低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換方法及轉換器技術

本發明專利技術涉及數模混合集成電路設計領域，為加快單斜ADC的轉換速率，同時實現模數轉換器結構簡單，功耗低。為此，本發明專利技術采取的技術方案是，低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換方法及轉換器，由斜坡發生器、計數器、比較器、多路選擇開關、寄存器組成，斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。本發明專利技術主要應用于數模混合集成電路設計。

【技術實現步驟摘要】
低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換方法及轉換器
本專利技術涉及數模混合集成電路設計領域，特別涉及低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換方法及轉換器。技術背景CMOS圖像傳感器具有集成度高、功耗低及成本低等優點，廣泛應用于圖像采集領域。ADC是CMOS圖像傳感器的重要組成部分，實現了將模擬信號轉換為數字信號的功能。目前應用在CMOS圖像傳感器中的ADC有三種類型：像素級ADC、列級ADC和芯片級ADC。列級ADC與芯片級ADC相比，對ADC速度要求較低，降低了設計難度；與像素級ADC相比，提高了填充因子，從而提高了圖像傳感器的光電轉換效率，因此列級ADC得到了廣泛應用。但列級ADC也面臨著一些挑戰：列級ADC在列寬上受限于像素尺寸；列與列之間的失調會引入列級固定模式噪聲。對于CMOS圖像傳感器中的列級ADC，現有的主要實現方式有單斜ADC、逐次逼近ADC和循環ADC等。其中，單斜ADC應用最為廣泛。因為其電路結構簡單，每列只需要一個比較器和寄存器，占用面積小；各列共用一個斜坡，列間一致性好。圖1所示為CMOS圖像傳感器中的單斜ADC的結構框圖及工作過程。轉換開始時，模擬輸入信號Vin被采樣保持，然后計數器控制斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp，并與Vin進行比較。當Vramp大于Vin時，比較器輸出發生翻轉，控制寄存器將此時的計數器值保存下來，即為量化的結果。但單斜ADC有個重要缺點，就是轉換速率慢，N位的單斜ADC至少需要2N個時鐘周期才能完成一次轉換。該缺點限制了單斜ADC在大像素陣列或者高幀頻等場合的應用。為了提高其轉換速率，需要對其結構進行改進，現有的技術有：1)斜坡步長改變的單斜ADC，其根據像素信號噪聲與光強成正比理論，將斜坡電壓改為步長隨電壓升高而增大，即產生了一個非線性的類似于指數增長的斜坡，縮短了轉換時間，且沒有降低圖像傳感器的性能。2)兩步單斜ADC。該結構將量化過程分為粗量化和細量化兩步。其將粗量化時的斜坡電壓存儲在電容上，用于進一步細量化。但MOS開關的電荷注入會引入較大的誤差。3)多斜坡ADC。顧名思義，其采用多個不同區間的斜坡電壓來同時進行量化，可成倍增快量化速率。但需要多個斜坡發生器，且功耗會增加很多。
技術實現思路
為克服現有技術的不足，加快單斜ADC的轉換速率，同時實現模數轉換器結構簡單，功耗低。為此，本專利技術采取的技術方案是，低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換器，由斜坡發生器、計數器、比較器、多路選擇開關、寄存器組成，斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。使斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器；其中，工作過程分為粗量化和細量化兩個階段：粗量化階段：k個參考電壓VrefK連接的開關S1～Sk按順序依次閉合，使各列比較器的Vin1-端依次連接至參考電壓Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k個臺階電壓，同時Vramp輸出最高電平Vrefp，因而各列比較器的Vin1+端也一直為Vrefp，則Vin1+與Vin1-的差VR為遞減的臺階信號；各列比較器的Vin2+/-端輸入一個差分信號Vsig，并將Vsig與VR進行比較，開始時Vsig<VR,比較器輸出為0，當Vsig>VR時,比較器翻轉為1，同時將粗量化計數器的值存到存儲器中；細量化階段：整個量化范圍Vref＝Vrefp-Vrefn被分為k個細量化區間，各列根據粗量化的結果，控制各模擬開關使比較器連接到正確的參考電壓，從而選擇了對應的細量化區間，若粗量化結果為K，那么開關SK導通，比較器Vin1-端連接到VrefK；即選擇了(k-K)/kVref至(k-K-1)/kVref細量化區間；Vramp產生斜坡電壓提供給各列比較器的Vin1+端，其范圍為Vrefp-Vref/k到Vrefp；因此Vin1+與Vin1-的差VR即為經過平移的斜坡電壓，且與Vsig在同一細量化區間，將信號Vsig與斜坡VR進行比較，當二者幾乎相等時，比較器輸出發生反轉，并將細量化計數器的值存入存儲器中；將粗量化結果為高位，細量化結果作為低位，即可合成得到最終的量化結果。與已有技術相比，本專利技術的技術特點與效果：通過分成粗細兩步量化，可以大大提高單斜ADC的轉換速率。對于N位的單斜ADC，每次量化至少需要2N時鐘周期；而對于m位粗量化，n位細量化的本結構m+n＝N，則需要至少2m+2n個時鐘周期。與現有的的多斜坡結構相比，本技術功耗降低、結構簡單。多斜坡結構需要產生多個斜坡，因此斜坡產生器結構復雜。而本技術只需要產生一個斜坡。另外，每個產生的斜坡需要經過一個很大的緩沖器來驅動所有列的比較器，因此采用多個斜坡時，這些緩沖器會大大增加功耗。而本技術采用單個斜坡，雖然每個參考電壓也需要接緩沖器，但因為其為直流電平，所以對緩沖器的速度要求低，功耗也隨之降低。因此可以選用更多的參考電壓來加快轉換速率，且不會導致緩沖器功耗過分增加。附圖說明圖1是現有技術提供的單斜ADC的結構框架及工作過程示意圖，圖2是本專利技術提供的多參考電壓單斜ADC的架構圖，圖3是本專利技術提供的斜坡電壓及多參考電壓的示意圖，圖4是本專利技術提供的多參考電壓單斜ADC工作過程示意圖。具體實施方式本專利技術對多斜坡ADC進行了改進，提出了單個斜坡，多個參考電壓的結構。其能大大加快單斜ADC的轉換速率，同時結構簡單，功耗低。本專利技術采用單個斜坡、多個參考電壓的結構來改進單斜ADC，結構如圖2所示。斜坡及參考電壓產生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK(K＝1,2,3,…,k)，提供給各列使用。其波形如圖3所示，斜坡電壓的范圍為量化范圍(Vref＝Vrefp-Vrefn)的1/k，各個參考電壓將量化范圍等分為k個細量化區間。每一列電路包括比較器、多路選擇開關、邏輯電路及存儲電路。附圖2中為簡略起見只畫出兩列電路，對于每一列，其結構與工作原理均相同。其工作過程分為粗量化和細量化兩個階段：粗量化階段：各列的模擬開關S1～Sk按順序依次閉合，使比較器的Vin1-端依次連接至參考電壓Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k個臺階電壓，同時Vramp輸出最高電平Vrefp，因而Vin1+端也一直為Vrefp，電壓波形如圖4(a)所示。那么Vin1+與Vin1-的差VR為遞減的臺階信號，圖4(b)所示。比較器的Vin2+/-端輸入差分信號Vsig，并將Vsig與VR進行比較，開始時Vsig<VR,比較器輸出為0，當Vsig>VR時,比較器翻轉為1，如圖4(c)所示，同時將粗量化計數器的值存到存儲器中。細量化階段：整個量化范圍(Vref＝Vrefp-Vrefn)被分為k個細量化區間。根據粗量化的結果，控制各模擬開關使比較器連接到正確的參考電壓，從而選擇了對應的細量化區間，如圖4(a)所示，開關S2導通，比較器Vin1-端連接到Vref本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換器，其特征是，由斜坡發生器、計數器、比較器、多路選擇開關、寄存器組成，斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。

【技術特征摘要】
1.一種低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換器，其特征是，由斜坡發生器、計數器、比較器、多路選擇開關、寄存器組成，斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器。2.一種低功耗列級多參考電壓單斜模數轉換方法，其特征是，包括下列步驟：使斜坡發生器產生斜坡電壓Vramp及k個參考電壓VrefK，K＝1,2,3,…,k；k個參考電壓VrefK中的每一路電壓分別通過各列的多路選擇開關中的一個開關提供給該列的比較器；斜坡電壓Vramp也分別提供給每一列的比較器；其中，工作過程分為粗量化和細量化兩個階段：粗量化階段：k個參考電壓VrefK連接的開關S1～Sk按順序依次閉合，使各列比較器的Vin1-端依次連接至參考電壓Vref1、Vref2、…Vrefk，形成k個臺階電壓，同時Vramp輸出最高電平Vrefp，因而各列比較器的Vin1+端也一直為Vre...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐江濤，呂濤，姚素英，史再峰，高靜，聶凱明，高志遠，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12