信号转换装置及相应的方法制造方法及图纸

本申请公开了一种信号转换装置，包括第一积分模块，配置为基于外部感测元件的感测信号生成第一积分信号；第二积分模块，配置为生成第二积分信号；控制模块，配置为：在第一量化阶段，基于所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果获得具有第一量化精度的第一量化信号和残余量，在第二量化阶段，基于所述残余量和所述第二积分信号的第二比较结果获得与所述残余量相对应的、具有第二量化精度的第二量化信号，其中所述第二量化信号与所述第二量化精度之积小于等于所述第一量化精度。本申请还提供了包括这种信号转换装置的感测设备和相应的信号转换方法。

Signal Conversion Device and Corresponding Method

【技术实现步骤摘要】
信号转换装置及相应的方法
本申请涉及图像传感器
，特别涉及一种分步量化型像素级模数转换电路。
技术介绍
目前图像传感器广泛应用于多个领域。像素电路是图像传感器的关键电路组成，像素电路由两部分组成：一是探测器部分，用来将入射的光信号转换成电子空穴对；二是读出电路部分，用来将电子空穴对转换成一个可读信号。在传统的APS(ActivePixelSensor)中，因为传感器会泄放积分电容上的电荷，该可读信号一般是一个模拟电压降，并在片外进行模数转换。由于对可靠性以及性能的要求，像素电路结构也产生了革新，模数转换电路被集成在了像素电路内。像素级模数转换相对于芯片级模数转换和列级模数转换具有显著的优势。第一，由于转换速率的降低，功耗相应降低；第二，由于模拟通道的多路复用被抑制，所以噪声性能也得到了优化。当然，像素级模数转换的缺点就是受像素面积约束大。为了提高动态范围，现在的像素模数转换通常会采用粗量化加细量化的两步结构，但是粗量化和细量化之间的匹配会由于工艺涨落产生较大偏差。因此，亟需一种具有较高匹配精度的信号转换装置及方法。
技术实现思路
本申请针对上述问题，本申请提供了一种信号转换装置，包括第一积分模块，配置为基于外部感测元件的感测信号生成第一积分信号；第二积分模块，配置为生成第二积分信号；控制模块，配置为在第一量化阶段，基于所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果获得具有第一量化精度的第一量化信号和残余量；在第二量化阶段，基于所述残余量和所述第二积分信号的第二比较结果获得与所述残余量相对应的、具有第二量化精度的第二量化信号，其中所述第二量化信号与所述第二量化精度之积小于等于所述第一量化精度。特别的，所述控制模块还配置为在所述第一量化阶段，基于所述第一比较结果来生成第一调整信号以使得所述第一积分信号复位，直至所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果不再变化；以及在所述第二量化阶段，基于所述第二比较结果来生成第二调整信号，以使得所述第二积分信号均匀的递增或递减调整，直至所述第二积分信号满足所述残余量。特别的，所述控制模块包括比较单元，其第一输入端在所述第一量化阶段耦合到所述参考信号并且在所述第二量化阶段耦合到所述第二积分模块的输出端，其第二输入端耦合到所述第一积分模块的输出端，所述比较单元配置为比较所述第一积分信号与所述参考信号，或比较所述剩余量与所述第二积分信号；逻辑单元，其耦合到所述比较单元的输出端，配置为在所述第一量化阶段，基于所述第一比较结果产生所述第一调整信号和所述第一量化信号；在所述第二量化阶段，基于所述第二比较结果产生所述第二调整信号和所述第二量化信号。特别的，所述第一积分模块包括第一电容器和第一复位单元，其中所述第一电容器的第一极板配置为接收外部感测元件的感测信号并耦合到所述第一复位单元的输出端，其第二极板耦合到地电位；所述第一电容器的第一极板还耦合至所述比较单元的第二输入端以提供所述第一积分信号。特别的，所述第二积分模块包括第二电容器、第一调整单元和缓冲器，其中所述第二电容器的第一极板耦合至所述第一调整单元的输出端，以及所述缓冲器的第一输入端，其第二极板耦合到地电位；所述缓冲器的第二输入端与其输出端耦合，并且在所述第二量化阶段耦合到所述比较单元的第一输入端。特别的，在所述第一量化阶段，所述第一复位单元配置为基于所述第一调整信号对所述第一电容器进行第一指定量的电荷传输；在所述第二量化阶段，所述第一调整单元配置为基于所述第二调整信号对所述第二电容器进行所述第一指定量的电荷传输，其中，所述第二电容器的电容是所述第一电容器的电容的2N倍，其中N是大于等于1的整数。特别的，所述第一积分模块包括第一运放、第三电容器和第二复位单元，其中所述第一运放的第一输入端接预设电位，第二输入端配置为接收所述感测信号，其第二输入端还耦合到所述第二复位单元的输出端，其输出端耦合到所述比较单元的第一输入端；所述第三电容器耦合在所述第一运放的第二输入端和输出端之间。特别的，所述第二积分模块包括第二运放、第四电容器和第二调整单元，其中所述第二运放的第一输入端接预设电位，第二输入端耦合到所述第二调整单元的输出端，其输出端在所述第二量化阶段耦合到所述比较单元的第二输入端；所述第四电容器耦合在所述第二运放的第二输入端和输出端之间。特别的，所述第二复位单元配置为基于所述第一调整信号对所述第三电容器进行第二指定量的电荷传输；所述第二调整单元配置为基于所述第二调整信号对所述第四电容器进行所述第二指定量的电荷传输，其中，所述第四电容器的电容是所述第三电容器的电容的2N倍，其中N为大于等于1的整数。特别的，所述控制模块基于所述第一量化信号以及所述第二量化信号来确定总量化信号。本申请还提供了一种感测设备，包括一个或多个感测元件，以及与所述感测元件耦合的如前述任一所记载的相应的信号转换装置。特别的，所述感测元件包括光电探测器。本申请还提供了一种信号转换方法，包括基于第一积分信号和参考信号的第一比较结果获得具有第一量化精度的第一量化信号和残余量，其中，基于所述第一比较结果来对所述第一积分信号进行复位；基于所述残余量和第二积分信号的第二比较结果获得与所述残余量相对应的、具有第二量化精度的第二量化信号，其中，基于所述第二比较结果使得所述第二积分信号均匀的递增或递减调整，直至所述第二积分信号满足所述残余量，其中所述积分信号与所述第二量化精度之积小于等于所述第一量化精度。通过采用本申请的技术方案，这种结构可以实现不同量化精度之间的良好匹配，并且在工艺涨落和温度变化的影响下仍然能匹配良好。附图说明参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。图1为依据本申请实施例的信号转换装置的架构图；图2a示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图；图2b为图2a中信号转换装置的时序图；图3示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图。具体实施方式在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本申请一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本申请的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本申请的所有实施例。可以理解，在不偏离本申请的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本申请的范围由所附的权利要求所限定。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)。当晶体管为场效应晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信号转换装置，包括：第一积分模块，配置为基于外部感测元件的感测信号生成第一积分信号；第二积分模块，配置为生成第二积分信号；控制模块，配置为：在第一量化阶段，基于所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果获得具有第一量化精度的第一量化信号和残余量，在第二量化阶段，基于所述残余量和所述第二积分信号的第二比较结果获得与所述残余量相对应的、具有第二量化精度的第二量化信号，其中所述第二量化信号与所述第二量化精度之积小于等于所述第一量化精度。

【技术特征摘要】
1.一种信号转换装置，包括：第一积分模块，配置为基于外部感测元件的感测信号生成第一积分信号；第二积分模块，配置为生成第二积分信号；控制模块，配置为：在第一量化阶段，基于所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果获得具有第一量化精度的第一量化信号和残余量，在第二量化阶段，基于所述残余量和所述第二积分信号的第二比较结果获得与所述残余量相对应的、具有第二量化精度的第二量化信号，其中所述第二量化信号与所述第二量化精度之积小于等于所述第一量化精度。2.如权利要求1所述的信号转换装置，其中，所述控制模块还配置为：在所述第一量化阶段，基于所述第一比较结果来生成第一调整信号以使得所述第一积分信号复位，直至所述第一积分信号和参考信号的第一比较结果不再变化；以及在所述第二量化阶段，基于所述第二比较结果来生成第二调整信号，以使得所述第二积分信号均匀的递增或递减调整，直至所述第二积分信号满足所述残余量。3.如权利要求2所述的信号转换装置，其中，所述控制模块包括：比较单元，其第一输入端在所述第一量化阶段耦合到所述参考信号并且在所述第二量化阶段耦合到所述第二积分模块的输出端，其第二输入端耦合到所述第一积分模块的输出端，所述比较单元配置为比较所述第一积分信号与所述参考信号，或比较所述剩余量与所述第二积分信号；逻辑单元，其耦合到所述比较单元的输出端，配置为，在所述第一量化阶段，基于所述第一比较结果产生所述第一调整信号和所述第一量化信号，在所述第二量化阶段，基于所述第二比较结果产生所述第二调整信号和所述第二量化信号。4.如权利要求3所述的信号转换装置，其中，所述第一积分模块包括第一电容器和第一复位单元，其中：所述第一电容器的第一极板配置为接收外部感测元件的感测信号并耦合到所述第一复位单元的输出端，其第二极板耦合到地电位；所述第一电容器的第一极板还耦合至所述比较单元的第二输入端以提供所述第一积分信号。5.如权利要求4所述的信号转换装置，其中，所述第二积分模块包括第二电容器、第一调整单元和缓冲器，其中：所述第二电容器的第一极板耦合至所述第一调整单元的输出端，以及所述缓冲器的第一输入端，其第二极板耦合到地电位；所述缓冲器的第二输入端与其输出端耦合，并且在所述第二量化阶段耦合到所述比较单元的第一输入端。6.如权利要求5所述的信号转换装置，其中，在所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄首东，鲁文高，于善哲，牛育泽，黄兆丰，张雅聪，陈中建，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11