单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法与流程

本发明涉及cmos图像传感器读出电路领域，特别是涉及一种单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法。

背景技术：

1、cmos图像传感器具有低电压、低功耗、低成本以及高集成度等优势，在机器视觉、消费电子、高清监控和医学成像等领域具有重要应用价值。模拟-数字转换器(analog-to-digital converter，adc)是cmos图像传感器读出电路的重要组成部分，承担着将像素输出的模拟信号转换为数字信号的功能。cmos图像传感器中常见的adc主要有三种：像素级adc、列级adc和芯片级adc，其中列级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图像传感器中常用的列级adc一般有单斜坡adc(ss adc)、逐次逼近型adc(sar adc)和循环式adc(cyclic adc)，其中ss adc的电路简单，每列只需要一个比较器和计数器，并且所有列共用斜坡信号，列一致性比较好。因此，ss adc是cmos图像传感器中应用最广泛的列级adc。

3、传统的ss adc具有一个明显的缺点，即量化速度慢，对于一个分辨率为n位的ssadc，完成一次量化至少需要2n个时钟周期，因此其帧频比较低，这限制了cmos图像传感器向高分辨率或大像素阵列的发展。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法，用于解决现有ss adc量化速度慢的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单斜坡模数转换器，包括斜坡发生模块、斜率调节模块及像素信号量化模块；

3、所述斜坡发生模块用于提供初始斜坡信号；

4、所述斜率调节模块的第一连接端连接所述斜坡发生模块的输出端，用于根据所述初始斜坡信号产生若干段斜率呈递增变化的最终斜坡信号；

5、所述像素信号量化模块连接所述斜率调节模块的第二连接端，用于调节各段的计数器分辨率，使其对应各段呈递增变化的所述最终斜坡信号呈递减变化，及对像素信号进行分段式量化并得到对应数字码值。

6、可选地，所述斜率调节模块基于不同容值的等效电容采样所述初始斜坡信号，并产生所述若干段斜率呈递增变化的最终斜坡信号。

7、可选地，所述斜率调节模块包括m个斜坡采样电容及m个控制开关；

8、m个所述斜坡采样电容并联，且第m个所述斜坡采样电容的第一端作为所述斜率调节模块的第一连接端以连接所述斜坡发生模块的输出端，第m个所述斜坡采样电容的第二端作为所述斜率调节模块的第二连接端以连接所述像素信号量化模块，且所有所述采样电容的第二端连接在一起；

9、后(m-1)个所述控制开关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；

10、其中，m个所述控制开关受控于第一调控信号，以形成所述不同容值的等效电容，且m为大于等于2的正整数。

11、可选地，第i个所述斜坡采样电容的容值满足公式ci＝2i-2c1，其中，ci为第i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i为大于等于2且小于等于m的正整数。

12、可选地，所述像素信号量化模块包括像素采样单元、比较单元及计数单元；

13、所述像素采样单元用于采样所述像素信号；

14、所述比较单元连接所述斜率调节模块的第二连接端和所述像素采样单元的输出端，用于比较所述最终斜坡信号和所述像素信号并输出比较结果；

15、所述计数单元连接所述比较单元的输出端，用于在第二调控信号的控制下，通过屏蔽计数输出位来调节各段的计数器分辨率，并在各段的所述计数器分辨率下进行分段式计数，直至所述比较结果发生翻转时停止计数，得到所述像素信号对应的数字码值。

16、可选地，所述像素采样单元包括像素采样电容，第一端接入所述像素信号，第二端连接所述比较单元的第一输入端，且所述斜率调节模块的第二连接端连接所述比较单元的第二输入端。

17、可选地，所述比较单元包括比较器；其中，所述比较器的正输入端连接所述斜率调节模块的第二连接端以接收所述最终斜坡信号，负输入端连接所述像素采样单元的输出端以接收所述像素信号，输出端连接所述计数单元的输入端。

18、可选地，所述计数单元包括n个触发器及(n-2)个选通器；

19、n个所述触发器级联，且第一个所述触发器的输入端连接所述比较单元的输出端；

20、(n-2)个所述选通器对应设于后(n-1)个所述触发器的相邻两个所述触发器之间，所述选通器的第一输入端连接第一级所述触发器的输出端，第二输入端连接前一级所述触发器的输出端，输出端连接后一级所述触发器的输入端；

21、其中，(n-2)个所述选通器受控于所述第二调控信号，且n为大于等于3的正整数。

22、本发明还提供了一种读出电路，包括如上任一项所述的单斜坡模数转换器。

23、本发明还提供了一种图像传感器，包括如上所述的读出电路。

24、可选地，像素信号量化模块的数量、斜率调节模块的数量与像素单元列的数量一致且三者一一对应，各像素信号量化模块及各斜率调节模块连接同一所述斜坡发生模块。

25、本发明还提供了一种采用如上任一项所述的单斜坡模数转换器的像素信号量化方法，包括：

26、采样像素信号；

27、对所述像素信号进行分段式量化；

28、其中，各段量化中，斜坡信号的斜率呈递增变化，计数器分辨率呈递减变化，以得到所述像素信号对应的所述数字码值。

29、可选地，各段中，后一段斜坡斜率是前一段斜坡斜率的2倍，后一段计数器分辨率比前一段计数器分辨率少1位。

30、如上所述，本发明的单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法，通过将线性斜坡信号调整为若干段斜率呈递增变化的斜坡信号，同时将计数器分辨率调整为对应各段呈递增变化的斜坡信号呈递减变化，实现通过调整adc的量化位数，提高量化速度的同时降低功耗，而且，本发明结构简单，不会造成芯片面积大幅增加。

技术特征：

1.一种单斜坡模数转换器，其特征在于，包括斜坡发生模块、斜率调节模块及像素信号量化模块；

2.根据权利要求1所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述斜率调节模块基于不同容值的等效电容采样所述初始斜坡信号，并产生所述若干段斜率呈递增变化的最终斜坡信号。

3.根据权利要求2所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述斜率调节模块包括m个斜坡采样电容及m个控制开关；

4.根据权利要求3所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，第i个所述斜坡采样电容的容值满足公式ci＝2i-2c1，其中，ci为第i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i为大于等于2且小于等于m的正整数。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述像素信号量化模块包括像素采样单元、比较单元及计数单元；

6.根据权利要求5所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述像素采样单元包括像素采样电容，第一端接入所述像素信号，第二端连接所述比较单元的第一输入端，且所述斜率调节模块的第二连接端连接所述比较单元的第二输入端。

7.根据权利要求5所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述比较单元包括比较器；其中，所述比较器的正输入端连接所述斜率调节模块的第二连接端以接收所述最终斜坡信号，负输入端连接所述像素采样单元的输出端以接收所述像素信号，输出端连接所述计数单元的输入端。

8.根据权利要求5所述的单斜坡模数转换器，其特征在于，所述计数单元包括n个触发器及(n-2)个选通器；

9.一种读出电路，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的单斜坡模数转换器。

10.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求9所述的读出电路。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述像素信号量化模块的数量、所述斜率调节模块的数量与像素单元列的数量一致且三者一一对应，且各所述像素信号量化模块及各所述斜率调节模块连接同一所述斜坡发生模块。

12.一种采用如权利要求1-8中任一项所述的单斜坡模数转换器的像素信号量化方法，其特征在于，包括：

13.根据权利要求12所述的像素信号量化方法，其特征在于，各段中，后一段所述最终斜坡信号的斜坡斜率是前一段所述最终斜坡信号的斜坡斜率的2倍，后一段所述计数器分辨率比前一段所述计数器分辨率少1位。

技术总结
本发明提供一种单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法，单斜坡模数转换器包括斜坡发生模块、斜率调节模块及像素信号量化模块；所述斜坡发生模块用于提供初始斜坡信号；所述斜率调节模块的第一连接端连接所述斜坡发生模块的输出端，用于根据所述初始斜坡信号产生若干段斜率呈递增变化的最终斜坡信号；所述像素信号量化模块连接所述斜率调节模块的第二连接端，用于调节各段的计数器分辨率，使其对应各段呈递增变化的所述最终斜坡信号呈递减变化，及对像素信号进行分段式量化并得到对应数字码值。通过本发明提供的单斜坡模数转换器、读出电路、图像传感器及量化方法，解决了现有SS ADC量化速度慢的问题。

技术研发人员：王冬臣,任冠京,汤黎明,侯金剑,莫要武
受保护的技术使用者：思特威（上海）电子科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14