一种应用于CMOS图像传感器的两步式单斜模数转换器

一种应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器
技术领域
1.本发明涉及模数转换器技术领域，尤其涉及一种应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器。


背景技术：

2.随着cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺的成熟，cmos图像传感器在图像采集领域的应用越来越广泛。而adc(analog-to-digital converter，模拟数字转换器)是cmos图像传感器的重要模块，将cmos图像传感器中的模拟信号转换成数字信号。在图像传感器的读出电路中常采用的三种架构的adc：像素级adc，芯片级adc以及列级adc。列级adc可以实现像素阵列的多通道并行模数转换，很适用于读取大型像素阵列。而列级adc的转换速度、面积和功耗等性能又影响cmos图像传感器性能，因此研究高速、低功耗、小面积的列级adc具有重要意义。
3.在各种列级adc中，单斜adc由于面积小和结构简单等优点应用的最广泛，传统的单斜模数转换器包括：用于存储像素输出信号值和复位值的存储模块，模数转换器模块，斜坡产生模块和偏置产生模块等。模数转换器模块包括：比较器，计数器，存储计数器输出值的静态存储器等。
4.传统单斜模数转换器的工作过程为：首先将像素输出的值存储在电容上，得到复位电压和信号电压。之后将复位电压输出到比较器反相端。斜坡产生模块产生斜坡信号，接入比较器正相端，与复位电压进行比较，开始时复位电压小于斜坡信号电压，比较器的输出为高电平，计数器计数，随着斜坡信号电压不断变小，当复位电压大于斜坡信号电压时，比较器的输出为低电平，计数器停止计数，并将数字码存储在静态存储器中，对复位电压的量化过程完成。之后将信号电压输出到比较器反相端，量化信号电压过程与量化复位电压过程相同。
5.然而，单斜adc存在转换速度低的缺点，nbit的模数转换需要2n个周期。随着像素数目的不断增加，对adc的转换速度的要求也在不断增加。因此，提高单斜adc转换速度的研究已经成为了当前cmos图像传感器的一个研究热点。


技术实现要素：

6.本发明主要解决传统单斜模数转换器存在转换速度低、量化时间长、转换周期长等技术问题，提出一种应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器，采用1bit的逐次逼近模数转换器和11bit的单斜模数转换器结合，提高单斜模数转换器的转换速度，以实现高帧频的图像传感器。
7.本发明提供了一种应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器，包括：存储模块101、模数转换器模块102和全局模块103；
8.所述模数转换器模块102，包括：比较器104、计数器105、静态存储器106和锁存器109；
9.所述比较器104的反相端vim与存储模块101连接；所述比较器104的正相端vip分别与第三转换器开关s3和第四转换器开关s4连接；所述第三转换器开关s3与全局模块103连接；所述第四转换器开关s4分别与第五转换器开关s5、第六转换器开关s6、第一电容ch连接；所述第五转换器开关s5、第六转换器开关s6并列连接，且所述第五转换器开关s5和第六转换器开关s6分别与全局模块103连接；所述第一电容ch与全局模块103连接；
10.所述比较器104的输出端分别与第一转换器开关s1和第二转换器开关s2连接；所述第一转换器开关s1与锁存器109连接；所述锁存器109与使能信号en连接；所述第二转换器开关s2与计数器105连接；所述计数器105与静态存储器106连接；
11.所述全局模块103，包括：斜坡产生模块107和偏置产生模块108；
12.所述偏置产生模块108与斜坡产生模块107连接，用于提供第一起始电压vh，并将第一起始电压vh传递到斜坡产生模块107；
13.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第五转换器开关s5连接；所述偏置产生模块108，还用于提供第一起始电压vh，并将第一起始电压vh传递到比较器104的正相端vip；
14.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第六转换器开关s6连接；所述偏置产生模块108，还用于提供第二起始电压vl，并将第二起始电压vl传递到比较器104的正相端vip；
15.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第三转换器开关s3连接；所述偏置产生模块108，还用于提供参考电压vref，并将参考电压vref传递到比较器104的正相端vip；
16.所述斜坡产生模块107与模数转换器模块102的第一电容ch连接；所述斜坡产生模块107，还用于提供初始斜坡信号vramp，并将初始斜坡信号vramp传递到第一电容ch。
17.优选的，所述存储模块101，包括：第二电容cs、第三电容cr、第一存储模块开关ss、第二存储模块开关rs、第三存储模块开关sr和第四存储模块开关rr；
18.所述第一存储模块开关ss和第三存储模块开关sr分别与像素输出pix_out连接；
19.所述第一存储模块开关ss与第二存储模块开关rs连接，所述第一存储模块开关ss与第二存储模块开关rs之间连接第二电容cs；所述第二电容cs接地；
20.所述第三存储模块开关sr与第四存储模块开关rr连接；所述第三存储模块开关sr与第四存储模块开关rr之间连接第三电容cr；所述第三电容cr接地。
21.对应的，本发明还提供一种根据本发明任意实施例提供的应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器的模数转换方法，其特征在于，包括以下过程：
22.步骤1，存储模块101存储复位电压vrst：通过第三存储模块开关sr将像素输出pix_out的值存储在第三电容cr上，得到复位电压vrst，断开第三存储模块开关sr；
23.步骤2，第一电容ch清空电荷：断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3和第六转换器开关s6，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4和第五转换器开关s5，使能信号en使得锁存器109选择第一起始电压vh接入比较器104正相端vip；
24.步骤3，量化复位电压vrst，存储模块101存储信号电压vsig：断开第五转换器开关s5，则此时在第一电容ch负极板得到第一生成斜坡信号201，是第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，闭合第四存储模块开关rr，将复位电压vrst输出到比较器104反相端
vim，第一生成斜坡信号201与复位电压vrst进行比较，开始时复位电压vrst小于第一生成斜坡信号201电压，比较器104的输出信号comp_out为高电平，计数器105计数，随着第一生成斜坡信号201电压不断变小，当复位电压vrst大于第一生成斜坡信号201电压时，比较器104的输出信号comp_out为低电平，计数器105停止计数，并将数字码存储在静态存储器106中，对复位电压vrst的量化过程完成，断开第四存储模块开关rr；与此同时，通过第一存储模块开关ss将像素输出pix_out的值存储在第二电容cs上，得到信号电压vsig，断开第一存储模块开关ss；
25.步骤4，对信号电压vsig进行粗量化：断开第二转换器开关s2、第四转换器开关s4、第五转换器开关s5和第六转换器开关s6，闭合第一转换器开关s1和第三转换器开关s3；偏置产生模块108产生的参考电压vref接入比较器104正相端vip，闭合第二存储模块开关rs，将信号电压vsig输出到比较器104反相端vim，将像素的信号电压vsig与参考电压vref进行比较，当信号电压vsig大于参考电压vref时，比较器104的输出信号comp_out为低电平，当信号电压vsig小于参考电压vref时，比较器104的输出信号comp_out为高电平，将比较的结果存在锁存器109中，对信号电压vsig粗量化阶段完成；
26.步骤5，第一电容ch存储电荷：断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4，根据粗量化阶段时存储在锁存器109中的数值，选择第五转换器开关s5或者第六转换器开关s6闭合，使第一起始电压vh或者第二起始电压vl接入比较器104反相端vim；
27.步骤6，细量化信号电压vsig：闭合第二存储模块开关rs，将信号电压vsig输出到比较器104反相端vim；当信号电压vsig大于参考电压vref时，则第一电容ch不存储电荷，断开第五转换器开关s5，在第一电容ch负极板得到第一生成斜坡信号201，选取第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，第一生成斜坡信号201的起始电压为第一起始电压vh，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中；当信号电压vsig小于参考电压vref时，则第一电容ch存储电荷，并且电容ch两端电压差为第一起始电压vh和第二起始电压vl之间的电压差，断开第六转换器开关s6，在第一电容ch负极板得到第二生成斜坡信号202，选取第二生成斜坡信号202接入比较器104正相端vip，第二生成斜坡信号202的起始电压为第二起始电压vl，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中。
28.本发明提供的一种应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器，设置第一电容ch、锁存器等少量电路，通过开关的切换先对信号电压进行1bit的粗量化，量化结果存入锁存器，锁存器存储的值决定第一电容ch存储的电荷，进而得到两种电压范围不同的斜坡信号，再对信号电压进行11bit的细量化。因此，相比于传统的单斜adc需要对信号电压进行12bit的量化，本发明缩短了量化时间，提高了转换速度。
附图说明
29.图1是本发明提供的应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器的连接示意图；
30.图2是本发明提供的应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器的量化原理图；
31.图3是本发明信号电压vsig大于参考电压时的时序图；
32.图4是本发明信号电压vsig小于参考电压时的时序图。
具体实施方式
33.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
34.如图1所示，本发明实施例提供的应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器，包括：存储模块101、模数转换器模块102和全局模块103；
35.所述模数转换器模块102，包括：比较器104、计数器105、静态存储器106和锁存器109；
36.所述比较器104的反相端vim与存储模块101连接；所述比较器104的正相端vip分别与第三转换器开关s3和第四转换器开关s4连接；所述第三转换器开关s3与全局模块103连接；所述第四转换器开关s4分别与第五转换器开关s5、第六转换器开关s6、第一电容ch连接；所述第五转换器开关s5、第六转换器开关s6并列连接，且所述第五转换器开关s5和第六转换器开关s6分别与全局模块103连接；所述第一电容ch与全局模块103连接；
37.所述比较器104的输出端分别与第一转换器开关s1和第二转换器开关s2连接；所述第一转换器开关s1与锁存器109连接；所述锁存器109与使能信号en连接，其中使能信号en通常由fpga(现场可编程逻辑门阵列)提供；所述第二转换器开关s2与计数器105连接；所述计数器105与静态存储器106连接；
38.所述全局模块103，包括：斜坡产生模块107和偏置产生模块108；
39.所述偏置产生模块108与斜坡产生模块107连接，用于提供第一起始电压vh，并将第一起始电压vh传递到斜坡产生模块107；
40.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第五转换器开关s5连接；所述偏置产生模块108，还用于提供第一起始电压vh，并将第一起始电压vh传递到比较器104的正相端vip；
41.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第六转换器开关s6连接；所述偏置产生模块108，还用于提供第二起始电压vl，并将第二起始电压vl传递到比较器104的正相端vip；
42.所述偏置产生模块108与模数转换器模块102的第三转换器开关s3连接；所述偏置产生模块108，还用于提供参考电压vref，并将参考电压vref传递到比较器104的正相端vip；
43.所述斜坡产生模块107与模数转换器模块102的第一电容ch连接；所述斜坡产生模块107，还用于提供初始斜坡信号vramp，并将初始斜坡信号vramp传递到第一电容ch。
44.所述存储模块101，包括：第二电容cs、第三电容cr、第一存储模块开关ss、第二存储模块开关rs、第三存储模块开关sr和第四存储模块开关rr；
45.所述第一存储模块开关ss和第三存储模块开关sr分别与像素输出pix_out连接；其中，像素输出pix_out是由将光信号转换为电压信号的像素模块提供。
46.所述第一存储模块开关ss与第二存储模块开关rs连接，所述第一存储模块开关ss与第二存储模块开关rs之间连接第二电容cs；所述第二电容cs接地；
47.所述第三存储模块开关sr与第四存储模块开关rr连接；所述第三存储模块开关sr与第四存储模块开关rr之间连接第三电容cr；所述第三电容cr接地。
48.图2是本发明提供的应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器的量化原理图。斜坡产生模块107生成初始斜坡信号vramp，接在第一电容ch的正极板。当进入第一电容ch存储电荷阶段时，如果此阶段第一电容ch负极板所接电压为第一起始电压vh，则进入量化阶段时可以在第一电容ch负极板得到第一生成斜坡信号201；如果此阶段第一电容ch负极板所接电压为第二起始电压vl，则进入量化阶段时可以在第一电容ch负极板得到第二生成斜坡信号202。
49.本发明还提供一种根据应用于cmos图像传感器的两步式单斜模数转换器的模数转换方法，包括以下过程：
50.步骤1，存储模块101存储复位电压vrst：通过第三存储模块开关sr将像素输出pix_out的值存储在第三电容cr上，得到复位电压vrst，断开第三存储模块开关sr。
51.像素输出pix_out为存储模块101的输入，首先输出复位电压vrst，再输出信号电压vsig，且复位电压vrst大于或者等于信号电压vsig。
52.步骤2，第一电容ch清空电荷：断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3和第六转换器开关s6，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4和第五转换器开关s5，使能信号en使得锁存器109选择第一起始电压vh接入比较器104正相端vip。
53.本步骤由于对复位电压vrst的量化范围很小，并不超过11bit，所以并不需要进行粗量化，直接用初始斜坡信号vramp进行量化，则第一电容ch两端电压差要为0。初始斜坡信号vramp的斜坡到来前，断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3和第六转换器开关s6，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4和第五转换器开关s5，使能信号en使得锁存器109选择第一起始电压vh接入比较器104正相端vip，由于初始斜坡信号vramp的起始电压为第一起始电压vh，因此第一电容ch不存储电荷，第一电容ch两端的电压差为0。
54.en_sr/en_ss：采样使能信号，第三存储模块开关sr和第一存储模块开关ss的控制信号，为高电平时开关闭合，低电平时开关断开。第三存储模块开关sr闭合，将复位电压vrst采样到第三电容cr正极板；第一存储模块开关ss闭合，将信号电压vsig采样到第二电容cs正极板。
55.en_rr/en_rs：读出使能信号，第四存储模块开关rr和第二存储模块开关rs的控制信号，为高电平时开关闭合，低电平时开关断开。开关闭合时，将对应电容上存储的电压输出到比较器104正相端vip。
56.vip表示比较器104正相端的电压。
57.步骤3，量化复位电压vrst，存储模块101存储信号电压vsig：断开第五转换器开关s5，则此时在第一电容ch负极板得到第一生成斜坡信号201，是第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，闭合第四存储模块开关rr，将复位电压vrst输出到比较器104反相端vim，第一生成斜坡信号201与复位电压vrst进行比较，开始时复位电压vrst小于第一生成斜坡信号201电压，比较器104的输出信号comp_out为高电平，计数器105计数，随着第一生成斜坡信号201电压不断变小，当复位电压vrst大于第一生成斜坡信号201电压时，比较器
104的输出信号comp_out为低电平，计数器105停止计数，并将数字码存储在静态存储器106中，对复位电压vrst的量化过程完成，断开第四存储模块开关rr；与此同时，通过第一存储模块开关ss将像素输出pix_out的值存储在第二电容cs上，得到信号电压vsig，断开第一存储模块开关ss。
58.其中，输出信号comp_out是比较器104输出，当比较器104正相端vip大于比较器104反相端vim时，输出信号comp_out为高电平，当比较器104正相端vip小于比较器104反相端vim时，输出信号comp_out为低电平。
59.步骤4，对信号电压vsig进行粗量化：断开第二转换器开关s2、第四转换器开关s4、第五转换器开关s5和第六转换器开关s6，闭合第一转换器开关s1和第三转换器开关s3；偏置产生模块108产生的参考电压vref接入比较器104正相端vip，闭合第二存储模块开关rs，将信号电压vsig输出到比较器104反相端vim，将像素的信号电压vsig与参考电压vref进行比较，当信号电压vsig大于参考电压vref时，比较器104的输出信号comp_out为低电平，当信号电压vsig小于参考电压vref时，比较器104的输出信号comp_out为高电平，将比较的结果存在锁存器109中，对信号电压vsig粗量化阶段完成。
60.本步骤中，由于需要确保锁存器109中存储的数值是正确的，所以第三转换器开关s3的闭合时间要覆盖第一转换器开关s1的闭合时间。
61.步骤5，第一电容ch存储电荷：断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4，根据粗量化阶段时存储在锁存器109中的数值，选择第五转换器开关s5或者第六转换器开关s6闭合，使第一起始电压vh或者第二起始电压vl接入比较器104反相端vim。
62.本步骤在粗量化信号电压vsig阶段完成后，在初始斜坡信号vramp的斜坡到来之前进行，使第一电容ch存储电荷。断开第一转换器开关s1、第三转换器开关s3，闭合第二转换器开关s2、第四转换器开关s4，根据粗量化阶段时存储在锁存器109中的数值，选择开关第五转换器开关s5或者第六转换器开关s6闭合，即选择第一起始电压vh或者第二起始电压vl接入比较器104反相端vim。
63.具体的：如果锁存器109中的数值为低电平，开关第五转换器s5闭合，选择第一起始电压vh接入比较器104反相端vim，由于初始斜坡信号vramp的起始电压为vh，因此第一电容ch不存储电荷，第一电容ch两端的电压差为0；如果锁存器109中的数值为高电平，第六转换器开关s6闭合，选择第二起始电压vl接入比较器104反相端vim，由于初始斜坡信号vramp的起始电压为vh，因此第一电容ch存储电荷为ch*(vh-vl)，第一电容ch两端的电压差为第一起始电压vh和第二起始电压vl之间的电压差，即vh-vl。
64.步骤6，细量化信号电压vsig：闭合第二存储模块开关rs，将信号电压vsig输出到比较器104反相端vim；当信号电压vsig大于参考电压vref时，则第一电容ch不存储电荷，断开第五转换器开关s5，在第一电容ch负极板得到第一生成斜坡信号201，选取第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，第一生成斜坡信号201的起始电压为第一起始电压vh，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中；当信号电压vsig小于参考电压vref时，则第一电容ch存储电荷，并且电容ch两端电压差为第一起始电压vh和第二起始电压vl之间的电压差，即vh-vl，断开第六转换器开关s6，在第一电容ch负极板得到第二生成斜坡信号202，选取第二生成斜坡信号202接入比较器104正相端vip，第二生成斜
坡信号202的起始电压为第二起始电压vl，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中。
65.在本步骤中，具体的，闭合第二存储模块开关rs，将信号电压vsig输出到比较器104反相端vim；如果步骤4中粗量化处理的判断结果是信号电压vsig大于参考电压vref，则第一电容ch两端的电压差为0，具体信号的时序如附图3所示，断开第五转换器开关s5，此时是第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，与信号电压vsig进行比较，开始时信号电压vsig小于第一生成斜坡信号201电压，比较器104的输出comp_out为高电平，计数器105计数，随着第一生成斜坡信号201电压不断变小，当信号电压vsig大于第一生成斜坡信号201电压时，比较器104的输出comp_out为低电平，计数器105停止计数，并将数字码存储在静态存储器106中；如果步骤4中粗量化处理的判断结果是信号电压vsig小于参考电压vref，则第一电容ch两端的电压差为第一起始电压vh和第二起始电压vl之间的电压差，即vh-vl，具体信号的时序如附图4所示，比较器104正相端vip接入的生成斜坡信号的起始电压比初始斜坡信号vramp的起始电压低vh-vl，即起始电压为vl，断开第六转换器开关s6，此时是第二生成斜坡信号202接入比较器104正相端vip，与信号电压vsig进行比较，开始时信号电压vsig小于第二生成斜坡信号202电压，比较器104的输出comp_out为高电平，计数器105计数，随着第二生成斜坡信号202电压不断变小，当信号电压vsig大于第二生成斜坡信号202电压时，比较器104的输出comp_out为低电平，计数器105停止计数，并将数字码存储在静态存储器106中；细量化信号电压vsig阶段完成，断开第二存储模块开关rs。
66.初始斜坡信号vramp是斜坡产生模块107输出的斜坡信号，接在第一电容ch正极板，在一个量化周期产生两次斜坡，分别量化复位电压vrst和信号电压vsig。不产生斜坡时，初始斜坡信号vramp被初始化为第一起始电压vh。
67.本发明的基本原理为：将初始斜坡信号vramp量化范围设置为比11bit稍大一些，以覆盖比较器的失调电压。初始斜坡信号vramp接到第一电容ch的正极板，比较器104正相端vip接到第一电容ch的负极板，通过第一电容ch存储不同的电荷，可以在比较器104正相端vip得到不同的生成斜坡信号。第一步是粗量化，将像素的信号电压vsig与参考电压vref进行比较，参考电压vref为量化11bit时对应的电压值，将比较的结果存在锁存器109中。第二步是细量化，根据判断结果，选择不同的生成斜坡信号进行量化：当信号电压vsig大于参考电压vref时，则第一电容ch不存储电荷，选取第一生成斜坡信号201接入比较器104正相端vip，第一生成斜坡信号201的起始电压为第一起始电压vh，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中；当信号电压vsig小于参考电压vref时，则第一电容ch存储电荷，并且第一电容ch两端电压差为vh-vl，选取第二生成斜坡信号202接入比较器104正相端vip，第二生成斜坡信号202的起始电压为第二起始电压vl，对信号电压vsig进行量化，量化后的数字码存储在静态存储器106中，而由于此情况下的量化范围相对于传统单斜adc，缩减了第二起始电压vl到第一起始电压vh这一部分，所以量化后的数字码相比于传统单斜adc会减小一定的值，可以通过后续处理校正。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。