一种用于CMOS图像传感器的两步式列级模数转换器

本发明涉及模数转换器，更具体的，涉及一种用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器。

背景技术：

1、cmos图像传感器是一种利用cmos工艺制造的图像传感器，它可以将光学图像转换成电信号，从而实现对图像的数字化采集。cmos图像传感器中最重要的模块之一是模数转换器(adc)，它负责将传感器中的模拟信号转换成数字信号，以便后续的数字信号处理和图像生成。adc的性能直接影响着图像传感器的动态范围、信噪比、分辨率和数据传输速度等关键指标，因此，研究高速、低功耗、小面积的adc对于提高cmos图像传感器的性能具有重要意义。

2、在图像传感器的读出电路中，通常采用以下三种架构的adc：像素级adc、芯片级adc和列级adc。其中，像素级adc是将每个像素的模拟信号直接转换成数字信号，这种架构的优点是可以直接获取每个像素的数字信号，但是它的面积和功耗较大。芯片级adc是将整个像素阵列的模拟信号转换成数字信号，这种架构的优点是均匀一致性很好，但是它对adc的速度要求比较高。列级adc则是将一列像素的模拟信号转换成数字信号，这种架构的优点是转换速度快、面积和功耗较小，但是需要额外的电路来实现对每列像素的数字信号进行串并转换。

3、因此，对于大型像素阵列，采用列级adc可以实现更高的转换速度和更低的功耗和面积。而在各种列级adc中，单斜adc由于面积小和结构简单等优点应用的最广泛，但传统单斜adc存在转换速度低的缺点，对于nbit的模数转换需要2n个周期，量化时间和转换周期都偏长。

4、随着像素数目的不断增加，对adc的转换速度的要求也在不断增加。因此，提高单斜adc转换速度的研究已经成为了当前cmos图像传感器的一个研究热点。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对传统单斜adc存在转换速度低、量化时间长、转换周期长的问题，提供了一种用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、本发明公开了一种用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，包括：公共开关模块、斜坡发生器、n个相同结构的列级电路单元。

4、斜坡发生器用于提供两个连续的、向上的斜坡信号vramp；其中，两个斜坡信号vramp包括一个小斜坡vramp1和一个大斜坡vramp2，起点电压值均为vl。

5、n个相同结构的列级电路单元用于对若干路像素信号进行处理；其中，每路像素信号均为12bit。第n个列级电路单元用于处理3路像素信号；3路像素信号包括第3n+1路像素信号、第3n+2路像素信号、第3n+3路像素信号；n∈[1,n]。

6、第n个列级电路单元包括：pga模块、采样保持模块、存储电容模块、内置开关模块、电阻阵列模块、比较器模块、转码模块、计数器模块、静态存储器模块、锁存器模块。

7、其中，内置开关模块与公共开关模块配合使用，用于对第n个列级电路单元进行复位、量化复位电压vrst、快闪adc粗量化信号电压vsig、单斜adc细量化信号电压vsig的功能状态依次切换。

8、pga模块用于对输入的3路像素信号进行放大，并进行第一级相关双采样得到复位电压vrst和信号电压vsig。

9、采样保持模块用于采样并存储复位电压vrst和信号电压vsig。

10、存储电容模块用于在复位时依据参考电压vl’和参考电压vl形成电压差δv、在快闪adc粗量化信号电压vsig时存储信号电压vsig经过快闪adc粗量化后得到的粗量化电压vsig’；其中，vl’＝vl+δv，δv＞0。

11、比较器模块用于根据不同功能状态下其输入端电压的不同输出对应的信号；其中，在量化复位电压vrst时，比较器模块依据电压差δv、小斜坡vramp1、复位电压vrst输出电平信号；在快闪adc粗量化信号电压vsig时，比较器模块依据信号电压vsig输出温度计码；在单斜adc细量化信号电压vsig时，比较器模块依据大斜坡vramp2、信号电压vsig、粗量化电压vsig’输出电平信号。

12、电阻阵列模块位于存储电容模块、比较器模块之间，用于对参考电压vh、参考电压vl进行分压。

13、转码模块包括解码子模块、编码子模块，解码子模块用于将比较器模块输出的温度计码转换成4位二进制码；编码子模块用于将4位二进制码转换成高2位数字码。

14、锁存器模块用于存储高2位数字码。

15、计数器模块用于依据比较器模块输出的电平信号进行计数。

16、静态存储器模块用于在单斜adc细量化信号电压vsig时将计数器模块中的计数作为低10位数字码进行存储。

17、该种用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器实现根据本公开的实施例的方法或过程。

18、与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

19、本发明将快闪adc和单斜adc进行电路结构和功能上的融合，一方面基于快闪adc功能状态对信号电压vsig进行粗量化并存储在存储电容中、将高2位数字码转换结果存入锁存器，另一方面，基于单斜adc功能状态对信号电压vsig进行细量化得到低10位数字码并存入静态存储器，从而完成对12bit的整个转换。相比于传统单斜adc需要对信号电压vsig进行12bit量化，本发明的转换器可以缩短量化时间，并提高转换速度。

技术特征：

1.一种用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，所述公共开关模块包括：开关ss7、s8；其中，

3.根据权利要求2所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，所述pga模块包括3个可编程增益放大器；其中，

4.根据权利要求3所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，所述内置开关模块包括：开关s1～s7、s9～s11、ss1～ss6、sc1～sc3、sf1～sf8；所述比较器模块包括：比较器comp1～comp3；所述计数器模块包括3个计数器；

5.根据权利要求4所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，所述存储电容模块包括：电容c1～c3；其中，

6.根据权利要求5所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，所述锁存器模块包括3个锁存器；其中，

7.根据权利要求6所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，在复位时，s4～s8闭合；c1、c2、c3的上极板连通参考电压vl，下极板连通参考电压vl’；c1、c2、c3进行充电，上下极板的电压差为δv。

8.根据权利要求7所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，在量化复位电压vrst时，sc1～sc3、ss1～ss7闭合；3个采样保持电路均输出复位电压vrst＝vl；vl作为3个比较器的同相输入端电压；斜坡发生器产生小斜坡vramp1；

9.根据权利要求8所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，在快闪adc粗量化信号电压vsig时，sf1～sf8、s8闭合，ss1～ss7、sc1、sc2、sc3断开，第1个采样保持电路输出信号电压vsig1，第2个采样保持电路输出信号电压vsig2，第3个采样保持电路输出信号电压vsig3；

10.根据权利要求9所述的用于cmos图像传感器的两步式列级模数转换器，其特征在于，在单斜adc细量化信号电压vsig时，sc1～sc3、ss1～ss7闭合；第1个采样保持电路输出信号电压vsig1、并作为第1个比较器的同相输入端电压；

技术总结
本发明涉及模数转换器技术领域，更具体的，涉及一种用于CMOS图像传感器的两步式列级模数转换器。本发明的两步式列级模数转换器包括：公共开关模块、斜坡发生器、N个相同结构的列级电路单元。本发明将快闪ADC和单斜ADC进行电路结构和功能上的融合，一方面基于快闪ADC功能状态对信号电压Vsig进行粗量化并存储在存储电容中、将高2位数字码转换结果存入锁存器，另一方面，基于单斜ADC功能状态对信号电压Vsig进行细量化得到低10位数字码并存入静态存储器，从而完成对12bit的整个转换。本发明的转换器可以缩短量化时间，并提高转换速度，解决了现有传统单斜ADC转换速度低、量化时间长、转换周期长的问题。

技术研发人员：王甲飞,俞书航,杜妍,李文浩,郭益新,李超凡,石冰清,强斌,彭春雨,蔺智挺,吴秀龙
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15