随机估计模/数转换器的制作方法与工艺

本发明一般涉及模/数转换器，且特定(但不详尽)地说，涉及在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的读出电路中所使用的那些模/数转换器。

背景技术：
图像传感器是无处不在的。其广泛用于数字静物照相机、数字摄像机、手机、监控摄像机、医疗装置、汽车及其它应用中。许多图像传感器应用受益于高动态范围(HDR)的增加。然而，常规图像传感器中的动态范围增加通常意味着更慢、更复杂及功耗增加的模/数转换器(ADC)。一种已知类型的ADC为浮点ADC。浮点ADC尝试通过直接执行浮点模/数转换来增加ADC的总体动态范围。在一个实例中，浮点ADC包含以对应于经选择范围的增益来放大模拟输入信号的可编程增益放大器(PGA)。然而，常规浮点ADC可遭受将限制ADC的有效性的阶跃/量化误差。

技术实现要素：
本发明的一个实施例涉及一种将第一模拟信号转换成数字信号的方法。所述方法包括：产生所述数字信号的一个或一个以上随机最低有效位(LSB)；将所述随机LSB转换成第二模拟信号；将所述第二模拟信号从所述第一模拟信号减去以产生经修改的第一模拟信号；使用M位模/数转换器将所述经修改的第一模拟信号转换成所述数字信号的一个或一个以上最高有效位(MSB)；及将所述随机LSB与所述MSB组合以产生所述数字信号。本发明的另一实施例涉及一种用于将第一模拟信号转换成数字信号的随机估计模/数转换器。所述随机估计模/数转换器包括：随机位产生器，其经耦合以产生所述数字信号的一个或一个以上随机最低有效位(LSB)；数/模转换器，其耦合到所述随机位产生器以将所述随机LSB转换成第二模拟信号；求和器，其耦合到所述随机二进制产生器以将所述第二模拟信号从所述第一模拟信号减去从而产生经修改的第一模拟信号；M位模/数转换器，其用于将所述经修改的第一模拟信号转换成所述数字图像信号的一个或一个以上最高有效位(MSB)；及数字组合器，其经耦合以将所述随机LSB与所述MSB组合以产生所述数字信号。本发明的另一实施例涉及一种将模拟图像数据信号转换成数字图像数据信号的方法。所述方法包括：从耦合到图像传感器的像素单元的位线获取所述模拟图像数据信号；产生所述数字图像信号的一个或一个以上随机最低有效位(LSB)；将所述随机LSB转换成第二模拟信号；将所述第二模拟信号从所述模拟图像数据信号减去以产生经修改的模拟图像数据信号；使用M位模/数转换器将所述经修改的模拟图像信号转换成所述数字图像信号的一个或一个以上最高有效位(MSB)；及将所述随机LSB与所述MSB组合以产生所述数字图像信号。本发明的另一实施例涉及一种用于产生数字图像数据信号的图像传感器。所述图像传感器包括：像素阵列，其包含多个像素单元，所述像素单元布置成行及列以捕获模拟图像数据；位线，其耦合到所述像素阵列的列内的所述像素单元中的至少一者；及读出电路，其耦合到所述位线以从所述至少一个像素读出表示所述模拟图像数据的模拟图像数据信号，所述读出电路包含随机估计模/数转换器(ADC)用于将所述模拟图像数据信号转换成所述数字图像数据信号，所述转换器包括：随机位产生器，其经耦合以产生所述数字图像信号的一个或一个以上随机最低有效位(LSB)；数/模转换器，其耦合到所述随机位产生器以将所述随机LSB转换成第二模拟信号；求和器，其耦合到所述随机位产生器以将所述第二模拟信号从所述模拟图像数据信号减去从而产生经修改的模拟图像数据信号；M位模/数转换器，其用于将所述经修改的模拟图像数据信号转换成所述数字图像信号的一个或一个以上最高有效位(MSB)；及数字组合器，其经耦合以将所述随机LSB与所述MSB组合以产生所述数字图像信号。附图说明可参考用于说明实施例的以下描述及附图理解本发明。在图形中：图1为根据本发明的实施例说明具有多个随机估计ADC的图像传感器的框图。图2为根据本发明的实施例说明实例随机估计ADC的框图。图3为根据本发明的实施例说明使用随机估计ADC的实例模/数转换过程的流程图。图4为根据本发明的实施例说明随机估计的实例的表格。图5A到5C为根据本发明的实施例说明具有阶跃误差的ADC与随机估计ADC之间的差异的直方图。具体实施方式在以下说明中，陈述大量特定细节，举例来说，例如特定读出电路、电压斜坡信号、操作的校准电路顺序等。然而，应了解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述实施例。在其它实例中，并未详细展示众所周知的电路、结构及技术，以免使对此说明的理解变得模糊。图1为根据本发明的实施例说明具有多个随机估计ADC118的图像传感器100的框图。图像传感器100包含像素阵列110、控制电路120、读出电路130以及任选数字处理逻辑150。为了简化说明，像素阵列110的经说明的实施例仅展示两列112，每一列具有四个像素单元114。然而，应了解，实际的图像传感器通常包含从数百个到数千个列，且每一列通常包含从数百个到数千个像素。而且，经说明的像素阵列100形状规则(例如，每一列112具有相同数目的像素)，但在其它实施例中，阵列可具有不同于展示的规则或不规则布置且可包含比展示的更多或更少的像素、行及列。而且，在不同实施例中，像素阵列110可为经设计以捕获光谱的可见部分中的图像的包含红色、绿色及蓝色像素的彩色图像传感器，或可为黑白图像传感器及/或经设计以捕获光谱的不可见部分(例如红外线或紫外线)中的图像的图像传感器。在一个实施例中，图像传感器100为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在使用期间，在像素单元114已获得其图像数据或电荷之后，可经由列读出线或位线116将模拟图像数据(例如，模拟信号)或电荷从像素单元读出到读出电路130。经由位线116每次一个像素将来自每一列112的像素单元114的模拟图像数据读出到读出电路130且接着将其传送到随机估计浮点(FP)ADC118。随机估计浮点ADC118为以一个或一个以上随机位估计转换的最低有效位(LSB)的浮点ADC。接着将随机LSB转换成模拟信号且将其从模拟图像数据减去。接着使用M位ADC转换经修改的模拟图像数据以产生一个或一个以上最高有效位(MSB)。接着组合随机LSB及MSB以产生数字图像数据(即，数字信号)，所述数字图像数据从读出电路130输出且被提供到任选数字处理逻辑150用于进一步处理。在经说明的实施例中，在图像传感器100中使用随机估计浮点ADC118。然而，在其它实施例中，随机估计浮点列ADC118可用于其它半导体电路中。图2为根据本发明的实施例说明实例随机估计浮点ADC200的框图。混合ADC200的经说明实例包含可编程增益放大器202、求和点204(即，求和器)、M位ADC206、增益/位控制单元208、随机位产生器210、数/模转换器(DAC)212以及数字组合器214。还在图2中展示若干信号，所述信号包含模拟图像数据信号、N位LSB215、DAC输出217(即，模拟信号)、经修改模拟图像数据219、M位MSB223、位控制信号225以及增益控制信号227。浮点ADC200是图1的浮点ADC118的一个可能的实施方案。在图2的实施例中，可编程增益放大器202经耦合以接收模拟信号(例如，模拟图像数据)。可编程增益放大器202经配置以响应于增益控制信号227将可变增益应用到模拟信号。在一个实施例中，增益控制信号227表示当前模/数转换的范围。因此，可编程增益放大器的增益可随着ADC200的所需范围变化而改变。可编程增益放大器202的输出经耦合以被求和点204接收。求和点204也耦合到数/模转换器(DAC)的输出以接收模拟信号217。求和点204经配置以在模拟域中将模拟信号217从经放大的模拟图像数据减去。举例来说，求和点204可包含差分放大器以将模拟信号217从模拟图像数据减去。求和点204经耦合以产生经修改模拟图像数据信号219。在一个实施例中，经修改模拟图像数据219是上文所提到的减去模拟图像数据及模拟信号217的结果。M位ADC206耦合到求和点204以接收经修改模拟图像数据219。在一个实施例中，M位ADC206包含具有M个位的最大分辨率的固定线性ADC。M位ADC206经耦合以通过数字组合器214产生数字图像数据229的尾数的最高有效位(MSB)。如在图2中所展示，M位ADC206的输出耦合到增益/位控制单元208。增益/位控制单元208经配置以响应于M位ADC206的输出设定可编程增益放大器202的增益，以便选择ADC200的合适范围。增益/位控制单元208可包含经配置以设定可编程放大器202的增益且经配置以产生数字图像数据的指数部分231的一个或一个以上逻辑电路。在经说明的实施例中，增益/位控制单元208还经耦合以产生位控制信号225以控制由随机位产生器210所产生的随机位的数目。随机位产生器210经配置以产生N个最低有效位，其中所述N个位响应于由增益/位控制单元208所产生的位控制信号225。由DAC212接收N位LSB215以产生模拟信号217，其中模拟信号217为N位LSB215的模拟表示。数字组合器214经耦合以接收N位LSB215及M位MSB223以组合所述两者而在数字域中产生M+N位数字图像数据229。在一个实施例中，数字组合器通过使M位MSB223移位N个位且接着用经移位的M位MSB223添加N位LSB215而组合N位LSB215及M位MSB223。因此，所得数字图像数据包含M+N个位，所述M+N个位自身可能超过M位ADC206的最大分辨率。图3为根据本发明的实施例说明使用图2的随机估计FP-ADC200的实例模/数转换过程300的流程图。在过程框305中，随机位产生器210产生N个随机位，其中N由位控制信号225确定。在一个实施例中(未图示)，随机位产生器210可产生随机位的连续串流，其中DAC212接收位控制信号以从所述随机位的串流选择N个位。接下来，在过程框310中，DAC212将N位LSB215转换成模拟信号217。在过程框315中，求和点204将模拟信号217从经放大模拟图像数据(即，可编程增益放大器202的输出)减去。如上文所提到，将模拟信号217从模拟图像数据减去是在模拟域中完成的。求和点204接着输出随后转换成M位MSB的经修改模拟图像数据219。在一个实施例中，M位ADC206具有M位的最大分辨率。换句话说，N位LSB为超过M位ADC206的最大分辨率的额外位(其有效扩展ADC200的分辨率)。在过程框325中，数字组合器214将M位MSB223与N位LSB215组合以产生M+N位数字图像数据229。在经说明的实施例中，随机估计FP-ADC200的输出为浮点输出，其中M+N位数字图像数据229为尾数且其中浮点输出的指数由增益/位控制单元208提供。因此，本发明的实施例可提供几乎与较高位计数固定点ADC具有相同质量的浮点ADC，从而减少成本、功耗以及转换次数。一般来说，随着模拟输入(例如，模拟图像数据)变得更大，增益/位控制单元208将通过设定可编程增益放大器202的合适增益来选择ADC的较大范围。而且，随着范围增加，同样通过增益/位控制单元208加以设定的LSB的个数N也将增加。然而，如上文所述，M位ADC206为具有M位的最大分辨率的固定线性ADC。因此，本发明的实施例可使ADC200的分辨率延伸超过仅M位ADC206自身的所述分辨率。图4为根据本发明的实施例说明随机估计的实例的表格。如在图4中所展示，随机估计FP-ADC200的输入(例如，模拟图像数据)可进行数字化表示且以数学的方式分割成两部分—MSB部分及LSB部分，如下文的等式1所指示：输入=MSB*2^n+ActualLSB[等式1]，其中MSB表示最高有效位，n为最低有效位的数目且ActualLSB表示实际最低有效位的数目n。随机估计FP-ADC200的输出可由下文的等式2表示：输出=[MSB*2^n+Func_ADC(ActualLSB-EstLSB)]+EstLSB-2^(n-1)[等式2]，其中EstLSB为表示从0到(2^n)-1的随机整数的随机位的数目n，且Func_ADC(x)由下文的等式3表示：Func_ADC(x)=0，当x<0时，[等式3]2^n，当x>0时，及0或2^n，当x=0时，随机且均匀分布在(0,2^n)中如图2中所展示，可由求和点204及M位ADC206在模拟域中执行括号中的等式2的至少一部分(即，[MSB*2^n+Func_ADC(ActualLSB-EstLSB)])，其中Func_ADC用来导入可引起数据移位的低分辨率量化误差。可由数字组合器214在数字域中执行由等式2表示的函数的剩余部分。举例来说，数字组合器可使M位MSB223移位N个位(即，*2^n)，接着将经移位的MSB添加到N位LSB215(即，EstLSB)，且最后可减去量2^(n-1)以减少引起数据移位的量化误差。图4中展示由随机估计FP-ADC200使用n=2LSB而进行的模/数转换的结果的实例表格。对于2位LSB来说，LSB的可能的整数表示为3、2、1及0。使用等式3中的估计的LSB(EstLSB)及实际的LSB(ActualLSB)存在三个可能的结果0、4以及0或4。使用等式2的剩余部分中的等式3的结果(展示在图4的中间表格中)我们得到范围从-1到5的LSB的所得整数表示。举例来说，如果2位LSB的实际的整数表示为1，且随机位产生器210产生与2的整数值相等的两个随机位，那么等式3的结果将为4，其中使用等式2的剩余部分的所得LSB为整数值3(例如，4+1-2)。图4的右边的第三表格说明使用随机估计LSB的所有可能的所得LSB的平均值。如在此实施例中所展示，平均值与LSB的实际值精确对应，这将德塔零赋值给每一者。通过图5A到5C的直方图可更清楚地看出使用随机估计FP-ADC200的模/数转换的结果。图5A到5C为根据本发明的实施例说明具有阶跃误差的ADC与随机估计ADC之间的差异的直方图。图5A为样本模拟输入的理想模/数转换的直方图。图5B说明没有LSB的随机估计的常规浮点ADC的直方图。如所展示，没有LSB的随机估计的浮点ADC包含可显著降低输出(例如，数字图像)的质量的显著阶跃/量化误差。图5C说明随机估计浮点ADC(例如图2的ADC200)的直方图。如所展示，图5C的直方图包含平滑的瞬时细节而非图5B的阶跃。因此，本发明的实施例可允许低位计数浮点ADC(具有随机估计)产生类似质量结果，好像其为高位计数固定线性ADC。如图5C所展示，本文所揭示的方法减少与常规浮点ADC相关联的阶跃误差及数据平均移位问题且可甚至改进高位计数精确水平。本文所揭示的图像传感器可包含在数字静物照相机、数字摄像机、拍照手机、可视电话、视频电话、摄录像机、网络摄像头、计算机系统中的相机、监控摄像机、医疗成像装置、光学鼠标、玩具、游戏、扫描仪、汽车图像传感器或其它类型的电子图像及/或视频获取装置中。取决于实施方案，电子图像及/或视频获取装置还可包含其它组件，举例来说，例如(仅举几个实例)用来发射光的光源、经光学耦合以将光聚焦在像素阵列上的一个或一个以上透镜、经光学耦合以允许光穿过一个或一个以上透镜的快门、用来处理图像数据的处理器以及用来存储图像数据的存储器。在说明书及权利要求中，可使用术语“耦合”及“连接”及其派生词。应了解，这些术语并无意彼此同义。相反，在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或两个以上元件彼此处于直接的物理或电性接触中。“耦合”可意指两个或两个以上元件处于直接的物理或电性接触中。然而，“耦合”还可意指两个或两个以上元件彼此并不直接接触，但仍彼此合作或互动。举例来说，校准电路可经由介入开关与列ADC电路耦合。在上述描述中，出于解释的目的，已陈述大量特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，对所属领域的技术人员显而易见的是，可在不存在这些特定细节中的一些的情况下实践一个或一个以上其它实施例。并不是提供所描述的特定实施例来限制本发明，而是说明本发明。本发明的范围不应由上文所提供的特定实例来界定，而应仅由下文的权利要求来界定。在其它实例中，已以框图形式或缺乏细节的方式展示众所周知的电路、结构、装置及操作，以免使对本描述的理解模糊不清。所属领域的技术人员还将了解，可对本文所揭示的实施例(举例来说，例如，对实施例的组件的配置、功能以及操作及使用的方式)做出修改。图形中所说明的及说明书中所描述的那些的全部等价关系包含在实施例中。此外，在认为合适的地方，已在图形中重复参考数字或参考数字的端部以指示对应的或类似的元件(其可任选地具有类似特征)。已描述各种操作及方法。已在流程图中以基本形式描述所述方法中的一些，但可任选地将操作添加到所述方法及/或从所述方法移除。此外，虽然流程图根据实例实施例展示操作的特定顺序，但应了解所述特定顺序为示范性的。替代实施例可以不同顺序任选地执行操作、组合某些操作、使某些操作重叠等。可对所述方法做出许多修改及调整且在预期之内。一个或一个以上实施例包含含有机器可存取及/或机器可读媒体的制造物品(例如，计算机程序产品)。媒体可包含一种以机器可存取及/或可读的形式提供(例如，存储)信息的机构。机器可存取及/或机器可读媒体可提供或在其上存储一个或一个以上或一个序列的指令及/或数据结构，如果由机器执行所述指令及/或数据结构，则引起或导致机器执行(及/或引起机器将执行)本文所揭示的图形中所展示的一个或一个以上或一部分操作或方法或技术。在一个实施例中，机器可读媒体可包含有形的非瞬时机器可读存储媒体。举例来说，有形的非瞬时机器可读存储媒体可包含软盘、光学存储媒体、光盘、CD-ROM、磁盘、磁光盘、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、快闪存储器、相变存储器或其组合。有形的媒体可包含一种或一种以上固体的或有形的物理材料，举例来说，例如半导体材料、相变材料、磁性材料等。合适机器的实例包含(但不限于)数码相机、数码摄像机、手机、计算机系统、具有像素阵列的其它电子装置以及能够捕获图像的其它电子装置。此类电子装置一般包含与一个或一个以上其它组件耦合在一起的一个或一个以上处理器，所述其它组件例如一个或一个以上存储装置(非瞬时机器可读存储媒体)。因此，给定电子装置的存储装置可存储用于在所述电子装置的一个或一个以上处理器上执行的代码及/或数据。替代地，可使用软件、固件及/或硬件的不同组合来实施实施例的一个或一个以上部分。还应了解，举例来说，在整个此说明书中参考“一个实施例”、“一实施例”或“一个或一个以上实施例”意指特定特征可包含在本发明的实践中(例如，在至少一个实施例中)。类似地，应了解，在说明书中，为了精简本发明且促进对各个发明方面的理解，有时将各个特征集合在单一实施例、图形或其描述中。然而，不应将本发明的方法解释为反映了这样一种目的，即本发明需要比在每一权利要求中的明确叙述更多的特征。相反，如所附权利要求书所反映，发明方面可位于比单一所揭示的实施例的全部特征少的情形中。因此，在详细的说明书之后的权利要求书借此明确地包含在此详细的说明书中，其中每一项权利要求自成一个单独的实施例。