自適應調整參考電壓的逐次逼近型ADC的制作方法

本發明涉及模擬集成電路設計領域，尤其涉及在圖像傳感器應用中，隨著光照條件的變化，通過調整反饋電壓來調整模數轉換器的精度的問題。

背景技術：

近年來，圖像傳感器發展日益迅猛，在消費電子，汽車電子，智能監控軍事偵察等領域的應用越來越廣泛。在圖像傳感器的讀出電路中，SAR ADC(逐次逼近型模擬數字轉換器)因其所具有的結構簡單、功耗低、面積小等眾多優點而被廣泛應用。

目前圖像傳感器正朝著高速低功耗方向不斷發展，為了順應這種發展趨勢，可以在不同光照條件下調節ADC(模擬數字轉換器)的精度，根據像素噪聲隨光強的變化規律，在低照度情況下需要更高精度的ADC而高照度情況下可以降低ADC的精度。此過程可以通過改變SAR ADC的反饋電壓來實現，使得在低照度情況下，不需要增加ADC的量化周期就可以達到提高精度的目的，從而提高了圖像傳感器的速度，同時降低了功耗。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種用于圖像傳感器的根據光照強度自適應調整參考電壓的SAR ADC，在高照度下，采用高參考電壓；在低照度下，采用低參考電壓，從而可以實現在低照度情況下的高精度量化，同時不需增加額外功耗和轉換周期數。本發明采用的技術方案是，自適應調整參考電壓的逐次逼近型ADC，由前端比較器模塊、SAR ADC主體模塊、4個SAR ADC主體模塊的參考電壓控制開關以及數字濾波器模塊四部分構成；其中輸入信號V_in連接前端比較器的正輸入端，前端比較器的負輸入端連接一個參考電平V_comp；前端比較器的輸出連接參考電壓的控制開關1和2；輸入信號同時還連接SAR ADC主體模塊的輸入端，SAR ADC主體模塊的輸出端連接數字濾波器的輸入端并連接參考電壓的控制開關3和4，數字濾波器輸出端輸出量化的數字碼值，控制開關1的輸入端連接SAR ADC主體模塊的高反饋電壓V_H，控制開關2的輸入端連接SAR ADC主體模塊的反饋電壓V_M，控制開關1和2的輸出端都連接控制開關3的輸入端，控制開關4的輸入端連接SAR ADC的低反饋電壓V_L，控制開關3和4的輸出端都連接SAR ADC的另外一個輸入端V_FB。

高照度下，SAR ADC的反饋電壓為V_H和V_L，對于N個量化周期，其分辨率V_LSB1為：

低照度下，SAR ADC的反饋電壓變為V_M和V_L，同樣對于N個量化周期，其分辨率V_LSB2為：

SAR ADC主體模塊由數模轉換器DAC、SAR比較器、邏輯控制模塊構成；邏輯控制模塊由移位寄存器、SAR寄存器構成，用于給數模轉換器DAC賦值；量化周期開始對像素輸出信號進行采樣，并通過邏輯控制模塊對DAC進行假設賦值，在第一個周期給DAC的最高位賦高電平，其余位賦低電平，也就是使DAC的輸出為1/2參考電壓范圍，把DAC的輸出值送入SAR比較器與像素的輸出信號進行第一次比較，并將第一次比較結果作為最高位存儲在邏輯控制模塊，此時第一個周期結束，第二個周期時將第一次比較結果通過數字邏輯控制賦給DAC的最高位，同時再對DAC進行的假設賦值，次高位賦高電平1，次高位以下的位賦低電平0，然后將DAC的輸出電壓送入SAR比較器和像素輸出電壓再次比較，將第二次的比較結果作為量化結果的次高位存儲在數字邏輯模塊；然后同上次相同再將DAC第三高位假設賦值，比較出第三位量化結果，以此類推，按照相同步驟對信號進行逐位量化，直到完成所需精度位數的量化。

本發明的特點及有益效果是：

1.該結構通過根據光照強度來調整參考電壓，在低光照下，不需要增加ADC的量化周期就提高了ADC的精度，從而提高ADC以及圖像傳感器的速度。

2.在圖像傳感器中，由于提高了ADC的精度而不需要增加量化周期或者改變時鐘的頻率，從而降低了圖像傳感器的整體功耗。

附圖說明：

圖1讀出信號和散粒噪聲隨光強變化關系圖。

圖2 ADC量化步長隨光強變化關系圖。

圖3自適應調整參考電壓SAR ADC整體結構圖。

圖4 SAR ADC結構圖。

具體實施方式

圖像傳感器的噪聲分為固定模式噪聲和隨機噪聲，固定模式噪聲可以通過改進工藝來抑制，隨機噪聲中的閃爍噪聲可以通過采用相關雙采樣電路進行消除，而隨機噪聲中的散粒噪聲隨著光強的增強而不斷增大，如圖1所示。如圖2所示，由于高光照時噪聲信號比較大，ADC量化步長較大；低光照下信號噪聲較小，用較小的量化步長來提高量化精度。

如圖3所示，這種自適應調整參考電壓SAR ADC由前端比較器模塊，SAR ADC主體模塊，SAR ADC的參考電壓控制開關(4個)以及數字濾波器模塊四部分構成。其中輸入信號(V_in)連接前端比較器的正輸入端，前端比較器的負輸入端連接一個參考電平V_comp。前端比較器的輸出連接SAR ADC的參考電壓的控制開關1和2。輸入信號同時還連接SAR ADC的輸入端，SAR ADC的輸出端連接數字濾波器的輸入端并連接參考電壓的控制開關3和4，數字濾波器輸出端輸出量化的數字碼值。控制開關1的輸入端連接SAR ADC的高反饋電壓(V_H)，控制開關2的輸入端連接SAR ADC的反饋電壓(V_M)。控制開關1和2的輸出端都連接控制開關3的輸入端。控制開關4的輸入端連接SAR ADC的低反饋電壓V_L。控制開關3和4的輸出端都連接SAR ADC的另外一個輸入端V_FB。

這種自適應調整參考電壓的SAR ADC工作方式與傳統的SAR ADC的工作方式比較類似。輸入信號(V_in)是前級像素輸出的電壓值，先將V_in通過一個比較器與一個閾值電壓(V_comp)進行比較。如果光照比較強，輸入的V_in比較大，比較器輸出高電平，使得開關1閉合，開關2打開，此時SAR ADC在工作時采用的反饋電壓是V_H和V_L。在第一個周期給DAC的最高位賦高電平，其余位賦低電平，也就是使DAC的輸出為1/2(V_H-V_L)，從而實現二分搜索算法，重復N個量化周期，其量化的精度較低。當光照比較弱的時候，V_in小于V_comp，比較器輸出低電平，開關1打開，開關2閉合，此時SAR ADC工作時采用的反饋電壓是V_M和V_L，在第一個周期給DAC的最高位賦高電平，其余位賦低電平，也就是使DAC的輸出為1/2(V_M-V_L)，重復N個量化周期，其量化的精度較高。

高照度下，SAR ADC的反饋電壓為V_H和V_L，對于N個量化周期，其分辨率V_LSB1為：

低照度下，SAR ADC的反饋電壓變為V_M和V_L，同樣對于N個量化周期，其分辨率V_LSB2為：

因為在實際應用中，V_M<V_H，因此在相同的量化周期內，相對于高照度情況，低照度條件下具有更小的分辨率。

SAR ADC的基本結構如圖4所示。它的基本原理是來自二分搜索算法。它通過DAC(數模轉換器)將數字碼轉換為輸入信號，逐漸逼近到輸入信號，通過調整DAC的輸出直到其和輸入相匹配，輸出的數字碼即代表模擬信號。其基本結構由采樣保持電路、比較器、一個DAC、一個實現二分搜索算法的邏輯控制部分以及數字濾波器構成，采樣保持電路和比較器組成前段比較器模塊，DAC為SAR ADC主體模塊，實現二分搜索算法的邏輯控制部分即SAR ADC的4個參考電壓控制開關，數字濾波器組成數字濾波模塊。SAR ADC的工作原理如下：首先在量化周期開始前對所有電路進行復位，量化周期開始對像素輸出信號進行采樣，并通過邏輯控制模塊對DAC進行假設賦值，在第一個周期給DAC的最高位賦高電平，其余位賦低電平，也就是使DAC的輸出為1/2參考電壓范圍，把DAC的輸出值送入比較器與像素的輸出信號進行第一次比較，并將第一次比較結果作為最高位存儲在邏輯控制模塊，此時第一個周期結束。第二個周期時將第一次比較結果通過數字邏輯控制賦給DAC的最高位，同時再對DAC進行的假設賦值，次高位賦高電平1，次高位以下的位賦低電平0，然后將DAC的輸出電壓送入比較器和像素輸出電壓再次比較，將第二次的比較結果作為量化結果的次高位存儲在數字邏輯模塊；然后同上次相同再將DAC第三高位假設賦值，比較出第三位量化結果。以此類推，按照相同步驟對信號進行逐位量化，直到完成所需精度位數的量化。

本文設計的SAR ADC通過改變反饋電壓的值來改變精度。若高照度下，SAR ADC的反饋電壓V_H為1.6V，V_L為0V。低照度情況下，SAR ADC的反饋電壓為V_M和V_L。設定V_M為0.8V時，弱光下精度比強光下提高了1bit，V_M為0.4V時，弱光下精度比強光下提高了2bit，V_M為0.2V時，弱光下精度比強光下提高了3bit，V_M為0.1V時，弱光下精度比強光下提高了4bit。

在實際使用時，若需要設計的SAR ADC在強光下達到9bit的精度，弱光下達到12bit的量化精度。設定前端比較器的閾值電壓V_comp為0.5V。SAR ADC的反饋電壓V_H為1.6V，V_L為0V，V_M為0.2V。