低功耗列级多参考电压单斜模数转换方法及转换器技术

本发明专利技术涉及数模混合集成电路设计领域，为加快单斜ADC的转换速率，同时实现模数转换器结构简单，功耗低。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，低功耗列级多参考电压单斜模数转换方法及转换器，由斜坡发生器、计数器、比较器、多路选择开关、寄存器组成，斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器。本发明专利技术主要应用于数模混合集成电路设计。

【技术实现步骤摘要】
低功耗列级多参考电压单斜模数转换方法及转换器
本专利技术涉及数模混合集成电路设计领域，特别涉及低功耗列级多参考电压单斜模数转换方法及转换器。技术背景CMOS图像传感器具有集成度高、功耗低及成本低等优点，广泛应用于图像采集领域。ADC是CMOS图像传感器的重要组成部分，实现了将模拟信号转换为数字信号的功能。目前应用在CMOS图像传感器中的ADC有三种类型：像素级ADC、列级ADC和芯片级ADC。列级ADC与芯片级ADC相比，对ADC速度要求较低，降低了设计难度；与像素级ADC相比，提高了填充因子，从而提高了图像传感器的光电转换效率，因此列级ADC得到了广泛应用。但列级ADC也面临着一些挑战：列级ADC在列宽上受限于像素尺寸；列与列之间的失调会引入列级固定模式噪声。对于CMOS图像传感器中的列级ADC，现有的主要实现方式有单斜ADC、逐次逼近ADC和循环ADC等。其中，单斜ADC应用最为广泛。因为其电路结构简单，每列只需要一个比较器和寄存器，占用面积小；各列共用一个斜坡，列间一致性好。图1所示为CMOS图像传感器中的单斜ADC的结构框图及工作过程。转换开始时，模拟输入信号Vin被采样保持，然后计数器控制斜坡发生器产生斜坡电压Vramp，并与Vin进行比较。当Vramp大于Vin时，比较器输出发生翻转，控制寄存器将此时的计数器值保存下来，即为量化的结果。但单斜ADC有个重要缺点，就是转换速率慢，N位的单斜ADC至少需要2N个时钟周期才能完成一次转换。该缺点限制了单斜ADC在大像素阵列或者高帧频等场合的应用。为了提高其转换速率，需要对其结构进行改进，现有的技术有：1)斜坡步长改变的单斜ADC，其根据像素信号噪声与光强成正比理论，将斜坡电压改为步长随电压升高而增大，即产生了一个非线性的类似于指数增长的斜坡，缩短了转换时间，且没有降低图像传感器的性能。2)两步单斜ADC。该结构将量化过程分为粗量化和细量化两步。其将粗量化时的斜坡电压存储在电容上，用于进一步细量化。但MOS开关的电荷注入会引入较大的误差。3)多斜坡ADC。顾名思义，其采用多个不同区间的斜坡电压来同时进行量化，可成倍增快量化速率。但需要多个斜坡发生器，且功耗会增加很多。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，加快单斜ADC的转换速率，同时实现模数转换器结构简单，功耗低。为此，本专利技术采取的技术方案是，低功耗列级多参考电压单斜模数转换器，由斜坡发生器、计数器、比较器、多路选择开关、寄存器组成，斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器。使斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器；其中，工作过程分为粗量化和细量化两个阶段：粗量化阶段：k个参考电压VrefK连接的开关S1～Sk按顺序依次闭合，使各列比较器的Vin1-端依次连接至参考电压Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k个台阶电压，同时Vramp输出最高电平Vrefp，因而各列比较器的Vin1+端也一直为Vrefp，则Vin1+与Vin1-的差VR为递减的台阶信号；各列比较器的Vin2+/-端输入一个差分信号Vsig，并将Vsig与VR进行比较，开始时Vsig<VR,比较器输出为0，当Vsig>VR时,比较器翻转为1，同时将粗量化计数器的值存到存储器中；细量化阶段：整个量化范围Vref＝Vrefp-Vrefn被分为k个细量化区间，各列根据粗量化的结果，控制各模拟开关使比较器连接到正确的参考电压，从而选择了对应的细量化区间，若粗量化结果为K，那么开关SK导通，比较器Vin1-端连接到VrefK；即选择了(k-K)/kVref至(k-K-1)/kVref细量化区间；Vramp产生斜坡电压提供给各列比较器的Vin1+端，其范围为Vrefp-Vref/k到Vrefp；因此Vin1+与Vin1-的差VR即为经过平移的斜坡电压，且与Vsig在同一细量化区间，将信号Vsig与斜坡VR进行比较，当二者几乎相等时，比较器输出发生反转，并将细量化计数器的值存入存储器中；将粗量化结果为高位，细量化结果作为低位，即可合成得到最终的量化结果。与已有技术相比，本专利技术的技术特点与效果：通过分成粗细两步量化，可以大大提高单斜ADC的转换速率。对于N位的单斜ADC，每次量化至少需要2N时钟周期；而对于m位粗量化，n位细量化的本结构m+n＝N，则需要至少2m+2n个时钟周期。与现有的的多斜坡结构相比，本技术功耗降低、结构简单。多斜坡结构需要产生多个斜坡，因此斜坡产生器结构复杂。而本技术只需要产生一个斜坡。另外，每个产生的斜坡需要经过一个很大的缓冲器来驱动所有列的比较器，因此采用多个斜坡时，这些缓冲器会大大增加功耗。而本技术采用单个斜坡，虽然每个参考电压也需要接缓冲器，但因为其为直流电平，所以对缓冲器的速度要求低，功耗也随之降低。因此可以选用更多的参考电压来加快转换速率，且不会导致缓冲器功耗过分增加。附图说明图1是现有技术提供的单斜ADC的结构框架及工作过程示意图，图2是本专利技术提供的多参考电压单斜ADC的架构图，图3是本专利技术提供的斜坡电压及多参考电压的示意图，图4是本专利技术提供的多参考电压单斜ADC工作过程示意图。具体实施方式本专利技术对多斜坡ADC进行了改进，提出了单个斜坡，多个参考电压的结构。其能大大加快单斜ADC的转换速率，同时结构简单，功耗低。本专利技术采用单个斜坡、多个参考电压的结构来改进单斜ADC，结构如图2所示。斜坡及参考电压产生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK(K＝1,2,3,…,k)，提供给各列使用。其波形如图3所示，斜坡电压的范围为量化范围(Vref＝Vrefp-Vrefn)的1/k，各个参考电压将量化范围等分为k个细量化区间。每一列电路包括比较器、多路选择开关、逻辑电路及存储电路。附图2中为简略起见只画出两列电路，对于每一列，其结构与工作原理均相同。其工作过程分为粗量化和细量化两个阶段：粗量化阶段：各列的模拟开关S1～Sk按顺序依次闭合，使比较器的Vin1-端依次连接至参考电压Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k个台阶电压，同时Vramp输出最高电平Vrefp，因而Vin1+端也一直为Vrefp，电压波形如图4(a)所示。那么Vin1+与Vin1-的差VR为递减的台阶信号，图4(b)所示。比较器的Vin2+/-端输入差分信号Vsig，并将Vsig与VR进行比较，开始时Vsig<VR,比较器输出为0，当Vsig>VR时,比较器翻转为1，如图4(c)所示，同时将粗量化计数器的值存到存储器中。细量化阶段：整个量化范围(Vref＝Vrefp-Vrefn)被分为k个细量化区间。根据粗量化的结果，控制各模拟开关使比较器连接到正确的参考电压，从而选择了对应的细量化区间，如图4(a)所示，开关S2导通，比较器Vin1-端连接到Vref本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗列级多参考电压单斜模数转换器，其特征是，由斜坡发生器、计数器、比较器、多路选择开关、寄存器组成，斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗列级多参考电压单斜模数转换器，其特征是，由斜坡发生器、计数器、比较器、多路选择开关、寄存器组成，斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器。2.一种低功耗列级多参考电压单斜模数转换方法，其特征是，包括下列步骤：使斜坡发生器产生斜坡电压Vramp及k个参考电压VrefK，K＝1,2,3,…,k；k个参考电压VrefK中的每一路电压分别通过各列的多路选择开关中的一个开关提供给该列的比较器；斜坡电压Vramp也分别提供给每一列的比较器；其中，工作过程分为粗量化和细量化两个阶段：粗量化阶段：k个参考电压VrefK连接的开关S1～Sk按顺序依次闭合，使各列比较器的Vin1-端依次连接至参考电压Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k个台阶电压，同时Vramp输出最高电平Vrefp，因而各列比较器的Vin1+端也一直为Vre...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江涛，吕涛，姚素英，史再峰，高静，聂凯明，高志远，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12