具有分辨率检测器和可变抖动的adc的制作方法
【专利摘要】可以将分辨率检测器与ADC结合使用来识别ADC的原始数字输出中未分辨的位。可以将已经由ADC正确地分辨的位与由于时间限制或其他因素而未成功被分辨的那些位区分。可以将未成功分辨的每个位归类并称为未分辨的位。如果取样周期中有检测到任何未分辨的位，则可以在原始数字输出中并入抖动，以补偿该周期中的未分辨的位。可以将抖动添加到ADC的原始数字输出以消除经处理的数字输出码中的任何丢失码，或可以该抖动替代原始数字输出中未分辨的位以生成经处理的数字输出。
【专利说明】具有分辨率检测器和可变抖动的ADC
[0001]相关申请的交叉应用
[0002]本申请依据35U.S.C.§ 119(e)要求2011年6月6日提交的美国临时专利申请号61/493,892的权益，其内容通过引用完全并入本文。
[0003]背景
[0004]模数转换器(ADC)对模拟信号取样,并将其转换成表不信号电压的数字码。ADC典型地由外部时钟信号来驱动，该外部时钟信号控制进行取样和转换的速率。典型地，在时钟速度和分辨率之间存在折衷；因为增加ADC的时钟速率以适应越高的带宽模拟信号，ADC转换新样本的时间越少，这可能导致较低的分辨率。
[0005]此较低的分辨率可能是因缺乏将模拟样本转换成一组完整的数字输出位所需的时间而导致的。随着ADC输出码中的分辨率和数字位的数量增加，模拟输入信号将更逼近数字码跃迁边缘的概率也会增加。转换每个位所需的时间量可能逐个位和逐个周期有所变化。例如，分辨越逼近跃迁边缘的取样的信号值可能需要更多时间。这些因素中的每个因素都会影响给定时钟周期中分辨的位的数量。
[0006]因此，随着ADC中时钟速率增加，输出分辨率典型地下降。在一些情况中，时钟速率可能无法为ADC提供足够时间来分辨一组完整的数字输出位。在这些情况中，给定取样周期中数字码的一个或多个最低有效位可能无法被分辨，并且可能导致丢失码，如图3A所示。制造商可能会有意地降低ADC时钟速率以确保ADC输出不会包含任何丢失码，因为ADC有足够时间来分辨一组完整的数字输出位。
[0007]在一些情况中，如将模拟图像传感器数据转换成数字码时，这些丢失码可能降低数字码中表示的可用颜色的数量。这可能导致不同像素之间更锐和更欠平滑的颜色过渡。此外，在成像系统中，噪声阈值可能随着图像传感器捕获的细节程度提高而提高。因此，更大的图像信号输入也许能够支持经处理图像中的附加噪声而不会负面地影响图片质量。
[0008]因此需要以更快的时钟速率运行ADC，同时即使在一些位未被分辨的情况下，仍减少丢失码。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1A和图1B示出本发明不同实施方案中的两个示范框图。
[0010]图2示出本发明的实施方案中的示范过程。
[0011]图3A示出在每个试验期中未分辨出两个LSB而导致丢失码时Vin对输出码的示范相关性。
[0012]图3B示出图3A的使用例子中随机抖动(dither)的应用。
[0013]图4示出在实施方案中添加到图3A所示的原始数字输出的高斯形抖动。
[0014]图5A示出可使用抖动来替代经处理的ADC输出信号中未分辨的位的实施方案。
[0015]图5B基于图5A中使用 的输入不出未使用抖动的不范输出。
[0016]图6示出可以使用本发明的实施方案的示范装置。【具体实施方式】
[0017]在实施方案中，可以使用分辨率检测器来识别ADC的原始数字输出中未分辨的位。该检测器可以在ADC已正确地分辨的位与因为时间限制或其他原因而未被成功分辨的那些位之间进行区分。可以将未成功分辨的每个位归类并称为未分辨的位。
[0018]如果取样周期中有检测到任何未分辨的位，则可以在原始数字输出中并入抖动，解释该周期中未分辨的位来生成ADC的经处理的数字输出。例如，可以将该抖动添加到ADC的原始数字输出以消除经处理的数字输出码中的任何丢失码，或者可以将该抖动替代原始数字输出中未分辨的位以生成经处理的数字输出。
[0019]抖动的量值可以与识别出的未分辨的位的有效数成比例来变化。例如，如果位m未被ADC分辨出，则可以生成具有至少2~ (m+1)-1个ADC码的量值的抖动来解释该未分辨的位m。在一些实施方案中，抖动的量值可以选为超过2~(m+l)-l个ADC码。选择具有至少2~ (m+l)-l个ADC码的抖动可以确保给定足够样本大小下经处理的ADC输出不包含丢失码。如果抖动的量值小于2~ (m+1)-1个ADC码，则经处理的ADC输出中仍可能丢失至少一个ADC码而无论样本大小。抖动可以包含随机生成或伪随机生成的数据。抖动可以选为满足特定分布函数，如均匀、高斯、三角或其他分布函数。
[0020]未分辨的位的有效数可以由分辨率检测器来确定，分辨率检测器可以识别每个周期中一直未被分辨的特定位。正如先前论述的，例如可以将抖动添加到ADC的原始数字输出以填充任何丢失码或将其用作原始数字输出中未分辨的位的替代，以生成最终经处理的ADC输出。
[0021]如上文论述的使用识别未分辨的位的分辨率检测器和解释未分辨的位的抖动可以实现以更高取样速率工作的N位ADC中的N位线性，即使N位中的一些可能未被分辨出。此外，可以选择性地添加抖动以便仅解释未分辨的位，而不会影响被ADC正确地分辨的那些位的ADC输出码。
[0022]分辨率检测器还可以检测位错误(bit errors)。例如，在差分SARADC中，ADC可以为两个信号线路中的每一个信号线路输出单独的数字码。理想情况下，施加于正端DAC的输出码应该具有与施加于负端DAC的极性相反的极性。因此，如果两个DAC具有对特定位施加的相同码，则可以认为是错误，并且可以将该位标志为未分辨。
[0023]分辨率检测器还可以检测并行ADC (flash ADC)中的位错误。例如，在并行ADC中，ADC可以输出温度计码以识别分辨的位。温度计码可能包含静态或动态比较器错误可能在ADC中导致的气泡(bubble)。例如，如果3位并行ADC的输出码是“ 1011000”，则分辨率检测器可以检测到最左边的“O”是错误的，以及检测到最右边的“I”也可能地是错误的。然后可以利用抖动来替代所有这些位。
[0024]图1A不出本发明的实施方案的第一不范框图100。可以将模拟电压110输入到N位ADC120，N位ADC120可以耦合到外部时钟信号125。ADC120的数字输出128可以耦合到加法器电路150，加法器电路150可以将ADC128的输出与抖动145组合。抖动生成器140可以响应分辨率检测器130识别出原始ADC输出128中无法正确地分辨的数字位135而生成抖动145。
[0025]ADC120还可以输出指示位是否被ADC120正确地分辨的标志信号127或其他指示。如果ADC120没有足够的时间分辨特定的位或如果位未被正确地分辨，则ADC120可以输出标志信号127。可以将标志信号127连同ADC码128发送到分辨率检测器130，分辨率检测器130可以被用于识别原始ADC输出中未被正确地分辨的特定位。
[0026]一旦识别了特定的未分辨的位，则分辨率检测器130可以向抖动生成器140发送失败信号135以便生成与该位的有效数成比例的抖动145。例如，在实施方案中，如果位m被分辨率检测器130识别为未分辨，则抖动生成器可以生成2~ (m+1)-1个码的抖动145。抖动生成器可以使用不同的换算和分布函数来生成抖动。例如，可以使用均匀、三角或高斯型分布函数。
[0027]图1B示出本发明的实施方案的第二示范框图170。在此示例中，ADC120可以在每次完成试验并成功地分辨位时向计数器132输出位分辨试验完成信号131。在一些情况中，标志信号127还可以指示试验是否成功地完成，以及在这些情况中，标志信号127还可以用作位试验完成信号131。可以包含移位寄存器或其他计数电路的计数器132可以对成功完成的试验的数量计数，并将计数133输出到比较器136。比较器136可以将来自计数器132的计数133与每次试验成功完成的情况下应该分辨出的预期总位数134进行比较。在一些情况中，可以从ADC输出码128中计算总位数134，但是在其他情况中，可以预先确定或从存储器装置或其他源获取总位数141。
[0028]在将来自计数器132的计数133与总位数134比较之后，比较器136可以输出未分辨的位的数量137。然后，抖动生成器140可以使用输出的未分辨的位的数量137来生成对应数量的抖动码145，然后可以在150将抖动码145添加到ADC原始输出码128。在一些情况中，可以将计数器132和/或比较器136作为分辨率检测器130的一部分来包含，可是在其他情况中，它们可以与分辨率检测器130分开。
[0029]ADC120可以使用并行比较器来分辨位。如果输入信号接近码阶跃，则比较器之一可能比其余部分更慢地进行分辨，这可能导致变化的信号转换时间。每个比较器可以包含标志以指示比较器是否能够完成其判断。如果比较器无法在分配的时间内达成判断，则可以利用抖动来替代该数字位，或可以将抖动添加到输出码160。
[0030]图2示出使用逐次逼近寄存器(SAR) ADC的本发明实施方案中用于识别未分辨的数字位并确定是否要添加抖动的示范过程。图2表示ADC的一个转换周期。在框201中，N位SAR ADC可以开始对模拟信号取样以便在试验期间将该信号转换成数字码。对于每个试验期，ADC可以将取样的信号分辨成从最高有效位开始并向下处理到最低有效位的数字位。
[0031]在框203中，分辨率检测器可以将变量m设置为ADC能够分辨的最高有效位N，变量m表示位计数器。然后可以将指示符(在本例中为此最高有效位N的标志字段)设为指示位N尚未被成功地分辨(在附图中，由示范值I指示此情况)。
[0032]框204可以表示确定用于分辨特定转换周期的数字位的试验期是否已结束的逻辑。该逻辑可以配置成如果为分辨给定周期中的位分配的期间已结束，则中断过程流。例如，框204示出用于分辨位的试验期已结束的情况下位分辨过程中的中断(通过将过程重定向到框211)。此逻辑可以独立于其他过程，如框203、205和207所示的那些过程。这样可使试验期的结束能够在独立于位分辨过程的任何时间被触发。一旦试验期的结束被触发，则过程可以即刻回到框211，以确定是否应该添加抖动，并且如果添加的话，则确定抖动应该是什么量值的。
[0033]一旦此最高有效位N的标志字段指示位N尚未被成功分辨(如框203所示)，则在框205中，ADC可以开始分辨位N。
[0034]一旦位N已成功被分辨，则在框207中，可以相应地更改标志字段(例如，在附图中，可以将标志从I更改为O)。如果试验期在位被成功分辨之前结束，则该标志将不会被改变,并且在框213中，将添加对于位N换算的适合抖动。
[0035]在框209中，可以就是否还有任何余下位要分辨进行确定。如果没有余下位要分辨，则在框211中，在此情况中所有标志位将是O以指示所有位均被分辨。如果在试验结束时还有余下位要分辨，则在框211中，在这些余下未分辨的位中，可以选择要分辨的最高有效位来确定抖动的大小。如果先前未指示，还可以将此选择的位的标志设为指示所选择的位尚未成功被分辨。
[0036]在框205中，ADC可以开始分辨选择的位，以及在框207中，一旦选择的位成功被分辨，则可以更改标志。在框210中，可以将要分辨的下一个位的标志设置为I，在本例中指示下一个位尚未被分辨。该过程然后可以重复，直到每个位都已被分辨为止或试验期结束为止。
[0037]一旦所有位均已被分辨或试验期已结束，则在框211中，可以检查每个位的标志字段以确定所有位是否已成功被分辨。
[0038]如果所有位已成功被分辨，则在框212中，可以不添加抖动，并且原始数字ADC输出可以表示最终经处理的ADC输出。
[0039]如果这些位中的至少一个未成功被分辨，则在框213中，可以添加抖动。抖动可以根据未成功被分辨的位的有效数来换算。例如，在实施方案中，如果位m被分辨率检测器识别为未分辨，则抖动生成器可以生成2~(m+l)-l个码的抖动。可以将抖动添加到原始ADC输出或可以使用抖动作为未正确被分辨的位的替代。
[0040]图3A示出在每个试验期中未分辨出两个LSB而导致丢失码时Vin对4位输出码的示范相关性。图3B示出图3A的使用例子中随机抖动的应用，从而消除图3A所示的丢失码。
[0041]因为两个最低有效位无法被分辨，所以将原始数字输出限于仅16个值中的4个(输出码0、4、8和12)，如图3A所示。为了校正此情况，可以添加2位均匀抖动以便能够生成一组完整的ADC码，如图3B所示。
[0042]在实践中，不同的转换操作可能导致未分辨的LSB的数量有所变化。在一些试验期中，可能分辨了一组完整的ADC位且没有位是未分辨的。而在其他期间中，不同数量的LSB可能未被分辨。正如先前论述的，可能未被分辨的位的概率和数量可能随着接近判断点的取样值的数量增加而增加。
[0043]在另一个实施方案中，如图4所示，可以将高斯形抖动(可能是正的或负的)添加到图3A所示的原始数字输出。如图所示，高斯抖动可能具有比未分辨的位和丢失码更大的量值。这可以促成较大码阶跃之间更平滑的过渡。
[0044]图5A示出可使用抖动来替代经处理的ADC输出信号中未分辨的位的实施方案。如图5A所示，在实施方案中，可以使用模拟输入信号501作为对ADC的输入。在此示例中，ADC能够分辨不同取样周期的不同数量的位。该图示出每组2000个取样周期中未分辨的位的数量502。例如，如图所示，在第一组2000个取样周期中，所有位均被分辨，接下来是下一组2000个取样周期中未被分辨的I个位，接下来是下一组2000个取样周期中没有未分辨的位，接下来是2个未分辨的位，并以此类推。虽然此图示出每组2000个取样周期中连贯性的未分辨的位数量，但是在许多实施方案中，未分辨的位的数量可能在不同取样周期中是有所不同的。
[0045]在此示例中，可以利用抖动替代每个取样周期中未分辨的位，抖动具有与最大未分辨的位的有效数成比例的量值，如根据函数2~(m+l)-l来确定，其中位m是未分辨的最高有效位。经处理的输出503可以包含与替代未分辨的位的抖动组合的原始ADC输出。如输出503中所示，随着未分辨的位的数量从I增加到8，添加以替代未分辨的位的抖动的量值也增加。因此，经处理的ADC输出503的不同分段可能不包含抖动(当所有位均成功被分辨时)或可能包含与未分辨的位的数量成比例的抖动(当至少一个位仍旧是未分辨时)
[0046]作为比较，图5B示出具有与图5A所示的相同的输入信号511和未分辨的位512的ADC的示范数字输出513，但是未对其添加抖动。如图5B所示，丢失码的数量随未分辨的位的数量一起增加。
[0047]图6示出可以使用本发明的实施方案的示范装置。例如，可以在处理从图像捕获装置获取的模拟信号的装置中使用本发明的实施方案。这些处理装置可以包括数字摄像器610、计算装置620和电信装置630，这些装置中每一个装置均可以处理从图像传感器或其他源获取的模拟信号。数字摄像器装置610可以兼有地包括静态和视频摄像器。
[0048]前文描述是出于说明和描述的目的给出的。它不是穷举的，且并未将本发明的实施方案限于所公开的具体形式。根据上文说理，进行一些修改和改变是可能的，或者从与本发明一致的具体实施的实施方案可以获得一些修改和改变。例如，一些描述的实施方案可以将生成的抖动码添加到ADC的输出以生成最终的ADC输出信号，但是在其他实施方案中，可以将生成的抖动添加到ADC输出以替代丢失位。在其他实施方案中，抖动生成器可以存储多个先前的样本，可以对这些样本取均值并使用来在检测到后续丢失的位时添加相似的抖动。在一些实施方案中，在ADC输出中添加的抖动可以包含负值和/或正值。
【权利要求】
1.一种方法，其包括: 识别来自模数转换器(ADC)的输出码中未分辨的部分；以及 在所述ADC输出码中添加抖动以补偿所述未分辨的码部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述输出码中的所述未分辨的部分是所述输出码中未被分辨的部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述输出码中的所述未分辨的部分是所述输出码中被不正确地分辨的部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述ADC输出中包含的所述抖动的量值与所述未分辨的码部分的有效数成比例。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述抖动的所述量值选为涵盖所述未分辨的码部分中至少每个不可分辨的码值。
6.如权利要求1所述的方法，其中仅添加所述抖动以补偿所述未分辨的码部分，而不影响正确地分辨的部分的所述输出码。
7.如权利要求1所述的方法，其中以所述抖动替代所述未分辨的码部分来将所述抖动添加在所述ADC输出中。
8.如权利要求1所述的方法，还包括生成添加在所述ADC输出中的所述抖动。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述抖动是伪随机方式生成的。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述抖动是根据分布函数生成的。`
11.如权利要求10所述的方法，其中所述分布函数是高斯分布函数。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述分布函数是均匀分布函数。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述分布函数是三角分布函数。
14.如权利要求8所述的方法，其中所生成的抖动具有至少(2(m+1)-l)个ADC码的量值，m表示所述未分辨的码部分中未分辨的位的有效数。
15.如权利要求1所述的方法，还包括在开始分辨位时将标志设为第一值，以及在完成分辨所述位时将所述标志设为第二值以识别所述输出码的所述未分辨的部分。
16.如权利要求15所述的方法，还包括识别正在分辨的位的有效数，以识别所述输出码的所述未分辨的部分。
17.如权利要求1所述的方法，还包括: 从图像捕获装置将模拟图像信号提供到所述ADC ;以及 从具有添加的抖动以补偿所述未分辨的码部分的所述ADC输出生成数字图像输出。
18.—种电路,其包括: 模数转换器(ADC)，用于将模拟信号转换成数字码； 分辨率检测布置，用于识别所述ADC的输出中未分辨的位；以及 抖动布置，用于在所述ADC输出中包含抖动以补偿所述未分辨的位。
19.如权利要求18所述的电路，其中所述分辨率检测布置识别所述未分辨的位的有效数，以及所述抖动布置生成与所述未分辨的位的已识别的有效数成比例的所述抖动。
20.如权利要求18所述的电路，其中所述分辨率检测布置包括计数器和比较器，所述计数器对已分辨的位的数量计数，以及所述比较器将所述已分辨的位的计数数量与位的总数比较并计算未分辨的位的数量以识别所述未分辨的位。
21.如权利要求18所述的电路，其中所述抖动布置将所述抖动添加到所述ADC输出以将所述抖动包含在所述ADC输出中。
22.如权利要求18所述的电路，其中所述抖动布置以所述抖动替代所述ADC输出中未分辨的位以将所述抖动包含在所述ADC输出中。
23.如权利要求18所述的电路，其中所述分辨率检测布置比较差分逐次逼近寄存器(SAR)ADC中的真实信号与补充控制信号，并指定所述真实信号与所述补充控制信号中具有不相反极性的对应位为未分辨的位。
24.如权利要求18所述的电路，其中所述分辨率检测布置识别并行ADC的温度计码输出中的气泡，并将与所述气泡关联的位指定为所述未分辨的位。
25.如权利要求18所述的电路，其中所述ADC向所述分辨率检测布置发送位分辨状态信号，所述分辨率检测布置根据所述位分辨状态信号来识别所述未分辨的位。
26.如权利要求18所述的电路，其中所述分辨率检测布置向所述抖动布置发送信号以包含与所述未分辨的位的有效数成比例的抖动。
27.如权利要求18所述的电路，还包括图像捕获装置，其中所述图像捕获装置向所述ADC提供模拟图像信号，以及所述ADC、所述分辨率检测布置和所述抖动布置生成数字图像输出。
28.如权利要求27所述的电路，其中所述图像捕获装置是数字摄像器。
29.如权利要求27所述·的电路，其中所述图像捕获装置被包含在计算装置中。
【文档编号】H03M1/20GK103828242SQ201280025075
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2011年6月6日
【发明者】R·A·卡普斯塔, D·林, Y·德门杰 申请人:美国亚德诺半导体公司