TWI524677B - 用於類比至數位轉換之系統及方法 - Google Patents

Description

用於類比至數位轉換之系統及方法 發明領域

本發明大體上是關於類比訊號至數位訊號的轉換，特別是關於使用了管線式單斜率類比數位轉換器的類比數位轉換系統及方法。

本發明係經由編號03-C-4009之合約(勝利計畫)而在美國政府之資助下完成。美國政府對本發明擁有指定之權利。

發明背景

包括影像感測電路在內的許多裝置，通常需要透過類比數位轉換方法將許多通道的影像資料由類比訊號轉換為數位訊號。這些類比數位轉換器(ADC)可能位於一個在影像感測電路外的積體電路中，或是整合在與影像感測電路相同的積體電路之中。由於傳送訊號至外部類比數位轉換電路時會伴隨著互連體雜訊與傳輸線損失，因此當通道(例如像素)的數目增加時，常採取將類比數位轉換器整合在與影像感測電路相同積體電路中的方法。然而，在高解析度時，將傳統的類比數位轉換器與影像感測電路整合至相同積體電路中的方式，通常會消耗大量的功率及面積。

發明概要

根據一實施例，用以轉換一類比訊號成一數位訊號的系統可包括多個轉換器級。此等轉換器級中之一個或多個轉換器級可包括一個倍乘式數位類比轉換器和一個類比數位子轉換器。該倍乘式數位類比轉換器可組配來用以：(1)從前一級接收一第一剩餘類比訊號和一對應於第一剩餘類比訊號且代表該數位訊號之一第一部份的第一理想化數位訊號；(2)轉換該第一理想化數位訊號為一個理想化類比訊號；以及(3)根據該第一剩餘類比訊號與該理想化類比訊號的差值，輸出一第二剩餘類比訊號。該類比數位子轉換器可組配來用以轉換該第二剩餘類比訊號為一對應於該第二剩餘類比訊號且代表該數位訊號之一第二部份的第二理想化數位訊號，該類比數位子轉換器包含一個斜率型類比數位轉換器。

某些實施例的技術優點可能包括提供一個低功率及低空間需求的類比數位轉換器，並保持適切的轉換速度。

其它技術上的優點對於熟悉此技藝者可以由附圖、描述及申請專利範圍所得知。再者，雖然上文已臚列一些特定優點，但不同的實施例可能包括全部、部份或全無以上列舉的優點。

為了對此發明及其優點有更完整的了解，現在請參閱配合所附圖式所作的以下詳細說明：

較佳實施例之詳細說明

可參考第1至3圖以對於此發明的實施及其優點有最佳的了解，而圖中所用的相同數字係用來表示各圖中相同及對應的部件。

第1圖顯示了一幅繪示一個可用以擷取影像的影像擷取裝置100的方塊圖。例如，裝置100可為一數位相機、攝影機、或其它合適的照相及/或影像擷取裝置。影像擷取裝置100可包括影像感測器120及影像處理單元140。影像感測器120可為一主動像素感測器(APS)或任何其它可用於擷取影像的合適光感測裝置。影像感測器120可包括例如二極體、電荷耦合元件、或其它光電檢測器或換能器。影像處理單元140可為可操作來從影像感測器120接受訊號資訊及轉換該訊號資訊為電子影像之硬體、軟體或韌體的組合。例如，影像處理單元140可包括一個類比數位轉換器(ADC)以轉換由影像感測器120接收的類比訊號成對應的數位訊號，該等數位訊號可由該影像處理裝置140及/或其它處理裝置再進行進一步處理。

影像感測器120可包括一組單元胞元160的陣列。單元胞元160可累積與一耦合檢測器位置光強度成比例的電荷，且可對應於該擷取到的電子影像中的一個像素。單元胞元160可暫時儲存該累積的電荷以供處理單元140建構出一個影像。

第2圖顯示一幅繪示一個依據本發明特定實施例可用以轉換類比訊號(如電流、電壓、或電荷)為數位訊號的範例管線化類比數位轉換器(ADC)200的方塊圖。類比數位轉換器200雖可用於任何合適的應用，但在特定的實施例中，類比數位轉換器200可用於一成像系統(如影像擷取裝置100)中以轉換代表一個影像的類比訊號成對應的數位訊號。在相同或其它的實施例中，類比數位轉換器200可為影像處理單元(例如影像處理單元140)或類似的影像處理裝置的一個整合的部份。

如同第2圖所顯示，類比數位轉換器200可包括一個或多個類比數位子轉換器(ADSC) 202、一個或多個倍乘式數位類比轉換器(MDAC) 204及一個或多個取樣與保持電路214。在特定的實施例中，類比數位轉換器200的部份或全部的組成部份可形成一個包括上述組成部份的單一積體電路。每一個類比數位子轉換器202可包括組配來轉換一類比訊號成一特定位元長度的離散數位數字之任何系統、裝置或機構。在特定實施例中，一個或多個類比數位子轉換器202例如可為如第3圖所顯示者的單斜率類比數位轉換器。

每一個倍乘式數位類比轉換器204可包括組配來轉換一數位訊號為一第一類比訊號、由一第二類比訊號減去該第一類比訊號、及放大該第二類比訊號與第一類比訊號間的結果差值之任何系統、裝置或機構。如同第2圖所顯示，每一個倍乘式數位類比轉換器204可包括一個數位類比轉換器(DAC) 208、一個加法器210、一個增益放大器212、和一個取樣與保持電路(S/H) 214。

每一個數位類比轉換器208可為組配來轉換一數位數字成一類比訊號(例如電流、電壓或電荷)之任何合適裝置、系統或機構。

每一個加法器210可為組配來接收兩個或更多的類比訊號(例如電流、電壓或電荷)並且輸出另一個代表這些輸入訊號的和及/或差的類比訊號之任何合適裝置、系統或機構。在特定的實施例中，一個或多個加法器210可包括一個加法放大器。

每一個增益放大器212可為組配來接受一輸入訊號(如電流或電壓)及以一增益放大該輸入訊號以產生一為輸入訊號倍數的輸出訊號之任何合適裝置、系統或機構。在特定的實施例中，一個或多個增益放大器212可包括一個非反相放大器、一個反相放大器、或它們的任意組合。

每一個取樣與保持電路214可為組配來接受一連續的類比訊號(例如一隨時間變化的電流或電壓)並在一特定時段中保持該類比訊號穩定以供使一類比數位轉換器或其它後續系統能對該被保持住的類比訊號進行運作之任何合適裝置、系統或機構。在特定的實施例中，取樣與保持電路214可包括一電容器以儲存一類比電壓，且也可包括一電子開關或閘體以交替連接或中斷該電容器與欲受取樣與保持之類比輸入的連接。

在特定的實施例中，每一個倍乘式數位類比轉換器204的數位類比轉換器208、加法器210、增益放大器212、及取樣與保持電路214，例如可用諸如固態交換電容器電路、或一互補式矽上金屬(CMOS)數位類比轉換器之一單一電路來實現。

在操作時，類比數位轉換器200可透過多個管線級轉換一取樣與保持電路214a輸入端所接收的一類比輸入訊號，成為一代表該類比輸入訊號的數位訊號。舉例說明，在類比數位轉換器200的級1中，一類比輸入訊號可由取樣與保持電路214a所取樣與保持。該被保持住的類比訊號可輸出至級2的倍乘式數位類比轉換器204b，以供如下文更詳細敘述地運用。該被保持住的類比訊號可輸出至類比數位子轉換器202a，在其中可計算出對應於該類比輸入訊號的數位訊號的最高有效位元部份。例如，如果類比數位子轉換器202a有四位元的解析度，對應於該類比輸入訊號的數位訊號的四個最高有效位元可被類比數位子轉換器202a所計算及輸出。然後，對應於該等最高有效位元的數位訊號可輸出至級2的倍乘式數位類比轉換器204b。

在級2，倍乘式數位類比轉換器204b的數位類比轉換器208b可轉換該類比數位子轉換器202a的輸出(類比數位轉換器200的數位輸出訊號的最高有效位元)成為一類比訊號，產生一個趨近於級1的類比輸入訊號的理想化訊號。加法器210b可由來自級1的真實的取樣與保持的類比訊號減去該理想化訊號，而產生等同於真實的類比訊號與該理想化訊號間的差值之一剩餘類比訊號，藉此，該剩餘類比訊號會小於代表級1的類比數位子轉換器202a之一個量化級位的類比訊號。增益放大器212b可放大該剩餘類比訊號，而該放大後的剩餘類比訊號可各輸出至級3及級2的類比數位子轉換器202b。

類比數位子轉換器202b可轉換級2放大後的剩餘類比訊號為代表對應於該原始類比輸入訊號的數位訊號的第二最高有效位元之一數位訊號。例如，如果每一個類比數位子轉換器有四位元的解析度，類比數位子轉換器202a及類比數位子轉換器202b的結合輸出可代表對應於原始類比輸入訊號的數位訊號的八個最高有效位元。類比數位子轉換器202b輸出的數位訊號可再輸出至級3。

近乎如同級2，類比數位轉換器200中每一個額外的級可計算出一個剩餘類比訊號，等同於前一級的剩餘類比訊號減去一個根據前一級的數位輸出的理想化類比訊號。此種剩餘類比訊號可再被放大、取樣與保持、輸出至類比數位轉換器200的下一級，及用來藉此可根據經放大的剩餘類比訊號而計算出類比數位轉換器200的數位輸出訊號之下一個最高有效位元部份。如此的過程可就N個級中的每一個級重複進行，直至最後在第N級計算出該類比數位轉換器200的數位輸出訊號中最低有效位元為止。因此，類比數位轉換器200的解析度(R)是級數目(N)及每一個類比數位子轉換器的解析度(r)的函數(例如R=N×r)。

第3圖顯示了一幅繪示一個根據此發明特定實施例之範例斜率型類比數位子轉換器300的方塊圖。在特定的實施例中，一個或多數類比數位子轉換器202可包括類比數位子轉換器300。如同第3圖所示，類比數位子轉換器300可包括一個類比輸入302、一個類比斜波304、一個比較器306、一個數位計數器308、及一個數位輸出310。類比輸入302可包括組配來接受一類比訊號(如電壓或電流)之任何介面。同樣地，數位輸出310可包括組配來傳遞一數位訊號之任何介面。

類比斜波304可包括任何可在每個類比訊號取樣時提供一量值漸增或漸減的類比訊號的裝置、系統或機構。例如，類比斜波304在類比數位子轉換器300的每個取樣週期中，可從近乎零而線性增加至一最大量值。

比較器306可包括可比較其輸入端兩個類比訊號(例如電壓或電流)及在兩數值中切換其輸出值以指出兩個類比輸入訊號何者為較大的任何裝置、系統或機構。例如，若類比輸入302的類比訊號的量值較類比斜波304的輸出值小時，比較器可輸出一邏輯零，否則輸出一邏輯壹。於是，比較器306可想成是一個一位元的類比數位轉換器。

數位計數器308可包括可在每個類比輸入的取樣過程中，提供一量值漸增或漸減的數位訊號的任何裝置、系統或機構。例如，數位計數器308可在類比數位子轉換器300的每個取樣週期中，從近乎零開始計數(例如，在四位元計數器中為0000)至一最大值(例如，在四位元計數器中為1111)。在某些實施例中，在類比數位子轉換器300一個特定的取樣週期中，當數位計數器308的輸入端接收到一特定值時，數位計數器308會停止計數(例如，當其輸入值為邏輯零時，數位計數器308持續計數，而當其輸入值變換為邏輯壹時，則停止計數)。

在操作時，當一新的類比樣本被放在類比輸入端302上時，類比斜波304開始變化(例如由零開始)，以及數位計數器308開始計數(例如由零開始)。當類比斜波304輸出的訊號量值超過類比輸入302上之訊號量值時，比較器306的輸出值產生變換(例如，由邏輯零變換為邏輯壹，或反之)，以及數位計數器308停止計數。因此，數位計數器停止計數時的數值即可成為類比輸入302上之訊號量值的數位表示型態。

如同前面所描述，與第3圖的斜率型類比數位子轉換器300相同或相似的斜率型類比數位子轉換器可作為類比數位轉換器200中的類比數位子轉換器202。在類比數位轉換器200中的架構中使用斜率型類比數位子轉換器的好處為在類比數位轉換器每一個級中，斜率型類比數位子轉換器只需要一相對較小的比較器及一相對較小的數位計數器以執行轉換功能。另一個優點是一個斜波電路(例如，類比斜波304)可為類比數位轉換器200中的所有的類比數位子轉換器202所共用(甚至可及於多個類比數位轉換器)。藉由管線化為各使用一斜率型類比數位子轉換器的多個級，斜率型類比數位轉換器在尺寸上的優點及速度上的缺點之間可得到一合於期望的取捨。例如，一個包括四個三位元斜率型級的十二位元管線化類比數位轉換器理論上需要2³=8個時脈週期，相較於未管線化的12位元斜率型類比數位轉換器則需要2¹²=4096個時脈週期。另外，多個斜率型級較傳統的類比數位轉換方式，如快閃式或連續式近似法，只會消耗較少的空間及功率。

雖然本發明之多個實施例已詳細揭露如上，所屬技術領域中具有通常知識者可做許多變化、替代、改變、更動及修飾。例如，影像感測器120可包括任何形式的感測器，如主動像素感測器、分離式檢測器、分離式檢測材料或不同於光學檢測器的替代性換能器。另外，雖然此發明主要以可見光檢測器進行描述，但其亦可搭配採用許多類型的檢測器，包括且不限定於可見光、紅外線、紫外線、X光或其它輻射檢測器。凡落入後附申請專利範圍之精神和範圍內者，所有此類改變、替代、變化、變更及修飾皆應包含在此發明範圍之中。

100．．．影像擷取裝置

120．．．影像感測器

140．．．影像處理單元

160．．．單元胞元

200．．．類比數位轉換器

202、202a~n、300、ADSC．．．類比數位子轉換器

204、204b~n、MDAC．．．倍乘式數位類比轉換器

208、208b~n、DAC．．．數位類比轉換器

210、210b~n．．．加法器

212、212b~n．．．增益放大器

214、214a~n、S/H．．．取樣與保持電路

302．．．類比輸入

304．．．類比斜波

306．．．比較器

308．．．數位計數器

310．．．數位輸出

第1圖顯示了一幅繪示一個依據本發明特定實施例可用於擷取影像的範例影像感測裝置的方塊圖；

第2圖顯示了一幅繪示一個依據本發明特定實施例可用於轉換類比訊號為數位訊號的範例管線化類比數位轉換器的方塊圖；以及

第3圖顯示了一幅繪示一個依據本發明特定實施例可與第2圖所顯示類比數位轉換器配合使用的範例斜率型類比數位子轉換器的方塊圖。

300．．．類比數位子轉換器

302．．．類比輸入

304．．．類比斜波

306．．．比較器

308．．．數位計數器

310．．．數位輸出

Claims (21)

1. 一種用以轉換類比訊號成數位訊號的系統，包含：多個轉換器級，至少其中一個轉換器級包含：一個倍乘式數位類比轉換器，組配來用以：接受來自前一級的一第一剩餘類比訊號及代表該數位訊號的一第一部份且對應於該第一剩餘類比訊號的一第一理想化數位訊號；轉換該第一理想化數位訊號為一理想化類比訊號；及根據該第一剩餘類比訊號與該第一理想化類比訊號間的差值輸出一第二剩餘類比訊號；及一個類比數位子轉換器，組配來用以轉換該第二剩餘類比訊號成為代表該數位訊號的一第二部份且對應於該第二剩餘類比訊號的一第二理想化數位訊號，該類比數位子轉換器包含一個斜率型類比數位轉換器。
2. 如申請專利範圍第1項的系統，其中所述的倍乘式數位類比轉換器更組配來：放大該第一剩餘類比訊號及該理想化類比訊號間的差值；取樣與保持該放大後的差值；及輸出該取樣與保持的放大差值作為該第二剩餘類比訊號。
3. 如申請專利範圍第1項的系統，其中所述的斜率型類比數位子轉換器包含一個單斜率類比數位轉換器。
4. 如申請專利範圍第3項的系統，其中所述的斜率型類比數位子轉換器包含：一個類比斜波，組配來用以在該斜率型類比數位子轉換器之一取樣週期中輸出一個變化的類比訊號；一個比較器，組配來用以比較該變化的類比訊號與該第二剩餘類比訊號；及一數位計數器，組配來用以在該取樣週期中輸出一個變動的數位訊號及根據該比較器所做的比較結果停止變動該數位計數器；其中：當該數位計數器停止變動時，該數位計數器的值是為該第二理想化訊號。
5. 如申請專利範圍第1項的系統，其中所述的第一剩餘類比訊號為電壓、電流或電荷。
6. 如申請專利範圍第1項的系統，其中所述的第二剩餘類比訊號是電壓、電流或電荷。
7. 一種用於影像感測之系統，包含：一個檢測器，組配來用以產生與一所檢測到的光強度成比例的一電荷；一個與該檢測器耦合的單元胞元，組配來用以接收該電荷；及一個電氣性耦合至該檢測器的影像處理單元，組配來用以讀取該單元胞元中對應於該所檢測到光強度的一個電氣類比訊號，並包含組配來用以轉換該電氣類比訊號成對應於該所檢測到光強度的一數位訊號之一個 類比數位轉換器，該類比數位轉換器包含多個轉換器級，其中至少一個轉換器級包含：一個倍乘式數位類比轉換器，組配來用以：接收來自前一級的一第一剩餘類比訊號及代表該數位訊號的一第一部份且對應於該第一剩餘類比訊號的一第一理想化數位訊號；轉換該第一理想化數位訊號成一理想化類比訊號；且基於該第一剩餘類比訊號與該理想化類比訊號間的差值輸出一第二剩餘類比訊號；及一類比數位子轉換器，組配來用以轉換該第二剩餘類比訊號為代表該數位訊號之一第二部份且對應於該該第二剩餘類比訊號的一第二理想化數位訊號，該類比數位子轉換器包含一斜率型類比數位轉換器。
8. 如申請專利範圍第7項的系統，其中所述的倍乘式數位類比轉換器更進一步組配來：放大該第一剩餘類比訊號及該理想化類比訊號間的該差值；取樣與保持該放大後的差值；及輸出該取樣及保持的放大後差值作為該第二剩餘類比訊號。
9. 如申請專利範圍第7項的系統，其中所述的斜率型類比數位子轉換器包含一單斜率類比數位轉換器。
10. 如申請專利範圍第9項的系統，其中所述的斜率型類比 數位子轉換器包含：一比較器，組配來用以比較一變動類比訊號與該第二剩餘類比訊號；以及一數位計數器，組配來用以在取樣週期中輸出一變動的數位訊號，及根據該比較器所做的比較結果停止變化該數位計數器，而其中：該數位計數器在其停止變化時的數值為該第二理想化訊號。
11. 如申請專利範圍第7項的系統，其中所述的第一剩餘類比訊號為電壓、電流或電荷。
12. 如申請專利範圍第7項的系統，其中所述的第二剩餘類比訊號為電壓、電流或電荷。
13. 如申請專利範圍第7項的系統，其中所述的電氣類比訊號為電壓、電流或電荷。
14. 一種用以轉換類比電氣訊號成數位訊號的方法，包含下列步驟：取樣該電氣類比訊號；以一第一斜率型類比數位子轉換器轉換該電氣類比訊號為具一第一位元長度之一第一理想化數位訊號，該第一理想化數位訊號對應於該數位訊號之第一位元長度最高有效位元；轉換該第一理想化數位訊號成一第一理想化類比訊號；根據該電氣類比訊號和該第一理想化類比訊號間 的差值，取樣一第一剩餘類比訊號；以及以一第二斜率型類比數位子轉換器轉換該第一剩餘類比訊號為具一第二位元長度的一第二理想化數位訊號，該第二理想化數位訊號對應於該數位訊號中在該等第一位元長度最高有效位元之後的第二位元長度最高有效位元。
15. 如申請專利範圍第14項的方法，包含：轉換該第二理想化數位訊號為一第二理想化類比訊號；基於該第一剩餘類比訊號與該第二理想化類比訊號間的差值，取樣一第二剩餘類比訊號；以及以一第三斜率型類比數位子轉換器轉換該第二剩餘類比訊號為具一第三位元長度的一第三理想化數位訊號，該第三理想化數位訊號對應於該數位訊號中在該等第一位元長度最高有效位元及該等第二位元長度最高有效位元之後的第三位元長度最高有效位元。
16. 如申請專利範圍第15項的方法，其中所述的第一位元長度、第二位元長度和第三位元長度是相等的。
17. 如申請專利範圍第14項的方法，其中所述的第一位元長度和第二位元長度相等。
18. 如申請專利範圍第14項的方法，其中所述的第一斜率型類比數位子轉換器實質上與該第二斜率型類比數位子轉換器相同。
19. 如申請專利範圍第14項的方法，其中所述的第一剩餘類 比訊號是電壓、電流或電荷。
20. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該第二剩餘類比訊號是電壓、電流或電荷。
21. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該電氣類比訊號是電壓、電流或電荷。