專利名稱：一種模數轉換電路及圖像處理系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于圖像信號處理領域，尤其涉及一種模數轉換電路及圖像處理系 統。
背景技術：
隨著CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor，CIS)像素陣列的規模越來越大，像 素點的尺寸不斷縮小，像素點的感光區域也會變小，傳感器的靈敏度和信噪比都在不斷下 降；傳統的模數轉換電路難以滿足大像素陣列對于高精度的要求；因此，基于過采樣模數 轉換技術的模數轉換電路產生了，該過采樣模數轉換電路一個過采樣周期分成四個過采樣 時段，分別為第一過采樣時段、第二過采樣時段、第三過采樣時段、第四過采樣時段。現有的模數轉換電路一般是逐行逐個分別對像素點的重置電壓(Reset Level)和 信號電壓(Signal Level)進行雙采樣，再將重置電壓和信號電壓模擬值差分放大，最后經 過模數轉換器(ADC)轉換成光亮度值的數字信號，不利于CMOS圖像傳感器中模數轉換電路 輸出信號精度的提高。
實用新型內容本實用新型為解決現有模數轉換電路輸出信號精度不高的技術問題，提供一種輸 出高精度數字信號的模數轉換電路。一種模數轉換電路，該模數轉換電路包括開關模塊、開關電容積分器、量化器、數 字濾波器、反饋模塊及開關時序控制模塊；圖像信號、反饋模塊與開關模塊連接；開關模塊與開關電容積分器連接；開關電 容積分器與量化器連接；量化器與數字濾波器和反饋模塊連接；開關時序控制模塊與開關 模塊和開關電容積分器連接；參考電壓與開關電容積分器和量化器連接。本實用新型的另一目的還在于提供一種采用上述模數轉換電路實現的圖像處理 系統，該圖像處理系統包括圖像像素陣列、模數轉換電路組、存儲器；所述模數轉換電路組為η個模數轉換電路組成，η為圖像像素陣列的列數；所述圖像像素陣列每列輸出的模擬信號輸入到一個模數轉換電路中；η個模數轉換電路輸出的數字信號輸入到存儲器中。
0011]本實用新型的模數轉換電路采用過采樣模數轉換技術，分別轉換重置電壓(Reset Level)和信號電壓(Signal Level)為數字信號，并在數字模塊部分再進行兩數字信號的 精確相減得到高精度光信號，有效地提高了輸出數字信號的精度。
圖1是本實用新型實施例提供的模數轉換電路的原理圖；圖2是本實用新型實施例提供的模數轉換電路的電路圖；圖3是本實用新型實施例提供的模數轉換電路的波形圖；[0015]圖4是本實用新型實施例提供的圖像處理系統的示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下 結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施 例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。一種模數轉換電路的原理圖，如圖1所示，該模數轉換電路包括開關模塊14、開 關電容積分器11、量化器12、數字濾波器13、反饋模塊15及開關時序控制模塊16 ；圖像信 號、反饋模塊15與開關模塊14連接；開關模塊14與開關電容積分器11連接；開關電容積 分器11與量化器12連接；量化器12與數字濾波器13和反饋模塊15連接；開關時序控制 模塊16與開關模塊14和開關電容積分器11連接；參考電壓與開關電容積分器11和量化 器12連接。開關模塊14用于選擇圖像信號和反饋量化信號輸出給開關電容積分器11，開關 電容積分器11用于對圖像信號和反饋量化信號進行采樣和積分，量化器12用于對積分信 號進行量化，數字濾波器13用于對量化信號進行濾波，輸出高精度的數字信號，反饋模塊 15用于對量化信號進行反饋，開關時序控制模塊16用于對開關模塊14和開關電容積分器 11中的開關進行時序控制。如圖2所示，為模數轉換電路的電路圖，開關模塊24包括第一開關S 1、第二開關 S2。第一開關Sl輸入端與圖像信號連接，第二開關S2輸入端與反饋模塊25連接，第一開關 Sl和第二開關S2輸出端與開關電容積分器21連接；第一開關Si、第二開關S2的打開和閉 合受開關時序控制，第一開關Sl在第一過采樣時段、第二過采樣時段閉合，第二開關S2在 第三過采樣時段、第四過采樣時段閉合。開關時序控制開關的波形如圖3所示，在其工作原 理部分將進一步詳細描述開關時序控制電路工作過程。開關電容積分器21包括第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6、第 七開關S7、第一電容Cl、第二電容C2和運算放大器0P，該運算放大器OP具有第一正向輸入 端、第一反向輸入端和第一輸出端。第三開關S3輸入端連接上述第一開關Sl和第二開關S2輸出端；第三開關S3串 聯第一電容Cl，第三開關S3與第一電容Cl之間設有第一節點1 ；第一電容Cl串聯第六開 關S6，第一電容C1與第六開關S6之間設有第二節點2 ；第六開關S6與第一正向輸入端連 接；參考電壓與第一反向輸入端連接；第一輸出端與量化器22連接；第四開關S4連接在第 一節點1與參考電壓之間；第五開關S5連接在第二節點2與參考電壓之間；第二電容C2連 接在運算放大器OP的第一正向輸入端與第一輸出端之間；第七開關S7和第二電容C2并 聯。第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6、第七開關S7的打開和閉合 受開關時序控制，第七開關S7在過采樣開始前閉合，使第二電容C2復位，在過采樣開始時 斷開；第三開關S3和第五開關S5在第一過采樣時段閉合，對圖像信號進行采樣，在第三過 采樣時段閉合，對反饋信號進行采樣；第四開關S4和第六開關S6在第二過采樣時段閉合， 對圖像信號進行積分，在第四過采樣時段閉合，對反饋信號進行積分。開關時序控制開關的 波形如圖3所示，在其工作原理部分將進一步詳細描述開關時序控制電路工作過程。[0023]量化器22為比較器CMP，具有第二正向輸入端、第二反向輸入端、第二輸出端；第 二正向輸入端與上述第一輸出端連接，第二反向輸入端與參考電壓連接，第二輸出端與數 字濾波器23和反饋模塊25連接。比較器CMP用于比較積分輸出信號和參考電壓。反饋模塊25為反向器INV，具有第三輸入端和第三輸出端；第三輸入端與第二輸 出端連接，第三輸出端與第二開關S2連接。反相器INV用于對量化信號進行數模轉換，并 把信號反饋給第二開關S2的輸入端，用于確定開關電容積分器21的積分方向。在量化器22與數字濾波器23之間還設有第八開關S8，第八開關S8輸入端與量化 器22連接，輸出端和數字濾波器23連接，第八開關S8的打開和閉合受開關時序控制，第八 開關S8在整個過采樣周期內一直閉合，開關時序控制開關的波形如圖3所示，在其工作原 理部分將進一步詳細描述開關時序控制電路工作過程。上述第一開關Si、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關 S6、第七開關S7和第八開關S8為CMOS模擬開關，CMOS模擬開關由PMOS管和NMOS管共同 構成，具有低功耗的特點，便于節省電源。如圖3所示，該模數轉換電路通過時序信號對第一開關Si、第二開關S2、第三開關 S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6、第七開關S7、第八開關S8進行控制，模數轉換 電路才能不停的對輸入圖像信號及參考電壓進行過采樣，將CIS像素陣列輸出的圖像信號 轉換成數字信號輸出。上述第一電容Cl、第二電容C2為金屬電容，具有電性能優良、可靠性好、耐溫度 高、體積小、容量大和良好的自愈性能。該模數轉換電路工作過程如下量化器22初始值為正時，開關電容積分器21向正 向積分，當積分值小于參考電壓時，得到二進制碼0，經過反相器INV的一位數模轉換，得到 量化值還是正，開關電容積分器21繼續向正向積分；直到積分值大于參考電壓，得到二進 制碼1，經過反相器INV的一位模數轉換，得到的量化值為負，開關電容積分器21向負方向 積分。因此開關電容積分器21積累了輸入圖像信號和量化輸出信號之差，并試圖保持積分 器輸出值在參考電壓附近波動，輸出的一系列局部數字信號平均值代表了采樣信號的局部 平均值。過采樣頻率越大，數字信號局部平均值越逼近采樣平均值。實際上單個像素點輸 出的圖像信號是相對穩定的，這樣過采樣得到的數字信號就能很精確的表示輸入信號的模 擬值。在過采樣周期內，模數轉換電路對像素點的圖像信號不斷采樣和轉換得到數字信 號，像素點的圖像信號包括重置電壓(Reset Level)和信號電壓(SignalLevel)。CIS像素陣列輸出信號經過一個過采樣周期的采樣轉換，就得到了一個數字信號。 真正有用的圖像信號是重置電壓(Reset Level)和信號電壓(Signal Level)之差，這就需 要兩個過采樣周期的采樣和轉換，前一個過采樣周期將重置電壓(Reset Level)轉換成數 字信號，后一個過采樣周期將信號電壓(Signal Level)轉換成數字信號，并在數字模塊實 現重置電壓(Reset Level)數字信號和信號電壓(Signal Level)數字信號相減，得到反應 一個像素單元光強度的數字信號。過采樣模數轉換電路輸出的數字信號，是經過噪聲整形后的數字信號，大部分噪 聲被整形至高頻。通過數字濾波器23濾掉信號的高頻噪聲，得到高精度數字信號。圖3示出了本實用新型實施例提供的模數轉換電路的波形圖，包括第一開關Si、
6第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6、第七開關S7、第八開關 S8的時序控制信號，第三節點3、第四節點4輸出電壓波形。現結合圖2和圖3詳述模數轉 換電路的工作原理在過采樣開始前，只有第七開關S7信號被置為高電平，第七開關S7導通使第二電 容C2復位；其他時序控制信號都為低電平，電路不工作。在第一過采樣時段中，第一開關Si、第三開關S3、第五開關S5的時序控制信號被 置為高電平，相對應的第一開關Si、第三開關S3、第五開關S5導通，圖像信號被采樣到第一 電容Cl中；同時第八開關S8的控制信號也被置為高電平，第八開關S8導通，準備輸出數字 信號；第二開關S2、第四開關S4、第六開關S6、第七開關S7的控制信號被置為低電平，對應 的第二開關S2、第四開關S4、第六開關S6、第七開關S7斷開。第一過采樣時段結束后，第一電容Cl中實際儲存的電壓值為圖像輸入信號和參 考電壓之差。整個模數轉換電路實現圖像像素信號采樣。接下來進入第二過采樣時段，此時，第一開關Si、第二開關S2、第七開關S7、第八 開關S8的控制信號電平不變，第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6的控制 信號電平反相，即第二開關S2、第三開關S3、第五開關S5、第七開關S7斷開，第一開關Si、 第四開關S4、第六開關S6、第八開關S8導通，開關電容積分器21開始積分。該時段實現對 像素點圖像信號采樣值的積分，積分值和參考電壓通過比較器CMP進行比較，輸出量化數 字信號通過第八開關S8傳輸到數字濾波器23。同時數字信號控制反相器INV的反饋信號輸出，確定下一過采樣時段開關電容積 分器21的積分方向。接下來進入第三過采樣時段，第七開關S7、第八開關S8的控制信號電平不變，第 一開關Si、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6的控制信號 電平反相，即第一開關Si、第四開關S4、第六開關S6、第七開關S7斷開，第二開關S2、第三 開關S3、第五開關S5、第八開關S8導通，第一電容Cl對反饋積分方向的量化積分值進行采 樣，為下一過采樣時段的積分采樣量化值。接下來進入第四過采樣時段，此時，第一開關Si、第二開關S2、第七開關S7、第八 開關S8的控制信號電平保持不變，第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6的 控制信號電平反向，即第一開關Si、第三開關S3、第五開關S5、第七開關S7斷開，第二開關 S2、第四開關S4、第六開關S6、第八開關S8導通，開關電容積分器21開始積分。該時段實 現對反饋信號輸入值的積分，積分值和參考電壓通過比較器CMP進行比較，輸出數字信號 通過第八開關S8傳輸到數字濾波器23。在過采樣時段的同時數字濾波器23對量化數字信號進行數字濾波，量化數字信 號通過第八開關S8輸出到數字濾波器23，經過低通濾波和抽樣濾波，得到高精度的數字信號。圖3中，第三節點3的信號是經過量化器22量化后的數字信號，從頻域角度，第三 節點3的數字信號是經過噪聲整形后的信號，噪聲被整形到高頻部分。第四節點4是對第三節點3的數字信號進行濾波后的信號，數字濾波器23是一個 低通抽樣數字濾波器，第三節點3的數字信號經過濾波后，高頻噪聲被抑制，得到的數字信 號為精度很高的數字信號。[0044]此后的過采樣時鐘周期內不停重復第一過采樣時段至第四過采樣時段，分別實現 圖像信號及量化積分值的采樣積分和比較輸出數字信號。經過過采樣時段的高頻工作，得 到的數字信號局部平均值是圍繞參考電壓值上下波動的，過采樣時段結束后，電路停止工 作。經過一個過采樣時鐘周期，CIS像素陣列完成了一個像素單元重置電壓(Reset Level)的模數轉換；再經過一個過采樣時鐘周期，CIS像素陣列完成了該像素單元信號電 壓(Signal Level)的模數轉換；經過兩個過采樣時鐘周期的轉換得到CIS像素陣列一個像 素點的重置電壓(Reset Level)和信號電壓(SignalLevel)的數字信號，利用數字模塊對 重置電壓(Reset Level)數字信號和信號電壓(Signal Level)數字信號相減得到該行的 數字信號，后續經過存儲單元的寫操作，可以讀取任意行的轉換結果。該模數轉換電路采用過采樣模數轉換技術，從時域角度，該模數轉換電路分別轉 換模擬的重置電壓(Reset Level)和信號電壓(Signal Level)為數字信號，再通過數字濾 波器23的濾波處理，減小了輸出數字信號噪聲，再進行兩數字信號精確相減得到高精度光 信號，提高了輸出數字信號精度。在頻域角度，過采樣模數轉換技術采用高頻率時鐘采樣，高頻采樣能把噪聲能量 向高頻擴展，減少了低頻部分噪聲能量，同時通過數字濾波器23衰減高頻噪聲，限制輸入 信號帶寬，抑制帶外的雜散信號和電路噪聲，提高了輸出數字信號的精度。另外，本電路中的濾波器為數字濾波器23，與模擬濾波器相比，數字濾波器23有 著模擬濾波器無法比擬的優點，如高精度、高信噪比、高可靠性，最重要的是數字濾波器23 的面積能隨著工藝和低電源的發展逐漸減小。上述實施例提供的模數轉換電路主要應用于圖像處理系統中，如圖4所示，該圖 像處理系統包括圖像像素陣列41、模數轉換電路組42、存儲器43。圖像像素陣列41采集圖像信號，將光信號轉變成電信號，模數轉換電路組42將圖 像像素陣列輸出的模擬電信號轉換成數字信號，存儲器43將數字信號進行存儲，以便其他 數字處理電路對數字信號進行處理。所述模數轉換電路組42為η個模數轉換電路組成，η為圖像像素陣列的列數；上 述圖像像素陣列41中每列輸出的圖像模擬信號輸入到一個模數轉換電路中；η個模數轉換 電路輸出的數字信號都輸入到存儲器43中進行存儲，用于后面的數字圖像處理及輸出；用 多個模數轉換電路對圖像像素陣列41的圖像模擬信號進行處理的技術為列并行模數轉換 技術。圖像像素陣列每一列使用同一個模數轉換電路，每個過采樣周期內對同行像素單 元進行處理，圖像像素陣列逐行輸出圖像像素點信號。相比傳統的單個像素點逐個處理模 式，列并行工作模式下能達到更快的速度。同一列之間的像素點都使用同一個模數轉換器， 有利于減小固定模式噪聲(FPN)。在過采樣周期內，模數轉換電路對像素點圖像信號不斷采樣和轉換得到數字信 號，像素圖像信號包括重置電壓(Reset Level)和信號電壓(Signal Level) 0圖像像素陣列41輸出的模擬圖像信號經過模數轉換電路組42的采樣轉換，就得 到了一列圖像的數字信號。真正有用的圖像信號是重置電壓(Reset Level)和信號電壓 (Signal Level)之差，這就需要兩個過采樣周期的采樣和轉換，前一個過采樣周期將重置電壓(Reset Level)轉換成數字信號，后一個過采樣周期將信號電壓(Signal Level)轉 換成數字信號，并在數字模塊實現重置電壓(Reset Level)數字信號和信號電壓(Signal Level)數字信號相減，得到反應一行像素單元光強度的數字信號。過采樣模數轉換電路輸出的數字信號，是經過噪聲整形后的數字信號，大部分噪 聲被整形至高頻；通過數字濾波器23濾掉信號的高頻噪聲，得到高精度數字信號；通過存 儲器43的存儲，可以實現任意行光信號的讀取。該圖像處理系統的模數轉換電路基于過采樣模數轉換技術，提高了輸出數字信號 精度，像素陣列采用列并行輸出像素信號，消除了固定模式噪聲(FPN)，降低了圖像噪聲，提 高了模數轉換速度。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
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權利要求一種模數轉換電路，其特征在于，所述模數轉換電路包括開關模塊、開關電容積分器、量化器、數字濾波器、反饋模塊及開關時序控制模塊；圖像信號、反饋模塊與開關模塊連接；開關模塊與開關電容積分器連接；開關電容積分器與量化器連接；量化器與數字濾波器和反饋模塊連接；開關時序控制模塊與開關模塊和開關電容積分器連接；參考電壓與開關電容積分器和量化器連接。
2.如權利要求1所述的模數轉換電路，其特征在于所述模數轉換電路還包括第八開關；第八開關輸入端與量化器連接，輸出端和數字濾波器連接，第八開關與開關時序控制 模塊連接，第八開關在整個過采樣周期內一直閉合。
3.如權利要求2所述的模數轉換電路，其特征在于所述第八開關為CMOS模擬開關。
4.如權利要求1所述的模數轉換電路，其特征在于開關模塊包括第一開關、第二開關；第一開關輸入端與圖像信號連接，第二開關輸入端與反饋模塊連接，第一開關和第二 開關輸出端與開關電容積分器連接；第一開關、第二開關與開關時序控制模塊連接，第一開關在第一過采樣時段、第二過采 樣時段閉合，第二開關在第三過采樣時段、第四過采樣時段閉合。
5.如權利要求4所述的模數轉換電路，其特征在于所述開關電容積分器包括第三開 關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關、第一電容、第二電容和運算放大器，所述運算 放大器具有第一正向輸入端、第一反向輸入端和第一輸出端；所述第三開關輸入端連接所述第一開關和第二開關輸出端；第三開關串聯第一電容， 所述第三開關與第一電容之間設有第一節點；第一電容串聯第六開關，所述第一電容與第 六開關之間設有第二節點；第六開關與第一正向輸入端連接；參考電壓與第一反向輸入端 連接；第一輸出端與量化器連接；第四開關連接在第一節點與參考電壓之間；第五開關連接在第二節點與參考電壓之間；第二電容連接在運算放大器第一正向輸入端與第一輸出端之間；第七開關和第二電容并聯；第三開關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關與開關時序控制模塊連接；第七 開關在過采樣開始前閉合；第三開關和第五開關在第一過采樣時段、第三過采樣時段閉合； 第四開關和第六開關在第二過采樣時段、第四過采樣時段閉合。
6.如權利要求5所述的模數轉換電路，其特征在于所述第一開關、第二開關、第三開 關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關為CMOS模擬開關。
7.如權利要求5所述的模數轉換電路，其特征在于所述量化器為比較器，具有第二正 向輸入端、第二反向輸入端、第二輸出端；第二正向輸入端與所述第一輸出端連接； 第二反向輸入端與參考電壓連接； 第二輸出端與數字濾波器和反饋模塊連接。
8.如權利要求7所述的模數轉換電路，其特征在于所述反饋模塊為反向器，具有第三 輸入端和第三輸出端；第三輸入端與第二輸出端連接，第三輸出端與第二開關連接。
9. 一種采用權利要求1至8任一項所述的模數轉換電路實現的圖像處理系統，其特征 在于所述圖像處理系統包括圖像像素陣列、模數轉換電路組、存儲器；所述模數轉換電路組為η個模數轉換電路組成，η為圖像像素陣列的列數； 所述圖像像素陣列每列輸出的模擬信號輸入到一個模數轉換電路中； η個模數轉換電路輸出的數字信號輸入到存儲器中。
專利摘要一種模數轉換電路及圖像處理系統，電路包括開關模塊、開關電容積分器、量化器、數字濾波器、反饋模塊及開關時序控制模塊；圖像信號、反饋模塊與開關模塊連接；開關模塊與開關電容積分器連接；開關電容積分器與量化器連接；量化器與數字濾波器和反饋模塊連接；開關時序控制模塊與開關模塊和開關電容積分器連接；參考電壓與開關電容積分器和量化器連接。還包括利用上述電路實現的圖像處理系統。該電路采用過采樣模數轉換技術分別轉換像素點的重置電壓(Reset Level)和信號電壓(Signal Level)為數字信號，并在數字模塊部分進行兩數字信號相減得到高精度數字信號，解決現有模數轉換電路輸出信號精度不高的技術問題。
文檔編號H04N5/335GK201639647SQ20092026026
公開日2010年11月17日 申請日期2009年11月9日 優先權日2009年11月9日
發明者付璟軍, 盧國云, 沈曄, 羅春華, 胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司