自适应调整参考电压的逐次逼近型ADC的制作方法

本发明涉及模拟集成电路设计领域，尤其涉及在图像传感器应用中，随着光照条件的变化，通过调整反馈电压来调整模数转换器的精度的问题。

背景技术：

近年来，图像传感器发展日益迅猛，在消费电子，汽车电子，智能监控军事侦察等领域的应用越来越广泛。在图像传感器的读出电路中，SAR ADC(逐次逼近型模拟数字转换器)因其所具有的结构简单、功耗低、面积小等众多优点而被广泛应用。

目前图像传感器正朝着高速低功耗方向不断发展，为了顺应这种发展趋势，可以在不同光照条件下调节ADC(模拟数字转换器)的精度，根据像素噪声随光强的变化规律，在低照度情况下需要更高精度的ADC而高照度情况下可以降低ADC的精度。此过程可以通过改变SAR ADC的反馈电压来实现，使得在低照度情况下，不需要增加ADC的量化周期就可以达到提高精度的目的，从而提高了图像传感器的速度，同时降低了功耗。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种用于图像传感器的根据光照强度自适应调整参考电压的SAR ADC，在高照度下，采用高参考电压；在低照度下，采用低参考电压，从而可以实现在低照度情况下的高精度量化，同时不需增加额外功耗和转换周期数。本发明采用的技术方案是，自适应调整参考电压的逐次逼近型ADC，由前端比较器模块、SAR ADC主体模块、4个SAR ADC主体模块的参考电压控制开关以及数字滤波器模块四部分构成；其中输入信号V_in连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp；前端比较器的输出连接参考电压的控制开关1和2；输入信号同时还连接SAR ADC主体模块的输入端，SAR ADC主体模块的输出端连接数字滤波器的输入端并连接参考电压的控制开关3和4，数字滤波器输出端输出量化的数字码值，控制开关1的输入端连接SAR ADC主体模块的高反馈电压V_H，控制开关2的输入端连接SAR ADC主体模块的反馈电压V_M，控制开关1和2的输出端都连接控制开关3的输入端，控制开关4的输入端连接SAR ADC的低反馈电压V_L，控制开关3和4的输出端都连接SAR ADC的另外一个输入端V_FB。

高照度下，SAR ADC的反馈电压为V_H和V_L，对于N个量化周期，其分辨率V_LSB1为：

低照度下，SAR ADC的反馈电压变为V_M和V_L，同样对于N个量化周期，其分辨率V_LSB2为：

SAR ADC主体模块由数模转换器DAC、SAR比较器、逻辑控制模块构成；逻辑控制模块由移位寄存器、SAR寄存器构成，用于给数模转换器DAC赋值；量化周期开始对像素输出信号进行采样，并通过逻辑控制模块对DAC进行假设赋值，在第一个周期给DAC的最高位赋高电平，其余位赋低电平，也就是使DAC的输出为1/2参考电压范围，把DAC的输出值送入SAR比较器与像素的输出信号进行第一次比较，并将第一次比较结果作为最高位存储在逻辑控制模块，此时第一个周期结束，第二个周期时将第一次比较结果通过数字逻辑控制赋给DAC的最高位，同时再对DAC进行的假设赋值，次高位赋高电平1，次高位以下的位赋低电平0，然后将DAC的输出电压送入SAR比较器和像素输出电压再次比较，将第二次的比较结果作为量化结果的次高位存储在数字逻辑模块；然后同上次相同再将DAC第三高位假设赋值，比较出第三位量化结果，以此类推，按照相同步骤对信号进行逐位量化，直到完成所需精度位数的量化。

本发明的特点及有益效果是：

1.该结构通过根据光照强度来调整参考电压，在低光照下，不需要增加ADC的量化周期就提高了ADC的精度，从而提高ADC以及图像传感器的速度。

2.在图像传感器中，由于提高了ADC的精度而不需要增加量化周期或者改变时钟的频率，从而降低了图像传感器的整体功耗。

附图说明：

图1读出信号和散粒噪声随光强变化关系图。

图2 ADC量化步长随光强变化关系图。

图3自适应调整参考电压SAR ADC整体结构图。

图4 SAR ADC结构图。

具体实施方式

图像传感器的噪声分为固定模式噪声和随机噪声，固定模式噪声可以通过改进工艺来抑制，随机噪声中的闪烁噪声可以通过采用相关双采样电路进行消除，而随机噪声中的散粒噪声随着光强的增强而不断增大，如图1所示。如图2所示，由于高光照时噪声信号比较大，ADC量化步长较大；低光照下信号噪声较小，用较小的量化步长来提高量化精度。

如图3所示，这种自适应调整参考电压SAR ADC由前端比较器模块，SAR ADC主体模块，SAR ADC的参考电压控制开关(4个)以及数字滤波器模块四部分构成。其中输入信号(V_in)连接前端比较器的正输入端，前端比较器的负输入端连接一个参考电平V_comp。前端比较器的输出连接SAR ADC的参考电压的控制开关1和2。输入信号同时还连接SAR ADC的输入端，SAR ADC的输出端连接数字滤波器的输入端并连接参考电压的控制开关3和4，数字滤波器输出端输出量化的数字码值。控制开关1的输入端连接SAR ADC的高反馈电压(V_H)，控制开关2的输入端连接SAR ADC的反馈电压(V_M)。控制开关1和2的输出端都连接控制开关3的输入端。控制开关4的输入端连接SAR ADC的低反馈电压V_L。控制开关3和4的输出端都连接SAR ADC的另外一个输入端V_FB。

这种自适应调整参考电压的SAR ADC工作方式与传统的SAR ADC的工作方式比较类似。输入信号(V_in)是前级像素输出的电压值，先将V_in通过一个比较器与一个阈值电压(V_comp)进行比较。如果光照比较强，输入的V_in比较大，比较器输出高电平，使得开关1闭合，开关2打开，此时SAR ADC在工作时采用的反馈电压是V_H和V_L。在第一个周期给DAC的最高位赋高电平，其余位赋低电平，也就是使DAC的输出为1/2(V_H-V_L)，从而实现二分搜索算法，重复N个量化周期，其量化的精度较低。当光照比较弱的时候，V_in小于V_comp，比较器输出低电平，开关1打开，开关2闭合，此时SAR ADC工作时采用的反馈电压是V_M和V_L，在第一个周期给DAC的最高位赋高电平，其余位赋低电平，也就是使DAC的输出为1/2(V_M-V_L)，重复N个量化周期，其量化的精度较高。

高照度下，SAR ADC的反馈电压为V_H和V_L，对于N个量化周期，其分辨率V_LSB1为：

低照度下，SAR ADC的反馈电压变为V_M和V_L，同样对于N个量化周期，其分辨率V_LSB2为：

因为在实际应用中，V_M<V_H，因此在相同的量化周期内，相对于高照度情况，低照度条件下具有更小的分辨率。

SAR ADC的基本结构如图4所示。它的基本原理是来自二分搜索算法。它通过DAC(数模转换器)将数字码转换为输入信号，逐渐逼近到输入信号，通过调整DAC的输出直到其和输入相匹配，输出的数字码即代表模拟信号。其基本结构由采样保持电路、比较器、一个DAC、一个实现二分搜索算法的逻辑控制部分以及数字滤波器构成，采样保持电路和比较器组成前段比较器模块，DAC为SAR ADC主体模块，实现二分搜索算法的逻辑控制部分即SAR ADC的4个参考电压控制开关，数字滤波器组成数字滤波模块。SAR ADC的工作原理如下：首先在量化周期开始前对所有电路进行复位，量化周期开始对像素输出信号进行采样，并通过逻辑控制模块对DAC进行假设赋值，在第一个周期给DAC的最高位赋高电平，其余位赋低电平，也就是使DAC的输出为1/2参考电压范围，把DAC的输出值送入比较器与像素的输出信号进行第一次比较，并将第一次比较结果作为最高位存储在逻辑控制模块，此时第一个周期结束。第二个周期时将第一次比较结果通过数字逻辑控制赋给DAC的最高位，同时再对DAC进行的假设赋值，次高位赋高电平1，次高位以下的位赋低电平0，然后将DAC的输出电压送入比较器和像素输出电压再次比较，将第二次的比较结果作为量化结果的次高位存储在数字逻辑模块；然后同上次相同再将DAC第三高位假设赋值，比较出第三位量化结果。以此类推，按照相同步骤对信号进行逐位量化，直到完成所需精度位数的量化。

本文设计的SAR ADC通过改变反馈电压的值来改变精度。若高照度下，SAR ADC的反馈电压V_H为1.6V，V_L为0V。低照度情况下，SAR ADC的反馈电压为V_M和V_L。设定V_M为0.8V时，弱光下精度比强光下提高了1bit，V_M为0.4V时，弱光下精度比强光下提高了2bit，V_M为0.2V时，弱光下精度比强光下提高了3bit，V_M为0.1V时，弱光下精度比强光下提高了4bit。

在实际使用时，若需要设计的SAR ADC在强光下达到9bit的精度，弱光下达到12bit的量化精度。设定前端比较器的阈值电压V_comp为0.5V。SAR ADC的反馈电压V_H为1.6V，V_L为0V，V_M为0.2V。