[发明专利]模数转换和模数转换的方法

说明书

一种模数转换器(110)包括用于接收模拟信号的模拟信号输入(122)和被配置为生成一组N个放大的模拟信号的放大级(160)，其中，N是≥2的整数。所述一组N个信号具有不同的增益。ADC具有用于接收斜坡信号的斜坡信号输入(121)和用于接收至少一个时钟信号的时钟输入(143)。比较级(120)与所述一组放大的模拟信号(SigG1、SigG2)和所述斜坡信号输入(121)相连接。所述比较级(120)被配置为在转换时段期间将放大的模拟信号与斜坡信号相比较以提供比较输出。控制级被配置为在所述转换时段期间基于所述比较输出和指示何时已经达到至少一个移交点的选择输入来控制所述计数器级(140)。

技术领域

此发明涉及模数转换装置和执行模数转换的方法，其可以被用于例如对从图像传感器的像素阵列输出的模拟信号电平进行转换。

背景技术

图像传感器包括称为像素的单元元件的阵列。像素阵列在曝光时段期间被暴露于辐射，并且随后从该阵列读取每个像素的信号值。

像素信号是模拟信号。提供模数转换器(ADC)以将模拟像素信号转换为数字信号。ADC是图像传感器中的主要构建模块，并且就帧速率、动态范围和功率消耗而言通常是成像器读取模块的瓶颈。已经提出了各种布置，其中对从阵列的列读取的模拟信号值并行地执行模数转换。这有助于提高可以读取像素阵列的速度。图1示出了具有针对像素阵列的每列提供的ADC 20的图像传感器体系结构的示例。

图像传感器中的一种已知类型ADC是斜坡ADC。这被示出在图1中。斜坡生成器21生成被分配给ADC 20的斜坡信号Vramp。每个斜坡ADC 20具有比较器23，其将从像素阵列10接收到的模拟像素信号ADC_IN[0]、...、ADC_IN[N]与斜坡信号Vramp相比较。每个模数转换器20还包括计数器24，基于比较器输出在时间段内启动该计数器24。可以由在此时段期间激活的数字计数器24将此时间段转变为数字数。考虑到其主要数字本质，斜坡ADC与该技术很好地相适应。

图2示出了斜坡陡度和时钟速度对斜坡转换器的性能的影响。计数器值DN对应于输入模拟信号的数字表示。如图2(B)中所示，减小量化误差并因此的最低有效位(LeastSignificant Bit,LSB)值的一种方式是提高时钟速度。如图2(C)中所示，减小量化误差并因此的最低有效位(LSB)值的另一种方式是减小斜坡的陡度。减小斜坡陡度的显著缺点是ADC的输入范围被相应地减小。因此，ADC不能够如图2(A)的ADC那样转换相同范围的模拟信号值。

由于每个时钟周期对应于量化步长(LSB)，所以针对N位分辨率所需的时钟周期数等于2^N。例如，12位分辨率要求4096个时钟周期。即使在使用1GHz的高时钟速度时，也花费超过4μs时间来完成模数转换。由此可见，随着分辨率位数的增加，此转换器拓扑结构变得缓慢并且功率效率低。

因此，需要新的解决方案来在较高的分辨率下提高此类转换器的转换速度。

为了减少转换时间和/或降低ADC的功率消耗，已经提出了用于图像传感器ADC的光子转移曲线(PTC)方法。在论文“PTC-Based Sigma-Delta ADCs for High-Speed,Low-Noise Imagers”(Xhakoni，A.，Ha Le-Thai，T.Geurts，G.Chapinal和G.Gielen，2014，传感器期刊(Sensors Journal)，IEEE 2932-2933)中描述了示例。该原理被示出在图3中。在图4中，线A示出了信号，线B示出了光子散粒噪声，并且线C示出了量化噪声。

基于PTC的ADC在弱光下使用小的量化步长并在较强光水平下使用大的量化步长。在强光水平下，读取链的噪声由光电二极管的光子散粒噪声主导，其与信号有关。因此，强光水平下的PTC ADC的较大量化步长对SNR具有最小的影响。