比较器、包括其的模数转换装置以及模数转换方法
【专利摘要】一种比较器，包括：共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压；粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；以及信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号。
【专利说明】比较器、包括其的模数转换装置以及模数转换方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2015年3月9日提交给韩国知识产权局的申请号为10-2015-0032578的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明的各种实施例涉及一种电路设计技术，更具体地，涉及一种比较器、包括该比较器的模数转换装置以及模数转换方法。
[0004]将作为示例来描述两步单斜率模数转换器(ADC)。然而，本发明的实施例可以适用于多步多斜率ADC和多步单斜率ADC，以及还可以适用于需要高速多步单斜率ADC和高速多步多斜率ADC的系统。因此，本发明不局限于两步单斜率ADC。
【背景技术】
[0005]用于两步(或多步)单斜率A/D转换的方法在相关现有文档(诸如，“AlexeyYakovlev，‘用于 CMOS 传感器的双斜坡 ADC’，美国专利 N0.US 6，670，904B1, Dec.30，2003”和“Seunghyun Lim, ‘具有列平行两步单斜率ADC的高速CMOS图像传感器’，IEEE Trans.Electron Devices, vol.56，n0.3，pp.393-398，March, 2009”)中公开。
[0006]在相关领域，用于最高有效位(MSB)转换的粗斜坡电压被储存在电容器的顶极板中，用于细斜坡的输入端子在用于最低有效位(LSB)转换的细斜坡期间耦接至电容器的底极板，然后，储存在电容器的浮置顶极板中的电压根据细斜坡电压而改变。
[0007]上述相关领域具有的基本关注点在于:在粗斜坡和细斜坡期间被输入至比较器的粗斜坡电压和细斜坡电压的斜率可以根据转换过程而不同。
[0008]而且，当在粗模数转换操作期间采样粗斜坡电压时，由于根据每个列模数转换装置的位置而导致的粗斜坡电压的接地电压跳动与接地电压稳定中的差异，因此添加有错误项的电压被采样。这降低了列模数转换装置的线性度，并且对带噪音(banding noise)产生影响。即，根据列模数转换装置之中的哪些数目的列模数转换装置同时执行采样操作以及操作的列模数转换装置位于哪里，可能出现粗斜坡电压的各种大小的接地电压跳动和接地电压稳定的问题。
【发明内容】
[0009]各种实施例是针对一种比较器、包括该比较器的模数转换装置以及模数转换方法，所述比较器可以通过使用多输入差分端子来执行差分采样。
[0010]在实施例中，一种比较器可以包括:共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压；粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；以及信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号。
[0011]采样的粗斜坡电压和采样的共模电压可以具有用于前置放大器的差分关系。
[0012]共模电压采样单元可以包括:开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡共模电压；以及电容器，适用于在开关关断时储存共模电压。
[0013]粗斜坡电压采样单元可以包括:开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡粗斜坡电压；以及电容器，适用于在开关关断时储存粗斜坡电压。
[0014]信号处理单元可以包括:放大器，适用于放大粗转换结果和细转换结果；控制器，适用于基于放大的粗转换结果来产生采样控制信号；以及选择器，适用于基于选择信号来选择放大的细转换结果和通过控制器的放大的粗转换结果，以输出比较信号。
[0015]信号处理单元可以包括:控制器，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号；以及选择器，适用于基于选择信号来选择细转换结果和通过控制器的粗转换结果，以输出比较信号。
[0016]比较器还可以包括:开关，适用于基于控制信号来重置前置放大器。
[0017]比较器还可以包括:电容器，适用于将输入电压和前置放大器的反馈的输出信号去耦合。
[0018]前置放大器可以包括:公共有源负载，包括输出端子，输出端子适用于输出粗转换结果和细转换结果；粗输入差分对，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以经由输出端子输出粗转换结果；以及细输入差分对，适用于放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以经由输出端子输出细转换结果。
[0019]在实施例中，一种模数转换装置可以包括:共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压；粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及编码决定单元，适用于基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。
[0020]采样的粗斜坡电压和采样的共模电压具有用于前置放大器的差分关系。
[0021]在实施例中，一种模数转换方法可以包括:基于采样控制信号来采样共模电压；基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果；放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；基于粗转换结果来产生采样控制信号；基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。
【附图说明】
[0022]图1是示出根据本发明的实施例的比较器的框图。
[0023]图2是图1中示出的前置放大器的详细示图。
[0024]图3是示出根据本发明的实施例的模数转换装置的框图。
[0025]图4是描述图1至图3中示出的比较器和模数转换装置的操作的时序图。
【具体实施方式】
[0026]以下将参照附图更详细地描述各种示例性实施例。然而，本发明可以以不同形式实现并且不应当解释为局限于本文所阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿本公开，相同的附图标记在本发明的各种附图和实施例中指代相同的部分。
[0027]在本公开中，当一个部分被称为“连接”至另一个部分时，应当理解为前者能够“直接连接”至后者，或者通过中间部分“电连接”至后者。而且，当描述一个部分包括(或包含或具有)一些元件时，应当理解为其可以仅包括那些元件，或者如果没有特别限制，则其可以包括其他元件和那些元件。除非另有说明，否则单数形式的术语可以包括复数形式。
[0028]图1是示出根据本发明的实施例的比较器的框图。
[0029]参照图1，比较器可以包括共模电压采样单元160、粗斜坡电压采样单元130、前置放大器I1和信号处理单元120。共模电压采样单元160根据来自信号处理单元120的采样控制信号来采样共模电压VeM。粗斜坡电压采样单元130根据来自信号处理单元120的采样控制信号来米样粗斜坡电压V_p—e。前置放大器110放大输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压Vsp之间的差异并输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压V _P—F与来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn之间的差异并输出细转换结果。信号处理单元120根据来自前置放大器110的粗转换结果来产生采样控制信号，以及根据来自前置放大器110的粗转换结果和细转换结果来将比较信号输出至计数器和/或线存储器。
[0030]共模信号米样单元160包括开关161和电容器162。开关161根据来自信号处理单元120的采样控制信号来阻挡共模电压VeM，以及电容器162在开关161关断时储存共模电压Vcm。
[0031]粗斜坡电压采样单元130包括开关131和电容器132。开关131根据来自信号处理单元120的采样控制信号来阻挡粗斜坡电压VRAMP—ε，以及电容器132在开关131关断时储存粗斜坡电压V_P—c。
[0032]信号处理单元120包括放大器121、控制器122和选择器123。放大器121将来自前置放大器110的粗转换结果和细转换结果放大。控制器122根据来自放大器121的粗转换结果来产生采样控制信号。选择器123根据选择信号SELf(例如，从定时发生器传送来的)来选择来自控制器122的粗转换结果和来自放大器121的细转换结果，并且将比较信号输出至计数器和/或线存储器。粗转换结果与采样时钟(^1同步地从控制器122传送至选择器123。放大器121用作额外的组件元件，以及来自前置放大器110的粗转换结果被传送至控制器122，而来自前置放大器110的细转换结果被传送至选择器123。
[0033]比较器还可以包括用于根据控制信号CTRL来重置前置放大器110的开关140。即，开关140用于根据来自外部控制器(未示出)的控制信号CTRL来将前置放大器110的输出电压(其被反馈至用于输入输入电压Vp的输入端子)导通/关断，从而重置(即，自动零状态)前置放大器110。
[0034]比较器还包括用于将要被A/D转换的输入电压Vpixa和从前置放大器110反馈的输出电压去親合的电容器150。
[0035]这样，用于采样粗斜坡电压V_P—e的采样单元以及用于采样共模电压V ^的采样单元被布置在双输入差分对(即，双输入差分端子)的相应端子处。结果，可以获取均匀采样值而不论列模数转换装置的位置如何，借此可以维持线性度并且可以去除带噪音。而且，虽然在粗斜坡电压和共模电压被采样且受各种噪音源影响之后粗斜坡电压和共模电压保持在浮置状态，但是由于粗斜坡电压和共模电压被差分地处理为具有抗干扰性，因此可以有效地去除水平噪音。
[0036]图2是图1所示的前置放大器110的详细示图。
[0037]参照图2，前置放大器110可以包括公共有源负载230、粗输入差分对210和细输入差分对220。公共有源负载230提供用于输出粗转换结果和细转换结果的输出端子。粗输入差分对210放大输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压V SP之间的差异，并且经由输出端子输出粗转换结果。细输入差分对220放大细斜坡电压VRAMP—F与来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn之间的差异，并且经由输出端子输出细转换结果。
[0038]输入差分对(即，输入差分端子)被划分为用于粗转换和细转换的多步。换句话说，第一晶体管MNl和第二晶体管MN2形成用于细转换的细输入差分对220，而第三晶体管MN3和第四晶体管MN4形成用于粗转换的粗输入差分对210。
[0039]粗输入差分对210直接接收并比较输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压VSP。通过放大输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压Vsp之间的差异而获得的粗转换结果经由公共有源负载230的输出端子Viwpi输出，并且被传送至信号处理单元120。粗输入差分对210可以被称为粗输入差分端子。
[0040]粗输入差分对210的第四晶体管MN4具有施加了要被A/D转换的输入电压Vp的栅极端子，而第三晶体管MN3具有直接施加了来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压Vsp的栅极端子。
[0041]细输入差分对220放大细斜坡电压VRAMP—F与来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn之间的差异，并且经由公共有源负载230的输出端子V.Ρ1将细转换结果输出至信号处理单元120。来自外部共模电压发生单元(未示出)的共模电压用作偏置电压，而来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn可以是与细斜坡电压V RAMP—F的起始电平相同的电压。细输入差分对220可以被称为细输入差分端子。
[0042]细输入差分对220的第一晶体管丽I具有直接施加了细斜坡电压Vramp f的栅极端子，而第二晶体管MN2具有直接施加了来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn的栅极端子，所述共模电压Vsn与细斜坡电压V _P—F的起始电平相同。
[0043]由于包括第一晶体管丽1、第二晶体管丽2、第五晶体管丽5和第七晶体管丽7的细输入差分对220的差分放大操作以及包括第三晶体管MN3、第四晶体管MN4、第六晶体管MN6和第八晶体管MN8的粗输入差分对210的差分放大操作在本领域中通常是已知的，因此将省略其进一步的描述。而且，由两个晶体管MPl和MP2构成的公共有源负载230用作输出端子，以及由于公共有源负载230的配置和操作在本领域中通常是已知的，因此将省略其进一步的描述。
[0044]图3是示出根据本发明实施例的模数转换装置的框图。
[0045]参照图3，模数转换装置可以包括图1中示出的比较器和编码决定单元310。
[0046]S卩，模数转换装置可以包括共模电压采样单元160、粗斜坡电压采样单元130、前置放大器110、信号处理单元120和编码决定单元310。共模电压采样单元160根据来自信号处理单元120的采样控制信号来采样共模电压VeM。粗斜坡电压采样单元130根据来自信号处理单元120的采样控制信号来采样粗斜坡电压V_P—ε。前置放大器110放大输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压Vsp之间的差异并输出粗转换结果，以及放大细斜坡电SVramp f与来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn之间的差异并输出细转换结果。信号处理单元120根据来自前置放大器110的粗转换结果来产生采样控制信号，以及根据来自前置放大器110的粗转换结果和细转换结果来将比较信号输出至计数器和/或线存储器。编码决定单元310根据来自信号处理单元120的比较信号来确定粗数字编码和细数字编码，并且输出数字像素数据D.。
[0047]编码决定单元310通过使用粗计数器时钟CLKjP细计数器时钟CLKf来确定编码。编码决定单元310可以包括计数器(例如，上/下计数器)和/或接收计数值的线存储器。
[0048]图4是用于描述图1至图3中示出的比较器和模数转换装置的操作的时序图。
[0049]在第一步骤中，粗输入差分对210比较输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压Vsp。输入电压Vp与来自粗斜坡电压采样单元130的粗斜坡电压V SP之间的差异被放大并且经由前置放大器110的输出端子ν.Ρ1(即，公共有源负载230的输出端子)输出，以及被传送至信号处理单元120。
[0050]输出电压导致由信号处理单元120产生采样控制信号，并且将粗斜坡电SVramp c经过的开关131关断，通过开关131粗斜坡电压Vramp J^储存在电容器132中。而且，同时信号处理单元120将比较信号传送至对应列的计数器和/或接收计数值的线存储器，使得粗数字编码被确定。
[0051]在第二步骤中，细输入差分对220放大细斜坡电压VRAMP—来自共模电压采样单元160的共模电压Vsn之间的差异，并且输出细转换结果。输出电压经由前置放大器110的输出端子Vi3utpi (即，公共有源负载230的输出端子)被传送至信号处理单元120。然后，信号处理单元120将比较信号传送至设置在列中的计数器或接收计数值的线存储器，使得细数字编码被确定。
[0052]由于上述步骤被执行多次，因此多步单斜率A/D转换是可能的。
[0053]从以上描述明显的是，根据本发明的实施例，粗斜坡电SVramp c和共模电压Vcm被施加至双输入差分对的相应端子，因此当查看整个电路时导致差分关系(即，粗输入差分对和细输入差分对具有差分关系)。因此，由于共同施加的噪音被抑制，因此可以获得抗噪音性。所述噪音可以包括通过采样开关的电荷引线和时钟引线的接地电压跳动和粗斜坡电压跳动。采样之后，可以通过接地波动来施加影响。
[0054]虽然已经出于说明的目的描述各种实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。
[0055]通过以上实施例可以看出，本发明提供以下技术方案。
[0056]技术方案1.一种比较器，包括:
[0057]共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压；
[0058]粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；
[0059]前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；以及
[0060]信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号。
[0061]技术方案2.如技术方案I所述的比较器，其中，采样的粗斜坡电压和采样的共模电压具有用于前置放大器的差分关系。
[0062]技术方案3.如技术方案I所述的比较器，其中，共模电压采样单元包括:
[0063]开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡共模电压；以及
[0064]电容器，适用于在开关关断时储存共模电压。
[0065]技术方案4.如技术方案I所述的比较器，其中，粗斜坡电压采样单元包括:
[0066]开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡粗斜坡电压；以及
[0067]电容器，适用于在开关关断时储存粗斜坡电压。
[0068]技术方案5.如技术方案I所述的比较器，其中，信号处理单元包括:
[0069]放大器，适用于放大粗转换结果和细转换结果；
[0070]控制器，适用于基于放大的粗转换结果来产生采样控制信号；以及
[0071]选择器，适用于基于选择信号来选择放大的细转换结果和通过控制器的放大的粗转换结果，以输出比较信号。
[0072]技术方案6.如技术方案I所述的比较器，其中信号处理单元包括:
[0073]控制器，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号；以及
[0074]选择器，适用于基于选择信号来选择细转换结果和通过控制器的粗转换结果，以输出比较信号。
[0075]技术方案7.如技术方案I所述的比较器，还包括:
[0076]开关，适用于基于控制信号来重置前置放大器。
[0077]技术方案8.如技术方案I所述的比较器，还包括:
[0078]电容器，适用于将输入电压和前置放大器的反馈的输出信号去耦合。
[0079]技术方案9.如技术方案I所述的比较器，其中前置放大器包括:
[0080]公共有源负载，包括输出端子，输出端子适用于输出粗转换结果和细转换结果；[0081 ] 粗输入差分对，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以经由输出端子输出粗转换结果；以及
[0082]细输入差分对，适用于放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以经由输出端子输出细转换结果。
[0083]技术方案10.—种模数转换装置，包括:
[0084]共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压；
[0085]粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；
[0086]前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；
[0087]信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及
[0088]编码决定单元，适用于基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。
[0089]技术方案11.如技术方案10所述的模数转换装置，其中，采样的粗斜坡电压和采样的共模电压具有用于前置放大器的差分关系。
[0090]技术方案12.—种模数转换方法，包括:
[0091]基于采样控制信号来采样共模电压；
[0092]基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；
[0093]放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果；
[0094]放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；
[0095]基于粗转换结果来产生采样控制信号；
[0096]基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及
[0097]基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。
【主权项】
1.一种比较器，包括: 共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压； 粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压； 前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；以及 信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号。2.如权利要求1所述的比较器，其中，采样的粗斜坡电压和采样的共模电压具有用于前置放大器的差分关系。3.如权利要求1所述的比较器，其中，共模电压采样单元包括: 开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡共模电压；以及 电容器，适用于在开关关断时储存共模电压。4.如权利要求1所述的比较器，其中，粗斜坡电压采样单元包括: 开关，适用于基于采样控制信号来选择性地阻挡粗斜坡电压；以及 电容器，适用于在开关关断时储存粗斜坡电压。5.如权利要求1所述的比较器，其中，信号处理单元包括: 放大器，适用于放大粗转换结果和细转换结果； 控制器，适用于基于放大的粗转换结果来产生采样控制信号；以及选择器，适用于基于选择信号来选择放大的细转换结果和通过控制器的放大的粗转换结果，以输出比较信号。6.如权利要求1所述的比较器，其中信号处理单元包括: 控制器，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号；以及 选择器，适用于基于选择信号来选择细转换结果和通过控制器的粗转换结果，以输出比较信号。7.如权利要求1所述的比较器，还包括: 开关，适用于基于控制信号来重置前置放大器。8.如权利要求1所述的比较器，还包括: 电容器，适用于将输入电压和前置放大器的反馈的输出信号去耦合。9.一种模数转换装置，包括: 共模电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样共模电压； 粗斜坡电压采样单元，适用于基于采样控制信号来采样粗斜坡电压； 前置放大器，适用于放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果，以及放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果； 信号处理单元，适用于基于粗转换结果来产生采样控制信号，以及基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及 编码决定单元，适用于基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。10.一种模数转换方法，包括: 基于采样控制信号来采样共模电压；基于采样控制信号来采样粗斜坡电压；放大输入电压与采样的粗斜坡电压之间的差异以输出粗转换结果；放大细斜坡电压与采样的共模电压之间的差异以输出细转换结果；基于粗转换结果来产生采样控制信号；基于粗转换结果和细转换结果来产生比较信号；以及基于比较信号来确定粗数字编码和细数字编码以输出数字数据。
【文档编号】H03M1/12GK105959009SQ201510671772
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年10月13日
【发明人】刘时旭
【申请人】爱思开海力士有限公司