic)電路1730b以及行控制邏輯(row control logic)電路1730c。圖18展示包括比較器312、斜波發生器314以及計數器320的其他實施例。如圖所示，普遍的斜波發生器以及控制器可以被提供用於像素的列。
根據本發明的各種實施例，圖19A以及19B展示雜訊降低的模擬。藉由使用C語言編寫的程式以及具有0.5最低有效位元偏移的模擬熱雜訊的模擬性高斯雜訊(simulated white Gaussian noise)，這些模擬被實現。在每一狀況下，模擬被重複1000000次。
根據本發明的實施例，圖19A展示用於假多取樣類比至數位轉換器以及使用鋸齒波的習知的多取樣類比至數位轉換器的RMS輸入雜訊與RMS輸出雜訊。多取樣理論以及飽和漸近線的結果也被展示。根據本發明的實施例，圖19B展示用於習知的類比至數位轉換器以及假多取樣類比至數位轉換器的RMS輸入雜訊與RMS輸出雜訊。
圖19A展示對於小規模數量的多取樣來說，相同的雜訊減少效果可以如在習知的多取樣中一樣通過本發明的實 施例被獲得。此外，根據本發明的實施例，對於更大數量的多取樣，雜訊甚至可以進一步被減少。尤其是，對於M<RMS輸入雜訊，雜訊減少可以與習知的多取樣相同：。此外，對於更大值的M(M大於或等於4σin)，雜訊可以被減少至。
根據本發明的各種實施例，假多取樣可以與習知的多取樣截然不同。習知的多取樣類比至數位轉換器可以取樣訊號多次然後平均結果以減少雜訊。然而，習知的多取樣需要M次標準的A/D轉換時間以及需要包括用於存儲結果然後進行平均的記憶體以及算數單元的數位區塊。鮮明對比的是，本發明的實施例可以取樣訊號多次但在降低的解析度以及不同的偏移量子化位準下，可以僅僅合計結果。因此，假多取樣不需要使用額外時間以及不需要使用額外的構件(building blocks)，但可以具有幾乎相同的雜訊抑制能力。
根據本發明的各種實施例，類比至數位轉換的假多取樣方法、系統以及裝置可以與習成的斜波比較類比至數位轉換器一樣使用斜波電壓發生器以及比較器。然而，根據本發明的實施例深度的以及重大的不同被提供，因為斜波電壓不是鋸齒電壓，而是，或多或少，多個被配置用於允許取樣在更低的解析度發生的斜升以及斜降電壓，以及僅僅被加入以提供正確數位值的假多取樣的結果。因此，雖然斜波比較類比至數位轉換器的總體架構(overall architecture)可以被使用，但是，當允許簡化的電路被使 用時，除相等的雜訊降低以外深度的不同可以允許更有效率的類比至數位轉換發生。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧更低的解析度取樣區塊
112‧‧‧類比輸入訊號
114‧‧‧更低的解析度取樣結果
120‧‧‧加法器
122‧‧‧數位值
130‧‧‧控制器
210、220、230‧‧‧流程圖的區塊
310‧‧‧區塊
312‧‧‧比較器
314‧‧‧斜波(電壓)發生器
316‧‧‧多個升以及降斜波
320‧‧‧計數器
330‧‧‧控制器
410‧‧‧影像感測器
912‧‧‧啟動訊號
914‧‧‧時鐘訊號
950a、960b‧‧‧分立級的樓梯電壓
950c、950d‧‧‧斜波
1510a‧‧‧升以及降斜波
1510b‧‧‧偏移補償斜波
1520‧‧‧升/降計數器
1730a‧‧‧計時控制器
1730b‧‧‧資料匯流排控制邏輯電路
1730c‧‧‧行控制邏輯電路
1740‧‧‧假多取樣類比至數位轉換器
CNT_ENb‧‧‧啟動訊號
CNT_CLK‧‧‧時鐘訊號
D1、D2‧‧‧降斜波
DS4、DS5、DS6、US3、US4、US5、DS3‧‧‧斜率
QLP1－QLP4‧‧‧解析度
QLS‧‧‧量子化位準階躍
U1、U2‧‧‧升斜波
圖1是根據本發明的一些實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。
圖2是根據本發明的各種實施例的用於將類比訊號轉換為數位值的操作的流程圖。
圖3是根據本發明的其他實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。
圖4是根據本發明的其他實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。
圖5是根據本發明的其他實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。
圖6是根據本發明的各種實施例的假多取樣的圖解。
圖7是根據本發明的其他實施例的假多取樣的圖解。
圖8是根據本發明的其他實施例的假多取樣的圖解。
圖9A是根據本發明的其他實施例的類比至數位轉換系統、方法以及裝置的方塊圖。
圖9B(1)－(4)是根據本發明的各種實施例的斜波電壓的圖解。
圖10是根據本發明的各種實施例的可能被使用的一系列斜升以及斜降電壓的圖解。
圖11A－圖11F是根據本發明的各種其他實施例的可能被使用的其他系列的斜升以及斜降電壓的圖解。
圖12A，圖13A，圖14A，圖15A以及圖16A是根據本發明的各種實施例的組合電路(combined circuit)以及假多取樣系統、裝置以及方法的方塊圖。
圖12B，圖13B，圖14B，圖15B以及圖16B分別是圖12A，圖13A，圖14A，圖15A以及圖16A的操作的時序圖圖解。
圖17以及圖18是根據本發明的各種實施例的使用假多取樣的互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的方塊圖。
圖19A以及圖19B是根據本發明的各種實施例的習知的多取樣類比至數位轉換器以及假多取樣類比至數位轉換器的模仿的雜訊圖解。
110‧‧‧更低的解析度取樣
112‧‧‧類比輸入訊號
114‧‧‧更低的解析度取樣結果
120‧‧‧加法器
122‧‧‧數位值
130‧‧‧控制器

Claims (23)

  1. 一種將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，所述方法包括：在比被所述預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣所述類比訊號，以使所述重複地取樣包括所述預定數量的位元的所述預定量子化位準，以獲得多個更低的解析度取樣結果；以及合計所述多個更低的解析度取樣結果以獲得具有所述預定數量的位元的所述數位值，其中重複地取樣包括藉由使用在所述重複地取樣中相互偏移的量子化位準在比被所述預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣所述類比訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中所述預定量子化位準被均等地隔開。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中至少三個所述預定量子化位準被不均等地隔開。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中重複地取樣包括藉由使用一系列斜升以及斜降取樣電壓重複地取樣所述類比訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方 法，其中所述系列的斜升以及斜降取樣電壓包括一系列樓梯、安定坡和/或多種斜率的斜升以及斜降取樣電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中重複地取樣包括藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次，其中N是所述預定數量的位元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括藉由使用在所述重複地取樣中的2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次，所述2N /M量子化位準以至少一個相當於所述數位值的最低有效位元的量子化位準相互偏移。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降電壓的斜波電壓，其中各個的斜升以及斜降電壓包括大小為M的2N /M斜波電壓階躍。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降 電壓的斜波電壓，其中直接隨後的斜波電壓結束時的電壓與直接前面的斜波電壓開始時的電壓不同。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降電壓的斜波電壓，其中所述系列的斜波電壓的開始電壓以及結束電壓包括所述預定數量的位元的全部的量子化位準。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降電壓的斜波電壓，其中所述斜波電壓每單位時間以相當於所述預定量子化位準的電壓增加或減少M次。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中重複地取樣包括重複地將所述類比訊號與一系列的斜波電壓相比較以及當所述斜波電壓相當於所述類比訊號時重複地識別更低的解析度數位值。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中合計包括合計被識別的所述更低的解析度數位值。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之將類比訊號轉換為 具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中重複地將所述類比訊號與一系列的斜波電壓相比較包括重複地將所述類比訊號與所述系列的斜波電壓的總和與參考電壓相比較。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中重複地將所述類比訊號與所述系列的斜波電壓相比較與解釋偏移原因同時進行。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定量子化位準的位元的數位值的方法，其中所述類比訊號通過互補金屬氧化物半導體影像感測器被生成。
  17. 一種影像感測方法，其包括：對電磁能入射做出反應從影像以感測像素的方式生成類比訊號；藉由在比被所述預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣所述類比訊號，將所述類比訊號轉換為具有規定預定數量的位元的預定量子化位準的數位值，以使所述重複地取樣包括所述預定數量的位元的所述預定量子化位準，以獲得多個更低的解析度取樣結果，以及合計所述多個更低的解析度取樣結果以獲得具有所述預定數量的位元的所述數位值，其中重複地取樣包括藉由使用在所述重複地取樣中相互偏移的量子化位準在比被所述預定數量的位元規定的解 析度低的解析度下重複地取樣所述類比訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之影像感測方法，其中重複地取樣包括藉由使用一系列樓梯、安定坡和/或多種斜率的斜升以及斜降取樣電壓重複地取樣所述類比訊號。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之影像感測方法，其中重複地取樣包括藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次，其中N是所述預定數量的位元以及在所述重複地取樣中的所述量子化位準是相互偏移的。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之影像感測方法，其中藉由使用2N /M量子化位準重複地取樣所述類比訊號M次包括生成一系列具有總數為M的斜升以及斜降電壓的斜波電壓，其中各個的斜升以及斜降電壓包括大小為M的2N /M斜波電壓階躍。
  21. 一種類比至數位轉換器，其用於將類比訊號轉換為具有預定數量的規定預定的量化間距的位元的數位值，所述類比至數位轉換器包括：斜波發生器，其被配置用於生成一系列具有至少一個斜升以及至少一個斜降電壓的斜波電壓，其中所述斜升以及斜降電壓每單位時間以多個預定的量化間距增加或減少；比較器，其被配置用於當所述至少一個斜升電壓以及所述至少一個斜降電壓相當於所述類比訊號時重複地將所述類比訊號與所述系列的斜波電壓相比較以識別多次；以及 計數器，其響應所述比較器以及當所述至少一個斜升電壓以及所述至少一個斜降電壓相當於所述類比訊號時其被配置用於重複地合計所述單位時間的數位值所述多次，以獲得所述數位值，其中所述斜波發生器此外被配置用於生成至少一個第二斜波電壓；其中當所述至少一個第二斜波電壓相當於所述偏移電壓時所述比較器此外被配置用於將所述至少一個第二斜波電壓與偏移電壓相比較以識別至少一次；其中當所述至少一個第二斜波電壓相當於所述偏移電壓時所述計數器被配置用於減去所述至少一次的數位值。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之類比至數位轉換器，其中所述系列的斜升以及斜降電壓包括一系列的樓梯、安定坡和/或多種斜率的斜升以及斜降電壓。
  23. 一種將類比訊號轉換為具有預定數量的位元的數位值的方法，所述方法包括：藉由使用相互偏移的量子化位準在比被所述預定數量的位元規定的解析度低的解析度下重複地取樣所述類比訊號，並且重複地將所述類比訊號轉換為具有比所述預定數量少的位元的數位值，以獲得多個具有比所述預定數量少的位元的數位值；以及合計所述多個具有比所述預定數量少的位元的數位值，以獲得具有所述預定數量的位元的所述數位值。
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