用于CMOS图像传感器的循环式ADC及其循环方法与流程

用于cmos图像传感器的循环式adc及其循环方法
技术领域
1.本技术实施例涉及adc设计技术，尤指一种用于cmos图像传感器的循环式adc及其循环方法。


背景技术：

2.cmos(complementary metal oxide semiconductor互补金属氧化物半导体)图像传感器通常采用按列并行读出的架构，像素的电压值按列读出，每列共用一个adc(模拟数字转换器，或称模数转换器)。循环式(cyclic)adc具有输入电容低、面积小以及结构简单等特点，使得它非常适用于cmos图像传感器。但是，目前的循环式adc的电容失配和放大器的失调电压又会限制cyclic adc的转换精度。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种用于cmos图像传感器的循环式adc及其循环方法，能够解决电容失配和跨导放大器的失调电压问题。
4.本技术实施例提供了一种用于cmos图像传感器的循环式adc，可以包括：跨导放大器、斩波器、多个电容值均相同的电容和多个控制开关；
5.所述斩波器，设置为控制所述跨导放大器的输入端和输出端与所述电容的连接方式；所述输入端包括：正向输入端和反向输入端，所述输出端包括：正向输出端和反向输出端；
6.所述控制开关，设置为控制所述跨导放大器和所述电容在各工作模式下的接入方式；
7.其中，所述斩波器和所述多个控制开关的开关状态使得循环式模数转换器adc具有多种所述工作模式；多种所述工作模式包括：第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；并且所述第一工作模式、所述第二工作模式、所述第三工作模式和所述第四工作模式依次循环执行；所述多个电容值均相同的电容包括：第一组电容和第二组电容；
8.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，所述第一组电容中的至少两个电容分别串接入所述输入端和所述输出端；至少两个电容连接所述输入端和数模转换器dac输出端，且所述第一工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端与所述第二工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端的极性相反；
9.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，还通过所述第二组电容的至少两个电容中不同的电容进行电压采样；
10.所述第三工作模式下将所述第一工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；所述第四工作模式下将所述第二工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；以通过第二组电容上的电荷合并消除失调电压。
11.在本技术的示例性实施例中，多种所述工作模式还可以包括：初始采样模式；
12.所述初始采样模式下，所述第一组电容作为采样电容进行信号采集，获取初始的采集电压；并且所述斩波器与所述跨导放大器之间，以及所述斩波器与所述电容之间处于断开状态，所述第二组电容中的电容均处于悬空状态。
13.在本技术的示例性实施例中，所述斩波器可以包括第一斩波器和第二斩波器；
14.其中，所述第一斩波器和所述第二斩波器均用于将所述第一组电容或所述第二组电容与所述正向输入端和所述反向输入端相连；
15.所述dac输出端包括：第一dac输出端和第二dac输出端；
16.所述第一组电容可以包括：第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；所述第二组电容包括：第五电容、第六电容、第七电容和第八电容；
17.其中，所述第一电容、所述第二电容、所述第五电容和所述第六电容用于连接所述跨导放大器第一侧的输入端或输出端；
18.所述第三电容、所述第四电容、所述第七电容和所述第八电容用于连接所述跨导放大器第二侧的输入端或输出端。
19.在本技术的示例性实施例中，所述第一工作模式可以包括：
20.所述第一电容串接于第一dac输出端和所述反向输入端之间；
21.所述第二电容串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
22.所述第五电容第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有共模电平；
23.所述第六电容悬空；
24.所述第三电容串接于第二dac输出端和所述正向输入端之间；
25.所述第四电容串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
26.所述第七电容第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
27.所述第八电容悬空。
28.在本技术的示例性实施例中，所述第二工作模式可以包括：
29.所述第二电容串接于第一dac输出端和所述正向输入端之间；
30.所述第一电容串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
31.所述第六电容第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有共模电平；
32.所述第五电容悬空；
33.所述第四电容串接于第二dac输出端和所述反向输入端之间；
34.所述第三电容串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
35.所述第八电容第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
36.所述第七电容悬空。
37.在本技术的示例性实施例中，所述第三工作模式可以包括：
38.所述第五电容串接于第一dac输出端和所述反向输入端之间；
39.所述第六电容串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
40.所述第一电容第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有共模电平；
41.所述第二电容悬空；
42.所述第七电容串接于第二dac输出端和所述正向输入端之间；
43.所述第八电容串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
44.所述第三电容第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
45.所述第四电容悬空。
46.在本技术的示例性实施例中，所述第四工作模式可以包括：
47.所述第六电容串接于第一dac输出端和所述正向输入端之间；
48.所述第五电容串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
49.所述第二电容第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有共模电平；
50.所述第一电容悬空；
51.所述第八电容串接于第二dac输出端和所述反向输入端之间；
52.所述第七电容串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
53.所述第四电容第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
54.所述第三电容悬空。
55.在本技术的示例性实施例中，初始采样模式可以包括：
56.所述第一电容和所述第二电容并联；
57.所述第一电容和所述第二电容的第一端与正向输入信号vip相连，第二端施加有共模电平；
58.所述第三电容和所述第四电容并联；
59.所述第三电容和所述第四电容的第一端与反向输入信号vin相连，第二端施加有所述共模电平。
60.本技术实施例还提供了一种用于cmos图像传感器的循环式adc的循环方法，可以适用于所述的用于cmos图像传感器的循环式adc；所述方法可以包括：
61.依次循环执行预设的多个工作模式；其中多个所述工作模式中使得所述循环式adc中不同的电容采样跨导放大器的输出电压，并在模式变化时变换所述电容的连接方式和所连接端的极性，使得所述电容上的电荷合并消除失调电压。
62.在本技术的示例性实施例中，多个所述工作模式可以包括：第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；所述电容可以包括：第一组电容和第二组电容；
63.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，所述第一组电容中的至少两个电容分别串接入所述循环式adc中跨导放大器的输入端和输出端；至少两个电容连接所述输入端和数模转换器dac输出端，且所述第一工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端与所述第二工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端的极性相反；
64.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，还通过所述第二组电容的至少两个电容中不同的电容进行电压采样；
65.所述第三工作模式下将所述第一工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；所述第四工作模式下将所述第二工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；以通过第二组电容上的电荷合并消除失调电压。
66.与相关技术相比，本技术实施例可以包括：跨导放大器、斩波器、多个电容值均相同的电容和多个控制开关；所述斩波器，设置为控制所述跨导放大器的输入端和输出端与所述电容的连接方式；所述输入端包括：正向输入端和反向输入端，所述输出端包括：正向输出端和反向输出端；所述控制开关，设置为控制所述跨导放大器和所述电容在各工作模式下的接入方式；其中，所述斩波器和所述多个控制开关的开关状态使得循环式模数转换
器adc具有多种工作模式；多种工作模式包括：第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；并且所述第一工作模式、所述第二工作模式、所述第三工作模式和所述第四工作模式依次循环执行；所述多个电容值均相同的电容包括：第一组电容和第二组电容；所述第一工作模式和所述第二工作模式下，所述第一组电容中的至少两个电容分别串接入所述输入端和所述输出端；至少两个电容连接所述输入端和数模转换器dac输出端，且所述第一工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端与所述第二工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端的极性相反；所述第一工作模式和所述第二工作模式下，还通过所述第二组电容的至少两个电容中不同的电容进行电压采样；所述第三工作模式下将所述第一工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；所述第四工作模式下将所述第二工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；以通过第二组电容上的电荷合并消除失调电压。通过该实施例方案，解决了电容失配和跨导放大器的失调电压问题。
67.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
68.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
69.图1为本技术实施例的循环式adc组成框图；
70.图2为本技术实施例的第一工作模式电路示意图；
71.图3为本技术实施例的第二工作模式电路示意图；
72.图4为本技术实施例的第三工作模式电路示意图；
73.图5为本技术实施例的第四工作模式电路示意图；
74.图6为本技术实施例的初始采样模式电路示意图；
75.图7为本技术实施例的cmos图像传感器系统框图；
76.图8为本技术实施例的循环式adc循环方法流程图。
具体实施方式
77.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
78.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示
出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
79.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
80.本技术实施例提供了一种用于cmos图像传感器的循环式adc，如图1所示，可以包括：跨导放大器a、斩波器chopper、多个电容值均相同的电容c和多个控制开关b；
81.所述斩波器chopper，设置为控制所述跨导放大器的输入端和输出端与所述电容c的连接方式；所述输入端包括：正向输入端和反向输入端，所述输出端包括：正向输出端和反向输出端；
82.所述控制开关b，设置为控制所述跨导放大器和所述电容c在各工作模式下的接入方式；
83.其中，所述斩波器和所述多个控制开关的开关状态使得循环式模数转换器adc具有多种所述工作模式；如图2、图3、图4、图5所示，多种所述工作模式包括：第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；并且所述第一工作模式、所述第二工作模式、所述第三工作模式和所述第四工作模式依次循环执行；所述多个电容值均相同的电容包括：第一组电容和第二组电容；
84.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，所述第一组电容中的至少两个电容分别串接入所述输入端和所述输出端；至少两个电容连接所述输入端和数模转换器dac输出端，且所述第一工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端与所述第二工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端的极性相反；
85.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，还通过所述第二组电容的至少两个电容中不同的电容进行电压采样；
86.所述第三工作模式下将所述第一工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；所述第四工作模式下将所述第二工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；以通过第二组电容上的电荷合并消除失调电压。
87.在本技术的示例性实施例中，所有电容都采用相同大小的电容值。
88.在本技术的示例性实施例中，本技术实施例可以采用1.5比特每次循环的结构。如图6所示，输入信号首先被采样和量化为1.5bit数字输出，然后可以按照第一工作模式(图2)
→
第二工作模式(图3)
→
第三工作模式(图4)
→
第四工作模式(图5)的顺序循环工作。在此可以定义第一工作模式(图2)和第二工作模式(图3)，或者第三工作模式(图4)和第四工作模式(图5)为一次转换周期，每次转换周期产生1.5比特的数字输出，为了得到整体16位的模数转换结果，可以采用14个转换周期加一个采样周期(图6)。在一次转换周期中，通过交换电容的位置和跨导放大器的正负极性来实现电容失配的消除和跨导放大器失调电压的消除，前者可称为电容失配平均技术，后者可称为斩波消失调技术。
89.在本技术的示例性实施例中，所述斩波器可以包括第一斩波器chopper1和第二斩波器chopper2；
90.其中，所述第一斩波器chopper1和所述第二斩波器chopper2均用于将所述第一组电容或所述第二组电容与所述正向输入端和所述反向输入端相连。
91.在本技术的示例性实施例中，斩波器(chopper)里可以为四个开关，根据在不同工作相位下选择横向导通或交叉导通。
92.在本技术的示例性实施例中，所述第一组电容可以包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4；所述第二组电容包括：第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7和第八电容c8；
93.其中，所述第一电容c1、所述第二电容c2、所述第五电容c5和所述第六电容c6用于连接所述跨导放大器a第一侧的输入端或输出端；
94.所述第三电容c3、所述第四电容c4、所述第七电容c7和所述第八电容c8用于连接所述跨导放大器a第二侧的输入端或输出端。
95.在本技术的示例性实施例中，如图6所示，所述多种工作模式还可以包括：初始采样模式；
96.所述初始采样模式下，所述第一组电容作为采样电容进行信号采集，获取初始的采集电压；并且所述斩波器与所述跨导放大器之间，以及所述斩波器与所述电容之间处于断开状态，所述第二组电容中的电容均处于悬空状态。
97.在本技术的示例性实施例中，所述dac输出端可以包括：第一dac输出端和第二dac输出端。
98.在本技术的示例性实施例中，所述的初始采样模式可以包括：
99.所述第一电容c1和所述第二电容c2并联；
100.所述第一电容c1和所述第二电容c2的第一端与如图6所示的正向输入信号vip相连，第二端施加有共模电平vcm；
101.所述第三电容c3和所述第四电容c4并联；
102.所述第三电容c3和所述第四电容c4的第一端与如图6所示的反向输入信号vin相连，第二端施加有所述共模电平vcm。
103.在本技术的示例性实施例中，如图2所示，所述第一工作模式可以包括：
104.所述第一电容c1串接于第一dac(数模转换器)输出端和所述反向输入端之间；
105.所述第二电容c2串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
106.所述第五电容c5第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
107.所述第六电容c6悬空；
108.所述第三电容c3串接于第二dac输出端和所述正向输入端之间；
109.所述第四电容c4串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
110.所述第七电容c7第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
111.所述第八电容c8悬空。
112.其中，vdacp(可以包括vdacp1、vdacp2)和vdacn(可以包括vdacn1、vdacn2)可以根据模数转换器中的比较器的值接入vrp、vrn或者vcm；vrp表示参考电压高电平；vrn表示参考电压低电平；vcm表示共模电平。
113.在本技术的示例性实施例中，如图3所示，所述第二工作模式可以包括：
114.所述第二电容c2串接于第一dac输出端和所述正向输入端之间；
115.所述第一电容c1串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
116.所述第六电容c6第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
117.所述第五电容c5悬空；
118.所述第四电容c4串接于第二dac输出端和所述反向输入端之间；
119.所述第三电容c3串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
120.所述第八电容c8第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
121.所述第七电容c7悬空。
122.在本技术的示例性实施例中，如图4所示，所述第三工作模式可以包括：
123.所述第五电容c5串接于第一dac输出端和所述反向输入端之间；
124.所述第六电容c6串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
125.所述第一电容c1第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
126.所述第二电容c2悬空；
127.所述第七电容c7串接于第二dac输出端和所述正向输入端之间；
128.所述第八电容c8串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
129.所述第三电容c3第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
130.所述第四电容c4悬空。
131.在本技术的示例性实施例中，如图5所示，所述第四工作模式可以包括：
132.所述第六电容c6串接于第一dac输出端和所述正向输入端之间；
133.所述第五电容c5串接于所述正向输入端和所述反向输出端之间；
134.所述第二电容c2第一端与所述反向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
135.所述第一电容c1悬空；
136.所述第八电容c8串接于第二dac输出端和所述反向输入端之间；
137.所述第七电容c7串接于所述反向输入端和所述正向输出端之间；
138.所述第四电容c4第一端与所述正向输出端相连，第二端施加有所述共模电平；
139.所述第三电容c3悬空。
140.在本技术的示例性实施例中，在一次转换过程中，可以以图2和图3为例进行说明，为了简化采用单端分析，通过交换c1和c2的位置和跨导放大器的极性，两个残差电压分别被c5和c6采样，而在下一次转换过程中，c5和c6上的电荷会合并在一起，从而消除了c1和c2的电容失配和跨导放大器的失调电压。
141.在本技术的示例性实施例中，可以将上述的循环式adc应用于如图7所示的cmos图像传感器。pixel array(像素阵列)为本技术实施例的探测器部分，模数转换器adc负责将pd的信号转换为数字信号并依次经过algorithm&timing control(算法及定时控制)模块以及fifo(先入先出)模块后，通过lvds driver(低压差分信号驱动)端口输出。global timing control(全球时间控制)模块与vertical scanning block(垂直扫描块)模块相连，产生所有时序控制信号，vertical scanning block模块负责寻址、复位pd。global timing control模块另一端与i2c port(内部集成电路总线接口)相连。cmos图像传感器中还可以设置有温度传感器(temp sensor)。cmos图像传感器还可以包括为pixel array和
adc提供电源的voltage&current generator(电压电流发生器)。
142.本技术实施例还提供了一种用于cmos图像传感器的循环式adc的循环方法，可以适用于所述的用于cmos图像传感器的循环式adc；如图8所示，所述方法可以包括步骤s101：
143.s101、依次循环执行预设的多个工作模式；其中多个所述工作模式中使得所述循环式adc中不同的电容采样跨导放大器(ota)的输出电压，并在模式变化时变换所述电容的连接方式和所连接端的极性，使得所述电容上的电荷合并消除失调电压。
144.在本技术的示例性实施例中，多个所述工作模式可以包括：第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；所述电容可以包括：第一组电容和第二组电容；
145.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，所述第一组电容中的至少两个电容分别串接入所述循环式adc中放大器的输入端和输出端，至少两个电容连接所述输入端和数模转换器dac输出端，且所述第一工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端与所述第二工作模式中所述第一组电容中的至少两个电容接入的输入端和输出端的极性相反；
146.所述第一工作模式和所述第二工作模式下，还通过所述第二组电容的至少两个电容中不同的电容进行电压采样；
147.所述第三工作模式下将所述第一工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；所述第四工作模式下将所述第二工作模式中的第一组电容和第二组电容的位置互换；以通过第二组电容上的电荷合并消除失调电压。
148.在本技术的示例性实施例中，在传统cyclic adc的基础上，通过增加电容平均技术和斩波消失调技术，大大提高了cyclic adc的性能，可实现16比特的转换精度。
149.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。