[发明专利]模数转换器

说明书

技术领域

本发明通常涉及模拟信号到数字信号的转换，更具体地说涉及对图像传感器发出的信号的转换。

背景技术

模数转换器用在图像传感器之中，以便将表示由光电二极管所感测的光线强度的模拟信号转换成要在数字电路中进行存储和处理的数字信号。以数字形式存储的信息的精度不仅取决于模拟电路的精度，而且取决于这个模拟信号被转换成的二进制位数。然而，转换器的二进制位数越大，所述转换器占用的空间就越大、或者转换时间就越长、或者二者皆有。

两类噪声很可能影响到转换器的信噪比。对于低电平信号来说，与获取电路有关、且与信号电平无关的所谓的读噪声起主要作用。这个噪声的电平决定了最低有效位的模拟当量。与信号有关的噪声也加入其中。被称作是散粒噪声的这一噪声与传感器收到的电子数的平方根成比例。

在图像传感器中，转换器通常被分配到传感器的每一像素列，以及对相同行的像素同时进行转换。因此，当转换二进制位的数目增大时，产生的结果增大要乘以列数，处理时间增大要乘以行数。

在模拟信号侧，一旦读噪声变为小于散粒噪声，那么信噪比等于N/√N，其中，N表示传感器所接收到的电子数。

已经给出，通过改变斜坡转换器的斜坡斜率将图像传感器中的散粒噪声考虑在内。这相当于，与低电平信号相比，对高电平信号设定粗糙分辩率。实际上，在测量周期之内，斜坡斜率随时间而增大。这种方法在M.F.Snoeij等人(Delft技术大学)于2005年6月发表的文章“A Low-PowerColumn-Parallel 12-bit ADC for CMOS Imagers”中进行了描述。

对于给定体积而言，可变斜坡的方法没有增大由转换器提供的二进制位的数目，但它的优点在于及时降低了量化电平数。此外，转换比较器的响应时间取决于斜坡斜率。因而，可变斜坡可能产生量化误差。

需要能够增大模数转换器的分辩率而不必增加其复杂性或处理时间。

例如，越来越希望由图像传感器提供的数字信号从10位过渡到12位。

发明内容

对于，本发明目的是克服其中噪声取决于信号幅值的应用中已知模数转换器的全部或部分缺点。本发明的优点之一是增大了模数转换器的位数、但不会过度地增加其复杂性或其处理时间。另一个优点是尤其适合于图像传感器的解决方案。

为实现全部或部分的这些优点及其他优点，本发明提供了一种对n位模拟信号进行模数转换的方法，其包括：将模拟信号的幅值与阈值进行比较，所述阈值表示全幅(full-scale)模拟信号的幅值除以2^k，其中，k是小于n的整数；如果比较步骤的结果显示输入信号的幅值大于阈值，则执行对n-k位模拟信号的模数转换以得到n位二进制字的n-k个最高有效位，否则，得到该二进制字的n-k个最低有效位。

根据另一实施例，n-k位的模数转换采取等于Vref/2^(k*(1-R))的值为全幅值，因此，在n-k上转换的量化电平为Vref/2^(n-k*R)，其中，如果模拟信号的幅值小于或等于阈值，那么R表示取值为0的二进制变量，否则表示取值为1的二进制变量；n位二进制字通过将n-k位的所述转换的结果乘以2^(k*R)而形成。

根据另一实施例，如果输入信号幅值大于阈值，则n位二进制字的k个最低有效位是随机获得的。

根据又一个实施例，本发明还提供了一种针对n位模拟信号的模数转换器，其包括：比较元件，用于将模拟信号的幅值与阈值进行比较，所述阈值表示全幅(full-scale)模拟信号的幅值除以2^k，其中，k是小于n的整数；以及，模数转换元件，如果比较步骤的结果显示输入信号的幅值大于阈值，则其用于执行对n-k位模拟信号的模数转换以得到n位二进制字的n-k个最高有效位，否则，得到该二进制字的n-k个最低有效位。

根据另一个实施例，所述转换器进一步包括：存储元件，用于存储由比较元件提供的二进制数据R，如果模拟信号的幅值大于阈值，则R等于1；以及至少一个第一数字元件，其能够通过将n-k位转换的元件的输出端所获得的值乘以2^k*R以形成n位二进制字，n-k位转换的模数元件的全幅被调整为Vref/2^(k*R)。

根据另一实施例，所述转换器进一步包括：第二数字元件，在二进制数据R为1的情况下，能够将由第一数字元件提供的n位二进数加上随机数，第二数字元件的输出端构成了转换器的输出端。