斜坡发生器的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其是涉及一种斜坡发生器。


背景技术：

2.图像传感器可以将模拟信号转换成数字信号，一般由2维(x,y)分布的像素阵列和外围电路构成。外围电路而言，包括但不限于像素的垂直走查电路(vertical scanner)，以列为单位的列读出电路(column readout circuit)，列选择电路(horizontal scanner)和斜坡发生器。其中，列读出电路主要由比较器(comparator)和计数器(counter)构成。比较器的输入为斜坡发生器产生的ramp波和光电变换结果(pixel signal)。计数器在斜坡产生时开始计数，在斜坡与pixel signal交点处停止计数，从而实现把对电压的测量转化为对时间的测量。列读出电路计数结果取决于斜坡产生的时间点到斜坡与光电变换结果产生交点的时间，这段时间越长，计数值越大，图像上来看亮度越大。而通过调整ramp的斜率，可以改变交点的位置，从而实现调整计数值的效果。例如，图1是一种应用于图像传感器的斜坡发生器动作示意图，其工作流程如下：a.比较器对ramp斜坡信号和像素电压输出(pixel output)进行比较。b.计数器在ramp斜坡开始时开始计数，分为p/d两次计数过程。在p相向下计数(0
→
负数)，在d相向上计数(负数
→
0或负数
→0→
正数)。c.最终的计数结果为d
‑
p(信号)，其中d为信号+噪声，p为噪声(这里的噪声主要指固定噪声)。图2说明了ramp斜坡的斜率(由模拟增益决定，增益越大斜率越小)与斜坡发生器输出(counter计数值)的关系分析图。很显然，在被测信号(pixel signal)不变的前提下，斜坡发生器输出值与斜率成1次反比例关系，即斜率越大计数值越小，斜率越小计数值越大。图3说明了模拟增益与ramp斜坡幅度的关系，可见模拟增益每增加6db，ramp斜坡的范围减半。在被测信号较小的情况下，用较高的模拟增益可以得到较好的snr(信噪比)。
3.在高动态范围(high dynamic range)的传感器设计中，一般需要以帧(ms级及以上)或行周期(μs级)为单位调整ramp斜率(等价于调整模拟增益)。然而，由于模拟增益调节有建立过程，这个建立过程在以帧为单位的增益切换场景下可以不用重视，但是在以行周期为单位的增益切换场景下，建立增益的过程影响了增益切换的速度，最终影响计数值的准确性，产生图像失真。为了解决模拟增益切换时的建立时间问题，需要提供一种增益预存机制的斜坡发生器，现有技术采用了两路ramp电流源来形成增益预存机制的斜坡发生器。因为斜坡发生器电路主要的芯片面积被ramp电流源消耗，所以导致现有技术的增益预存机制的斜坡发生器的芯片面积过大，功耗高成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种斜坡发生器，可以提高增益切换的速度，并且能减少芯片的面积，节约成本。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种斜坡发生器，包括：
6.电压电流变换支路，用于接收带隙基准电压模块提供的基准参考电压，并将所述
基准参考电压转换成第一电流；
7.主电流支路，镜像所述第一电流；
8.增益调节支路，接收所述第一电流，对所述第一电流至少能进行两种增益的调节，并输出增益调节后的电压偏置信号；
9.采样保持电路，包括第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和所述第二采样电路用于交替对所述电压偏置信号进行采样，以获得至少两种增益下的采样信号；
10.偏置电压选择电路，从至少两种增益下的采样信号选择一采样信号并输出，所述偏置电压选择电路持续输出所述采样信号；
11.ramp电流源，接收所述采样信号，并输出斜坡电流。
12.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述电压电流变换支路包括：运算放大器、第一nmos管、第一pmos管、第二pmos管和第一电阻；所述运算放大器的第一输入端连接基准参考电压，第二输入端同时连接所述第一nmos管的源极和第一电阻；所述第一nmos管串联所述第一pmos管和第二pmos管。
13.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述主电流支路包括第三pmos管、第四pmos管和第二nmos管；所述第三pmos管、第四pmos管和第二nmos管串联；所述第三pmos管的栅极连接所述第一pmos管的栅极；所述第四pmos管的栅极连接所述第二pmos管的栅极。
14.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述增益调节支路包括第五pmos管、第六pmos管和nmos管组，所述第五pmos管和所述第六pmos管以及所述nmos管组串联；所述nmos管组与所述第二nmos管的栅极连接。
15.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述nmos管组包括多个并联的nmos管，通过调整所述nmos管组中与所述第五pmos管串联的nmos管的数量以调节所述第一电流的增益，所述第六pmos管的栅极提供增益调节后的电压偏置信号。
16.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述第一采样电路包括第一采样电容，所述第一采样电容通过第一开关和所述电压偏置信号连接；所述第二采样电路包括第二采样电容，所述第二采样电容通过第二开关和所述电压偏置信号连接。
17.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述偏置电压选择电路包括2选1选择器；所述2选1选择器的第一输入端连接在所述第一采样电容和所述第一开关之间，第二输入端连接在所述第二采样电容和所述第二开关之间；所述2选1选择器的选择信号端为低电平时，选择所述第一采样电容的采样电压作为所述2选1选择器的输出；所述选择信号端为高电平时，选择所述第二采样电容的采样电压作为所述2选1选择器的输出。
18.所述第一采样电路和所述第二采样电路用于交替对所述电压偏置信号进行采样，以获得两种增益下的采样信号，所述采样信号在两种增益之间切换，两种增益分别为第一增益和第二增益，所述第一采样电容采样第一增益时的偏置电压信号；所述第二采样电容采样第二增益时的偏置电压信号。
19.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述第一采样电路和所述第二采样电路用于交替对所述电压偏置信号进行采样，以获得多种增益下的采样信号。
20.可选的，在所述的斜坡发生器中，所述第一采样电路和所述第二采样电路用于交替对所述电压偏置信号进行采样，以获得三种增益下的采样信号，三种增益分别是第一增益、第二增益和第三增益，第一采样电容采样第一增益时的偏置电压信号，第二采样电容采
样第二增益时的偏置电压信号，第一采样电容采样第三增益时的偏置电压信号。
21.在本发明提供的一种斜坡发生器中，增益调节支路对所述第一电流进行增益调节；采样保持电路用以获得第一增益的信号和第二增益的信号，偏置电压选择电路，从所述第一增益的信号和第二增益的信号选择一增益信号并输出，并且能一直在第一增益的信号和第二增益的信号之间切换，能持续输出增益信号，最后，ramp电流源接收所述偏置电压选择电路输出的采样信号，并输出斜坡电流。在输出第一增益的信号时就进行第二增益的建立过程，并且采样过程中，第一采样电路可以实现对第一增益的信号预存，第二采样电路可以实现对第二增益的信号预存，节省了第一增益的信号和第二增益的信号切换过程中产生的偏置电压信号的建立时间，实现在第一增益的信号和第二增益的信号之间无缝切换。因此，减少了增益切换的时间，提高了增益切换的速度，提高了斜坡发生器的精度。并且，相对于使用两路ramp电流实现增益预存的情况，本发明占用的芯片面积较小，减少了功耗，节省了成本。
附图说明
22.图1是现有技术斜坡发生器的动作示意图；
23.图2是现有技术ramp斜坡斜率与斜坡发生器(adc)输出的关系分析图；
24.图3是现有技术增益与ramp斜坡幅度的关系说明图；
25.图4是本发明实施例的斜坡发生器的电路图；
26.图5是本发明实施例的斜坡发生器模块图；
27.图6是两种增益之间切换的时序控制方式图；
28.图7是多种增益之间切换的时序控制方式图；
29.图中：100
‑
电压电流变换支路、110
‑
运算放大器、200
‑
主电流支路、300
‑
增益调节支路、400
‑
采样保持电路、500
‑
偏置电压选择电路、600
‑
ramp电流源、610
‑
基本电流单元、611
‑
第一组共栅极连接的pmos管、612
‑
第二组共栅极连接的pmos管、620
‑
差分开关、mp0
‑
第一pmos管、mp1
‑
第二pmos管、mp2
‑
第三pmos管、mp3
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第四pmos管、mp4
‑
第五pmos管、mp5
‑
第六pmos管、mn0
‑
第一nmos管、mn1
‑
第二nmos管、mn2
‑
nmos管组、c1
‑
第一采样电容、c2
‑
第二采样电容、sw_a
‑
第一开关、sw_b
‑
第二开关、r1
‑
第一电阻、r2
‑
第二电阻、r3
‑
第三电阻。
具体实施方式
30.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
31.在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
32.请参照图4和图5，本发明提供了一种斜坡发生器，包括：
33.电压电流变换支路100，用于接收带隙基准电压模块提供的基准参考电压，将所述
基准参考电压转换成第一电流；
34.主电流支路200，镜像所述第一电流；
35.增益调节支路300，接收所述第一电流，对所述第一电流至少能进行两种增益的调节，并输出增益调节后的电压偏置信号；
36.采样保持电路400，包括第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路和所述第二采样电路用于交替对所述电压偏置信号进行采样，以获得至少两种增益下的采样信号；
37.偏置电压选择电路500，从至少两种增益下的采样信号选择一采样信号并输出，所述偏置电压选择电路持续输出所述采样信号；
38.ramp电流源600，接收所述采样信号，并输出斜坡电流。
39.其中，所述电压电流变换支路100包括：运算放大器110、第一nmos管mn0、第一pmos管mp0、第二pmos管mp1和第一电阻r1；所述运算放大器110的第一输入端连接基准参考电压，第二输入端连接所述第一nmos管的源极和第一电阻r1；所述第一nmos管串联所述第一pmos管mp0和第二pmos管mp1。
40.所述主电流支路200包括第三pmos管mp2、第四pmos管mp3和第二nmos管mn1；所述第三pmos管mp2、第四pmos管mp3和第二nmos管mn1串联；所述第三pmos管mp2的栅极连接所述第一pmos管mp0的栅极；所述第四pmos管mp3的栅极连接所述第二pmos管mp1的栅极。
41.所述增益调节支路300包括第五pmos管mp4、第六pmos管mp5和nmos管组mn2，所述第五pmos管mp4和第六pmos管mp5以及nmos管组mn2串联；所述nmos管组mn2与所述第二nmos管mn1的栅极连接，所述第六pmos管mp5的栅极提供增益调节后的电压偏置信号。nmos管组mn2为多个并联的nmos管，通过调整nmos管组mn2中与所述第五pmos管mp4串联的nmos管的数量以调节所述第一电流的增益，即调整电压偏置信号。增益调节采用调节nmos管并列个数的方式改变该增益支路的电流大小，电流越大偏置电压越低，反之越高，低增益对应大的增益支路电流和低的偏置电压，高增益对应小的增益支路电流和高的偏置电压。
42.所述第一采样电路包括第一采样电容c1，所述第一采样电容c1通过第一开关sw_a和所述电压偏置信号连接；所述第二采样电路包括第二采样电容c2，所述第二采样电容c2通过第二开关sw_b和所述电压偏置信号连接。
43.所述偏置电压选择电路500包括2选1选择器510；所述2选1选择器510的第一输入端连接在所述第一采样电容c1和第一开关sw_a之间，第二输入端连接在所述第二采样电容c2和第二开关sw_b之间；所述2选1选择器510还具有选择信号端select。所述2选1选择器510的输入信号为第一采样电容c1的采样电压和第二采样电容c2的采样电压，所述选择信号端select为低电平时，选择第一采样电容c1的采样电压；所述选择信号端select为高电平时，选择第二采样电容c2的采样电压；所述2选1选择器510的输出信号为第一采样信号或者第二采样信号，第一采样信号为第一采样电容c1的采样电压，第二采样信号为第二采样电容c2的采样电压。
44.所述ramp电流源600包括基本电流单元610和差分开关620；所述基本电流单元610与所述差分开关620串联，所述基本电流单元610产生的电流受所述差分开关620控制。所述基本电流单元610包括第一组共栅极连接的pmos管611和第二组共栅极连接的pmos管612；所述第一组共栅极连接的pmos管611的个数为至少两个，所述第二组共栅极连接的pmos管
612的个数为至少两个；所述第一组共栅极连接的pmos管611的栅极连接所述2选1选择器510的输出端，所述第二组共栅极连接的pmos管612的栅极连接所述第五pmos管mp4的栅极；所述第一组共栅极连接的pmos管611的漏极连接所述第二组共栅极连接的pmos管612的源极，所述第二组共栅极连接的pmos管612的漏极连接所述差分开关620。所述第二组共栅极连接的pmos管612里的每个pmos管对应连接一个差分开关620。而每个差分开关620均又再由两个pmos管组成，其中，所述差分开关620中的一pmos管通过第二电阻r2接地，另一pmos管输出斜坡电流并通过第三电阻r3接地，第三电阻r3为终端电阻。第二电阻r2为无效电流侧的电阻，无效电流不会导致ramp电压发生变动。第三电阻r3的电流会产生ramp电压的跳变。流经第三电阻r3的电流为ramp电流，测试第三电阻r3与第二个差分开关620之间的任何点都可以测试ramp电流(斜坡电流)，测试第三电阻r3两端的电压即可测试到ramp电压。
45.请参照图4至图7，对采样过程作进一步讲解，第一采样电容c1的采样脉冲信号为sw_a，第二采样电容c2的采样脉冲信号为sw_b。可以令第一采样电容c1采样的为低增益时的电压信号，第二采样电容c2采样的为高增益时的电压信号。图6为应用于两种增益之间切换的一种时序实现方式。其中，初始化信号定义了将ramp电压设置为初始电压的区间，通常为行周期最开始的一段时间，初始电压可设置成不同的电平，初始电压一般比reset电位略低，其主要目的是通过让ramp电压与被测电压信号的交点滞后从而避开斜坡刚产生时的非线性。slope reset(斜坡复位)信号，为计数器清零信号，这里设计为slope reset信号的上升沿有效。一个行周期包含了3次reset过程，第一次为行周期开始时，第二次为p相ramp斜坡开始前，第三次为d相ramp斜坡开始前。由于初始化信号的存在，第一次reset后ramp电压并不会复位到最高电位，而是复位到初始值电位。但第2次和第3次reset后ramp电压都复位到了最高电位。clock(时钟)提供给计数器用于产生ramp电压的斜坡，一般有单沿计数和双沿计数两种方式。单沿计数时，一个clock周期(如100mhz频率时为10ns)ramp电压下降1lsb(lsb(least significant bit)最低有效位，对任何ad来说，量化后输出的数字信号值都是以1lsb的电压值步进的，介于1lsb之间的电压将按照一定的规则进行入位或舍弃，这个过程中造成的误差被称为“量化误差”，量化误差属于原理性误差，是无法消除的。)。双沿计数时，半个clock周期(如100mhz频率时为5ns)ramp电压下降1lsb。select信号为低电平时选择第一采样电容c1保持的偏置电压，为高电平时选择第二采样电容c2保持的偏置电压，并以行周期为时间单位进行高低切换。第一开关sw_a和第二开关sw_b分别为第一采样电容c1和第二采样电容c2的脉冲信号，高电平为采样，低电平为保持。时序为提前一个行周期开始采样，在当前行周期结束采样。如果当前行周期的select信号为低时，则第一开关sw_a在上一行周期开始采样以达到预存受增益控制的电压偏置信号的目的。增益控制字为控制增益的寄存器设置，其也以行周期作为时间单位进行切换。偏置电压为电路内部节点电压信号。其电压的高低，由增益调节支路电流的大小来决定。第一开关sw_a和第二开关sw_b采样脉冲，对该偏置电压信号进行采样。va和vb分别为采样到第一采样电容c1和第二采样电容c2上的电压信号。例如va电压，在第一开关sw_a开始采样时发生变化，在第一开关sw_a结束采样之前电压稳定到对应当前增益的电压值。从va电压发生变化到到完全稳定的这一段时间为第一采样电容c1的充电时间，充电时间长短由第一采样电容c1的容值决定。在高精度的模拟电路设计场景中，第一采样电容c1和第二采样电容c2通常取得较大，因此第一采样电容c1和第二采样电容c2的充电时间较长。但是由于当前行周期采样到的电压信号是在下一
行周期开始作为ramp电流源的偏置电压使用的，因此这个相对较长的建立过程由于提前一个行周期完成了就不那么重要了。
46.图6为应用于两种增益之间切换的一种时序实现方式，两种增益分别为第一增益和第二增益，第一增益为低增益，第二增益为高增益，主要的时序思想为：通过select信号实现在高增益和低增益之间的切换，图6示例为第一开关sw_a采样脉冲在增益控制字设置为低增益时采样，第二开关sw_b采样脉冲在增益控制字设置为高增益时采样。这样第一采样电容c1上保持的电压为低增益时的偏置电压信号，而第二采样电容c2上保持的电压为高增益时的偏置电压信号。由于在select信号进行低增益和高增益切换之前采样电容上的电压信号已经稳定而无须建立过程，因此低增益和高增益之间的切换非常快。并且，由于只在两种增益之间进行切换，对第一采样电容c1而言每个行周期都采样的是低增益时的偏置电压信号，因此每个行周期的被采样信号一致，脉冲信号的宽度可以设计得较窄。
47.图7为应用于多种增益之间切换的一种时序实现方式，这里以三种增益作为例子，三种增益分别是第一增益、第二增益和第三增益，在本发明的其他实施例中，可能有更多的增益，例如，第一增益、第二增益、第三增益、第四增益
……
第n增益。在以三种增益作为例子时，第一增益在图7中以增益n表示，第二增益在图中以增益n+1表示，第三增益在图中以增益n+2表示。主要的时序思想为：第一采样电容c1采样增益为n时的偏置电压信号，第二采样电容c2采样增益为n+1时的偏置电压信号，第一采样电容c1采样增益为n+2时的偏置电压信号。具体的，第一行周期中，由于第一采样电容c1已经采样完毕，因此select信号选择第一采样电容c1的采样电压。第二行周期中，由于第二采样电容c2已经采样完毕，因此select信号选择第二采样电容c2的采样电压，第三行周期中，由于第一采样电容c1已经采样完毕，因此select信号选择第一采样电容c1的采样电压。以此类推，通过类似ping
‑
pong式的操作方式，实现增益之间的切换。
48.无论是两种增益之间的切换还是多种增益之间的切换，都可以认为是一种增益预存机制。考虑到电路性能，采样电容一般不能做得太小，但是，太大的采样电容又有采样时间(采样电压的建立时间)过慢的问题，但通过上述ping
‑
pong式的操作方式，这个采样时间可以完全被避开，并不会使行周期因此而延长。进一步的，由于考虑到采样电容较大的场景，图7的时序设计时使用了较宽的采样脉冲信号。相对于现有技术，本发明实施例在不增加另一ramp电流源支路的前提下，仅增设采样保持电路的方式快速实现了增益之间的切换，同时，能满足以行周期为单位进行切换的需求。
49.综上，在本发明实施例提供的斜坡发生器中，增益调节支路对所述第一电流进行增益调节；采样保持电路用以获得第一增益的信号和第二增益的信号，偏置电压选择电路，从所述第一增益的信号和第二增益的信号选择一增益信号并输出，并且能一直在第一增益的信号和第二增益的信号之间切换，能持续输出增益信号，最后，ramp电流源接收所述偏置电压选择电路输出的采样信号，并输出斜坡电流，斜坡电流经过电阻后产生斜坡电压作为dac(数模转换器)的最终输出信号。在输出第一增益的信号时就进行第二增益的建立过程，并且采样过程中，第一采样电路可以实现对第一增益的信号预存，第二采样电路可以实现对第二增益的信号预存，节省了第一增益的信号和第二增益的信号切换过程中产生的偏置电压信号的建立时间，实现在第一增益的信号和第二增益的信号之间无缝切换。因此，减少了增益切换的时间，提高了增益切换的速度，提高了斜坡发生器的精度。并且，相对于使用
两路ramp电流实现增益预存的情况，本发明占用的芯片面积较小，减少了功耗，节省了成本。
50.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。