差分分级式模数转换器以及其操作方法与图像感测系统技术方案

一种差分分级式模数转换器(ADC)通过模数转换器比较器将从取样和保持电路接收到的差分模拟图像信号转换成数字信号。差分分级式模数转换器的比较器由经耦合以提供两个M个上输出位(UOB)的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器和经耦合以提供N个下输出位(LOB)的斜坡模数转换器共享。差分分级式逐次逼近寄存器模数转换器的数模转换器(DAC)包括连接到比较器的2M个缓冲位电容器指。各缓冲位电容器指包括位电容器、位缓冲器以及受上输出位控制的位开关。数模转换器均初始化为预设值，且基于上输出位的最低有效位的值而最终确定。后续斜坡模数转换器操作将确保其第一斜坡信号在单调方向上斜变且其第二斜坡信号在相反方向上斜变。斜变且其第二斜坡信号在相反方向上斜变。斜变且其第二斜坡信号在相反方向上斜变。

【技术实现步骤摘要】
差分分级式模数转换器以及其操作方法与图像感测系统


[0001]本公开大体上涉及图像传感器，且具体地但非排他地，涉及一种供用于从图像传感器读出图像数据的模数转换(analog to digital conversion；ADC)电路系统，一种差分分级式模数转换器以及其操作方法与图像感测系统。

技术介绍

[0002]图像传感器已变得随处可见。这些图像传感器广泛用于数字静态摄像机、蜂窝电话、安全性摄像机以及医学、汽车以及其它应用中。图像传感器通常利用互补金属氧化物半导体(Complementary
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Metal
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Oxide
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Semiconductor；CMOS)图像传感器来捕获成像场景的图像数据。CMOS装置包含在特定时间量内对来自场景的入射光感光的像素的阵列。此暴露时间允许个别像素的电荷累积，直到像素具有特定信号电压值(也称为像素灰度值)为止。可接着将这些个别信号电压值关联到表示成像场景的数字图像数据中。
[0003]图像质量极为重要。为了达成较高质量，阵列内的像素的数目的增加提供一种解决方案。为了尽可能多地消除图像数据中的噪声，提供另一种解决方案。在CMOS图像传感器中减少噪声的常见方式为相关双取样(correlated double sampling；CDS)。CDS通过针对给定像素计算信号电压值(图像灰度值)与复位信号(图像黑背景噪声，也称为暗电流噪声)之间的差来减少信号中的噪声。实施CDS从图像数据中减少固定模式噪声和其它时间噪声。相关双取样可在模拟域或数字域中进行。
[0004]一种用于对具有多个像素的图像传感器进行数字相关双取样的系统包含：模数转换器(analog
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to
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digital convertor；ADC)级，用于将模拟数据转换成数字图像数据且输出复位数据；存储器，用于存储数字图像数据和复位数据两者；以及模拟或数字相关双取样(CDS)级，用于基于数字图像数据与数字复位数据之间的减法来产生相关双取样图像数据。

技术实现思路

[0005]根据本公开的方面的差分分级式模数转换器(ADC)包含第一取样电容器、第一斜坡缓冲器、第一数模转换器(DAC)、第二取样电容器、第二斜坡缓冲器、第二数模转换器(DAC)、逐次逼近寄存器(SAR)逻辑以及斜坡计数器。第一取样电容器耦合在第一信号输入电压与比较器的第一输入之间。第一斜坡缓冲器耦合在第一斜坡发生器与第一斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第一斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第一输入。第一数模转换器(DAC)包含顶部M个缓冲位电容器指，其中M为整数，其中各所述顶部M个缓冲位电容器指包含顶部位电容器、顶部位缓冲器以及顶部位开关，其中所述顶部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第一输入，且其中所述顶部位缓冲器耦合在所述顶部位电容器的第二端子与所述顶部位开关的第一端子之间。第二取样电容器耦合在第二信号输入电压与所述比较器的第二输入之间。第二斜坡缓冲器耦合在第二斜坡发生器与第二斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第二斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第二输入。第二数模转换器(DAC)包含底部M个缓冲位电容器指，其中各所述底部M个缓冲
位电容器指包含底部位电容器、底部位缓冲器以及底部位开关，其中所述底部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第二输入，且其中所述底部位缓冲器耦合在所述底部位电容器的第二端子与所述底部位开关的第一端子之间。将所述比较器的输出输入到所述逐次逼近寄存器逻辑，且所述逐次逼近寄存器逻辑锁存且提供所述差分分级式模数转换器的由所述比较器的所述输出的输出值判定的M个上输出位(UOB)，其中所述逐次逼近寄存器逻辑输出基于所述M个上输出位的顶部M个控制位和基于所述M个上输出位的底部M个控制位两者，其中所述顶部M个控制位中的第i位判定第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第三端子之间的耦合，其中i为等于或小于M且等于或大于0的整数，且其中所述底部M个控制位中的第i位判定第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第三端子之间的耦合。所述比较器的所述输出输入到所述斜坡计数器，且所述斜坡计数器锁存且提供所述差分分级式模数转换器的N个下输出位(LOB)，其中N为整数。
[0006]根据本公开的方面的差分分级式模数转换器(ADC)图像感测系统包含像素阵列、控制电路系统、读出电路系统以及功能逻辑。像素阵列包含多个像素。控制电路系统耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作。读出电路系统通过多个位线耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列读出模拟图像数据，其中所述读出电路系统包括多个取样和保持电路以及上文所描述的差分分级式模数转换器(ADC)以将模拟图像数据转换成数字图像数据。功能逻辑耦合到所述读出电路系统。
[0007]根据本公开的方面的操作差分分级式模数转换器的方法包含通过将索引号i设定成1来初始化所述差分分级式模数转换器的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器操作，其中i为1到M的整数，M为整数，且其中M为所述差分分级式模数转换器的上输出位(UOB)的数目；设定顶部开关控制信号的第0个位和所述顶部开关控制信号的第1个位到第(M
‑
1)个位，以为第0个顶部缓冲位电容器指供应低参考电压且为第1个顶部缓冲位电容器指到(M
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1)个顶部缓冲位电容器指供应高参考电压，且同时设定所有M个底部开关控制信号以为所有M个底部缓冲位电容器指供应所述高参考电压；通过第一取样电容器将第一信号输入电压提供到比较器的非反相端子；通过第二取样电容器将第二信号输入电压提供到所述比较器的反相端子；通过所述比较器的输出值来判断所述比较器的所述非反相端子的电压是否大于所述比较器的所述反相端子的电压；以及如果所述比较器的所述非反相端子的所述电压大于所述比较器的所述反相端子的所述电压，那么对于i小于M，将所述差分分级式模数转换器的所述上输出位的第(M
‑
i)个位设定成1，此将对第(M
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i)个顶部缓冲位电容器指的供应从所述高参考电压切换到所述低参考电压，从而通过所述第(M
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i)个顶部缓冲位电容器指诱导所述比较器的所述非反相端子的电压降低所述高参考电压除以2的i次幂的量，同时将对第(M
‑
i)个底部缓冲位电容器指的供应维持为所述高参考电压，从而使所述比较器的所述反相端子的所述电压维持不变，否则，对于i小于M，将所述差分分级式模数转换器的所述上输出位的所述第(M
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i)个位设定成0，此将对所述第(M
‑
i)个顶部缓冲位电容器指的供应维持为所述高参考电压，从而使所述比较器的所述非反相端子的所述电压维持不变且将对第(M
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i)个底部缓冲位电容器指的供应从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种差分分级式模数转换器(ADC)，包括：第一取样电容器，耦合在第一信号输入电压与比较器的第一输入之间；第一斜坡缓冲器，耦合在第一斜坡发生器与第一斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第一斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第一输入；第一数模转换器(DAC)，包括顶部M个缓冲位电容器指，其中M为整数，其中各所述顶部M个缓冲位电容器指包括顶部位电容器、顶部位缓冲器以及顶部位开关，其中所述顶部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第一输入，且其中所述顶部位缓冲器耦合在所述顶部位电容器的第二端子与所述顶部位开关的第一端子之间；第二取样电容器，耦合在第二信号输入电压与所述比较器的第二输入之间；第二斜坡缓冲器，耦合在第二斜坡发生器与第二斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第二斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第二输入；第二数模转换器(DAC)，包括底部M个缓冲位电容器指，其中各所述底部M个缓冲位电容器指包括底部位电容器、底部位缓冲器以及底部位开关，其中所述底部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第二输入，且其中所述底部位缓冲器耦合在所述底部位电容器的第二端子与所述底部位开关的第一端子之间；逐次逼近寄存器(SAR)逻辑，其中将所述比较器的输出输入到所述逐次逼近寄存器逻辑，且所述逐次逼近寄存器逻辑锁存且提供所述差分分级式模数转换器的由所述比较器的所述输出的输出值判定的M个上输出位(UOB)，其中所述逐次逼近寄存器逻辑输出基于所述M个上输出位的顶部M个控制位和基于所述M个上输出位的底部M个控制位两者，其中所述顶部M个控制位中的第i位判定第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第三端子之间的耦合，其中i为等于或小于M且等于或大于0的整数，且其中所述底部M个控制位中的第i位判定第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第三端子之间的耦合；以及斜坡计数器，其中将所述比较器的所述输出输入到所述斜坡计数器，且所述斜坡计数器锁存且提供所述差分分级式模数转换器的N个下输出位(LOB)，其中N为整数。2.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中高参考电压耦合到各顶部M个缓冲位电容器指的所述顶部位开关的所述第二端子且耦合到各底部M个缓冲位电容器指的所述底部位开关的所述第二端子，且其中低参考电压耦合到各顶部M个缓冲位电容器指的所述顶部位开关的所述第三端子且耦合到各底部M个缓冲位电容器指的所述底部位开关的所述第三端子。3.根据权利要求2所述的差分分级式模数转换器，其中所述低参考电压为零电压。4.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述M个上输出位和所述N个下输出位包括所述差分分级式模数转换器的所有数字输出位。5.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述第一斜坡缓冲器和所述第二斜坡缓冲器以及各顶部位缓冲器和底部位缓冲器为源极跟随器。6.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述第一斜坡缓冲器和所述第二斜坡缓冲器以及各顶部位缓冲器和底部位缓冲器为具有单位增益的运算放大器。
7.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述第一斜坡电容器的电容等于所述顶部M个缓冲位电容器指中的第一顶部M个缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容，其中所述第二斜坡电容器的电容等于所述底部M个缓冲位电容器指中的第一底部M个缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容，且其中所述第二斜坡电容器的所述电容等于所述第一斜坡电容器的所述电容。8.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述第一取样电容器的电容为所述顶部M个缓冲位电容器指中的第M个缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容的两倍，其中所述第二取样电容器的电容为所述底部M个缓冲位电容器指中的第M个缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容的两倍，且其中所述第二取样电容器的所述电容等于所述第一取样电容器的所述电容。9.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述顶部M个缓冲位电容器指中的第二缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容为所述顶部M个缓冲位电容器指中的第一缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容的两倍，其中所述顶部M个缓冲位电容器指中的第三缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容为所述顶部M个缓冲位电容器指中的所述第二缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容的两倍，其中所述底部M个缓冲位电容器指中的第二缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容为所述底部M个缓冲位电容器指中的所述第一缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容的两倍，且其中所述底部M个缓冲位电容器指中的第三缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容为所述底部M个缓冲位电容器指中的所述第二缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容的两倍。10.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述顶部M个缓冲位电容器指中的第i个缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容为所述顶部M个缓冲位电容器指中的第(i
‑
1)个缓冲位电容器指的所述顶部位电容器的电容的两倍，其中i为等于或大于0且等于或小于M
‑
1的整数，且其中所述底部M个缓冲位电容器指中的第i个缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容为所述底部M个缓冲位电容器指中的第(i
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1)个缓冲位电容器指的所述底部位电容器的电容的两倍。11.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述M个上输出位的最低有效位的值判断所述顶部M个缓冲位电容器指中的第一缓冲位电容器指的所述顶部位开关的第一端子是否耦合到所述顶部M个缓冲位电容器指中的所述第一缓冲位电容器指的所述顶部位开关的所述第二端子或所述顶部M个缓冲位电容器指中的所述第一缓冲位电容器指的所述顶部位开关的所述第一端子是否耦合到所述顶部M个缓冲位电容器指中的所述第一缓冲位电容器指的所述顶部位开关的所述第三端子。12.根据权利要求1所述的差分分级式模数转换器，其中所述第一斜坡发生器始终在一个方向上斜变，且其中所述第二斜坡发生器始终在所述第一斜坡发生器的相反方向上斜变。13.一种差分分级式模数转换器(ADC)图像感测系统，包括：像素阵列，包含多个像素；控制电路系统，耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；读出电路系统，通过多个位线耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列读出模拟图像数据，其中所述读出电路系统包括多个取样和保持电路以及差分分级式模数转换器(ADC)以
将模拟图像数据转换成数字图像数据，其中所述差分分级式模数转换器包括：第一取样电容器，耦合在第一信号输入电压与比较器的第一输入之间；第一斜坡缓冲器，耦合在第一斜坡发生器与第一斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第一斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第一输入；第一数模转换器(DAC)，包括顶部M个缓冲位电容器指，其中M为整数，其中各所述顶部M个缓冲位电容器指包括顶部位电容器、顶部位缓冲器以及顶部位开关，其中所述顶部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第一输入，且其中所述顶部位缓冲器耦合在所述顶部位电容器的第二端子与所述顶部位开关的第一端子之间；第二取样电容器，耦合在第二信号输入电压与所述比较器的第二输入之间；第二斜坡缓冲器，耦合在第二斜坡发生器与第二斜坡电容器的第一端子之间，其中所述第二斜坡电容器的第二端子耦合到所述比较器的所述第二输入；第二数模转换器(DAC)，包括底部M个缓冲位电容器指，其中各所述底部M个缓冲位电容器指包括底部位电容器、底部位缓冲器以及底部位开关，其中所述底部位电容器的第一端子耦合到所述比较器的所述第二输入，且其中所述底部位缓冲器耦合在所述底部位电容器的第二端子与所述底部位开关的第一端子之间；逐次逼近寄存器(SAR)逻辑，其中将所述比较器的输出输入到所述逐次逼近寄存器逻辑，且所述逐次逼近寄存器逻辑锁存且提供所述差分分级式模数转换器的由所述比较器的所述输出的输出值判定的M个上输出位(UOB)，其中所述逐次逼近寄存器逻辑输出基于所述M个上输出位的顶部M个控制位和基于所述M个上输出位的底部M个控制位两者，其中所述顶部M个控制位中的第i位判定第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个顶部位开关的所述第一端子与所述第i个顶部位开关的第三端子之间的耦合，其中i为等于或小于M且等于或大于0的整数，且其中所述底部M个控制位中的第i位判定第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第二端子之间的耦合或所述第i个底部位开关的所述第一端子与所述第i个底部位开关的第三端子之间的耦合；以及斜坡计数器，其中将所述比较器的所述输出输入到所述斜坡计数器，且所述斜坡计数器锁存且提供所述差分分级式模数转换器的N个下输出位(LOB)，其中N为整数；以及功能逻辑，耦合到所述读出电路系统。14.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡肇芳，杨征，张俊祥，
申请(专利权)人：豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：