CN101237237B - 使用滞后特性的单斜率模数转换器及模数转换方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用滞后特性的单斜率ADC，其包括第一比较器、第二比较器和代码生成单元。第一比较器通过接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，来输出比较信号，第二比较器具有滞后特性，包含连接到第一比较器输出端的输入端，及代码生成单元连接到第二比较器，并输出与第二比较器的输出信号的状态转换时间点相对应的数字代码。第二比较器可以具体化为施密特触发器或施密特触发器反相器。单斜率ADC还包括控制器，其控制施密特触发器或施密特触发器反相器的上升阈值或下降阈值中的至少一个。

Description

使用滞后特性的单斜率模数转换器及模数转换方法
相关申请信息
本申请要求于2007年1月29日提交的申请号为10-2007-0009136的韩国专利申请的优先权，在此通过引用将其公开内容按其全文中所阐述的合并于此。
技术领域
本公开内容涉及模数转换技术，并且更具体的，涉及使用滞后特性的单斜率模数转换器及模数转换方法。
背景技术
单斜率模数转换器，即单斜率ADC，接收具有恒定电压电平的输入信号并将其与斜坡信号相比较，并且当输入信号的电压电平与斜坡信号的电压电平变为相同时，将时间或时间点转换为数字信号或数字代码。
图1是常规单斜率ADC的框图。单斜率ADC 10包括比较器12、反相器14和代码生成器16。
代码生成器16可以包括计数器(未示出)。响应于从斜坡信号RAMP开始倾斜升降时的时间的时钟信号CLK，计数器开始计数，并输出n比特(n是自然数)数字值作为计数结果。因此，当输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时，在该时间或时间点上代码生成器16输出n比特数字值作为数字信号(或数字代码)。
图2A和2B示出了图1所示的单斜率ADC 10的比较器12的输出信号与代码生成器16的输入信号的波形。
参考图1、2A和2B，当比较器12将输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平相比较时，比较器12输出一个输出信号，其包括斜坡信号RAMP的噪声，以及由比较器12引入的噪声。
即使不考虑由反相器14所产生的噪声，斜坡信号RAMP的噪声和来自比较器12的噪声在它们通过反相器14时也被输入到代码生成器16，因此，斜坡信号RAMP的噪声和来自比较器12的噪声直接影响由代码生成器16输出的数字代码OC。数字代码OC可以是由计数器输出的n比特数字值。
图2A示出了比较器12的理想输出信号或完全未引入任何噪声的比较器12的输出信号，及代码生成器16的输入信号的波形。在此情况下，代码生成器16输出数字代码CODE1，其表明了当输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时的时间或时间点。
而图2B示出了包括噪声的比较器12的输出信号及反映该噪声的代码生成器16的输入信号的波形。在此情况下，由于包括在比较器12的输出信号中的噪声的影响，代码生成器16输出数字代码CODE2，而不是数字代码CODE1。输出代码噪声由数字代码CODE2与数字代码CODE1之间的差值来表示。
换句话说，由于基于输出信号中包括的噪声而产生的数字代码噪声的影响，代码生成器16没有准确地将当输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时的时间或时间点转换为数字代码。
另外，在不能优化比较器12特性的情况下，例如，不能消除噪声的情况下，由于在包括图1所示的单斜率ADC 10的CMOS图像传感器中的具有排列在几列中的列平行结构的布局区域的限制，代码生成器16受到由比较器12引入的噪声的影响。
因此，由于包含在CMOS图像传感器中的代码生成器16不能准确地将当输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时的时间或时间点转换为数字代码，CMOS图像传感器的性能将相当大得降低。
因此，为了改进单斜率ADC 10或包含此类单斜率ADC 10的CMOS图像传感器的性能，迫切需要能够减小由比较器12所产生的并输入到代码生成器16中的噪声的单斜率ADC。
发明内容
本发明的示范性实施例提供了一种单斜率ADC，其减小了由比较器所产生的并输入到噪声减小代码生成单元的噪声，以及一种包括该单斜率ADC的CMOS图像传感器。
根据本发明的示范性实施例，提供了一种单斜率模数转换器，其包括第一比较器、第二比较器和代码生成单元。第一比较器接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，随后输出比较信号。第二比较器具有滞后特性，包含连接到第一比较器输出端的输入端。代码生成单元连接到第二比较器的输出端，并输出与第二比较器的输出信号的状态转换时间点相对应的数字代码。其中代码生成单元包括：计数器，其响应于时钟信号输出数字计数值；及代码生成器，其响应第二比较器的输出信号和计数器的数字计数值，依据第二比较器输出信号的状态转换的时间点输出数字计数值输出为数字代码。
第二比较器可以具体化为施密特触发器或施密特触发器反相器。单斜率模数转换器还可以包括控制器，其能够控制施密特触发器或施密特触发器反相器的上升阈值或下降阈值中的至少一个。
代码生成单元包括：计数器，其响应于时钟输出数字计数值；和代码生成器，其响应第二比较器的输出信号和数字计数值将第二比较器输出信号的状态转换的时间点的数字计数值输出为数字代码。
在示范性实施例中，代码生成单元可以包括：计数器，其响应于时钟信号输出数字计数值；及存储器，其接收第二比较器的输出信号和数字计数值，然后随第二比较器输出信号状态改变，而锁存数字计数值。
CMOS图像传感器包括单斜率模数转换器。
根据本发明的示范性实施例，提供了一种单斜率模数转换方法。单斜率模数转换方法包括：通过接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，来输出第一比较信号；通过使用滞后特性，借助于比较第一比较信号来输出第二比较信号；及接收被连续改变的数字计数值和第二比较信号，随后输出与第二比较信号状态转换的时间点的数字计数值相对应的数字代码。
输出第二比较信号的步骤包括通过使用施密特触发器或施密特触发器反相器比较第一比较信号来输出第二比较信号。
输出数字代码的步骤包括：响应于时钟信号生成数字计数值，及接收第二比较信号和数字计数值，并输出与第二比较信号状态转换的时间点的数字计数值相对应的数字代码。
附图说明
由以下结合附图的说明，将会更详细地理解本发明的示范性实施例，其中：
图1是常规单斜率ADC的框图。
图2A和2B示出了图1所示的单斜率ADC中的比较器的输出信号和代码生成器的输入信号的波形。
图3是根据本发明示范性实施例的使用滞后特性的单斜率ADC的框图。
图4示出了滞后的输入/输出特性。
图5A和5B示出了图4所示的单斜率ADC中的比较器输出信号和代码生成器的输入信号的波形。
具体实施方式
附图示出了本发明的示范性实施例，对它们进行参考以便获得对本发明、其优点及借助本发明的实施而实现的目的的充分理解。在下文中，将通过参考附图解释本发明的示范性实施例来详细说明本发明。在附图中相似的参考数字表示相似的元件。
图3是根据本发明示范性实施例的使用滞后特性的单斜率ADC的框图。如图3所示，单斜率ADC 200包括第一比较器22、第二比较器24和代码生成单元26。
第一比较器22接收下列信号：输入信号INPUT，例如是从CMOS图像传感器(未示出)的像素(未示出)输出的信号，其具有输入到第一输入端(例如(-)输入端)的恒定电平；输入到第二输入端(例如(+)输入端)的斜坡信号RAMP。随后第一比较器22输出借助于分别比较接收的信号INPUT和RAMP的电压电平的比较结果。斜坡信号RAMP可以从斜坡信号发生器(未示出)输出。
例如，在输入信号INPUT的电压电平高于斜坡信号RAMP的电压电平的情况下，第一比较器22输出具有第一状态(例如低电平)的输出信号。在输入信号INPUT的电压电平低于斜坡信号RAMP的电压电平的情况下，第一比较器22可以输出具有第二状态(例如高电平)的输出信号。
根据本发明的示范性实施例，可以将输入信号INPUT输入到(+)输入端，而可以将斜坡信号RAMP输入到(-)输入端。另外，为了解释的方便，图3中示出了具有上升斜面的斜坡信号RAMP，然而，可以以具有下降斜面的斜坡信号来代替斜坡信号RAMP。
第二比较器24的输入端连接到第一比较器22的输出端。第二比较器24是具有滞后特性的比较电路的实例。因此，第二比较器24可以具体化为施密特触发器反相器或施密特触发器。
当第二比较器24具体化为施密特触发器反相器时，在第一比较器22的输出信号具有第一状态(例如低电平)的情况下，就是说具有比上升阈值电压Vthr低的电平，施密特触发器反相器24输出具有第二状态(例如高电平)的信号。在第一比较器22的输出信号具有第二状态的情况下，就是说具有比下降阈值电压Vthf高的电平，施密特触发器反相器24可以输出具有第一状态的信号。
图4示出了施密特触发器反相器的滞后的输入/输出特性。如图4所示，例如在比上升阈值Vthr低的输入电压输入到施密特触发器反相器24的情况下，施密特触发器反相器24输出具有第二状态(例如高电平)的输出信号，并随后保持第二状态(例如高电平)，直至输入比下降阈值Vthf高的输入电压。
另外，当高于下降阈值Vthf的输入电压输入到施密特触发器反相器24时，施密特触发器反相器24的输出信号保持第一状态(例如低电平)，直至在从第二状态(例如高电平)到第一状态(例如低电平)的转换之后，输入比上升阈值Vthr低的输入电压。此外，当低于上升阈值Vthr的输入电压被再次输入到施密特触发器反相器24时，施密特触发器反相器24的输出信号重复从第一状态(例如低电平)转换到第二状态(例如高电平)。
参考图3，代码生成单元26接收第二比较器24的输出信号和时钟信号CLK，并基于时钟CLK的预定边缘(即上升沿或下降沿中的任何一个)，计算第二比较器24输出信号状态转换的时间点，例如从高电平到低电平的转换，或者从低电平到高电平的转换，随后输出作为计数结果的数字代码OC。数字代码OC可以具体化为m比特(m是自然数)。
代码生成单元26包括n比特(n是自然数)计数器28和代码生成器30。
响应于从当斜坡信号RAMP开始倾斜升降(例如倾斜上升斜面)时的信号时钟CLK，n比特计数器28开始计数，并输出n比特计数值(例如格雷码)；例如被连续改变的CV增加作为计数结果。
代码生成器30从计数器28接收n比特计数值CV和第二比较器24的输出信号，并当第二比较器24输出信号的状态转换时，例如在信号从高电平变为低电平的时间点，输出时间点的n比特计数值CV作为数字代码OC。
就是说，代码生成器30接收连续变化(例如增大的)的n比特计数值CV，并在输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时的时间点，输出n比特计数值CV作为数字代码OC。数字代码OC可以是n比特计数值CV，它也可以是与n比特计数值CV相对应的特定数字值。
根据本发明的示范性实施例，当第二比较器24输出信号的状态是第二状态(例如高电平)时，被使能的n比特计数器28可以输出响应时钟信号CLK连续变化(例如增大)的n比特计数值CV。
此外，当第二比较器24的输出信号的状态从第二状态(例如高电平)转换到第一状态(例如低电平)时，被禁止的n比特计数器28停止计数，并可以保持(或锁存)以前的n比特计数值，直至第二比较器24输出信号的状态从第一状态(例如低电平)再次转换到第二状态(例如高电平)。
代码生成器30可以具体化为易失性存储器，例如SRAM。在此情况下，当改变第二比较器24输出信号的状态时，代码生成器30可以锁存从n比特计数器28输出的n比特计数值CV。
与图2A中所示相类似的，图5A示出了第一比较器22的理想输出信号或完全不包括任何噪声的第一比较器22的输出信号以及第二比较器24的输出信号(其是代码生成器30的输入信号)的波形。在该示范性实施例中，代码生成器30可以输出数字代码CODE1，其准确地表明当输入信号INPUT的电压电平与斜坡信号RAMP的电压电平变为相同时的时间点。
而图5B示出了包括噪声的第一比较器22的输出信号和作为代码生成器30的输入信号的第二比较器24的输出信号的波形，其噪声影响很大程度上被第二比较器24的滞后性消除。
第一比较器22将输入信号INPUT的电压电平与倾斜升降的斜坡信号RAMP的电压电平相比较，随后输出比较结果。只要斜坡信号RAMP开始倾斜升降，或刚好在开始倾斜升降之后，计数器28就响应激活的使能(enable)信号EN和时钟信号CLK开始计数。
使能信号EN可以由预定检测器(未示出)产生，预定检测器能够检测斜坡信号RAMP的倾斜升降时间点。此外，预定检测器(未示出)可以基于斜坡信号RAMP的倾斜升降时间点和第二比较器24输出信号的状态(例如高电平)产生使能信号EN。
此外，根据本发明的示范性实施例，计数器28检测从特定检测器(未示出)输出的使能信号EN，该特定检测器能够检测分别地(或独立地)输入到计数器28的斜坡信号RAMP倾斜升降的时间点和第二比较器24输出信号的逻辑电平(例如高电平)，并能够基于检测的逻辑电平开始计数。
在第一比较器22输出信号具有第一状态的情况下，第二比较器24输出具有第二状态的输出信号。因此，计数器28响应时钟信号CLK继续计数。
当随着斜坡信号RAMP的电压电平增大，第一比较器22输出信号的电平变为高于下降阈值Vthf时，第二比较器24的输出信号从第二状态转换到第一状态。在此情况下，计数器28停止计数，并保持其正好在转换前的计数值。
当第一比较器22的输出信号由于噪声影响而低于第二比较器24的上升阈值Vthr时，第二比较器24的输出信号再次从第一状态转换到第二状态。在此情况下，计数器28继续进行计数。
当第一比较器22输出信号的电平由于噪声的影响，变为低于第二比较器24的下降阈值Vthf时，第二比较器24的输出信号再次从第二状态转换为第一状态。在此情况下，计数器28停止计数，并保持其正好在转换之前的计数值。此时，代码生成器30从停止计数的计数器28输出n比特数字值作为数字代码CODE3。输出代码噪声由数字代码CODE3与数字代码CODE1之间的时间差来表示。
参考图1和2，由于仅具有一个阈值的反相器14在每当比较器12的输出信号经过该阈值时转换状态，反相器14输出信号的状态转换的操作成为代码生成器16的噪声。
然而参考图3和5B，在具有两个阈值Vthr和Vthf的第二比较器24输出信号状态的一个转换之后，在输入到第二比较器24的输入信号的由噪声引起的变化小于两个阈值Vthr和Vthf之间的差值的情况下，第二比较器24输出信号的状态被保持原样，且使噪声转换最小化。因此，第二比较器24可以具有抑制包括在输入到代码生成单元26的信号中的噪声的作用。
如图2B和5B所示，根据本发明的示范性实施例的单斜率ADC 200能够相当大地减小输出代码噪声。
如图3所示，单斜率ADC 200还可以包括控制器32，其可以输出第一控制信号CTRL1或第二控制信号CTRL2中的至少一个。借助于响应输入到其的控制信号CTRL，第一控制信号CTRL1试图控制第二比较器24的下降阈值Vthf，第二控制信号CTRL 2试图控制第二比较器24的上升阈值Vthr。
在第二比较器24的下降阈值Vthf和上升阈值Vthr中的至少一个受到控制的情况下，能够优化包括在输入到代码生成器26的输入信号中的噪声消除，其中该输入信号是第二比较器24的输出信号。
为了便于解释根据本发明示范性实施例的具有滞后特性的单斜率ADC，提供了图3到5B，且基于图3到5B所示的内容，本领域普通技术人员能够易于理解各自波形的变化，例如图5A和5B所示的相位变化，其中提供了以下的情况：斜坡信号RAMP倾斜下降的情况；斜坡信号RAMP输入到第一输入端，例如第一比较器22的(-)输入端的情况；作为施密特触发器的第二比较器24的示范性实施例的情况；及代码生成器30具体化为易失性存储器，例如SRAM的情况。
如上所述，根据本发明的示范性实施例，可以借助于具有滞后特性的单斜率模数转换器来减小输入到代码生成器的噪声。还提供了模数转换方法。此外，还具有可以减小从单斜率模数转换器输出的输出代码噪声的效果。
根据本发明的示范性实施例，包括具有滞后特性的单斜率模数转换器的CMOS图像传感器能够减小从单斜率模数转换器输出的输出代码噪声。因此，由于CMOS图像传感器不易受噪声的影响，能够改进CMOS图像传感器的性能。
尽管已经参考其示范性实施例具体示出并说明了本发明，但本领域普通技术人员会理解可以在此做出形式和细节上的各种变化，而不会脱离由以下权利要求所规定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种单斜率模数转换器，包括：
第一比较器，通过接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，来输出比较信号；
第二比较器，具有滞后特性，该比较器包含连接到第一比较器输出端的输入端；及
代码生成单元，连接到第二比较器的输出，并输出与第二比较器的输出信号的状态转换时间点相对应的数字代码，
其中代码生成单元包括：
计数器，其响应于时钟信号输出数字计数值；及
代码生成器，其响应第二比较器的输出信号和计数器的数字计数值，依据第二比较器输出信号的状态转换的时间点输出数字计数值作为数字代码。
2.权利要求1的单斜率模数转换器，其中第二比较器是施密特触发器。
3.权利要求2的单斜率模数转换器，还包括控制器，其控制施密特触发器的上升阈值和下降阈值中的至少一个。
4.权利要求1的单斜率模数转换器，其中第二比较器是施密特触发器反相器。
5.权利要求4的单斜率模数转换器，还包括控制器，其控制施密特触发器反相器的上升阈值和下降阈值中的至少一个。
6.权利要求1的单斜率模数转换器，其中代码生成单元还包括：
存储器，其接收第二比较器的输出信号和数字计数值，当第二比较器输出信号的状态改变时，锁存数字计数值。
7.一种CMOS图像传感器，包括单斜率模数转换器，其中单斜率模数转换器包括：
第一比较器，通过接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，来输出比较信号；
第二比较器，具有滞后特性，该比较器包含连接到第一比较器输出端的输入端；及
代码生成单元，连接到第二比较器的输出，并输出与第二比较器的输出信号的状态转换时间点相对应的数字代码，
其中代码生成单元包括：
计数器，其响应于时钟信号输出数字计数值；及
代码生成器，其响应第二比较器的输出信号和计数器的数字计数值，依据第二比较器输出信号的状态转换的时间点输出数字计数值输出为数字代码。
8.一种单斜率模数转换方法，包括：
通过接收具有恒定电平的输入信号，并将其与斜坡信号相比较，来输出第一比较信号；
通过使用滞后特性比较第一比较信号来输出第二比较信号；及
接收被连续改变的数字计数值和第二比较信号，输出与第二比较信号状态转换的时间点的数字计数值相对应的数字代码。
9.权利要求8的单斜率模数转换方法，其中输出第二比较信号的步骤包括通过使用施密特触发器或施密特触发器反相器比较第一比较信号来输出第二比较信号。
10.权利要求9的单斜率模数转换方法，其中输出第二比较信号的步骤包括通过使用施密特触发器比较第一比较信号来输出第二比较信号，以使得上升阈值和下降阈值中的至少一个受到控制。
11.权利要求9的单斜率模数转换方法，其中输出第二比较信号的步骤包括通过使用施密特触发器反相器比较第一比较信号来输出第二比较信号，以使得上升阈值和下降阈值中的至少一个受到控制。
12.权利要求8的单斜率模数转换方法，其中输出数字代码的步骤包括：
响应于时钟信号生成数字计数值；及
接收第二比较信号和数字计数值，并输出与第二比较信号状态转换的时间点的数字计数值相对应的数字代码。
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