一種模數轉換器及其控制方法
2023-05-03 01:23:56 2
專利名稱：一種模數轉換器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及微電子學的集成電路設計技術領域，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器用的模數轉換器及其控制方法。
背景技術：
當前數字處理技術蓬勃發展，但自然界存在的都是模擬信號，所以將模擬信號轉換成數位訊號的ADC被廣泛的應用。比如，數位相機中，圖像傳感器將光信號轉換成模擬電信號，然後就需要ADC將模擬電信號轉換成數位訊號，以供數字圖像處理器處理。
常用的ADC根據其結構可分為全並行ADC、半並行ADC、插值ADC、和∑-ΔADC和流水線ADC等。在全並行ADC、半並行ADC、插值ADC的轉換速度很高，但轉換精度叫低。∑-ΔADC的轉換精度最高，但轉換的速度較低。流水線ADC具有高速和高精度的特點。圖像傳感器需要較高的精度和速度，因此流水線ADC被廣泛的應用於圖像傳感器。
一般的流水線ADC的比較範圍是固定的，並且不對輸入的模擬信號做處理，就直接轉換。但在不同的場景，圖像傳感器的模擬輸出有較大的差異。因此不能保證在不同的場景圖像傳感器的模擬輸出都與流水線ADC的比較範圍吻合，影響圖像傳感器數字輸出的動態範圍，使得圖像不飽和。
在普通流水線ADC中，如圖1所示由以下模塊構成採樣保持器101、各級子電路1021、1022，...102N、模數轉換電路104、參考電壓源105、糾正編碼電路106、時鐘產生電路107。子電路1021，1022，...102N的基本功能結構相同，包含三部分電路模數轉換電路(102a，103a，...10Na)、數模轉換電路(102b，103b，...10Nb)和採樣保持求差放大器(102c，103c，...10Nc)。可以根據不同的要求，可調整每一級子電路的分辨精度。
差分輸入信號VS1和VS2被採樣保持器101，採樣並保持。通用流水線ADC中第一級採樣保持器的作用是採集輸入模擬信號，並保持差分模擬信號之差，為下一級子電路1021提供模擬輸入，不提供放大作用。
在採樣保持器101的保持階段，採樣保持器101輸出模擬信號(sa1p、sa1n)給模數轉換電路102a，模數轉換電路102a將模擬信號量化，並將量化後的數位訊號輸入到糾正編碼電路106和數模轉化電路102b中。數模轉化電路102b將數位訊號轉化為差分的模擬信號(da1p、da1n)，輸入到採樣保持求差放大器102c中，與採樣保持器101輸出的差分模擬輸出信號(sa1p、sa1n)求差。採樣保持求差放大器102c輸出差分模擬信號sa2p-sa2n＝K*((sa1p-da1p)-(sa1n-da1n))。K是採樣保持求差放大器102c的放大倍數，K的放大倍數與模數轉化電路102a的量化位數有關，假設量化位數是s，則K＝2s-1。在採樣保持求差放大器102c的保持階段，採樣保持求差放大器102c為下一級子電路1022輸出差分模擬信號sa2p、sa2n。
以後各級子電路1022，...102N的工作原理與1021相同。
最後一級子電路102N的輸出差分模擬信號saNp、saNn給模數轉換電路104。模數轉換電路104將該差分信號轉化成數位訊號，提供給糾正編碼電路106。
參考電壓源105分別給採樣保持器101、各級子電路1021、1022、...102N和模數轉換電路104提供參考電壓。通用流水線ADC結構的參考電壓源的結構圖如圖2所示。帶隙基準源電路1051產生1.25V電位，並輸入到運算放大器正輸入端。在n1點產生電壓
V(n1)＝1.25*(1+R1/R2)節點n1上的電平通過緩衝器1054傳輸到n2，然後由分壓電阻R3、R4和R5分壓，在n3和n4產生所需電平。節點n2、n3和n4的電平通過緩衝器1056、1057和1058輸出電平VREFT、VCM和VREFB，分別提供流水線ADC所需的上限電平、共模電平和下限電平。
糾正編碼電路106是流水線ADC中的數字模塊，它根據各級子電路1021、1022、...102N和模數轉換電路104輸出的數位訊號，進行糾正編碼。
上述的通用流水線ADC結構的採樣保持器101的增益是固定增益1。圖像傳感器在不同的場景(白天、夜晚、雪地等)，CDS的輸出電平有很大的差異。如果採用通用流水線結構的採樣保持器101的結構，將會影響圖像傳感器輸出的動態範圍。通用流水線ADC中的參考電壓源105為流水線ADC各個部分提供固定的電壓。同樣CDS的輸出電平隨場景變化有較大的變化，參考電壓源105提供固定電壓，不可能與各種場景下的CDS輸出都吻合，從而影響圖像傳感器輸出的動態範圍，影響圖像質量。
發明內容
鑑於上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種模數轉換器及其控制方法，保證圖像傳感器的模擬輸出與流水線ADC很好的吻合，提高圖像傳感器數字輸出的動態範圍，提高圖像質量。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種模數轉換器，應用於圖像傳感器，包括採樣保持器、模數轉換電路、參考電壓源、糾正編碼電路、時鐘產生電路及各級子電路；所述的採樣保持器採用可編程增益放大器；所述的參考電壓源採用輸出可控電壓源；所述的模數轉換器還包括
控制模塊根據圖像傳感器採集的數據，輸出控制信號控制可編程增益放大器與輸出可控電壓源。
所述的可編程增益放大器的模擬輸入端接模擬差分輸入端；模擬輸出端接下級子電路的模擬輸入端；數位訊號控制端接控制模塊的輸出控制信號。
所述的控制可編程增益放大器的控制模塊輸出控制信號包括輸入電容控制信號和反饋電容控制信號。
所述的可編程增益放大器有採樣狀態與保持狀態兩個狀態所述的輸出可控電壓源控制端接控制模塊的輸出控制信號。
所述的控制可控電壓源的控制模塊的輸出控制信號包括電壓控制信號。
所述的控制模塊包括數據採集模塊採集圖像傳感器的數據；數據判斷模塊根據數據採集模塊所採集圖像傳感器的數據是否在合適的範圍內；判斷控制模塊的輸出控制信號是否正確；數據調整模塊根據數據的大小調整控制模塊的輸出控制信號的大小，直到控制模塊的輸出控制信號正確。
一種模數轉換器的控制方法，包括採集一幀圖像傳感器的數據，並根據該幀數據確定控制模塊的輸出控制信號是否正確，如正確則保持控制模塊的輸出控制信號不變，否則調整控制模塊的輸出控制信號的大小，直到控制模塊的輸出控制信號正確。
所述的調整控制模塊的輸出控制信號的大小過程包括A、如該幀數據偏小，則判斷輸入電容控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟B，否則，增加輸入電容控制信號的值；B、判斷反饋電容控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟C，否則，減小反饋電容控制信號的值；C、判斷電壓控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟D，否則，減小電壓控制信號的值；D、調整可編程增益放大器與輸出可控電壓源的設計參數。
所述的調整控制模塊的輸出控制信號的大小過程包括E、如該幀數據偏大，則判斷輸入電容控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟F，否則，減小輸入電容控制信號的值；F、判斷反饋電容控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟G，否則，增加反饋電容控制信號的值；G、判斷電壓控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟H，否則，增加電壓控制信號的值；H、調整可編程增益放大器與輸出可控電壓源的設計參數。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明在一般流水線ADC的基礎上，集成可編程增益放大器(PGA)和輸出可控電壓源，保證圖像傳感器的模擬輸出與流水線ADC很好的吻合，提高圖像傳感器數字輸出的動態範圍，提高圖像質量。
圖1為現有技術的模數轉換器結構示意圖；圖2為現有技術的模數轉換器的參考電壓源的結構圖；圖3為本發明所述的模數轉換器結構示意圖；圖4為本發明所述的模數轉換器結構的可編程增益放大器結構示意圖一；圖5為本發明所述的模數轉換器結構的可編程增益放大器結構示意圖二；圖6為本發明所述的模數轉換器結構的輸出可控電壓源結構示意圖；圖7為本發明所述的控制模塊的控制流程圖。
具體實施例方式
本發明將通用流水線ADC中的採樣保持器101改為可編程增益放大器(PGA)，同時將參考電壓源105改為輸出可控電壓源，改善圖像傳感器的動態範圍。
本發明的結構如圖3所示，本發明的流水線ADC由以下模塊構成可編程增益放大器(PGA)201、各級子電路2021、2022，...202N(N≥2)、模數轉換電路204、輸出可控電壓源205、糾正編碼電路206、時鐘產生電路207和控制模塊208。子電路2021，2022，...202N的基本功能結構相同，包含三部分電路模數轉換電路(202a，203a，...20Na)、數模轉換電路(202b，203b，...20Nb)和採樣保持求差放大器(202c，203c，...20Nc)。可以根據不同的要求，調整每一級子電路的分辨精度。採用本發明，能夠根據圖像傳感器拍攝的場景差異，由控制模塊208輸出相應的數字控制信號輸入電容控制信號CTRL1、反饋電容控制信號CTRL2和電壓控制信號CTRL3，分別調節可編程增益放大器(PGA)201的放大倍數和輸出可控電壓源205輸出電壓，使ADC的轉化範圍能與CDS的輸出範圍吻合，從而提高圖像傳感器輸出動態範圍。
本發明可編程增益放大器(PGA)201的模擬輸入端分別接模擬差分輸入VS1和VS2，可編程增益放大器(PGA)201的模擬輸出端分別接下級子電路2021的模擬差分輸入sa1p和sa1n上，可編程增益放大器(PGA)201的數字控制信號接到控制模塊208的輸出信號上。
本發明的可編程增益放大器(PGA)201可採用圖4的結構。PGA有兩個工作狀態1採樣狀態，2保持狀態。
在採樣狀態，開關2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015閉合；開關2013p、2013n和2018斷開。差分輸入信號VS1和VS2通過開關2011p、2011n分別輸入到可變電容2016p和2016n上，給可變電容2016p和2016n充電。同時，可變電容2017p和2017n通過開關2014p和2014n接到VCM點。電容2016p和2017p上存儲的電荷量之和為Qp＝Cs(VS1-Vincom)+Cf(VCM-Vincom)(1)電容2016n和2017n上存儲的電荷量之和為Qn＝Cs(VS2-Vincom)+Cf(VCM-Vincom)(2)進入保持狀態，開關2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015斷開；開關2013p、2013n和2018閉合。節點n1和n2分別接到運算放大器2019的正、負輸入端，運算放大器在閉環放大階段，正負兩端的電平近似相等，所以假設V(n1)＝V(n2)＝VX1。開關2018閉合，開關兩端電平相等，設為VX2。
因此保持階段，存儲在電容2016p和2017p上的電荷之和為Qp′＝Cs(VX2-VX1)+Cf(Voutp-VX1) (3)電容2016n和2017n上存儲的電荷量之和為Qn′＝Cs(VX2-VX1)+Cf(Voutn-VX1) (4)由於開關2011p、2011n、2012p、2012n、2014p、2014n和2015斷開。保持階段和採樣階段，電容2016p和2017p上的電荷之和與電容2016n和2017n上存儲的電荷量之和相同，即Qn′＝Qn，Qp′＝Qp因此，Voutp-Voutn＝(VS1-VS2)Cs/Cf (5)可編程增益放大器(PGA)201的增益G＝(Voutp-Voutn)/(VS1-VS2)＝Cs/Cf，可以通過調節可變電容2016p、2016n、2017p和2017n的值實現。可變電容2016p、2016n、2017p和2017n的電容值由數位訊號CTRL1和CTRL2控制圖4中可變電容的電容值由控制模塊208輸出的數位訊號CTRL1和CTRL2控制。可變電容2016p、2016n、2017p和2017n的電路結構相同，如圖5所示，它由電容值是二進位權重的電容陣列和與之相連的開關組成。可變電容2016p和2016n的控制端CTRL與CTRL1相連，2017p和2017n的控制端CTRL與CTRL2相連，CTRL1和CTRL2的位數可以根據需要調整，兩者位數不必相等。可變電容的控制端CTRL信號分別控制開關sw1_0、sw1_1、sw1_2，...sw1_n和sw2_0、sw2_1、sw2_2，...sw2_n。
輸出可控電壓源205的結構如圖6所示。帶隙基準源電路2051產生不隨溫度和電壓變化的電位Vb，並輸入到運算放大器正輸入端。在n1點的電壓V(n1)＝Vb*(1+R1/R2)。節點n1上的電平通過緩衝器2054傳輸到VCM，作為PGA 201與各級子電路的VCM電平。同時帶隙基準源電路2051輸出不隨溫度和電壓變化的電流Ib。電流經過由MOS管205M3
、205M3[1]、...205M3[n]和開關sw
、sw[1]、...sw[n]組成的可編程鏡像電流源，產生Io＝(j+k)*Ib，其中k等於MOS管205M2的W/L與MOS管205M1的W/L的比值，j的值由MOS管205M3
、205M3[1]、...205M3[n]的W/L與MOS管205M1的W/L的比值和控制信號CTRL3決定。MOS管205M3
、205M3[1]、...205M3[n]的W/L與MOS管205M1的W/L的關係可以根據控制的需要確定。假設MOS管205M2、205M3
、205M3[1]、...205M3[n]的W/L與MOS管205M1的W/L的比值為別為1、1、2、...2n-1，控制信號CTRL3值是010...0，則Io1＝(j+k)*Ib＝(2+1)*Ib。Io1經過205M7、205M6與205M5，205M3與205M4的鏡像產生鏡像電流Io，Io＝Io1。節點n2經過緩衝器2055輸出電平VREFT，節點n3經過緩衝器205輸出電平VREFB。
其中VREFT＝VCM+Io*R3＝VCM+(j+k)*R3(6)VREFB＝VCM-Io*R4＝VCM-(j+k)*R4 (7)根據圖像傳感器拍攝的場景，由控制模塊208輸出控制信號CTRL3，通過調節調節電流Io，從而得到與CDS輸出相吻合的VREFT和VREFB。
控制模塊208的結構包括數據採集模塊、數據判斷模塊與數據調整模塊，其中數據採集模塊採集圖像傳感器的數據；數據判斷模塊根據數據採集模塊所採集圖像傳感器的數據是否在合適的範圍內；判斷控制模塊的輸出控制信號是否正確；數據調整模塊根據數據的大小調整控制模塊的輸出控制信號的大小，直到控制模塊的輸出控制信號正確。
控制模塊208的控制流程如圖7所示。首先採集一幀數據(802)，判斷這幀數據的範圍是否合適(804)，如果合適說明控制模塊208輸出的控制信號CTRL1、CTRL2和CTRL3是正確的，保持CTRL1、CTRL2和CTRL3不變(805)。並進行下一幀數據採集(820)。
當判斷出數據偏小，則需判斷CTRL1是否最大值(806)，如果CTRL1不是最大值，控制模塊208增加CTRL1的值，並保持CTRL2和CTRL3的值(807)。如果CTRL1是最大值，表明可變電容2011p、2011n的電容值已經最大，再判斷CTRL2是否最小值(808)，如果CTRL2不是最小值，則保持CTRL1和CTRL3的值，減小CTRL2的值(809)。如果CTRL2是最小值，表明可變電容2017p和2017n的電容值已經是最小了，這時可編程增益放大器(PGA)201的增益最大，需要調節輸出可控電壓源205。判斷CTRL3是否是最小值(810)，如果不是，則減小CTRL3的值，保持CTRL1和CTRL2的值(811)。如果CTRL3是最小值，調節輸出可控電壓源205的輸出電壓VREFT-VREFB已是最小值，說明整個流水線ADC的輸出是最大值了，保持CTRL1、CTRL2、CTRL3不變(812)。有兩個原因可造成這種狀況1、拍攝的場景非常暗，CDS的輸出電平很低，造成輸出數據較小，這種情況是正常的；2、可編程增益放大器(PGA)201的增益不夠大，輸出可控電壓源205的輸出電壓VREFT-VREFB太大，設計合理的可編程增益放大器(PGA)201的增益和輸出可控電壓源205的輸出電壓VREFT-VREFB可以解決這個問題。
當判斷出數據偏大，則需判斷CTRL1是否最小值(813)，如果CTRL1不是最小值，控制模塊208減小CTRL1的值，保持CTRL2和CTRL3的值(814)。如果CTRL1是最小值，表明可變電容2011p、2011n的電容值已經最小，再判斷CTRL2是否最大值(815)，如果CTRL2不是最大值，則保持CTRL1和CTRL3的值，增加CTRL2的值(816)。如果CTRL2是最大值，表明可變電容2017p和2017n的電容值已經是最大了，這時可編程增益放大器(PGA)201的增益最小，需要調節輸出可控電壓源205。判斷CTRL3是否是最大值(817)，如果不是，則增加CTRL3的值，保持CTRL1和CTRL2的值(818)。如果CTRL3是最大值，調節輸出可控電壓源205的輸出VREFT-VREFB已是最大值，說明整個流水線ADC的輸出是最小值了，保持CTRL1、CTRL2、CTRL3不變(819)。這種情況是可編程增益放大器(PGA)201的最小增益太大，輸出可控電壓源205的輸出電壓VREFT-VREFB最大值太小，合理設置可編程增益放大器(PGA)201的最小增益和輸出可控電壓源205的輸出電壓VREFT-VREFB最大值可以解決這個問題。
控制模塊208調節完畢後，再採集數據(820)，並輸出數據(821)。
通過調節本發明的可編程增益放大器(PGA)201的增益和輸出可控電壓源205的輸出電壓範圍，使得ADC可以轉換的模擬電路範圍很好的與圖像傳感器拍攝的場景吻合，從而提高了圖像傳感器的輸出動態範圍，改善圖像質量。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種模數轉換器，應用於圖像傳感器，包括採樣保持器、模數轉換電路、參考電壓源、糾正編碼電路、時鐘產生電路及各級子電路；其特徵在於所述的採樣保持器採用可編程增益放大器；所述的參考電壓源採用輸出可控電壓源；所述的模數轉換器還包括控制模塊根據圖像傳感器採集的數據，輸出控制信號控制可編程增益放大器與輸出可控電壓源。
2.根據權利要求書1所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的可編程增益放大器的模擬輸入端接模擬差分輸入端；模擬輸出端接下級子電路的模擬輸入端；數位訊號控制端接控制模塊的輸出控制信號。
3.根據權利要求書1或2所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的控制可編程增益放大器的控制模塊輸出控制信號包括輸入電容控制信號和反饋電容控制信號。
4.根據權利要求書1或2所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的可編程增益放大器有採樣狀態與保持狀態兩個狀態
5.根據權利要求書1所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的輸出可控電壓源控制端接控制模塊的輸出控制信號。
6.根據權利要求書1所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的控制可控電壓源的控制模塊的輸出控制信號包括電壓控制信號。
7.根據權利要求書1所述的一種模數轉換器，其特徵在於，所述的控制模塊包括數據採集模塊採集圖像傳感器的數據；數據判斷模塊根據數據採集模塊所採集圖像傳感器的數據是否在合適的範圍內；判斷控制模塊的輸出控制信號是否正確；數據調整模塊根據數據的大小調整控制模塊的輸出控制信號的大小，直到控制模塊的輸出控制信號正確。
8.一種模數轉換器的控制方法，其特徵在於，包括採集一幀圖像傳感器的數據，並根據該幀數據確定控制模塊的輸出控制信號是否正確，如正確則保持控制模塊的輸出控制信號不變，否則調整控制模塊的輸出控制信號的大小，直到控制模塊的輸出控制信號正確。
9.根據權利要求書8所述的一種模數轉換器的控制方法，其特徵在於，所述的調整控制模塊的輸出控制信號的大小過程包括A、如該幀數據偏小，則判斷輸入電容控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟B，否則，增加輸入電容控制信號的值；B、判斷反饋電容控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟C，否則，減小反饋電容控制信號的值；C、判斷電壓控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟D，否則，減小電壓控制信號的值；D、調整可編程增益放大器與輸出可控電壓源的設計參數。
10.根據權利要求書8所述的一種模數轉換器的控制方法，其特徵在於，所述的調整控制模塊的輸出控制信號的大小過程包括E、如該幀數據偏大，則判斷輸入電容控制信號是否已經為最小值，如是執行步驟F，否則，減小輸入電容控制信號的值；F、判斷反饋電容控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟G，否則，增加反饋電容控制信號的值；G、判斷電壓控制信號是否已經為最大值，如是執行步驟H，否則，增加電壓控制信號的值；H、調整可編程增益放大器與輸出可控電壓源的設計參數。
全文摘要
本發明公開了一種模數轉換器，應用於圖像傳感器，包括採樣保持器、模數轉換電路、參考電壓源、糾正編碼電路、時鐘產生電路及各級子電路；所述的採樣保持器採用可編程增益放大器；所述的參考電壓源採用輸出可控電壓源；所述的模數轉換器還包括控制模塊根據圖像傳感器採集的數據，輸出控制信號控制可編程增益放大器與輸出可控電壓源。保證圖像傳感器的模擬輸出與流水線ADC很好的吻合，提高圖像傳感器數字輸出的動態範圍，提高圖像質量。
文檔編號H04N5/335GK1889626SQ20051012612
公開日2007年1月3日 申請日期2005年11月30日 優先權日2005年11月30日
發明者程傑, 趙建波 申請人:北京思比科微電子技術有限公司