一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC制造技术

一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，由两级比较器和计数器组成；在此ADC中，DDS过程中采用单一斜坡以提高其运行速度，更重要的是，该ADC可以对读出电路中存在非理想因素进行量化并完成DDS操作。因此，可以减少在DDS期间计数器所使用的时钟数和功率消耗。同时，该提出的单斜ADC使用两个相同的差分输入对，以保证整个量化过程中的均匀性。以保证整个量化过程中的均匀性。以保证整个量化过程中的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC


[0001]本专利技术属于微电子学的模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC。

技术介绍

[0002]CMOS图像传感器由于其功率低、成像速度快等特点，在各种领域得到了广泛的应用。传统图像传感器结构示意图如图1所示，包括像素，源跟随器(source follower, SF)，模数转换器(Analog to Digital Convertor, ADC)和一些数字处理模块等等。在这些模块中，ADC是将模拟的像素电压值转换为数字值的重要模块。读出电路的核心模块是ADC。在CMOS图像传感器中可以集成多种类型的ADC，例如循环ADC、逐次逼近ADC、单斜ADC和过采样ADC。然而，在逐次逼近ADC中需要具有精确增益的放大器，并且需要匹配良好的数模转换器(Digital-to-Analog Convertor, DAC)。精密增益放大器的需求不仅增加了设计难度，而且在将循环/逐次逼近ADC放入小间距列并行读出电路时也导致了显著的布局复杂度和列均匀性问题。采用单个芯片级ADC读出整个像素阵列可以避免上述问题，但是图像传感器的帧速率受限于ADC的速度。对于列并行单斜率ADC，公共斜坡信号连接到所有列并行读出阵列，可以有效减少其版图面积适合小间距电路。采用两级单斜ADC能够满足高帧频CMOS图像传感器对电路读取速度的需要，弥补了单斜率ADC读取速度的不足。更重要的是，在单斜ADC中可以进行相关双采样(Correlated Double Sampling, CDS)操作，以确保读出列之间的均匀性，从而可以减少固定模式噪声(Fixed Pattern Noise, FPN)。通常，模拟CDS和数字CDS(Digital CDS, DDS)操作在单斜ADC中是常见的。尽管使用电容器和开关的模拟CDS电路易于设计，但是由于时钟馈通误差和失配误差，难以提高精度。相反，DDS可以有效的对数字域中的像素复位信号和像素曝光信号进行减法运算，这可以消除在列读出电路中存在的复位kT/C噪声、时钟穿通和斜坡延迟所引起的不均匀性。图2展示了在传统单斜ADC中进行DDS操作量化非理想因素的过程。当斜坡开始下降时，计数器开始向下计数，并且当比较器状态为低时停止计数，进而获得非理想因素的时钟计数。在这种情况下，计数器将DAC
RST
和V
refh
之间的差的时钟数与非理想因素一起量化计数。然而，采用DDS操作的传统单斜ADC有两个障碍。一方面，需要两个斜坡来完成DDS操作，这降低了单斜ADC的转换速度。另一方面，为了消除非理想性的影响，在第一DDS阶段期间通常数字化附加电压信号，并且该数字代码被用于从像素信号中减去。这意味着与模拟CDS相比，列数字计数器消耗更多的功率，特别是在需要高速计数时钟的高速单斜ADC中。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种用于图像传感器的误差量化(Error Quantification, EQ) 10位单斜ADC；在此ADC中，DDS过程中采用单一斜坡以提高其运行速度，更重要的是，该ADC可以对读出电路中存在非理想因素进行量化并完成DDS操作。因此，可以减少在DDS期间计数器所使用的时钟数和功率消耗。同时，该提出的单斜ADC使用两个
相同的差分输入对，以保证整个量化过程中的均匀性。
[0004]一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，结构如图3所示，该ADC由两级比较器和计数器组成，具体连接关系如下：像素输出PIXEL连接到电容C1左极板，电容C1的右极板连接到第一级比较器的正输入端，第一级比较器的正输入端通过开关S1与第一级比较器的负输出端相连接，斜坡信号RAMP连接到电容C2左极板，电容C2的右极板连接到第一级比较器的负输入端，第一级比较器的负输入端通过开关S2与第一级比较器的正输出端相连接，第一级比较器的负输入端与电容C3的左极板相连，电容C3的右极板与第二级比较器的负输入端相连，第二级比较器的正输入端通过开关S3与第二级比较器的输出端VO相连接，共模电压VCM连接到第二级比较器的正输入端，比较器的输出连接到10位计数器。
[0005]一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，工作时序如图4所示，首先，在A阶段中，通过开关S1、S2和S3完成比较器的第一次复位操作；AZ和BZ分别对第一级和第二级比较器进行复位操作；同时，像素输出其复位电压V
RST
，并且斜坡发生器中输出固定电压值DAC
RST
；在该阶段期间，电容C1和C2的左极板分别连接到V
RST
和DAC
RST
，而C1和C2的右极板电压为共模电压VCM，当复位信号AZ接通时，该共模电压VCM由第一级比较器限定；因此，电压值V
RST-VCM以及非理想因素被存储在电容C1的两端；类似地，电压值DAC
RST-VCM以及非理想因素被存储在电容C2的两端；在第一复位阶段结束时，S3晚于S1关断，以减少由时钟和电荷注入引入的非理想性。
[0006]在B阶段中完成非理想因素的量化：首先，将斜坡RAMP调到其最大电压V
refh
，从而在C2左极板和VCN节点产生电压跳变；然后，VCN将跟随斜坡下降，当VCN与VCM交叉时，在比较器输出翻转；同时，所提出的单斜ADC中的计数器在斜坡下降到DAC
RST
时开始递减计数，并且当比较器状态为低时停止计数；在这种方式下，计数器所记录数值只代表所有非理想因素，因此节省了其功耗。
[0007]在C阶段中完成第二级比较器的复位操作，该过程类似于第一级比较器的复位过程；唯一的区别是DAC
MID-VCM被存储在电容C2的两端；其中DAC
MID
是在第二级比较器的复位S1和S2关断后的RAMP电压，并且像素的输出从复位电压Vrst改变到其曝光电压Vsig；在该阶段中，计数器停止计数，保持其当前值。
[0008]在D阶段中，计数器开始向上计数，VCN将跟随RAMP的下降。当VCN与VCM交叉，比较器翻转，计数器停止计数。最终，计数器对Vrst和Vsig之间差值电压的进行数字码计数，并且消除非理想因素。
[0009]一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，该ADC具有单一斜坡，可以有效降低采样量化过程中的冗余计数和功耗，有效降低芯片功耗，提高量化速度。进而满足图像传感器高精度，低功耗的需求，扩大图像传感器的使用范围。
附图说明
[0010]图1是图形传感器结构示意图；图2是传统单斜ADC工作时序；图3是所提出的单斜ADC原理图；图4是所提出单斜ADC工作时序。
具体实施方式
[0011]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实例给出本专利技术实施方式的具体描述。如图2左侧虚线框中所示，在该实例中，两级比较器均通过传统的5管运放实现，单级比较器的交流增益约为48 dB，比较器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，其特征在于：由两级比较器和计数器组成；像素输出PIXEL连接到电容C1左极板，电容C1的右极板连接到第一级比较器的正输入端，第一级比较器的正输入端通过开关S1与第一级比较器的负输出端相连接，斜坡信号RAMP连接到电容C2左极板，电容C2的右极板连接到第一级比较器的负输入端，第一级比较器的负输入端通过开关S2与第一级比较器的正输出端相连接，第一级比较器的负输入端与电容C3的左极板相连，电容C3的右极板与第二级比较器的负输入端相连，第二级比较器的正输入端通过开关S3与第二级比较器的输出端VO相连接，共模电压VCM连接到第二级比较器的正输入端，比较器的输出连接到10位计数器。2.根据权利要求1所述一种用于图像传感器的误差量化10位单斜ADC，其特征在于：首先，在A阶段中，通过开关S1、S2和S3完成比较器的第一次复位操作；AZ和BZ分别对第一级和第二级比较器进行复位操作；同时，像素输出其复位电压V
RST
，并且斜坡发生器中输出固定电压值DAC
RST
；在该阶段期间，电容C1和C2的左极板分别连接到V
RST
和DAC
RST
，而C1和C2的右极板电压为共模电压VCM，当复位信号AZ接通时，该共模电压V...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江涛，史晓琳，
申请(专利权)人：天津大学青岛海洋技术研究院，
类型：发明
国别省市：