模数转换器、读出电路、图像传感器及模数转换方法与流程

本技术属于模拟集成电路设计领域，尤其涉及一种模数转换器、读出电路、图像传感器及模数转换方法。

背景技术：

1、cmos(complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器凭借着其低功耗、低成本等优势，已经逐渐占据了图像采集领域的主导地位。cmos图像传感器的另一个主要优势是，它可以将像素阵列、放大器、模数转换器甚至数字信号处理系统集成在一块芯片上，具有很高的集成度。其中模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)是cmos图像传感器读出电路的重要组成部分，根据其类型一般可分为三类：像素级adc、列级adc和芯片级adc，而列级adc在像素填充因子和芯片面积、速度以及功耗上做了很好的折中，因此在低功耗、高速、高分辨率的cmos图像传感器中得到广泛应用。

2、cmos图像传感器中应用最广泛的列级adc是单斜adc(ss adc)，因为它电路简单，容易实现，且列独立电路消耗的芯片面积和功耗较小。但对于一个分辨率为n位的ss adc，完成一次量化需要2n个时钟周期，量化速度较慢，因此在高帧率、高分辨率的cmos图像传感器中，ss adc并不适用。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种模数转换器，可以解决现有ss adc量化速度慢的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种模数转换器，包括第一斜坡发生模块、第二斜坡发生模块和像素信号量化模块；所述第一斜坡发生模块和所述第二斜坡发生模块均与所述像素信号量化模块电连接；

3、所述第一斜坡发生模块，用于提供第一斜坡信号；

4、所述像素信号量化模块，用于根据所述第一斜坡信号以p分辨率对像素信号进行量化，生成第一量化结果；

5、所述第二斜坡发生模块，用于提供m段参考斜坡信号；

6、其中，所述m段参考斜坡信号中的第i段参考斜坡信号的斜率小于等于第i+1段参考斜坡信号的斜率，第i段参考斜坡信号对应以qi分辨率对所述像素信号进行量化，第i+1段参考斜坡信号对应以qi+1分辨率对所述像素信号进行量化，qi≥qi+1，q1+p＝n，i＝1、2、…、m-1，m≤2p，n为所述模数转换器的最高分辨率；

7、所述像素信号量化模块，还用于根据所述第一量化结果在所述m段参考斜坡信号中确定目标段参考斜坡信号，以及用于根据所述目标段参考斜坡信号以所述目标段参考斜坡信号对应的目标分辨率对所述像素信号进行量化，生成第二量化结果。

8、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二斜坡发生模块包括第二斜坡发生器和斜率调节模块；所述第二斜坡发生器通过所述斜率调节模块与所述像素信号量化模块电连接；

9、所述第二斜坡发生器，用于提供第二斜坡信号；

10、所述斜率调节模块，用于根据所述第二斜坡信号生成所述m段参考斜坡信号。

11、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述斜率调节模块包括n个斜坡采样电容和n个控制开关；

12、n个所述斜坡采样电容并联，且第n个所述斜坡采样电容的第一端与所述第二斜坡发生器电连接，第n个所述斜坡采样电容的第二端与所述像素信号量化模块电连接；后(n-1)个所述控制开关电连接于相邻两个所述斜坡采样电容的第一端之间，第一个所述控制开关电连接于第一个所述斜坡采样电容的第一端和参考电位之间；

13、其中，n个所述控制开关，用于根据所述第一量化结果形成不同容值的等效电容，所述斜率调节模块基于所述不同容值的等效电容采样所述第二斜坡信号，并产生所述m段参考斜坡信号，且n为大于等于2的整数。

14、在第一方面的一种可能的实现方式中，第k个所述斜坡采样电容的容值满足公式ck＝2k-2c1，其中，ck为第k个所述斜坡采样电容的容值，c1为第一个所述斜坡采样电容的容值，且k为大于等于2且小于等于n的整数。

15、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二斜坡发生模块包括m个斜坡发生器和第二开关模块，所述第二开关模块包括m个第二开关；每一个所述斜坡发生器通过一个所述第二开关与所述像素信号量化模块电连接，以提供所述m段参考斜坡信号。

16、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一斜坡发生模块包括第一斜坡发生器和第一开关，所述第一斜坡发生器通过所述第一开关与所述像素信号量化模块电连接；

17、所述第一斜坡发生器，用于提供所述第一斜坡信号；

18、所述第一开关，用于根据第一控制信号导通或断开；当所述第一开关导通时，所述第一斜坡发生器能够向所述像素信号量化模块提供所述第一斜坡信号。

19、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述像素信号量化模块包括比较单元和计数单元；所述比较单元分别与所述第一斜坡发生模块、所述第二斜坡发生模块和所述计数单元电连接；

20、所述比较单元，用于接收所述像素信号和所述第一斜坡信号，将所述像素信号和所述第一斜坡信号进行比较，并输出第一比较信号；

21、所述比较单元，还用于接收所述像素信号和所述目标段参考斜坡信号，将所述像素信号和所述目标段参考斜坡信号进行比较，并输出第二比较信号；

22、所述计数单元，用于在所述比较单元对所述像素信号和所述第一斜坡信号进行比较时以p分辨率进行计数，以及用于在所述比较单元输出的第一比较信号发生翻转时停止计数，得到所述第一量化结果；

23、所述计数单元，用于在所述比较单元对所述像素信号和所述目标段参考斜坡信号进行比较时以所述目标分辨率进行计数，以及用于在所述比较单元输出的第二比较信号发生翻转时停止计数，得到所述第二量化结果。

24、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述比较单元包括比较器；所述比较器的正输入端分别与所述第一斜坡发生模块和所述第二斜坡发生模块电连接，所述比较器的负输入端用于接收所述像素信号，所述比较器的输出端与所述计数单元电连接；和/或，所述计数单元包括计数器，所述计数器与所述比较器的输出端电连接；所述计数器用于输出所述第一量化结果和所述第二量化结果，以基于所述第一量化结果和所述第二量化结果得到所述像素信号的实际量化结果。

25、在第一方面的一种可能的实现方式中，当m＝2p时，所述m段参考斜坡信号中的每段参考斜坡信号的量化电压范围均为v为所述模数转换器的量化电压范围；

26、当m＜2p时，所述m段参考斜坡信号中各段参考斜坡信号的量化时间相同。

27、在第一方面的一种可能的实现方式中，当m＜2p时，所述m段参考斜坡信号中的每段参考斜坡信号的量化时间均为

28、在第一方面的一种可能的实现方式中，当m＜2p时，所述第一斜坡信号的2p个台阶划分成与所述m段参考斜坡信号一一对应的m个台阶组，其中，所述m个台阶组中的第i个台阶组与所述第i段参考斜坡信号对应，自第一个台阶组至第m个台阶组对应的台阶数量递增，且第i+1个台阶组的数量si+1＝2tsi，t为大于或等于0的整数，si为第i个台阶组的数量。

29、第二方面，本技术实施例提供了一种读出电路，包括如上述任一项所述的模数转换器。

30、第三方面，本技术实施例提供了一种图像传感器，包括上述所述的读出电路。

31、在第三方面的一种可能的实现方式中，当所述模数转换器包括所述斜率调节模块时，所述读出电路还包括多个第一开关、多个所述斜率调节模块和多个所述像素信号量化模块；

32、所述第一斜坡发生器分别与每个所述第一开关电连接，所述多个第一开关与所述多个所述像素信号量化模块一一对应电连接，所述第二斜坡发生器分别与每个所述斜率调节模块电连接，所述多个斜率调节模块与所述多个像素信号量化模块一一对应电连接；或者

33、当所述模数转换器包括m个斜坡发生器时，所述读出电路还包括多个所述第一开关、多个所述像素信号量化模块和多个第二开关模块；

34、所述第一斜坡发生器分别与每个所述第一开关电连接，所述多个第一开关与所述多个所述像素信号量化模块一一对应电连接，所述m个斜坡发生器分别与每个所述第二开关模块电连接，所述多个第二开关模块与所述多个所述像素信号量化模块一一对应电连接。

35、第四方面，本技术实施例提供了一种模数转换方法，应用于如上述任一项所述的模数转换器，包括：

36、第一斜坡发生模块输出第一斜坡信号；

37、像素信号量化模块根据所述第一斜坡信号以p分辨率对像素信号进行量化，生成第一量化结果；

38、第二斜坡发生模块输出m段参考斜坡信号；

39、其中，所述m段参考斜坡信号中的第i段参考斜坡信号的斜率小于等于第i+1段参考斜坡信号的斜率，第i段参考斜坡信号对应以qi分辨率对所述像素信号进行量化，第i+1段参考斜坡信号对应以qi+1分辨率对所述像素信号进行量化，qi≥qi+1，q1+p＝n，i＝1、2、…、m-1，m≤2p，n为所述模数转换器的最高分辨率；

40、所述像素信号量化模块根据所述第一量化结果在所述m段参考斜坡信号中确定目标段参考斜坡信号，以及用于根据所述目标段参考斜坡信号以所述目标段参考斜坡信号对应的目标分辨率对所述像素信号进行量化，生成第二量化结果。

41、本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

42、本技术实施例提供了一种模数转换器，其中，第一斜坡发生模块用于提供第一斜坡信号。像素信号量化模块用于根据第一斜坡信号以p分辨率对像素信号进行量化，生成第一量化结果，第一量化结果为p位的数字码值，将上述量化过程称为第一量化阶段，第一量化阶段的量化时间为2p个时钟周期。第二斜坡发生模块用于提供m段参考斜坡信号。其中，m段参考斜坡信号中的第i段参考斜坡信号的斜率小于等于第i+1段参考斜坡信号的斜率，第i段参考斜坡信号对应qi分辨率，第i+1段参考斜坡信号对应qi+1分辨率，qi≥qi+1，q1+p＝n，i＝1、2、…、m-1，m≤2p，n为模数转换器的最高分辨率。像素信号量化模块用于根据第一量化结果在m段参考斜坡信号中确定第i段参考斜坡信号为目标段参考斜坡信号，目标段参考斜坡信号对应的目标分辨率为qi，像素信号量化模块用于根据目标段参考斜坡信号以目标分辨率qi对像素信号进行量化，生成第二量化结果，第二量化结果为qi位的数字码值，将上述量化过程称为第二量化阶段，第二量化阶段的量化时间为个时钟周期，基于第一量化结果和第二量化结果得到像素信号对应的实际量化结果。整个量化过程所需的时间为个时钟周期，而传统ss adc的整个量化过程所需的时间为2n个时钟周期，相比于传统ss adc，本技术实施例提供的模数转换器通过调整模数转换器的分辨率，提高了量化速度，减少了量化时间，相应地降低了功耗。

43、可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。