專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及^t擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，更具體地說涉及對圖像傳感器發(fā)出的信號的轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器用在圖像傳感器之中，以便將表示由光電二極管所感測的光線強度的模擬信號轉(zhuǎn)換成要在數(shù)字電路中進行存儲和處理的數(shù)字信號。以數(shù)字形式存儲的信息的精度不僅取決于模擬電路的精度，而且取決于這個模擬信號被轉(zhuǎn)換成的二進制位數(shù)。然而，轉(zhuǎn)換器的二進制位數(shù)越大，所述轉(zhuǎn)換器占用的空間就越大、或者轉(zhuǎn)換時間就越長、或者二者皆有。
兩類噪聲很可能影響到轉(zhuǎn)換器的信噪比。對于低電平信號來說，與獲取電路有關(guān)、且與信號電平無關(guān)的所謂的讀噪聲起主要作用。這個噪聲的電平?jīng)Q定了最低有效位的模擬當量。與信號有關(guān)的噪聲也加入其中。被稱作是散粒噪聲的這一噪聲與傳感器收到的電子數(shù)的平方根成比例。
在圖像傳感器中，轉(zhuǎn)換器通常被分配到傳感器的每一像素列，以及對相同行的像素同時進行轉(zhuǎn)換。因此，當轉(zhuǎn)換二進制位的數(shù)目增大時，產(chǎn)生的結(jié)果增大要乘以列數(shù)，處理時間增大要乘以行數(shù)。
在模擬信號側(cè)， 一旦讀噪聲變?yōu)樾∮谏⒘Ｔ肼?，那么信噪比等于N/如，其中，N表示傳感器所接收到的電子數(shù)。
已經(jīng)給出，通過改變斜坡轉(zhuǎn)換器的斜坡斜率將圖像傳感器中的散粒噪聲考慮在內(nèi)。這相當于，與低電平信號相比，對高電平信號設(shè)定粗糙分辯率。實際上，在測量周期之內(nèi)，斜坡斜率隨時間而增大。這種方法在M.F.Snoeij等人(Delft技術(shù)大學)于2005年6月發(fā)表的文章"A Low-PowerColumn-Parallel 12-bit ADC for CMOS Imagers"中進行了描述。對于給定體積而言，可變斜坡的方法沒有增大由轉(zhuǎn)換器提供的二進制位的數(shù)目，但它的優(yōu)點在于及時降低了量化電平數(shù)。此外，轉(zhuǎn)換比較器的響應(yīng)時間取決于斜坡斜率。因而，可變斜坡可能產(chǎn)生量化誤差。
需要能夠增大才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辯率而不必增加其復雜性或處理時間。
例如，越來越希望由圖像傳感器提供的數(shù)字信號從10位過渡到12位。

發(fā)明內(nèi)容
對于，本發(fā)明目的是克服其中噪聲取決于信號幅值的應(yīng)用中已知模數(shù)轉(zhuǎn)換器的全部或部分缺點。本發(fā)明的優(yōu)點之一是增大了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、但不會過度地增加其復雜性或其處理時間。另一個優(yōu)點是尤其適合于圖像傳感器的解決方案。
為實現(xiàn)全部或部分的這些優(yōu)點及其他優(yōu)點，本發(fā)明提供了 一種對n位模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，其包括將模擬信號的幅值與閾值進行比較，所述閾值表示全幅(foil-scale)模擬信號的幅值除以2k,其中，k是小于n的整數(shù)；如果比較步驟的結(jié)果顯示輸入信號的幅值大于閾值，則執(zhí)行對n-k位模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到n位二進制字的n-k個最高有效位，否則，得到該二進制字的n-k個最低有效位。
根據(jù)另一實施例，n-k位的模數(shù)轉(zhuǎn)換采取等于Vref/2""部的值為全幅值，因此，在n-k上轉(zhuǎn)換的量化電平為Vre^2(n-k'R)，其中，如果模擬信號的幅值小于或等于閾值，那么R表示取值為0的二進制變量，否則表示取值為1的二進制變量；n位二進制字通過將n-k位的所述轉(zhuǎn)換的結(jié)果乘以2(kw'而形成。
根據(jù)另一實施例，如果輸入信號幅值大于閾值，則n位二進制字的k個最低有效位是隨機獲得的。
根據(jù)又一個實施例，本發(fā)明還提供了 一種針對n位模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括比較元件，用于將模擬信號的幅值與閾值進行比較，所述閾值表示全幅(full-scale)模擬信號的幅值除以2k,其中，k是小于n的整數(shù)；以及，模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，如果比較步驟的結(jié)果顯示輸入信號的幅值大
5于閾值，則其用于執(zhí)行對n-k位模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到n位二進制字的n-k個最高有效位，否則，得到該二進制字的n-k個最低有效位。
根據(jù)另一個實施例，所述轉(zhuǎn)換器進一步包括存儲元件，用于存儲由比較元件提供的二進制數(shù)據(jù)R，如果模擬信號的幅值大于閾值，則R等于1;以及至少一個第一數(shù)字元件，其能夠通過將n-k位轉(zhuǎn)換的元件的輸出端所獲得的值乘以2"R以形成n位二進制字，n-k位轉(zhuǎn)換的模數(shù)元件的全幅被調(diào)整為Vref/2("R)。
根據(jù)另一實施例，所述轉(zhuǎn)換器進一步包括第二數(shù)字元件，在二進制數(shù)據(jù)R為1的情況下，能夠?qū)⒂傻谝粩?shù)字元件提供的n位二進數(shù)加上隨機數(shù)，第二數(shù)字元件的輸出端構(gòu)成了轉(zhuǎn)換器的輸出端。
根據(jù)該轉(zhuǎn)換器的另一個方面，轉(zhuǎn)換元件為采用兩個不同斜坡的斜坡轉(zhuǎn)換器，其中它們的斜率的比值為2k,該轉(zhuǎn)換器進一步包括根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R值將比較元件連接到兩個斜坡中之一的元件。
根據(jù)該轉(zhuǎn)換器的另一個方面，轉(zhuǎn)換元件遵循連續(xù)近似，比較和轉(zhuǎn)換元件由同一個比較器構(gòu)成，以及轉(zhuǎn)換器進一步包括用于根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R值來選擇全幅值的元件。
根據(jù)轉(zhuǎn)換器的另一個方面，轉(zhuǎn)換元件是流水線型的，在轉(zhuǎn)換元件的上游，轉(zhuǎn)換器更進一步包括具有根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R的值來選擇的增益的級(stage)。
本發(fā)明還提供了一種圖像傳感器，其包括像素陣列，每個像素陣列包括至少一個用于存儲亮度數(shù)據(jù)的元件；至少一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器；以及至少一個存儲元件。
本發(fā)明還提供了一種電子系統(tǒng)，其具有至少一個能夠提供要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模擬信號的電路；至少一個^f莫數(shù)轉(zhuǎn)換器；以及至少一個能夠利用該數(shù)字信號的電路。
根據(jù)本發(fā)明的又 一個實施例，提供了 一種對n位模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換包括閾值確定電路，其用于產(chǎn)生閾值，所述閾值表示全幅模擬信號的幅值(Vref)除以2k，其中，k是小于n的整數(shù)；比較器，其將才莫擬信號的幅值與閾值進行比較；以及耦合于該比較器的轉(zhuǎn)換電路，其產(chǎn)生n-k
6位模擬信號的轉(zhuǎn)換信號，并且，當比較器輸出表示模擬信號輸入幅值大于
閾值的比較信號時，輸出n位二進制字的最高幾位，否則輸出二進制字的最低幾位。


本發(fā)明的上述特點以及優(yōu)點將結(jié)合附圖在以下特定實施例的非限制性
描迷中進行詳細iJL明，其中
圖1是本發(fā)明中所應(yīng)用類型的圖像傳感器的簡圖的一個例子；
圖2示出了模擬輸出電壓對圖像傳感器的像素中的光強、以及噪聲電
平(散粒噪聲和讀噪聲)和信噪比的特性；
圖3舉例說明根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例；
圖4舉例說明了根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用由圖像傳感器的像素所提供的模擬
電壓對光強的特性；
圖5以框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明而形成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的實施
例；
圖6A到6F舉例說明了圖5的結(jié)構(gòu)的操作；圖7是根據(jù)本發(fā)明而形成的連續(xù)近似模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例的框圖；圖8是如圖7所示的逐漸近似轉(zhuǎn)換器的實施例的更加詳細的框圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明而形成的流水線型4莫數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例。
具體實施例方式
為清楚地目的，將僅對那些對于本發(fā)明的理解有用的步驟和元件進行演示和描述。特別是，沒有詳述獲取模擬信號的機構(gòu)，尤其是圖像傳感器，本發(fā)明適合任何常見的獲取方式。此外，也沒有詳述對由轉(zhuǎn)換器提供的數(shù)字信號進行何種使用，本發(fā)明在此適合于任何當前的應(yīng)用。在不同附圖中，用相同的參考數(shù)字標明了相同的元件。
本發(fā)明將相對于圖像傳感器的應(yīng)用實例進行更加詳細的說明。然而，其通常更適用于其中可能出現(xiàn)類似問題的任何才莫數(shù)轉(zhuǎn)換，尤其是其中噪聲電平隨有用信號的幅值而改變的情況下的模數(shù)轉(zhuǎn)換。例如，本發(fā)明還適用
7于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，適用于控制無線傳輸鏈中或者增益控制中所發(fā)射的功率的系統(tǒng)，其中封裝數(shù)據(jù)可從具有在較寬范圍內(nèi)變化的有用部分的信號中提取，以及其中干擾隨所測量到的幅值而改變。
圖1是本發(fā)明中所應(yīng)用類型的圖像傳感器的框圖形式簡圖的一個例子。
這種傳感器包括像素陣列l(wèi)l,每個像素包括至少一個用于存儲的數(shù)據(jù)的元件，所述數(shù)據(jù)與由光電二極管(未示出)檢測到的亮度有關(guān)。陣列被用于同一個方向上(例如列)，也就是說，對于同一行12中的全部列，存儲在像素或者任何中間存儲元件中的亮度數(shù)據(jù)可^皮提供給將其相應(yīng)結(jié)果存儲在存儲元件13 (MEM)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的行，以便隨后使用。
圖2示出了根據(jù)由光電二極管檢測到的光強LI以及噪聲電平(散粒噪聲和讀噪聲)和信噪比的像素的電壓Vin的變化。圖2的表示是對數(shù)標度的，用電子數(shù)表示光強。
在圖像傳感器中，根據(jù)光強的信號S的電平遵循以對數(shù)標度中的恒定斜率的近似線性趨勢。此外，由像素所收集的電子數(shù)增加得越多，散粒噪聲增加得越大。 一旦讀噪聲被傳遞，噪聲NOISE就表示散粒噪聲，所述散粒噪聲與Vn成正比，其中，N表示像素光電二極管所收集的電子數(shù)。噪聲NOISE的主要提供方是散粒噪聲。因此，信噪比SNR也具有如改變。如圖2所示，對于低電平信號(傳感器的低亮度)，讀噪聲占主要地位。為能夠恰當?shù)厥褂迷摻Y(jié)果，必須根據(jù)讀噪聲來選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。實際上，選擇與低電平信號的讀噪聲大致相對應(yīng)的分辯率。
然而，對于高電平信號，噪聲電平變化使得由轉(zhuǎn)換器提供的若千位不再有效。
前面提及的文章"A Low-Power Column-Parallel 12-bit ADC for CMOSImagers"中利用散粒噪聲現(xiàn)象來為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供隨時間而改變的斜坡。所迷文獻提出，在單斜率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中，斜坡具有隨著斜坡電壓值而增大的階躍，所述斜坡電壓值與根據(jù)相應(yīng)信號而預(yù)期的噪聲有關(guān)。這使得相對于單斜坡轉(zhuǎn)換器而言縮短了轉(zhuǎn)換時間。
8圖3是模擬信號Vin (例如，來自圖像傳感器的像素)到n位數(shù)字字Wout的才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例的功能框圖。
圖4是舉例說明圖3的轉(zhuǎn)換器的操作的圖。圖4的圖形應(yīng)該與圖2的圖形對比。
所執(zhí)行的轉(zhuǎn)換開始于確定幅值范圍，其中可發(fā)現(xiàn)要數(shù)字化的信號Vin。在圖3中由相對于電壓電平VreP2-k (利用乘法器22和用于提供值2-k的模塊23 )的、針對一位電壓Vin的轉(zhuǎn)換器21 ( 1位ADC )例示了上述確定步驟。這相當于將信號Vin的幅值與閾值Vre^2—k相比較。轉(zhuǎn)換器21提供表示輸入信號范圍的位R。數(shù)值n-k (n和k是整數(shù))表示二進制位的數(shù)目，在其之上轉(zhuǎn)換有用范圍的信號。在圖4的實施例中，假定9位的數(shù)值n-k以獲得n=12位的轉(zhuǎn)換器。
一旦確定了范圍，則位R用于確定輸入信號Vin (乘法器26和用于計算值k(R-l)的模塊27)的第二轉(zhuǎn)換器25 (n-k位ADC )的基準電壓VreP2^-"。轉(zhuǎn)換器25提供在n-k位的字W，其表示信號的有用部分的轉(zhuǎn)換。最后，字W乘以2"R (乘法器28和模塊29 )或者接受任何等效的操作以便提供n位的字Wout。乘積28相當于選擇n-k位的字W是否處于n位結(jié)果Wout的最低有效位(LSB)還是處于最高有效位(MSB)。因此，作為變量，如杲比較步驟的結(jié)果顯示輸入信號的幅值大于閾值，那么提供其它處理而不是相乘以得到n位二進制字的n-k個最高有效位，否則得到二進制字的n-k個最低有效位。選擇最小基準電平Vref/2n以大致相當于要數(shù)字化的信號Vin的低電平信號噪聲電平，電平Vref相當于全幅信號?？烧J為低分辨率的轉(zhuǎn)換器(在此實施例中， 一位)用于確定包含有用信號的幅值范圍，而高分辨率的轉(zhuǎn)換器用來轉(zhuǎn)換這個有用信號。無論范圍如何，n位全局轉(zhuǎn)換器的量化電平(最小的可檢測模擬電壓電平-一位增量的模擬值)仍然相等，等于Vref/211。轉(zhuǎn)換n-k位有用信號的量化電平取決于該信號處于的范圍。
轉(zhuǎn)換器的分辯率不變(n位全局轉(zhuǎn)換器-n-k位"有效"轉(zhuǎn)換器)。轉(zhuǎn)換全幅取決于在前的比較，為Vref2^，與可變斜坡比較器相比，其不同之處在于不會利用全部范圍(n位) 轉(zhuǎn)換器來執(zhí)行轉(zhuǎn)換。因此，其不僅提供了時間增益，而且簡化了轉(zhuǎn)換器結(jié) 構(gòu)和其占據(jù)的表面面積。
圖5是所謂的斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例的簡化表示。此實施例基于存 儲點(例如，D-型觸發(fā)器31)的使用，所述存儲點使其數(shù)據(jù)輸入端接收由 相對于電平L的輸入電壓Vin的比較器32(COMP)提供的結(jié)果。對于n-k 位的數(shù)字化來說，電平L由線性斜坡發(fā)生器(未示出)給出，所述線性斜 坡發(fā)生器根據(jù)信號Vin所在的范圍(模塊33， RANGE)提供相對較強斜 率HRAMP的斜坡或者相對較小斜率LRAMP的斜坡。在所示出的實施例 中，比較器32既可用于n-k位信號轉(zhuǎn)換也可用于有用信號的幅值范圍的選 擇。比較器32可由開關(guān)K復位，所述開關(guān)K由信號RST控制，且將用于 接收比較電平L的其輸入端連接到其直接輸出端Q。觸發(fā)器31的直接輸 出端Q控制用于選擇斜坡LRAMP的第 一開關(guān)Kl ，而反相輸出端NQ控 制用于選擇斜坡HRAMP的開關(guān)K2。對于每個轉(zhuǎn)換，觸發(fā)器31的時鐘輸 入端接收控制信號CTRL,所述控制信號CTRL包括一個脈沖。此脈沖在 比較器32執(zhí)行比較之后給出。
斜坡LRAMP和HRAMP的產(chǎn)生可使用任何現(xiàn)有的產(chǎn)生系統(tǒng)。例如， 產(chǎn)生器設(shè)置斜坡斜率，所述產(chǎn)生器根據(jù)與有數(shù)模轉(zhuǎn)換器有關(guān)的計數(shù)器提供 兩個斜;皮，所述數(shù)^t轉(zhuǎn)換器的基準電壓根據(jù)范圍從兩個值中進行選擇。
實際上，為了進行n-k位轉(zhuǎn)換，斜坡轉(zhuǎn)換器提供n-k+l位(以便考慮 到可能的電平偏移量)。對這n-k+l位進行處理以得到n-k位是4艮常見的。
當然，當對于提供斜坡時的周期而言將信號Vin輸出以進行轉(zhuǎn)換時， 圖5的結(jié)構(gòu)是利用用于校準周期的元件來實現(xiàn)的。
圖6A、 6B、 6C、 6D、 6E和6F是例示圖5的轉(zhuǎn)換器的操作的時序圖。 圖6A舉例說明了要數(shù)字化的模擬信號Vin的電平的例子。圖6B舉例說明 了根據(jù)兩個轉(zhuǎn)換器范圍之間的閾值TH的兩個斜坡HRAMP和LRAMP。 出于簡化的目的，將這些斜坡顯示為線性的，然而它們大多數(shù)常常以時步 進行階躍，所述時步取決于與用于產(chǎn)生斜坡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器有關(guān)的計數(shù)頻 率。圖6C舉例說明了用于產(chǎn)生斜坡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時鐘或計數(shù)信號Ck。
10圖6D舉例說明了由比較器32提供的輸出信號。圖6E顯示了存儲元件33 之中所包含的狀態(tài)。圖6F舉例說明了轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的、由觸發(fā)器31提供且 存儲在存儲元件34 (n-k位)中的字W。如圖3中所示那樣，最終結(jié)果通 過將字W乘以2"R而獲得，其中R表示寄存器33的狀態(tài)。第一次比較相 對于閾值TH而進行以確定輸入信號Vin所處的范圍。閾值TH對應(yīng)于斜 坡LRAMP的幅值，所述幅值被選定為對應(yīng)于Vref/2k。
一旦比較器32的輸出端獲知了結(jié)果R，就借助于開關(guān)Kl或K2來進 行斜坡選擇，以及在對應(yīng)的范圍中將輸入信號Vin數(shù)字化。
圖5的實施例的優(yōu)點在于能夠釆用相同的比較器既檢測信號范圍又進 行實際轉(zhuǎn)換。
圖7是所謂的連續(xù)近似模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例的框圖。信號Vin首先被 釆樣(模塊41， S/H)。然后，將其與由n-k位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的信號 V43進行比較(比較器42 )，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收存儲元件44中所存儲 的狀態(tài)以作為輸入，所述狀態(tài)是從前一次近似的比較中得出的。至此，其 對應(yīng)于常用的連續(xù)近似轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)所示實施例，存儲元件441是n-k位的，并且存儲元件441與用 于存儲附加位R的元件442相關(guān)聯(lián)，所述附加位R表示包含輸入信號的范 圍。標志位R用來決定位于基準電平Vref與電平Vref/2k之間的轉(zhuǎn)換器43 的基準，所述基準電平Vref與要轉(zhuǎn)換的最大信號(全幅)相對應(yīng)，而電平 Vref/2k與兩個范圍之間的閾值TH相對應(yīng)。這就使得轉(zhuǎn)換器43能夠根據(jù)在 n-k位(期望分辯率范圍)上所檢測到的信號范圍來產(chǎn)生信號V43。由位R 的狀態(tài)所控制的開關(guān)45選擇轉(zhuǎn)換器43的基準信號(全幅值)。
一旦通過比較信號Vin與閾值TH ( Vref/2k)而獲得了范圍，就在其相 應(yīng)范圍內(nèi)將信號Vin數(shù)字化。然后，根據(jù)位R的狀態(tài)將寄存器44中所包 含的字W乘以(乘法器28)2k、或者乘以1 (多路復用器29),以例如 將n位的結(jié)杲Wout提供給寄存器68。
n位的表面分辯率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是根據(jù)n-k位轉(zhuǎn)換器而得到的。為了 實現(xiàn)它
ii將要處理的信號Vin與電平Vref/2k相比較，以確定變量R的狀態(tài)為0 (如杲信號Vin的幅值小于或等于電平Vref/2k)或為1 (如果信號Vin的 幅值大于電平Vref/2k);
通過將值Vref/2k'(n-k*R)(轉(zhuǎn)換量化電平為Vref/2k，R)))取作全幅值， 通過在n-k位上進行連續(xù)近似而對要處理的信號Vin進行轉(zhuǎn)換；以及
通過數(shù)字處理來形成該n位字。
圖8顯示了圖7中的類型的連續(xù)近似;漢數(shù)轉(zhuǎn)換器的更詳細的實施例。 圖8的例子對應(yīng)于采用開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)的6位轉(zhuǎn)換器。
這種轉(zhuǎn)換器基于采用三個電容器元件，其相應(yīng)的電容為C、 2C和4C, 以及釆用開關(guān)K511、 K512和K513的陣列51,所述開關(guān)用于根據(jù)前一次 近似來選擇每次近似所采用的電容器。開關(guān)電容器用來實現(xiàn)采樣功能(41 ， 圖7)和一部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(43，圖7)。
電容器的第一公共電極連接到比較器52的第一輸入端，比較器52的 第二輸入端接地、以及其輸出端向圖7中所例示類型的存儲元件44中提 供l位(abit)。例如，希望寄存器包含六位的字W和表示輸入信號的范 圍的位R。比較器52可能借助于開關(guān)K被重置，所述開關(guān)K將比較器52 的第一輸入端連接到比較器52的輸出端，以及所述輸出端由信號RST來 控制(這個開關(guān)用于抵銷比較器電壓誤差，并且如果比較器足夠地準確或 者如果釆用另一種方式來抵銷這個誤差則這個開關(guān)可接地)。開關(guān)K511 至K513的第一公共輸入端接收由選擇器K5提供的電平L,所述電平L處 于轉(zhuǎn)換器的全幅電平Vref與在分阻橋(resistive dividing bridge )的中點處 采樣的中間電平TH (等于Vre^2k)之間，所述分阻橋包括串聯(lián)在施加電 平Vref的端子與地之間的兩個電阻器R1和R2。開關(guān)K511至K513的第 二公共相應(yīng)輸入端接地。開關(guān)K511至K513的第三公共輸入端連接到用于 施加要數(shù)字化的信號Vin的端子。根據(jù)與連續(xù)近似速率相對應(yīng)的采樣頻率 來校準組件。
圖8的轉(zhuǎn)換器的操作如下。模擬信號Vin被施加到開關(guān)K511至K513 的相應(yīng)輸入端。
12在采樣過程中，用于重置比較器52的開關(guān)K導通，以便將信號Vin 存儲在相應(yīng)的電容器C、 2C和4C中。然后，開關(guān)K被斷開，開關(guān)K5取 基準TH，同時開關(guān)K511和K513被切換到這個基準。不同電容器之間的 電荷平衡使得可以將信號電平與電平Vref/2k進行比較。這個結(jié)果被存儲在 用于定義信號Vin的相應(yīng)范圍的位R中。然后，開關(guān)K5被切換到其兩個 位置之一直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，以通過選擇電平Vref或電平TH來定義信號的比 較范圍。然后，如在電荷重新分配轉(zhuǎn)換器(開關(guān)電容器連續(xù)近似轉(zhuǎn)換器) 中那樣，當前釆用電容器C、 2C和4C以及開關(guān)K511至K513。
在比較結(jié)束時，采用相應(yīng)的結(jié)果R和W來形成字Wout (未顯示)。 將電平TH施加到電容器C、 2C和4C上以在其中比較電平Vin的步 驟和選擇比較范圍的步驟將替代用于確定常用開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器的最高 有效位的步驟。
取電平TH等于電平Vref (k=3)的1/8的例子，與常用開關(guān)電容器轉(zhuǎn) 換器相比，圖8的開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器允許以較小地增大表面積為代價而將 分辯率提高3位。在常用開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器中，增加l個分辯率位就需要 大約將表面乘以8 (用于電壓再分的電阻器和電容器的數(shù)目要乘以2,這 就導致近四倍的更大的表面積，準確說來，每一次再分都必須是大約兩倍， 由于組件匹配的原因就產(chǎn)生了近兩倍的表面積)。將分辯率提高3位需要 大于500的表面積系數(shù)(83)。
圖9顯示了遵守所謂的流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例。這種結(jié)構(gòu) 采用相同位數(shù)的幾級61-1、 61-2、 61-p,以及采用每次都為下一級全幅值 地替換信號的原理。
這個第一實施例對常用流水線轉(zhuǎn)換器的作用是增加用于確定要轉(zhuǎn)換的 信號的范圍的第一級62。模擬電平Vin被發(fā)送到采樣電路41上，采樣電 路41使其輸出端與電平Vref/2k相比較(比較器63 )，所述電平Vre^2k 相當于兩個范圍之間的閾值。比較器63的輸出端決定了放大器64的增益 以進入下一級61-1。此外，對這個輸出進行存儲(才莫塊442)以存儲位R。 連續(xù)的各級61-1到61-p全部類似，每一級都包括用于釆樣和保持由前一 級(其放大器的輸出端)所提供的信號的單元651 (S/H)。采樣保持單元651的輸出被發(fā)送到加法器/減法器652上，所述加法器/減法器652使其另 一個輸入端接收對采樣保持單元651的輸出端進行才莫數(shù)轉(zhuǎn)換655 (ADC) 的結(jié)果再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換653 (DAC)的結(jié)杲。轉(zhuǎn)換器655的輸出也被發(fā)送 到n-k位的字W的存儲器的寄存器441。加法器/減法器652的輸出被發(fā)送 到^:大器654 (AMP)的輸入端，所述放大器654的輸出纟皮發(fā)送到下一級 的輸入端。有i定轉(zhuǎn)換器具有1位(one bit)的每一級，則轉(zhuǎn)換器包括與字 W包括的位一樣多的級，即n-k級，根據(jù)每一級的位數(shù)，每一級向寄存器 44提供一位或幾位。通過以常用方式采用每級幾位來采用其它流水線轉(zhuǎn)換 器方案。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由乘法器28采用寄存器442中所包舍的位。圖9 舉例說明了一種變化，其中如果位R是1則將乘法器28的結(jié)果加上(或 減去)介于0到2k之間的隨機選擇數(shù)。這避免了對于高幅值信號來說k個 最低有效位為0。這個功能由加法器66來例示，所述加法器66接收乘法 器28的輸出和隨機值RNG
(或RNG [-2k， 2k])與值0之間的選擇 器67的輸出。選擇器由位R來控制，加法器66輸出端提供寄存器68中 所存儲的字Wout。這個變化可被施加于所描述的全部實施例中。
圖3、 5、 7、 8和9中所示元件的不同同步信號沒有凈皮詳細描述。根據(jù) 所示的功能指示，這個同步屬于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員的能力之內(nèi)。
所述實施例的優(yōu)點在于它們能夠使用相對于最終獲得的位數(shù)而言較少 位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
這產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換的表面積和時間利益。
已經(jīng)描述了各個實施例，但是對于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說也可發(fā)生不 同的變化和修改。特別是，盡管已經(jīng)描述了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三個例子，但是 本發(fā)明更具體地說可應(yīng)用任何轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，假定這個結(jié)構(gòu)適合于執(zhí)行前一 次比較以確定有用信號的范圍。
此外，根據(jù)該應(yīng)用、特別是根據(jù)要轉(zhuǎn)換的信號中的噪聲變化，用于確 定轉(zhuǎn)換器范圍的二進制位的數(shù)目k的選擇也屬于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員的能力 之內(nèi)。
此外，盡管在上述描述中參考與結(jié)果的比較，所述結(jié)果為較高的范圍 提供處于狀態(tài)1的標志位R，比較的結(jié)果可以相反、被提供以修改后續(xù)處
14理，以便當要轉(zhuǎn)換的模擬信號大于閾值TH時，例如通過將n-k位的轉(zhuǎn)換
乘以2k來形成最終的二進制字。
最后，根據(jù)以上給出的功能指示，實際實施也屬于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員 能力之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對n位模擬信號(Vin)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，包括以下步驟將模擬信號的幅值與表示全幅模擬信號的幅值(Vref)除以2k的閾值相比較，其中k是小于n的整數(shù)；如果比較步驟的結(jié)果表示輸入信號的幅值大于閾值，則對n-k位模擬信號執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以獲得n位二進制字的n-k個最高有效位，否則獲得這個二進制字的n-k個最低有效位。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中n-k位模數(shù)轉(zhuǎn)換釆取等于Vref72("(1—R)) 的值作為全幅值，因而n-k位轉(zhuǎn)換的量化電平為Vref/2(n-k*R),其中如果模 擬信號幅值小于或等于閾值則R表示取值為0的二進制變量，否則R表示 取值為1的二進制變量；以及通過將所迷n-k位轉(zhuǎn)換的結(jié)果乘以2(1{，而形成n位二進制字。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，如杲輸入信號的幅值大于閾值， 則隨機獲得n位字的k個最低有效位。
4. 一種n位模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括用于將模擬信號的幅值與閾值(TH)相比較的元件(21; 32; 42, 43; 51, 52; 62)，所述閾值(TH)表示全幅模擬信號的幅值(Vref)除以2k，其 中k是小于n的整數(shù)；以及對n-k位模擬信號進行4莫數(shù)轉(zhuǎn)換的元件(25; 31, 32; 42, 43; 51, 52; 61-1, 61-2, 61-p)，如果比較步驟的結(jié)果表示輸入信號的幅值大于閾值則獲得n 位二進制字的n-k個最高有效位，否則獲得這個n位二進制字的n-k個最 低有效位。
5. 如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器，更進一步包括 用于存儲由比較元件所提供的二進制數(shù)據(jù)R的元件(33; 442)，如果^t擬信號的幅值大于閾值則二進制數(shù)據(jù)R等于1;以及至少一個第一數(shù)字元件(28， 29)，能夠通過將在進行n-k位轉(zhuǎn)換的 元件的輸出端獲得的值乘以2"k而形成n位二進制字，n-k位轉(zhuǎn)換的沖莫數(shù)元件的全幅被調(diào)至值Vref/2(k""R)。
6. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，更進一步包括第二數(shù)字元件(66， 67 )， 在二進制數(shù)據(jù)R為1的情況下，其能夠?qū)㈦S機數(shù)與由第一數(shù)字元件提供的 n位二進制數(shù)相加，第二數(shù)字元件的輸出端構(gòu)成轉(zhuǎn)換器輸出端。
7. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換元件是采用其斜率之間的比 值為2k的兩個不同斜坡(LRAMP， HRAMP)的斜坡轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器更 進一步包括用于根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R的值將所述比較元件連接到兩個斜坡之 一的元件(Kl， K2)。
8. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換元件遵循連續(xù)近似，所述比 較和轉(zhuǎn)換元件由相同的比較器(43; 51, 52)形成，以及轉(zhuǎn)換器更進一步包 括用于根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R的值選擇全幅值的元件(45; K5)。
9. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換元件是流水線型的，在轉(zhuǎn)換 元件的上游，轉(zhuǎn)換器更進一步包括具有根據(jù)二進制數(shù)據(jù)R的值來選擇的增 益的級(62)。
10. —種圖像傳感器，包括像素陣列(11)，每一個像素包括至少一個用于存儲亮度數(shù)據(jù)的元件； 至少一個根據(jù)權(quán)利要求4的才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器(12);以及 至少一個存儲元件(13)。
11. 一種電子系統(tǒng)，包括至少一個電路(11 ),其能夠提供要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模擬信號； 至少一個根據(jù)權(quán)利要求4的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12);以及至少一個電路(13)，其能夠使用該數(shù)字信號。
全文摘要
一種對n位模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，包括以下步驟將模擬信號的幅值與表示全幅模擬信號的幅值除以2^k的閾值相比較，其中k是小于n的整數(shù)；如果比較步驟的結(jié)果表示輸入信號的幅值大于閾值，則對n-k位模擬信號執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以獲得n位二進制字的n-k個最高有效位，否則獲得這個二進制字的n-k個最低有效位。一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器及將其應(yīng)用到圖像傳感器中。
文檔編號H03M1/12GK101656539SQ20091016568
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者勞倫·西蒙尼, 萊昂內(nèi)爾·沃格特 申請人:意法半導體有限公司