TWI493879B

TWI493879B - 隨機估計類比至數位轉換器

Info

Publication number: TWI493879B
Application number: TW102117245A
Authority: TW
Inventors: Guangbin Zhang; Jiangtao Kuang
Original assignee: Omnivision Tech Inc
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2015-07-21
Also published as: US20140091201A1; TW201415808A; CN103716050B; US8698666B1; CN103716050A

Description

隨機估計類比至數位轉換器

本發明大體上係關於類比至數位轉換器，且特定言之(但不排他)，本發明係關於用在一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器之讀出電路中之類比至數位轉換器。

影像感測器係無處不在。影像感測器廣泛用在數位靜態相機、數位視訊相機、蜂巢式電話、保全攝影機、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增大之高動態範圍(HDR)。然而，增大一習知影像感測器中之動態範圍通常意味著一更慢、更複雜及功耗增加之類比至數位轉換器(ADC)。

一已知類型之ADC係一浮點ADC。一浮點ADC嘗試藉由直接執行浮點類比至數位轉換而增大該ADC之總體動態範圍。在一實例中，一浮點ADC包含以對應於一選定範圍之一增益來放大類比輸入信號之一可程式化增益放大器(PGA)。然而，習知浮點ADC可遭受將限制該ADC之效力之階躍/量化誤差。

100‧‧‧影像感測器

110‧‧‧像素陣列

112‧‧‧行

114‧‧‧像素單元

116‧‧‧位元線/行讀出線

118‧‧‧隨機估計浮點類比至數位轉換器(FP-ADC)/隨機估計浮點行類比至數位轉換器(ADC)/隨機估計浮點(FP)ADC

120‧‧‧控制電路

130‧‧‧讀出電路

150‧‧‧數位處理邏輯

200‧‧‧隨機估計FP-ADC/混合式ADC

202‧‧‧可程式化增益放大器

204‧‧‧求和點

206‧‧‧M位元ADC

208‧‧‧增益/位元控制單元

210‧‧‧隨機位元產生器

212‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)

214‧‧‧數位組合器

215‧‧‧N位元最低有效位元(LSB)

217‧‧‧DAC輸出/類比信號

219‧‧‧經修改類比影像資料

223‧‧‧M位元最高有效位元(MSB)

225‧‧‧位元控制信號

227‧‧‧增益控制信號

229‧‧‧數位元影像資料

231‧‧‧指數部分

300‧‧‧類比至數位轉換程序

305‧‧‧程序區塊

310‧‧‧程序區塊

315‧‧‧程序區塊

325‧‧‧程序區塊

可參考用於繪示實施例之【實施方式】及附圖而理解本發明。在圖式中：圖1係繪示根據本發明之一實施例之具有多個隨機估計ADC之一影像感測器的一方塊圖。

圖2係繪示根據本發明之一實施例之一實例性隨機估計ADC的一方塊圖。

圖3係繪示根據本發明之一實施例之使用一隨機估計ADC之一實例性類比至數位轉換程序的一流程圖。

圖4係繪示根據本發明之一實施例之隨機估計之一實例的一表。

圖5A至圖5C係繪示根據本發明之一實施例之具有階躍誤差之一ADC與一隨機估計ADC之間之差異的直方圖。

在以下描述中，闡述諸多特定細節，諸如(例如)特定讀出電路、電壓斜坡信號、操作之校準電路順序等等。然而，應瞭解，可在無需此等特定細節之情況下實踐實施例。在其他例項中，未詳細展示熟知之電路、結構及技術以免使本描述之理解不清楚。

圖1係繪示根據本發明之一實施例之具有多個隨機估計ADC 118之影像感測器100的一方塊圖。影像感測器100包含像素陣列110、控制電路120、讀出電路130及可選數位處理邏輯150。為了簡化繪示，像素陣列110之所繪示實施例僅展示各具有四個像素單元114之兩行112。然而，應瞭解，實際影像感測器通常包含從數百個至數千個之行，且各行通常包含從數百個至數千個之像素。此外，所繪示之像素陣列110經規則塑形(例如，各行112具有相同數目個像素)，但在其他實施例中，該陣列可具有不同於所展示配置之一規則或不規則配置且可包含比所展示情況多或少之像素、列及行。再者，在不同實施例中，像素陣列110可為包含紅色像素、綠色像素及藍色像素之一彩色影像感測器(其經設計以捕捉光譜之可見部分中之影像)，或可為一黑白影像感測器及/或經設計以捕捉光譜之不可見部分(諸如紅外線或紫外線)中之影像之一影像感測器。在一實施例中，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，於像素單元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將該類比影像資料(例如類比信號)或電荷從該像素單元讀出至讀出電路130。來自各行112之像素單元114的類比影像資料經由位元線116而每次一個像素地讀出至讀出電路130，且接著被轉移至隨機估計浮點(FP)ADC 118。

隨機估計浮點ADC 118係以一或多個隨機位元來估計一轉換之最低有效位元(LSB)的浮點ADC。接著，將隨機LSB轉換成一類比信號，且將其從類比影像資料減去。接著，使用一M位元ADC來轉換經修改之類比影像資料以產生一或多個最高有效位元(MSB)。接著，組合隨機LSB與MSB以產生數位影像資料(即，一數位信號)，該數位影像資料從讀出電路130輸出，且被提供至可選數位處理邏輯150用於進一步處理。在所繪示實施例中，隨機估計浮點ADC 118用在一影像感測器100中。然而，在其他實施例中，隨機估計浮點行ADC 118可用在其他半導體電路中。

圖2係繪示根據本發明之一實施例之一實例性隨機估計浮點ADC 200之一方塊圖。混合式ADC 200之所繪示實例包含可程式化增益放大器202、求和點204(即，求和器)、M位元ADC 206、增益/位元控制單元208、隨機位元產生器210、數位至類比轉換器(DAC)212及數位組合器214。圖2中亦展示若干信號，其包含類比影像資料信號、N位元LSB 215、DAC輸出217(即，類比信號)、經修改類比影像資料219、M位元MSB 223、位元控制信號225及增益控制信號227。浮點ADC 200係圖1之浮點ADC 118之一可能實施方案。

在圖2之實施例中，可程式化增益放大器202經耦合以接收一類比信號(例如類比影像資料)。可程式化增益放大器202經組態以回應於增益控制信號227而將一可變增益施加至該類比信號。在一實施例中，增益控制信號227表示當前類比至數位轉換之範圍。因此，可程式化增益放大器之增益可隨ADC 200之所要範圍改變而變動。

可程式化增益放大器202之輸出經耦合以被求和點204接收。求和點204亦耦合至數位至類比轉換器(DAC)之輸出以接收類比信號217。求和點204經組態以在類比域中從經放大之類比影像資料減去類比信號217。例如，求和點204可包含一差動放大器以從類比影像資料減去類比信號217。

求和點204經耦合以產生一經修改類比影像資料信號219。在一實施例中，經修改類比影像資料219係類比影像資料與類比信號217之上文所提及減法之結果。M位元ADC 206耦合至求和點204以接收經修改類比影像資料219。在一實施例中，M位元ADC 206包含具有M個位元之一最大解析度之一固定線性ADC。M位元ADC 206經耦合以藉由數位組合器214而產生數位影像資料229之尾數之最高有效位元(MSB)。

如圖2中所展示，M位元ADC 206之輸出耦合至增益/位元控制單元208。增益/位元控制單元208經組態以回應於M位元ADC 206之輸出而設定可程式化增益放大器202之增益以便選擇ADC 200之適當範圍。增益/位元控制單元208可包含經組態以設定可程式化放大器202之增益且產生數位影像資料之指數部分231之一或多個邏輯電路。在所繪示實施例中，增益/位元控制單元208亦經耦合以產生一位元控制信號225以控制由隨機位元產生器210產生之隨機位元之數目。

隨機位元產生器210經組態以產生N個最低有效位元，其中該N個位元為對由增益/位元控制單元208產生之位元控制信號225之回應。由DAC 212接收N位元LSB 215以產生類比信號217，其中類比信號217係N位元LSB 215之一類比表示。

數位組合器214經耦合以接收N位元LSB 215及M位元MSB 223以組合該兩者而在數位域中產生M+N位元數位影像資料229。在一實施例中，數位組合器藉由使M位元MSB 223移位N個位元且接著使N位元LSB 215與經移位之M位元MSB 223相加而組合N位元LSB 215與M位元MSB 223。因此，所得數位影像資料包含M+N個位元，其可超過M位元ADC 206自身之最大解析度。

圖3係繪示根據本發明之一實施例之使用圖2之隨機估計FP-ADC 200之一實例性類比至數位轉換程序300的一流程圖。在程序區塊305中，隨機位元產生器210產生N個隨機位元，其中N由位元控制信號225判定。在一實施例(圖中未圖示)中，隨機位元產生器210可產生一連續串流之隨機位元，其中DAC 212接收位元控制信號以從該串流之隨機位元選擇N個位元。

接著，在程序區塊310中，DAC 212將N位元LSB 215轉換成類比信號217。在程序區塊315中，求和點204從經放大類比影像資料(即，可程式化增益放大器202之輸出)減去類比信號217。如上文所提及，在類比域中完成從類比影像資料減去類比信號217。接著，求和點204輸出隨後被轉換成M位元MSB之一經修改類比影像資料219。在一實施例中，M位元ADC 206具有M個位元之一最大解析度。換言之，N位元LSB係額外位元，其超過M位元ADC 206之最大解析度以有效地擴展ADC 200之解析度。

在程序區塊325中，數位組合器214將M位元MSB 223與N位元LSB 215組合以產生M+N位元數位影像資料229。在所繪示實施例中，隨機估計FP-ADC 200之輸出係一浮點輸出，其中M+N位元數位影像資料229係尾數且其中浮點輸出之指數由增益/位元控制單元208提供。

因此，本發明之實施例可提供一浮點ADC，其具有與一較高位數定點ADC幾乎相同之品質以因此減少成本、功耗及轉換次數。一般而言，隨著類比輸入(例如類比影像資料)變大，增益/位元控制單元 208將藉由設定可程式化增益放大器202之適當增益而選擇ADC之一更大範圍。此外，隨著範圍增大，亦由增益/位元控制單元208設定之N個LSB亦增加。然而，如上文所述，M位元ADC 206為具有M個位元之一最大解析度之一固定線性ADC。因此，本發明之實施例可使ADC 200之解析度擴展超過僅M位元ADC 206自身之解析度。

圖4係繪示根據本發明之一實施例之隨機估計之一實例的一表。如圖4中所展示，至隨機估計FP-ADC 200之輸入(例如類比影像資料)可被數位地表示且在數學上被分成兩個部分：一MSB部分及一LSB部分，如下列方程式1所指示：輸入=MSB*2^n+ActualLSB [方程式1]其中MSB表示最高有效位元，n為最低有效位元之數目且Actual LSB表示實際最低有效位元之數目n。隨機估計FP-ADC 200之輸出可由下列方程式2表示：輸出=[MSB*2^n+Func_ADC(ActualLSB-EstLSB)]+EstLSB-2^(n-1) [方程式2]其中EstLSB為表示從0至(2^n)-1之一隨機整數之隨機位元之數目n，及Func_ADC(x)由下列方程式3表示：Func_ADC(x)=0，當x<0時， [方程式3]2^n，當x>0時，及0或2^n，當x=0，隨機且均勻分佈於(0,2^n)之間時

如圖2中所展示，可由求和點204及M位元ADC 206在類比域中執行括弧(即，[MSB*2^n+Func_ADC(ActualLSB-EstLSB)])中之方程式2之至少一部分，其中Func_ADC用於引入可導致一資料移位之一低解析度量化誤差。可由數位組合器214在數位域中執行由方程式2表示之函數之剩餘部分。例如，數位組合器可使M位元MSB 223移位N個位元(即，*2^n)，接著將經經移位之MSB加至N位元LSB 215(即， EstLSB)，且最後可減去數量2^(n-1)以減少導致資料移位之量化誤差。圖4中展示藉由隨機估計FP-ADC 200(使用n(=2)個LSB)之一類比至數位轉換之結果之一實例性表。

就一2位元LSB而言，LSB之可能整數表示為3、2、1及0。使用方程式3中之估計LSB(EstLSB)及實際LSB(ActualLSB)，存在三個可能結果0、4及0或4。將方程式3之結果用在方程式2之剩餘部分中(圖4之中間表中所展示)，吾人得到從-1至5範圍內之LSB之所得整數表示。例如，若2位元LSB之實際整數表示為1且隨機位元產生器210產生等於整數值2之兩個隨機位元，則方程式3之結果將為4，其中使用方程式2之剩餘部分之所得LSB為一整數值3(例如4+1-2)。

圖4之右邊之第三表繪示使用隨機估計LSB之全部可能所得LSB之平均值。如此實施例中所展示，平均值與LSB之實際值精確對應，其將一零差量賦值給各者。可藉由圖5A至圖5C之直方圖而更清楚地看見使用隨機估計FP-ADC 200之類比至數位轉換的結果。

圖5A至圖5C係繪示根據本發明之一實施例之具有階躍誤差之一ADC與一隨機估計ADC之間之差異的直方圖。圖5A係一樣本類比輸入之一理想類比至數位轉換之一直方圖。圖5B繪示無LSB之隨機估計之一習知浮點ADC之一直方圖。如圖所展示，無LSB之隨機估計之浮點ADC包含可顯著降低輸出(諸如一數位影像)之品質的顯著階躍/量化誤差。圖5C繪示一隨機估計浮點ADC(諸如圖2之ADC 200)之一直方圖。如圖所展示，圖5C之直方圖包含平滑暫態細節而非圖5B之階躍。

據此，本發明之實施例可允許一低位元計數浮點ADC(具有隨機估計)產生類似品質結果，猶如其為一高位元計數固定線性ADC。如由圖5C所展示，本文所揭示之方法減少與習知浮點ADC相關聯之階躍誤差及資料平均移位問題，且甚至可改良高位元計數之精確程度。

本文所揭示之影像感測器可包含於數位靜態相機、數位視訊相機、相機電話、電視電話、視訊電話、攝錄影機、網路攝影機、一電腦系統中之相機、保全攝影機、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。根據實施方案，電子影像及/或視訊獲取裝置亦可包含其他組件，諸如(例如)用於發射光之一光源、經光學耦合以將光聚焦於像素陣列上之一或多個透鏡、經光學耦合以允許光穿過該一或多個透鏡之一快門、用於處理影像資料之一處理器及用於儲存影像資料之一記憶體，等等。

在【實施方式】及申請專利範圍中，可使用術語「耦合」及「連接」以及其等之衍生詞。應瞭解，此等術語不意欲為彼此之同義詞。相反，在特定實施例中，「連接」可用於指示：兩個或兩個以上元件彼此直接實體或電性接觸。「耦合」可意指：兩個或兩個以上元件直接實體或電性接觸。然而，「耦合」亦可意指：兩個或兩個以上元件彼此不直接接觸，而是彼此合作或互動。例如，一校準電路可經由一介入開關而與一行ADC電路耦合。

在以上描述中，為了解釋之目的，已闡述諸多特定細節以提供實施例之一完全理解。然而，熟習技術者應明白，可在無需此等特定細節之若干者之情況下實踐一或多項其他實施例。所描述之特定實施例並非用於限制本發明，而是用於繪示本發明。本發明之範疇不應取決於上文所提供之特定實例，而是僅取決於以下申請專利範圍。在其他例項中，已以方塊圖形式或概略地展示熟知之電路、結構、裝置及操作以免使本描述之理解不清楚。

熟習技術者亦應瞭解，可對本文所揭示之實施例(諸如(例如)實施例之組件之組態、功能及操作及使用之方式)作出修改。等效於圖式中所繪示及本說明書中所描述之關係之全部關包含於實施例中。此外，視情況而定，已在圖中重複參考元件符號或參考元件符號之終端部分以指示可視情況具有類似特性之對應或類似元件。

已描述各種操作及方法。已在流程圖中以一基本形式描述該等方法之若干者，但操作可視情況添加至該等方法及/或從該等方法移除。另外，雖然流程圖已展示根據實例性實施例之該等操作之一特定順序，但應瞭解該特定順序僅具例示性。替代實施例可依不同順序視情況執行該等操作，組合某些操作，使某些操作重疊等等。可對該等方法作出諸多修改及調適且該等修改及調適係可預期的。

一或多項實施例包含一製造品(例如一電腦程式產品)，其包含一機器可存取及/或機器可讀媒體。該媒體可包含一機構，其以可由機器存取及/或讀取之一形式提供(例如儲存)資訊。該機器可存取及/或機器可讀媒體可提供或其上已儲存指令及/或資料結構之一或多者或一序列，若由機器執行該等指令及/或資料結構，則該等指令及/或資料結構導致或引起機器執行(及/或導致機器執行)本文之揭示圖中所展示之操作、方法或技術之一或多者或一部分。

在一實施例中，機器可讀媒體可包含一有形非暫態機器可讀儲存媒體。例如，該有形非暫態機器可讀儲存媒體可包含一軟碟、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)、一可擦除可程式化ROM(EPROM)、一電可擦除可程式化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、一相變記憶體或其等之一組合。該有形媒體可包含一或多個固體或有形實體材料，諸如(例如)一半導體材料、一相變材料、一磁性材料等等。

適合機器之實例包含(但不限於)數位相機、數位視訊相機、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捕捉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(非暫態機器可讀儲存媒體))耦合之一或多個處理器。因此，一給定電子裝置之儲存裝置可儲存待在該電子裝置之該一或多個處理器上執行之編碼及/或資料。替代地，可使用軟體、韌體及/或硬體之不同組合來實施一實施例之一或多個部分。

亦應瞭解，在本說明書中，參考(例如)「一實施例」或「一或多項實施例」意指：可在實踐本發明時(例如在至少一實施例中)包含一特定特徵。類似地，應瞭解，在【實施方式】中，為了精簡本發明且促進各種發明態樣之理解，有時將各種特徵聚集於一單一實施例、圖式或其等之描述中。然而，本發明之方法不應被解譯為反映以下意圖：本發明需要比各請求項中明確敘述之特徵多之特徵。相反，如以下請求項所反映，發明態樣可並非位於一單一所揭示實施例之全部特徵中。因此，【實施方式】之後之申請專利範圍藉此被明確併入至【實施方式】中，其中各請求項自立為一單獨實施例。

200‧‧‧隨機估計浮點類比至數位轉換器(FP-ADC)/混合式類比至數位轉換器(ADC)