10位高速分級比較型單斜模數轉換器

張　娜，金　濤

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島266100；2.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580)

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10位高速分級比較型單斜模數轉換器

張娜1，金濤2

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島266100；2.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580)

摘要：本文設計了一種用于CMOS圖像傳感器的高速列并行分級比較型單斜模數轉換器。利用兩個斜坡發生器，采取兩次分區間比較和減法運算相結合的方式，將信號分級轉換。結合流水線操作模式，轉換速度比傳統單斜模數轉換器提高12倍。該ADC在0.18 μm工藝下，實現了10位精度和263 ks/s的高轉換速度。ADC的DNL=+0.83/-0.82 LSB，INL=+0.51/-1.5 LSB，SNR=58.28 dB，ENOB=9.3 bit。

關鍵詞：單斜；列并行；模數轉換器；減法器

0引言

單斜模數轉換器[1]具有結構簡單、面積小、功耗低等優點，特別適合用于大像素陣列CMOS圖像傳感器的列并行處理電路中。然而單斜ADC的轉換時間與斜坡臺階數成正比，ADC位數每增加一位，轉換時間成倍增長，難以滿足10位及以上高精度圖像傳感器的高速應用需求[2]。

文獻[3-4]提出的兩步式單斜模數轉換器采取3位、7位分別轉換的方式，需要9個斜坡發生器，斜坡之間匹配較難實現，易產生轉換誤差，且大量的斜坡發生器和信號線會增加電源和面積消耗；以3位、7位的方式轉換，轉換速度較難得到大幅提升，隨著第一級轉換位數的增加，斜坡發生器數量指數上升，硬件上難以實現。

本文將設計一種10位分級比較型單斜ADC，對像素信號采取兩次分區間比較和減法運算相結合的方式，并采用兩級流水式操作模式，轉換速度比傳統單斜ADC提高12倍，且基本不增加列級電路復雜度，有利于高速列并行CMOS圖像傳感器的實現。

1整體結構和工作原理

本文提出的分級比較型單斜ADC基本工作原理如下：對(m+n)位的模數轉換器采用兩次分區間比較，先采用2m個臺階的斜坡信號進行高m位的模數轉換；再從原輸入信號中減去高m位對應的斜坡信號得到轉換差值；然后利用2n個臺階的斜坡信號轉換剩下的低n位。兩次轉換的結果通過邏輯電路組合成m+n位二進制數據。

圖1為分級比較型單斜模數轉換器結構示意圖。主要包括以下模塊：斜坡發生器、計數器、鎖存器、比較器、采樣保持電路、減法器和數字邏輯電路。其中，斜坡發生器與計數器單元為所有列共用，其他模塊電路，對應于640列像素每列一個。計數器控制斜坡發生器產生斜坡信號，計數器1為m位，計數器2為n位。斜坡信號1和光強信號為比較器的兩個輸入信號，當兩者達到一致時比較器輸出翻轉。比較器輸出翻轉信號通過鎖存器輸出一個窄脈沖信號，用來控制寄存器存儲此時計數器1中的m位數值，同時控制減法器對輸入信號和此時的斜坡信號值做差值。隨后差值送入第二級比較器，與斜坡信號2進行比較，從而得到低n位數值。最后通過數字邏輯電路得到m+n位數字信號。

普通單斜模數轉換器完成m+n位轉換約需要2m+n個時鐘周期，對于10位ADC即為1 024個時鐘周期。采用本文設計的分級比較型單斜模數轉換器，完成m+n位轉換約需要2m+2n個時鐘周期，若取m=n，則對于10位ADC僅需要64個時鐘周期，綜合考慮差值計算和采樣保持所耗費的時間，ADC轉換速度可提高12倍以上。

圖1　ADC結構圖Fig.1　ADC structure diagram

2電路設計

2.1比較器

圖2　比較器結構圖Fig.2　Comparator structure

比較器將代表光強的像素信號與斜坡信號進行比較，當兩者相等時輸出翻轉。

本文設計的CMOS圖像傳感器采用列并行結構，列處理電路寬度與像素單元寬度一致，即比較器水平方向的寬度由像素單元的寬度所限制，因此本文選用兩級差分對運放的簡單結構[5-6]，如圖2所示，既節省面積，又滿足精度要求。

比較器工作原理如下：

a.采樣階段。

首先復位開關clk1、clk2閉合，然后開關clks閉合、clkramp關斷，復位結束后復位開關clk1、clk2斷開，復位階段完成。采樣電容C1上的電荷為：

Q1=(Vin-Vref)·C1，

(1)

采樣電容C2上存儲的電荷為0，C2上下極板電平相等。

b.比較階段。

開關clks斷開，開關clkramp閉合，采樣電容C1上的電荷為：

(2)

采樣電容C1、C2上電荷總量不變，由公式(1)、(2)可得：

VX=Vramp-Vin+Vref，

(3)

VY=VZ，

(4)

其中VX、VY、VZ分別為X、Y、Z點的電壓值。

由公式(3)、(4)可以看出，比較器實現將斜坡電壓Vramp與輸入信號Vin相比較的功能。

2.2減法器

第一級量化出m位數字信號后，需要計算輸入信號和高m位數字信號對應的模擬值的差值送入下一級量化[7]。根據單斜模數轉換器的工作原理可知，高m位數字信號對應的模擬值即為比較器翻轉時刻的斜坡的臺階信號。

采用開關電容減法器來實現差值的計算，其結構如圖3所示。

圖3　減法器結構圖Fig.3　Subtractor structure

Vcom是兩級比較器的輸出翻轉信號，觸發鎖存器產生脈沖信號，控制開關clkc選通接入斜坡信號Vramp。由于整個電路的工作是建立在電荷守恒原理的基礎之上，為保證電路正常工作，開關clka和clkb須采用兩相不交疊時鐘控制，clkc接通在clkb閉合的時間范圍之內?？傻玫綔p法器輸出電壓與輸入電壓的關系如公式(5)所示：

(5)

其中Vra為比較器翻轉時刻的斜坡信號值。若取Cs=Cf，可在減法器的輸出端計算出高位轉換的差值，并利用斜坡最低參考值Vrefl將差值調整至第二級比較器工作范圍內。

2.3數字誤差校正

若比較器存在失調誤差，使得在高m位轉換時得出錯誤的二進制代碼，在求差值時就會減掉錯誤的參考電壓，從而得到錯誤的差值，差值可能超出低n位模數轉換的斜坡范圍，從而產生全1或全0的輸出，導致第二級的轉換錯誤[8]。

因此需采用數字誤差校正技術來解決失調誤差的問題。對于用來轉換高位數據的斜坡發生器1，附加一位冗余位，即進行m+1位轉換，一個臺階的高度為ΔV=(Vrefh-Vrefl)/2m+1。對于用來轉換低位數據的斜坡發生器2，2n個臺階的總高度可設為2ΔV=(Vrefh-Vrefl)/2m。高位轉換得出的m+1位和低位轉換得到的n位，經過數字誤差校正，最終可得到m+n位數字信號。這樣可解決因失調誤差差值溢出的問題，并可放寬對比較器的設計精度的要求，從而縮減列級芯片面積，實現高精度。

2.4流水線操作

在兩級比較器前端添加采樣保持電路，對輸入信號和差值信號進行采樣保持，可將高m+1位轉換與低n位轉換流水進行。兩級轉換由兩相不交疊時鐘分別控制，避免相互干擾。具體時序如圖4所示。

圖4　流水線操作流程圖Fig.4　Pipelined operation flow

利用分級比較型單斜ADC采用兩級轉換的電路特點，通過簡單的添加兩個采樣保持電路，無需增加其他硬件和改變電路時序，可實現輸入信號轉換和差值轉換并行的流水線操作模式。即第一級先采樣輸入信號，進行輸入信號轉換和差值計算，差值信號被第二級采樣；然后第二級轉換差值信號，同時第一級可轉換下一行像素的信號值，因此高低位轉換可并行進行，電路的工作速度得到提升。若采用數字誤差校正技術，高位轉換時間約為2m+1，低位轉換時間約為2n。若在m+1和n基本相等的情況下，最快可使電路的轉換速度提高一倍。

3設計結果

本設計采用Smic 0.18 μm CMOS工藝，其整體性能見表1。

表1　ADC的整體性能

ADC的性能分析如圖5所示，ADC的DNL=+0.83/-0.82 LSB，INL=+0.51/-1.5 LSB，SNR=58.28 dB，ENOB=9.3 bit。

圖5　ADC性能分析Fig.5　ADC performance analysis

4結語

本文設計了一種用于CMOS圖像傳感器的高速列并行分級比較型單斜模數轉換器。對像素信號采取兩級分區間比較和減法運算相結合的方式，結合兩級流水式操作模式，轉換速度可比傳統單斜模數轉換器提高12倍以上。對設計的ADC進行仿真驗證，并與幾種傳統的單斜ADC進行了比較，如表2所示。本文設計的ADC較傳統單斜ADC速度性能得到提升，可滿足高速列并行CMOS圖像傳感器應用需求。

表2　ADC性能比較

參考文獻：

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(責任編輯李小玲)

A 10bit High Speed Two-levels Single-slope ADC

ZHANG Na1，JIN Tao2

(1.College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao Shandong 266100，China；2.College of Mechanical &Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China)

Abstract:A design of highspeedcolumn parallel two-levels single-slope ADC for CMOS image sensor is presented. The signal is converted by two sub division and subtraction operation using two ramp generators. With the pipelined operation mode，the conversion speed is 12 times higher than that of the conventional single slope ADC. The ADC achieves 10 bit accuracy and 263 ks/s high conversion rate with 0.18μm process. The DNL，INL，SNR，ENOB of the ADC are +0.83/-0.82 LSB，+0.51/-1.5 LSB，58.28 dB and 9.3 bit respectively.

Keywords:single-slope； column parallel； analog-to-digital converter； subtractor

中圖分類號：TN402

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6600(2016)01-0032-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405514)；青島市科技發展計劃資助項目(13-1-4-249-jch)；山東省自然科學基金資助項目(ZR2014FQ027)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助(201513015)。

收稿日期：2015-05-15

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.005

通信聯系人：張娜(1980—)，女，山東青島人，中國海洋大學講師。E-mail：baiquanbaiquan@126.com