一种应用于图像传感器的两步式逐次逼近式模数转换器制造技术

一种应用于图像传感器的两步式逐次逼近式模数转换器，包括：采样模块、放大模块、数模转换模块和开关模块；采样模块通过开关模块与放大模块连接，放大模块与数模转换模块连接；开关模块具有第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，开关模块包括多个开关电路，多个开关电路被选择性地导通，以选择性切换开关模块处于第一工作状态、第二工作状态或第三工作状态。本发明专利技术仅用单个DAC即实现了一种两步式模数转换器，仅使用N位电容性数模转换器得到了2N位的模数转换器精度，显著降低了模数转换器的面积和功耗。尤其对于图像传感器列级读出电路这种需要较高精度同时面积严格受限的应用中，本发明专利技术具有显著优势。本发明专利技术具有显著优势。本发明专利技术具有显著优势。

A two-step successive approximation ADC for image sensor

【技术实现步骤摘要】
一种应用于图像传感器的两步式逐次逼近式模数转换器


[0001]本申请涉及集成电路
，具体为一种应用于图像传感器的两步式逐次逼近式模数转换器(SAR ADC,Successive Approximation Register Analog
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to
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Digital Converter)。

技术介绍

[0002]在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器中，读出电路设计的优劣对于成像质量的好坏具有显著的影响，尤其是读出电路中模数转换电路模块的设计。图像传感器读出电路中具有庞大的像素电路阵列，每个像素将光信号转换为模拟电压信号输出并需要后续进行模数转换，基于速度和面积的折中，读出电路中模数转换广泛采用列并行架构实现，即每列具有单独的ADC(Analog
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Digital Converter，模数转换器)，各列的ADC并行工作，这有效减小了对于单个ADC转换速度的压力。然而在这种条件下，ADC的面积尤其是宽度受限于单个像素的宽度，通常在几微米至几十微米，面积受到严重限制。在列并行架构读出电路中，SAR ADC是一种被广泛使用的ADC类型，其具有中等速度和精度及较低的功耗等特点。
[0003]图1为传统的SAR ADC结构示意图。其主要由一个电容阵列组成的DAC(Digital
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Analog Converter，数模转换器)、一个比较器以及逻辑模块组成。对于这种最经典的单步SAR ADC，其达到N位精度所需的单位电容数量为2
N
个，由此可见SAR ADC的面积随着精度的增长呈指数增长。当ADC的精度达到10位以上时，其所需要的电容阵列面积对于列并行架构来说已经难以接受。为了解决电容阵列面积过大的问题，也出现了两步式SAR ADC的方案。
[0004]图2为传统的两步式SAR ADC结构示意图。这种两步式SAR ADC由两个DAC、两个比较器、两个逻辑模块以及一个差值放大器组成，其达到N位精度所需的单位电容数量为仍然占用了较多面积及功耗。
[0005]由此可见，在列并行读出电路技术中，如何进一步减少ADC的面积和功耗成为亟待解决的技术问题。
[0006]鉴于此，克服该现有技术产品所存在的不足是本
亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]本申请主要解决的技术问题是提供一种应用于图像传感器的两步式SAR ADC，仅用单个DAC即实现了一种两步式ADC，仅使用N位CDAC(Capacitive DAC，电容性数模转换器)得到了2N位的ADC精度，显著降低了ADC的面积和功耗。尤其对于图像传感器列级读出电路这种需要较高精度同时面积严格受限的应用中，本专利技术具有显著优势。
[0008]为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种应用于图像传感器的两步式SAR ADC，所述两步式SAR ADC包括：采样模块、放大模块、数模转换模块和开关模块；所述采样模块通过所述开关模块与所述放大模块连接，所述放大模块与所述数模转
换模块连接；
[0009]所述开关模块具有第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，所述开关模块包括多个开关电路，多个所述开关电路被选择性地导通，以选择性切换所述开关模块处于第一工作状态、第二工作状态或所述第三工作状态；
[0010]当所述开关模块处于所述第一工作状态时，所述采样模块用于将获取的原始信号发送至所述放大模块，所述放大模块用于对所述原始信号进行放大，得到第一放大信号，所述数模转换模块用于对第一放大信号进行第一次逐次逼近转换；
[0011]在完成所述第一次逐次逼近转换后，所述开关模块切换至所述第二工作状态，所述放大模块用于对所述数模转换模块的残存差值电压进行第二次放大，得到第二放大信号；
[0012]当所述开关模块处于所述第三工作状态时，所述数模转换模块用于对第二放大信号进行第二次逐次逼近转换。
[0013]其中，所述两步式SAR ADC还包括比较器和SAR控制模块，所述比较器的输入端与所述数模转换模块的输出端连接，所述比较器的输出端与所述SAR控制模块的输入端连接；
[0014]在所述第一次逐次逼近转换的过程中，所述比较器用于比较数模转换模块两输入端的信号大小，将比较的结果作为高N位输出；
[0015]在所述第二次逐次逼近转换的过程中，所述比较器用于比较数模转换模块两输入端的信号大小，将比较的结果作为低N位输出，从而得到2N位的AD转换数据。
[0016]其中，所述数模转换模块包括第一多路选择开关、第二多路选择开关、第一电容阵列和第二电容阵列，所述第一多路选择开关与所述第一电容阵列中的各个电容的下极板连接，所述第一电容阵列中的各个电容的上极板与所述比较器的正输入端连接；
[0017]所述第二多路选择开关与所述第二电容阵列中的各个电容的下极板连接，所述第二电容阵列中的各个电容的上极板与所述比较器的负输入端连接；
[0018]所述第一多路选择开关的控制端和所述第二多路选择开关的控制端均分别与所述SAR控制模块连接；
[0019]其中，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列均包括N个电容，各个电容的电容值形成等比数列，其中，N为正整数。
[0020]其中，所述开关模块包括第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路，所述采样模块的输出端与所述放大模块的输入端通过所述第一开关电路连接，所述放大模块的输出端通过所述第二开关电路与所述数模转换模块连接，所述放大模块的输入端还通过所述第三开关电路与所述数模转换模块连接。
[0021]其中，当所述第一开关电路导通、所述第二开关电路导通、所述第三开关电路断开时，所述开关模块处于第一工作状态；
[0022]当所述第一开关电路断开、所述第二开关电路断开、所述第三开关电路导通时，所述开关模块处于第二工作状态；
[0023]当所述第一开关电路断开、所述第二开关电路导通、所述第三开关电路断开时，所述开关模块处于第三工作状态。
[0024]其中，所述第一开关电路包括一对第一开关，所述放大模块包括差分放大器，所述差分放大器的负输入端与其中一个第一开关连接，所述差分放大器的正输入端与另一个第
一开关连接。
[0025]其中，所述第二开关电路包括一对第二开关，所述第三开关电路包括一对第三开关；
[0026]所述差分放大器的正输出端与其中一个第二开关连接，所述差分放大器的负输出端与另一个第二开关连接；
[0027]连接于所述差分放大器的正输出端的第二开关通过其中一个第三开关与所述差分放大器的正输入端连接；
[0028]连接于所述差分放大器的负输出端的第二开关通过另一个第三开关与所述差分放大器的负输入端连接。
[0029]其中，所述开关模块包括：第四开关电路，所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于图像传感器的两步式逐次逼近式模数转换器，其特征在于，包括：采样模块、放大模块、数模转换模块和开关模块；所述采样模块通过所述开关模块与所述放大模块连接，所述放大模块与所述数模转换模块连接；所述开关模块具有第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，所述开关模块包括多个开关电路，多个所述开关电路被选择性地导通，以选择性切换所述开关模块处于第一工作状态、第二工作状态或所述第三工作状态；当所述开关模块处于所述第一工作状态时，所述采样模块用于将获取的原始信号发送至所述放大模块，所述放大模块用于对所述原始信号进行放大，得到第一放大信号，所述数模转换模块用于对第一放大信号进行第一次逐次逼近转换；在完成所述第一次逐次逼近转换后，所述开关模块切换至所述第二工作状态，所述放大模块用于对所述数模转换模块的残存差值电压进行第二次放大，得到第二放大信号；当所述开关模块处于所述第三工作状态时，所述数模转换模块用于对所述第二放大信号进行第二次逐次逼近转换。2.根据权利要求1所述的两步式逐次逼近式模数转换器，其特征在于，还包括比较器和逐次逼近式控制模块，所述比较器的输入端与所述数模转换模块的输出端连接，所述比较器的输出端与所述逐次逼近式控制模块的输入端连接；在所述第一次逐次逼近转换的过程中，所述比较器用于比较数模转换模块两输入端的信号大小，将比较的结果作为高N位输出；在所述第二次逐次逼近转换的过程中，所述比较器用于比较数模转换模块两输入端的信号大小，将比较的结果作为低N位输出，从而得到2N位的AD转换数据；其中N为正整数。3.根据权利要求2所述的两步式逐次逼近式模数转换器，其特征在于，所述数模转换模块包括第一多路选择开关、第二多路选择开关、第一电容阵列和第二电容阵列，所述第一多路选择开关与所述第一电容阵列中的各个电容的下极板连接，所述第一电容阵列中的各个电容的上极板与所述比较器的正输入端连接；所述第二多路选择开关与所述第二电容阵列中的各个电容的下极板连接，所述第一电容阵列中的各个电容的上极板与所述比较器的负输入端连接；所述第一多路选择开关的控制端和所述第二多路选择开关的控制端均分别与所述逐次逼近式控制模块连接。4.根据权利要求3所述的两步式逐次逼近式模数转换器，其特征在于，所述第一电容阵列和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬生，聂正，李豪，唐江，牛广达，高亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：