专利名称：用于模拟到数字转换的伪多采样方法、系统和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路和方法，更具体地，涉及模拟到数字转换系统、方
法和装置。
背景技术：
模拟到数字转换器(ADC)是被广泛使用的将连续信号转换为离散的数字 值的电子装置。通常，ADC是一种将输入模拟电压或电流转换为数字值的电 子装置。ADC的分辨率指示其在模拟电压或电流值的范围内可产生的离散值 的数量。离散值通常以二进制的形式被电子存储。由于可用的离散值量("量 化等级")通常是2指数量化，因此通常用位数表示分辨率。例如，分辨率为 8位的ADC可将模拟输入编码为256不同量化等级中的一个。
的ADC。当斜坡开始时，计时器开始计时。当斜坡电压与模拟输入信号相匹 配时比较器启动(fire),计时器的值被记录。斜坡比较ADC被广泛使用于许多 应用，例如，在袖珍数字相机中广泛使用的CMOS图像传感器(CIS)。 CIS可 被高度集成且可提供列并行像素读出，从而可提供列并行ADC。在这些列并 行ADC中，可使用常规斜坡电压产生器和控制器提供多个斜坡比较ADC。
在ADC中噪声可能是一个问题。在模拟输入信号、数字输出信号和/或 ADC本身均可产生噪声。使用多采样技术(其中，模拟信号被多次转换为数字 值且使用转换值的平均值作为最终输出)减少噪声是被熟知的。由于噪声通常 是不相关的，多采样联合平均可减少噪声，这是以执行多采样的更长的模拟 到数字转换时间和/或存储多数字值并对这些值取平均的附加存储器的硬件 复杂度的增加作为潜在的代价。
发明内容
率将模拟信号重复采样，将模拟信号转换成具有定义预定的量化等级的预定 位数的数字值。重复采样包括预定的位数的预定的量化等级。从而获得多个 较低分辨率采样结果。将多个较低分辨率采样结果求和以获得具有预定的位 数的数字值。该重复的低分辨率采样和求和可被称为"伪多采样"，因为多采 样在比预定的位数定义的分辨率低的分辨率发生，且重复较低分辨率采样的 结果被求和而不是被求平均，从而该较低分辨率采样结果的和提供数字值。
在一些实施例中，重复采样模拟信号的步骤包括使用一系列斜升和斜 降采样电压将模拟信号重复采样。
一 系列斜升和斜降采样电压可包括一 系列
阶梯、常量斜率和z或多重斜率(无阶梯)的斜升和斜降采样电压序列。此外， 重复采样可通过使用在互相偏移的重复采样中的量化等级以比预定的位数定 义的分辨率低的分辨率对模拟信号进行重复采样而发生。量化等级可以以相 等的间隔被分离和/或以不相等的间隔被分离。
在一些实施例中，使用2,M个量化等级(其中，N是预定位数)将模拟信 号重复采样M次。此外，在一些实施例中，在重采样中的量化等级可通过相 应于数字值的最低有效位(LSB)的至少一个量化等级互相偏移。在其它实施例 中，产生具有总数为M的斜升和斜降电压(例如，M/2的斜升和M/2的斜降 电压)的一系列斜坡电压，其中，各个斜升和斜降电压包括大小为M的2N/M 的斜坡电压步长。在其它实施例中，相比于前一(即，前一个)斜坡开始的电压， 后一(即，下一个)斜坡电压在不同的电压结束。在其它实施例中， 一系列斜坡 电压的开始电压和结束电压包括所有预定位数的量化等级。
在其它实施例中，以比预定的位数定义的分辨率低的分辨率将模拟信号 重复采样的步骤包括当斜坡电压相应于模拟信号时，将模拟信号与一系列 斜坡电压进行重复比较并重复识别较低的分辨率数字值。然后求和可通过将 识別的较低分辨率数字值进行求和而发生。在其它实施例中，可将模拟信号 与一系列斜坡电压的和与参考电压进行比较。在其它实施例中，当计算偏移 量时执行将模拟信号与一系列斜坡电压进行重复比较。在其它实施例中，产 生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系列斜坡电压，其中，斜坡电压每单 位时间增加或减少相应于预定量化等级的电压的M倍。
根据本发明其他实施例的图像传感方法可包括产生响应于入射到图像
的感应像素上的电磁能(诸如光)的模拟信号，并将模拟信号转换为具有定义预 定的量化等级的预定位数的数字值。转换可通过以比预定的位数定义的分辨 率低的分辨率对模拟信号进行重复采样而发生，从而使重复采样包括预定的 位数的预定量化等级，以获得多个较低分辨率采样结果。将多个较低分辨率 采样结果求和以获得具有预定的位数的数字值。在一些实施例中，重复采样
包括使用一系列阶梯、常量斜率和/或多重斜率的斜升和斜降采样电压对模 拟信号执行重复采样。在其它实施例中，使用2N/M的量化等级(其中，N是 预定位数且在重复采样中的量化等级互相偏移)将模拟信号重复采样M次。 在此描述的任意或所有其他实施例可被用于与图像传感器/方法一起使用的
ADC7方法。
根据本发明其他实施例的用于将模拟信号转换为具有预定的位数的数字 值的方法包括将模拟信号重复转换成具有比预定位数少的数字值，以获得 具有比预定位数少的多个数字值。将具有比预定位数少的多个数字值求和，
根据本发明一些实施例的用于将模拟信号转换成具有定义预定量化步长 的预定位数的数字值的模拟到数字转换器包括斜坡产生器、比较器和计数器。 钭坡产生器被配置用于产生具有至少一个斜升和至少一个斜降电压的一系列 斜坡电压，其中，斜升和斜降电压每单位时间增加或减少多于预定量化步长 一倍的多倍。比较器被配置用于将模拟信号与一系列斜坡电压进行重复比较 以识别当至少一个斜升电压和至少一个斜降电压相应于模拟信号的多个次 数。计数器响应于比较器且被配置用于当至少一个斜升电压和至少一个斜降 电压相应于模拟信号时的多次将单位时间的数字量重复求和，以获得数字值。 在-些实施例中，斜坡产生器还被配置以产生至少一个第二斜坡电压，比较 器还被配置以将至少一个第二斜坡电压与偏移电压相比较以识别当至少一个 第二斜坡电压相应于偏移电压时的至少一次，计数器被配置以减去当至少一 个第二斜坡电压相应于偏移电压时的至少一次的数字值。因此可获得偏移补 偿，在此描述的任意或所有实施例也可被用于这些ADC和/或相应的方法， 也可与图像传感器/方法一起使用。
图1是根据本发明的一些实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置的框图。
图2是根据本发明的不同实施例的执行将模拟信号转换到数字值的操作
的流程图。
图3是根据本发明的其它实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置的框图。
图4是根据本发明的其它实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置的框图。
图5是根据本发明的其它实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置的框图。
图6示出根据本发明的不同实施例的伪多采样。 图7示出根据本发明的其它实施例的伪多采样。 图8示出根据本发明的其它实施例的伪多采样。
图9A是根据本发明的其它实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置
的框图。
图9B (1)-(4)图示说明根据本发明的不同实施例的斜坡电压。
图1IA-11F图示说明根据本发明的不同其它实施例的可使用的其它斜升
和斜降电压序列。
图12A、 13A、 14A、 15 A和16 A是根据本发明的不同实施例的伪多 采样系统.装置和方法的组合电路和框图。
图12B、 13 B、 14 B、 15 B和16 B是分别示出图12 A、 13 A、 14 A、
1 5 A和16 A的^t喿作的时序图。
图17和18是根据本发明的不同实施例的使用伪多采样的CMOS图像传
感器的框图。
图19A和19B图示说明根据本发明的不同实施例的传统多采样模拟到数 字转换器和伪多采样模拟到数字转换器的模拟噪声。
以下，参照示出本发明实施例的附图来更详细地描述本发明。然而，本
具体实施例方式
发明可以以许多不同的形式被实施，且不应被理解为受限于在此列出的实施 例。本说明书由于提供的这些实施例而透彻和完整，且会完全传达本发明的 范围给本领域的技术人员。
应该理解当部件被称作"在"、"连接到"、"联结到"或"响应于"另一 部件时，该部件可直接在、连接到、联结到或响应于另一部件或可存在中间 部件。相反，当部件被称作"直接在"、"直接连接到"、"直接联结到"或"直 接相应于"另一部件及其派生物时，不存在中间部件。相同的标号始终表示 相同的部件。如这里所使用的术语"和/或"包括一个或多个联合列出的项的 任意组合或所有组合，并简写为7"。
应该理解虽然术语第一、第二等会在以下^皮用到以描述不同的部件、组 件、区域、层和Z或部分，^旦是这些部件、组件、区i或、层和/或部分不应一皮这 些术语限制。这些术语只是用来区分一个部件、组件、区域、层或部分与其 它区域、层或部分。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，以下的第一部 件、组件、区域、层或部分可以被称作第二部件、组件、区域、层或部分。
在此使用的术语学的目的仅仅是描述具体的实施例，而不应作为本发明 的限制。除非上下文另外明确指出，如以下所使用的单数形式也意味着包括 复数形式。还应该理解当在该说明书中使用术语"包含"、"包括"等时，说 明提到的特性、整体、步骤、操作、部件和/或组件的存在，但并不排除一个 或多个其它特性、整体、步骤、操作、部件组件和/或及其组的添加或存在。
除非另外定义，本发明所属领域的普通技术人员应该理解所有在此使用 的术语(包括技术和科学术语)具有相同的意思。还应该理解例如在普通使用 的词典中定义的术语应该被解释为具有与相关领域的文章一致的意思，除非 在此特别定义，不会被解释为理想或极端形式的意义。
还应该理解，例如在此卩吏用的术语"行"或"水平"和"列"或"垂直"向。
以下，将参考根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的框图 和流程图部分描述本发明。应该理解框图或流程图的方框，和框图或流程图 中的方框组合可被计算机程序指令至少部分执行。这些计算机程序指令可被 提供给一个或更多的企业、应用、个人、普通和/或嵌入式计算机系统，从而 使通过计算机系统执行的的指令创建执行框图的方框中指定的功能/动作的
模块、器件或方法。通用计算机系统和/或专用硬件的组合也可在其它实施例
中被使用。
这些计算机程序指令还可被存储在能够引导计算机系统以特殊的方式运 行的计算机系统的存储器中，从而使存储在存储器中的指令产生包括执行方
框中指定的功能/动作的计算机可读程序代码的产品。计算机程序指令也可被 载入计算机系统以？ 1起计算机系统执行的 一 系列操作步骤，以产生计算机执 行过程，从而使处理器上执行的指令提供用于执行方框中指定的功能/动作的 步骤 因此，框图和Z或流程图的给定的方框为方法、计算^/L程序产品和/或系 统(结构和/或装置加功能)提供支持。
也应该注意在一些可选实现方式中，记录在流程图中的功能/动作可能不 按照流程图中记录的顺序发生。例如，连续示出的两个方框根据相关的功能/ 动作可能实际上被同时执行或方框有时可能以相反的顺序被执行。最后，一 个或多个方框的功能可与其它方框分离和/或组合。还应该理解，在许多已经 装备有 一些基于微处理器的计算能力的系统中，框图的方框可被嵌入在微处
理器上执行的操作和z或应用程序。
图1是根据本发明的一些实施例的模拟到数字转换系统、方法和装置的
枢图..如图1所示，这些实施例将模拟输入信号112转换为具有定义预定的 量化等级的预定位数的数字值122。如图1所示，在方框110通过以比数字 值122的预定位数定义的分辨率低的分辨率执行采样。比预定的位数定义的 分辦率低的分辨率在此称为"较低分辨率"。重复的方框110的较低分辨率采 样获得多个较低分辨率采样结果114。控制器130被配置用于控制采样110 以提供以比预定的位数定义低的分辨率对在112的模拟信号的重复采样。在 一些实施例中，重复采样的配置方式是重复采样包括预定位数的预定量化 等级，在一些实施例中不同地规定，重复采样被以足够多的次数执行，从而 所有预定位数的量化等级都包括在重复采样里。响应于较低分辨率采样方框 110和控制器130加法器120将多个较低分辨率采样结果求和以获得具有预 定位数的数字值122。
图2是根据本发明的不同实施例的可执行将模拟信号转换到具有定义预 定的量化等级的预定位数的数字值的搡作的流程图。如图2所示，在方框210, 以比预定的位数定义的分辨率低的分辨率执行模拟信号的采样，从而使重复 采伴包括预定的位数的预定量化等级。获得多个较低分辨率采样结果。在方
框220，将结果求和。在方框230，确定是否需要更多的采样，如果是，则重 复方框210和220的操作。因此，提供了重复采样和求和。
以下，^U居本发明的多个实施例描述重复采样和求和的多个详细实施例。 然而，总体来说，预定的量化等级以相等的间隔和/或不相等的间隔被分离。 此外，在方框110/210的重复采样期间，使用的量化等级会互相偏移。此外， 在方框110/210执行采样的分辨率可以是在方框130/230执行采样的次数的函 数。具体地，如果需要对信号采样M次且预定位数是N,则在方框110/210 执行的采样的较低分辨率可使用2力M个量化等级。此外，在一些实施例中， 量化等级可从另一量化等级偏移一级。在其他实施例中，它们可相应于数字 值的最低有效位的至少 一个量化等级进行偏移。
图3是根据本发明的其它实施例的模拟到数字转换器的方框图。在这些 实施例中，在方框310使用斜坡产生器314和比较器312执行较低分辨率采 样、，斜坡产生器314被配置用于产生具有至少一个斜升电压和至少一个斜降 电压的斜坡电压序列，其中，斜升电压和斜降电压每单位时间增加或减少多 于预定量化步长一倍的多倍，从而提供多较低分辨率斜升和斜降电压。比较 器312被配置用于将模拟输入信号112与斜坡电压序列进行重复比较，以识 别当斜升电压和斜降电压相应于模拟信号时的多个次数。前一 实施例的加法 器120可通过响应于比较器312的计数器320来实现，且被配置用于当斜升 电压和斜降电压相应于模拟信号时多次将单位时间的数字值重复求和，以获
得数字值。控制器330可被用于对产生器314的多个较低分辨率斜升和斜降 电压的产生和计数器320的计数进行同步。
因此，图3示出可使用斜升和斜降采样电压序列执行重采样的本发明的 实施例 如将在此被更详细描述的，斜升和斜降电压可包括一系列阶梯、常 量斜率和/或多斜率(无阶梯)的斜升和斜降采样电压。此外，在一些实施例中，
通过产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系列斜坡电压(例如，M/2的 斜升电压和M/2的斜降电压)使用2N/M个量化等级将模拟信号重采样M次， 其中，各个斜升和斜降电压包括大小为M的2N/M个斜坡电压步长。在其它 实施例中，相比于前一斜坡(即，前一个斜升)开始的电压，后一斜坡(即，后 一个斜降)在不同的电压结束。在其它实施例中， 一系列斜坡电压的开始电压 和结束电压包括所有预定位数的量化等级。在其它实施例中，M斜升和斜降 电压每单位时间增加或减少相应于预定量化等级的电压的M倍。此外，通过
当斜坡电压相应于模拟信号时将模拟信号与 一 系列斜坡电压进行重复比较并 重复识别数字值而执行重复采样。通过将识别的数字值进行求和来执行求和。 图3示出通过将模拟信号重复转换为具有比预定位数少的数字值而将模 拟信号转换为具有预定位数的数字值，以获得多个具有比预定位数少的数字 值 将具有比预定位数少的多个数字值进行求和，以获得具有预定位数的数
图4和5是分别相应于图1和3的本发明其他实施例，但包括提供模拟 输入信号112的图像传感器410的框图。图像传感器可包括CMOS图像传感 器，电荷耦合装置、光电二极管和/或任何其它传统图像传感器。
根据本发明的不同实施例可提供，通过以比预定的位数定义的分辨率低 的分辨率将模拟信号重复采样以获得多个较低分辨率采样结果并将该多个较 低分辨率采样结果进行求和以获得数字值的多个实施例。 一些实施例将会被 提出并同样会涉及图3和5的方框图，其中，提出多较低分辨率斜升和斜降 电压产生器314u
具体地，图6示出提供N位分辨率的数字信号的M次伪多采样。第 一(左) 列M=l示出传统的每次使用N位分辨率的单采样或传统多采样。如图6所示， N^4(即4位分辨率)提供24或16量化等级步长(QLS)。如M—(第一)列所示， 信号可以以4位量化被采样一次。此外在传统多采样中，信号可以以N比特 分辨率被多次采样并取平均值。
图6的中间列M二2,示出根据本发明一些实施例的伪多采样，其中，使 用2N/M或8量化等级执行(M二2)两次采样，其中，在2个量化等级之间有1 位的偏移。与此不同地，两个量化等级通过相应于数字值的最低有效位(LSB) 的至少一个量化等级进行偏移。相似地，图6的右列(M二4)示出4次多采样和 24/4量化等级或4量化等级。在采样的量化等级之间再一次有1位的偏移。 对于中间列(M二2)和右列(M二4)，最终输出是每次采样结果的和。图6的右列 ，=4)也示出分别表示第一斜升、第二斜升、第一斜降和第二斜降的斜坡电压
行多采样。将在图8更详细地描述这些斜坡。由于输出噪声一般不相关，每 个A/D转换的输出噪声可被减少到1/M等级。因此，减少的输出噪声可被本 定明的实施例以相似于多采样的方式提供。然而，不需要提供中间结果的存
储和平均电路。
图7示出传统的多采样和根据本发明不同的其它实施例的伪多采样的结
果的例子。具体地，图7示出将模拟输入1和模拟输入2转换为数字量的结 果，其中，模拟输入l相应于数字13,模拟输入2相应于数字4。参考示出 传统的单采样或传统的多采样的M=l的左边列，N位的二进制数具有2~个 量化等级。因此，在图7， N=4，所以0-15的值可被覆盖。假设提供范围为 0-15V的输入信号，量化等级数是16,从而量化等级步长(QLS)是M=l的1 伏特。使用16量化等级，模拟输入1被转化为13的输出代码1且模拟输入 2被转化为4的输出代码2。
参考图7的中间列，如果伪采样数是2(M=2),则对每一采样使用16/2 或8量化等级，量化等级以1位的值(即，在此例子以1伏特)互相偏移。将两 采样的结果求和，从而，将6与7求和得到输出代码1的正确值13,将2与 2求和得到输出代码2的正确值4。
最后，参考图7的右列，伪采样(M4)， 4量化等级模式被使用4次，参 考图7为QLP1-QLP4。如显示较低分辨率的图7所示，在QLP1-QLP4之间 具有4V的差。此外，QLP1和QLP2之间的电压差是IV, QLP1和QLP3之 间的电压差是2V， QLP1和QLP4之间的电压差是3V。也应该注意，只要模 式互不相同，采样序列不需要考虑。图7的右下也示出接收到正确的输出代 码.具体地，模拟输入1的输入代码的四次较低分辨率采样提供3+3+3+4或 B的输出代码1和模拟输入2的四次较低分辨率采样提供1+1 + 1 + 1或4的输 出代码2
图7的实施例在2的幂(即，M=2和M^4)l吏用重复采样。然而，M不需 要是2的幂而可以是任意整数。例如，图8示出图7情况的M=2和M=4,但 也示出使用模拟输入的相同例子如何获得M=3和M=5的正确结果。
图9A和9B示出根据本发明不同实施例的使用伪多采样的模拟到数字转 换器。如图9A所示，模拟到数字转换器包括可使用数字到模拟转换器实现 的多较低分辨率斜坡产生器314。斜坡产生器314产生应用于比较器312的 多个升和降斜坡316。比较器312将斜坡316与模拟输入信号112进行重复 比较并提供计数使能信号(CNT—CLK)912，用于允许计数器320响应于计数时 钟信号(CNT—CLK)914计数以产生相应于具有预定位数的数字值的计数器输 出！22。不同斜坡都在图9A中被示出。斜坡1是当执行单采样(M4)或当执 行具有平均的传统的多采样时使用的传统的锯齿斜坡。图9B(1)示出M=l的采样，所述采样示出锯齿斜坡、计数使能信号和IO的计数器输出。用虚线示
出相等的常量斜率斜坡。
图9A的第二斜坡，被称为斜坡2，相应于M=2和4位分辨率的伪多采 样。因此，在图9B(2)示出使用一个斜升和一个斜降。5采样并获得5从而也 提供了计数器输出10。在图9B(2)也示出，在斜升和斜降之间有一个量化等
级的差别。
图9B(3)示出相应于图9A的斜坡3伪多采样4次。升和降斜坡U1、D1、 U2和D2相应于图6的升和降斜坡。同样显示，在图9B(3)的循环偏移显示 的邻接斜坡之间至少具有 一个最低有效位偏移。计数器输出显示正确结果10。 最后，9B(4)相应于M=8的图9A的斜坡4。正确结果10再次被计数器输出显示。
本领域的技术人员同样应该理解斜坡电压316可以是如虛线所示的具有 离散等级的阶梯电压950a、950b或可以是常量/多斜率无阶梯斜坡950c、950d。 斜坡950c、 950d可具有如图9B的斜升950c显示的常量斜率或可具有如斜 坡950d显示的其部分上的不同的斜率。具体地，斜降950d在两个不同的部 分包括两个不同的斜率以调节量化等级偏移。在图10中也显示了调节不同的 偏移的不同的斜率，其中，单升斜率US3可被用于给定斜坡或多斜率DS3、 DS4、 US4、 US5、 DS5、 DS6可被用于给定斜i皮。注意图10相应于图9B(3) 的实施例，但更详细地示出不同的斜率。
只要使用总数为M的斜升和斜降电压，在本发明的不同实施例中使用的 一系列斜升和斜降电压可显著改变，其中，M比一大且斜坡电压每单位时间 增加或减少多于一个的多个量化等级。与此不同地，斜坡电压每计数器的时 钟周期增加或减少多于一个量化等级。例如，图9A的计数器时钟信号914 如图9B(2)-(4)所示增加计数器输出。在传统多采样中，如图9B(1)所示阶梯锯 齿斜坡每单位时间增加量化等级的数量。相反，根据在图9B(2)-(4)所示的本 发明的实施例，斜坡电压每单位时间(即，每计数器时钟的单位)增加或减少多 于一个的多个量化等级。
图11A-11F图示示出当使用4位分辨率(N-4)和重复采样(M)时可被提供 的不同斜坡电压。在图11A-11E中，阶梯斜坡电压(实线)与常量斜率和多斜 率无阶梯电压(虚线)一起被显示。
现参考图11A, M=4，并且显示的斜坡电压具有相同的绝对斜率，除了
每个方向的第一时钟在斜率上改变。每个第一时钟的上升斜率(除了第一上升
斜率)与M/2-l或1相同，且每个第一时钟下降斜率也与-M/2相同。
在图IIB中，M=4，也提供了相同的绝对斜率，除了每个方向的第一时
钟在斜率上改变。换言之，方向改变的每个第一时钟的斜率是不同的。图11B
示出，只要获得准确的转换结果，量化的顺序不需要考虑。此外，图11B的
实施例可与图11A的实施例具有相同的噪声抑制能力。
图11C示出斜坡甚至不需从最低的量化等级开始。在图11C, M=8。同
样地，量化的顺序不需要考虑。
图11D示出用于每一上升或下降斜坡的随机无阶梯斜率，但具有上升或
下降的相同时段。在图HD， M=4。图IID的实施例与图IIA的实施例相比
可具有较差的噪声抑制。然而，如图11D在底部指示的，获得正确的模拟到
数字转换结果。
图11E示出每一上升和下降斜坡的随机无阶梯斜率以及每一上升和下降 斜坡的不同时段。再次，M=4。这些实施例与图IIA相比可具有相对较差的 噪声抑制能力，但是提供了正确的模拟到数字转换结果。
图11F示出M=16的另一实施例，从而多采样次数与量化等级相同。从 而，在图UF,每一上升和下降开始的量化等级覆盖了所有标准A/D转换的 量化等级。再次获得正确结果。
因此，图11A-11F的实施例示出，根据本发明的不同实施例，量化等级 可以以相等的间隔被分离或不相等的间隔被分离，斜坡可以是一 系列的阶梯、
常量斜率和/或多斜率的无阶梯斜升和斜降电压，量化等级可互相偏移，量化 等级可以互相偏移至少1位，步长大小为M的M斜坡电压可被提供，相比 于前一斜坡开始的电压，后一斜坡可在不同的电压结束， 一系列斜坡电压的 开始电压和结束电压可包括预定位数的所有量化等级，斜坡电压每单位时间 可增加或减少多于1的多量化等级大小。
图12A是根据本发明的其他实施例的模拟到数字转换器的组合电路图和 框图，图12B是它的时序图。在图12A的实施例中，从图像传感器像素410 输出的模拟信号112被加到多个低分辨率斜坡产生器314产生的多低分辨率 斜坡电压316,并与比较器312的偏压Vb相比较。使用传统锯齿斜坡产生器 的图12A的实施例在IEEE国际固态电子电路会议108-109(2000)的Sugiki以 及其他的"A60 mW 10b CMOS Image Sencor With Column-To-Column FPN
尺"/wc"wz"的出版物中描述，其公开通过引用被完整包括，就如在此完全阐
述。因此，详细操作不需在此描述。图12B的时序图示出使用M二4的采样的
斜坡电压x2。
图13A和13B示出其它实施例，其中，在比较器中直接将斜坡信号和输 入信号进行比较。在图13B的时序图示出斜降和斜升序列x2。图12A和13A
的实施例可减少模拟到数字转换器自身的噪声并可抑制由功率波动引起的噪
士尸。
图14A和14B示出可通过将电容旁路接地并移除图13A的设备的Sl开 关来同样减少信号相位的像素噪声的其它实施例。图14A和14B的实施例可 抑制信号相位的像素噪声。然而，重置相位的像素噪声不会被多采样所抑制， 因为当开关S3关闭时对重置信号的噪声进行采样。
相反，图15AZB和16AZB的实施例也可对重置相位的像素噪声进行采样， 并通过偏移减除和多采样来减少或消除噪声，以抑制偏移采样相位并增加偏 移模拟到数字转换结果的精确性。更特别地，图15A示出本发明的其它实施 例，其中像素和ADC噪声可被减少。更具体地，如图15A和15B所示，在 应用 一 系列斜升和斜降1510a之前，应用小序列的偏移#卜偿斜坡1510b。此外， 图15B的电路inl显示的初始偏移电压可被用于补偿比较器的偏移电压。使 用上/下计数器1520。使用传统的锯齿阶梯斜坡的图15A的实施例在IEEE固 态电子电路杂志41(12):2998-3006(2006)的Yoshihara以及其他的〃/.S-/"c/z /W/".丄e/ 6(9/rflwes/s' C7V/(95"/wage Se/wo厂PF"/z Seflw/as^ Mo<ie C/zawge" 、 IEEE 国际固态电子电路会议(2006)的Nitta以及其他的"///g/z-S/^eJ D/g/to/ Z)缠We
A'.化/ &/wor"、 Muramatsu的美国专利号7,129,883和Muramatsu以及其 他的美国专利号7,088,2793,其公开通过引用被完整包括，就如在此完全阐 述 因此，这些实施例不需在此详细描述。
图16A和16B示出使用补充计数器1620代替上/下计数器1520的本发明 的其它实施例。具有使用锯齿阶梯斜坡电压的补充计数器的DAC在授权给 Ham以及其他的美国专利申请第11/887,027号名为"D/g/to/ Z)wWe yl勿/窗/, " / e/aW CMW /"'叫e 5"e朋o,， flwd a Z)/g/to/ Ca附era C圃戸、'/"g 〃ze CM OS//""ge &/wor"中被描述，该专利转让给本发明的受让人，其公开通过 引用被合并于此，就如在此完全阐述。因此，图16A和16B的实施例不需在
16
此详细描述。
图17是根据本发明不同实施例的使用伪多采样ADC 1740的CMOS图像 传感器系统的框图。如图17所示，伪多采样ADC 1740包括比较器312、计 数器320和存储用于提供传感器输出的结果的存储器装置1710。这些装置被 可包括计时控制器1730a、 DBUS控制逻辑1730b和行控制逻辑1730c的控制 器所控制。图18示出包括比较器312、斜坡产生器314和计数器320的其它 实施例。如所显示的，可以为公共斜坡产生器和控制器提供像素列。
图19A和19B图示性示出根据本发明的不同实施例的噪声减少的仿真。 通过使用用C语言编写的程序和具有0.5 LSB偏移的仿真高斯白噪声(模拟热 噪声)来执行这些仿真。对于每种情况，仿真要重复l，OOO,OOO次。
图19A示出根据本发明的实施例的伪多采样ADC和使用锯齿波的传统 的多采样ADC的RMS输入噪声对比RMS输出噪声。多采样理论和饱和渐 近线的结果也被示出。图19B示出根据传统ADC和本发明的实施例的伪多 采祥A DC的RMS输入噪声对比RMS输出噪声。
图19A示出对于少数多采样，和传统的多采样一样，可由本发明的实施 例茯得相同噪声减少效果。此外，对于数量巨大的多采样，根据本发明的实 施例噪声可被进一步减少。更特别地，对于M〈RMS输入噪声，噪声减少可 与传统的多采样相同 ,,=ct, /V^。此外，对于大于或等于4mn的较大值M, 噪声可被减小到d :0.75xJ^"。
根据本发明不同实施例的伪多采样可与传统的多采样形成鲜明对比。传
统的多采样ADC可多次采样信号并平均结果以减小噪声。然而，传统的多采 样使用标准A/D转换时间的M倍，并可能需要包括存储器和算法单元的数字 部分以存储结果并执行平均。作为鲜明对比，本发明的实施例可在减小的分 辨率和不同的偏移量化等级多次采样信号，并可只对结果求和。因此，伪多
采样不需要使用额外的时间和使用额外的部分，却可具有几乎相同的噪声抑
制能力。
根据本发明不同实施例的用于模拟到数字转换的伪多采样方法、系统和 装置可使用斜坡电压产生器和相似于传统斜坡比较ADC的比较器。然而，根 据本发明的实施例提供了本质和重要的不同，因为斜坡电压不是锯齿电压而 是多个斜升和斜降电压，所述多个斜升和斜降电压被配置为允许在较低分辨 率发生采样且伪多采样的结果可以简单地相加以提供正确的数字值。因此， 尽管可使用斜坡比较ADC的全部架构，但在允许使用筒单电路的同时，本质 的不同可允许更有效的模拟到数字转换与同等噪声减少 一起发生。
在附图和说明中公开了发明的实施例，尽管使用了特定术语，但是它们 只是用作普通和描述性的意义而不是作为限制目的。本发明的范围会在权利
要求中阐述。
权利要求
1、一种用于将模拟信号转换为具有定义预定的量化等级的预定位数的数字值的方法，该方法包括:以比预定的位数定义的分辨率低的分辨率将模拟信号进行重复采样，从而所述重复采样包括所述预定的位数的预定量化等级，以获得多个较低分辨率采样结果；将多个低分辨率采样结果求和以获得具有所述预定位数的数字值。
2、 如权利要求1所述的方法，其中，所述预定的量化等级以相等的间
3、 如权利要求1所述的方法，其中，所述预定的量化等级中的至少三
4、 如权利要求l所述的方法，其中，重复采样步骤包括使用一系列斜升和斜降采样电压将模拟信号重复采样。
5、 如权利要求4所述的方法，其中，所述一系列斜升和斜降采样电压 包括一 系列阶梯、常量斜率和/或多斜率的斜升和斜降采样电压。
6、 如权利要求l所述的方法，其中，重复采样步骤包括使用在互相 偏移的重复采样中的量化等级以比预定的位数定义的低的分辨率将模拟信号进行重复采样。
7、 如权利要求6所述的方法，其中，重复采样包括使用2 M个量 化等级将模拟信号重复采样M次，其中，N是预定位数。
8、 如权利要求7所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括通过相应于数字值的最低有效位的至少一个量 化等级来使用在互相偏移的重复采样中的2N/M个量化等级将模拟信号重复 采样M次。
9、 如权利要求8所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系 列斜坡电压，其中，各个斜升和斜降电压包括大小为M的2,M个斜坡电压
10、 如权利要求7所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系列斜坡电压，其中，相比于前一斜坡电压开始的电压，后一斜坡电压在不同的电压结束。
11、 如权利要求7所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系 列斜坡电压，其中， 一系列斜坡电压的开始电压和结束电压包括所有所述预 定位数的量化等级。
12、 如权利要求7所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系 列斜坡电压，其中，斜坡电压每单位时间增加或减少相应于所述预定量化等 级的电压的M倍。
13、 如权利要求l所述的方法，其中，重复采样包括当斜坡电压相应 于模拟信号时，将模拟信号与一系列斜坡电压进行重复比较并重复识别较低分辨率数字值。
14、 如权利要求13所述的方法，其中，求和步骤包括将识别的较低 分辨率数字值进行求和。
15、 如权利要求13所述的方法，其中，将模拟信号与一系列斜坡电压 重复比较的步骤包括将模拟信号与 一 系列斜坡电压的和与参考电压重复比较。
16、 如权利要求13所述的方法，其中，将模拟信号与一系列斜坡电压 重复比较的步骤当计算偏移量时被执行。
17、 如权利要求l所述的方法，其中，模拟信号通过CMOS图像传感
18、 一种图像传感方法，包括产生相应于入射到图像的传感像素上的电磁能的模拟信号； 通过以比预定的位数定义的分辨率低的分辨率将模拟信号进行重复采 样，从而重复采样包括预定的位数的预定量化等级，以获得多个较低分辨率 采样结果，并将多个较低分辨率采样结果求和以获得具有预定的位数的数字 值，来将模拟信号转换为具有定义预定量化等级的预定位数的数字值。
19、 如权利要求18所述的方法，其中，重复采样的步骤包括使用一 系列阶梯、常量斜率和/或多重斜率的斜升和斜降采样电压对模拟信号进行重
20、 如权利要求18所述的方法，其中，重复采样的步骤包括使用2N/M 个量化等级将模拟信号重复采样M次，其中，N是预定位数且在重复采样中 的量化等级互相偏移。
21 、如权利要求20所述的方法，其中，使用2N/M个量化等级将模拟信 号重复采样M次的步骤包括产生具有总数为M的斜升和斜降电压的一系 列斜坡电压，其中，各个斜升和斜降电压包括大小为M的2，M个斜坡电压 步长。
22、 一种模拟到数字转换器(ADC)，用于将模拟信号转换成具有定义预 定量化步长的预定位数的数字值，该ADC包括斜坡产生器，被配置用于产生具有至少一个斜升和至少一个斜降电压的 一系列斜坡电压，其中，斜升和斜降电压每单位时间增加或减少多于预定量 化步长一倍的多倍；比较器，被配置用于将模拟信号与一系列斜坡电压进行比较以识别所述 至少一个斜升电压和至少一个斜降电压相应于模拟信号时的多个次数；和计数器，响应于比较器，被配置用于当所述至少一个斜升电压和至少一 个斜降电压相应于模拟信号时的多次将单位时间的数字量重复求和，以获得数字值。
23、 如权利要求22所述的ADC，其中， 一系列斜升和斜降电压包括一系列阶梯、常量斜率和/或多重斜率的斜升和斜降电压。
24、 如权利要求22所述的ADC:其中，斜坡产生器还被配置以产生至少一个第二斜坡电压；其中，比较器还被配置以将所述至少一个第二斜坡电压与偏移电压相比较以识别当所述至少一个第二斜坡电压相应于偏移电压时的至少一次；其中，计数器被配置以减去当所述至少一个第二斜坡电压相应于偏移电压时的至少一次的数字值。
25、 一种用于将模拟信号转换为具有预定的位数的数字值的方法，该方 法包括将模拟信号重复转换成具有比预定位数少的数字值，以获得具有比预定将具有比预定位数少的所述多个数字值求和，以获得具有预定位数的数字值。
全文摘要
提供一种用于模拟到数字转换的伪多采样方法、系统和装置，通过以比给定的位数定义的分辨率低的分辨率对模拟信号重采样，将模拟信号转换成具有定义预定的量化等级的给定的位数的数字值。从而获得较低分辨率采样结果。将较低分辨率采样结果求和以获得具有给定的位数的数字值。
文档编号H03M1/56GK101388668SQ20081021044
公开日2009年3月18日 申请日期2008年8月15日 优先权日2007年9月11日
发明者湧 林 申请人:三星电子株式会社