本發(fā)明屬于cmos器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc及其對(duì)應(yīng)的cis芯片。

背景技術(shù)：

1、cmos圖像傳感器(cmos?image?sensor，cis)由于其體積小、易于集成的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、安防監(jiān)控以及醫(yī)療成像等領(lǐng)域。近年來，隨著cmos集成電路工藝的不斷進(jìn)步，一些高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)cis的性能要求也越來越高，特別是在暗光環(huán)境下，需要其具有極高的抑制噪聲能力來保證成像質(zhì)量。然而在暗光條件下，讀出電路產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)較大，因此，如何降低隨機(jī)噪聲成為了提高信噪比的關(guān)鍵。

2、傳統(tǒng)的相關(guān)多采樣(correlated?multiple?sampling，cms)技術(shù)通過對(duì)電路輸出信號(hào)進(jìn)行多次采樣，抑制電路噪聲。一般來說，進(jìn)行m次采樣后，讀出電路的隨機(jī)噪聲可以降低到原來的1/m。但是，在傳統(tǒng)的cms工作過程中，每增加一次采樣次數(shù)，adc的轉(zhuǎn)換時(shí)間就會(huì)增加一倍，從而導(dǎo)致圖像傳感器的幀率大幅下降。在此基礎(chǔ)上，條件相關(guān)多采樣(conditional?correlated?multiple?sampling，ccms)技術(shù)被提出，ccms的主要思想是通過判斷像素輸出電壓的亮暗程度，用小電壓范圍斜坡對(duì)小擺幅的暗像素輸出進(jìn)行多次量化，以減小隨機(jī)噪聲和a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間。由于大擺幅的兩像素輸出以光子散粒噪聲為主，無法通過在一幀時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次采樣來降低，因此當(dāng)像素輸出電壓擺幅超過某一特定值時(shí)，采用全電壓量程斜坡進(jìn)行單次量化。但是，ccms技術(shù)需要增加額外的斜坡發(fā)生器，會(huì)面臨斜坡發(fā)生器之間不匹配的問題，也會(huì)增加ss?adc(single-slope?analog-to-digitalconverter，單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的功耗。

3、此外，將cms技術(shù)運(yùn)用于兩步式adc的方法也被提出，通過粗細(xì)兩種不同的量化方式縮短整體量化時(shí)間。但此方法需要在模擬域或數(shù)字域暫存斜坡發(fā)生器的電壓，需要額外電路，且暫存電壓值的精度很難保證；同時(shí)要設(shè)計(jì)足夠的冗余以避免錯(cuò)鎖的發(fā)生，增加了電路的復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有ss?adc難以同時(shí)兼顧更高量化精度和更短的量化時(shí)間的問題，本發(fā)明提供一種基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc及其對(duì)應(yīng)的cis芯片。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

3、一種基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc，其包括連接在像素陣列中每一列上的各個(gè)cms量化模塊；cms量化模塊基于相關(guān)多采樣技術(shù)并通過逐行掃描的方式，完成對(duì)像素陣列中各個(gè)像素單元輸出的單元信號(hào)vsig進(jìn)行量化。每個(gè)cms量化模塊包括比較器、計(jì)數(shù)器、列級(jí)判斷模塊和加減法器。

4、特別地，本發(fā)明的提供的基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc中還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)斜坡生成模塊；動(dòng)態(tài)斜坡生成模塊用于在全量化周期內(nèi)的不同階段輸出不同起點(diǎn)和擺幅的斜坡信號(hào)。該動(dòng)態(tài)斜坡生成模塊包括斜坡發(fā)生器、斜坡調(diào)制模塊和全局判斷模塊。

5、其中，斜坡發(fā)生器用于根據(jù)接收到的調(diào)制信號(hào)生成一個(gè)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)斜坡、全量程斜坡或自適應(yīng)斜坡的斜坡信號(hào)vramp，并發(fā)送到對(duì)應(yīng)行的比較器中。

6、全局判斷模塊用于獲取同一行中各個(gè)像素單元的初級(jí)量化結(jié)果，識(shí)別出其中的最大值vmax和最小值vmin，并根據(jù)預(yù)設(shè)的光照閾值vlt作出如下決策：(1)當(dāng)vlt≤vmin，則生成一個(gè)用于終止當(dāng)前行的次級(jí)量化過程的結(jié)束指令。(2)當(dāng)vmin≤vlt≤vmax，則將(vmin,，vlt)作為次級(jí)量化中自適應(yīng)性斜坡的擺幅區(qū)間，并發(fā)送到斜坡調(diào)制模塊。(3)當(dāng)vmax≤vlt，則將(vmin,，vmax)作為次級(jí)量化中自適應(yīng)性斜坡的擺幅區(qū)間，并發(fā)送到斜坡調(diào)制模塊。

7、斜坡調(diào)制模塊用于：在復(fù)位信號(hào)量化階段輸出用于生成標(biāo)準(zhǔn)斜坡第一調(diào)制信號(hào)；在像素初級(jí)量化階段輸出用于生成全量程斜坡的第二調(diào)制信號(hào)，以及在光照判斷階段輸出用于生成指定擺幅的自適應(yīng)斜坡的第三調(diào)制信號(hào)。

8、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)斜坡包括位于指定的擺幅區(qū)間內(nèi)的多個(gè)連續(xù)斜坡，并用于量化像素單元輸出的復(fù)位信號(hào)vrst部分。全量程斜坡包括上限對(duì)應(yīng)量程電壓vfs的一個(gè)斜坡，并用于對(duì)各個(gè)像素單元輸出的像素信號(hào)vpixel部分進(jìn)行初級(jí)量化。自適應(yīng)斜坡包括位于自適應(yīng)的擺幅區(qū)間內(nèi)的多個(gè)連續(xù)斜坡，并用于對(duì)像素單元輸出的低于照度閾值vlt的像素信號(hào)vpixel進(jìn)行多輪的次級(jí)量化。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，斜坡發(fā)生器包括采用溫度計(jì)碼與二進(jìn)制碼相結(jié)合的電流舵dac、負(fù)反饋電路和單位增益緩沖器。其中，電流舵dac由多個(gè)電流源、開關(guān)陣列、正端電阻r1和負(fù)端電阻r2構(gòu)成；負(fù)反饋電路連接在r1和r2的交匯處，進(jìn)而將斜坡的初始電壓鉗位至一個(gè)固定值vx。單位增益緩沖器連接在負(fù)端電阻與末級(jí)的電流源之間，進(jìn)而輸出以vx為起點(diǎn)逐步上升的斜坡信號(hào)vramp。

10、在斜坡發(fā)生器中，通過調(diào)整負(fù)反饋電路中預(yù)設(shè)的固定值vx以及電流舵dac中開關(guān)陣列的開關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜坡發(fā)生器輸出的斜坡信號(hào)vramp的擺幅區(qū)間進(jìn)行調(diào)整。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，在電流舵dac中，電流源有m個(gè)；開關(guān)陣列由2m個(gè)傳輸門構(gòu)成；其中的m個(gè)傳輸門用于連接各個(gè)電流源的輸出端與r1的上端，另外的m個(gè)傳輸門用于連接各個(gè)電流源的輸出端與r2的上端。r1和r2的下端相連。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，負(fù)反饋電路由一個(gè)運(yùn)算放大器a1、一個(gè)nmos管n0和一個(gè)電容c0構(gòu)成。其中，a1的負(fù)相輸入端接vx；a1的正相輸入端、n0的漏極和c0的一端與r1和r2的下端相連。a1的輸出端與c0的另一端以及n0的柵極相連；n0的源極接地。

13、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，單位增益緩沖器采用運(yùn)算放大器a2；a2的正相輸入端接r2的上端；a2的反相輸入端和輸出端相連并用于輸出斜坡信號(hào)vramp。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，斜坡調(diào)制模塊包三個(gè)計(jì)數(shù)器counter1～counter3、n個(gè)三選一選擇器mux<1>～mux<n>、以及一個(gè)n位譯碼器。其中，n對(duì)應(yīng)單斜adc的量化精度。

15、counter1用于預(yù)存并輸出對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)斜坡的第一編碼qz0～qzn-1。counter2用于預(yù)存并輸出對(duì)應(yīng)全量程斜坡的第二編碼qx0～qxn-1。counter3用于預(yù)存并輸出對(duì)應(yīng)自適應(yīng)的斜坡的第三編碼qy0～qyn-1。n個(gè)三選一選擇器用于選通counter1～counter3中的任意一個(gè)n位編碼，并輸入到n位譯碼器中。n位譯碼器用于對(duì)接收到的n位編碼進(jìn)行解碼，進(jìn)而生成用于控制開關(guān)陣列中的2m個(gè)傳輸門的開關(guān)狀態(tài)的控制信號(hào)。

16、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，三選一選擇器由兩個(gè)二選一選擇器mux1、mux2構(gòu)成。每個(gè)三選一選擇器用于選通第一編碼、第二編碼或第三編碼的其中一位。其中，mux1的兩個(gè)輸入端分別接qxi和qyi，輸出端與mux2的一個(gè)輸入端相連；mux2的另一個(gè)輸入端接qzi；i＝1…n；mux1的控制端信號(hào)記為ctrl，mux2的控制端接選擇信號(hào)q。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，全局判斷模塊中包括一個(gè)最大值查詢單元和最小值查詢單元。其中，最大值查詢單元由1個(gè)n級(jí)與門and、一個(gè)n位的計(jì)數(shù)器counterx和一個(gè)減法器sub構(gòu)成。and的n個(gè)輸入端分別接各列的cms量化模塊中比較器的輸出c0～cn-1，n表示cms量化模塊的數(shù)量；and的輸出端接counterx的輸入端，counterx的輸入端接sub的輸入端；sub的輸出端用于輸出同一行的各個(gè)像素單元的初級(jí)量化結(jié)果中的最大值。

18、與此對(duì)應(yīng)的，最小值查詢單元由1個(gè)n級(jí)或門or和一個(gè)n位的計(jì)數(shù)器countery構(gòu)成。or的n個(gè)輸入端分別接各列的cms量化模塊中比較器的輸出c0～cn-1；or的輸出端接countery的輸入端，countery的輸出端用于輸出同一行的各個(gè)像素單元的初級(jí)量化結(jié)果中的最小值。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，單斜adc中還包括一個(gè)流程管理模塊，流程管理模塊用于對(duì)像素陣列的全量化周期中的不同階段進(jìn)行切換。流程管理模塊包括一個(gè)二選一選擇器mux0和一個(gè)t觸發(fā)器t0。mux0的兩個(gè)輸入端分別接復(fù)位信號(hào)量化階段的結(jié)束信號(hào)p和像素次級(jí)量化階段的結(jié)束信號(hào)q。mux0的輸出端接t0的時(shí)鐘端口；mux0的控制端接t0的q端；t0的t端接高電平信號(hào)。在流程管理模塊中，p和q共同產(chǎn)生輸出到斜坡調(diào)制單元的選擇信號(hào)q。

20、作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，單元信號(hào)vsig由復(fù)位信號(hào)vrst和像素信號(hào)vpixel構(gòu)成；單斜adc實(shí)現(xiàn)對(duì)像素陣列輸出的單元信號(hào)vsig進(jìn)行量化的過程如下：

21、一、復(fù)位信號(hào)量化階段

22、斜坡調(diào)制模塊控制斜坡發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)斜坡的斜坡信號(hào)vramp；同一行上的各個(gè)cms量化模塊中的比較器利用vramp對(duì)像素單元輸出的vrst進(jìn)行多輪的預(yù)量化，預(yù)量化結(jié)果存入計(jì)數(shù)器。

23、二、像素初級(jí)量化階段

24、斜坡調(diào)制模塊控制斜坡發(fā)生器生成全量程斜坡的斜坡信號(hào)vramp；同一行上的各個(gè)cms量化模塊中的比較器利用vramp對(duì)像素單元輸出的vpixel進(jìn)行初級(jí)量化；初級(jí)量化結(jié)果存入計(jì)數(shù)器。

25、三、光強(qiáng)判斷階段

26、全局判斷模塊根據(jù)初級(jí)量化結(jié)果確定vmax和vmin，然后結(jié)合預(yù)設(shè)的光照閾值vlt作出如下決策：

27、(1)當(dāng)vlt≤vmin，則終止當(dāng)前行的量化過程，加減法器根據(jù)計(jì)數(shù)器中預(yù)量化和初級(jí)量化結(jié)果生成各個(gè)像素單元的輸出值。

28、(2)當(dāng)vmin≤vlt≤vmax，則進(jìn)入像素次級(jí)量化階段；同時(shí)將(vmin,，vlt)作為次級(jí)量化中自適應(yīng)性斜坡的擺幅區(qū)間并發(fā)送到所述斜坡調(diào)制模塊。

29、(3)當(dāng)vmax≤vlt，則進(jìn)入像素次級(jí)量化階段；同時(shí)將(vmin,，vmax)作為次級(jí)量化中自適應(yīng)性斜坡的擺幅區(qū)間，并發(fā)送到所述斜坡調(diào)制模塊。

30、四、像素次級(jí)量化階段

31、斜坡調(diào)制模塊控制斜坡發(fā)生器生成自適應(yīng)斜坡的斜坡信號(hào)vramp；列級(jí)判斷模塊依次判斷當(dāng)前行中各列像素單元的初級(jí)量化結(jié)果是否超出光照閾值vlt：

32、(ⅰ)是則初級(jí)量化結(jié)果作為次級(jí)量化結(jié)果；

33、(ⅱ)否則由比較器利用vramp對(duì)像素單元輸出的vpixel進(jìn)行多輪的次級(jí)量化；

34、加減法器將多輪次級(jí)量化的均值作為次級(jí)量化的最終結(jié)果；

35、最后，加減法器根據(jù)計(jì)數(shù)器中預(yù)量化和次級(jí)量化結(jié)果生成各個(gè)像素單元的輸出值。

36、本發(fā)明還包括一種cis芯片，其包括像素陣列，其還采用了如前述的基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc。

37、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具有如下有益效果：

38、本發(fā)明將對(duì)信號(hào)分布的前瞻性分析與數(shù)字相關(guān)多采樣技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于前瞻自適應(yīng)cms技術(shù)的單斜adc。該單斜adc，先進(jìn)行復(fù)位信號(hào)量化，再進(jìn)行全量程的像素信號(hào)初步量化，然后對(duì)初步量化的結(jié)果進(jìn)行前瞻性分析，并用于對(duì)是否需要進(jìn)行cms量化進(jìn)行決策。在本發(fā)明中，cms量化階段采用的自適應(yīng)性斜坡的擺幅根據(jù)前瞻性分析得到的的各像素單元的電壓分布進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控。進(jìn)而保障量化精度、降低隨機(jī)噪聲的前提下，縮短量化時(shí)間。

39、本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以有效提升基于la-acms技術(shù)下的cis中adc的轉(zhuǎn)換速度，尤其在同一行中各個(gè)像素信號(hào)都累積在非常小的電壓范圍內(nèi)，時(shí)，本發(fā)明可以使用很少的時(shí)鐘周期完成對(duì)像素信號(hào)的量化，即使是行像素信號(hào)在滿量程范圍內(nèi)均勻分布的情況下，本發(fā)明也能有效縮短量化時(shí)間。

40、此外，相比ccms技術(shù)，本發(fā)明僅方案包含一個(gè)可動(dòng)態(tài)調(diào)控的斜坡發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了運(yùn)用多個(gè)斜坡發(fā)生器時(shí)出現(xiàn)斜坡不匹配的問題。相比于兩步式adc，本發(fā)明無需暫存粗量化電壓，避免了暫存電壓值精度不夠的問題。此外，本發(fā)明可以在像素信號(hào)初步量化階段一次性分辨像素單元所處的光照環(huán)境的強(qiáng)弱，無需額外引入判定模塊，無需進(jìn)行多輪判定，可以減小電路的復(fù)雜度和運(yùn)行功耗。