一种用于图像传感器的高速模数转换方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种图像传感器模数转换方法及 其装置。
【背景技术】
[0002] 图像传感器中的模数转换器用于将像素信号转换为数字信号。传统的图像传感器 的模数转换器如斜坡型模数转换器在进行N位的模数转换时至少需要2N次时钟计数，如图 1所示。这样在进行较高位数的转换时，需要较长的模数转换时间，限制了图像传感器的帧 频。
[0003] 进入到图像传感器的感光单元中的光信号M，自身带有光离散噪声，其噪声大小为
当光信号较强时，其自身带有的离散噪声也会同时增加。
[0004] 在 M. F. Snoeij el al.的文章 "Multiple-Ramp Column-Parallel ADC Architec tures for CMOS image Sensors"中，一种利用光离散噪声的两级模数转换方案被提出。其 基本原理如错误！未找到引用源。所示。在第一级将输入信号与几个基准信号进行比较， 进行粗转换，输出转换信号的高位数据。第二级转换用于将输入信号与某一基准信号的差 值进行细转换，输出转换信号的低位数据。在第二级转换过程中，所采用斜坡模数转换的斜 坡斜率不同，信号越大，所用斜坡斜率越高，第二级转换的量化噪音越大，其转换同等电压 范围的所需要的时间越小。尽管第二级模数转换在采用高斜坡斜率时量化噪音较大，但由 于此时输入信号的光离散噪音也比较大，所以并不会带来图像质量的下降。
[0005] 相较于传统的斜坡模数转换器，这种利用到光噪声的两级模数转换方案能大大提 高模数转换的速度，但是由于第二级模数转换需要多个不同斜率的斜坡模数转换器，增加 了设计的复杂性，并且当第一级模数转换器因为噪声等原因出现错误的转换时，第二级模 数转换器的设计需要保证能够进行纠错，否者就会出现漏码等现象。
[0006] 多路第二级模数转换器同时使用时，因为每路模数转换器在时间转化过程中使用 的第二级斜坡斜率不一样，这也会带来较大的固定模式噪音。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、固定模式噪音小的用于图像传感 器的高速模数转换方法及其装置。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明的用于图像传感器的高速模数转换方法如下：
[0009] 步骤一、利用第一级模数转换将接收的像素信号与多个基准信号进行比较，根据 比较结果输出相应的高位数据；
[0010] 步骤二、根据第一级模数转换输出的高位数据选择增益放大倍数，当像素信号电 压较高时，对像素信号进行较低增益的放大，当像素信号电压较低时，对像素信号进行较高 增益的放大，使得放大后的像素信号处于第二级模数转换设定的电压范围内；
[0011] 步骤三、对步骤二放大的像素信号进行二级模数转换，输出低位数据。
[0012] 所述步骤三中，对放大的像素信号进行二级模数转换输出低位数据的同时，还可 以对下一周期像素信号进行第一级模数转换，输出高位数据并根据高位数据对像素信号进 行相应倍数的放大。
[0013] 实现上述用于图像传感器的高速模数转换方法的装置包括第一级模数转换器，多 增益放大器和第二级模数转换器；像素信号输入到第一级模数转换器和多增益放大器；第 一级模数转换器的多个输出连接到外部及多增益放大器的相应输入；多增益放大器的输出 连接到第二级模数转换器。
[0014] 所述第一级模数转换器将像素信号与多个基准电压进行比较，根据比较结果输出 相应的高位数据，该数据输出到外部及多增益放大器。多增益放大器根据第一级模数转换 器输出的高位数据对接收的像素信号进行相应倍数的放大并输出放大后的像素信号，当像 素信号电压较高时，对像素信号进行较低增益的放大，当像素信号电压较低时，对像素信号 进行较高增益的放大，使得放大后的像素信号处于第二级模数转换器设定的电压范围内。 第二级模数转换器对放大后的像素信号进行模数转换，输出低位数据。用户可以根据第一 级模数转换器输出的高位数据判断像素信号的放大倍数，并据此对第二级模数转换器输出 的像素数据进行相应的处理，最终得到与像素信号对应的像素数据。
[0015] 所述第一级模数转换器采用斜坡模数转换器。
[0016] 所述第二级模数转换器采用斜坡模数转换器。
[0017] 所述第一级模数转换器还可以采用全并行式模数转换器。
[0018] 所述第二级模数转换器还可以采用逐次逼近型模数转换器。
[0019] 本发明还包括采样保持电路，所述采样保持电路连接于多增益放大器与第二级模 数转换器之间。
[0020] 采用本发明二级模数转换器对像素信号进行转换时，可以进行串行转换。即将像 素信号输入到第一级模数转换器进行转换，之后根据转换结果选择某一档的增益进行放 大，然后将放大后的结果送入到第二级模数转换器中进行转换。在这种串行转换方式中，信 号转换所需经过的三级依次工作，设计相对简单但花费时间相对较长。
[0021] 为了更进一步减少模数转换时间，本发明在多增益放大器与第二级模数转换器之 间放置采样保持电路，当像素信号经第一级模数转换和增益放大后，由采样保持电路保持 输入到第二级模数转换器的像素信号电压不变，由第二级模数转换器对多增益放大器输出 的信号进行模数转换。第二级模数转换器对放大后的像素信号进行模数转换的同时，由第 一级模数转换器和多增益放大器对下一周期像素信号进行第一级模数转换和放大。这样， 第二级转换与前两级并行工作，进一步减少了模数转换时间，提高了转换效率。
[0022] 本发明中第二级模数转换器的输入电压范围固定，其量化噪声大小也固定。当输 入像素信号较小时，多增益放大器的倍数较大，因此等效到模数转换器输入端的量化噪声 较小。当输入像素信号较大时，多增益放大器的倍数较小，因此等效到模数转换器输入端的 量化噪声较大，但只要保证该等效量化噪声小于输入像素信号的光离散噪声，即可保证图 像质量不受影响。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 1、当输入信号较小时，多增益放大器使用较高增益，除了第二级模数转换器的量 化噪声外，其他电路噪声等效到模数转换器的输入端时也会大大减小，极大的提高了传感 器的暗场读出噪声性能。采用这样的M+N位两级模数转换器能够达到比传统的M+N位模数 转换器大的多的动态范围。
[0025] 2、对电压较高的像素信号进行较低增益的放大，电压较低的像素信号进行较高增 益的放大，使得放大后的像素信号均处于第二级模数转换器设定的电压范围内，这样即使 第一级模数转换出现误判，也不会出现漏码等情况，不需要额外的设计来保证。
[0026] 3、第二级模数转换器的结构较为灵活，不仅可以采用斜坡模数转换器，也可以采 用其他的比如逐次逼近型模数转换器等等。
[0027] 4、第二级模数转换斜率固定，只需要一个模数转换器即可，大大简化了传感器的 结构，减小了固定模式噪音。
【附图说明】
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0029] 图1是传统的模数转换方法示意图。
[0030] 图2是现有技术的"一种利用光离散噪声的两级模数转换方法"示意图。
[0031] 图3a是用于图像传感器的高速模数串行转换装置的结构框图，图3b是采用本发 明进行串行转换的示意图。
[0032] 图4a是用于图像传感器的高速模数并行转换装置的结构框图，图4b是采用本发 明进行并行转换的示意图。
[0033] 图5是本发明实施例1的结构框图。
[0034] 图6是本发明实施例1中数据串行转换过程示意图。
[0035] 图7是实施例2的结构框图。
[0036] 图8a是实施例2第一级模数转换和放大过程示意图。图8b实施例2第二级模数 转换过程示意图。
【具体实施方式】
[0037] 如图3a所示，本发明的用于图像传感器的高速模数转换装置包括第一级模数转 换器，多增益放大器和第二级模数转换器。像素信号输入到第一级模数转换器和多增益放 大器；第一级模数转换器具有与一个或多个基准电压对应的输出端；第一级模数转换器将 像素信号与一个或多个基准电压进行比较，根据比较结果得到对应的Μ位高位数据。Μ位高 位数据通过相应的输出端输出到外部及多增益放大器的对应输入端；多增益放大器的输出 连接到第二级模数转换器。
[0038] 采用上述装置对像素信号进行转换时，可以进行串行转换。其过程如