一種用于圖像傳感器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體圖像感測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種圖像傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及 其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將像素信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。傳統(tǒng)的圖像傳感器 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器如斜坡型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行N位的模數(shù)轉(zhuǎn)換時至少需要2N次時鐘計數(shù)，如圖 1所示。這樣在進(jìn)行較高位數(shù)的轉(zhuǎn)換時，需要較長的模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，限制了圖像傳感器的幀 頻。
[0003] 進(jìn)入到圖像傳感器的感光單元中的光信號M，自身帶有光離散噪聲，其噪聲大小為
當(dāng)光信號較強(qiáng)時，其自身帶有的離散噪聲也會同時增加。
[0004] 在 M. F. Snoeij el al.的文章 "Multiple-Ramp Column-Parallel ADC Architec tures for CMOS image Sensors"中，一種利用光離散噪聲的兩級模數(shù)轉(zhuǎn)換方案被提出。其 基本原理如錯誤！未找到引用源。所示。在第一級將輸入信號與幾個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較， 進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換，輸出轉(zhuǎn)換信號的高位數(shù)據(jù)。第二級轉(zhuǎn)換用于將輸入信號與某一基準(zhǔn)信號的差 值進(jìn)行細(xì)轉(zhuǎn)換，輸出轉(zhuǎn)換信號的低位數(shù)據(jù)。在第二級轉(zhuǎn)換過程中，所采用斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換的斜 坡斜率不同，信號越大，所用斜坡斜率越高，第二級轉(zhuǎn)換的量化噪音越大，其轉(zhuǎn)換同等電壓 范圍的所需要的時間越小。盡管第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換在采用高斜坡斜率時量化噪音較大，但由 于此時輸入信號的光離散噪音也比較大，所以并不會帶來圖像質(zhì)量的下降。
[0005] 相較于傳統(tǒng)的斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種利用到光噪聲的兩級模數(shù)轉(zhuǎn)換方案能大大提 高模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度，但是由于第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換需要多個不同斜率的斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器，增加 了設(shè)計的復(fù)雜性，并且當(dāng)?shù)谝患壞?shù)轉(zhuǎn)換器因為噪聲等原因出現(xiàn)錯誤的轉(zhuǎn)換時，第二級模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計需要保證能夠進(jìn)行糾錯，否者就會出現(xiàn)漏碼等現(xiàn)象。
[0006] 多路第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時使用時，因為每路模數(shù)轉(zhuǎn)換器在時間轉(zhuǎn)化過程中使用 的第二級斜坡斜率不一樣，這也會帶來較大的固定模式噪音。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、固定模式噪音小的用于圖像傳感 器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方法及其裝置。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于圖像傳感器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方法如下：
[0009] 步驟一、利用第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換將接收的像素信號與多個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，根據(jù) 比較結(jié)果輸出相應(yīng)的高位數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟二、根據(jù)第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的高位數(shù)據(jù)選擇增益放大倍數(shù)，當(dāng)像素信號電 壓較高時，對像素信號進(jìn)行較低增益的放大，當(dāng)像素信號電壓較低時，對像素信號進(jìn)行較高 增益的放大，使得放大后的像素信號處于第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)定的電壓范圍內(nèi)；
[0011] 步驟三、對步驟二放大的像素信號進(jìn)行二級模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出低位數(shù)據(jù)。
[0012] 所述步驟三中，對放大的像素信號進(jìn)行二級模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出低位數(shù)據(jù)的同時，還可 以對下一周期像素信號進(jìn)行第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出高位數(shù)據(jù)并根據(jù)高位數(shù)據(jù)對像素信號進(jìn) 行相應(yīng)倍數(shù)的放大。
[0013] 實現(xiàn)上述用于圖像傳感器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的裝置包括第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多 增益放大器和第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器；像素信號輸入到第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多增益放大器；第 一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的多個輸出連接到外部及多增益放大器的相應(yīng)輸入；多增益放大器的輸出 連接到第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0014] 所述第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器將像素信號與多個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出 相應(yīng)的高位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸出到外部及多增益放大器。多增益放大器根據(jù)第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換 器輸出的高位數(shù)據(jù)對接收的像素信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大并輸出放大后的像素信號，當(dāng)像 素信號電壓較高時，對像素信號進(jìn)行較低增益的放大，當(dāng)像素信號電壓較低時，對像素信號 進(jìn)行較高增益的放大，使得放大后的像素信號處于第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)定的電壓范圍內(nèi)。 第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器對放大后的像素信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出低位數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)第一 級模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的高位數(shù)據(jù)判斷像素信號的放大倍數(shù)，并據(jù)此對第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出 的像素數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終得到與像素信號對應(yīng)的像素數(shù)據(jù)。
[0015] 所述第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0016] 所述第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0017] 所述第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器還可以采用全并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0018] 所述第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器還可以采用逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0019] 本發(fā)明還包括采樣保持電路，所述采樣保持電路連接于多增益放大器與第二級模 數(shù)轉(zhuǎn)換器之間。
[0020] 采用本發(fā)明二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器對像素信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，可以進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換。即將像 素信號輸入到第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果選擇某一檔的增益進(jìn)行放 大，然后將放大后的結(jié)果送入到第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這種串行轉(zhuǎn)換方式中，信 號轉(zhuǎn)換所需經(jīng)過的三級依次工作，設(shè)計相對簡單但花費時間相對較長。
[0021] 為了更進(jìn)一步減少模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，本發(fā)明在多增益放大器與第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器之 間放置采樣保持電路，當(dāng)像素信號經(jīng)第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換和增益放大后，由采樣保持電路保持 輸入到第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的像素信號電壓不變，由第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多增益放大器輸出 的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器對放大后的像素信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的同時，由第 一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多增益放大器對下一周期像素信號進(jìn)行第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大。這樣， 第二級轉(zhuǎn)換與前兩級并行工作，進(jìn)一步減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，提高了轉(zhuǎn)換效率。
[0022] 本發(fā)明中第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍固定，其量化噪聲大小也固定。當(dāng)輸 入像素信號較小時，多增益放大器的倍數(shù)較大，因此等效到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的量化噪聲 較小。當(dāng)輸入像素信號較大時，多增益放大器的倍數(shù)較小，因此等效到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的 量化噪聲較大，但只要保證該等效量化噪聲小于輸入像素信號的光離散噪聲，即可保證圖 像質(zhì)量不受影響。
[0023] 本發(fā)明的有益效果：
[0024] 1、當(dāng)輸入信號較小時，多增益放大器使用較高增益，除了第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量 化噪聲外，其他電路噪聲等效到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端時也會大大減小，極大的提高了傳感 器的暗場讀出噪聲性能。采用這樣的M+N位兩級模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到比傳統(tǒng)的M+N位模數(shù) 轉(zhuǎn)換器大的多的動態(tài)范圍。
[0025] 2、對電壓較高的像素信號進(jìn)行較低增益的放大，電壓較低的像素信號進(jìn)行較高增 益的放大，使得放大后的像素信號均處于第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)定的電壓范圍內(nèi)，這樣即使 第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)誤判，也不會出現(xiàn)漏碼等情況，不需要額外的設(shè)計來保證。
[0026] 3、第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)較為靈活，不僅可以采用斜坡模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也可以采 用其他的比如逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器等等。
[0027] 4、第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換斜率固定，只需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可，大大簡化了傳感器的 結(jié)構(gòu)，減小了固定模式噪音。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029] 圖1是傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法示意圖。
[0030] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的"一種利用光離散噪聲的兩級模數(shù)轉(zhuǎn)換方法"示意圖。
[0031] 圖3a是用于圖像傳感器的高速模數(shù)串行轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)框圖，圖3b是采用本發(fā) 明進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換的示意圖。
[0032] 圖4a是用于圖像傳感器的高速模數(shù)并行轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)框圖，圖4b是采用本發(fā) 明進(jìn)行并行轉(zhuǎn)換的示意圖。
[0033] 圖5是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)框圖。
[0034] 圖6是本發(fā)明實施例1中數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)換過程示意圖。
[0035] 圖7是實施例2的結(jié)構(gòu)框圖。
[0036] 圖8a是實施例2第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大過程示意圖。圖8b實施例2第二級模數(shù) 轉(zhuǎn)換過程示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 如圖3a所示，本發(fā)明的用于圖像傳感器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包括第一級模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，多增益放大器和第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器。像素信號輸入到第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多增益放 大器；第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有與一個或多個基準(zhǔn)電壓對應(yīng)的輸出端；第一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器將 像素信號與一個或多個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果得到對應(yīng)的Μ位高位數(shù)據(jù)。Μ位高 位數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的輸出端輸出到外部及多增益放大器的對應(yīng)輸入端；多增益放大器的輸出 連接到第二級模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0038] 采用上述裝置對像素信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，可以進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換。其過程如