模拟数字的转换方法及其相关模拟数字转换器

摘要

本发明公开了一种模拟数字的转换方法及其相关模拟数字转换器。所述转换方法包含有通过一模拟信号对一电容充电，以取样所述模拟信号的电压；在所述电容的电压等于所述模拟信号的电压时，耦接所述电容以及多个参考电压至一比较器，以比较所述电容的电压与所述多个参考电压并产生一第一比较结果；在所述第一比较结果的状态改变时，耦接所述电容至一斜波产生器，以比较所述斜波产生器的一斜波信号与一压差并产生一第二比较结果；在所述第二比较结果的状态改变时，取得所述斜波信号的一第一电压值；以及根据所述第一参考电压以及所述斜波信号的所述第一电压值，取得所述模拟信号的一数字码。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟数字转换的方法及其模拟数字转换器，尤其涉及一 种利用多重参考电压以及单一斜波产生器实现两阶式模拟数字的转换方法及 其模拟数字转换器。

背景技术

图像感应器演变成速度越来越快，且能更精确地捕捉各种实物（例如， 可见光，红外线，...）的图像。例如，以10M画素以上捕捉每秒120张图的 手持相机已经成为日常生活商品。同样地，极快速（每秒10,000张图）以及 超准确的科学感应器以用来发展生命科学、机器人、建筑等。为了市场的需 求，不断改善这些影像，需要从系统的设计和技术创新着手。例如，提高速 度和感应器质量，多个整合电路互相堆栈，以实现的简洁影像器。此外，新 的读出架构开发，以实现更高的读取速度。然而，这需要模拟数字转换器 （analog-to-digital converters，ADC）的设计创新，减少面积和功耗，同时提 高速度和分辨率。

随着集成电路制程技术的进步，模拟数字转换器输出的一数字信号的位 数越来越高。也就是说，数字信号代表的量值与输入的模拟信号越来越接近。 当然，数字信号的位数提高亦表示模拟数字转换器的电路复杂度上升、布局 面积增加与噪声抵抗需求提高。下述的专利文件教导模拟数字转换器及其相 关的方法。

美国专利号US20120025062公开一种混合式模拟数字转换器、一影像感 应器以及用来提供多个数字码的方法。然而，实现所述专利需要大量的电容 必须利用较大的像素感应器。因此，难以实现小体积的影像感应器。

IEEE文件“Multiple-Ramp Column-Parallel ADC Architectures for COMS  Image Sensor”公开一种影像器，其具有平行处理模拟数字，并根据根据一多 重斜波单一斜率模拟数字转换器。其缺点在于需要多组斜波产生器，导致耗 电问题。

欧洲专利号EP1351490公开一种改善读取电路的影像感应器。以及美国 专利号US6670904公开一种用于互补式金属氧化物半导体的双斜波模拟数 字转换器。然而，上述专利的实现方式仅局限于一线性法（Linear search）。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于公开一种模拟数字的转换方法，以达到 减省电源消耗以及缩短转换时间。

本发明公开一种模拟数字的转换方法。所述转换方法包含有通过所述模 拟信号对一电容充电，以取样所述模拟信号的电压；在所述电容的电压等于 所述模拟信号的电压时，耦接所述电容以及多个参考电压至一比较器，以比 较所述电容的电压与所述多个参考电压并产生一第一比较结果；在所述第一 比较结果的状态改变时，耦接所述电容至一斜波产生器，以比较所述斜波产 生器的一斜波信号与所述多个参考电压的一第一参考电压以及所述电容的电 压间的一压差并产生一第二比较结果；在所述第二比较结果的状态改变时， 取得所述斜波信号的一第一电压值；以及根据所述第一参考电压以及所述斜 波信号的所述第一电压值，取得所述模拟信号的所述数字码。

本发明还公开一种模拟数字转换器。所述模拟数字转换器包含有复数平 行处理列、一参考电压产生器以及一斜波产生器。所述复数平行处理列用来 同时输入多个模拟信号。其中，每一平行处理列包含有一电容、一第一开关、 一第二开关以及一比较器。所述电容用来根据所述多个模拟信号的一模拟信 号取样所述模拟信号的电压。所述第一开关耦接于所述电容的一第一端，用 来控制所述电容的耦接关系。所述第二开关耦接于所述电容的一第二端，用 来控制所述电容的耦接关系。所述比较器具有一第一输入端耦接于所述参考 电压产生器、一第二输入端耦接于所述每一第二开关以及一输出端用来产生 一第一比较结果以及一第二比较结果。所述参考电压产生器用来产生多个参 考电压。所述斜波产生器耦接于所述第一开关，用来产生一斜波信号。

附图说明

图1为本发明实施例一模拟数字转换器的示意图。

图2为本发明图1的模拟数字转换器10的一时序图。

图3为本发明实施例另一模拟数字转换器的示意图。

图4为本发明实施例一流程的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、30                             模拟数字转换器

100                                参考电压产生器

120                                斜波产生器

130                                计数器

140                                电容

160                                比较器

180                                逻辑记忆单元

40                                 流程

400、402、404、406、408、410、412  步骤

S1、S2                             开关

V、V’                             电压

T_V+、T_V-                         输入端

Rmp                                斜波信号

P、Q、N                            数字码

Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n         模拟信号

Colmn_1、Colmn_2、…、Colmn_n      平行处理列

rv_1、rv_2、…、rv_n、rv_p、rv_p-1 参考电压

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例一模拟数字转换器10的示意图。模拟 数字转换器10可平行处理模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n。模拟数字 转换器10包含有平行处理列Colmn_1、Colmn_2、…、Colmn_n、一参考电 压产生器100、一斜波产生器120以及一计数器130。参考电压产生器100用 来产生参考电压rv_1、rv_2、….、rv_n，以对模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、 Vinp_n执行一粗部比较（coarse conversion）。平行处理列Colmn_1、 Colmn_2、…、Colmn_n，用来同时输入模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n， 并平行输出相对应的数字码。平行处理列Colmn_1、Colmn_2、…、Colmn_n 的每一平行处理列包含有一电容140、开关S1以及S2、一比较器160以及一 逻辑记忆单元180。电容140用来取样模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n 的一模拟信号的电压。开关S1耦接于电容140的一第一端，用来控制电容 140的耦接关系。开关S2耦接于电容140的一第二端，用来控制电容140的 耦接关系。比较器160具有一第一输入端T_V-耦接于参考电压产生器100、 一第二输入端T_V+耦接于开关S2以及一输出端用来产生比较结果cmpr_1 以及比较结果cmpr_2。斜波产生器120，耦接于开关S1，用来产生一斜波信 号Rmp，以对所述模拟信号执行一细部转换（fine conversion）。

为了方便说明，仅以平行处理列colmn_1为例。当开关S1为“1”且开 关S2为“1”时，电容140的一端耦接至模拟信号Vinp_1，电容140的另一 端接地，模拟信号Vinp_1对电容140进行充电。当开关S1为“1”且开关 S2为“0”时，电容140耦接至比较器160的第二输入端T_V+，而比较器160 的第一输入端T_V-耦接至参考电压产生器100。此时，电容140的电压被充 到模拟信号Vinp_1的电压，比较器160开始比较电容140的电压（即，模拟 信号Vinp_1的电压）以及参考电压rv_1、rv_2、….、rv_n，并产生比较结果 cmpr_1。比较器140可采用一二分法（Binary search）或一线性法（Linear  search）比较电容140的电压与参考电压rv_1、rv_2、….、rv_n。若采用二分 法时，逻辑记忆单元180还包含有一循序渐进缓存器（Successive Approximate  Register，SAR）。较佳地，参考电压rv_1、rv_2、….、rv_n可以二进制的方 式由小到大递增。若电容140的电压较参考电压大时，比较结果cmpr_1为“1”。 若电容140的电压较参考电压小时，比较结果cmpr_1为“0”。一参考电压rv_p 与电容140的电压进行比较时，使得比较结果的状态改变（从“0”到“1”）。 其代表，电容140的电压（即，模拟信号Vinp_1的电压）介于一参考电压rv_p-1 与参考电压rv_p之间。由于参考电压rv_p-1可由一数字码P表示，模拟数字 转换器10取得粗部转换的数字码（即，较高有效位（More Significant Bit， MSB））。而比较器160的第一输入端T_V-耦接至参考电压rv_p-1，以进一步 执行细部转换。

当执行细部转换时，开关S1切换至“0”且开关S2切换至“0”。此时， 电容140耦接至比较器160的第二输入端T_V+以及斜波产生器120，且比较 器160的第一输入端T_V-耦接至参考电压rv_p-1。比较器160开始比较第一 输入端T_V-的电压（即，参考电压rv_p-1）以及第二输入端T_V+的电压（即， 电容140的电压加上斜波信号Rmp）。换句话说，比较器160比较斜波信号 Rmp与参考电压rv_p-1与电容140的电压间的一压差V，并产生比较结果 cmpr_2。较佳地，斜波信号Rmp具有一负斜率或一正斜率。计数器130耦接 于斜波产生器120，用来在斜波信号Rmp每递减／递增（取决于负斜率或正 斜率）一阶时随之递增一位。当斜波信号Rmp递减／递增至电压值V’（略 小于参考电压rv_p-1与电容140的电压间的压差V）时，比较结果cmpr_2 的状态改变。举例来说，电容的电压为0.35伏特，而参考电压rv_p-1为0.30 伏特。比较器160比较参考电压rv_p-1（0.30伏特）与电容140的电压（0.35 伏特）以及斜波信号Rmp的加总。由于斜波信号Rmp具有负斜率，其使得 比较器160的第二输入端T_V+的电压从0.35伏特向下递减。当比较器160 的第二输入端T_V+的电压从0.35伏特递减至略小于参考电压rv_p-1的0.30 伏特时，比较结果cmpr_2的状态改变。

当比较结果cmpr_2的状态改变时，计数器130输出斜波信号Rmp为电 压值V’时的数字码Q至逻辑记忆单元180。如此一来，模拟数字转换器10 取得细部转换的数字码（即，其余较低有效位（Less Significant Bit，LSB））。 模拟数字转换器10可根据参考电压rv_p-1以及电压V’的数字码P（即，较 高有效位）以及数字码Q（即，其余较低有效位），取得模拟信号Vinp_1的 一数字码N（其中，N=P+Q）。模拟数字转换器10需2^P+2^Q的转换时间。现 有技术中，同样具有N位的模拟数字转换器则需2^N的转换时间。相较的下， 本发明实施例的模拟数字转换器10可节省转换时间。另外，一最终所述数字 码可由对较高有效位（More Significant Bit，MSB）以及其余较低有效位（Less  Significant Bit，LSB）执行一数学运算取得。

简单的来说，模拟数字转换器10利用开关S1以及S2将比较器160的两 个输入端耦接至参考电压产生器100、斜波产器120或电容140，可对模拟信 号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n平行进行粗部转换以及细部转换。在执行粗 部转换上，模拟数字转换器10可弹性地采用线性二分法或线性法。此外，本 发明实施例的模拟数字转换器仅需一个斜波产生器，因此相较于现有技术不 但可节省转换时间亦可解决耗电问题。

请参考图2，图2为模拟数字转换器10的一时序图。图2包含有开关S1 以及S2的电压信号、比较器160的第一输出端T_V-的电压信号、比较器160 的第二输出端T_V+的电压信号以及比较器160的输出端的电压信号。由图2 可看出比较器160的输出端的变化。

请参考图3，图3为本发明实施例另一模拟数字转换器30的示意图。模 拟数字转换器30与模拟数字转换器10的基本架构与类似，因此相同组件以 及信号沿用相同标号。模拟数字转换器30与模拟数字转换器10的不同之处 仅在于电容140与开关S1以及S2的耦接位置。当开关S1切换至“0”且开 关S2切换至“0”时，电容140耦接至比较器160的第一输入端T_V-以及参 考电压rv_p-1，而比较器160的第二输入端T_V+耦接至斜波产生器120。比 较器160比较斜波信号Rmp与参考电压rv_p-1与电容140的电压间的一压差 V，并产生比较结果cmpr_2。其余操作步骤可参考上述，在此不再赘述。

请参考图4，关于模拟数字转换器10的操作步骤可归纳为一流程40。流 程40用于模拟数字转换器10中，用来转换一模拟信号至一数字码。流程40 包含下列步骤：

步骤400：开始。

步骤402：通过模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n对电容140充电， 以取样模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n的电压。

步骤404：在电容140的电压等于模拟信号Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n 的电压时，耦接电容140以及参考电压rv_1、rv_2、….、rv_n 至比较器160，以比较电容140的电压与参考电压rv_1、 rv_2、….、rv_n，并产生比较结果cmpr_1。

步骤406：在比较结果cmpr_1的状态改变时，耦接电容140至斜波产生 器120，以比较斜波信号Rmp与参考电压rv_p-1以及电容140 的电压间的一压差V，并产生比较结果cmpr_2。

步骤408：在比较结果cmpr_2的状态改变时，取得斜波信号Rmp的电压 值Ｖ’。

步骤410：根据参考电压rv_p-1以及电压值Ｖ’，平行取得模拟信号 Vinp_1、Vinp_2、…、Vinp_n的数字码。

步骤412：结束。

流程40的详细实施方式可参考上述，在此不在赘述。

综上所述，本发明实施例的比数字转换器利用开关将比较器的两个输入 端耦接至参考电压产生器、斜波产生器或电容，可对模拟信号平行进行粗部 转换以及细部转换，因此可节省模拟至数字的转换时间。此外，本发明实施 例的模拟数字转换器仅需一个斜波产生器，因此亦可解决现有技术的耗电问 题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。